基于北斗衛(wèi)星的三維變形監(jiān)測系統(tǒng)研發(fā)

羅剛 賈普仁 秦潔浩 梁豪鵬 王粵渝（羅剛 賈普仁 秦潔浩 梁豪鵬 王粵渝

◆摘? 要：我國西南地區(qū)山體眾多，道路兩旁高危邊坡對交通、生命財產(chǎn)安全帶來極大隱患，本文介紹了基于北斗加基站的邊坡位移實時監(jiān)測系統(tǒng)，具有且實時性好，提前預(yù)警的效果，可廣泛應(yīng)用于對高危邊坡的監(jiān)測。

◆關(guān)鍵詞：高危邊坡;北斗衛(wèi)星

根據(jù)自然資源部發(fā)布的地質(zhì)災(zāi)害災(zāi)情數(shù)據(jù)統(tǒng)計，近3年，全國地質(zhì)災(zāi)害平均每年5423起，滑坡事故占比50%以上，給人民群眾生命安全和財產(chǎn)帶來極大的隱患。特別是我國西南地區(qū)，最基本的地形地貌特征是山體眾多，山勢陡峻，土壤結(jié)構(gòu)疏松，易積水，極容易形成山體滑坡。據(jù)交通運輸部統(tǒng)計，2018年底，四川和重慶高速公路總里程合計9916公里，鐵路營業(yè)里程合計7203公里。大部分的公路和鐵路兩邊山體形成邊坡都需要進(jìn)行實時監(jiān)測，可以推算，高危邊坡監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用前景十分廣闊。論文針對高危邊坡，使用北斗衛(wèi)星加基站方式對邊坡位移進(jìn)行實時監(jiān)測，數(shù)據(jù)傳輸出至后臺經(jīng)過大數(shù)據(jù)分析，結(jié)合地質(zhì)情況，提前進(jìn)行邊坡滑坡預(yù)警，防患于未然。

近年來，北斗系統(tǒng)及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)在國家的大力支持下得到了迅猛的發(fā)展，北斗系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備本體的電子技術(shù)得到了長足發(fā)展，成本得以降低、可靠性逐步提升。同時，其在各行各業(yè)的應(yīng)用示范也越來越多，越來越成熟，面向地質(zhì)災(zāi)害三維變形監(jiān)測的應(yīng)用是其主要應(yīng)用領(lǐng)域之一，許多原來基于GPS實現(xiàn)定位監(jiān)控的廠商開始并行多個定位系統(tǒng)，但是整體系統(tǒng)成本一直無法大幅度降低，導(dǎo)致這一先進(jìn)的監(jiān)控系統(tǒng)只能應(yīng)用于數(shù)量較少而投入巨大的監(jiān)控項目中，例如重大地質(zhì)災(zāi)害點監(jiān)控、特大橋梁監(jiān)控、大壩變形監(jiān)控、大型尾礦庫監(jiān)控等等。這就使得量大面廣而單點投入低的公路監(jiān)控環(huán)境難以有效推廣這一三維變形監(jiān)控技術(shù)。

1北斗變形監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

論文設(shè)計的基于北斗變形監(jiān)測系統(tǒng)是針對公路邊坡變形監(jiān)測的需求，適用于公路邊坡遠(yuǎn)程監(jiān)測的三維絕對變形情況遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)采集、傳輸系統(tǒng)。它的功能模塊有三個部分：基于北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)的地表變形數(shù)據(jù)感知設(shè)備、基于多通信制式的3G/4G自適應(yīng)無線數(shù)據(jù)傳輸平臺、基于北斗衛(wèi)星變形感知數(shù)據(jù)的分析與展示平臺。

系統(tǒng)包括邊坡現(xiàn)場設(shè)備和服務(wù)器云平臺。設(shè)備部分包括北斗衛(wèi)星定位感知設(shè)備、北斗衛(wèi)星信號接收天線、4G/5G自適應(yīng)數(shù)據(jù)通信平臺等主要硬件。

2網(wǎng)絡(luò)電路設(shè)計方案

網(wǎng)絡(luò)電路主要用于北斗地表變形數(shù)據(jù)監(jiān)測設(shè)備與4G/5G自適應(yīng)無線傳輸平臺數(shù)據(jù)連接交互的作用，實現(xiàn)4G/5G自適應(yīng)無線傳輸平臺通過以太網(wǎng)通信控制底層設(shè)備包括北斗定位感知模塊的工作。

以太網(wǎng)電路組成主要包括STM32F429核心以太網(wǎng)外設(shè)、LAN8720A芯片及RJ45等外圍電路。

3地表變形數(shù)據(jù)感知設(shè)備集成與開發(fā)

北斗地表變形數(shù)據(jù)監(jiān)測設(shè)備包含有北斗衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)感知模塊和與數(shù)據(jù)感知模塊軟硬件接口匹配的硬件系統(tǒng)。其功能主要包括負(fù)責(zé)現(xiàn)場多個北斗衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)感知模塊的電源管理、數(shù)據(jù)并行采集等。

北斗地表變形數(shù)據(jù)監(jiān)測設(shè)備包含北斗感知模塊、主控芯片最小工作系統(tǒng)、以太網(wǎng)電路三個子模塊，本研究內(nèi)容圍繞上述設(shè)備硬件組成部分的市場調(diào)研、選型對比，再結(jié)合RS232/485總線系統(tǒng)、以太網(wǎng)TCP/IP軟件系統(tǒng)相關(guān)內(nèi)容，展開對地表變形數(shù)據(jù)感知設(shè)備的集成開發(fā)工作。

4實驗結(jié)果

現(xiàn)場由北斗和基站設(shè)備構(gòu)成，基站設(shè)備的安裝主要分太陽能供電設(shè)備組裝、基站固定與安裝兩步。在監(jiān)測點上要求監(jiān)測節(jié)點按照特定時間長度返回監(jiān)測數(shù)據(jù)，時間長度為每天上傳一次，將節(jié)點監(jiān)測設(shè)備采集到的邊坡數(shù)據(jù)記錄。

根據(jù)記錄數(shù)據(jù)顯示的時間來看，本系統(tǒng)的功能正常，且實時性好，實時性幾乎在10內(nèi)。

5總結(jié)

作為全球性三大地質(zhì)災(zāi)害之的邊坡，失穩(wěn)塌滑嚴(yán)重危害國家財產(chǎn)和人民的生命安全。隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)的大力發(fā)展，在交通、礦山、水利、建筑等各個建設(shè)領(lǐng)域出現(xiàn)大量的邊坡工程，不可避免引發(fā)一系列由邊坡所產(chǎn)生的問題。本系統(tǒng)利用北斗加基站模式設(shè)計，通過實地試驗，證明了該系統(tǒng)的有效性。

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