基于北斗系統(tǒng)的露天礦邊坡位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

周麗靜，盧才武，顧清華，盧 娜

（西安建筑科技大學(xué) 管理學(xué)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(huì)產(chǎn)生變形甚至滑坡，邊坡的穩(wěn)定性成了安全生產(chǎn)的重要隱患。長(zhǎng)期以來，露天礦邊坡的穩(wěn)定性一直是露天礦開采中倍受關(guān)注的重要安全問題之一。一般邊坡在發(fā)生垮塌前，會(huì)有一個(gè)緩慢的位移變化過程發(fā)生[1]。因此，通過對(duì)邊坡位移的監(jiān)測(cè)，可以掌握邊坡整體所處的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)邊坡發(fā)生災(zāi)難性跨塌的預(yù)測(cè)。

本文基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的定位及通信功能構(gòu)建了露天礦邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)邊坡的實(shí)時(shí)高自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。借助北斗系統(tǒng)的定位功能，獲得邊坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)等信息，并利用北斗系統(tǒng)的通信功能，將監(jiān)測(cè)點(diǎn)的信息傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心進(jìn)行分析處理，讓監(jiān)測(cè)人員在第一時(shí)間了解、掌握邊坡的變形動(dòng)態(tài)以及發(fā)展趨勢(shì)。

1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)簡(jiǎn)介

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)是我國(guó)自主研發(fā)的擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的導(dǎo)航定位系統(tǒng)，也是目前世界上繼美國(guó)的GPS和俄羅斯的GLONASS之后的第三個(gè)已投入運(yùn)行的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。它同時(shí)具備定位導(dǎo)航與雙向通信功能，無需其他通信系統(tǒng)支持或配合[2-3]。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)采用與GPS系統(tǒng)相同的被動(dòng)式定位原理，即北斗用戶只需要接收來自北斗衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)航定位信號(hào)，就能夠自主精確地解算出自己的7維狀態(tài)參數(shù)和3維姿態(tài)參數(shù)，其定位原理如圖1所示[4-5]。由于衛(wèi)星的位置精確可知，在觀測(cè)中，人們可得到衛(wèi)星到接收機(jī)的距離，利用三維坐標(biāo)中的距離公式，利用3顆衛(wèi)星，就可以組成3個(gè)方程式，解出觀測(cè)點(diǎn)的位置（X，Y，Z）。考慮到衛(wèi)星的時(shí)鐘與接收機(jī)時(shí)鐘之間的誤差，實(shí)際上有4個(gè)未知數(shù)，X、Y、Z和鐘差，因而需要引入第4顆衛(wèi)星，形成4個(gè)方程式進(jìn)行求解，從而得到觀測(cè)點(diǎn)的經(jīng)緯度和高程。

圖1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位原理Fig.1 BDS positioning principle

北斗衛(wèi)星短信服務(wù)屬于授權(quán)服務(wù)，民用通信中每條短報(bào)文信息最大容量為44個(gè)漢字或157個(gè)16進(jìn)制數(shù)。可實(shí)現(xiàn)“用戶與用戶”和“用戶與中心控制系統(tǒng)”間的雙向簡(jiǎn)短數(shù)字報(bào)文通信（以下簡(jiǎn)稱“短信”）。其通信過程如下：①短信通過專用的“北斗衛(wèi)星地基終端”上傳到北斗衛(wèi)星；②北斗衛(wèi)星接收到上傳短信后，再向地面的“北斗衛(wèi)星地面運(yùn)營(yíng)服務(wù)平臺(tái)”或“北斗衛(wèi)星通信中心站”轉(zhuǎn)發(fā)；③各類用戶從“北斗衛(wèi)星地面運(yùn)營(yíng)服務(wù)平臺(tái)”或“北斗衛(wèi)星通信中心站”獲取遠(yuǎn)端站發(fā)送的短信信息[6-8]。

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的露天礦邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，是將布設(shè)在邊坡上的北斗終端所獲取的信息，利用北斗系統(tǒng)的通信功能轉(zhuǎn)送到數(shù)據(jù)解析處理子系統(tǒng)，待數(shù)據(jù)解析處理子系統(tǒng)按照北斗系統(tǒng)的通信協(xié)議進(jìn)行解析入庫后，數(shù)據(jù)綜合管理子系統(tǒng)利用存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中的監(jiān)測(cè)信息實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析等功能，整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)層次如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次圖Fig.2 Structure of the system

（1）數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)的功能是在有代表性的邊坡處布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，通過獲取這些監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息掌握邊坡整體所處狀態(tài)。本文借助北斗系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)采集的方式，邊坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)的選取包括基準(zhǔn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)和變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)的選取?；鶞?zhǔn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)該選擇遠(yuǎn)離邊坡，地勢(shì)較穩(wěn)定的地方，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)用于修正變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，減小誤差。變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)則應(yīng)選擇邊坡容易發(fā)生滑坡的點(diǎn)，使其可以反映邊坡整體所處的狀態(tài)。

在邊坡監(jiān)測(cè)中，精度要求很高，應(yīng)該達(dá)到mm級(jí)，所以在測(cè)量終端的選擇過程中，一個(gè)很重要的考察方向就是終端的測(cè)量精度。結(jié)合目前市場(chǎng)終端的定位精度，本文選取的是高精度差分測(cè)量型接收機(jī)。其主要參數(shù)如下：

·支持多系統(tǒng)， 兼容 GPS、GLONASS、Galileo、BDS 4個(gè)系統(tǒng)，120個(gè)動(dòng)態(tài)通道。

·基于載波相位差分技術(shù)，可提供1 cm+1 ppm的定位精度。

·首次定位時(shí)間：冷啟動(dòng)<50 s，熱啟動(dòng)<35 s。

·操作溫度：工作溫度－40℃～+75℃，存儲(chǔ)溫度-55℃～+90℃。

（2）數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)的功能是將數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)采集到的信息傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理子系統(tǒng)，以供后續(xù)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析處理以及綜合利用。目前常用的數(shù)據(jù)傳輸方式有有線方式、無線方式和衛(wèi)星通訊方式（北斗通訊方式）等，這3種通訊方式的對(duì)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(qū)往往位于山區(qū)，所處的地形及環(huán)境條件復(fù)雜，有線通信方式組網(wǎng)難度較大，所以通信方式不宜選擇有線方式。而衛(wèi)星通訊方式相對(duì)于無線通信方式來說，無通信盲區(qū)，尤其是受監(jiān)測(cè)區(qū)域的影響很小，在地面無線網(wǎng)絡(luò)無法覆蓋或者信號(hào)不穩(wěn)定的區(qū)域以及在發(fā)生邊坡災(zāi)害的情況下的數(shù)據(jù)傳輸方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)，而且對(duì)于支持北斗系統(tǒng)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(jiān)測(cè)中，所需要的主要是監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)和監(jiān)測(cè)終端的ID，而北斗的民用通信中每條短報(bào)文信息最大容量為44個(gè)漢字或157個(gè)16進(jìn)制數(shù)，這完全可以滿足邊坡監(jiān)測(cè)的通信要求。

（3）數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)

為方便系統(tǒng)以后的更新維護(hù)，本研究將數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)綜合管理分開來開發(fā)，數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收及存儲(chǔ)，而數(shù)據(jù)綜合管理子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的后續(xù)分析利用。數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)的功能是自動(dòng)接收北斗通信系統(tǒng)傳輸過來的終端采集的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)按照北斗的通信協(xié)議進(jìn)行解析處理，并將解析出的坐標(biāo)信息及終端信息存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中，其工作流程如圖3所示。數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)是在Windows平臺(tái)下，以SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)支撐，以串口通信及多線程技術(shù)為主開發(fā)的系統(tǒng)，完成數(shù)據(jù)的自動(dòng)接收及解析入庫。

圖3 數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)工作流程圖Fig.3 Process flow chart of data processing subsystem

（4）數(shù)據(jù)綜合管理子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)綜合管理子系統(tǒng)的功能是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合管理，包括監(jiān)測(cè)點(diǎn)管理、北斗終端管理、監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置的實(shí)時(shí)顯示以及歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析等功能。系統(tǒng)由一個(gè)應(yīng)用服務(wù)器以及若干個(gè)客戶端組成，應(yīng)用服務(wù)器根據(jù)客戶端的請(qǐng)求，通過訪問經(jīng)數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)處理入庫后的數(shù)據(jù)，獲得客戶端需要的信息并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝處理返回給客戶端；客戶端通過互聯(lián)網(wǎng)向應(yīng)用服務(wù)器發(fā)出各種請(qǐng)求，獲取各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)信息、歷史數(shù)據(jù)等信息。

系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)開發(fā)，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)使用SQL Server 2008，應(yīng)用服務(wù)器使用Tomcat。服務(wù)器端開發(fā)技術(shù)采用JAVA+jsp，并結(jié)合 Ajax、WebGIS、JFreeChart實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在地圖中的顯示與操作及信息的圖表化匯總顯示。系統(tǒng)的主要功能結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)綜合管理子系統(tǒng)主要功能結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Functional block diagram of integrated data management subsystem

監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置的實(shí)時(shí)顯示，是指將北斗終端獲取的存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)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(shí)觀看到目前邊坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)所處的位置。該功能的實(shí)現(xiàn)，本研究采用的是A-jax異步刷新技術(shù)和WebGIS技術(shù)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置在地圖中的展示，采用的是WebGIS技術(shù)，包括原始位置和最新位置的展示，最新位置的展示，系統(tǒng)會(huì)使用Ajax技術(shù)按照北斗終端的定位頻度，設(shè)定同樣的時(shí)間間隔異步刷新地圖中監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最新位置，每一次刷新，都是用目前終端傳回的最新數(shù)據(jù)去更新電子地圖中的監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最新位置。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析功能中的監(jiān)測(cè)歷史數(shù)據(jù)圖表化顯示，是使用JAVA平臺(tái)上的開放圖表繪制類庫JFreeChart實(shí)現(xiàn)的。在選擇起止監(jiān)測(cè)日期以及選定監(jiān)測(cè)點(diǎn)后，系統(tǒng)會(huì)調(diào)用存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，生成對(duì)應(yīng)的曲線圖，使用戶能更直觀地觀察邊坡整體的變形趨勢(shì)。如圖5所示是使用JFreeChart生成的監(jiān)測(cè)點(diǎn)的x方向的變化曲線圖。

圖5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)x方向的坐標(biāo)變化曲線圖Fig.5 Curve of monitoring point’s x-coordinate

3 結(jié)語

基于北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的露天礦邊坡位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用北斗系統(tǒng)的定位及短報(bào)文通訊功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)露天礦邊坡位移變化狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)使用北斗的通訊功能，有效地解決了在露天礦礦區(qū)因無線網(wǎng)絡(luò)無法覆蓋或信號(hào)不穩(wěn)定的區(qū)域的數(shù)據(jù)傳輸問題。實(shí)驗(yàn)證明，基于北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的露天礦邊坡位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)邊坡監(jiān)測(cè)的全自動(dòng)、高精度、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的有效手段。隨著我國(guó)北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展，基于北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)將會(huì)提供更為精確的監(jiān)測(cè)信息。

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