鄭 庭

（中國(guó)有色金屬工業(yè)昆明勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650000）

近年來(lái)由于礦山的過(guò)度開采，導(dǎo)致礦區(qū)采空，巖層塌陷，引發(fā)了很多的地質(zhì)災(zāi)害。我國(guó)是世界上地質(zhì)災(zāi)害比較嚴(yán)重的國(guó)家之一，突發(fā)性的滑坡和泥石流導(dǎo)致很嚴(yán)重的人員傷亡，建立地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是國(guó)家防災(zāi)減災(zāi)的重大舉措。突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害大多數(shù)發(fā)生在山區(qū)，地勢(shì)險(xiǎn)要，交通不便利，現(xiàn)有的地質(zhì)災(zāi)害實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)地質(zhì)位移時(shí)存在一定的誤差，因此，設(shè)計(jì)一種基于分布式衛(wèi)星定位的礦山施工地質(zhì)災(zāi)害實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 基于分布式衛(wèi)星定位的礦山施工地質(zhì)災(zāi)害實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是集Internet技術(shù)，分布式衛(wèi)星定位技術(shù)，數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)于一體的高度集成系統(tǒng)，利用衛(wèi)星接收機(jī)和數(shù)據(jù)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)現(xiàn)外業(yè)觀測(cè)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集。本文設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下所示：

圖1 分布式衛(wèi)星定位的礦山施工地質(zhì)災(zāi)害實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

接下來(lái)本文將對(duì)系統(tǒng)的硬件和軟件分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（1）硬件設(shè)計(jì)。在一般的通信環(huán)境下，單頻率接收機(jī)就可以滿足信息傳輸?shù)囊?，但是在通信比較落后的山區(qū)，需要選擇雙頻高采樣率的接收機(jī)[1]。接收機(jī)上的天線的選擇也是一樣，針對(duì)不同的使用環(huán)境選擇不同的天線類型，對(duì)于精度要求不高的監(jiān)測(cè)，普通測(cè)量型的天線就可以，但是對(duì)于監(jiān)測(cè)環(huán)境比較差，周圍路徑數(shù)量多，輻射類信號(hào)干擾嚴(yán)重的環(huán)境需要選擇多路徑抑止功能扼流圈的天線。采樣機(jī)需要帶有4個(gè)輸出端口，對(duì)于每個(gè)端口的輸出內(nèi)容可以人工設(shè)定。為了滿足系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)需求，對(duì)接收機(jī)的采樣率進(jìn)行規(guī)定，要求原始數(shù)據(jù)的采樣頻率達(dá)到1赫茲，位置信息的采樣頻率要求1赫茲以上；內(nèi)部帶有12個(gè)并行通道，雙頻連續(xù)跟蹤站接收機(jī)，且要求接收機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)載波、星歷、偽衛(wèi)星信息、位置信息等進(jìn)行觀測(cè)，內(nèi)存需要大于64G，保證接收機(jī)能夠連續(xù)存儲(chǔ)72小時(shí)以上接收到的原始數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)傳輸中使用的是分布式衛(wèi)星無(wú)線傳輸設(shè)備，通過(guò)建立的無(wú)線局域網(wǎng)在監(jiān)測(cè)點(diǎn)和服務(wù)器之間完成原始數(shù)據(jù)的傳輸，其架設(shè)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定，且維護(hù)邊界，無(wú)線傳輸設(shè)備的電路板上集成了通信、存儲(chǔ)芯片，用來(lái)輔助收發(fā)信息、語(yǔ)音通話以及數(shù)據(jù)傳輸存儲(chǔ)功能。至此完成了本文系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。

（2）軟件設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)通信是本文系統(tǒng)中的重要設(shè)計(jì)部分，本文使用的是分布式衛(wèi)星無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。利用分布式衛(wèi)星定位進(jìn)行礦山施工的數(shù)據(jù)觀測(cè)，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理來(lái)減少觀測(cè)過(guò)程中的誤差。分布式衛(wèi)星定位技術(shù)相對(duì)復(fù)雜，導(dǎo)致其觀測(cè)誤差的原因也更加復(fù)雜多樣[2]。誤差與誤差原因之間的關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜，既存在線性關(guān)系，也存在非線性關(guān)系。本文主要利用回歸分析法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。首先建立誤差值與誤差因素之間的數(shù)學(xué)模型，將非線性關(guān)系轉(zhuǎn)化成線性關(guān)系求解。

假設(shè)y為誤差值，x1、x2...、xn為誤差因素，那么可以建立回歸模型為：

上式中，a與bi都為回歸系數(shù)，φ代表隨機(jī)變形量，進(jìn)行幾次觀測(cè)就可以得到同樣數(shù)量的觀測(cè)方程，當(dāng)兩個(gè)變量之間為線性關(guān)系時(shí)，成為一元線性回歸分析，響應(yīng)的數(shù)學(xué)模型為：

βi為隨機(jī)參數(shù)，它們之間互相獨(dú)立，ω為回歸系數(shù)，在數(shù)據(jù)的預(yù)處理中，使用到一元線性回歸分析的數(shù)據(jù)較多。通過(guò)多次的觀測(cè)數(shù)據(jù)，建立數(shù)學(xué)模型來(lái)解算回歸系數(shù)，得到的回歸方程即誤差修正方程，從而找出誤差與誤差因素之間存在的函數(shù)關(guān)系，完成原始數(shù)據(jù)的預(yù)處理。本文系統(tǒng)主要使用這兩種格式的數(shù)據(jù)取長(zhǎng)補(bǔ)短，完成信息傳輸，在保證數(shù)據(jù)真實(shí)的同時(shí)，加快數(shù)據(jù)解碼速度，至此完成基于分布式衛(wèi)星定位的礦山施工地質(zhì)災(zāi)害實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

2 實(shí)驗(yàn)

表1 監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比

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為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在減少誤差方面有一定的有效性，需要設(shè)計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，與現(xiàn)有的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行比較。選取某礦山，分別使用兩個(gè)系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行滑坡位移監(jiān)測(cè)，利用NEUCORS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)靜態(tài)基線解算，選取觀測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行為期30天的監(jiān)測(cè)觀察，記錄觀測(cè)結(jié)果，如表所示。

從上表可以看出，本文系統(tǒng)監(jiān)測(cè)位移的平均誤差為1.1mm，原有系統(tǒng)監(jiān)測(cè)位移的平均誤差為2.9mm，驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在減少位移誤差方面的有效性。

3 結(jié)語(yǔ)

本文基于分布式衛(wèi)星定位設(shè)計(jì)了礦山施工地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要目的是為了減少地質(zhì)位移監(jiān)測(cè)的誤差。系統(tǒng)從兩方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，硬件中根據(jù)使用環(huán)境選擇接收機(jī)以及天線的類型，在無(wú)線傳輸設(shè)備電路板集成功能芯片；軟件設(shè)計(jì)中利用回歸分析法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理以減少原始數(shù)據(jù)的誤差，規(guī)范了數(shù)據(jù)格式，保證數(shù)據(jù)真實(shí)的同時(shí)，加快數(shù)據(jù)解碼速度。還可以根據(jù)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)建立起內(nèi)容豐富的數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)于相關(guān)的地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)具有重要意義。