摘要：随着地表矿产资源日益枯竭，矿山开采活动逐渐向地球深部进军，面临的地质条件愈加复杂，传统地质灾害防控手段难以满足矿山安全生产的发展需求。为了实现矿山地质灾害监测预警的自动化和智能化，保障矿山安全高效掘进开采，利用大数据分析技术，构建矿山水工环地质信息数据库，通过基础数据的存储与管理、监测数据的实时分析、场图绘制及动态推演、地质灾害监测预警、三维模型可视化及交互设计等功能，满足不同用户端的具体需求，提高地质灾害监测预警准确性，为矿山安全生产提供科学、有效的技术支持。
关键词：大数据分析,监测预警平台,地质灾害,矿山突涌水
随着浅表层可开采矿产资源的逐渐减少和枯竭，向深地资源进军已成为全球很多国家的必然战略，深地资源开发利用是我国资源保障的重要组成部分。深地资源开发面临的高应力、高地温、高渗压、强扰动等复杂地质环境对矿山安全开采提出了严峻挑战。对矿山水工环地质环境进行实时监测和预警分析，有助于深化对复杂地质条件本质特性的科学认识，实现对潜在地质灾害的早期识别和及时预警，有效保障矿山安全生产。因此，研发一种基于大数据分析的矿山地质灾害监测预警平台显得尤为迫切。
现有矿山地质灾害监测预警水平参差不齐，数据管理平台重采集、轻分析，在数据分析方法上,仍以对比分析等常规方法为主,数据后利用的需求驱动不清晰、分析决策主题对于数据的依赖性不明确、异构数据的综合建模能力不足等,造成了数据智能建模分析的技术与应用瓶颈。
建设基于大数据分析的矿山地质灾害监测预警平台，实现矿山水工环地质数据采集、分析的自动化、信息化、智能化，利用大数据分析技术，形成复杂多类型数据的综合管理与融合分析、多源多层次数据自动化预警方案，是矿山地质灾害监测预警智能化的必然趋势。为此，本文基于大数据分析技术，以矿山分类管理为基础，以水工环多维数据分析、交互、预警及可视化管控为核心，设计矿山地质灾害监测预警平台，实现对潜在地质灾害风险管控、及时预警，为矿山企业提供科学的决策支持，从而保障矿山安全生产和可持续发展。
1架构设计
1.1总体架构设计
基于大数据分析的矿山地质灾害监测预警平台总体架构分为4个层次，分别为基础设施层、数据层、平台层、应用层。
（1）基础设施层。基础设施层是监测预警平台的基础，其设计、建设和运维直接关系到平台的性能和可靠性，包括平台运行的各种硬件设施和数据资源的总和。这些设施和数据资源共同构成了系统的物理基础，确保了数据的采集、传输、处理和存储等功能的实现。
（2）数据层。数据层是监测预警平台的核心，为分析和决策提供支持，具体包括数据的存储、管理、处理和服务。数据层的设计和实施需要考虑到数据的规模、多样性、实时性和安全性等因素。在矿山地质灾害监测预警平台中，数据的有效管理对于及时准确地识别灾害风险、发布预警至关重要。
（3）平台层。平台层是监测预警平台的关键组成部分，负责提供系统的核心功能和服务，支持数据层的存储和计算能力，并为应用层提供接口和服务。平台层包括数据及GIS管理、二维信息可视化、三维地质模型可视化、空间分析与计算等。
（4）应用层。应用层是用户直接交互的层面，它提供了具体的业务功能和服务，使用户能够利用平台进行地质灾害的监测、预警、分析和决策支持。应用层的设计和开发需要紧密结合矿山的具体需求和用户的实际使用场景，确保提供的功能能够有效地支持地质灾害的监测预警工作，并提高用户的工作效率和决策质量。
1.2服务架构设计
（1）B/S+C/S混合架构。监测预警平台采用B/S+C/S混合架构，在前端部分采用B/S架构下的基于Vue.js单页渐进式应用。基于MVVM模式的Vue来进行UI构建，VueCli进行项目文件构建，其中VueCli又对Webpack进行二次封装。用户界面使用基于Vue的ElementUI作为主要样式库，Bootstrap作为次要样式库。这些框架所构成的内容主要负责用户交互和二维数据展示，部分面向数据管理和三维模型建功能采用C/S设计。
（2）分布式微服务端架构。监测预警平台采用微服务架构，划分微服务边界，选用SpringCloud开源微服务框架，对其进行总体架构设计和功能结构设计，并进行程序实现通过接口分解系统的耦合性，不同的子系统通过相同的接口描述进行服务调用。服务注册中心负责存储和加载服务提供者列表，在服务调用失败时，客户端应从服务列表中调用其他的服务器重新请求服务。微服务架构将单一应用程序划分成一组小服务，服务之间相互协调、互相配合，为用户提供最终价值。
1.3数据流结构设计
监测预警平台软件部署在企业端计算机服务器，具备公网访问能力。平台涉及的数据主要分为实时监测数据、非实时资料或数据，其中实时监测数据基于互联网传输接入，非实时资料或数据可直接录入存储。根据平台涉及的监测数据、模型文件、文本文件等类型，本项目采用分布式数据库、结构化数据库进行统一存储和管理。结构化数据库选用行业主流MySQL开源数据库，保证平台稳定可靠、安全运行。
1.4兼容及扩展设计
（1）兼容性设计。兼容以钻孔地下水位、矿山排水量、降雨量等水文地质数据，地应力、边坡垂向和横向位移等工程地质数据，地裂缝、地面沉降、滑坡变形监测等环境地质数据，土壤含水量、尾矿库坝基等生态修复数据为代表的多类型监测数据按照设计数据格式的接入和分析。通过制定统一、标准的数据接口协议，实现当前主流水文地质、工程地质、环境地质以及生态修复监测设备或系统数据的接入和分析。
（2）扩展性设计。采用前后端分离、微服务架构、云服务模式等当前主流技术，进行前台应用与后台服务分离的模块化设计，可根据后续业务发展，以当前平台为基础，开发类似业务功能模块，实现业务功能拓展。支持不同权限划分和功能配置，并根据用户角色不同配置相应权限，使用权限与平台功能模块进行关联，实现个性化和差异化服务。
2数据库设计
2.1数据库软件架构
数据库软件架构是指数据库系统的整体结构，它决定了数据的存储、访问、管理和维护的方式。监测预警平台利用分布式文件系统（HDFS）存储图表文件数据，并在分布式文件系统基础上部署分布式数据库HBASE存储和访问海量三维模型和属性信息，利用关系型数据库MySQL存储结构化信息，实现水工环多源异构信息的存储与融合。
2.2数据库逻辑设计
数据库逻辑设计是将概念模型转换为特定数据库管理系统（DBMS）所能理解的逻辑结构的过程。监测预警平台按数据来源及应用场景将数据库划分为3个子库，分别为原始资料数据库、动态监测数据库和三维模型数据库。其中，原始资料数据库采用结构化数据库（MySql）系统，主要存储矿山基本信息、往期历史数据、影像资料、遥感影像数据或人工输入的数据；动态监测数据库同样采用结构化数据库（MySql）系统，主要存储钻孔地下水水位、矿山排水量、地下水和地表水水质（特征因子探头）、降雨量、蒸发量、气温、风向、包气带含水率等实时监测数据；三维模型数据库采用分布式数据库（HBASE）系统，主要存储FEFLOW、GMS、MODFLOW等水文地质模型和工程地质模型数据。
2.3数据库安全设计
数据库安全设计是确保数据库系统的数据不受未经授权的访问、泄露、篡改或破坏的关键环节，从管理制度、用户识别、口令检验等方面制定严密的保护措施。
在管理制度上，安排固定的数据库管理员维护数据库，sys和system用户的口令只有数据库管理员拥有，并且DBA权限的用户帐号也只应授予数据库管理员；数据库管理员可根据业务需要，创建或撤消用户帐户。在用户识别上，根据用户业务需求，按业务分区设置角色，同一区组的用户授予相同的角色，不同角色用户授予操作不同数据的权限，以此控制不同用户只能访问其权限内的数据。在口令检验上，设置用户口令复杂性检验，并要定期更改，确保用户账号的安全性。
3功能设计
监测预警平台完成平台框架、数据管理、数据统计、二维三维可视化等设计开发，实现基础数据存储与统计、水工环地质信息实时监测及分析、场图绘制及动态推演、人员定位信息展示、地质灾害监测预警、三维模型可视化及交互设计等功能。
3.1基础数据存储与统计
对矿山基本信息进行录入，平台支持工程文档报告、附图、附表、水文地质和工程地质模型文件、影像资料文件、商务资料文件等资料的上传、存储、查询和下载；建立标准规范数据库，对不同类型标准进行上传、下载、增减、检索，方便技术人员及管理人员查询最新标准；设置统计范围、统计方法等参数，以折线图、柱状图、饼状图等图表方式进行矿山基本信息的统计和绘制。
3.2水工环地质信息实时监测及分析
监测预警平台支持多类型实时数据的上传或接入、存储、查询、预览、修正、删除及下载等功能。可采用手动录入、无线接入、USB存储文件导入等形式将数据上传至平台，针对无线接入，制定平台无线数据接收标准接口，支持接收监测设备厂商按照标准接口发送的监测数据，并进行存储，采用统一界面和逻辑进行管理；对于异常数据进行清洗和修正，必要时可进行数据冗余剔除；绘制实时监测数据动态曲线，展示特定时间段内数据库（含历史和实时数据）中的水位、温度、水量、水质、应力、变形等动态监测数据，直观显示当前数据在历史时期所处水平。
3.3场图绘制及动态推演
监测预警平台支持添加虚拟测点，基于这些虚拟测点进行等值线绘制，直观展示出地下水位、沉降、地应力等参数的空间分布情况，为用户提供便捷的视觉分析手段；支持某个时间节点的钻孔水位数据通过钻孔前后两个时间点的水位数据自动插值计算，以提高水位数据的准确性和完整性，为后续的分析和预警提供可靠的数据基础；支持设定动画步长和动画时间节点，并绘制和展示动态图，展示地下水位、沉降、地应力等参数随时间的变化趋势。
3.4人员定位信息展示
针对人员行动轨迹和行动时间信息展示需求，在系统管理菜单下，支持添加GPS监测设备、接收监测设备数据、接收参数配置；制定平台GPS数据接收标准接口，支持接收监测设备厂商按照标准接口发送的监测数据，并进行存储；支持通过天地图等方式进行行动轨迹和行动时间展示。
3.5地质灾害监测预警
监测预警平台针对水工环不同地质灾害类型，添加配置不同类型预警参数，并配置警告人员、建议措施等具体信息。针对地下水水位变化、污染特征因子迁移、巷道气温环境、尾矿库浸润线、滑坡蠕动速率、地面沉降等进行单因子预警，根据工程需要设定相应阈值，指标变化速率超出阈值即触发预警信息；对于矿山井下突涌水等多因子控制地质灾害，进行多因子风险预警，根据矿山水工环地质环境条件和多因子参数选取特征，进行矿山开采适宜性分区和四色展示，实时接入水位数据，可进行危险性分区的变更。
3.6三维模型可视化及交互设计
监测预警平台通过与FEFLOW、GMS、MODFLOW、Flac3D等主流地下水模拟和地质力学分析软件的接口，实现了对这些外部模型数据的直接读取和集成，极大地扩展了平台的应用范围，使得用户可以在一个统一的界面下，对多种模型的结果进行综合分析和评估。用户可以通过输入剖面的折点来定义需要的剖面，平台根据折点自动生成剖面的二维视图，并将其与三维视图进行联动。当用户在三维视图中导航或进行交互时，二维剖面视图会相应地更新，显示当前三维视图所在位置的剖面信息，联动机制使得用户可以在不同的视角下分析数据，提高了分析的准确性和效率。
4平台开发与实现
4.1平台部署
平台基于水工环地质信息数据库，通过建立一定数量的节点集群来进行分析统计，结构化数据采用MySQL数据库，文本类数据采用HBase数据库。平台配置选择不少于2台服务器，单台CPU内核不少于16核，内存不小于32GB，硬盘数量不少于2块SSD，单盘容量应大于480GB；服务器采用Windows server操作系统，应具有公网IP，全动态BGP，独享公网带宽大于20Mbit/s可顺畅运行。
4.2功能展示
基于大数据分析的矿山地质灾害监测预警平台，通过对水工环地质信息的自动采集分析，满足矿山地质数据管理和灾害风险监测预警的基本需求，实现了历史数据和实时数据的上传存储、查询、预览、修正、删除和下载功能等，历史工程资料的档案电子化，集成水工环相关规范，对矿山相关信息进行直观展示，通过二维成图、三维调用和交互，促进地质信息监测预警功能不断完善提高。
5结论
针对矿山水工环地质灾害监测预警实际需求，设计了以水工环数据集成为基础，以大数据分析为核心的地质灾害监测预警平台，建立了矿山历史数据和实时数据的数据库，对数据进行实时分析，形成不同地质要素场图并预测其演化趋势，结合三维地质模型实现三维调用和设计交互，划分不同开采区适宜性分区，给出相应危险等级，为潜在地质灾害危险提出预警信息和预警方案。
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