礦區地表沉降監測預警系統設計與實現

安 慶 王天慧

(武漢光谷北斗控股集團有限公司，湖北 武漢 430206)

礦區地表沉降監測預警系統設計與實現

安 慶 王天慧

(武漢光谷北斗控股集團有限公司，湖北 武漢 430206)

以湖北三鑫金銅股份有限公司礦區沉降預警監測為應用示范，基于衛星導航和地理信息融合技術，在該區域內合理布設監測站網和建設數據中心。通過研發解算和沉降監測應用軟件，在數據中心可以對基準站和監測站的衛星觀測數據進行處理和分析，據此能夠精確地得到監測點的空間絕對三維坐標。結果表明，該系統對沉降點的定位精度可達實時厘米級，事后毫米級，并能進行趨勢分析、閾值預警等。該系統的實現為礦區管理者及時采取應急安全措施提供了決策支持。

沉降監測 監測站 數據通信 數據中心

1 引言

礦山生產行業是工業生產的高危行業，其事故發生起數和死亡人數在全國工業安全生產領域占較大的比重[1]。隨著礦山開采時間的逐漸增長，地下采空區規模的逐步增大，導致采空區及鄰近區域的支撐情況逐步惡化，嚴重威脅著礦區地質環境、深部礦體采礦生產以及地表居民的生命財產安全[2]。

湖北三鑫金銅股份有限公司隸屬中國黃金集團公司，是以采選金銅礦為主的礦山企業。其主要開采對象為-470m～-1080m標高之間的礦體，隨著礦山深部開采，形成大量采空區。據現場考察，三鑫公司礦區內部的化驗樓已經出現整體沉降，且出現滑坡坍塌點，正呈現大面積地面沉降的征兆。該公司領導高度重視礦區存在的安全隱患，委托光谷北斗公司利用先進的北斗衛星導航技術編制礦區沉降監測預警方案

北斗技術作為現代大地測量的一種技術手段，可以實現三維大地測量，進行連續監測及實現測量過程的自動化，具有高精度、高可靠、全天候、全自動等優點[3]。基于此，光谷北斗將北斗技術與地理信息系統技術集成，研發了礦區地表沉降監測預警系統，并在礦區進行了軟硬件的集成和實現，達到了礦區地表沉降安全監測的目的。開展此項工作，不僅對保障礦區國家和人民生命財產的安全有著重要的作用，而且對發展北斗產業有著現實意義[4]。

2 系統總體設計

三鑫公司位于湖北省黃石地區，為其研發的基于北斗高精度的地表沉降監測預警系統是一套能夠實現礦山安全監測智能化、自動化，并具有智能報警功能的系統。它借助接收先期已在黃石地區建成的北斗基準站網發送的差分數據，以及各監測站發來的衛星觀測數據進行精密解算，從而達到對監測站高精度三維定位的目的。

該系統分為傳感器子系統、數據傳輸子系統、數據處理與控制子系統和輔助支持系統四個部分，其總體設計結構圖如圖1所示。

3 系統建設方案

3.1 地面沉降監測站建設

北斗地面沉降監測站間無須通視，但與天空要保持良好的通視條件[5]。其基本布設原則為監測站盡量布設在礦區附近穩定的基巖上，周圍應視野開闊、視場內高度角不宜大于10度，困難地區視場高度角大于10度的障礙物遮擋角累計不應超過30度[6-7]；其與附近的微波站、通信基站等大功率無線電發射源的距離應大于200米，與高壓輸電線、微波通道的距離應大于100米[8]。另外，監測站附近不應有大型建筑物、玻璃幕墻及大面積水域等強烈干擾接收機接收衛星信號的物體[9]。

三鑫公司礦區進行實地踏勘后，按照上述原則，結合礦區內部已經出現整體沉降的“化驗樓”和主井附近“滑坡坍塌點”，，充分考慮“干堆尾礦庫”的范圍和在建邊坡的實際需要，共勘定了10個監測點。其監測點分布示意圖如圖2所示。

3.2 供電系統建設

結合礦區的實際情況，以及保障項目供電的可靠性，監測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能供電的方式。我們采用75W×2太陽能電池板和100Ah蓄電池作為供電設備，這樣搭配的好處是安全、容易避雷、省工。經測試，在沒有太陽的情況下，蓄電池可以連續供電工作7天。

3.3 雷電防護

對連續運行的監測站一定要考慮防雷電措施，雷電所產生的高電壓、電磁脈沖對沒有相應保護措施的同軸電纜、天線、數據通訊電纜、電源電纜等會產生強烈的毀壞作用，直接損壞所連接的電子設備[10]。

基于此，我們在距每個監測站觀測墩3米左右地方，安裝了一個普通的避雷針，選用Ф16不銹鋼制作。其支撐桿由兩節組成，分別由2寸、1.2寸各三米熱鍍鋅管制作。地網選用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 數據通訊方案

由于本項目實施的是礦區的沉降監測，需要實現監測站與控制中心間的數據雙向通訊傳輸，監測站的遠程控制和管理等功能。考慮到現場環境較為復雜，布設光纜的難度較大，另外，由于沉降數據是靜態觀測數據，對數據的實時性要求不高，而對精度要求較高，從實用性和經濟性出發，我們對各監測站采用了GPRS的數據通訊傳輸方式。

3.5 數據中心

數據中心硬件設備主要組成為各類服務器、數據存儲及網絡設備。服務器包括應用服務器、數據庫服務器、舊服務器及解算服務器等；數據存儲設備包括在線存儲、利舊存儲、離線存儲等；網絡設備包括防火墻、核心交換機、負載均衡器等。其功能是接收從各監測站和基準站傳來的衛星觀測原始數據，并對其進行轉換、處理、存儲、發送和應用展示等，實現各沉降監測點沉降量數字和圖形化展示、趨勢分析、安全評估，以及閾值預警等功能，其主要技術指標如表1所示。

表1 主要技術指標表

4 系統軟件設計

4.1 解算軟件

一般來說，每個監測站觀測得到的衛星數據包括偽距、載波相位及星歷數據等[11]。數據通過GPRS傳輸到控制中心, 中心的解算軟件根據每臺接收機對應的IP地址和端口號，獲得每個監測站的原始實時數據流，解算軟件對這些原始數據進行實時差分解算，得到各個監測站的坐標，并存入數據庫或發送給客戶端。本系統所用解算軟件為光谷北斗采用VC++定制開發的GGBDmonitor，該軟件主要特點：1)能進行7×24小時不間斷實時差分處理；2)可根據系統參數設置，對不同的監測站的實時差分結果進行Kalman濾波，達到不同的動態要求和精度要求；3)能根據多天運行的結果，建立近期的大氣延遲(對流層、電離層)模型，提高定位精度和可靠性；4)根據接收機的原始數據輸出率，其數據更新率最高可達20Hz；5)根據多基站的觀測數據，可以建立電離層模型，提高長距離監測的精度；6)根據多基站的處理結果，可以實現實時網平差功能，提高點位精度和可靠性；此外，其采用了C/S架構，用戶可以進行遠程監控。

4.2 系統應用軟件

地表沉降監測預警系統的開發基于ArcGIS Engine，采用了組件式二次開發模式ArcGIS Engine是一套完備的嵌入式GIS 組件庫和工具庫，支持包括COM、.NET框架、Java和C++等多種開發語言，能夠運行在Windows、Linux和Solaris等平臺上，可以方便地將GIS功能嵌入到目標開發軟件中[12]。該系統主要包括工程管理模塊、GIS模塊、圖形顯示模塊和數據分析模塊。

工程管理模塊可瀏覽礦區監測站的實景圖片，并可對各監測站沉降的信息進行查詢，以圖表統計的方式顯示，同時支持數據導出到Excel，生成監控點沉降表。

GIS模塊以三鑫公司礦區影像為底圖，疊加監控中心、監控點、監控區域等空間數據，通過切片處理后，發布為地圖服務，供客戶端訪問。同時，監控數據可在服務器端統計、分析，并將結果通過WebService返回到客戶端顯示。其主要功能包括監測區域、基站點、沉降監測點平面布置圖瀏覽、屬性信息展示、坐標定位，以及監測區域地圖量測、標繪和圖層管理等。

圖形顯示模塊可根據沉降量繪制監測點的沉降過程曲線，根據沉降速度繪制監測點的沉降速度曲線，并可由監測點平面坐標(x,y)和沉降量s構成監測點三維坐標(x,y,s),以區域為單位建立三維立體模型，繪制沉降量曲線圖。

數據分析模塊包括回歸分析、對比分析、綜合分析。系統選擇對數函數、雙曲線函數等15種函數作為沉降過程回歸分析的基本數學模型，用戶可以單獨使用，也可以組合疊加使用，并根據分析結果進行穩定性預測。還可綜合分析按實時采集與按時間段靜態解算的高程信息，結合常規沉降觀測信息，對數據進行綜合處理和分析，實現實時沉降報告、多級報警、沉降趨勢分析等功能。

5 結語

光谷北斗研發的地表沉降監測預警系統是一個集衛星導航、地理信息、無線傳輸、網絡、大數據、云計算等高新技術于一體的綜合系統。它通過對基準站、監測站的原始衛星觀測數據處理和分析，為管理者提供了監測區域各監測點和監測面沉降數據描述的各種報表、圖形，并能夠進行趨勢預測和預警，具有高精度、高可靠、全天候、全自動等優勢，事后精度達到了毫米級。該系統不僅能運用于礦區地表沉降監測，還可用于尾礦庫、大壩、高層建筑等的形變和沉降監測，具有較大的推廣價值。

[1] 韓賢權,梁俊,曹景生,等.基于 GIS的沉降監測數據分析方法研究[J].長江科學院院報,2011,28(10):75-78.

[2] 李樹偉.高速鐵路沉降監測方法的應用探討[J].鐵道勘察,2011,37(6):16-18.

[3] 孫廣通,劉小陽,張永紅,等.小基線DInSAR技術在城市地面沉降監測中的應用研究[J].測繪通報, 2013(10):91-94,108.

[4] 熊靖飛,王列平,苗小芒,等.礦井井架基礎沉降監測基準網的穩定性分析[J].北京測繪,2013(6):16-18.

[5] 武東輝,田林亞,張金華.小波時間序列在地鐵沉降監測中的應用[J].測繪科學,2013(2):150-151,149.

[6] 高永芹.礦區開采沉降監測中GPS的應用研究[J].煤炭技術,2013,32(4):124-126.

[7] 安慶，李巖，張婷婷. 橋梁安全監護系統設計與應用[J].城市勘測, 2016(1):11-15.

[8] 賈洪果,劉國祥,于冰.基于超短基線PSInSAR的道路網沉降監測[J].測繪通報,2012(5):24-28.

[9] 朱睿,張俊中,龍洋,等.時間序列模型在建筑物沉降監測中的應用[J].東北測繪,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測中的應用研究[J].測繪信息與工程,2012,37(1):6-8,35.

[11] 張帝,高雅萍,許雙安.GPS技術在礦區沉降監測中的應用[J].測繪信息與工程,2012,37(2):22-24,28.

[12] 吳煥瑯.基于高精度北斗定位的地質沉降監測[J].單片機與嵌入式系統應用,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