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(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)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(kāi)采，邊坡的穩(wěn)定性是露天礦開(kāi)采中備受關(guān)注的重要安全問(wèn)題之一，而傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)工程項(xiàng)目較多、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)量龐大且分析處理困難。為此，設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)了基于北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的露天礦邊坡位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)邊坡位移進(jìn)行實(shí)時(shí)、高自動(dòng)化的監(jiān)測(cè)，并對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)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(jì)、技術(shù)架構(gòu)以及各子系統(tǒng)功能模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過(guò)程。該系統(tǒng)的實(shí)施，為邊坡監(jiān)測(cè)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(cè) 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè) 系統(tǒng)開(kāi)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(gè)巖體破碎，再加之露天采場(chǎng)會(huì)在日常的開(kāi)采過(guò)程中進(jìn)行爆破，邊坡的穩(wěn)定性會(huì)受到很大的影響。一旦邊坡的穩(wěn)定性遭到破壞，則會(huì)產(chǎn)生滑坡等事故，會(huì)給礦山企業(yè)以及生產(chǎn)人員帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。由于邊坡的失穩(wěn)破壞，一般會(huì)有一個(gè)緩慢的變化過(guò)程[1]，所以可以通過(guò)對(duì)邊坡進(jìn)行監(jiān)測(cè)，掌握邊坡整體所處的狀態(tài)，利用獲得的數(shù)據(jù)對(duì)邊坡事故做出預(yù)測(cè)預(yù)警，盡可能地降低邊坡的潛在危險(xiǎn)。傳統(tǒng)的邊坡監(jiān)測(cè)主要是靠人工或者半人工的方法，通過(guò)在現(xiàn)場(chǎng)布置一定的傳感器或儀表，然后人工處理數(shù)據(jù)，對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析[2]。整個(gè)監(jiān)測(cè)過(guò)程需要耗費(fèi)大量的人力，并且難以做到數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理，監(jiān)測(cè)結(jié)果往往存在較大的延遲。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的露天礦邊坡位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是將北斗衛(wèi)星系統(tǒng)與露天礦邊坡位移監(jiān)測(cè)結(jié)合起來(lái)的一個(gè)有效應(yīng)用。隨著露天礦的不斷開(kāi)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(huì)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(wèn)題。而邊坡在失穩(wěn)前，一般會(huì)有一個(gè)緩慢的變化過(guò)程[1]。因此，本系統(tǒng)的主要需求是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)邊坡位移，掌握邊坡的最新動(dòng)態(tài)，對(duì)邊坡滑坡等危害事故發(fā)生的預(yù)測(cè)提供數(shù)據(jù)依據(jù)，以期進(jìn)行及時(shí)的預(yù)警提示，幫助工作人員進(jìn)行計(jì)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(jì)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(jì)與實(shí)現(xiàn)一個(gè)能夠?qū)β短斓V邊坡位移進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并能對(duì)設(shè)置在邊坡上的監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移變化情況進(jìn)行預(yù)測(cè)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(shí)時(shí)高效地對(duì)露天礦邊坡位移進(jìn)行全方位監(jiān)測(cè)。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(hào)覆蓋范圍。最后，還應(yīng)有對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，要能夠?qū)崟r(shí)地接收與處理監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行存儲(chǔ)。

(2)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合管理。監(jiān)測(cè)到的位移變化數(shù)據(jù)如果不能合理地分析利用，那整個(gè)監(jiān)測(cè)也是無(wú)用的。數(shù)據(jù)分析利用的前提，是要保證整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能安全可靠地進(jìn)行存儲(chǔ)，因此要選用可靠的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式。同時(shí)要對(duì)整個(gè)綜合管理系統(tǒng)進(jìn)行功能結(jié)構(gòu)的詳細(xì)分析，盡可能地保證整個(gè)系統(tǒng)有一個(gè)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(duì)于負(fù)責(zé)邊坡位移監(jiān)測(cè)的管理人員來(lái)說(shuō)，只有通過(guò)對(duì)采集到的信息進(jìn)行完善的統(tǒng)計(jì)，才可以輔助他們做出正確的決策。對(duì)獲取到的監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行綜合統(tǒng)計(jì)，給出邊坡各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移變化曲線以及預(yù)測(cè)出的變形曲線，便于監(jiān)測(cè)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(gè)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(dòng)采集；數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)以北斗的短報(bào)文通信功能為依據(jù)，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)從監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)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(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)按通信協(xié)議進(jìn)行解析入庫(kù)；數(shù)據(jù)綜合管理子系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析處理，包括監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置的實(shí)時(shí)顯示、位移變化量的實(shí)時(shí)預(yù)警以及位移變化數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析及未來(lái)數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)。整個(gè)系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與實(shí)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(jiǎn)單的桌面應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)，數(shù)據(jù)綜合管理子系統(tǒng)采用B/S開(kāi)發(fā)模式，這樣有利于系統(tǒng)用戶(hù)能夠隨時(shí)隨地在不用安裝客戶(hù)端的情況下訪問(wèn)系統(tǒng)，查看邊坡所處的狀態(tài)，同時(shí)有利于系統(tǒng)日后的升級(jí)維護(hù)。

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(kuò)展性。開(kāi)發(fā)框架使用Struts+Spring+Hibernate，同時(shí)，系統(tǒng)后端使用Java開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，以MyEclipse作為其開(kāi)發(fā)工具，數(shù)據(jù)庫(kù)使用SQL Server2008。在系統(tǒng)整體開(kāi)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(wèn)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(shí)現(xiàn)“高內(nèi)聚、低耦合”。整個(gè)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(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)主要是根據(jù)監(jiān)測(cè)方式設(shè)計(jì)相應(yīng)的監(jiān)測(cè)網(wǎng)，并選擇合適的監(jiān)測(cè)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(duì)應(yīng)的變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)的設(shè)計(jì)包括基準(zhǔn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)和變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)的選取?；鶞?zhǔn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)該選擇遠(yuǎn)離邊坡，地勢(shì)較穩(wěn)定的地方，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)用于修正變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，減小誤差。變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)則應(yīng)選擇邊坡容易發(fā)生滑坡的點(diǎn)，使其可以反映邊坡整體所處的狀態(tài)。變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)的設(shè)計(jì)[4]如圖3所示。

圖3 變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)

監(jiān)測(cè)設(shè)備由支持北斗系統(tǒng)的接收機(jī)、供電設(shè)備等組成。接收機(jī)完成對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)信息的獲取，同時(shí)接收機(jī)會(huì)在內(nèi)置通訊模塊的支持下，實(shí)現(xiàn)對(duì)坐標(biāo)等信息的編碼、存儲(chǔ)并借助北斗衛(wèi)星系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)送。

本研究選取的是高精度差分測(cè)量型接收機(jī)[5]，其主要參數(shù)如下。

(1)支持多系統(tǒng)：兼容GPS、GLONASS、Galileo、BDS 4個(gè)系統(tǒng)，120個(gè)動(dòng)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(shí)間：冷啟動(dòng)小于50 s，熱啟動(dòng)小于35 s ；

(4)操作溫度：工作溫度-40～+75 ℃，存儲(chǔ)溫度-55～+90 ℃；

同時(shí)，選取的數(shù)據(jù)傳輸方式為北斗的短報(bào)文通訊方式，因此，終端支持北斗通訊方式，可以通過(guò)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(shí)現(xiàn)

衛(wèi)星通訊方式相對(duì)于無(wú)線通信方式來(lái)說(shuō)，無(wú)通信盲區(qū)，尤其是受監(jiān)測(cè)區(qū)域的影響很小，在地面無(wú)線網(wǎng)絡(luò)無(wú)法覆蓋或者信號(hào)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(shì)，而且對(duì)于支持北斗系統(tǒng)的終端來(lái)說(shuō)，其本身除了定位功能外，也具有通信功能，所以無(wú)須再使用其他的輔助通信方式。在邊坡監(jiān)測(cè)中，所需要的主要是監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)和監(jiān)測(cè)終端的ID，而北斗的民用通信中每條短報(bào)文信息最大容量為44個(gè)漢字或157個(gè)16進(jìn)制數(shù)，這完全可以滿(mǎn)足邊坡監(jiān)測(cè)的通信要求[3]。

2.4 數(shù)據(jù)解析功能實(shí)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(duì)接收到的數(shù)據(jù)按照通信協(xié)議的格式進(jìn)行解析，并對(duì)數(shù)據(jù)做入庫(kù)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(shí)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(dú)作為一個(gè)獨(dú)立的線程來(lái)運(yùn)行，在數(shù)據(jù)接收上，用ServerSocket實(shí)例化所要監(jiān)聽(tīng)的端口，并且在北斗終端設(shè)備上對(duì)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(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)綜合管理子系統(tǒng)主要是分析處理存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，主要功能包括監(jiān)測(cè)點(diǎn)管理、北斗終端管理、監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置實(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和位移預(yù)測(cè)預(yù)警等，這里主要介紹以下幾個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)。

2.5.1 跨域訪問(wèn)功能實(shí)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(kāi)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(wèn)上不可避免地會(huì)產(chǎn)生跨域訪問(wèn)問(wèn)題。出于安全方面的考慮，瀏覽器是禁止跨域訪問(wèn)的，因此需要采用跨域訪問(wèn)的解決方案來(lái)解決資源的訪問(wèn)?，F(xiàn)在使用最廣泛的是JSONP和CORS(跨域資源共享)兩種跨域訪問(wèn)解決方案，但因?yàn)镴SONP是get方式，承載的信息量是有限的，再加上監(jiān)測(cè)工作數(shù)據(jù)量較大，因此采用CORS(跨域資源共享)方案來(lái)解決跨域訪問(wèn)問(wèn)題。

2.5.2 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能實(shí)現(xiàn)

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是數(shù)據(jù)綜合管理子系統(tǒng)的一個(gè)主要功能，它提供將設(shè)置的各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的起始位置和目前的最新位置顯示在地圖中，讓用戶(hù)可以直觀地看到各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變化。系統(tǒng)使用基于Ajax的長(zhǎng)輪詢(xún)方式實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置的實(shí)時(shí)刷新，瀏覽器端通過(guò)Ajax向服務(wù)器端發(fā)送請(qǐng)求，服務(wù)器端訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)，得到監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最新位置，并返回給瀏覽器端，瀏覽器端則通過(guò)Arcgis提供的Arcgis Api for JavaScript在地圖中顯示出監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最新位置，并且在用戶(hù)單擊或者鼠標(biāo)移到監(jiān)測(cè)點(diǎn)上時(shí)，會(huì)以tips層的形式顯示監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移變化信息。

2.5.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析功能實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析功能是將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行總體的統(tǒng)計(jì)分析，讓用戶(hù)可以看到各監(jiān)測(cè)點(diǎn)在選擇的監(jiān)測(cè)期內(nèi)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及整體位移變化趨勢(shì)。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析分為3個(gè)子功能，即監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)查詢(xún)、位移統(tǒng)計(jì)分析和位移預(yù)測(cè)預(yù)警。采用灰色系統(tǒng)預(yù)測(cè)模型對(duì)位移數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，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(kāi)對(duì)選定條件下的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，再對(duì)3種模型的預(yù)測(cè)結(jié)果精度等級(jí)以及平均誤差率進(jìn)行對(duì)比，選擇精度等級(jí)最高且誤差最小的模型預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)作為最終的位移預(yù)測(cè)值。同時(shí)還提供了監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)時(shí)位移的預(yù)警，每次頁(yè)面發(fā)送Ajax請(qǐng)求后，后端返回監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最新坐標(biāo)及位移變化信息，請(qǐng)求成功后，頁(yè)面通過(guò)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(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)位移是否達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定的預(yù)警閾值，若達(dá)到，則進(jìn)行預(yù)警提示監(jiān)測(cè)人員。系統(tǒng)預(yù)測(cè)界面如圖5所示。

圖5 位移預(yù)測(cè)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(bào)文通訊功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的一個(gè)針對(duì)露天礦邊坡的實(shí)時(shí)位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)露天礦邊坡位移的動(dòng)態(tài)監(jiān)控以及預(yù)警預(yù)測(cè)，很好地解決了傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)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(wèn)題。實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)運(yùn)行連續(xù)、穩(wěn)定，是實(shí)現(xiàn)露天礦邊坡監(jiān)測(cè)的全自動(dòng)、高精度、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的有效手段。也對(duì)北斗衛(wèi)星系統(tǒng)在礦山邊坡監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行了初步研究，為該領(lǐng)域的發(fā)展做出了一定的貢獻(xiàn)。

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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(diǎn)學(xué)科建設(shè)專(zhuān)項(xiàng)資金項(xiàng)目(編號(hào)：E08001)，國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：51404182)，西安建筑科技大學(xué)青年科技基金項(xiàng)目(編號(hào)：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

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