【文章內容簡介】 GPS 監(jiān)測技術， GPS 與其它傳感器結合用于露天開采邊坡監(jiān)測已形成了趨勢。目前 GPS 在露天開采邊坡中的最高精度在毫米級。而華測 GPS 監(jiān)測系統(tǒng)已經做到數(shù)據(jù)自動傳輸、自動解算處理、準實時測量結果和測量結果圖形演示，自動預警報警。 自動化監(jiān)測的優(yōu)點 自動化監(jiān)測系統(tǒng)允許以任意間隔采樣 典型間隔可以是按分鐘、小時或者按天。測試精度得以提高，數(shù)據(jù)可以遠程處理，從而向項目組提供有用信息。當然，還有其 它益處包括： 1) 避免人工讀數(shù)和記錄引起的人為誤差。 2) 可以實現(xiàn)遠程以及惡劣天氣條件下采集數(shù)據(jù)。 3) 每天可進行 24 小時連續(xù)監(jiān)測。 4) 連續(xù)監(jiān)測能快速檢測到臨界變化，能在事態(tài)惡化之前采取處理措施。 5) 自動化監(jiān)測系統(tǒng)可以按程序步驟監(jiān)測限定閥值、變化速率，從而能在超出預定極限值時自動報警。 很多工程師認為自動化監(jiān)測是 “ 黑箱 ” ，可見的查驗以及寶貴的經驗都被冷冰冰的電路板和繼電器將所存在的問題通過警報而取代了。事實上，自動化連續(xù)監(jiān)測所獲得的數(shù)據(jù)能向工程師提供被監(jiān)測結構很多肉眼不易察覺的新的特征信息。它們拓展了工程師的視 野， 對結構響應有深入的理解。不僅如此，應用自動化監(jiān)測系統(tǒng)，結合先進分析工具，工程師能享受到這些廉價的新技術優(yōu)勢，而不用犧牲露天開采邊坡區(qū)的安全。 露天開采邊坡 GPS自動化監(jiān)測預警系統(tǒng)的介紹 露天開采邊坡 GPS 自動化監(jiān)測預警系統(tǒng)，主要應用現(xiàn)代化的傳感技術、 GPS 及 GPS 7 一機多天線技術、計算機技術、現(xiàn)代網絡通訊通信技術對在不同的天氣或環(huán)境下準實時反映露天開采邊坡區(qū)域變形情況，根據(jù)對實時位移數(shù)據(jù)的實時分析，對 分析后 適當?shù)臄?shù)據(jù)存儲、分類、提取、統(tǒng)計等處理，為中心站日常管理提供各類報表、圖形，為露天開采邊坡預警分析 提供決策依據(jù)和參考 以達到在最短的時間 通過短消息、 EMAIL 或者聲響預警、報警的功效，如下面示意圖： 系統(tǒng)功能示意圖 另外，本系統(tǒng)還可實現(xiàn) 預警站點分布圖、預警站點基本情況的計算機的初級顯示 等功能。 露天開采邊坡 GPS自動化監(jiān)測預警系統(tǒng)原理和方法 本系統(tǒng)采用成熟的 INTERNET 技術 、華測高精度 GPS 準動態(tài)算法及 GPS 一機一天線等技術。 變形監(jiān)測網絡中的每個 GPS 接收機都同時輸出 GPS 的原始數(shù)據(jù)格式 RT17， RT17 包含了 GPS 解算的所有必要的載波相位數(shù)據(jù)、星歷等數(shù)據(jù)。通過無線網橋 1或者 GPRS/CDMA 1無線網橋與 GPRS 傳 輸相比不需要借助于第三方服務商、一次性投入、傳輸穩(wěn)定等優(yōu)點，所以本系統(tǒng)首選無線網橋的通訊方式。 8 無線網絡傳到控制中心?？刂浦行母鶕?jù)每臺 GPS 接收機對應的 IP 地址和端口號，獲得每個監(jiān)測點的原始實時數(shù)據(jù)流 。或者，軟件通過遠程的端口映射，直接從監(jiān)測單元的端口獲得 GPS 的原始數(shù)據(jù)流。在控制中心服務器上， HCMonitor 監(jiān)測軟件準實時解算出各監(jiān)測點的三維坐標。 露天開采邊坡 GPS自動化監(jiān)測預警系統(tǒng)組成 數(shù)據(jù)處理 中心建設在控制中心 ， 辦公室有 總控計算機、數(shù)據(jù)處理工作站、打印機等硬件設備， 而在總控計算機上安裝華測 HCMonitor 軟件 2。 控制中心配備一臺高性能服務器，用于數(shù)據(jù)分析和圖形處理，以及終端服務。結合HCMonitor 軟件和其他專業(yè)的數(shù)據(jù)處理軟件，實時對數(shù)據(jù)分析和圖形處理。 如下圖，為該系統(tǒng)結構拓撲圖。 X 3 0 0 M 接 收機監(jiān) 測 站 1A 3 0 0 天 線機柜參 考 站數(shù) 據(jù) 處 理控 制 中 心無線網橋數(shù) 據(jù) 處 理數(shù) 據(jù) 庫客 戶 端短 信 報 警避雷系統(tǒng)數(shù)據(jù)控制中心組網絡交換機X 6 0 MG P S接 收 機電 源 適 配器串 口 服 務器X 3 0 0 M 接 收 機監(jiān) 測 站 8 0避雷系統(tǒng)機柜串 口 服 務器電 源 適 配器避雷系統(tǒng)A CA C 串 口 服 務器電 源 適 配器A C共 8 0個 監(jiān)測 點共 有 3個 參考 站 露天開采邊坡區(qū)系統(tǒng)結構拓撲圖 數(shù)據(jù)傳輸方式采用無線網橋建立局域網，能使用市電的情況全部使用市電，在不方便使用市電的地方使用太陽能和蓄電池聯(lián)合供電方式。 2HCMonitor 軟件由數(shù)據(jù)管理模塊 、 原始 數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù) 庫信息 管理四個模塊組成 。 9 露天開采邊坡 GPS自動化監(jiān)測預警系統(tǒng)技術的先進性 1） GPS 接收機及其配套設備，要求包括從數(shù)據(jù)采集、集中傳輸、解算處理、顯示和記錄及避雷和防盜等安全保護設施的全部設備，實現(xiàn)將監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心并顯示； 2） 監(jiān)測系統(tǒng)無人值守，有人照看、自動運行，年運行可靠率 99%以上， 系統(tǒng)可滿足 724 小時長時間可靠運行 ，連續(xù)無故障運行時間超過 10 萬小時 。 在沒有太陽的情況下，監(jiān)測系統(tǒng)設備可依靠備用電源連續(xù)工作 7 天以上； 3） GPS 硬件具有良好的物理性能和工作性能，適合長時間連續(xù)工作， GPS 接收機天線為大地測量型天線； 4） 本系統(tǒng)可采用無線網橋通訊，數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂浦行臏蕦崟r處理； 5） 準實時顯示和分析形變量，可間斷性評估的健康狀況； 6） 數(shù)據(jù)實時輸出給分析軟件； 7） 控制中心軟件自動解算，最短反應時間可為幾分鐘到幾小時，并實時進行網平差，自動評估 監(jiān)測結果，而且各參數(shù)完全由用戶根據(jù)不同監(jiān)測需求自行設置 。 8） 設定日常信道報警系統(tǒng)， Web 發(fā)布以及可通過短消息或 EMAIL 方式報警，無論您在何時何地都可以掌握露天開采邊坡體的動態(tài)； 9） 通過實時監(jiān)測露天開采邊坡點的空間位移，確定露天開采邊坡區(qū)的變形狀況、幾何線形等； 10） 提供高質量的雙頻 GPS 測量數(shù)據(jù)，實時獲得毫米級精度的位置數(shù)據(jù)，精度為水平：小于177。 3mm+1ppm ,垂直：小于177。 5mm+1ppm； 11） 自動生成報表，形成報表的周期用戶可自行設計，比如一周、一天等，一些必要的輸出信息用戶也可以自動添加或刪除，同時根據(jù)需要 可自動生成各點的周變化曲線、月變化曲線等。 4 露天開采邊坡 GPS 自動化監(jiān)測預警系統(tǒng)方案實施 1) 本 GPS 自動化監(jiān)測系統(tǒng)實施主要包括以下幾個方面： 2) 參考站及監(jiān)測站選址 10 3) 參考站及監(jiān)測站觀測墩的建設 4) 設備的供電 5) 設備避雷 6) 數(shù)據(jù)通訊 7) 控制中心的建設 本監(jiān)測系統(tǒng)設計依據(jù) 露天開采邊坡 GPS自動化監(jiān)測預警系統(tǒng)技術設計及工程建造依據(jù)相關的國家標準和相關行業(yè)標準進行，本設計書中所引用的部分技術規(guī)范參下表： 名稱 編號 批準單位 年份 全球定位系統(tǒng)測量規(guī)范 CH2021 國家測繪局 精密工程測量規(guī)范 GB/T 1531494 國家技術監(jiān)督局 19941222 全球定位系統(tǒng)城市測量技術規(guī)程 CJJ 7397 中國建設部 1997 UNAVCO 基準站建立規(guī)范 國際 UNAVCO 組織 IGS 基準站建立規(guī)范 國際 IGS 委員會 混凝土結構設計規(guī)范 GBJ 10— 89 建設部 露天開采邊坡區(qū) GPS監(jiān)測點的布置 露天開采邊坡區(qū) GPS 自動化監(jiān)測預警系統(tǒng)的監(jiān)測單元包括參考站和監(jiān)測站，各站點的具體布置方式根據(jù)以下要求： GPS 參考站 GPS 基準網布設應根據(jù)露天開采邊坡體的情況而定 。 點位宜分布在露天開采邊坡體周圍 (與監(jiān)測 點的距離最好在 3 公里以內 )地質條件良好 、 穩(wěn)定 、視野相對比較開闊 且易于長期保存的地方 ，而這些監(jiān)測點必須定時 應與就近的 GPSA,B 級控制網 或國家 IGS 網進行 聯(lián)測 ,以利于分析基準網點的可靠性及變形情況 。 基準網點基線向量的中誤差σ≤1ppm ? D， 當基線長度 D3km 時 ,基線分量絕對精度 ≤3mm 。 對于本監(jiān)測系統(tǒng)而言，我們將按照這些布設條件，分別在遠離露天開采邊坡區(qū)、地 11 質條件穩(wěn)定的地方建設 3 個參考站。 GPS 監(jiān)測站 GPS 監(jiān)測站 視露天開采邊坡體的地質條件 ,特征及穩(wěn)定狀態(tài) ,選擇 監(jiān)測剖面線 ，布設80 個監(jiān)測點 。 由于 GPS 觀測無須點間通視 ,所以監(jiān)測點位完全可按監(jiān)測露天開采邊坡的需要選定(但應滿足 GPS 觀測條件 )。 露天開采邊坡體 GPS觀測蹲的建設 參考站的選址依據(jù) 參考站要求建立在地基穩(wěn)定的地點，同時 GPS 參考站場地應滿足以下要求： 1) 距離露天開采邊坡體最好不超過 3KM； 2) 參考站場地穩(wěn)固，最好建在穩(wěn)定的基巖上或凍土層以下 2 米，但不允許建設在露天開采邊坡體上；而監(jiān)測點必須選擇在露天開采邊坡體上，所選擇的監(jiān)測點要和整個露天開采邊坡體為一個整體，監(jiān)測點的三維變化可以實時、真實反映露天開采邊坡體的三維變化； 3) 視野盡量開闊； 4) 遠離大功率 無線電發(fā)射源（如電視臺，電臺，微波站等），其距離不小于 200m，遠離高壓輸電線和微波無線電傳送通道，其距離不得小于 50m； 5) 盡量靠近數(shù)據(jù)傳輸網絡； 6) 參考站觀測蹲應遠離震動源（鐵路、公路等） 50 米以上。 GPS 觀測墩的埋設要求 1 參考站觀測墩 (單位： CM) 12 注：水準標志在觀測墩的四側各埋一個，目的是將來可檢查墩子有無傾斜，如果本地區(qū)沒有凍土則從地面算起。 天線強制對中標志 (單位： mm) 13 15010101010 0N1 2 0。150強制對中標志側面、正面 GPS 觀測墩鋼筋捆扎示意圖（ 單位： CM） GPS 觀測墩基座鋼筋骨捆扎示意圖 (單位： CM) 14 ? 混凝土施工要求 1．灌制混凝土標石所用材料應符合下列要求： a．采用的水泥標號應不低于 425。制作不受凍融影響的混凝土標石，應優(yōu)先采用礦渣和火山灰質水泥，不得使用粉煤灰水泥。制作受凍融影響的混凝土標石，宜使用普通硅酸鹽水泥。在制作受鹽堿、海水或工業(yè)污水侵蝕地區(qū)的標石時，須使用抗硫酸鹽水泥。在沙漠、戈壁等干燥環(huán)境中的標石，不得使用火山灰質水泥； b．石子采用級配合格的 5～ 40mm 的天然卵石或堅硬碎石，不宜采用同一尺寸的石子； c．沙子采用 ～ 3mm 粒徑的中砂，含泥量不得超過 3%； d．水須采用清潔的淡水，硫酸鹽含量不得超過 1%； e．外加劑可根據(jù)施工環(huán)境選用，如早強劑、減水劑、引氣劑等，其質量應符合相應規(guī)定，不得使用含氯鹽的外加劑。 2．每立方米混凝土制作材料用量： 每立方米混凝土制作材料用量表： 骨料種類 級配粒徑 mm 水 水泥 砂 石 配合比例 重量， kg 重量， kg 重量， kg 重量， kg （體積，m3） （體積， m3） （體積， m3） （體積， m3） 碎石 5～ 40 180 300 600 1226 ： 1： ： 15 （ ） （ ） （ ） （ ） ： 1： ： 卵石 5～ 40 170 285 672 1248 ： 1： ： （ ） （ ） （ ） （ ） ： 1： ： 注： ①表中配合比適用中砂，當采用細砂或粗砂時，水和水泥用量相應增加或減少 17kg和 10 kg。 ②當采用 5～ 40 mm 粒徑的碎石或卵石，應將水和水泥用量各增加 10%，砂、石用量不變。 3．混凝土施工要求 ： a．調制混凝土，須先將砂、石洗凈。澆灌標石時，須逐層充分搗固； b．氣溫在 0℃以下時，必須加入防凍劑，拆模時間不得少于 24h，否則不準施工； c．拆模時間可根據(jù)氣溫和外加劑性能決定，一般條件下，平均氣溫在 0℃以上時，拆模時間不得少于 12h； 16 GPS 參考站示意圖 供電系統(tǒng)系統(tǒng) 對于該露天開采邊坡區(qū) GPS 自動化監(jiān)測預警系統(tǒng)特殊情況（現(xiàn)場有市電，但距離有限），我們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了太陽能供電的方式。 采用市電供電 現(xiàn)場直接牽引電纜，用市電對接收機等設備進 行供電，但是為了在斷電情況下仍然可以進行數(shù)據(jù)采集，我們在采用市電的同時埋設蓄電池?？梢员ＷC在斷電情況下連續(xù)工作兩天以上。 太陽能供電系統(tǒng) 在不容易牽引市電的地方，我們采用太陽能和蓄電池聯(lián)合供電方式。 如下圖：我們采用 50W 的太陽能電池板和 100Ah 的蓄電池，這樣的好處是安全、容易避雷、省工，而且在沒有太陽的情況下可以連續(xù)工作 7 天。 17 太陽能電池板供電示意圖 數(shù)據(jù)通訊單元 由于本監(jiān)測方案的特點是遠程控制、遠程管理、實時自動化監(jiān)測、數(shù)據(jù)雙向通訊等