基于北斗系统的露天矿边坡位移监测系统研究

周丽静，卢才武，顾清华，卢 娜

（西安建筑科技大学 管理学院，西安 710055）

随着矿山的不断开采，采掘深度不断增加，露天矿的边坡受到排土压力以及自身重力的影响会产生变形甚至滑坡，边坡的稳定性成了安全生产的重要隐患。长期以来，露天矿边坡的稳定性一直是露天矿开采中倍受关注的重要安全问题之一。一般边坡在发生垮塌前，会有一个缓慢的位移变化过程发生[1]。因此，通过对边坡位移的监测，可以掌握边坡整体所处的状态，实现对边坡发生灾难性跨塌的预测。

本文基于北斗卫星导航定位系统的定位及通信功能构建了露天矿边坡监测系统，可以实现对边坡的实时高自动化监测。借助北斗系统的定位功能，获得边坡监测点的三维坐标等信息，并利用北斗系统的通信功能，将监测点的信息传输到数据处理中心进行分析处理，让监测人员在第一时间了解、掌握边坡的变形动态以及发展趋势。

1 北斗卫星导航定位系统简介

北斗卫星导航定位系统是我国自主研发的拥有自主知识产权的导航定位系统，也是目前世界上继美国的GPS和俄罗斯的GLONASS之后的第三个已投入运行的卫星导航定位系统。它同时具备定位导航与双向通信功能，无需其他通信系统支持或配合[2-3]。

北斗卫星导航定位系统采用与GPS系统相同的被动式定位原理，即北斗用户只需要接收来自北斗卫星发送的导航定位信号，就能够自主精确地解算出自己的7维状态参数和3维姿态参数，其定位原理如图1所示[4-5]。由于卫星的位置精确可知，在观测中，人们可得到卫星到接收机的距离，利用三维坐标中的距离公式，利用3颗卫星，就可以组成3个方程式，解出观测点的位置（X，Y，Z）。考虑到卫星的时钟与接收机时钟之间的误差，实际上有4个未知数，X、Y、Z和钟差，因而需要引入第4颗卫星，形成4个方程式进行求解，从而得到观测点的经纬度和高程。

图1 北斗卫星导航系统定位原理Fig.1 BDS positioning principle

北斗卫星短信服务属于授权服务，民用通信中每条短报文信息最大容量为44个汉字或157个16进制数。可实现“用户与用户”和“用户与中心控制系统”间的双向简短数字报文通信（以下简称“短信”）。其通信过程如下：①短信通过专用的“北斗卫星地基终端”上传到北斗卫星；②北斗卫星接收到上传短信后，再向地面的“北斗卫星地面运营服务平台”或“北斗卫星通信中心站”转发；③各类用户从“北斗卫星地面运营服务平台”或“北斗卫星通信中心站”获取远端站发送的短信信息[6-8]。

2 监测系统构成

基于北斗卫星导航定位系统的露天矿边坡监测系统，是将布设在边坡上的北斗终端所获取的信息，利用北斗系统的通信功能转送到数据解析处理子系统，待数据解析处理子系统按照北斗系统的通信协议进行解析入库后，数据综合管理子系统利用存储在数据库中的监测信息实现监测数据的实时显示、历史监测数据的统计分析等功能，整个系统的结构层次如图2所示。

图2 系统结构层次图Fig.2 Structure of the system

（1）数据采集子系统

数据采集子系统的功能是在有代表性的边坡处布置监测点，通过获取这些监测点的三维坐标信息掌握边坡整体所处状态。本文借助北斗系统作为数据采集的方式，边坡监测点的选取包括基准监测点和变形监测点的选取。基准监测点应该选择远离边坡，地势较稳定的地方，监测数据用于修正变形监测点的监测数据，减小误差。变形监测点则应选择边坡容易发生滑坡的点，使其可以反映边坡整体所处的状态。

在边坡监测中，精度要求很高，应该达到mm级，所以在测量终端的选择过程中，一个很重要的考察方向就是终端的测量精度。结合目前市场终端的定位精度，本文选取的是高精度差分测量型接收机。其主要参数如下：

·支持多系统， 兼容 GPS、GLONASS、Galileo、BDS 4个系统，120个动态通道。

·基于载波相位差分技术，可提供1 cm+1 ppm的定位精度。

·首次定位时间：冷启动<50 s，热启动<35 s。

·操作温度：工作温度－40℃～+75℃，存储温度-55℃～+90℃。

（2）数据传输子系统

数据传输子系统的功能是将数据采集子系统采集到的信息传输到数据处理子系统，以供后续系统对数据进行解析处理以及综合利用。目前常用的数据传输方式有有线方式、无线方式和卫星通讯方式（北斗通讯方式）等，这3种通讯方式的对比如表1所示。

表1 通信方式比较Tab.1 Comparison of the transmission program

露天矿矿区往往位于山区，所处的地形及环境条件复杂，有线通信方式组网难度较大，所以通信方式不宜选择有线方式。而卫星通讯方式相对于无线通信方式来说，无通信盲区，尤其是受监测区域的影响很小，在地面无线网络无法覆盖或者信号不稳定的区域以及在发生边坡灾害的情况下的数据传输方面具有显著的优势，而且对于支持北斗系统的终端来说，其本身除了定位功能外，也具有通信功能，所以无须再使用其他的辅助通信方式。在边坡监测中，所需要的主要是监测点的三维坐标和监测终端的ID，而北斗的民用通信中每条短报文信息最大容量为44个汉字或157个16进制数，这完全可以满足边坡监测的通信要求。

（3）数据处理子系统

为方便系统以后的更新维护，本研究将数据处理和数据综合管理分开来开发，数据处理子系统主要负责数据的接收及存储，而数据综合管理子系统主要负责数据的后续分析利用。数据处理子系统的功能是自动接收北斗通信系统传输过来的终端采集的数据，并对数据按照北斗的通信协议进行解析处理，并将解析出的坐标信息及终端信息存储到数据库服务器中，其工作流程如图3所示。数据处理子系统是在Windows平台下，以SQL Server 2008数据库管理系统作为数据存储支撑，以串口通信及多线程技术为主开发的系统，完成数据的自动接收及解析入库。

图3 数据处理子系统工作流程图Fig.3 Process flow chart of data processing subsystem

（4）数据综合管理子系统

数据综合管理子系统的功能是对数据进行综合管理，包括监测点管理、北斗终端管理、监测点位置的实时显示以及历史数据的统计分析等功能。系统由一个应用服务器以及若干个客户端组成，应用服务器根据客户端的请求，通过访问经数据处理子系统处理入库后的数据，获得客户端需要的信息并对数据进行封装处理返回给客户端；客户端通过互联网向应用服务器发出各种请求，获取各监测点的实时信息、历史数据等信息。

系统采用B/S架构开发，数据库管理系统使用SQL Server 2008，应用服务器使用Tomcat。服务器端开发技术采用JAVA+jsp，并结合 Ajax、WebGIS、JFreeChart实现对监测点在地图中的显示与操作及信息的图表化汇总显示。系统的主要功能结构如图4所示。

图4 数据综合管理子系统主要功能结构图Fig.4 Functional block diagram of integrated data management subsystem

监测点位置的实时显示，是指将北斗终端获取的存储在数据库中的最新定位信息，显示在边坡的电子地图中，让用户可以随时观看到目前边坡监测点所处的位置。该功能的实现，本研究采用的是A-jax异步刷新技术和WebGIS技术。监测点位置在地图中的展示，采用的是WebGIS技术，包括原始位置和最新位置的展示，最新位置的展示，系统会使用Ajax技术按照北斗终端的定位频度，设定同样的时间间隔异步刷新地图中监测点的最新位置，每一次刷新，都是用目前终端传回的最新数据去更新电子地图中的监测点的最新位置。

数据统计分析功能中的监测历史数据图表化显示，是使用JAVA平台上的开放图表绘制类库JFreeChart实现的。在选择起止监测日期以及选定监测点后，系统会调用存储在数据库中的监测数据，生成对应的曲线图，使用户能更直观地观察边坡整体的变形趋势。如图5所示是使用JFreeChart生成的监测点的x方向的变化曲线图。

图5 监测点x方向的坐标变化曲线图Fig.5 Curve of monitoring point’s x-coordinate

3 结语

基于北斗卫星系统的露天矿边坡位移监测系统，利用北斗系统的定位及短报文通讯功能，实现了对露天矿边坡位移变化状态的实时监测，同时使用北斗的通讯功能，有效地解决了在露天矿矿区因无线网络无法覆盖或信号不稳定的区域的数据传输问题。实验证明，基于北斗卫星系统的露天矿边坡位移监测系统，是实现边坡监测的全自动、高精度、实时监测的有效手段。随着我国北斗卫星系统的发展，基于北斗卫星系统的监测将会提供更为精确的监测信息。

[1]李永兵，李兵磊，李永辉.边坡实时监测系统中预测模型建立及预警分级研究[J].矿业研究开发，2014，34（2）：68-72.

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