GNSS技術在尾礦庫壩體變形監測中的應用

2014-12-12 01:47:30於永東林國利陳炳富湯向行張家樂

測繪通報 2014年2期

於永東，林國利，陳炳富，湯向行，張家樂

(廣州中海達定位技術有限公司，廣東廣州511400)

一、前言

尾礦庫是指筑壩攔截谷口或圍地構成的、用以堆存金屬或非金屬礦山進行礦石選別后排出尾礦或其他廢渣的場所［1］。我國尾礦庫數量多、規模小，且大都采用穩定性差的上游式筑壩，安全形勢非常嚴峻，尾礦庫事故時有發生。2008年9月28日，國務院安委會向各省級人民政府下發了《關于全面開展尾礦庫安全生產大檢查工作的通知》(安委明電［2008］2號)，通過大檢查，基本摸清了尾礦庫底數:核定全國尾礦庫為12 655座，較大檢查前增加3665座。其中，已頒發安全生產許可證的5199座，正在申請辦理的1746座，在建的1907座，已閉庫的1950座，應停用的1853座。由于尾礦庫中含有礦石選別后遺留的氰化物、氯化物、硫化物等有害物質，一旦發生潰壩事故，將會給下游人民群眾生命和財產安全造成巨大損失，對自然和生態環境造成嚴重污染，影響經濟的發展和社會的繁榮穩定。

目前，我國只有少數尾礦庫實現了壩體穩定性的安全監控，且基本采用人工測量的辦法。人工監測時間間隔較長，測量工作量大，測試精度受人為因素干擾，限制了測量數據在尾礦庫事故預測預報中作用的發揮。因此探索一種新型技術監測尾礦庫壩體位移就顯得尤為必要。基于GNSS技術的變形監測理論和方法是目前極為重要的監測手段之一。相比傳統的測繪作業方法，GNSS衛星定位技術有著全天候、高精度、高效率、實時動態等顯著的特點和優勢，這是常規測量作業難以比擬的。GNSS衛星定位技術已經廣泛應用于滑坡、大壩、橋梁等領域的監測［2］，筆者對GNSS技術在尾礦庫壩體變形監測方面作了些探索和嘗試。

二、GNSS(BDS/GPS)雙系統組合相對定位技術

GPS已經廣泛應用于各種變形監測項目中，而我國BDS衛星導航系統目前已經正式向亞太大部分地區提供區域服務，為BDS和GPS組合相對定位提供了可能性。與之前單一的GPS相比，雙系統組合相對定位在連續性、可用性、效率和精度等方面都更有優勢。

由于BDS與GPS的載波頻率不一致，采用載波相對定位進行組合相對定位時，模糊度的處理方法與單GPS定位存在較大差別。因此，該技術的關鍵問題在于BDS/GPS組合相對定位中整周模糊度的固定方法。中海達變形監測數據解算軟件GNSSMonitor(如圖1所示)通過載波相位雙差觀測模型等一系列數學模型和模糊度處理方法，解決了BDS/GPS組合相對定位中整周模糊度的固定方法問題。通過軟件的基線解算設置模塊可以選擇采用某一種GNSS系統進行單系統相對定位解算，亦可采用某幾種系統進行組合相對定位解算。經過多次試驗，單獨依靠BDS進行靜態解算與單獨依靠GPS進行靜態解算，兩者精度相當;如果采用BDS/GPS組合相對定位靜態解算，與單系統相比，解算精度將大大提高。目前，單獨依靠BDS系統可以實現相對定位解算，但其星座分布和衛星數目還不如GPS。但在不理想的觀測條件下，BDS與GPS組合相對定位能夠很好地增強觀測衛星的幾何分布圖形強度，比單一系統在可靠性、精度上具有明顯提高［3］。

三、尾礦庫壩體GNSS變形監測系統設計

保證尾礦庫和壩體下游人民生命財產的安全要求監測系統能夠可靠、穩定并且長期實時地工作，以確保監測點的數據連續不間斷采集。系統采用穩定可靠的通信介質實現數據的遠程采集和傳輸。監測系統能全天候對監測點進行觀測，監測數據實時傳回至監控中心，進行實時解算分析。監控軟件能對接收的數據進行快速解算，實時顯示監測狀態，實現數據顯示、打印、儲存。監控軟件可遠程調試，進行故障排除和系統恢復。

圖1 中海達變形監測數據解算軟件GNSSMonitor

監測系統由數據采集系統、數據通信系統、監控中心、數據綜合管理系統4個子系統組成，系統組成框架如圖2所示。

圖2 監測系統總體框架圖

數據采集系統包括高精度大地測量型GNSS天線、GNSS衛星接收機、電源系統。如果現場供電方便，可采用交流電源供電;考慮到尾礦庫現場采用交流供電可能比較困難，可采用風光互補的供電模式，由太陽能電池板和風力發電機給蓄電池充電，再由蓄電池給現場設備供電。在方案設計時，應考慮各設備的供電電壓及其相應的功耗。為了防止直擊雷、感應雷和雷電波對尾礦庫壩體變形監測單元的破壞，主要采取外部防雷和內部防雷措施。外部防雷系統由避雷針、引下線、接地網等組成，主要是在GNSS衛星天線的頂部安裝避雷針，與接地網相連，使雷電流沿最短路徑泄入大地。內部防雷系統主要是在電源線路、信號線路上安裝電源避雷器和信號防雷器。這樣充分保證了每個點位GNSS接收機設備的安全，使每個點位的GNSS接收機做到24 h連續不斷電安全采集監測數據。

數據通信系統采用光纖有線傳輸系統，不受電磁波干擾，也不會受距離的限制，可以實現遠距離穩定、可靠的傳輸。監控中心接收端需要一臺有RS-232接口的計算機，通過光端機與光纖相連，就可以實現數據的連續接收。遠程數據傳輸分為有線傳輸和無線傳輸兩種方式。除了選用光纖有線傳輸之外，還可以選用數傳電臺、GSM/GPRS、CDMA移動通信網絡等無線傳輸方式。這樣應對不同的現場監測環境，可以提供不同的通信方式以幫助現場合理化施工。

監控中心內設有中心服務器，數據接收、處理及成果展示工作站。中心服務器具備文件服務器、數據庫服務器等功能，在局域網內可以實現辦公自動化和信息共享。控制中心具有兩方面的職能:一方面檢驗數據的準確性和可靠性，采集經由光纖傳來的數據，監視設備的工作狀態;另一方面負責數據的解算、成果的入庫和結果分析等。監控中心的建立使用戶在室內任意一臺連通網絡的計算機即可登陸到監控中心，實時了解監測現場的具體安全狀況，真正實現了室外現場安全監測與室內辦公一體化。

四、監測系統軟件的設計與實現

監測系統融合了計算機網絡技術、傳感器技術、多媒體技術和現代通信技術，系統的各種硬件設備都需要很高的技術含量，監測系統軟件則是發揮各種硬件設備功效的核心所在。監測軟件需實現監測數據從采集、解算、數據管理等一系列自動化操作。軟件應保證監測系統內所有監測點GNSS數據實時傳輸，并實時進行數據轉化、解算分析等一系列處理。軟件應具有較高的可靠性，確保數據的正常處理和分析結果的正確性。軟件應采用模塊化設計模式，模塊化設計模式可以使軟件在進行功能升級和擴展時，只需修改相應的模塊即可，使系統具有良好的擴展能力。此外，模塊化設計模式還可以減少軟件研發人員的勞動強度，提高程序代碼的使用率。

作為在Windows環境下進行程序開發的C#具有優良的可視化開發環境、快速的編譯能力和高效的可執行程序，以及組件的可復用性和擴展性、強大的數據庫開發功能，可以滿足尾礦庫壩體變形監測系統軟件開發的要求，能夠實現軟件的最終效果。因此，本文采用C#作為開發平臺，使用SQL Server數據庫，高效開發了尾礦庫壩體變形監測系統軟件。

尾礦庫壩體變形監測系統軟件分為數據通信、數據庫管理、監測數據分析及顯示、預報預警4個模塊。

數據通信模塊是進行信息處理的基礎，它通過光纖接收來自監測點的實時數據，對數據進行適當的歸類和存儲，供其他模塊對接收存儲的數據進行下一步處理。此外，數據通信模塊還可以根據通信協議，對GNSS接收機發送命令，以控制數據接收。

數據庫管理模塊通過SQL Server數據庫，對監測點傳回的數據進行管理。除存儲數據外，數據庫管理部分還包括數據的可視化查詢、文件格式轉換等功能。

數據分析模塊負責對存儲于數據庫的數據進行解算和分析，生成相關的變形曲線(如圖3所示)和報表。該部分預先存儲監測工程中各類監測傳感器的相關參數和初始坐標，實時訪問數據庫時，可根據用戶需求，通過計算分析，生成變形曲線和報表，并根據相關規范判斷當前壩體穩定性。

圖3 變形監測曲線

預報預警模塊可根據用戶預先設定的各級報警類別，綜合各類監測信息，發出不同等級的報警信息，有聲光報警、短信報警、郵件報警等。

五、結束語

利用GNSS技術對尾礦庫壩體變形進行監測解決了傳統人工觀測的諸多不足，GNSS監測系統可全天候、高精度、高效率地工作。監測系統的建成能有效獲得尾礦庫壩體變形的動態演化過程，加強了尾礦庫的安全監管，把握了尾礦庫的安全現狀，對減少尾礦庫事故的發生具有重要意義。

［1］曾群偉，謝殿榮，蘇舉端，等.尾礦庫潰壩的安全監測［J］.工業安全與環保，2010，36(1):44-46.

［2］YOZO F.Vibration，Control and Monitoring of Long-span Bridges-recent Research，Developments and Practice in Japan［J］.Journal of Constructional Steel Research，2002(58):71-97.