基于北斗系統的露天礦邊坡位移監測系統研究

周麗靜，盧才武，顧清華，盧 娜

（西安建筑科技大學 管理學院，西安 710055）

隨著礦山的不斷開采，采掘深度不斷增加，露天礦的邊坡受到排土壓力以及自身重力的影響會產生變形甚至滑坡，邊坡的穩定性成了安全生產的重要隱患。長期以來，露天礦邊坡的穩定性一直是露天礦開采中倍受關注的重要安全問題之一。一般邊坡在發生垮塌前，會有一個緩慢的位移變化過程發生[1]。因此，通過對邊坡位移的監測，可以掌握邊坡整體所處的狀態，實現對邊坡發生災難性跨塌的預測。

本文基于北斗衛星導航定位系統的定位及通信功能構建了露天礦邊坡監測系統，可以實現對邊坡的實時高自動化監測。借助北斗系統的定位功能，獲得邊坡監測點的三維坐標等信息，并利用北斗系統的通信功能，將監測點的信息傳輸到數據處理中心進行分析處理，讓監測人員在第一時間了解、掌握邊坡的變形動態以及發展趨勢。

1 北斗衛星導航定位系統簡介

北斗衛星導航定位系統是我國自主研發的擁有自主知識產權的導航定位系統，也是目前世界上繼美國的GPS和俄羅斯的GLONASS之后的第三個已投入運行的衛星導航定位系統。它同時具備定位導航與雙向通信功能，無需其他通信系統支持或配合[2-3]。

北斗衛星導航定位系統采用與GPS系統相同的被動式定位原理，即北斗用戶只需要接收來自北斗衛星發送的導航定位信號，就能夠自主精確地解算出自己的7維狀態參數和3維姿態參數，其定位原理如圖1所示[4-5]。由于衛星的位置精確可知，在觀測中，人們可得到衛星到接收機的距離，利用三維坐標中的距離公式，利用3顆衛星，就可以組成3個方程式，解出觀測點的位置（X，Y，Z）。考慮到衛星的時鐘與接收機時鐘之間的誤差，實際上有4個未知數，X、Y、Z和鐘差，因而需要引入第4顆衛星，形成4個方程式進行求解，從而得到觀測點的經緯度和高程。

圖1 北斗衛星導航系統定位原理Fig.1 BDS positioning principle

北斗衛星短信服務屬于授權服務，民用通信中每條短報文信息最大容量為44個漢字或157個16進制數。可實現“用戶與用戶”和“用戶與中心控制系統”間的雙向簡短數字報文通信（以下簡稱“短信”）。其通信過程如下：①短信通過專用的“北斗衛星地基終端”上傳到北斗衛星；②北斗衛星接收到上傳短信后，再向地面的“北斗衛星地面運營服務平臺”或“北斗衛星通信中心站”轉發；③各類用戶從“北斗衛星地面運營服務平臺”或“北斗衛星通信中心站”獲取遠端站發送的短信信息[6-8]。

2 監測系統構成

基于北斗衛星導航定位系統的露天礦邊坡監測系統，是將布設在邊坡上的北斗終端所獲取的信息，利用北斗系統的通信功能轉送到數據解析處理子系統，待數據解析處理子系統按照北斗系統的通信協議進行解析入庫后，數據綜合管理子系統利用存儲在數據庫中的監測信息實現監測數據的實時顯示、歷史監測數據的統計分析等功能，整個系統的結構層次如圖2所示。

圖2 系統結構層次圖Fig.2 Structure of the system

（1）數據采集子系統

數據采集子系統的功能是在有代表性的邊坡處布置監測點，通過獲取這些監測點的三維坐標信息掌握邊坡整體所處狀態。本文借助北斗系統作為數據采集的方式，邊坡監測點的選取包括基準監測點和變形監測點的選取。基準監測點應該選擇遠離邊坡，地勢較穩定的地方，監測數據用于修正變形監測點的監測數據，減小誤差。變形監測點則應選擇邊坡容易發生滑坡的點，使其可以反映邊坡整體所處的狀態。

在邊坡監測中，精度要求很高，應該達到mm級，所以在測量終端的選擇過程中，一個很重要的考察方向就是終端的測量精度。結合目前市場終端的定位精度，本文選取的是高精度差分測量型接收機。其主要參數如下：

·支持多系統， 兼容 GPS、GLONASS、Galileo、BDS 4個系統，120個動態通道。

·基于載波相位差分技術，可提供1 cm+1 ppm的定位精度。

·首次定位時間：冷啟動<50 s，熱啟動<35 s。

·操作溫度：工作溫度－40℃～+75℃，存儲溫度-55℃～+90℃。

（2）數據傳輸子系統

數據傳輸子系統的功能是將數據采集子系統采集到的信息傳輸到數據處理子系統，以供后續系統對數據進行解析處理以及綜合利用。目前常用的數據傳輸方式有有線方式、無線方式和衛星通訊方式（北斗通訊方式）等，這3種通訊方式的對比如表1所示。

表1 通信方式比較Tab.1 Comparison of the transmission program

露天礦礦區往往位于山區，所處的地形及環境條件復雜，有線通信方式組網難度較大，所以通信方式不宜選擇有線方式。而衛星通訊方式相對于無線通信方式來說，無通信盲區，尤其是受監測區域的影響很小，在地面無線網絡無法覆蓋或者信號不穩定的區域以及在發生邊坡災害的情況下的數據傳輸方面具有顯著的優勢，而且對于支持北斗系統的終端來說，其本身除了定位功能外，也具有通信功能，所以無須再使用其他的輔助通信方式。在邊坡監測中，所需要的主要是監測點的三維坐標和監測終端的ID，而北斗的民用通信中每條短報文信息最大容量為44個漢字或157個16進制數，這完全可以滿足邊坡監測的通信要求。

（3）數據處理子系統

為方便系統以后的更新維護，本研究將數據處理和數據綜合管理分開來開發，數據處理子系統主要負責數據的接收及存儲，而數據綜合管理子系統主要負責數據的后續分析利用。數據處理子系統的功能是自動接收北斗通信系統傳輸過來的終端采集的數據，并對數據按照北斗的通信協議進行解析處理，并將解析出的坐標信息及終端信息存儲到數據庫服務器中，其工作流程如圖3所示。數據處理子系統是在Windows平臺下，以SQL Server 2008數據庫管理系統作為數據存儲支撐，以串口通信及多線程技術為主開發的系統，完成數據的自動接收及解析入庫。

圖3 數據處理子系統工作流程圖Fig.3 Process flow chart of data processing subsystem

（4）數據綜合管理子系統

數據綜合管理子系統的功能是對數據進行綜合管理，包括監測點管理、北斗終端管理、監測點位置的實時顯示以及歷史數據的統計分析等功能。系統由一個應用服務器以及若干個客戶端組成，應用服務器根據客戶端的請求，通過訪問經數據處理子系統處理入庫后的數據，獲得客戶端需要的信息并對數據進行封裝處理返回給客戶端；客戶端通過互聯網向應用服務器發出各種請求，獲取各監測點的實時信息、歷史數據等信息。

系統采用B/S架構開發，數據庫管理系統使用SQL Server 2008，應用服務器使用Tomcat。服務器端開發技術采用JAVA+jsp，并結合 Ajax、WebGIS、JFreeChart實現對監測點在地圖中的顯示與操作及信息的圖表化匯總顯示。系統的主要功能結構如圖4所示。

圖4 數據綜合管理子系統主要功能結構圖Fig.4 Functional block diagram of integrated data management subsystem

監測點位置的實時顯示，是指將北斗終端獲取的存儲在數據庫中的最新定位信息，顯示在邊坡的電子地圖中，讓用戶可以隨時觀看到目前邊坡監測點所處的位置。該功能的實現，本研究采用的是A-jax異步刷新技術和WebGIS技術。監測點位置在地圖中的展示，采用的是WebGIS技術，包括原始位置和最新位置的展示，最新位置的展示，系統會使用Ajax技術按照北斗終端的定位頻度，設定同樣的時間間隔異步刷新地圖中監測點的最新位置，每一次刷新，都是用目前終端傳回的最新數據去更新電子地圖中的監測點的最新位置。

數據統計分析功能中的監測歷史數據圖表化顯示，是使用JAVA平臺上的開放圖表繪制類庫JFreeChart實現的。在選擇起止監測日期以及選定監測點后，系統會調用存儲在數據庫中的監測數據，生成對應的曲線圖，使用戶能更直觀地觀察邊坡整體的變形趨勢。如圖5所示是使用JFreeChart生成的監測點的x方向的變化曲線圖。

圖5 監測點x方向的坐標變化曲線圖Fig.5 Curve of monitoring point’s x-coordinate

3 結語

基于北斗衛星系統的露天礦邊坡位移監測系統，利用北斗系統的定位及短報文通訊功能，實現了對露天礦邊坡位移變化狀態的實時監測，同時使用北斗的通訊功能，有效地解決了在露天礦礦區因無線網絡無法覆蓋或信號不穩定的區域的數據傳輸問題。實驗證明，基于北斗衛星系統的露天礦邊坡位移監測系統，是實現邊坡監測的全自動、高精度、實時監測的有效手段。隨著我國北斗衛星系統的發展，基于北斗衛星系統的監測將會提供更為精確的監測信息。

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