露天礦邊坡北斗衛(wèi)星位移監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

代 朵 盧才武 顧清華 周麗靜

(西安建筑科技大學(xué)管理學(xué)院，陜西 西安 710055)

露天礦邊坡北斗衛(wèi)星位移監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

代 朵 盧才武 顧清華 周麗靜

(西安建筑科技大學(xué)管理學(xué)院，陜西 西安 710055)

隨著露天礦的不斷開采，邊坡的穩(wěn)定性是露天礦開采中備受關(guān)注的重要安全問題之一，而傳統(tǒng)的監(jiān)測工程項目較多、監(jiān)測數(shù)據(jù)量龐大且分析處理困難。為此，設(shè)計與開發(fā)了基于北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的露天礦邊坡位移監(jiān)測系統(tǒng)，對邊坡位移進行實時、高自動化的監(jiān)測，并對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行科學(xué)高效的處理與利用。著重介紹了系統(tǒng)的總體設(shè)計、技術(shù)架構(gòu)以及各子系統(tǒng)功能模塊的設(shè)計與實現(xiàn)過程。該系統(tǒng)的實施，為邊坡監(jiān)測提供了一種有效的技術(shù)手段，并為管理層的決策工作提供了指導(dǎo)依據(jù)。

北斗衛(wèi)星系統(tǒng) 露天礦 邊坡監(jiān)測 實時監(jiān)測 系統(tǒng)開發(fā)

隨著露天礦的不斷發(fā)展，礦山形成了大量的邊坡，整個巖體破碎，再加之露天采場會在日常的開采過程中進行爆破，邊坡的穩(wěn)定性會受到很大的影響。一旦邊坡的穩(wěn)定性遭到破壞，則會產(chǎn)生滑坡等事故，會給礦山企業(yè)以及生產(chǎn)人員帶來巨大的經(jīng)濟損失和人員傷亡。由于邊坡的失穩(wěn)破壞，一般會有一個緩慢的變化過程[1]，所以可以通過對邊坡進行監(jiān)測，掌握邊坡整體所處的狀態(tài)，利用獲得的數(shù)據(jù)對邊坡事故做出預(yù)測預(yù)警，盡可能地降低邊坡的潛在危險。傳統(tǒng)的邊坡監(jiān)測主要是靠人工或者半人工的方法，通過在現(xiàn)場布置一定的傳感器或儀表，然后人工處理數(shù)據(jù)，對監(jiān)測結(jié)果進行分析[2]。整個監(jiān)測過程需要耗費大量的人力，并且難以做到數(shù)據(jù)的實時處理，監(jiān)測結(jié)果往往存在較大的延遲。

1 系統(tǒng)設(shè)計

基于北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的露天礦邊坡位移監(jiān)測系統(tǒng)是將北斗衛(wèi)星系統(tǒng)與露天礦邊坡位移監(jiān)測結(jié)合起來的一個有效應(yīng)用。隨著露天礦的不斷開采，采掘深度增加，礦山邊坡受到排土壓力和自身重力作用的影響，會逐漸變形甚至形成滑坡，所以邊坡的穩(wěn)定性成為了安全生產(chǎn)的重要問題。而邊坡在失穩(wěn)前，一般會有一個緩慢的變化過程[1]。因此，本系統(tǒng)的主要需求是實時監(jiān)測邊坡位移，掌握邊坡的最新動態(tài)，對邊坡滑坡等危害事故發(fā)生的預(yù)測提供數(shù)據(jù)依據(jù)，以期進行及時的預(yù)警提示，幫助工作人員進行計劃決策，保證企業(yè)的安全生產(chǎn)，避免人員的傷亡和經(jīng)濟的損失。

1.1 系統(tǒng)的主要功能目標(biāo)

本系統(tǒng)的目標(biāo)是設(shè)計與實現(xiàn)一個能夠?qū)β短斓V邊坡位移進行實時監(jiān)測，并能對設(shè)置在邊坡上的監(jiān)測點的位移變化情況進行預(yù)測預(yù)警的綜合管理系統(tǒng)。系統(tǒng)的主要功能目標(biāo)主要有：

(1)實時高效地對露天礦邊坡位移進行全方位監(jiān)測。在通信系統(tǒng)的選擇上，要考慮通訊系統(tǒng)的構(gòu)建難易度以及系統(tǒng)的信號覆蓋范圍。最后，還應(yīng)有對應(yīng)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，要能夠?qū)崟r地接收與處理監(jiān)測數(shù)據(jù)并對其進行存儲。

(2)對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行綜合管理。監(jiān)測到的位移變化數(shù)據(jù)如果不能合理地分析利用，那整個監(jiān)測也是無用的。數(shù)據(jù)分析利用的前提，是要保證整個系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)能安全可靠地進行存儲，因此要選用可靠的數(shù)據(jù)存儲方式。同時要對整個綜合管理系統(tǒng)進行功能結(jié)構(gòu)的詳細(xì)分析，盡可能地保證整個系統(tǒng)有一個合理可行的功能管理方案。

(3)為決策人員提供決策的數(shù)據(jù)依據(jù)。對于負(fù)責(zé)邊坡位移監(jiān)測的管理人員來說，只有通過對采集到的信息進行完善的統(tǒng)計，才可以輔助他們做出正確的決策。對獲取到的監(jiān)測信息進行綜合統(tǒng)計，給出邊坡各監(jiān)測點的位移變化曲線以及預(yù)測出的變形曲線，便于監(jiān)測人員觀察總結(jié)出邊坡整體所處的狀態(tài)，做出正確的決策。

1.2 系統(tǒng)整體架構(gòu)圖

整套系統(tǒng)的架構(gòu)是以分層形式構(gòu)建的，即數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)解析處理和數(shù)據(jù)綜合管理4個子系統(tǒng)[3]。數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)的核心是北斗終端，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的自動采集；數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)以北斗的短報文通信功能為依據(jù)，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)從監(jiān)測現(xiàn)場到管理中心的有效傳輸；數(shù)據(jù)解析處理子系統(tǒng)負(fù)責(zé)接收北斗傳輸過來的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)按通信協(xié)議進行解析入庫；數(shù)據(jù)綜合管理子系統(tǒng)負(fù)責(zé)對存儲在數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行綜合分析處理，包括監(jiān)測點位置的實時顯示、位移變化量的實時預(yù)警以及位移變化數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析及未來數(shù)據(jù)的預(yù)測。整個系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)開發(fā)與實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)解析處理子系統(tǒng)采用簡單的桌面應(yīng)用程序開發(fā)，數(shù)據(jù)綜合管理子系統(tǒng)采用B/S開發(fā)模式，這樣有利于系統(tǒng)用戶能夠隨時隨地在不用安裝客戶端的情況下訪問系統(tǒng)，查看邊坡所處的狀態(tài)，同時有利于系統(tǒng)日后的升級維護。

數(shù)據(jù)綜合管理子系統(tǒng)整體上采用目前應(yīng)用比較成熟的J2EE技術(shù)架構(gòu)，這種成熟的體系結(jié)構(gòu)有利于保證系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性和可擴展性。開發(fā)框架使用Struts+Spring+Hibernate，同時，系統(tǒng)后端使用Java開發(fā)語言，以MyEclipse作為其開發(fā)工具，數(shù)據(jù)庫使用SQL Server2008。在系統(tǒng)整體開發(fā)架構(gòu)的選擇上，采用了經(jīng)典的3層架構(gòu)，即數(shù)據(jù)展現(xiàn)層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)訪問層。這種分層體系并不是物理上的分層結(jié)構(gòu)，而是一種邏輯上的分層，可以實現(xiàn)“高內(nèi)聚、低耦合”。整個系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

圖2 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

2.2 數(shù)據(jù)采集功能實現(xiàn)

數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)主要是根據(jù)監(jiān)測方式設(shè)計相應(yīng)的監(jiān)測網(wǎng)，并選擇合適的監(jiān)測設(shè)備。本系統(tǒng)借助北斗系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)采集的方式，與之相對應(yīng)的變形監(jiān)測網(wǎng)的設(shè)計包括基準(zhǔn)監(jiān)測點和變形監(jiān)測點的選取?；鶞?zhǔn)監(jiān)測點應(yīng)該選擇遠(yuǎn)離邊坡，地勢較穩(wěn)定的地方，監(jiān)測數(shù)據(jù)用于修正變形監(jiān)測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)，減小誤差。變形監(jiān)測點則應(yīng)選擇邊坡容易發(fā)生滑坡的點，使其可以反映邊坡整體所處的狀態(tài)。變形監(jiān)測網(wǎng)的設(shè)計[4]如圖3所示。

圖3 變形監(jiān)測網(wǎng)

監(jiān)測設(shè)備由支持北斗系統(tǒng)的接收機、供電設(shè)備等組成。接收機完成對監(jiān)測點坐標(biāo)信息的獲取，同時接收機會在內(nèi)置通訊模塊的支持下，實現(xiàn)對坐標(biāo)等信息的編碼、存儲并借助北斗衛(wèi)星系統(tǒng)進行發(fā)送。

本研究選取的是高精度差分測量型接收機[5]，其主要參數(shù)如下。

(1)支持多系統(tǒng)：兼容GPS、GLONASS、Galileo、BDS 4個系統(tǒng)，120個動態(tài)通道；

(2)基于載波相位差分技術(shù)：可提供1 cm+1×10-6的定位精度；

(3)首次定位時間：冷啟動小于50 s，熱啟動小于35 s ；

(4)操作溫度：工作溫度-40～+75 ℃，存儲溫度-55～+90 ℃；

同時，選取的數(shù)據(jù)傳輸方式為北斗的短報文通訊方式，因此，終端支持北斗通訊方式，可以通過安裝北斗SIM卡完成數(shù)據(jù)通訊。

2.3 數(shù)據(jù)傳輸功能實現(xiàn)

衛(wèi)星通訊方式相對于無線通信方式來說，無通信盲區(qū)，尤其是受監(jiān)測區(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，而且對于支持北斗系統(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)測中，所需要的主要是監(jiān)測點的三維坐標(biāo)和監(jiān)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(shù)，這完全可以滿足邊坡監(jiān)測的通信要求[3]。

2.4 數(shù)據(jù)解析功能實現(xiàn)

數(shù)據(jù)解析處理子系統(tǒng)是接收北斗終端采集到的數(shù)據(jù)，然后根據(jù)北斗通信協(xié)議，對接收到的數(shù)據(jù)按照通信協(xié)議的格式進行解析，并對數(shù)據(jù)做入庫操作，為數(shù)據(jù)綜合管理子系統(tǒng)做數(shù)據(jù)分析利用提供數(shù)據(jù)。這一功能的實現(xiàn)，主要使用的是Java中的socket技術(shù)和多線程技術(shù)，將接收北斗終端的數(shù)據(jù)單獨作為一個獨立的線程來運行，在數(shù)據(jù)接收上，用ServerSocket實例化所要監(jiān)聽的端口，并且在北斗終端設(shè)備上對端口和服務(wù)器IP做相應(yīng)的設(shè)置。數(shù)據(jù)解析處理子系統(tǒng)工作流程圖如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)解析處理子系統(tǒng)工作流程

2.5 數(shù)據(jù)綜合管理功能實現(xiàn)

數(shù)據(jù)綜合管理子系統(tǒng)主要是分析處理存儲在數(shù)據(jù)庫中的監(jiān)測數(shù)據(jù)，主要功能包括監(jiān)測點管理、北斗終端管理、監(jiān)測點位置實時顯示、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和位移預(yù)測預(yù)警等，這里主要介紹以下幾個功能的實現(xiàn)。

2.5.1 跨域訪問功能實現(xiàn)

為了減輕服務(wù)器端的壓力，數(shù)據(jù)綜合管理子系統(tǒng)的開發(fā)采用前后端分離的技術(shù)，在應(yīng)用的部署上，也將前后端部署在不同的服務(wù)器上，這樣，在數(shù)據(jù)的訪問上不可避免地會產(chǎn)生跨域訪問問題。出于安全方面的考慮，瀏覽器是禁止跨域訪問的，因此需要采用跨域訪問的解決方案來解決資源的訪問。現(xiàn)在使用最廣泛的是JSONP和CORS(跨域資源共享)兩種跨域訪問解決方案，但因為JSONP是get方式，承載的信息量是有限的，再加上監(jiān)測工作數(shù)據(jù)量較大，因此采用CORS(跨域資源共享)方案來解決跨域訪問問題。

2.5.2 實時監(jiān)測功能實現(xiàn)

實時監(jiān)測是數(shù)據(jù)綜合管理子系統(tǒng)的一個主要功能，它提供將設(shè)置的各個監(jiān)測點的起始位置和目前的最新位置顯示在地圖中，讓用戶可以直觀地看到各個監(jiān)測點的變化。系統(tǒng)使用基于Ajax的長輪詢方式實現(xiàn)監(jiān)測點位置的實時刷新，瀏覽器端通過Ajax向服務(wù)器端發(fā)送請求，服務(wù)器端訪問數(shù)據(jù)庫，得到監(jiān)測點的最新位置，并返回給瀏覽器端，瀏覽器端則通過Arcgis提供的Arcgis Api for JavaScript在地圖中顯示出監(jiān)測點的最新位置，并且在用戶單擊或者鼠標(biāo)移到監(jiān)測點上時，會以tips層的形式顯示監(jiān)測點的位移變化信息。

2.5.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析功能實現(xiàn)

數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析功能是將監(jiān)測數(shù)據(jù)進行總體的統(tǒng)計分析，讓用戶可以看到各監(jiān)測點在選擇的監(jiān)測期內(nèi)的監(jiān)測數(shù)據(jù)以及整體位移變化趨勢。數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析分為3個子功能，即監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢、位移統(tǒng)計分析和位移預(yù)測預(yù)警。采用灰色系統(tǒng)預(yù)測模型對位移數(shù)據(jù)進行預(yù)測，將GM(1,1)、新陳代謝GM(1,1)、Verhulst 3種不同情況下的模型相結(jié)合，分開對選定條件下的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行預(yù)測，再對3種模型的預(yù)測結(jié)果精度等級以及平均誤差率進行對比，選擇精度等級最高且誤差最小的模型預(yù)測數(shù)據(jù)作為最終的位移預(yù)測值。同時還提供了監(jiān)測點實時位移的預(yù)警，每次頁面發(fā)送Ajax請求后，后端返回監(jiān)測點的最新坐標(biāo)及位移變化信息，請求成功后，頁面通過調(diào)用回調(diào)函數(shù)處理返回的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的處理，其中之一即是判斷監(jiān)測點的實時位移是否達到系統(tǒng)設(shè)定的預(yù)警閾值，若達到，則進行預(yù)警提示監(jiān)測人員。系統(tǒng)預(yù)測界面如圖5所示。

圖5 位移預(yù)測界面

3 結(jié) 論

介紹了基于北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的定位和短報文通訊功能設(shè)計與實現(xiàn)的一個針對露天礦邊坡的實時位移監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對露天礦邊坡位移的動態(tài)監(jiān)控以及預(yù)警預(yù)測，很好地解決了傳統(tǒng)監(jiān)測方式工作量大、效率低，以及露天礦礦區(qū)數(shù)據(jù)傳輸困難的問題。實驗證明，該系統(tǒng)運行連續(xù)、穩(wěn)定，是實現(xiàn)露天礦邊坡監(jiān)測的全自動、高精度、實時監(jiān)測的有效手段。也對北斗衛(wèi)星系統(tǒng)在礦山邊坡監(jiān)測中的應(yīng)用進行了初步研究，為該領(lǐng)域的發(fā)展做出了一定的貢獻。

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(責(zé)任編輯 徐志宏)

Design and Realization of Open-pit Slope Displacement Monitoring System of Beidou Satellite

Dai Duo Lu Caiwu Gu Qinghua Zhou Lijing

(SchoolofManagement，Xi′anUniversityofArchitectureandTechnology，Xi′an710055，China)

With the continuous mining of open-pit，slope stability becomes an important safety issue concerned in open-pit mining.However，for the traditional monitoring，there are many monitoring projects，large amounts of data and great difficulties in analysis.To deal with it，a monitoring system of slope displacement in open pit based on Beidou satellite system is designed and developed to achieve real-time and highly automated monitoring on slope displacement，and to scientifically and efficiently deal with the monitoring data.The general design and technical architecture of the system and the design and implementation of each subsystem′s functions are introduced in detail.The implementation of the system provide an effective technical means for slope monitoring，and also provide a basis for guiding the decision-making of managers.

Beidou satellite system，Open-pit，Slope monitoring，Real-time monitoring，System development

2015-06-04

陜西省重點學(xué)科建設(shè)專項資金項目(編號：E08001)，國家自然科學(xué)基金項目(編號：51404182)，西安建筑科技大學(xué)青年科技基金項目(編號：QN1222)。

代 朵(1993—)，女，碩士研究生。通訊作者 盧才武(1965—)，男，教授，博士研究生導(dǎo)師。

TD76

A

1001-1250(2015)-09-112-04