尾矿库安全监控系统设计方案

尾矿库安全监控系统设计方案内容摘要：

，并根据系统设置，实现图形显示、记录、报 警、输出、分析。 由 GPSensor 为核心构成的变形监测网络中的每个 GPS 接收机只需要输出 GPS的原始数据和星历，原始数据包含了 GPS 解算所有必要的伪距和载波相位数据等，星历指 GPS 卫星发播的广播星历。 数据通过广域网、局域网络、串口、无线设备等传到控制中心，控制中心的 GPSensor 软件根据每台 GPS 接收机对应的 IP 地址和端口号，获得每个监测点的原始实时数据流， GPSensor 软件对这些原始数据进行实时差分解算，得到各个监测站的坐标，并存入数据库或发送给客户端。 利用 GPSensor 软件能进行 7 24 小时不 间断观测。 而且，与传统的 RTK 方式相比， GPSensor 具有精度更高，实时性更强的特点。 GPSensor 支持各种主流品牌的单双频 GPS 接收机混合监控。 GPSensor 采用了 C/S 架构，用户可以进行远程监控。 具体的， GPSensor 实时差分变形监测软件的工作流程可用下图表示： 基站 A 基站 B 监测 站 1 监测 站 2 监测 站 N 载波相位 差分计算 载波相位 差分计算 实时网平差 和 数据融合 图形显示 记录 报警 输出 客户端 系统误差 改正模型 远程服务 如图所示， GPSensor 变形监控软件实现了各个监控站的实时差分定位，并具有图形显示、接收机设置、监控站参数设置、观测数据记录、报警等功能。 采用 C/S 架构的 GPSensor 软件方便用户在办公室、监控中心、家中监测系统的健康状况。 GPSensor 实时差分变形监控软件支持英文和中文。 GPSensor 的开发工具为 VC++。 系统架构 整个软件系统技术实现构架图： 数据传输中间件 COM 用户应用程序 G P S . 1 G P S .N G P S ens or .1 G P S ens or .2 G P S ens or软件 接口 数据库 GPSensor 系统架构 其中：数据传输中间件可在远程运行，可以封装在用户的应用程序内，是实现数据传输的软件，封装了数据传输的细节。 可以实现实时数据发送和反向控制和服务器事件响应。 基本功能和指标 ：  可对 GPS 原始数据进行实时差分处理，数据更新率可达 1Hz、 5Hz、 10Hz、 20Hz；  可根据系统参数设置，对不同的监测站的实时差分结果进行 Kalman 滤波，达到不同的动态要求和精度要求；  最多可同时处理多达 2 个基站和 32 个监测站的数据；  输入接口协议： RS23 CAN、 TCP/IP；  输出接口协议： TCP/IP；  实时显示基线的变化情况，点位的移动情况等，软件包括如下视图：实时数据视图、实时网图、趋势图、卫星视图、三维视图、数据管理。  原始数据、解算结果的自动保存功能，可根据用户需求进行设置；  对监测站、基站接收机的远程设置功能，软件上有各个 GPS 接收机的独立监 控 模块，可以向 GPS 接收机发送用户更改参数的命令（如采样间隔、高度截止角等）；  系统完备性监测功能，可对整个系统的健康状况进行监测，包括软件和硬件，比如，一旦某个监测站出现死机现象，软件马上会通过数据信号触发的方式实现接收机自动重启；  每个监控站的监控范围可根据用户设置，可从 10 厘米到 5 米，相应的精度可从 5 毫米到 2厘米 (具体精度还与所使用的 GPS 接收机及其天线有关 )。  回放功能。 回放功能分为两个层次：原始数据层，软件记录原始数据后，可以任意截取其中部分数据，并根据原始数据重新解算并回放的功能；历史状态层，即 根据所选择的时段，对系统的实际工作状态进行回放。  实时的数据采集的延迟不大于 3秒。  可以调整各个监测站的位置更新率；  连接数据库，记录用户需要保留的各项信息；记录的内容如下： GPS 定位数据 坐标； 精度（水平和垂直）； PDOP 值； 使用卫星颗数； 解类型。 卫星数据 卫星颗数； 每颗卫星的坐标； 每颗卫星的信噪比； 每颗卫星的仰角； 基线解信息 基线向量； 基线误差（中误差和相对误差）； 比率值； 协方差阵。 系统状态数据 软件本身的工作状态； 各个机站的工作状态是否正常； 网络连接状态。  第 三方软件接口，用 COM 组件的方式实现，可实现远程查询、管理、报警；  报警功能，报警项可根据用户要求设定，可通过短信、电子邮件等方式进行报警。  权限管理：一般用户只能浏览数据，系统管理员才可能对一些参数进行设置。  数据分析功能：根据用户要求，对监控点进行频域和时域分析。  可靠性： 7 24 小时持续可靠工作。 GPSensor 的特点（与 RTK 比较 和传统静态监测比较 ） 集成了 RTK 功能的 GPSensor 软件，除了也能采用 RTK 方法之外，采用其自身与 RTK 和传统静态 不同的算法后，还具有如下一些特点。 1) 算法 相比 RTK 及传统静态 方法而言， GPSensor 的算法具有如下特点：  GPSensor 采用采用同时刻（在 1微秒之内）的 GPS 原始观测值进行差分解算；而 RTK 方法不需要差分改正数和流动站的观测数据保持同步，一般的参考站接收机差分改正数广播更新率为 1Hz，因此，一般情况下差分改正数会延迟 秒到 2秒不等，在特别情况下，流动站能允许 1分钟之前的差分改正数参与解算；  GPSensor 可以采用扩展的动态非线性 Kalman 滤波算法进行差分解算。  GPSensor 的算法对系统的硬件要求较高，通常在高性能计算机，而 RTK 的算法总 是有 GPS 接收机生产厂商提供，固化在 GPS 接收机内部 ；静态解算需人工干预，一般采用双差固定解得方式。 2) 精度 GPSensor 直接应用 GPS 接收机的原始数据，参考站和流动站的观测数据保持严格的同步，所以，大气层延迟造成的公共误差被最大程度地抵消， GPSensor还采用滤波方法消除 GPS 动态定位数据中的各种随机误差，是输出的定位结果更符合真实的情况，所以 GPSensor 根据采用的 GPS 接收机和 GPS 天线的不同，可以保证毫米级的定位精度，而通常的 RTK 接收机动态定位精度为厘米级。 事例一： 在一个静止点上，采用双频 GPS 接收机 和普通双频 天线进行 实时RTK 解算 ， 解算 结果如下图所示： RTK 实时解算结果 可见 RTK 的定位精度平面在 2个厘米之内，高程在 4个厘米之内。 事例二： 在一个静止点上，采用双频 GPS 接收机 和 普通 双频 天线 ，然后采用 GPSensor 软件对其连续解算 24 个小时，具体解算结果如下图： GPSensor 实时 Kalman 解 算结果 相对 RTK 解算结果其精度有 显著 的 提高。 上图中，平面精度在 10mm左右，高程精度在 15mm 左右。 如采用高精度双频 GPS 天线，能更进一步提高其精度。 事例三： 采用同样的 GPS 接收机 ，在一个静止的点上， 分 20 分钟一个时段对其连续观测 5 个小时的数据，用 某进口后处理软件 对其进行处理，得到结果 如下图所示： 平面后处理结果 高程后处理结果 相对 GPSensor 实时 Kalman 解 算 结果精度有所提高。 上图中，平面精度在8mm 左右，高程精度在 12mm 左右。 如采用高精度双频 GPS 天线，能更进一步提高其精度。 事例四： 采用同样的 GPS 接收机，在一个静止的点上， 分 10 分钟一个时段对其连续观测 5个小时的数据， 用 GPSensor 准动态 Kalman 算法 对其进行处理，得到结果如下图所示： Kalman 算法平面解算结果 Kalman 算法高程解算结果 相对后处理解 算 结果精度又有所提高。 上图中，平面精度在 5mm 左右，高程精度在 8mm 左右。 如采用高精度双频 GPS 天线，能更进一步提高其精度。 注：采用 GPSensor 软件是完全自动解算，而静态后处理需要人工干预。 3) 通讯 因为 GPSensor 仅要求收到 GPS 接收机的原始观测数据，所以，原则上，应要求软件（服务器）与 GPS 接收机之间仅要求实现单向通讯。 而通常的 RTK 方法，要求参考站和流动站之间进行通讯，又要求流动站和数据中心之间进行通讯。 下图是在采用串行端口 GPS 接收机进行网络监控的情况下， GPSensor 和 RTK方式需要建立的数据通讯链路示意图： 参考站 串口 / R J45 R J 45/ 串口 流动站 串口 / R J45 数据中心 RTK 方式下的数据通讯 图 由图可见， RTK 方式下，差分改正数和定位结果需要进行多次传输，上图中，一个监测点的差分数据发送到数据中心，需要进行 3 次串口数据传输，两次网络数据传输。 流动站 串口 / R J45 数据中心 参考站 GPSensor 方式下的数据传输图 由图可见，在 GPSensor 方式下，流动站的原始数据仅需要一次串口数据通讯和一次网络数据通讯，就 可以到达数据中心，参考站可以直接与数据中心服 务器相连。 4) 系统可靠性 RTK 通常应用于测量、高精度导航等，对于 RTK 接收机而言，如 GPS 信号发生失锁那么接收机需要重新初始化，求解整周模糊度，从而造成短时间隔内不能正常输出厘米级定位解。 传统的静态数据处理需要人工干预解算、网平差，同时需要在每一个点上分时段长时间观测，如果监测点是处于移动状态则不能解算出有效的结果。 而 GPSensor 专为变形监测而设计，适用于桥梁、大坝、矿区、滑坡等的变形监测，软件能长时间持续可靠工作，诸如 RTK 经常需要重新初始化 、静态解算需要人工干预不能监测运动物体 、时效性差 等缺点在 GPSensor 里并不存在。 GPSensor 软件运行在数据中心的计算机上，整个计算功能可以设计成冗余模式，增加系统的可靠性，而 RTK 方法不能实现类似的功能。 通过上面的介绍，我们可以对 GPSensor 软件的各项性能和特点有了一个粗略的了解，其中，特别是 GPSensor 对数据通讯的要求较低；同样的数据， GPSensor可以获得更高的精度； GPSensor 可以实现比 RTK 方法 和传统静态方式 更高的可靠性。 软件将原来在接收机内进行解算的工作移植到性能更高、速度更快、更 稳定的计算机上来进行。 系统中所有的 GPS 原始数据都通过网络（有线 /无线）传回到控制中心的计算机上，软件对所有数据进行同步的、实时的解算。 同时，所有的 GPS 接收机设置也都通过控制中心的计算机来执行，完全实现无人值守及远程控制。 GPSensor 系统为科学家，工程师，灾害监测人员提供实时的、极有价值的人工建筑或自然灾害预警信息。 这套系统不用操作人员费时进行数据后处理、分析结果等工作，实时显示变形量，大大延长了预警时间减少自然灾害对生命、财产的损失。 而应用 GPSensor 系统，可以采用无人值守的方法远程管理几十个监测点。 通过设定的临界值，管理者可以通过图形显示得到实时的告警，为决策者提供及时准确的灾害预警信息，避免重大生命、财产损失。 监测系统建设要求：  监测系统无人值守，有人照看、自动运行，年运行可靠率 99%以上；  GPS 硬件具 有良好的物理性能和工作性能，适合长时间连续工作。  实时显示形变量。  数据实时输出给分析软件。 监测原理： 在 GPS amp。 GPSensor 监测系统中，参考站 GPS、监测站 GPS 及控制中心采用 GPRS无线网络通讯方式，与 GPS 系统常用的数传电台通讯方式相比较，一方面提高了系统的通讯可靠性，另一方面可以做到远程控制及管理。 变形监测网络中的每个 GPS接收机都同时输出 GPS的原始数据格式 RT17， RT17包含了 GPS 解算的所有必要的载波相位数据、星历等数据。 通过 GPRS 无线网络传到控制中心。 控制中心根据每台 GPS 接 收机对应的 IP 地址和端口号，获得每个监测点的原始实时数据流。 或者，软件通过远程的端口映射，直接从监测单元的端口获得 GPS 的原始数据流。 监测 点的布置以能全面掌握坝体的变形状态为原则。 一般可选择最大坝高剖面、地基地形变化较大的地段布置观测横断面。 每个观测横断面上应在不易受到人为或天然因素损坏的地点选择几处建立 监测 点，此外在坝脚下游 5— 10m范围内的地面上布置 监测 点。 GPS 测量不需要测量点间通视，但要求对空通视。 在数。