1、第32 卷增刊12023年6 月文章编号：10 0 4-40 51(2 0 2 3)S1-0016-06中国矿业CHINA MINING MAGAZINED0I:10.12075/j.issn.1004-4051.20230235电子围栏技术及采矿权超层越界开采防范Vol.32,Suppl 1June2023王飞跃（中国煤炭地质总局勘查研究总院，北京10 0 0 39）摘要：电子围栏技术是一种基于各种物理力量的周界防护技术，主要应用于重要场所的安全防护。而信息时代一种基于物联网通过位置信息采集来管理空间范围的技术也称为电子围栏技术。前者归属于实体电子围栏技术，后者归属于虚拟电子围栏技术。基于对
2、采矿权超层越界事件空间变化的分析，探讨了应用电子围栏技术防范采矿权人超层越界开采矿产资源的监管技术，提出了智能界桩电子围栏和电子标签界桩围栏两种实体电子围栏技术方案，以及基于巡检的虚拟电子围栏和基于图像识别的虚拟电子围栏两种虚拟电子围栏技术方案。关键词：采矿权；电子围栏；超层越界开采；防范中图分类号：TD804Electronic fence technology and prevention of mining right overlying(General Prospecting Institute of China National Administration of Coal Geol
3、ogy,Beijing 100039,China)Abstract:Electronic fence technology is a perimeter protection technology based on various physical forces,mainly applied to the security protection of important places.In the information age,a technology based onthe Internet of things to manage spatial range through informa
4、tion reception is also known as electronicfence technology.In this paper,the former belongs to the physical electronic fence technology,and the latterbelongs to the virtual electronic fence technology.Based on the analysis of the spatial changes of miningrights beyond the boundary events,this paper
5、discusses the regulatory technology for preventing miningrights holders from mining mineral resources beyond the boundary by using electronic fence technology.Twophysical electronic fence technology schemes,intelligent boundary post electronic fence and electronic labelboundary post fence,as well as
6、 two virtual electronic fence technology schemes,namely,patrol based virtualelectronic fence and image recognition based virtual electronic fence,are proposed.Keywords:mining right;electronic fence;overlying mining;on guard0 引 言随着工业化、城市化的快速推进，我国矿产资源勘查开采活动日益活跃，采矿权人而走险越界开采的现象依然存在，结果轻者受到行政处罚，重则触犯刑律1。发现
7、、制止和查处矿山超层越界开采等文献标识码：Aand overcrossing miningWANGFeiyue违法违规行为，一直是困扰基层矿产资源管理人员的难题。起初主要依靠行政手段开展“运动式”专项整治活动，却只能收到一时之效，整治过后又死灰复燃，不得不开展一轮又一轮整治2。后来为了建立长效监督管理机制，采取了各种技术手段，如遥感、收稿日期：2 0 2 3-0 4-10基金项目：中国煤炭地质总局科技创新项目资助（编号：ZMKJ-2022-J03-01）作者简介：王飞跃（196 5一），男，汉族，陕西乾县人，教授级高级工程师，主要从事遥感与地理信息应用、矿业权技术研究及矿业开发工作，E-mai
8、l:。引用格式：王飞跃.电子围栏技术及采矿权超层越界开采防范J.中国矿业，2 0 2 3,32（S1）：16-2 1.WANG Feiyue.Electronic fence technology and prevention of mining right overlying and overcrossing miningJJ.China Mining Magazine,2023,32(S1):16-21.责任编辑：宋菲增刊1王飞跃：电子围栏技术及采矿权超层越界开采防范17测量、视频等，但超层越界开采行为仍不断频发。近年来，电子围栏技术发展迅速，如何利用电子围栏技术防范超层越界开采是一个值得
9、研究的课题。1电子围栏技术1.1实体电子围栏电子围栏最早出现在十九世纪，实际就是通电的铁丝网，主要用在监狱等特殊场所，用于防止犯人越狱3。此后电子围栏技术逐渐被人们接受，得到迅速发展并形成系统的周界防护技术，广泛应用于安防领域，包括学校、油库、小区、军事禁区等重点防护场所,因此又称安防电子围栏。目的是将入侵者围堵在防区外围，使入侵者还没有接触到被保护的防护对象就提前报警、示警41。可见电子围栏具有阻挡、威慢、探测、警告等功能5。电子围栏一般由电子围栏主机（也叫围栏控制器）、前端配件与后端控制系统三部分组成6 。前端配件常用的探测技术手段有高压脉冲电网、振动传感电缆、张力铁线防越探测网、静电探测
10、网、红外对射、激光对射、微波探测器、光纤防越栅栏、视频运动探测与跟综系统等等。共同的特征是前端具有实体设施，因而称为实体电子围栏。一个成功的安防电子围栏，要选择最适合实际情况的探测技术，而且管理控制好误报或错报率同样重要。在高等级的安防应用中，通常综合使用多种入侵探测技术，来达到最佳的探测效果和最低的误报和漏报1。实体电子围栏报警信号的传输主要采用有线通讯，其主机也是布设在围栏现场不远处，故而实体电子围栏是一种现场监控系统而非远程监控系统。实体电子围栏是一种主动人侵防越围栏，对入侵企图做出反击，击退人侵者，延迟人侵时间，但又不威胁其性命，并把入侵信号发送到安防部门监控设备上，以保证管理人员能及
11、时了解报警区域的情况，快速的作出处理。阻挡的人侵事件一般是随机的，没有确定的时间和地点，事件主体一般是人、动物或者其他运动物体。对人侵事件发生地点的确定主要依靠前端分区设置，获得的人侵事件位置精确度较低。1.2虚拟电子围栏电子围栏进一步发展到现阶段，与信息技术结合形成了虚拟电子围栏技术，用于空间范围管理。所谓虚拟电子围栏，就是在电子地图上绘制一个封闭的图形区域，通过系统设计，该区域同多变量因素关联，如果监管对象(如共享单车、汽车)进人或者离开该区域，监控系统会按照事先设定的条件，触发相关的处理程序7-8 。这种技术条件下对管理区域现场并不设置实体围栏，因此称之为虚拟电子围栏。比如应用于共享单车
12、停放区域管理的共享单车电子围栏9就是一种虚拟电子围栏。依据定位技术的不同，共享单车电子围栏可分为3类，基于全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)定位技术的电子围栏、基于蓝牙定位技术的电子围栏以及基于射频识别（RadioFrequencyIdentification，RFI D)定位技术的电子围栏。虚拟电子围栏系统一般由前端定位数据采集设备、传输网络、后端监控平台3部分，支持定制相关云服务，同时支持互联网上传本地数据至上级监管部门10。虚拟电子围栏的关键技术之一是获取前端目标物的地理坐标位置，通过获取到的目标物地理坐标位置与虚拟电子围栏
13、范围进行位置判断，实现电子围栏触发机制11。传输网络依托移动互联网。电子围栏设置和触发报警均在后端监控平台实现。从技术层面看，虚拟电子围栏主要基于空间信息技术（全球导航卫星系统（GlobalNavigationSatellite System,GNSS)、地理信息系统(GeographicInformation System,GIS)）与物联网技术。前端采集设备和后端管理平台的位置可以很远，属于远程监管技术手段。虚拟电子围栏的位置采集技术有坐标标定位置与相对距离位置两者方式，虚拟电子围栏有规则和不规则两种，不规则电子围栏一般在电子地图划线设定，规则电子围栏一般通过程序设定。虚拟电子围栏是一项新
14、兴技术，但发展迅速，应用广泛，除共享单车管理领域外，还在交通工具（汽车、船舶、高铁)管理、电力设施监管、老人幼童看管、宠物防丢、牧场管理、油气管道巡检、水域航道管理、无人机管理、自然保护区等领域。总之，凡是和空间区域有关的领域，虚拟电子围栏技术均可大有作为。2采矿权超层越界事件空间特性分析超层越界开采指超出采矿许可证载明的矿区范围的开采行为。包括两种情形，一是超出拐点坐标所限定的平面范围开采矿产资源；二是超出开采高程上、下限。一般以前者较为普遍，主要围绕第一种情形开展研究。矿产开采形成采空区，随着开采的不断实施，采空区范围线向矿区范围线靠近。如果采空区范围线超出矿区范围，则发生超层越界开采事件
15、，如图1所示。引入电子围栏技术来防范超层越界开采矿产资源，那么围栏应沿矿区范围线布置，防范的主体显然是不断扩展的采空区范围线。由图1可知，防范主体本身对围栏的入侵是渐进的，一次性的；超层越界184Fig.1 Schematic diagram of the evolution ofoverlying boundary mining events开采事件本身留有痕迹，其发生是有规律的，不是随机的，采空区范围线由里向外逐渐推移的；引发事件的主体是特定的，就是采矿权人，是可追溯的。根据上述特征分析，如果采用传统的实体（安防)电子围栏技术防范超层越界开采事件，显然是不适合的。原因主要有三方面。首先，没
16、有一种安防技术手段能阻挡、威慢一条界线的入侵。当然，这条界线的形成是采矿机械设备造成的，且操作设备的是人，但电子围栏不可能对采矿设备的操作人员造成伤害，因为开采范围线超越围栏时，人在设备之后，并不和电子围栏接触；其次，这种方式仍需先测量标记好采矿边界红线，然后再设置电子围栏，因此加大了电子围栏设置成本；最后，因为矿区范围一般很大，远远大于安防电子围栏适合的范围，建设安防电子围栏投资较大，甚至很大，从成本角度看，管理采矿权空间范围没有必要付出如此高的成本。排除了安防电子围栏的应用，可以考虑采用采矿权界桩或虚拟电子围栏技术。3采矿权界桩围栏3.1界桩是一种不连续的围栏超层越界开采事件具有渐进性、一
17、次性、显性化等特征，只要采矿权埋设界桩，同样起到安防电子围栏的阻挡、威作用。埋设采矿权拐点界桩及加密界桩等于沿采矿权矿区范围设置了一种不连续的围栏，可使采矿权人更加清晰地认识到矿区边界，同时采矿权人及开采人员受到心理威慢或暗示，不敢越中国矿业界或发现越界后自觉停止，从而做到守界开采。之所以如此，一是因为采矿权人是唯一的，二是采矿权活动是有痕迹的，超出范围界线开采必然被公众和管理部门发现，并可以事后追查。可以看出，界桩围栏的阻挡、威慢作用主要来自于采矿权人和社会公众强烈的法治观念。从物理阻挡功能上看，采矿权界桩虽然是一种防护程度最弱的围栏，却是最经济的围栏，设立界桩的成本较之安防电子围栏要低很多
18、。实践证明，埋设采矿权矿区范围界桩是一个经济有效的简便办法，因为这样可以清晰地标识采矿3权矿区范围边界12 ，特别对露天采矿权更加有效，图例可以保证采矿权人做到守界开采。拐点3.2界桩的保护矿区范围界限早期采空区境界线中期采空区境界线近期采空区境界线图1超层越界开采事件演进示意图第32 卷矿产资源开采监督管理实务中发现，由于矿山爆破破坏、矿业权人或周围农户破坏等因素，界桩缺失、位移或不完整等现象频发。矿政管理机关一般要求矿山企业负责保护界桩，但矿山企业往往没有尽到责任，更有甚者监守自盗，擅自挪移采矿权界桩，越界盗采国家所有的矿产资源。由于矿山基本上都处于远离城市的野外，因此处于城市的矿政管理机
19、关难以发现上述界桩缺失、位移等现象。如果采用了具有报警功能的电子界桩，可以保障界桩安全不被破坏，进一步可以保障采矿权界桩对超层越界开采的阻挡与威慢作用持续存在，从而遏止超层越界开采现象的发生。3.3电子界桩在普通界桩中植入电子设备，即升级为电子界桩。电子界桩即具备普通界桩(界碑)的勘界、立标、分区、标志、警示等功能，又被赋予了许多新功能，如自我保护功能和各种环境感知功能。根据电子设备的不同，又分为电子标签界桩和智能电子界桩。植入电子标签的界桩称为电子标签界桩，电子标签包括电子芯片和二维码等，电子标识单独存在是没有意义的，还需识别这些标识的设备与信息系统，才能形成真正意义的电子标识界桩，这些设备
20、均是物联网终端产品。界桩内部植人智能监控装置或称智能传感器即为智能电子界桩。智能传感器主要功能是定位，主要应用北斗等GNSS定位技术。电子标签界桩主要采用巡检设备进行定位。上述两个方案均是以界桩法定位置即拐点坐标为基准，如果界桩实际位置和法定位置之间的差距达到一定程度就报警，所不同的是，智能界桩不需人工值守，电子标签界桩需要人工巡检。其实质是采用了虚拟电子围栏技术监管界桩的位置，称之为电子界桩围栏。增刊14采矿权电子围栏技术方案4.1电子界桩围栏电子界桩围栏归属一种特殊的实体电子围栏。前端设置有电子界桩，通过法律效应对越界开采行为产生阻挡威慢作用，界桩本身通过虚拟电子围栏技术进行管理。分为智能
21、界桩电子围栏与电子标签界桩电子围栏两种技术方案。显然电子界桩围栏属于实体电子围栏，是自然保护区、水源地、重要军事区等重点保护区采用较多的一种电子围栏。4.1.1智能界桩电子围栏电子围栏前端系统由智能界桩构成，即在普通界桩内安装了智能传感器；后端系统为管理平台系统，两者通过移动互联网联系。智能传感器采集的数据通过移动互联网及时上传到管理平台，管理平台对数据进行分析并做出判断（图2）。智能传感器最核心的功能是定位功能，即感知界桩位置的功能。其核心部件为定位模块、4G通讯模块以及微处理模块，定位模块采集到界桩位置坐标后，由微处理模块指令通讯模块传输到后台。后台系统将界桩的实时坐标位置与储存的法定坐标
22、位置进行比较，计算二者的距离，如果超出设定的电子围栏即报警。后台系统这一功能一般称为人工智能(Artificial Intelligence,AI)技术。我国北斗三号系统已建设完成，相对于国外导航卫星系统，能提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，并具独特的短报文通信能力，因此，定位模块应首选基于北斗（BDS）的单模模块，或者BDS十GPS双模或多模定位模块。要求定位精度在2 m以内，精度越高越好，但不必采用差分技术，以免增加成本。智能传感器还可以集成感光器件、温湿度器件、视频采集模块等全部或部分，运用姿态传感、红外人侵、可见光图像传感等复合传感与AI技术精准监测界桩倒伏、位移等现象，再利用自
23、组网、NB-IoT等无线通信接人云端，实现现场数据实时回传后端平台管理系统，实时显示界桩位置、姿态、现场环境、越界统计以及各种传感器和电池的工作状态等信息。平台系统可以对前端系统采集数据的频度进行操控，这样可以节约电源。虽然前端系统采用了长续航可充锂电池，但仍需节约电源，以保证更长时间的供电能力。4.1.2电子标签界桩电子围栏在界桩上贴（印）上二维码或者安装一个NFC线圈卡（即IC卡），构成电子标识界桩。二维码又称王飞跃：电子围栏技术及采矿权超层越界开采防范集需要人工参与。19BDS BDS图2 基于智能界桩的实体电子围栏系统示意图Fig.2 Schematic diagram of a ph
24、ysical electronic fencesystem based on intelligent boundary posts二维条码，常见的二维码为Quick ResponseCode，是一种编码方式。比传统的Bar Code条形码能存更多的信息，也能表示更多的数据类型。二维码是用某种特定的几何图形按一定规律在平面（二维方向上)分布的、黑白相间的、记录数据符号信息的图形；在代码编制上巧妙地利用构成计算机内部逻辑基础的0 “1 比特流的概念，使用若干个与二进制相对应的几何形体来表示文字数值信息，通过图象输入设备或光电扫描设备自动识读以实现信息自动处理：具有条码技术的一些共性：每种码制有其特
25、定的字符集；每个字符占有一定的宽度；具有一定的校验功能等。同时还具有对不同行的信息自动识别功能、及处理图形旋转变化点。IC卡电子标签是射频识别系统中的数据载体，由标签专用芯片和印刷天线组成。目前常用的IC电子标签按照供电方式划分为三类：有源电子标签、无源电子标签、半无源电子标签。有源电子标签内装有供电电池，无源电子标签不具备电池，半无源电子标签部分模块供电。使用巡检设备对电子标签界桩进行扫码或刷卡操作，可以获得界桩ID信息，同时，巡检设备中的定位模块获取界桩位置的坐标值，微处理器把二者信息编辑成一个数据链并指令通讯模块将其上传到后端平台系统中（图3）。巡检设备可以是具有高精度定位功能（定位精度
26、在2 m以内）的智能手机，也可以新研发一种专用设备。综上所述，电子标签界桩电子围栏与智能界桩围栏一样，归属实体电子围栏，前端设置有界桩，后端有管理平台系统，两者可以共用一个平台系统。不同的是智能界桩电子围栏数据采集是完全自主的，不需人工参与；而电子标签界桩电子围栏数据采移动互联网204.2基于巡检的虚拟电子围栏如果采矿权没有设置界桩，需构建基于巡检的虚拟电子围栏，用以防范超层越界开采的事件发生。基于巡检的虚拟电子围栏系统如图4所示，由前端定位数据采集子系统（即巡检设备）、移动互联网子系统及后端管理平台子系统构成。前端定位数据采集子系统（巡检设备）由巡检人员携带；后端管理平台子系统设置在矿政监管
27、部门，两者通过移动互联网子系统进行信息传输。前端定位数据采集子系统又称巡检设备，由定位模块、通讯模块、处理器、电源、显示屏以及触摸屏构成。定位模块用来采集位置坐标数据，并通过通讯模块联通移动互联网将位置数据传回后端管理平台子系统，同时在显示屏上显示，上述操作通过触摸屏发布指令由处理器指挥完成，上述模块由电源供电，电源为可充电源。如果智能手机的定位精度满足需求，则可以将智能手机作为巡检设备使用。BDS移动互联网图3基于电子标识界桩的实体电子围栏系统示意图Fig.3 Schematic diagram of a physical electronic fencesystem based on el
28、ectronic identification boundary posts图4基于巡检的虚拟电子围栏系统示意图Fig.4Schematic diagram of virtual electronic fencesystem based on inspection equipment中国矿业后端管理平台子系统由存储模块、电子围栏模块、显示模块和报警模块组成。数据传输到后端管理平台子系统后将存储在存储模块中，并与电子围栏模块预设的矿区范围进行比对，如定位数据超出电子围栏界限，则自动触发报警模块进行自动报警，上述信息均由显示模块显示在各种终端设备屏幕上。总之，基于巡检的虚拟电子围栏系统是在平台系统
29、中先设置一个电子围栏，通过巡检设备（与上文4.1.2节所述方案中的巡检设备为同一设备）巡检实际开采范围境界线并将定位数据通过移动互联网上传到后端平台系统，如果定位数据在虚拟电子围栏之外，便触发报警，达到管理目的。4.3基于图像识别的虚拟电子围栏该方案由前端图像采集子系统、移动互联网子系统及后端管理平台子系统构成（图5）。前端图像采集子系统置于矿山现场高处；后端管理平台子系统设置在矿政监管部门，两者通过移动互联网子系BDS统进行信息传输。前端图像采集子系统由高分辨率相机、电源、存储器、通讯模块以及微处理器构成。高分辨率相机用来采集整个采矿权范围内的图像，图像可暂时存储于存储器中，随即通过通讯模块
30、联通移动互联网将图像数据传回后端管理平台子系统，上述操作由微处理器指挥完成，上述设备由电源供电。电源采用联合供电模式，由可充电锂电池和太阳能电池及电源管理模块构成。后端管理平台子系统由自动图像识别模块、电子围栏模块、显示模块和报警模块组成。图像采集子系统并不连续工作，采用定时采集工作模式，以节约电源与网络流量资源。图像传输到后端管理平台子系统后自动图像模块可自动识别出当前实际采掘BDS移动互联网第32 卷范围，并与电子围栏模块预设的管控范围进行对照，如实际采掘范围超出管控范围，则自动触发报警模块进行自动报警，上述信息均由显示模块显示在各种终端设备屏幕上。总之，本电子围栏的原理是利用高分辨率相机
31、作为电子围栏的前端设备，采集矿区范围全景图像，并通过通信单元以及微处理器发送给后台管理终端，由后端识别单元辨识出实际开采范围，用于和电子围栏单元预设的管控范围进行比对，判定开采区域是否存在超出预设管控范围的情况，从而有利于对开采区域进行可视化的监控，提高工作效率。5 结 论1）采矿权超层越界防范即可以采用实体电子围栏方案，也可以采用虚拟电子围栏技术方案。增刊1图5基于图像识别的虚拟电子围栏系统示意图Fig.5Schematic diagram of virtual electronic fencesystem based on image recognition2）采矿权实体电子围栏主要基于电
32、子界桩来实现，可分为智能界桩电子围栏和电子标签界桩围栏，该电子围栏的阻挡、威慢作用主要来自法治的力量。其中，对界桩位置的管理采用了虚拟电子围栏技术。3）采矿权虚拟电子围栏主要基于巡检设备GNSS定位技术和地基遥感技术手段采集开采位置信息，矿区范围一般设置为管控电子围栏范围。4）北斗定位技术是采矿权电子围栏技术的基础，物联网技术是采矿权电子围栏关键。5）目前已完成智能界桩电子围栏的开发，经测试其技术方案是成功的。首次实现了北斗技术在矿产资源开采监督管理中的应用。参考文献1王卫文.矿山越界开采刑事风险防控浅析：以非法采矿罪为视角J.国土资源导刊，2 0 2 1,18（4）：18-2 1,7 3.W
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