文章编号：１００１・９９４４（２０１５）０４—００３５—０４ 基于北斗系统的露天矿边坡位移监测系统研究 周丽静，卢才武，顾清华，卢 娜 （西安建筑科技大学管理学院，西安７１００５５） 摘要：露天矿边坡的稳定性一直是露天矿开采中倍受关注的重要安全问题之一。边坡在发 生垮塌前，会有一个缓慢的位移变化过程发生。因此，通过对边坡位移的监测，可以掌握边 坡整体所处的状态，实现对边坡发生灾难性跨塌的预测。该文基于北斗卫星系统的定位及 通信功能构建了露天矿边坡位移监测系统．可以实现对边坡的实时高自动化监测。文中重 点介绍了系统的整体架构、数据采集方案、数据通讯方案的制定，以及数据的解析及综合 管理功能 关键词：北斗系统；露天矿；边坡监测；实时 中图分类号：ＴＰ２１６ 文献标志码：Ａ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ Ｏｐｅｎ－ｐｉｔ Ｓｌｏｐｅ Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｂｅｉｄｏｕ ＺＨＯＵ Ｌｉ￣ｉｎｇ，ＬＵ Ｃａｉ－ＷＵ，ＧＵ Ｑｉｎｇ－ｈｕａ，ＬＵ Ｎａ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ，Ｘｉ’ａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉ’ａｎ ７１００５５，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｏｐｅｎ－ｐｉｔ ｓｌｏｐｅ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｓｅｃｕｒｉｔｙ ｉｓｓｕｅｓ ｃｌｏｓｅｌｙ ｗａｔｃｈｅｄ ｏｐｅｎ—ｐｉｔ ｍｉｎｉｎｇ．Ｂｅｆｏｒｅ ｄａｍａｇｅ ｏｃｃｕｒｓ，ｔｈｅ ｓｌｏｐｅ ａｌｗａｙｓ ｓｈｏｗｓ ｔｈｅ ｔｒｅｎｄ ｏｆ ｓｌｏｗ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｂｙ ｍｏｎｉ— ｔｏｔｉｎｇ ｔｈｅ ｓｍａｌｌ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｓｌｏｐｅ，ｗｅ ｃａｎ ｐｒｅｄｉｃｔ ｉｔｓ ｃａｔａｓｔｒｏｐｈｉｃ ｃｏｌｌａｐｓｅ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｂｅｉｄｏｕ，ｔｈｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｏｐｅｎ—ｐｉｔ ｓｌｏｐｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｗａｓ ｂｕｉｌｔ ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ｈｉｇｈｌｙ ａｕｔｏｍａｔｅｄ ａｎｄ ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ．Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ’Ｓ ｏｖｅｒａｌｌ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，ｔｈｅ ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｐｒｏｇｒａｍ，ｄａｔａ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｐｒｏｇｒａｍ，ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｄａｔａ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｄａｔａ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｂｅｉｄｏｕ ｓｙｓｔｅｍ；ｏｐｅｎ—ｐｉｔ；ｓｌｏｐｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ；ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ 随着矿山的不断开采．采掘深度不断增加，露 天矿的边坡受到排土压力以及自身重力的影响会 产生变形甚至滑坡．边坡的稳定性成了安全生产 的预测。 本文基于北斗卫星导航定位系统的定位及通 信功能构建了露天矿边坡监测系统，可以实现对边 坡的实时高自动化监测。借助北斗系统的定位功 能，获得边坡监测点的三维坐标等信息，并利用北 斗系统的通信功能．将监测点的信息传输到数据处 理中心进行分析处理，让监测人员在第一时间了 解、掌握边坡的变形动态以及发展趋势。 的重要隐患。长期以来，露天矿边坡的稳定性一直 是露天矿开采中倍受关注的重要安全问题之一。一 般边坡在发生垮塌前．会有一个缓慢的位移变化过 程发生【１］。因此，通过对边坡位移的监测，可以掌握 边坡整体所处的状态．实现对边坡发生灾难性跨塌 收稿日期：２０１４—１２—２９：修订日期：２０１５—０１—０６ 基金项目：陕西省重点学科建设专项资金资助项目（Ｅ０８００１） 作者简介：周丽静（１９８９一），女，硕士研究生，研究方向为信息技术和信息管理、计算机技术在矿业中的应用；卢才武 （１９６５一），男，教授，博士生导师，研究方向为系统优化理论、信息技术和信息管理、计算机技术在矿业中的应用。 自动化与仪表２ｏｌｓ（４） 田 １ 北斗卫星导航定位系统简介 北斗卫星导航定位系统是我国自主研发的拥 有自主知识产权的导航定位系统。也是目前世界上 继美国的ＧＰＳ和俄罗斯的ＧＬＯＮＡＳＳ之后的第三 个已投入运行的卫星导航定位系统。它同时具备定 位导航与双向通信功能。无需其他通信系统支持或 配合［２－３１。 北斗卫星导航定位系统采用与ＧＰＳ系统相同 的被动式定位原理，即北斗用户只需要接收来自北 斗卫星发送的导航定位信号。就能够自主精确地解 算出自己的７维状态参数和３维姿态参数．其定位 原理如图１所示 。由于卫星的位置精确可知，在 观测中，人们可得到卫星到接收机的距离，利用三 维坐标中的距离公式，利用３颗卫星，就可以组成３ 个方程式，解出观测点的位置（ ，ｌ，，Ｚ）。考虑到卫星 的时钟与接收机时钟之间的误差。实际上有４个未 知数， 、ｙ、Ｚ和钟差，因而需要引人第４颗卫星，形 成４个方程式进行求解。从而得到观测点的经纬度 和高程。 北斗卫星 卫星Ｄ 图１ 北斗卫星导航系统定位原理 Ｆｉｇ．１ ＢＤＳ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ 北斗卫星短信服务属于授权服务，民用通信中 每条短报文信息最大容量为４４个汉字或１５７个１６ 进制数。可实现“用户与用户”和“用户与中心控制 系统”间的双向简短数字报文通信（以下简称“短 信”）。其通信过程如下：①短信通过专用的“北斗卫 星地基终端”上传到北斗卫星；②北斗卫星接收到 上传短信后，再向地面的“北斗卫星地面运营服务 平台”或“北斗卫星通信中心站”转发；③各类用户 从“北斗卫星地面运营服务平台”或“北斗卫星通信 中心站”获取远端站发送的短信信息［６－８］。 ２监测系统构成 基于北斗卫星导航定位系统的露天矿边坡监 田 ： 数据综合管理子系统 ！ｉ区囵互亟圃 ；警 一 ！一一一一一一ｊ匦圃二二匦 二二 三 匦圃…匦圃一一一一一 ； （２）数据传输子系统 数据传输子系统的功能是将数据采集子系统 采集到的信息传输到数据处理子系统，以供后续系 统对数据进行解析处理以及综合利用。目前常用的 数据传输方式有有线方式、无线方式和卫星通讯方 式（北斗通讯方式）等，这３种通讯方式的对比如表 １所示 表１通信方式比较 Ｔａｂ．１ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｐｒｏｇｒａｍ ＧＰ ＡＤＭ 有线方式 北斗通讯方式 等无线通讯方式 、 。 ” 露天矿矿区往往位于山区，所处的地形及环境 条件复杂，有线通信方式组网难度较大，所以通信 方式不宜选择有线方式。而卫星通讯方式相对于无 线通信方式来说，无通信盲区，尤其是受监测区域 的影响很小，在地面无线网络无法覆盖或者信号不 稳定的区域以及在发生边坡灾害的情况下的数据 传输方面具有显著的优势。而且对于支持北斗系统 的终端来说，其本身除了定位功能外，也具有通信 功能．所以无须再使用其他的辅助通信方式。在边 坡监测中．所需要的主要是监测点的三维坐标和监 测终端的ＩＤ，而北斗的民用通信中每条短报文信息 最大容量为４４个汉字或１５７个１６进制数，这完全 可以满足边坡监测的通信要求。 （３）数据处理子系统 为方便系统以后的更新维护，本研究将数据处 理和数据综合管理分开来开发，数据处理子系统主 要负责数据的接收及存储，而数据综合管理子系统 主要负责数据的后续分析利用。数据处理子系统的 功能是自动接收北斗通信系统传输过来的终端采 集的数据。并对数据按照北斗的通信协议进行解析 处理，并将解析出的坐标信息及终端信息存储到数 据库服务器中，其工作流程如图３所示。数据处理 北斗终端采 集到的信息 数据处理子系统 解析处理 后的数据 北斗系统的 数据通信协议 图３数据处理子系统工作流程图 Ｆｉｇ．３ Ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｌｏｗ ｃｈａｒｔ ｏｆ ｄａｔａ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｓｕｂｓｙｓｔｅｍ 自动化与仪表２０１５（４） 子系统是在Ｗｉｎｄｏｗｓ平台下，以ＳＱＬ Ｓｅｒｖｅｒ ２００８ 数据库管理系统作为数据存储支撑，以串１：３通信及 多线程技术为主开发的系统，完成数据的自动接收 及解析入库。 （４）数据综合管理子系统 数据综合管理子系统的功能是对数据进行综 合管理，包括监测点管理、北斗终端管理、监测点位 置的实时显示以及历史数据的统计分析等功能。系 统由一个应用服务器以及若干个客户端组成，应用 服务器根据客户端的请求．通过访问经数据处理子 系统处理入库后的数据，获得客户端需要的信息并 对数据进行封装处理返回给客户端；客户端通过互 联网向应用服务器发出各种请求，获取各监测点的 实时信息、历史数据等信息。 系统采用Ｂ／Ｓ架构开发，数据库管理系统使用 ＳＱＬ Ｓｅｒｖｅｒ ２００８，应用服务器使用Ｔｏｍｃａｔ。服务器 端开发技术采用ＪＡＶＡ＋ｊｓｐ，并结合ａｊａｘ、ＷｅｂＧＩＳ、 ＪＦｒｅｅＣｈａｒｔ实现对监测点在地图中的显示与操作及信 息的图表化汇总显示。系统的主要功能结构如图４所示。一一一一一一一 茎 萋 一数史一二 一史历 刚二一数史 图４数据综合管理子系统主要功能结构图 Ｆｉｇ．４ Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｂｌｏｃｋ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｄａｔａ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｓｕｂｓｙｓｔｅｍ 监测点位置的实时显示，是指将北斗终端获取 一一一一一一 的存储在数据库中的最新定位信息，显示在边坡的 电子地图中．让用户可以随时观看到目前边坡监测 点所处的位置。该功能的实现，本研究采用的是Ａ— ｊａｘ异步刷新技术和ＷｅｂＧＩＳ技术。监测点位置在地 图中的展示．采用的是ＷｅｂＧＩＳ技术，包括原始位置 和最新位置的展示，最新位置的展示．系统会使用 Ａｊａｘ技术按照北斗终端的定位频度，设定同样的时 间间隔异步刷新地图中监测点的最新位置，每一次 刷新．都是用目前终端传回的最新数据去更新电子 团
