GNSS技術(shù)在尾礦庫壩體變形監(jiān)測中的應(yīng)用

於永東，林國利，陳炳富，湯向行，張家樂

(廣州中海達(dá)定位技術(shù)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(gòu)成的、用以堆存金屬或非金屬礦山進(jìn)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(shù)量多、規(guī)模小，且大都采用穩(wěn)定性差的上游式筑壩，安全形勢非常嚴(yán)峻，尾礦庫事故時有發(fā)生。2008年9月28日，國務(wù)院安委會向各省級人民政府下發(fā)了《關(guān)于全面開展尾礦庫安全生產(chǎn)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(shù):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(fā)安全生產(chǎn)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(yīng)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(zhì)，一旦發(fā)生潰壩事故，將會給下游人民群眾生命和財產(chǎn)安全造成巨大損失，對自然和生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重污染，影響經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會的繁榮穩(wěn)定。

目前，我國只有少數(shù)尾礦庫實現(xiàn)了壩體穩(wěn)定性的安全監(jiān)控，且基本采用人工測量的辦法。人工監(jiān)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(shù)據(jù)在尾礦庫事故預(yù)測預(yù)報中作用的發(fā)揮。因此探索一種新型技術(shù)監(jiān)測尾礦庫壩體位移就顯得尤為必要?；贕NSS技術(shù)的變形監(jiān)測理論和方法是目前極為重要的監(jiān)測手段之一。相比傳統(tǒng)的測繪作業(yè)方法，GNSS衛(wèi)星定位技術(shù)有著全天候、高精度、高效率、實時動態(tài)等顯著的特點(diǎn)和優(yōu)勢，這是常規(guī)測量作業(yè)難以比擬的。GNSS衛(wèi)星定位技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于滑坡、大壩、橋梁等領(lǐng)域的監(jiān)測［2］，筆者對GNSS技術(shù)在尾礦庫壩體變形監(jiān)測方面作了些探索和嘗試。

二、GNSS(BDS/GPS)雙系統(tǒng)組合相對定位技術(shù)

GPS已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種變形監(jiān)測項目中，而我國BDS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)目前已經(jīng)正式向亞太大部分地區(qū)提供區(qū)域服務(wù)，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(tǒng)組合相對定位在連續(xù)性、可用性、效率和精度等方面都更有優(yōu)勢。

由于BDS與GPS的載波頻率不一致，采用載波相對定位進(jìn)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(shù)的關(guān)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(dá)變形監(jiān)測數(shù)據(jù)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(shù)學(xué)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(shè)置模塊可以選擇采用某一種GNSS系統(tǒng)進(jìn)行單系統(tǒng)相對定位解算，亦可采用某幾種系統(tǒng)進(jìn)行組合相對定位解算。經(jīng)過多次試驗，單獨(dú)依靠BDS進(jìn)行靜態(tài)解算與單獨(dú)依靠GPS進(jìn)行靜態(tài)解算，兩者精度相當(dāng);如果采用BDS/GPS組合相對定位靜態(tài)解算，與單系統(tǒng)相比，解算精度將大大提高。目前，單獨(dú)依靠BDS系統(tǒng)可以實現(xiàn)相對定位解算，但其星座分布和衛(wèi)星數(shù)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(qiáng)觀測衛(wèi)星的幾何分布圖形強(qiáng)度，比單一系統(tǒng)在可靠性、精度上具有明顯提高［3］。

三、尾礦庫壩體GNSS變形監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

保證尾礦庫和壩體下游人民生命財產(chǎn)的安全要求監(jiān)測系統(tǒng)能夠可靠、穩(wěn)定并且長期實時地工作，以確保監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)連續(xù)不間斷采集。系統(tǒng)采用穩(wěn)定可靠的通信介質(zhì)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程采集和傳輸。監(jiān)測系統(tǒng)能全天候?qū)ΡO(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行觀測，監(jiān)測數(shù)據(jù)實時傳回至監(jiān)控中心，進(jìn)行實時解算分析。監(jiān)控軟件能對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速解算，實時顯示監(jiān)測狀態(tài)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示、打印、儲存。監(jiān)控軟件可遠(yuǎn)程調(diào)試，進(jìn)行故障排除和系統(tǒng)恢復(fù)。

圖1 中海達(dá)變形監(jiān)測數(shù)據(jù)解算軟件GNSSMonitor

監(jiān)測系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、監(jiān)控中心、數(shù)據(jù)綜合管理系統(tǒng)4個子系統(tǒng)組成，系統(tǒng)組成框架如圖2所示。

圖2 監(jiān)測系統(tǒng)總體框架圖

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括高精度大地測量型GNSS天線、GNSS衛(wèi)星接收機(jī)、電源系統(tǒng)。如果現(xiàn)場供電方便，可采用交流電源供電;考慮到尾礦庫現(xiàn)場采用交流供電可能比較困難，可采用風(fēng)光互補(bǔ)的供電模式，由太陽能電池板和風(fēng)力發(fā)電機(jī)給蓄電池充電，再由蓄電池給現(xiàn)場設(shè)備供電。在方案設(shè)計時，應(yīng)考慮各設(shè)備的供電電壓及其相應(yīng)的功耗。為了防止直擊雷、感應(yīng)雷和雷電波對尾礦庫壩體變形監(jiān)測單元的破壞，主要采取外部防雷和內(nèi)部防雷措施。外部防雷系統(tǒng)由避雷針、引下線、接地網(wǎng)等組成，主要是在GNSS衛(wèi)星天線的頂部安裝避雷針，與接地網(wǎng)相連，使雷電流沿最短路徑泄入大地。內(nèi)部防雷系統(tǒng)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(diǎn)位GNSS接收機(jī)設(shè)備的安全，使每個點(diǎn)位的GNSS接收機(jī)做到24 h連續(xù)不斷電安全采集監(jiān)測數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)采用光纖有線傳輸系統(tǒng)，不受電磁波干擾，也不會受距離的限制，可以實現(xiàn)遠(yuǎn)距離穩(wěn)定、可靠的傳輸。監(jiān)控中心接收端需要一臺有RS-232接口的計算機(jī)，通過光端機(jī)與光纖相連，就可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的連續(xù)接收。遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)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(shù)傳電臺、GSM/GPRS、CDMA移動通信網(wǎng)絡(luò)等無線傳輸方式。這樣應(yīng)對不同的現(xiàn)場監(jiān)測環(huán)境，可以提供不同的通信方式以幫助現(xiàn)場合理化施工。

監(jiān)控中心內(nèi)設(shè)有中心服務(wù)器，數(shù)據(jù)接收、處理及成果展示工作站。中心服務(wù)器具備文件服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器等功能，在局域網(wǎng)內(nèi)可以實現(xiàn)辦公自動化和信息共享?？刂浦行木哂袃煞矫娴穆毮?一方面檢驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，采集經(jīng)由光纖傳來的數(shù)據(jù)，監(jiān)視設(shè)備的工作狀態(tài);另一方面負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的解算、成果的入庫和結(jié)果分析等。監(jiān)控中心的建立使用戶在室內(nèi)任意一臺連通網(wǎng)絡(luò)的計算機(jī)即可登陸到監(jiān)控中心，實時了解監(jiān)測現(xiàn)場的具體安全狀況，真正實現(xiàn)了室外現(xiàn)場安全監(jiān)測與室內(nèi)辦公一體化。

四、監(jiān)測系統(tǒng)軟件的設(shè)計與實現(xiàn)

監(jiān)測系統(tǒng)融合了計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感器技術(shù)、多媒體技術(shù)和現(xiàn)代通信技術(shù)，系統(tǒng)的各種硬件設(shè)備都需要很高的技術(shù)含量，監(jiān)測系統(tǒng)軟件則是發(fā)揮各種硬件設(shè)備功效的核心所在。監(jiān)測軟件需實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)從采集、解算、數(shù)據(jù)管理等一系列自動化操作。軟件應(yīng)保證監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)所有監(jiān)測點(diǎn)GNSS數(shù)據(jù)實時傳輸，并實時進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化、解算分析等一系列處理。軟件應(yīng)具有較高的可靠性，確保數(shù)據(jù)的正常處理和分析結(jié)果的正確性。軟件應(yīng)采用模塊化設(shè)計模式，模塊化設(shè)計模式可以使軟件在進(jìn)行功能升級和擴(kuò)展時，只需修改相應(yīng)的模塊即可，使系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)展能力。此外，模塊化設(shè)計模式還可以減少軟件研發(fā)人員的勞動強(qiáng)度，提高程序代碼的使用率。

作為在Windows環(huán)境下進(jìn)行程序開發(fā)的C#具有優(yōu)良的可視化開發(fā)環(huán)境、快速的編譯能力和高效的可執(zhí)行程序，以及組件的可復(fù)用性和擴(kuò)展性、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫開發(fā)功能，可以滿足尾礦庫壩體變形監(jiān)測系統(tǒng)軟件開發(fā)的要求，能夠?qū)崿F(xiàn)軟件的最終效果。因此，本文采用C#作為開發(fā)平臺，使用SQL Server數(shù)據(jù)庫，高效開發(fā)了尾礦庫壩體變形監(jiān)測系統(tǒng)軟件。

尾礦庫壩體變形監(jiān)測系統(tǒng)軟件分為數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)庫管理、監(jiān)測數(shù)據(jù)分析及顯示、預(yù)報預(yù)警4個模塊。

數(shù)據(jù)通信模塊是進(jìn)行信息處理的基礎(chǔ)，它通過光纖接收來自監(jiān)測點(diǎn)的實時數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)臍w類和存儲，供其他模塊對接收存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行下一步處理。此外，數(shù)據(jù)通信模塊還可以根據(jù)通信協(xié)議，對GNSS接收機(jī)發(fā)送命令，以控制數(shù)據(jù)接收。

數(shù)據(jù)庫管理模塊通過SQL Server數(shù)據(jù)庫，對監(jiān)測點(diǎn)傳回的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。除存儲數(shù)據(jù)外，數(shù)據(jù)庫管理部分還包括數(shù)據(jù)的可視化查詢、文件格式轉(zhuǎn)換等功能。

數(shù)據(jù)分析模塊負(fù)責(zé)對存儲于數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)進(jìn)行解算和分析，生成相關(guān)的變形曲線(如圖3所示)和報表。該部分預(yù)先存儲監(jiān)測工程中各類監(jiān)測傳感器的相關(guān)參數(shù)和初始坐標(biāo)，實時訪問數(shù)據(jù)庫時，可根據(jù)用戶需求，通過計算分析，生成變形曲線和報表，并根據(jù)相關(guān)規(guī)范判斷當(dāng)前壩體穩(wěn)定性。

圖3 變形監(jiān)測曲線

預(yù)報預(yù)警模塊可根據(jù)用戶預(yù)先設(shè)定的各級報警類別，綜合各類監(jiān)測信息，發(fā)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(jié)束語

利用GNSS技術(shù)對尾礦庫壩體變形進(jìn)行監(jiān)測解決了傳統(tǒng)人工觀測的諸多不足，GNSS監(jiān)測系統(tǒng)可全天候、高精度、高效率地工作。監(jiān)測系統(tǒng)的建成能有效獲得尾礦庫壩體變形的動態(tài)演化過程，加強(qiáng)了尾礦庫的安全監(jiān)管，把握了尾礦庫的安全現(xiàn)狀，對減少尾礦庫事故的發(fā)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(jiān)測［J］.工業(yè)安全與環(huán)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.

［3］於永東，林國利，陳炳富，等.BDS和GPS雙系統(tǒng)組合相對定位技術(shù)在撫順采空區(qū)地面沉降在線監(jiān)測中的應(yīng)用［J］.測繪通報，2013(10):137-138.