安 慶 王天慧

(武漢光谷北斗控股集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430206)

礦區(qū)地表沉降監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

安 慶 王天慧

(武漢光谷北斗控股集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430206)

以湖北三鑫金銅股份有限公司礦區(qū)沉降預(yù)警監(jiān)測(cè)為應(yīng)用示范，基于衛(wèi)星導(dǎo)航和地理信息融合技術(shù)，在該區(qū)域內(nèi)合理布設(shè)監(jiān)測(cè)站網(wǎng)和建設(shè)數(shù)據(jù)中心。通過(guò)研發(fā)解算和沉降監(jiān)測(cè)應(yīng)用軟件，在數(shù)據(jù)中心可以對(duì)基準(zhǔn)站和監(jiān)測(cè)站的衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，據(jù)此能夠精確地得到監(jiān)測(cè)點(diǎn)的空間絕對(duì)三維坐標(biāo)。結(jié)果表明，該系統(tǒng)對(duì)沉降點(diǎn)的定位精度可達(dá)實(shí)時(shí)厘米級(jí)，事后毫米級(jí)，并能進(jìn)行趨勢(shì)分析、閾值預(yù)警等。該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)為礦區(qū)管理者及時(shí)采取應(yīng)急安全措施提供了決策支持。

沉降監(jiān)測(cè) 監(jiān)測(cè)站 數(shù)據(jù)通信 數(shù)據(jù)中心

1 引言

礦山生產(chǎn)行業(yè)是工業(yè)生產(chǎn)的高危行業(yè)，其事故發(fā)生起數(shù)和死亡人數(shù)在全國(guó)工業(yè)安全生產(chǎn)領(lǐng)域占較大的比重[1]。隨著礦山開(kāi)采時(shí)間的逐漸增長(zhǎng)，地下采空區(qū)規(guī)模的逐步增大，導(dǎo)致采空區(qū)及鄰近區(qū)域的支撐情況逐步惡化，嚴(yán)重威脅著礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境、深部礦體采礦生產(chǎn)以及地表居民的生命財(cái)產(chǎn)安全[2]。

湖北三鑫金銅股份有限公司隸屬中國(guó)黃金集團(tuán)公司，是以采選金銅礦為主的礦山企業(yè)。其主要開(kāi)采對(duì)象為-470m～-1080m標(biāo)高之間的礦體，隨著礦山深部開(kāi)采，形成大量采空區(qū)。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)考察，三鑫公司礦區(qū)內(nèi)部的化驗(yàn)樓已經(jīng)出現(xiàn)整體沉降，且出現(xiàn)滑坡坍塌點(diǎn)，正呈現(xiàn)大面積地面沉降的征兆。該公司領(lǐng)導(dǎo)高度重視礦區(qū)存在的安全隱患，委托光谷北斗公司利用先進(jìn)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)編制礦區(qū)沉降監(jiān)測(cè)預(yù)警方案

北斗技術(shù)作為現(xiàn)代大地測(cè)量的一種技術(shù)手段，可以實(shí)現(xiàn)三維大地測(cè)量，進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)及實(shí)現(xiàn)測(cè)量過(guò)程的自動(dòng)化，具有高精度、高可靠、全天候、全自動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)[3]?；诖?，光谷北斗將北斗技術(shù)與地理信息系統(tǒng)技術(shù)集成，研發(fā)了礦區(qū)地表沉降監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，并在礦區(qū)進(jìn)行了軟硬件的集成和實(shí)現(xiàn)，達(dá)到了礦區(qū)地表沉降安全監(jiān)測(cè)的目的。開(kāi)展此項(xiàng)工作，不僅對(duì)保障礦區(qū)國(guó)家和人民生命財(cái)產(chǎn)的安全有著重要的作用，而且對(duì)發(fā)展北斗產(chǎn)業(yè)有著現(xiàn)實(shí)意義[4]。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

三鑫公司位于湖北省黃石地區(qū)，為其研發(fā)的基于北斗高精度的地表沉降監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)是一套能夠?qū)崿F(xiàn)礦山安全監(jiān)測(cè)智能化、自動(dòng)化，并具有智能報(bào)警功能的系統(tǒng)。它借助接收先期已在黃石地區(qū)建成的北斗基準(zhǔn)站網(wǎng)發(fā)送的差分?jǐn)?shù)據(jù)，以及各監(jiān)測(cè)站發(fā)來(lái)的衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行精密解算，從而達(dá)到對(duì)監(jiān)測(cè)站高精度三維定位的目的。

該系統(tǒng)分為傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與控制子系統(tǒng)和輔助支持系統(tǒng)四個(gè)部分，其總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

3 系統(tǒng)建設(shè)方案

3.1 地面沉降監(jiān)測(cè)站建設(shè)

北斗地面沉降監(jiān)測(cè)站間無(wú)須通視，但與天空要保持良好的通視條件[5]。其基本布設(shè)原則為監(jiān)測(cè)站盡量布設(shè)在礦區(qū)附近穩(wěn)定的基巖上，周圍應(yīng)視野開(kāi)闊、視場(chǎng)內(nèi)高度角不宜大于10度，困難地區(qū)視場(chǎng)高度角大于10度的障礙物遮擋角累計(jì)不應(yīng)超過(guò)30度[6-7]；其與附近的微波站、通信基站等大功率無(wú)線電發(fā)射源的距離應(yīng)大于200米，與高壓輸電線、微波通道的距離應(yīng)大于100米[8]。另外，監(jiān)測(cè)站附近不應(yīng)有大型建筑物、玻璃幕墻及大面積水域等強(qiáng)烈干擾接收機(jī)接收衛(wèi)星信號(hào)的物體[9]。

三鑫公司礦區(qū)進(jìn)行實(shí)地踏勘后，按照上述原則，結(jié)合礦區(qū)內(nèi)部已經(jīng)出現(xiàn)整體沉降的“化驗(yàn)樓”和主井附近“滑坡坍塌點(diǎn)”，，充分考慮“干堆尾礦庫(kù)”的范圍和在建邊坡的實(shí)際需要，共勘定了10個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。其監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布示意圖如圖2所示。

3.2 供電系統(tǒng)建設(shè)

結(jié)合礦區(qū)的實(shí)際情況，以及保障項(xiàng)目供電的可靠性，監(jiān)測(cè)站在能夠牽引市電的地方采用市電供電，在不方便牽引市電的地方采用太陽(yáng)能供電的方式。我們采用75W×2太陽(yáng)能電池板和100Ah蓄電池作為供電設(shè)備，這樣搭配的好處是安全、容易避雷、省工。經(jīng)測(cè)試，在沒(méi)有太陽(yáng)的情況下，蓄電池可以連續(xù)供電工作7天。

3.3 雷電防護(hù)

對(duì)連續(xù)運(yùn)行的監(jiān)測(cè)站一定要考慮防雷電措施，雷電所產(chǎn)生的高電壓、電磁脈沖對(duì)沒(méi)有相應(yīng)保護(hù)措施的同軸電纜、天線、數(shù)據(jù)通訊電纜、電源電纜等會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的毀壞作用，直接損壞所連接的電子設(shè)備[10]。

基于此，我們?cè)诰嗝總€(gè)監(jiān)測(cè)站觀測(cè)墩3米左右地方，安裝了一個(gè)普通的避雷針，選用Ф16不銹鋼制作。其支撐桿由兩節(jié)組成，分別由2寸、1.2寸各三米熱鍍鋅管制作。地網(wǎng)選用4根50×50×5mm熱鍍鋅角鋼為垂直地極L=2.5米，以40×4mm熱鍍鋅扁鋼互連，地極埋地深度>0.7米。避雷針基座為500×500×60mm鋼筋混凝土，由地網(wǎng)引兩根40×4mm熱鍍鋅扁鋼與基座連接，接地電阻小于2Ω。

3.4 數(shù)據(jù)通訊方案

由于本項(xiàng)目實(shí)施的是礦區(qū)的沉降監(jiān)測(cè)，需要實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)站與控制中心間的數(shù)據(jù)雙向通訊傳輸，監(jiān)測(cè)站的遠(yuǎn)程控制和管理等功能?？紤]到現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境較為復(fù)雜，布設(shè)光纜的難度較大，另外，由于沉降數(shù)據(jù)是靜態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性要求不高，而對(duì)精度要求較高，從實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性出發(fā)，我們對(duì)各監(jiān)測(cè)站采用了GPRS的數(shù)據(jù)通訊傳輸方式。

3.5 數(shù)據(jù)中心

數(shù)據(jù)中心硬件設(shè)備主要組成為各類服務(wù)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。服務(wù)器包括應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、舊服務(wù)器及解算服務(wù)器等；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備包括在線存儲(chǔ)、利舊存儲(chǔ)、離線存儲(chǔ)等；網(wǎng)絡(luò)設(shè)備包括防火墻、核心交換機(jī)、負(fù)載均衡器等。其功能是接收從各監(jiān)測(cè)站和基準(zhǔn)站傳來(lái)的衛(wèi)星觀測(cè)原始數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)換、處理、存儲(chǔ)、發(fā)送和應(yīng)用展示等，實(shí)現(xiàn)各沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降量數(shù)字和圖形化展示、趨勢(shì)分析、安全評(píng)估，以及閾值預(yù)警等功能，其主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 主要技術(shù)指標(biāo)表

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 解算軟件

一般來(lái)說(shuō)，每個(gè)監(jiān)測(cè)站觀測(cè)得到的衛(wèi)星數(shù)據(jù)包括偽距、載波相位及星歷數(shù)據(jù)等[11]。數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS傳輸?shù)娇刂浦行? 中心的解算軟件根據(jù)每臺(tái)接收機(jī)對(duì)應(yīng)的IP地址和端口號(hào)，獲得每個(gè)監(jiān)測(cè)站的原始實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流，解算軟件對(duì)這些原始數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)差分解算，得到各個(gè)監(jiān)測(cè)站的坐標(biāo)，并存入數(shù)據(jù)庫(kù)或發(fā)送給客戶端。本系統(tǒng)所用解算軟件為光谷北斗采用VC++定制開(kāi)發(fā)的GGBDmonitor，該軟件主要特點(diǎn)：1)能進(jìn)行7×24小時(shí)不間斷實(shí)時(shí)差分處理；2)可根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，對(duì)不同的監(jiān)測(cè)站的實(shí)時(shí)差分結(jié)果進(jìn)行Kalman濾波，達(dá)到不同的動(dòng)態(tài)要求和精度要求；3)能根據(jù)多天運(yùn)行的結(jié)果，建立近期的大氣延遲(對(duì)流層、電離層)模型，提高定位精度和可靠性；4)根據(jù)接收機(jī)的原始數(shù)據(jù)輸出率，其數(shù)據(jù)更新率最高可達(dá)20Hz；5)根據(jù)多基站的觀測(cè)數(shù)據(jù)，可以建立電離層模型，提高長(zhǎng)距離監(jiān)測(cè)的精度；6)根據(jù)多基站的處理結(jié)果，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)網(wǎng)平差功能，提高點(diǎn)位精度和可靠性；此外，其采用了C/S架構(gòu)，用戶可以進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。

4.2 系統(tǒng)應(yīng)用軟件

地表沉降監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)基于ArcGIS Engine，采用了組件式二次開(kāi)發(fā)模式ArcGIS Engine是一套完備的嵌入式GIS 組件庫(kù)和工具庫(kù)，支持包括COM、.NET框架、Java和C++等多種開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，能夠運(yùn)行在Windows、Linux和Solaris等平臺(tái)上，可以方便地將GIS功能嵌入到目標(biāo)開(kāi)發(fā)軟件中[12]。該系統(tǒng)主要包括工程管理模塊、GIS模塊、圖形顯示模塊和數(shù)據(jù)分析模塊。

工程管理模塊可瀏覽礦區(qū)監(jiān)測(cè)站的實(shí)景圖片，并可對(duì)各監(jiān)測(cè)站沉降的信息進(jìn)行查詢，以圖表統(tǒng)計(jì)的方式顯示，同時(shí)支持?jǐn)?shù)據(jù)導(dǎo)出到Excel，生成監(jiān)控點(diǎn)沉降表。

GIS模塊以三鑫公司礦區(qū)影像為底圖，疊加監(jiān)控中心、監(jiān)控點(diǎn)、監(jiān)控區(qū)域等空間數(shù)據(jù)，通過(guò)切片處理后，發(fā)布為地圖服務(wù)，供客戶端訪問(wèn)。同時(shí)，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)可在服務(wù)器端統(tǒng)計(jì)、分析，并將結(jié)果通過(guò)WebService返回到客戶端顯示。其主要功能包括監(jiān)測(cè)區(qū)域、基站點(diǎn)、沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置圖瀏覽、屬性信息展示、坐標(biāo)定位，以及監(jiān)測(cè)區(qū)域地圖量測(cè)、標(biāo)繪和圖層管理等。

圖形顯示模塊可根據(jù)沉降量繪制監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降過(guò)程曲線，根據(jù)沉降速度繪制監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降速度曲線，并可由監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面坐標(biāo)(x,y)和沉降量s構(gòu)成監(jiān)測(cè)點(diǎn)三維坐標(biāo)(x,y,s),以區(qū)域?yàn)閱挝唤⑷S立體模型，繪制沉降量曲線圖。

數(shù)據(jù)分析模塊包括回歸分析、對(duì)比分析、綜合分析。系統(tǒng)選擇對(duì)數(shù)函數(shù)、雙曲線函數(shù)等15種函數(shù)作為沉降過(guò)程回歸分析的基本數(shù)學(xué)模型，用戶可以單獨(dú)使用，也可以組合疊加使用，并根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行穩(wěn)定性預(yù)測(cè)。還可綜合分析按實(shí)時(shí)采集與按時(shí)間段靜態(tài)解算的高程信息，結(jié)合常規(guī)沉降觀測(cè)信息，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理和分析，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)沉降報(bào)告、多級(jí)報(bào)警、沉降趨勢(shì)分析等功能。

5 結(jié)語(yǔ)

光谷北斗研發(fā)的地表沉降監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)是一個(gè)集衛(wèi)星導(dǎo)航、地理信息、無(wú)線傳輸、網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等高新技術(shù)于一體的綜合系統(tǒng)。它通過(guò)對(duì)基準(zhǔn)站、監(jiān)測(cè)站的原始衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)處理和分析，為管理者提供了監(jiān)測(cè)區(qū)域各監(jiān)測(cè)點(diǎn)和監(jiān)測(cè)面沉降數(shù)據(jù)描述的各種報(bào)表、圖形，并能夠進(jìn)行趨勢(shì)預(yù)測(cè)和預(yù)警，具有高精度、高可靠、全天候、全自動(dòng)等優(yōu)勢(shì)，事后精度達(dá)到了毫米級(jí)。該系統(tǒng)不僅能運(yùn)用于礦區(qū)地表沉降監(jiān)測(cè)，還可用于尾礦庫(kù)、大壩、高層建筑等的形變和沉降監(jiān)測(cè)，具有較大的推廣價(jià)值。

[1] 韓賢權(quán),梁俊,曹景生,等.基于 GIS的沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析方法研究[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào),2011,28(10):75-78.

[2] 李樹(shù)偉.高速鐵路沉降監(jiān)測(cè)方法的應(yīng)用探討[J].鐵道勘察,2011,37(6):16-18.

[3] 孫廣通,劉小陽(yáng),張永紅,等.小基線DInSAR技術(shù)在城市地面沉降監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究[J].測(cè)繪通報(bào), 2013(10):91-94,108.

[4] 熊靖飛,王列平,苗小芒,等.礦井井架基礎(chǔ)沉降監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)的穩(wěn)定性分析[J].北京測(cè)繪,2013(6):16-18.

[5] 武東輝,田林亞,張金華.小波時(shí)間序列在地鐵沉降監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].測(cè)繪科學(xué),2013(2):150-151,149.

[6] 高永芹.礦區(qū)開(kāi)采沉降監(jiān)測(cè)中GPS的應(yīng)用研究[J].煤炭技術(shù),2013,32(4):124-126.

[7] 安慶，李巖，張婷婷. 橋梁安全監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].城市勘測(cè), 2016(1):11-15.

[8] 賈洪果,劉國(guó)祥,于冰.基于超短基線PSInSAR的道路網(wǎng)沉降監(jiān)測(cè)[J].測(cè)繪通報(bào),2012(5):24-28.

[9] 朱睿,張俊中,龍洋,等.時(shí)間序列模型在建筑物沉降監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].東北測(cè)繪,2012(2):213-216,220.

[10] 趙言,花向紅,李萌.逐步回歸模型在地表沉降監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究[J].測(cè)繪信息與工程,2012,37(1):6-8,35.

[11] 張帝,高雅萍,許雙安.GPS技術(shù)在礦區(qū)沉降監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].測(cè)繪信息與工程,2012,37(2):22-24,28.

[12] 吳煥瑯.基于高精度北斗定位的地質(zhì)沉降監(jiān)測(cè)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2013(12):78-81.

Design and Realization of Land Subsidence Monitoring and Early Warning System in Mining Area

AN Qing,WANG Tian-hui

(WuhanOptics Valley BeiDou Holdings Group Co.,LTD, Wuhan Hubei 430206,China)

The paper took Hubei Sanxin Gold Copper Co., Ltd. as the application model for the mining area subsidence monitoring and early warning. Based on satellite navigation and geographic information fusion technology, the monitoring station network and data centers in the region were set up reasonally. Through research and development of calculation and subsidence monitoring application software,the satellite data which came from reference stations and monitoring stations could be processed and analysed in the data center. The absolute space three-dimensional coordinates of monitoring points could be obtained accurately. The results show that the real time positioning accuracy of the system for the subsidence points can reach centimeter level, and the afterwards positioning accuracy can reach millimeter level, and the system can carry on the trend analysis, threshold warning and so on. The realization of the system can provide decision support for managers in mining area who can take emergency measures in time.

subsidence monitoring;monitoring station;data communication; data center

2016-05-05

P208

B

1007-3000(2016)06-4