基于北斗卫星的公路边坡实时监测系统

我国山地丘陵众多地质灾害频频发生，严重危害着国民的生命财产安全，一直以来都受到国家和人民的高度关注，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。 “互联网+”技术的蓬勃发展带动了地质安全监测领域信息化的发展，本系统的设计与开发，意在利用北斗卫星导航系统、互联网及无线通讯技术开发出一套测量精度高、通讯实时强、交互方便快捷的监测系统。 

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。 

随着我国发展的战略需要并作为国家重要的行为，北斗卫星导航系统的发展在近些年极为迅猛，并根据全球导航系统的各自特点，导航系统及其产业在经历着4大转变：

从单一的GPS时代转变为真正实时性的多星座并存兼容的GNSS（全球卫星导航系统，Global Navigation Satellite System）开创了卫星导航系统全球化和增强多模式化的新阶段；

从以卫星导航系统为主体转变为定位、导航及授时（positioning navigation time，PNT）与无线移动通讯和互联网等信息载体高度融合的新时期，开创信息融合和产业一体化及应用智能化的新阶段；

从经销产业产品为逐步转化为以运营服务为主的新局面，从而开创应用大众化、服务产业化及信息智能化的新阶段；

从室外导航系统为主转变为室内外无缝导航定位的新时空服务体系的新纪元，开创了以卫星导航系统为基石的多手段融合、天地一体化、服务广泛化及智能化的新阶段

系统特点

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。 

技术原理

2个或更多测站之间的相对定位，如下图所示，如果A和B点在同一时间内观测了相同的一组卫星（至少4颗）。而且A是已知点，通过某种数据链，把原始改正信息传到B点，那么B点的位置就会很精确，静态毫米级别精度。

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。

在监测区域安装BD/GPS接收机，作为监测系统的测量站，安装在敏感区域，采用RTK差分测量的方法组成监测区域网，基准站选择地势安全稳定区域进行布点，从而保证监测系统的数据可靠性。

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。

本系统中的无线传输模块可通过公网无线通讯模块及ZigBee管网系统进行无线数据通讯，在本系统中主要利用3G物联网模块进行无线传输，通过插入手机卡，购买流量进行运营，方便快捷，可靠性高。3G物联网模块基于联通3G网络，集电压、电流、开关量采集和控制技术（RTU）、串口数据透明传输技术（DTU）、北斗定位技术为一体的处于工业级别物联网模块，具有RS232和RS485串口，将串口设备的数据通过3G网络远距离传输，实现从用户设备到用户软件系统之间的无线、远距离、双向数据通信功能。可配置物理传感器，如温度、湿度、压力、加速度、陀螺仪、地磁传感器等；可在室内、室外使用，在室内使用时采用金属外壳，保护等级IP30（防尘不防水），在室外使用时采用金属外壳和铸铝防水盒双重保护，防护等级IP65（防尘防水）；主要应用于用户设备位置分散、现场布线困难、远距离操作的工业环境。

RTK-GBG810、RTK-GBG820、RTK-GPG610系列接收机是北京世纪联信科技有限公司自主研发的高精度多数据接口多模卫星接收机，包括基站、测量站、天线系统，根据不同的应用场景分为有线型（RS232/RS485/RS422/以太网）、无线型（3G/4G/WIFI/ZIGBEE）等产品，支持断线重连以及反向控制。使用采用牢固的IP65防护外壳，具有高抗压性，防尘防水，可长期工作于恶劣自然条件下。

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，基于B/S结构，利用ACE框架进行web service管理中心开发，使用户在联网状态（公网或局域网）下随时随地查看边坡状况。

系统具有以下功能：

(1)对事件事务（项目）、字典等进行配置与管理

(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)完成地图、周围环境、系统配置和用户权限配置与管理。