礦山生態(tài)區(qū)域?yàn)?zāi)害預(yù)測(cè)的云平臺(tái)構(gòu)建過(guò)程研究

梁琴琴，何東林，王振飛，趙麗娜，武 枝，王宗江

（山東正元冶達(dá)科技發(fā)展有限公司，山東 濟(jì)南 250101）

礦區(qū)開(kāi)采活動(dòng)日益增多、開(kāi)采程度不斷加深，給礦山生態(tài)區(qū)附近的環(huán)境和居民帶來(lái)的危險(xiǎn)性也越來(lái)越大。此外，礦山生態(tài)區(qū)域地質(zhì)情況比較復(fù)雜、礦區(qū)作業(yè)的特殊環(huán)境，以及各種潛在的不穩(wěn)定因素，極易造成事故的發(fā)生。礦山生態(tài)區(qū)域?yàn)?zāi)害不僅嚴(yán)重威脅著礦區(qū)工作人員的生命安全，還會(huì)帶來(lái)巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失[1]。

礦山生態(tài)區(qū)域?yàn)?zāi)害的發(fā)生，一方面是礦山生態(tài)區(qū)域的地質(zhì)條件決定的；而另一方面是礦山開(kāi)采、回填方式、管理水平等多方面人為活動(dòng)影響的。要想礦山生態(tài)區(qū)域穩(wěn)定、持續(xù)發(fā)展，那么就要重視礦山生態(tài)區(qū)域?yàn)?zāi)害的監(jiān)測(cè)。以往對(duì)礦山生態(tài)區(qū)域?yàn)?zāi)害預(yù)測(cè)的重視程度低，對(duì)其開(kāi)采活動(dòng)沒(méi)有形成有效監(jiān)測(cè)。然而，隨著礦山生態(tài)區(qū)域的不斷開(kāi)發(fā)，開(kāi)采過(guò)程中的高應(yīng)力問(wèn)題日益突出，所帶來(lái)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失是不可估計(jì)的。

為了降低礦山生態(tài)區(qū)域?yàn)?zāi)害帶來(lái)的損失，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)礦山地壓、位移、微震等開(kāi)采過(guò)程中的活動(dòng)規(guī)律。因此，在礦山生態(tài)區(qū)域安裝災(zāi)害預(yù)測(cè)云平臺(tái)是十分有必要的。根據(jù)礦山生態(tài)區(qū)域的實(shí)際情況，建立相應(yīng)的災(zāi)害預(yù)測(cè)云平臺(tái)，安排專(zhuān)業(yè)的技術(shù)人員對(duì)其進(jìn)行日常監(jiān)測(cè)、維護(hù)、管理[2]。通過(guò)礦山生態(tài)區(qū)域?yàn)?zāi)害預(yù)測(cè)云平臺(tái)，在線實(shí)時(shí)分析災(zāi)害發(fā)生的信號(hào)，快速對(duì)區(qū)域內(nèi)的破壞程度和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)警，為礦山生態(tài)區(qū)域?yàn)?zāi)害預(yù)測(cè)提供重要現(xiàn)實(shí)意義。

1 構(gòu)建礦山生態(tài)區(qū)域?yàn)?zāi)害預(yù)測(cè)云平臺(tái)

1.1 提出災(zāi)害預(yù)測(cè)方法

為了保證對(duì)礦山生態(tài)區(qū)域?yàn)?zāi)害預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，首先要了解礦山生態(tài)區(qū)域?yàn)?zāi)害預(yù)測(cè)云平臺(tái)的應(yīng)用負(fù)載特征[3]。在礦山生態(tài)區(qū)域?yàn)?zāi)害預(yù)測(cè)云平臺(tái)中，云資源的管理便是其重要內(nèi)容。

通過(guò)云平臺(tái)災(zāi)害預(yù)測(cè)的虛擬化技術(shù)，將礦山生態(tài)區(qū)域?yàn)?zāi)害類(lèi)型生成彈性資源數(shù)據(jù)庫(kù)。對(duì)已生成的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行分配、監(jiān)測(cè)、管理等操作來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬化礦山生態(tài)區(qū)域?yàn)?zāi)害的進(jìn)一步分析。與此同時(shí)，為了提高云平臺(tái)預(yù)測(cè)災(zāi)害的準(zhǔn)確性，操作人員還要充分考慮到礦山生態(tài)區(qū)域?yàn)?zāi)害多樣性、動(dòng)態(tài)性的特點(diǎn)。

基于對(duì)礦山生態(tài)區(qū)域發(fā)生災(zāi)害的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)，就需要對(duì)礦山生態(tài)區(qū)域曾發(fā)生過(guò)的災(zāi)害建立數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)而通過(guò)歷史數(shù)據(jù)對(duì)初始數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)和運(yùn)行時(shí)災(zāi)害發(fā)生的持續(xù)預(yù)測(cè)兩個(gè)階段進(jìn)行分析[4]。礦山生態(tài)區(qū)域?yàn)?zāi)害的初始數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)階段，可以通過(guò)將數(shù)據(jù)庫(kù)中已有資源與所需服務(wù)請(qǐng)求相匹配。從中選擇與礦山生態(tài)區(qū)域?yàn)?zāi)害所需預(yù)測(cè)請(qǐng)求最相匹配的，將云平臺(tái)請(qǐng)求的礦山生態(tài)區(qū)域?yàn)?zāi)害預(yù)測(cè)的屬性特征用公式表示。為了避免降低災(zāi)害預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，將已有數(shù)據(jù)中最大值作為分配量：

在礦山生態(tài)區(qū)域運(yùn)行時(shí)災(zāi)害發(fā)生的持續(xù)預(yù)測(cè)階段，根據(jù)歷史災(zāi)害預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)間，利用災(zāi)害預(yù)測(cè)趨勢(shì)的相似性判斷未來(lái)一段時(shí)間的礦山生態(tài)區(qū)域?yàn)?zāi)害。此外，通過(guò)云平臺(tái)儲(chǔ)存的災(zāi)害數(shù)據(jù)負(fù)載的峰值，預(yù)測(cè)出未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)CPU 的預(yù)測(cè)需求量。

1.2 實(shí)現(xiàn)礦山生態(tài)區(qū)域?yàn)?zāi)害監(jiān)測(cè)

當(dāng)前礦山生態(tài)區(qū)域?yàn)?zāi)害預(yù)測(cè)云平臺(tái)的監(jiān)測(cè)設(shè)備是通過(guò)Openstack 等開(kāi)源項(xiàng)目來(lái)實(shí)現(xiàn)的云平臺(tái)基礎(chǔ)架構(gòu)，進(jìn)而在生成的虛擬機(jī)上通過(guò)監(jiān)測(cè)來(lái)為礦山生態(tài)區(qū)域?yàn)?zāi)害提供預(yù)測(cè)。

表1 災(zāi)害預(yù)測(cè)云平臺(tái)設(shè)備參考

基于云平臺(tái)虛擬機(jī)的方式預(yù)測(cè)礦山生態(tài)區(qū)域?yàn)?zāi)害，解決了傳統(tǒng)方式難以擴(kuò)展、資源嚴(yán)重浪費(fèi)的現(xiàn)象，但是云平臺(tái)一般采用的是單體式架構(gòu)，容易造成平臺(tái)崩潰。因此，基于云平臺(tái)的礦山生態(tài)區(qū)域?yàn)?zāi)害的預(yù)測(cè)是固額分配，根據(jù)其負(fù)載性的特征，采用自動(dòng)化伸縮災(zāi)害預(yù)測(cè)的負(fù)載監(jiān)測(cè)機(jī)制。這不僅提高了預(yù)測(cè)云平臺(tái)的運(yùn)行性能，還提高了數(shù)據(jù)的利用率。

在礦山生態(tài)區(qū)域?yàn)?zāi)害的預(yù)測(cè)信息傳輸過(guò)程中，不能保證數(shù)據(jù)的精確性、可靠性。因此，為了保證預(yù)測(cè)信息結(jié)果的連續(xù)性，就要采取一定措施進(jìn)行數(shù)據(jù)的后期修復(fù)[5]。將礦山生態(tài)區(qū)域?yàn)?zāi)害預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)在主機(jī)云平臺(tái)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，可以根據(jù)實(shí)際預(yù)測(cè)所需進(jìn)行遷移數(shù)據(jù)，優(yōu)化云平臺(tái)預(yù)測(cè)調(diào)度策略，在災(zāi)害數(shù)據(jù)容器內(nèi)配置修改。

2 仿真實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

此次仿真實(shí)驗(yàn)為了保證云平臺(tái)集群的控制節(jié)點(diǎn)，需要12 臺(tái) 服 務(wù) 器。分 別 設(shè) 置controller1、controller2、controller3 這3 個(gè)關(guān)鍵控制節(jié)點(diǎn)，剩余節(jié)點(diǎn)作為主機(jī)計(jì)算的節(jié)點(diǎn)。與此同時(shí)，還需要3 臺(tái)云平臺(tái)儲(chǔ)存服務(wù)器，方便對(duì)礦山生態(tài)區(qū)域?yàn)?zāi)害資源的數(shù)據(jù)保存。每臺(tái)服務(wù)器都需要安裝36T 機(jī)械硬盤(pán)，而云平臺(tái)集群是通過(guò)NFS 的掛載方式應(yīng)用到計(jì)算機(jī)服務(wù)器。

礦山生態(tài)區(qū)域?yàn)?zāi)害預(yù)測(cè)云平臺(tái)虛擬機(jī)可以是基于Windows10 和Java JDK7 的開(kāi)發(fā)環(huán)境。或是將云平臺(tái)的主機(jī)服務(wù)器架構(gòu)在64 位的Linux 系統(tǒng)內(nèi)。在此次仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，將礦山生態(tài)區(qū)域?yàn)?zāi)害預(yù)測(cè)云平臺(tái)統(tǒng)一安裝在內(nèi)核為3.13.0-96-generic 的版本內(nèi)。

2.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果

礦山生態(tài)區(qū)域?yàn)?zāi)害預(yù)測(cè)的云平臺(tái)構(gòu)建，首先是獲取災(zāi)害的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)每一個(gè)新生成的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。主要是通過(guò)CPU、內(nèi)存、I/O 機(jī)制等形式，獲取礦山生態(tài)區(qū)域?yàn)?zāi)害預(yù)測(cè)的所需數(shù)據(jù)，在固定周期內(nèi)收集所需數(shù)據(jù)。

通過(guò)CRIU 實(shí)現(xiàn)礦山生態(tài)區(qū)域?yàn)?zāi)害的預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)熱遷移，進(jìn)而對(duì)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的災(zāi)害預(yù)測(cè)云平臺(tái)進(jìn)行優(yōu)化。

圖1 基于CRIU 的熱遷移

每一個(gè)礦山生態(tài)災(zāi)害區(qū)域的特定容器，都可以基于云平臺(tái)的共享得到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)運(yùn)行過(guò)程中易引發(fā)的災(zāi)害做出預(yù)測(cè)。以絕對(duì)的平均百分比作為判斷災(zāi)害預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性的標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)公式計(jì)算：

其中，real 為真實(shí)災(zāi)害數(shù)據(jù)，predict 為預(yù)測(cè)災(zāi)害數(shù)據(jù)。通過(guò)計(jì)算可以得出準(zhǔn)確預(yù)測(cè)數(shù)值MAPE=7.93%。基于此，將傳統(tǒng)災(zāi)害預(yù)測(cè)手段與礦山生態(tài)區(qū)域?yàn)?zāi)害的云平臺(tái)預(yù)測(cè)手段，得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

礦山生態(tài)區(qū)域?yàn)?zāi)害傳統(tǒng)的預(yù)測(cè)方法，無(wú)法準(zhǔn)確地模擬負(fù)載變化，預(yù)測(cè)的誤差較高。而且礦山生態(tài)區(qū)域?yàn)?zāi)害傳統(tǒng)預(yù)測(cè)需要更多的計(jì)算成本，不利于災(zāi)害的實(shí)時(shí)分析、預(yù)測(cè)。基于云平臺(tái)礦山生態(tài)區(qū)域?yàn)?zāi)害的數(shù)據(jù)負(fù)載特性可知，其云平臺(tái)的負(fù)載變化與時(shí)間具有很強(qiáng)的相關(guān)性，與自身的礦山生態(tài)區(qū)域?yàn)?zāi)害的預(yù)測(cè)趨勢(shì)有高度相似性。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)礦山生態(tài)區(qū)域?yàn)?zāi)害進(jìn)行云平臺(tái)的預(yù)測(cè)，可以提取礦山生態(tài)區(qū)域?yàn)?zāi)害的特征值進(jìn)行深度分析，為有效規(guī)避災(zāi)害提供了重要現(xiàn)實(shí)依據(jù)。當(dāng)前，基于云平臺(tái)預(yù)測(cè)的礦山區(qū)域生態(tài)災(zāi)害技術(shù)起步較晚，理論知識(shí)基礎(chǔ)薄弱。比如，在快速識(shí)別礦山生態(tài)區(qū)域?yàn)?zāi)害發(fā)生信號(hào)；對(duì)信號(hào)實(shí)時(shí)在線初步判斷、處理等方面需要提高。由于礦山生態(tài)區(qū)域?yàn)?zāi)害預(yù)測(cè)云平臺(tái)的運(yùn)行時(shí)間較短，因此對(duì)礦區(qū)災(zāi)害進(jìn)行預(yù)測(cè)、分析時(shí)，要進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)礦山生態(tài)區(qū)域?yàn)?zāi)害類(lèi)型，總結(jié)相應(yīng)的發(fā)生規(guī)律。