物联网数据监测下露天煤矿开采环境污染模型研究.pdf

第45卷第6期 2020年6月 Vol. 45 No. 6 Jun e 2020 环境科学与管理 ENVIRONMENTAL SCIENCE AND MANAGEMENT 文章编号 1674 - 6139202006 - 0126 - 06 物联网数据监测下露天煤矿开采环境污染模型研究 桂阿娟 （陕西铁路工程职业技术学院，陕西渭南714000） 摘 要构建以ARM内核为基諭的物联网环境数据监测平台，利用ZigBee组网技术设计环境监测网络，采集 露天煤矿周边区域水环境与大气等环境数据;为量化分析露天煤矿开采造成的环境污■染，引入成本概念，从土 地、植被、建筑物、水环境、大气污染对人体健康损害的经济损失等四方面出发，构建露天煤矿开采环境污■染成 本模型，计算露天煤矿开采导致环境污染的价值损失补偿成本，以内部化补偿成本描述露天煤矿开采导致的外 部环境污染损失。 关键词物联网；数据监测；露天;煤矿开采;环境污染 中图分类号X752 文献标志码A St udy on En v iron men t al Pollut ion Model of Open c ast Coal Min in g based on In t ern et of Th in gs Dat a Mon it orin g Gui Ajuan Sh an xi Railway In st it ut e, Wein an 714000, Ch in a Abst r a ct In order t o realize sust ain able open c ast c oal min in g, t h e en v iron men t al pollut ion model of open c ast c oal min in g un der t h e mon it orin g of In t ern et of t h in gs dat a is st udied. Th e en v iron men t al dat a mon it orin g plat of t h e In t ern et of t h in gs based on t h e arm c ore is built . Th e ZigBee n et workin g t ec h n ology is used t o design t h e en v iron men t al mon it orin g n et work an d c ollec t t h e en v iron men t al dat a of t h e wat er en v iron men t an d at mosph ere in t h e surroun din g area of t h e open - pit c oal min e. In order t o quan t ify t h e en v iron men t al pollut ion c aused by t h e open - pit c oal min in g, t h e c ost c on c ept is in t roduc ed t o an alyze t h e impac t of lan d, v eget at ion, buildin gs, wat er en v iron men t, air pollut ion on h uman h ealt h from t h e four aspec t s of ec on omic loss. Th is paper c on st ruc t s t h e en v iron men t al pollut ion c ost model of open c ast c oal min in g, c alc ulat es t h e c ompen sat ion c ost of v alue loss of en v iron men t al pollut ion c aused by open c ast c oal min in g, an d desc ribes t h e ext ern al en v iron men t al pollut ion loss c aused by open c ast c oal min in g wit h t h e in t ern al c ompen sat ion c ost . Th e simulat ion result s sh ow t h at t h e dev elopmen t t ren d o en v iron men t al pollut ion c aused by open - pit c oal min in g c an be obt ain ed by usin g t h is model, an d t h e sin gle an alysis an d c alc ulat ion t ime is less t h an 10s, wh ic h leads t o h igh er sat isfac t ion of c oal min in g en t erprises. Key wo r ds in t ern et of t h in gs; dat a mon it orin g ； open c ast; c oal min in g ； en v iron men t al pollut ion 中国是煤矿资源产量大国，煤矿资源是中国 社会发展基础物质保障,广泛应用于发电燃料、工 业动力燃料以及化工原料领域。煤矿开采与矿区 环境紧密相关,环境资源是煤矿开采的基础，其利 收稿日期2020 - 05 - 29 作者简介桂阿娟（1979-）,女,研究生，中级工程师，研究方向矿山 地质。 用程度不是无底线的。随着世界范围内环境保护 意识的提升，环境数据检测技术被广泛应用，环境 污染的监测主要集中在水环境与大气环境等方 面，采用人工智能技术、物联网技术实施环境数据 监测。分析环境污染现状,是提升环境污染防治 能力,改善环境质量的主要方式。将物联网技术 与ZigBee技术相结合，设计环境污染监测平台，通 126 第45卷第6期 2020年6月 Vol. 45 No. 6 Jun e 2020 桂阿娟物联网数据监测下露天煤矿开采环境污染模型研究 过多媒体环境监测可提升环境污染监测效率与监 测精度。研究物联网数据监测下露天煤矿开采环 境污染模型，引入成本概念,通过确定环境补偿成 本分析露天煤矿开采给环境造成的污染损害，实 现可持续性的露天煤矿开采。 1露天煤矿开采环境污染模型 1.1物联网环境数据监测平台 为分析露天煤矿开采环境污染情况,构建物联 网环境数据监测平台，用以监测露天煤矿所在区域 环境数据。 物联网环境数据监测平台以arm内核为基 础⑷，利用TCP/IP协议与BSDUNIX操作系统相 结合的通信体系，结合ZigBee技术设计露天煤矿 开采环境数据监测的传感器组网。由图1可知，物 联网数据监测平台监测露天煤矿环境数据时，利 用无线传感器采集露天煤矿开采过程中土地、景 观环境、水环境以及大气环境等数据。通过ZigBee 和模拟总线检测器分别处理、传输采集数据和控 制环境数据监测流程図。物联网传输信道独具的 总线传输功能通过接受函数接受露天煤矿开采过 程中土地、景观环境、水环境以及大气环境等监测 数据，通过wifi建立远程传输。通过时钟控制模块 实施AD采样,设计监测数据交叉编译模块，基于 物联网环境实施数据监测平台总线开发调度。AD 模块的主要功能是控制监测数据的数模转换，完 成数模转换后，划分网络服务应用层空间，完成不 同环境污染类型检测数据的获取与分析。平台主 要包括数据采集、地理信息、综合分析以及环境污 染分析等功能模块。 统一管理不同检测站的中采集节点参数（节 点TPC端口、数据输入类别）是接口管理模块的主 要功能。具有通信管理功能的环境数据采集模块 主要功能是管理网络节点群，通过可视化技术对 节点群进行添加与清除⑷。地理信息模块包含露 天煤矿周边全面地理信息，可通过三维立体模式 直观呈现不同监测站点下采集节点空间内具体分 布情况。根据环境数据采集结果以不同时间区域 划分进行曲线图、柱形图、面积图等图标展示是综 合分析模块主要功能，该模块可清晰呈现环境数 据的波动趋势。环境污染分析模块根据环境数据 采集与分析结果计算环境污染成本,并实时显示。 1.2露天煤矿开采环境污染成本构成 物联网环境数据监测平台获取的露天煤矿周边 环境监测数据主要有土地、植被景观、建筑物等检 测数据，水环境监测数据以及大气环境监测数据等。 露天煤矿开采工程势必侵用大量土地。矿区内 建筑物、植被景观以及农业耕地被侵占,原有工业、 农业以及生态功能丧失，且易导致土地沙漠化。并 且煤矿未开采时地层保持自然稳定状态,进行煤矿 开采后，应力场发生变化,为避免出现坍塌现象，需 利用相应技术使应力场恢复稳定状态⑷。 露天煤矿开采产生的淋溶水与生产污水等都对 水环境产生污染,这些污水内含有大量石油类、高矿 化、酸性、重金属等不同类型的污染因子⑸，在未经 处理条件下直接排放入地表水或渗入土壤进入地下 水,均对矿区内水质产生污染。同时露天煤矿开采 还可能导致区域水文地质变化，水系破坏使矿区周 边水位下降，径流量降低，水利设施丧失功能，工业、 农业、生活用水不便。 露天煤矿开采过程中，爆破、运输与排土等环节 均会产生大量扬尘，这些扬尘是大气环境污染的主 要源头。同时露天煤矿储煤区、灭火区、工业场地锅 炉等排放的粉尘、一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫等 有毒气体同样严重污染大气环境屈。 为量化分析露天煤矿开采造成的环境污染,模 型构建过程中引入成本概念⑺，从（1） 土地、植被、 建筑物等导致的经济损失；（2）水环境破坏导致的 经济损失；（3）大气污染导致的经济损失；（4）对人 体健康损害的经济损失等四方面评估露天煤矿开采 环境污染导致的价值损失补偿成本，以内部化补偿 成本描述露天煤矿开采到导致的外部环境污染损 失⑷。露天煤矿开采的环境污染成本见图1。 127 第45卷第6期 2020年6月 Vol. 45 No. 6 Jun e 2020 桂阿娟物联网数据监测下露天煤矿开采环境污染模型研究 图1露天煤矿开釆的环境污染成本 1.3露天煤矿开采环境污染成本模型 1.3.1 土地与景观资源补偿成本 露天煤矿开采引起的土地经济损失由两部分构 成，分别是土地侵占与植被景观受损造成的经济损 失叫计算公式如1-2 EDED、 D D、xHixHi 1 ED2 ED2 D2xH2 2 上式内,0和d分别表示土地侵占面积与单位 土地年均收益;0和日2分别表示植被景观受损面积 与单位植被景观面积内年均损失的收益，以土地侵 占与植被景观受损程度由物联网环境数据监测平 台获取，以下相关数据均来自物联网环境数据监测 平台，不再重复说明为判断标准。 若存有相当规模的建筑物或植被景观区域为露 天煤矿开采区域，判断该区域建筑或景观受损程度 确定其补偿成本过程如下。 1 受露天煤矿开采影响导致建筑完全损坏时 的补偿成本为公式3 n ed3 n3i ky ky - - d3i 3 T1 上式内,d3和k k分别表示建筑施工成本和贴现 率,n,n和3分别表示建筑使用年代和折旧率。 2 受露天煤矿开采影响导致建筑局部受损时 的补偿成本为公式4 ED, ED, D4D5D4D5 4 上式内,0,0和Q分别表示露天煤矿开采导致建 筑局部受损时导致的经济损失和为避免建筑完全损 坏所需的预防成本。 3用E2表示景观受损的补偿成本,根据经 验确定。 1.3.2 水资源补偿成本 受露天煤矿开采影响导致水资源受损的补偿成 本由两方面构成，分别是水质污染补偿成本和水系 破坏补偿成本迪打 露天煤矿开采过程中产生大量有害物质污染矿 井水源，治理污染水源使其达到使用标准所需成本 为公式5 EY1 EY1 ZxJZxJ 5 上式内,Z和J分别表示露天煤矿年总排水量和 单位体积污染矿井水源治理成本。 露天煤矿开采导致周围区域地质构造发生变 化,矿区周围水系被破坏,改善此问题所需成本为公 式6 3 EY2EY2 字匕 6 i 1 上式内JYiJYi 1,2,3分别表示露天煤矿开 采导致水系破坏造成的农业、工业以及民用经济 损失。 1. 3. 3 大气补偿成本 受露天煤矿开采影响导致大气环境受到污染条 件下的补偿成本计算公式7 EB EB 刀 1 1 上式内，乙和Z分别表示治理i i类单位有害气 体所需费用和i类有害气体的年均排放量。 1.3.4 人力资本补偿成本 露天煤矿开采过程中，大气、水质等均受到一定 污染，接触一定时间后区域内居民身体健康受到影 响，造成包括疾病与早死亡引起的人力资源损失。 128 第45卷第6期 2020年6月 Vol. 45 No. 6 Jun e 2020 桂阿娟物联网数据监测下露天煤矿开采环境污染模型研究 受环境污染引起居民疾病导致的经济补偿计算 方式如8 ECEC】 CT；CT； 8 il il 上式内,c和“分别表示露天煤矿开采区域年均 人收入和年生病人数和L；L；分别表示第i i个人当 年病时与疾病治疗的花销。 受环境污染引起居民早死亡的经济补偿计算方 式如⑼ EC2EC2 舟答 9 上式内J1J1、仇11和“分别表示t岁去世的居民 存活至t it i岁的几率“ i i年的预计收入和贴现率。 1.3.5 环境污染成本模型 汇总上述四项补偿成本构建露天煤矿开采环境 污染成本模型10 5 2 2 A A EY；EBEY；EB C; 10 i 1 i 1 i 1 利用上述数学模型获取露天煤矿开采环境污染 成本，通过与之前单位时间内环境污染成本的对比， 确定露天煤矿开采造成的环境污染变化趋势。 2结果 为验证文章研究的物联网数据监测下露天煤矿 开采环境污染模型的实际应用性能，在MATLAB内 可视化仿真工具Simukink中进行实验测试,以中国 山西省某露天煤矿为研究对象，采用文章模型分析 其开采过程造成的环境污染情况。 2.1文章模型分析结果 采用文章模型确定实验对象2017年、2018年 和2019年开采过程中的环境污染成本，分析实验对 象开采环境污染趋势，结果见表10 表1实验对象开采环境污染成本 年份环境污染成本计算/元计算结彩元 ED]28 734 4 213.526 784 x 102.5 304 x 100 27 121 150 土地环境 ED22 104.1 x 104.1 x 50109 518.405 污染补偿 ED32 213 200 x354783 472 800 ED4 2 021 x 12 x359 1 000 000 9 706 468 2017 年 ED5 224.20822 242 087 水环境 EYj 634 000 x2.015 1 274 340 污染补偿 EY218 114x7 025.07x238 200254 542 435.96 大气污染补偿 EB9 402 1479 402 147 人力资本补偿 EC 746 032 1 200 0431 274 646 统计 1698 789 585.81 EDi 29 774 4 411.5 29 064 x 105.6 4 404x1007 119 547.2 土地环境 污染补偿 ED22 104.1 x 105.6 x 50 111 096.48 ED32 660 900 x349928 654 100 ED4 2 049 xl4 x 389 1 000 00012 158 854 2018 年 ED5 250.208 2 502 087 水环境 EYi 648 000 x2.015 1 305 720 污染补偿 EY218 114x7 025.07x238 200254 542 798.2 大气污染补偿 EB9 605 1429 605 142 人力资本补偿 EC766 0321 100 0431 866 075 统计 1 217 865 420 129 第45卷第6期 2020年6月 Vol. 45 No. 6 Jun e 2020 桂阿娟物联网数据监测下露天煤矿开采环境污染模型研究 （续）表1实验对象开采环境污染成本 年份环境污染成本计算/元计算结彩元 EDi 28 472 3 957.5 28 741 x 105.6 4 321 x 1006 891 704.8 土地环境 污染补偿 ED22 004x105.6 x 50105 811.2 ED32 660 900 x349 842 967 620 ED41 968 x14 x 321 1 000 0009 844 192 2019 年 ED5 250.2082 502 087 水环境 615 207 x 2.0151 239 642.105 污染补偿 16 853 x6 315 x2 38 200212 891 590 大气污染补偿 9 012 6879 012 687 人力资本补偿 826 599 1 347 8232 174 422 统计 1 087 629 756 由表1可知，文章模型能够有效计算每类环境 污染的成本，并获取最终统计结果。对比2018年最 终结果与2019年最终结果可知,2019年环境污染 情况有所缓解,除人力资源补偿成本有所上升外,其 他环境污染类别成本均呈下降趋势。在后续开采过 程中企业可针对露天煤矿开采导致居民身体健康受 到影响这一问题进行改善。 2.2物联网数据监测精度分析 文章模型中数据来源为物联网数据监测平台， 该平台采用多媒体技术采集环境监测信息,所采集 信息的精度可描述文章模型的计算精度。物联网数 据监测精度测试过程中在Visual DSP 仿真系统 内进行，设定环境数据采集周期为10 s,检测试件设 定为1 h,数据监测输出结果见图2。 由图2可知，文章模型使用的环境监测数据与 实际环境状态之间的差异较小，说明文章模型使用 的环境监测数据具有较高精度，这也能够说明文章 模型能够准确分析露天煤矿开采给环境造成的污染 情况。 2.3模型分析效率分析 上一实验中验证了文章模型数据来源的精度, 本次实验对文章模型分析效率进行验证。为突出文 章模型在效率上的优势,采用文章模型、基于数据挖 掘技术的模型、基于模糊综合评价的模型对实验对 象开采过程造成的环境污染进行分析并对比各模型 所需时间，结果见表2。 表2不同模型耗时对比 实验次 数/次 文章 模型厶 基于数 据挖掘的 模型人 基于模糊 综合评价 法的模型人 17.315.614.2 214.717.3 37.615.115.1 49.214.534.6 58.815.918.3 67.416.015.0 77.714.316.2 87.715.814.3 916.015.5 10014.935.8 平均值 015.319.6 由表2内数据可知，文章模型分析开采过程造 成的环境污染时，耗时均低于10 s,单次平均耗时 0s。基于数据挖掘的模型单次耗时最高可达 16.0 s,耗时均值为15.3 s,与文章模型相比耗时提 升近一倍。基于模糊综合评价的模型分析开采过程 造成的环境污染时，平均耗时为19. 6 s,且第四次实 验与第十次实验过程中,呈现了两次耗时显著提升 的现象，耗时最高达到35.4 s。实验结果说明三个 模型对比下，文章模型的分析效率最高,且具有较好 的稳定性。 130 第45卷第6期 2020年6月 Vol. 45 No. 6 Jun e 2020 桂阿娟物联网数据监测下露天煤矿开采环境污染模型研究 时间/s 讣｝水斥境监测结果 实縣ft饥 文車输出结呆 时间弘 GO女化环境曲測祐果 图2物联网数据监测输出结果 3结论 露天煤矿开采过程中环境资源利用超过一定 限度，环境将受到污染损害，为实现可持续性的露 天煤矿开采,研究物联网数据监测下露天煤矿开 采环境污染模型。文章研究物联网数据监测下露 天煤矿开采环境污染模型,利用物联网环境数据 监测平台采集露天煤矿开采过程中周边区域环境 数据，利用采集的数据计算环境污染成本,可有效 分析不同时间段下环境数据变化趋势，通过仿真 结果显示利用该模型可获取露天煤矿开采造成的 环境污染变化趋势，且单次分析计算耗时低于 10 s,得到煤矿开采企业较高满意度，最大限度上 降低环境污染。 参考文献 [1] 李玉洁，赵娜，曹月娥，等.露天煤矿煤粉沉降对矿区 周边主要植物的生理影响[J].生态学报,2018,38228129 -8138. 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