北斗系統在礦山邊坡變化監測系統中的應用研究

康 鋒，馬道鳴

（河南省航空物探遙感中心，河南 鄭州 450053）

露天煤礦是煤礦開采的重要形式之一，在露天礦開采過程中不可避免地會形成很多礦山邊坡[1]。邊坡如果不加以處理，時間長久后容易發生山體滑坡、水土流失等地質災害，威脅煤礦生產安全，給生態環境造成一定程度的影響[2]。如何確保露天礦邊坡穩定是煤礦企業面臨的關鍵問題，邊坡變形通常是一個非常緩慢的過程，所以需要對其進行長時間的持續監測[3]。基于監測結果掌握礦山邊坡變形的規律，并預測后續可能出現的變化趨勢。針對該問題，有必要結合實際情況設計研究礦山邊坡監測系統，應用監測系統對邊坡的變化情況進行實時連續監測[4]。當變形量超過系統設定的安全閾值時，會向外發出安全警報，提示工作人員及時采取措施進行處理[5]。研究主要結合北斗系統中的定位功能和短報文功能構建了監測系統，將其運用到工程實踐中，效果較好，對于保障露天礦邊坡的安全性具有重要的現實意義。

1 邊坡變化監測系統功能框架設計

1.1 整體框架設計

系統功能框架是進行整體方案設計的基礎，框架設計的優劣會對系統運行的質量和效果產生很重要的影響。設計的基于北斗系統的邊坡變化監測系統的原理如圖1所示。從圖1中可以看出，整個框架由4大部分構成，每個部分為一個子系統，分別為數據采集、數據傳輸、數據解析處理、數據綜合管理。其中，數據采集子系統的作用主要是對基準點和邊坡其他位置的變形情況進行監測；數據傳輸子系統主要是實現與北斗系統的雙向通信；數據解析處理子系統主要是對采集得到的數據進行解析處理，并將數據信息存儲到數據庫中，方便后續調取查詢；數據綜合管理子系統主要是對相關數據信息進行實時顯示，并利用數據進行分析，得到想要的結果。

圖1 基于北斗系統的邊坡變化監測系統原理Fig.1 Principle of slope deformation monitoring system based on Beidou system

1.2 子系統設計

（1）數據采集子系統。在監測中需要結合礦山邊坡的實際情況，在代表性位置設置監測點，對監測點的三維坐標信息進行檢測，所有監測點的數據進行匯總便可以分析出整個邊坡的變化情況。監測點的布置會對建筑系統的監測質量和效果產生非常重要的影響，因此必須對邊坡的整體狀態進行現場勘查，在此基礎上科學設置邊坡監測網。

（2）數據傳輸子系統。數據采集子系統獲得的數據信息需要利用傳輸子系統將其輸送到解析處理子系統中。目前，可供選擇的數據傳輸方式主要包含3類，分別為有線傳輸、無線傳輸和衛星通信傳輸，其中衛星通信主要指基于北斗系統的通信。與有線和無線通信方式相比較，北斗通信具有安全性高、傳輸實時性好、覆蓋范圍廣等優勢[6]，雖然傳輸速率相對較低，但是完全能夠滿足監測系統的實際使用需要，因此選用北斗系統通信方式。

（3）數據解析處理子系統。為了便于監測系統后續的維護工作，將數據解析處理與綜合管理分別進行開發。前者主要是對數據進行解析，并將其存儲到數據庫中，后者是對數據進行綜合分析以判斷礦山邊坡的變化情況。數據解析子系統可以自動接收基于北斗系統通信獲得的監測數據信息，然后按照系統設定的通信協議對數據進行解析，獲得各個監測點的三維坐標信息，按照不同的數據類型存儲到數據庫中。

（4）數據綜合管理子系統。數據綜合管理子系統功能原理如圖2所示。由圖2可知，數據管理系統共可劃分成為4部分，分別為北斗終端管理、監測點管理、數據統計分析、實時顯示。該子系統共包含2臺應用服務器，分別作為系統的前端和后端。后端的作用是與數據庫進行連接，從數據庫中調取數據進行分析與處理；前端的作用是將處理的結果呈現在客戶端上，工作人員利用客戶端可實時查看礦山邊坡的變化結果。

圖2 數據綜合管理子系統功能原理Fig.2 Functional block diagram of data integrated management subsystem

2 監測系統的預測和預警功能設計

2.1 預警功能設計

基于監測系統可以對系統中設定的監測點三維坐標信息進行實時采集并與原始坐標進行比較分析，反映各個監測點的位移變形情況[7]。另外，系統中還設定了不同方向上的變形量安全閾值，一旦位移變形量超過了安全閾值，系統會向外發出警報，監測系統預警功能工作流程如圖3所示。由圖3可知，監測系統的前端（客戶端）每次發送Ajax請求時，一旦請求成功，系統會將各個監測點的位移變形量與安全閾值進行對比分析。如果發現超過了系統設定的閾值，立即會在頁面上彈出安全警告。如果請求不成功，頁面也會彈出請求失敗的提示。

圖3 監測系統預警功能工作流程Fig.3 Work flow chart of early warning function of monitoring system

2.2 預測功能設計

由于礦山邊坡的結構非常復雜，且很多因素都會對其變形情況產生影響。比如人為因素、近期氣候條件、煤礦整體結構等，不同因素之間沒有特定的影響關系，所以很難建立機理模型對礦山邊坡的位移變形量進行準確預測[8]。針對這種沒有特定關系的情況學者們建立了多種預測模型，其中最常見的包括GM（1，1）模型、新陳代謝模型以及Verhulst模型，不同的模型適用于不同的場景。為了選用最佳的模型對邊坡變形量進行預測，同時將3種模型內置到系統中。利用多種模型開展變形量預測工作，并將結果與實際變形量進行對比分析，得到不同模型的預測精度及誤差大小。最終選用精度提高、誤差最小的預測模型，并將預測結果作為最終的結果。監測系統中預測結果會與實際監測結果一起存儲到服務器中，并在客戶端頁面呈現。監測系統預測功能工作流程如圖4所示。

圖4 監測系統預測功能工作流程Fig.4 Work flow chart of prediction function of monitoring system

3 監測系統的開發與實現

3.1 系統的技術框架

就目前的技術形式而言，進行應用系統開發時使用較多的主要包含2種模式，分別為B/S架構模式和C/S架構模式[9]。對于后者需要同時對客戶端和服務器進行開發，后期運行時也需要同時維護，因此后期升級維護難度和成本都相對較高。B/S架構模式是基于Internet的發展而出現的模式，是在C/S模式基礎上優化改進后的結果?；诖耍鞠到y中選用B/S架構模式對應用程序進行開發，能夠確保監測系統運行過程的安全性、可靠性以及后續的拓展性能。

監測系統的技術框架如圖5所示。由圖5可知，就技術結構層面而言，整個系統可以劃分成為3個層級，分別為數據訪問層、業務邏輯層以及數據展現層。其中，數據展現層的作用是將采集得到的數據信息以及分析結果通過客戶端的Web瀏覽器進行顯示，另外還需要對Web頁面中相關的數據進行獲取，通過封裝以后傳遞給業務邏輯層進行分析處理。業務邏輯層是整個系統框架結構中最重要的環節，是對數據訪問層和數據展現層進行連接的紐帶。數據訪問層的作用是對存儲在數據庫中的數據進行提取訪問。存儲在數據庫的數據類型有很多種，包括二進制文件、數據庫文件、文本文件等。各個層級中使用的技術已在圖中列出。

圖5 監測系統的技術框架Fig.5 Technical structure of the monitoring system

3.2 數據采集功能的實現

礦山邊坡變形相關數據的采集主要基于數據采集子系統來實現。主要內容包括變形監測網絡的設計以及監測硬件設施的選擇。監測網絡設計時涉及基準監測點和變形監測點兩方面，監測硬件設施方面主要利用北斗系統實現數據的傳輸?；鶞时O測點的作用是作為其他變形監測點的基準，所以需要選擇在監測范圍以外且地勢比較平整的區域。變形監測點需要設置在容易發生地質災害的危險位置，以便更加準確地掌握礦山邊坡的變形情況及其存在的安全隱患。

監測過程中需要用到的硬件設施主要包括供電設備以及支持北斗系統的接收機。供電設備的作用是對其他硬件設施進行供電，確保各硬件能夠穩定運行。接收機的作用是準確地獲取各監測點的三維坐標信息，接收機內部通常包含有通信模塊，接收機對獲得的數據進行解析后，再借助北斗系統將其發送到數據庫中進行存儲。結合實際情況，監測系統中選用差分測量型接收機，具有較高的測量精度和兼容性，可同時支持BDS、GPS等多個系統，定位精度可以達到1 cm，最多支持120個動態通道進行數據傳輸。環境溫度為-40～75 ℃時能正常工作。

3.3 數據傳輸功能的實現

考慮到本案例中的露天煤礦屬于山區，所處的地形地勢環境相對復雜。如果采用有線方式進行數據傳輸通信，實施難度相對較大，且成本很高[10]。若基于無線方式進行通信，山區的信號難以保證。綜合考慮多方面因素，最終確定基于北斗系統實現數據信息的傳輸。因為利用北斗系統不僅可以進行定位，還可以利用北斗衛星實現數據信息的傳輸。在本監測系統中只需要對各個監測點的ID編號以及三維坐標信息進行獲取，雖然北斗系統能夠傳輸的數據量比較小，但是完全能夠滿足監測系統的實際使用需要。

4 工程實踐應用

4.1 礦山邊坡基本情況

某露天煤礦在長時間開采中形成了大量礦山邊坡，邊坡主要以大理巖、夕卡巖和多角巖等圍巖屬性為主，整體力學性能較好，巖石致密度比較堅硬。但由于邊坡長時間暴露在復雜的空氣環境中，很多巖石出現了嚴重的風化現象。再加上煤礦開采的無序性，露天礦范圍內存在很多采空區，特別是在富礦區域采場內部留下的煤柱相對較少，對邊坡圍巖的穩定性構成的嚴重威脅。通過對礦山邊坡進行現場地質勘查，發現在西北區域的邊坡地形相對較高、整體坡度較大、巖石破碎，已經出現了多條裂隙，裂隙傾角超過了穩定邊坡的臨界角，存在很大的風險。為了確保煤礦開采過程的安全性，需要利用礦山邊坡變化監測系統對此區域邊坡的變化情況進行持續跟蹤并預警。

4.2 監測系統的工程部署

（1）系統框架設計。根據圖1所示的監測系統原理框圖，結合礦山邊坡實際情況對監測系統部署總體框架結構進行的設計，結果如圖6所示?？梢钥闯?，監測系統主要是利用北斗系統實現監測數據的傳輸，能夠確保數據傳輸過程的安全性和時效性。

（2）系統的部署。系統部署包含硬件部署和軟件部署。其中，硬件部分主要包括基準監測點和變形監測點相關的硬件設施安裝。在安裝監測點之前需要在礦山邊坡現場做好勘查工作，并基于全球定位系統測量國家規范標準，明確基準監測點和變形監測點的具體位置。本系統中結合實際情況在邊坡范圍以外設置了2個基準監測站，分別作為監測基站和校驗基站。通過靜態方法對基準點進行聯測，確保基準點數據的正確性?？紤]到邊坡中已經出現了4條裂縫，屬于危險區域，因此這4個位置分別布置變形監測點。礦山邊坡變化監測網如圖7所示。

圖6 監測系統部署整體框架結構Fig.6 Monitoring system deployment overallframework structure

圖7 礦山邊坡變化監測網Fig.7 Mine slope change monitoring network

軟件方面，整個監測系統共包含3部分軟件內容，分別為數據庫、數據解析處理子系統、數據綜合管理子系統。共需要部署4臺服務器，其中前兩者各1臺、后者2臺。數據庫基于SQL Server 2008進行搭建，2個子系統基于B/S架構進行應用程序開發。工作人員利用客戶端的瀏覽器可以運行綜合管理子系統，查看邊坡變形的這種情況，對系統進行設置等。

4.3 監測系統的應用情況

根據礦山邊坡變化監測網的布置情況，將各個基準監測點和變化監測點的位置坐標錄入到監測系統中，此環節需要利用監測系統的監測點新增功能。根據監測點的錄入順序，系統會對不同監測點進行自動編號。另外，還需要將各監測點的終端屬性錄取到系統中，此環節需要利用系統的北斗終端新增功能。系統運行過程中會周期性地對各個監測點的三維坐標信息進行采集，并且與其原始坐標值進行比較分析，從而獲得各監測點在X、Y、Z方向上的位移變形量。為了確保礦山邊坡的安全性，系統中設置了3個方向的位移變形量安全閾值，分別為60、50、40 mm。如果實際變形量超過了該閾值，向外發出安全警報。1號變形監測點在Y方向的變形量統計情況如圖8所示。可以看出，該監測點在Y方向上的變形量沒有超過系統設定的安全閾值，目前屬于安全狀態。

圖8 1號變形監測點在Y方向的變形量統計Fig.8 Deformation statistics of No.1 deformationmonitoring point in the Y direction

從圖8中可以看出，系統不僅可以對監測點的位移變形量進行檢測，還可以基于前期的檢測結果對后續可能出現的位移變形量進行預測。基于圖8中數據發現系統的位移量預測值與實測值之間誤差較小，預測精度很高，誤差可以控制在5%范圍內。通過在露天煤礦邊坡中部署監測系統，可以實時掌握邊坡的變化基本情況，及時發現邊坡存在的安全隱患，并采取措施進行處理，為煤礦邊坡的安全提供了很好的保障，安全效益顯著。

5 結論

本文主要以露天礦邊坡為研究對象，設計研究了邊坡變化的監測系統，并將其應用到工程實踐中，所得結論如下。

（1）對某露天礦的邊坡進行現場地質勘查，發現邊坡的巖石整體比較堅硬，但受長時間風化的影響，多個地方出現了裂隙，存在一定的危險性。急需設計邊坡變化監測系統對其變形量進行監測，確保邊坡的安全性。

（2）基于模塊化思想對監測系統進行設計，整個系統共由4個子系統構成，不同子系統分別完成不同的功能，從而實現對邊坡變形量的監測。工作人員可以基于客戶端的Web瀏覽器對監測結果進行查看，如果變形量超過了系統設定的安全閾值，會立即提示工作人員。

（3）將設計的監測系統部署到露天煤礦邊坡工程實踐中，結合實際情況設置了2個基準監測點和4個變形監測點。結果發現，監測系統可以準確地對各個監測點的變形量進行監測，有效保障了礦山邊坡的安全性。