基于北斗卫星的公路边坡实时监测系统

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随着我国公路建设的飞速发展，公路基础设施的综合防护需求日益突出。我国山地丘陵众多，地质灾害时有发生，有效的边坡安全监测系统，是保障公路畅通、及时应对灾害的最有效途径之一。随着我国北斗卫星导航系统的民用化进程，北斗卫星系统技术用于公路边坡、桥梁变形监测，不受通视条件的限制、选点灵活、实时监测、高自动化，可以根据监测需要，将监测点布设在对变形较敏感的特征点上。相对于传统人工定期检测，具有更高的定位精度、更快的应急反应速度、更强的自动化程度、实时的观测能力。

图片来源北京华星北斗智控公司

系统的设计目标应满足:

(1) 边坡静态位移测量精度达到毫米级，以满足中、长期监测需要。

(2) 监测系统处于野外无人值守，具有 7 × 24h连续工作能力。

(3) 监测系统所在地一般不具备通讯条件，需采用无线传输方式与上一级监控中心进行实时通讯。

(4) 对边坡滑坡具报警能力，并对边坡的位移、变形发展趋势进行预测。

(5) 管养部门可对各测点情况进行实时查看、分析。

华星智控北斗监测技术原理图

系统设计及实现

北斗接收机选择及实施方式由于被监测位置变化比较缓慢，在局部时间区间内可以用线性变化模型替代; 而边坡位移测量精度要求较高，目前静态差分测量技术已经较为成熟，为系统的位移监测提供了理论基础。因此，基于静态差分技术，通过 1 ～2h 的连续观测，以牺牲时间分辨率的方法来提高测量精度，是合理且能够满足系统需求的。

在设备的选择时，根据静态测量试验，在定位精度上，BD/GPS 双系统优于单系统 BD 或 GPS，BD/GPS 双系统在水平及垂直方向精度均有较明显提高，静态定位精度可达到毫米级。考虑边坡长期观测精度要求，系统采用 BD/GPS 双系统。

华星智控北斗公路边坡监测系统组成

在边坡的 关键点安装 BD/GPS 接收机，监测网选用 1 基准站 +n个 测点监测网。监测点位于被监测的边坡体上，分别布设在该边坡变形敏感的部位; 基准站位于边坡下方，在可能发生滑坡的影响区域以外。

同时，系统对边坡进行了综合监测: 在该边坡变形敏感的部位安装多组测斜仪系统，用来监测深部变形; 在边坡下方安装气象站，用来采集边坡雨量、温度、湿度等环境信息，以便对边坡状态进行综合分析、预测及预警。

通信方式及系统架构

该边坡监测系统由传感器系统、信息采集系统、通信系统和分析监测软件系统组成。通信系统主要由边坡区域范围内的通信、边坡与监控用户间的通信两部分构成。边坡区域范围内主要为传感器系统与信息采集系统间的通信，为保证数据的稳定传输、实时存储，采用光纤通信方式。由于该边坡距离最近的通信设施达数公里，不具备架设有线通信线路的条件，因此边坡与监控用户间需采用无线通信方案。

目前广泛应用的无线通讯技术主要有 GPRS/CD-MA、数传电台、卫星通信、无线网桥。数传电台用于点对点或点对多点的工作环境，传输速率在 1200－19. 2Kbps，传输距离可达 20 － 50km，具有抗干扰能力强、接收灵敏度高等特点。随着 GPRS/CDMA 技术的日渐成熟，设备价格的降低，在很多应用场合中数传电台被 GPRS/CDMA 所取代，由于 GPRS/CDMA应该用广泛、基站覆盖面广，因此较少受到传输距离限制，加之 CDMA 技术的不断改进，目前的实际传输速率可达 1Mbps 以上。无线网桥是近几年兴起的数据传输技术，是无线射频技术和传统的有线网桥技术相结合的产物，它通过在链路层实现 LAN 互联的存储转发设备，实现固定数字设备与其他固定数字设备之间的远距离、高速无线组网，传输速率可达百Mbps，传输距离可达 50km。

综合价格、安装维护、传输距离、传输速率因素，系统选用 GPRS/CDMA 通信方式，完成边坡与监控用户间通信。

监测软件设计

边坡监测系统软件主要完成由硬件设备采集的对边坡形态及工作环境监测数据的标准化转换、存储，以及数据的分析、处理和评估功能。该边坡的监测参数包括: 倾斜数据、BD/GPS 数据、气象站数据 (包含雨量、温度、湿度等)。

软件具体完成以下功能:

(1) 完成边坡基本信息及传感器信息的配置与管理。

(2) 完成监测数据的显示、查询、发布。

(3) 完成历史数据的特征统计、趋势分析。

(4) 完成边坡状态评估、安全预警。

(5) 完成数据的标准化转换、存储。

(6) 完成文件和报表管理。

(7) 完成系统配置和用户权限管理。

系统包括的功能模块: 边坡基本信息管理子系统、监测子系统、报表子系统、数据转换子系统、评估分析子系统、系统配置与用户管理子系统。边坡基本信息管理子系统主要完成边坡基本信息描述、传感器布置信息管理等功能; 监测子系统根据监测的参数进行分类，包含北斗监测、倾斜监测、气象监测，分别完成监测数据的显示、查询、发布，同时也能显示不同地理位置上所有的测点; 评估分析子系统完成边坡的状态评估、趋势分析、预警发布等功能; 数据转换子系统完成测斜仪、BD/GPS、气象站原始监测数据到软件系统数据的标准化转换功能。

软件系统采用的技术及特点:

(1) 系统基于 B/S 结构，应用 web 技术，利用B/S 模式提供基于 IE 和 web service 的应用，使得用户在局域网或 Internet 环境下可以随时联网查询边坡状况。

(2) 可伸缩的多层结构，通过中间层设计使得各种不同的应用形式间具有高度的一致性，避免底层

硬件变化和数据处理方法变换对用户产生的影响。