露天矿边坡北斗卫星位移监测系统设计与实现

代 朵 卢才武 顾清华 周丽静

(西安建筑科技大学管理学院，陕西 西安 710055)

露天矿边坡北斗卫星位移监测系统设计与实现

代 朵 卢才武 顾清华 周丽静

(西安建筑科技大学管理学院，陕西 西安 710055)

随着露天矿的不断开采，边坡的稳定性是露天矿开采中备受关注的重要安全问题之一，而传统的监测工程项目较多、监测数据量庞大且分析处理困难。为此，设计与开发了基于北斗卫星系统的露天矿边坡位移监测系统，对边坡位移进行实时、高自动化的监测，并对监测数据进行科学高效的处理与利用。着重介绍了系统的总体设计、技术架构以及各子系统功能模块的设计与实现过程。该系统的实施，为边坡监测提供了一种有效的技术手段，并为管理层的决策工作提供了指导依据。

北斗卫星系统 露天矿 边坡监测 实时监测 系统开发

随着露天矿的不断发展，矿山形成了大量的边坡，整个岩体破碎，再加之露天采场会在日常的开采过程中进行爆破，边坡的稳定性会受到很大的影响。一旦边坡的稳定性遭到破坏，则会产生滑坡等事故，会给矿山企业以及生产人员带来巨大的经济损失和人员伤亡。由于边坡的失稳破坏，一般会有一个缓慢的变化过程[1]，所以可以通过对边坡进行监测，掌握边坡整体所处的状态，利用获得的数据对边坡事故做出预测预警，尽可能地降低边坡的潜在危险。传统的边坡监测主要是靠人工或者半人工的方法，通过在现场布置一定的传感器或仪表，然后人工处理数据，对监测结果进行分析[2]。整个监测过程需要耗费大量的人力，并且难以做到数据的实时处理，监测结果往往存在较大的延迟。

1 系统设计

基于北斗卫星系统的露天矿边坡位移监测系统是将北斗卫星系统与露天矿边坡位移监测结合起来的一个有效应用。随着露天矿的不断开采，采掘深度增加，矿山边坡受到排土压力和自身重力作用的影响，会逐渐变形甚至形成滑坡，所以边坡的稳定性成为了安全生产的重要问题。而边坡在失稳前，一般会有一个缓慢的变化过程[1]。因此，本系统的主要需求是实时监测边坡位移，掌握边坡的最新动态，对边坡滑坡等危害事故发生的预测提供数据依据，以期进行及时的预警提示，帮助工作人员进行计划决策，保证企业的安全生产，避免人员的伤亡和经济的损失。

1.1 系统的主要功能目标

本系统的目标是设计与实现一个能够对露天矿边坡位移进行实时监测，并能对设置在边坡上的监测点的位移变化情况进行预测预警的综合管理系统。系统的主要功能目标主要有：

(1)实时高效地对露天矿边坡位移进行全方位监测。在通信系统的选择上，要考虑通讯系统的构建难易度以及系统的信号覆盖范围。最后，还应有对应的数据处理系统，要能够实时地接收与处理监测数据并对其进行存储。

(2)对监测数据进行综合管理。监测到的位移变化数据如果不能合理地分析利用，那整个监测也是无用的。数据分析利用的前提，是要保证整个系统的监测数据能安全可靠地进行存储，因此要选用可靠的数据存储方式。同时要对整个综合管理系统进行功能结构的详细分析，尽可能地保证整个系统有一个合理可行的功能管理方案。

(3)为决策人员提供决策的数据依据。对于负责边坡位移监测的管理人员来说，只有通过对采集到的信息进行完善的统计，才可以辅助他们做出正确的决策。对获取到的监测信息进行综合统计，给出边坡各监测点的位移变化曲线以及预测出的变形曲线，便于监测人员观察总结出边坡整体所处的状态，做出正确的决策。

1.2 系统整体架构图

整套系统的架构是以分层形式构建的，即数据采集、数据传输、数据解析处理和数据综合管理4个子系统[3]。数据采集子系统的核心是北斗终端，负责数据的自动采集；数据传输子系统以北斗的短报文通信功能为依据，负责数据从监测现场到管理中心的有效传输；数据解析处理子系统负责接收北斗传输过来的数据，并对数据按通信协议进行解析入库；数据综合管理子系统负责对存储在数据库中的数据进行综合分析处理，包括监测点位置的实时显示、位移变化量的实时预警以及位移变化数据的统计分析及未来数据的预测。整个系统的架构如图1所示。

2 系统开发与实现

2.1 系统技术架构

本系统的数据解析处理子系统采用简单的桌面应用程序开发，数据综合管理子系统采用B/S开发模式，这样有利于系统用户能够随时随地在不用安装客户端的情况下访问系统，查看边坡所处的状态，同时有利于系统日后的升级维护。

数据综合管理子系统整体上采用目前应用比较成熟的J2EE技术架构，这种成熟的体系结构有利于保证系统的安全性、稳定性和可扩展性。开发框架使用Struts+Spring+Hibernate，同时，系统后端使用Java开发语言，以MyEclipse作为其开发工具，数据库使用SQL Server2008。在系统整体开发架构的选择上，采用了经典的3层架构，即数据展现层、业务逻辑层和数据访问层。这种分层体系并不是物理上的分层结构，而是一种逻辑上的分层，可以实现“高内聚、低耦合”。整个系统的技术架构如图2所示。

图1 系统整体架构

图2 系统技术架构

2.2 数据采集功能实现

数据采集子系统主要是根据监测方式设计相应的监测网，并选择合适的监测设备。本系统借助北斗系统作为数据采集的方式，与之相对应的变形监测网的设计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。变形监测网的设计[4]如图3所示。

图3 变形监测网

监测设备由支持北斗系统的接收机、供电设备等组成。接收机完成对监测点坐标信息的获取，同时接收机会在内置通讯模块的支持下，实现对坐标等信息的编码、存储并借助北斗卫星系统进行发送。

本研究选取的是高精度差分测量型接收机[5]，其主要参数如下。

(1)支持多系统：兼容GPS、GLONASS、Galileo、BDS 4个系统，120个动态通道；

(2)基于载波相位差分技术：可提供1 cm+1×10-6的定位精度；

(3)首次定位时间：冷启动小于50 s，热启动小于35 s ；

(4)操作温度：工作温度-40～+75 ℃，存储温度-55～+90 ℃；

同时，选取的数据传输方式为北斗的短报文通讯方式，因此，终端支持北斗通讯方式，可以通过安装北斗SIM卡完成数据通讯。

2.3 数据传输功能实现

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]。

2.4 数据解析功能实现

数据解析处理子系统是接收北斗终端采集到的数据，然后根据北斗通信协议，对接收到的数据按照通信协议的格式进行解析，并对数据做入库操作，为数据综合管理子系统做数据分析利用提供数据。这一功能的实现，主要使用的是Java中的socket技术和多线程技术，将接收北斗终端的数据单独作为一个独立的线程来运行，在数据接收上，用ServerSocket实例化所要监听的端口，并且在北斗终端设备上对端口和服务器IP做相应的设置。数据解析处理子系统工作流程图如图4所示。

图4 数据解析处理子系统工作流程

2.5 数据综合管理功能实现

数据综合管理子系统主要是分析处理存储在数据库中的监测数据，主要功能包括监测点管理、北斗终端管理、监测点位置实时显示、数据统计分析和位移预测预警等，这里主要介绍以下几个功能的实现。

2.5.1 跨域访问功能实现

为了减轻服务器端的压力，数据综合管理子系统的开发采用前后端分离的技术，在应用的部署上，也将前后端部署在不同的服务器上，这样，在数据的访问上不可避免地会产生跨域访问问题。出于安全方面的考虑，浏览器是禁止跨域访问的，因此需要采用跨域访问的解决方案来解决资源的访问。现在使用最广泛的是JSONP和CORS(跨域资源共享)两种跨域访问解决方案，但因为JSONP是get方式，承载的信息量是有限的，再加上监测工作数据量较大，因此采用CORS(跨域资源共享)方案来解决跨域访问问题。

2.5.2 实时监测功能实现

实时监测是数据综合管理子系统的一个主要功能，它提供将设置的各个监测点的起始位置和目前的最新位置显示在地图中，让用户可以直观地看到各个监测点的变化。系统使用基于Ajax的长轮询方式实现监测点位置的实时刷新，浏览器端通过Ajax向服务器端发送请求，服务器端访问数据库，得到监测点的最新位置，并返回给浏览器端，浏览器端则通过Arcgis提供的Arcgis Api for JavaScript在地图中显示出监测点的最新位置，并且在用户单击或者鼠标移到监测点上时，会以tips层的形式显示监测点的位移变化信息。

2.5.3 数据统计分析功能实现

数据统计分析功能是将监测数据进行总体的统计分析，让用户可以看到各监测点在选择的监测期内的监测数据以及整体位移变化趋势。数据统计分析分为3个子功能，即监测数据查询、位移统计分析和位移预测预警。采用灰色系统预测模型对位移数据进行预测，将GM(1,1)、新陈代谢GM(1,1)、Verhulst 3种不同情况下的模型相结合，分开对选定条件下的监测数据进行预测，再对3种模型的预测结果精度等级以及平均误差率进行对比，选择精度等级最高且误差最小的模型预测数据作为最终的位移预测值。同时还提供了监测点实时位移的预警，每次页面发送Ajax请求后，后端返回监测点的最新坐标及位移变化信息，请求成功后，页面通过调用回调函数处理返回的数据。数据的处理，其中之一即是判断监测点的实时位移是否达到系统设定的预警阈值，若达到，则进行预警提示监测人员。系统预测界面如图5所示。

图5 位移预测界面

3 结 论

介绍了基于北斗卫星系统的定位和短报文通讯功能设计与实现的一个针对露天矿边坡的实时位移监测系统，实现了对露天矿边坡位移的动态监控以及预警预测，很好地解决了传统监测方式工作量大、效率低，以及露天矿矿区数据传输困难的问题。实验证明，该系统运行连续、稳定，是实现露天矿边坡监测的全自动、高精度、实时监测的有效手段。也对北斗卫星系统在矿山边坡监测中的应用进行了初步研究，为该领域的发展做出了一定的贡献。

[1] 李永兵，李兵磊，李永辉．边坡实时监测系统中预测模型的建立及预警分级研究[J]．矿业研究与开发，2014(2)：68-72． Li Yongbing,Li Binglei,Li Yonghui.Study on the prediction model and warning classification of real-time slope monitoring system [J].Mining Research and Development,2014(2):68-72．

[2] 朱祖盛，刘文峰，李 乐．福银高速高边坡实时安全监测系统[J]．科学技术与工程，2010(23)：5802-5806． Zhu Zusheng,Liu Wenfeng,Li Le.Fu-Yin highway slope safety monitoring system[J].Science Technology and Engineering,2010(23):5802-5806．

[3] 周丽静，卢才武，顾清华，等．基于北斗系统的露天矿边坡位移监测系统研究[J]．自动化与仪表，2015(4)：35-38． Zhou Lijing,Lu Caiwu,Gu Qinghua.Research on monitoring system of open-pit slope displacement based on Beidou[J].Automation & Instrumentation,2015(4):35-38．

[4] 贾晓娟，钱兆明．GPS技术在安太堡露天矿边坡变形监测中的应用[J]．煤炭科学技术，2008(6)：90-94． Jia Xiaojuan,Qian Zhaoming.Application of GPS technology to monitor side-slope deformation in reserved area of Antaibao Surface Mine[J].Coal Science and Technology，2008(6):90-94．

[5] 何小钰，闫 昕，郭毅霖，等．基于北斗卫星的公路边坡实时监测系统设计与实现[J].公路交通科技：应用技术版，2013(6)：53-55． He Xiaoyu,Yan Xin,Guo Yilin.Beidou satellite-based real-time monitoring system of highway slope design and implementation [J].Journal of Highway and Transportation Research and Development,2013(6):53-55．

[6] 赵建三，颜 奇，徐卓揆，等．B/S模式的边坡监测数据分析及安全预警系统设计与实现[J].测绘科学，2010(6)：186-188． Zhao Jiansan,Yan Qi,Xu Zhuokui,et al.Design and implementation of slope monitoring data analysis and security warning system based on B/S model[J].Science of Surveying and Mapping,2010(6)：186-188．

[7] 陈路良，古玉葵，何梅方，等．小龙潭矿区露天矿边坡地质灾害预警监测系统[J]．露天采矿技术，2013(6)：79-80． Chen Luliang,Gu Yukui,He Meifang.Xiaolongtan mine open-pit slope geological disaster warning and monitoring system [J].Opencast Mining Technology,2013(6):79-80．

(责任编辑 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

陕西省重点学科建设专项资金项目(编号：E08001)，国家自然科学基金项目(编号：51404182)，西安建筑科技大学青年科技基金项目(编号：QN1222)。

代 朵(1993—)，女，硕士研究生。通讯作者 卢才武(1965—)，男，教授，博士研究生导师。

TD76

A

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