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，會有一個緩慢的位移變化過程發(fā)生[1]。因此，通過對邊坡位移的監(jiān)測，可以掌握邊坡整體所處的狀態(tài)，實現(xiàn)對邊坡發(fā)生災(zāi)難性跨塌的預(yù)測。

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)測系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對邊坡的實時高自動化監(jiān)測。借助北斗系統(tǒng)的定位功能，獲得邊坡監(jiān)測點的三維坐標(biāo)等信息，并利用北斗系統(tǒng)的通信功能，將監(jiān)測點的信息傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心進行分析處理，讓監(jiān)測人員在第一時間了解、掌握邊坡的變形動態(tài)以及發(fā)展趨勢。

1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)簡介

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)是我國自主研發(fā)的擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的導(dǎo)航定位系統(tǒng)，也是目前世界上繼美國的GPS和俄羅斯的GLONASS之后的第三個已投入運行的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。它同時具備定位導(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，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，在觀測中，人們可得到衛(wèi)星到接收機的距離，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個方程式，解出觀測點的位置（X，Y，Z）。考慮到衛(wèi)星的時鐘與接收機時鐘之間的誤差，實際上有4個未知數(shù)，X、Y、Z和鐘差，因而需要引入第4顆衛(wèi)星，形成4個方程式進行求解，從而得到觀測點的經(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文信息最大容量為44個漢字或157個16進制數(shù)。可實現(xiàn)“用戶與用戶”和“用戶與中心控制系統(tǒng)”間的雙向簡短數(shù)字報文通信（以下簡稱“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)星地面運營服務(wù)平臺”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)星地面運營服務(wù)平臺”或“北斗衛(wèi)星通信中心站”獲取遠端站發(fā)送的短信信息[6-8]。

2 監(jiān)測系統(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)議進行解析入庫后，數(shù)據(jù)綜合管理子系統(tǒng)利用存儲在數(shù)據(jù)庫中的監(jiān)測信息實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時顯示、歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析等功能，整個系統(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)測點，通過獲取這些監(jiān)測點的三維坐標(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)測點的選取包括基準(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)。

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

·支持多系統(tǒng)， 兼容 GPS、GLONASS、Galileo、BDS 4個系統(tǒng)，120個動態(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。

·首次定位時間：冷啟動<50 s，熱啟動<35 s。

·操作溫度：工作溫度－40℃～+75℃，存儲溫度-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)對數(shù)據(jù)進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）數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)

為方便系統(tǒng)以后的更新維護，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，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)，并對數(shù)據(jù)按照北斗的通信協(xié)議進行解析處理，并將解析出的坐標(biāo)信息及終端信息存儲到數(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平臺下，以SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)存儲支撐，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)的功能是對數(shù)據(jù)進行綜合管理，包括監(jiān)測點管理、北斗終端管理、監(jiān)測點位置的實時顯示以及歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析等功能。系統(tǒng)由一個應(yīng)用服務(wù)器以及若干個客戶端組成，應(yīng)用服務(wù)器根據(jù)客戶端的請求，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數(shù)據(jù)進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)出各種請求，獲取各監(jiān)測點的實時信息、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實現(xiàn)對監(jiān)測點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)測點位置的實時顯示，是指將北斗終端獲取的存儲在數(shù)據(jù)庫中的最新定位信息，顯示在邊坡的電子地圖中，讓用戶可以隨時觀看到目前邊坡監(jiān)測點所處的位置。該功能的實現(xiàn)，本研究采用的是A-jax異步刷新技術(shù)和WebGIS技術(shù)。監(jiān)測點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)會使用Ajax技術(shù)按照北斗終端的定位頻度，設(shè)定同樣的時間間隔異步刷新地圖中監(jiān)測點的最新位置，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)測點的最新位置。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析功能中的監(jiān)測歷史數(shù)據(jù)圖表化顯示，是使用JAVA平臺上的開放圖表繪制類庫JFreeChart實現(xiàn)的。在選擇起止監(jiān)測日期以及選定監(jiān)測點后，系統(tǒng)會調(diào)用存儲在數(shù)據(jù)庫中的監(jiān)測數(shù)據(jù)，生成對應(yīng)的曲線圖，使用戶能更直觀地觀察邊坡整體的變形趨勢。如圖5所示是使用JFreeChart生成的監(jiān)測點的x方向的變化曲線圖。

圖5 監(jiān)測點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)測系統(tǒng)，利用北斗系統(tǒng)的定位及短報文通訊功能，實現(xiàn)了對露天礦邊坡位移變化狀態(tài)的實時監(jiān)測，同時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)無法覆蓋或信號不穩(wěn)定的區(qū)域的數(shù)據(jù)傳輸問題。實驗證明，基于北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的露天礦邊坡位移監(jiān)測系統(tǒng)，是實現(xiàn)邊坡監(jiān)測的全自動、高精度、實時監(jiān)測的有效手段。隨著我國北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展，基于北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的監(jiān)測將會提供更為精確的監(jiān)測信息。

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