露天礦邊坡北斗衛星位移監測系統設計與實現

代 朵 盧才武 顧清華 周麗靜

(西安建筑科技大學管理學院，陜西 西安 710055)

露天礦邊坡北斗衛星位移監測系統設計與實現

代 朵 盧才武 顧清華 周麗靜

(西安建筑科技大學管理學院，陜西 西安 710055)

隨著露天礦的不斷開采，邊坡的穩定性是露天礦開采中備受關注的重要安全問題之一，而傳統的監測工程項目較多、監測數據量龐大且分析處理困難。為此，設計與開發了基于北斗衛星系統的露天礦邊坡位移監測系統，對邊坡位移進行實時、高自動化的監測，并對監測數據進行科學高效的處理與利用。著重介紹了系統的總體設計、技術架構以及各子系統功能模塊的設計與實現過程。該系統的實施，為邊坡監測提供了一種有效的技術手段，并為管理層的決策工作提供了指導依據。

北斗衛星系統 露天礦 邊坡監測 實時監測 系統開發

隨著露天礦的不斷發展，礦山形成了大量的邊坡，整個巖體破碎，再加之露天采場會在日常的開采過程中進行爆破，邊坡的穩定性會受到很大的影響。一旦邊坡的穩定性遭到破壞，則會產生滑坡等事故，會給礦山企業以及生產人員帶來巨大的經濟損失和人員傷亡。由于邊坡的失穩破壞，一般會有一個緩慢的變化過程[1]，所以可以通過對邊坡進行監測，掌握邊坡整體所處的狀態，利用獲得的數據對邊坡事故做出預測預警，盡可能地降低邊坡的潛在危險。傳統的邊坡監測主要是靠人工或者半人工的方法，通過在現場布置一定的傳感器或儀表，然后人工處理數據，對監測結果進行分析[2]。整個監測過程需要耗費大量的人力，并且難以做到數據的實時處理，監測結果往往存在較大的延遲。

1 系統設計

基于北斗衛星系統的露天礦邊坡位移監測系統是將北斗衛星系統與露天礦邊坡位移監測結合起來的一個有效應用。隨著露天礦的不斷開采，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，會逐漸變形甚至形成滑坡，所以邊坡的穩定性成為了安全生產的重要問題。而邊坡在失穩前，一般會有一個緩慢的變化過程[1]。因此，本系統的主要需求是實時監測邊坡位移，掌握邊坡的最新動態，對邊坡滑坡等危害事故發生的預測提供數據依據，以期進行及時的預警提示，幫助工作人員進行計劃決策，保證企業的安全生產，避免人員的傷亡和經濟的損失。

1.1 系統的主要功能目標

本系統的目標是設計與實現一個能夠對露天礦邊坡位移進行實時監測，并能對設置在邊坡上的監測點的位移變化情況進行預測預警的綜合管理系統。系統的主要功能目標主要有：

(1)實時高效地對露天礦邊坡位移進行全方位監測。在通信系統的選擇上，要考慮通訊系統的構建難易度以及系統的信號覆蓋范圍。最后，還應有對應的數據處理系統，要能夠實時地接收與處理監測數據并對其進行存儲。

(2)對監測數據進行綜合管理。監測到的位移變化數據如果不能合理地分析利用，那整個監測也是無用的。數據分析利用的前提，是要保證整個系統的監測數據能安全可靠地進行存儲，因此要選用可靠的數據存儲方式。同時要對整個綜合管理系統進行功能結構的詳細分析，盡可能地保證整個系統有一個合理可行的功能管理方案。

(3)為決策人員提供決策的數據依據。對于負責邊坡位移監測的管理人員來說，只有通過對采集到的信息進行完善的統計，才可以輔助他們做出正確的決策。對獲取到的監測信息進行綜合統計，給出邊坡各監測點的位移變化曲線以及預測出的變形曲線，便于監測人員觀察總結出邊坡整體所處的狀態，做出正確的決策。

1.2 系統整體架構圖

整套系統的架構是以分層形式構建的，即數據采集、數據傳輸、數據解析處理和數據綜合管理4個子系統[3]。數據采集子系統的核心是北斗終端，負責數據的自動采集；數據傳輸子系統以北斗的短報文通信功能為依據，負責數據從監測現場到管理中心的有效傳輸；數據解析處理子系統負責接收北斗傳輸過來的數據，并對數據按通信協議進行解析入庫；數據綜合管理子系統負責對存儲在數據庫中的數據進行綜合分析處理，包括監測點位置的實時顯示、位移變化量的實時預警以及位移變化數據的統計分析及未來數據的預測。整個系統的架構如圖1所示。

2 系統開發與實現

2.1 系統技術架構

本系統的數據解析處理子系統采用簡單的桌面應用程序開發，數據綜合管理子系統采用B/S開發模式，這樣有利于系統用戶能夠隨時隨地在不用安裝客戶端的情況下訪問系統，查看邊坡所處的狀態，同時有利于系統日后的升級維護。

數據綜合管理子系統整體上采用目前應用比較成熟的J2EE技術架構，這種成熟的體系結構有利于保證系統的安全性、穩定性和可擴展性。開發框架使用Struts+Spring+Hibernate，同時，系統后端使用Java開發語言，以MyEclipse作為其開發工具，數據庫使用SQL Server2008。在系統整體開發架構的選擇上，采用了經典的3層架構，即數據展現層、業務邏輯層和數據訪問層。這種分層體系并不是物理上的分層結構，而是一種邏輯上的分層，可以實現“高內聚、低耦合”。整個系統的技術架構如圖2所示。

圖1 系統整體架構

圖2 系統技術架構

2.2 數據采集功能實現

數據采集子系統主要是根據監測方式設計相應的監測網，并選擇合適的監測設備。本系統借助北斗系統作為數據采集的方式，與之相對應的變形監測網的設計包括基準監測點和變形監測點的選取。基準監測點應該選擇遠離邊坡，地勢較穩定的地方，監測數據用于修正變形監測點的監測數據，減小誤差。變形監測點則應選擇邊坡容易發生滑坡的點，使其可以反映邊坡整體所處的狀態。變形監測網的設計[4]如圖3所示。

圖3 變形監測網

監測設備由支持北斗系統的接收機、供電設備等組成。接收機完成對監測點坐標信息的獲取，同時接收機會在內置通訊模塊的支持下，實現對坐標等信息的編碼、存儲并借助北斗衛星系統進行發送。

本研究選取的是高精度差分測量型接收機[5]，其主要參數如下。

(1)支持多系統：兼容GPS、GLONASS、Galileo、BDS 4個系統，120個動態通道；

(2)基于載波相位差分技術：可提供1 cm+1×10-6的定位精度；

(3)首次定位時間：冷啟動小于50 s，熱啟動小于35 s ；

(4)操作溫度：工作溫度-40～+75 ℃，存儲溫度-55～+90 ℃；

同時，選取的數據傳輸方式為北斗的短報文通訊方式，因此，終端支持北斗通訊方式，可以通過安裝北斗SIM卡完成數據通訊。

2.3 數據傳輸功能實現

衛星通訊方式相對于無線通信方式來說，無通信盲區，尤其是受監測區域的影響很小，在地面無線網絡無法覆蓋或者信號不穩定的區域以及在發生邊坡災害的情況下的數據傳輸方面具有顯著的優勢，而且對于支持北斗系統的終端來說，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。在邊坡監測中，所需要的主要是監測點的三維坐標和監測終端的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，這完全可以滿足邊坡監測的通信要求[3]。

2.4 數據解析功能實現

數據解析處理子系統是接收北斗終端采集到的數據，然后根據北斗通信協議，對接收到的數據按照通信協議的格式進行解析，并對數據做入庫操作，為數據綜合管理子系統做數據分析利用提供數據。這一功能的實現，主要使用的是Java中的socket技術和多線程技術，將接收北斗終端的數據單獨作為一個獨立的線程來運行，在數據接收上，用ServerSocket實例化所要監聽的端口，并且在北斗終端設備上對端口和服務器IP做相應的設置。數據解析處理子系統工作流程圖如圖4所示。

圖4 數據解析處理子系統工作流程

2.5 數據綜合管理功能實現

數據綜合管理子系統主要是分析處理存儲在數據庫中的監測數據，主要功能包括監測點管理、北斗終端管理、監測點位置實時顯示、數據統計分析和位移預測預警等，這里主要介紹以下幾個功能的實現。

2.5.1 跨域訪問功能實現

為了減輕服務器端的壓力，數據綜合管理子系統的開發采用前后端分離的技術，在應用的部署上，也將前后端部署在不同的服務器上，這樣，在數據的訪問上不可避免地會產生跨域訪問問題。出于安全方面的考慮，瀏覽器是禁止跨域訪問的，因此需要采用跨域訪問的解決方案來解決資源的訪問。現在使用最廣泛的是JSONP和CORS(跨域資源共享)兩種跨域訪問解決方案，但因為JSONP是get方式，承載的信息量是有限的，再加上監測工作數據量較大，因此采用CORS(跨域資源共享)方案來解決跨域訪問問題。

2.5.2 實時監測功能實現

實時監測是數據綜合管理子系統的一個主要功能，它提供將設置的各個監測點的起始位置和目前的最新位置顯示在地圖中，讓用戶可以直觀地看到各個監測點的變化。系統使用基于Ajax的長輪詢方式實現監測點位置的實時刷新，瀏覽器端通過Ajax向服務器端發送請求，服務器端訪問數據庫，得到監測點的最新位置，并返回給瀏覽器端，瀏覽器端則通過Arcgis提供的Arcgis Api for JavaScript在地圖中顯示出監測點的最新位置，并且在用戶單擊或者鼠標移到監測點上時，會以tips層的形式顯示監測點的位移變化信息。

2.5.3 數據統計分析功能實現

數據統計分析功能是將監測數據進行總體的統計分析，讓用戶可以看到各監測點在選擇的監測期內的監測數據以及整體位移變化趨勢。數據統計分析分為3個子功能，即監測數據查詢、位移統計分析和位移預測預警。采用灰色系統預測模型對位移數據進行預測，將GM(1,1)、新陳代謝GM(1,1)、Verhulst 3種不同情況下的模型相結合，分開對選定條件下的監測數據進行預測，再對3種模型的預測結果精度等級以及平均誤差率進行對比，選擇精度等級最高且誤差最小的模型預測數據作為最終的位移預測值。同時還提供了監測點實時位移的預警，每次頁面發送Ajax請求后，后端返回監測點的最新坐標及位移變化信息，請求成功后，頁面通過調用回調函數處理返回的數據。數據的處理，其中之一即是判斷監測點的實時位移是否達到系統設定的預警閾值，若達到，則進行預警提示監測人員。系統預測界面如圖5所示。

圖5 位移預測界面

3 結 論

介紹了基于北斗衛星系統的定位和短報文通訊功能設計與實現的一個針對露天礦邊坡的實時位移監測系統，實現了對露天礦邊坡位移的動態監控以及預警預測，很好地解決了傳統監測方式工作量大、效率低，以及露天礦礦區數據傳輸困難的問題。實驗證明，該系統運行連續、穩定，是實現露天礦邊坡監測的全自動、高精度、實時監測的有效手段。也對北斗衛星系統在礦山邊坡監測中的應用進行了初步研究，為該領域的發展做出了一定的貢獻。

[1] 李永兵，李兵磊，李永輝．邊坡實時監測系統中預測模型的建立及預警分級研究[J]．礦業研究與開發，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，劉文峰，李 樂．福銀高速高邊坡實時安全監測系統[J]．科學技術與工程，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] 周麗靜，盧才武，顧清華，等．基于北斗系統的露天礦邊坡位移監測系統研究[J]．自動化與儀表，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] 賈曉娟，錢兆明．GPS技術在安太堡露天礦邊坡變形監測中的應用[J]．煤炭科學技術，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] 何小鈺，閆 昕，郭毅霖，等．基于北斗衛星的公路邊坡實時監測系統設計與實現[J].公路交通科技：應用技術版，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] 趙建三，顏 奇，徐卓揆，等．B/S模式的邊坡監測數據分析及安全預警系統設計與實現[J].測繪科學，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] 陳路良，古玉葵，何梅方，等．小龍潭礦區露天礦邊坡地質災害預警監測系統[J]．露天采礦技術，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．

(責任編輯 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

陜西省重點學科建設專項資金項目(編號：E08001)，國家自然科學基金項目(編號：51404182)，西安建筑科技大學青年科技基金項目(編號：QN1222)。

代 朵(1993—)，女，碩士研究生。通訊作者 盧才武(1965—)，男，教授，博士研究生導師。

TD76

A

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