华测采空区地表沉降GPS位移在线监测系统.doc

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1、1 采空区地表沉降采空区地表沉降 GPSGPS 位移在线监测系统位移在线监测系统 技术设计书技术设计书 上海华测导航技术有限公司系统集成部上海华测导航技术有限公司系统集成部 20082008 年年 4 4 月月 2 目目 录录 第一章第一章 项目背景项目背景.3 1 1. .1 1 采采空空区区地地表表沉沉降降监监测测的的意意义义 .3 1 1. .2 2 人人工工监监测测方方法法局局限限性性分分析析 .3 1 1. .3 3 G GP PS S 位位移移在在线线监监测测系系统统优优点点分分析析.3 第二章第二章 系统建设目标系统建设目标.4 2.12.1 系统的建设原则系统的建设原则.4 2

2、 2. .2 2 系系统统建建设设的的基基本本要要求求.4 2 2. .3 3 系系统统建建成成后后应应具具备备的的功功能能 .4 第三章第三章 系统总体设计系统总体设计.7 3 3. .1 1 设设计计依依据据.7 3 3. .2 2 系系统统结结构构.8 3.33.3 GPSGPS 监测网布置监测网布置.9 3.3.1 基准站布置.9 3.3.2 监测站布置.10 3.43.4 监控中心监控中心.11 3.4.1 监控中心布置.11 3.4.2 GPSensor变形监测软件.11 3.5 通信方式.13 3.6 系统防护设计.14 第四章第四章 设备预算设备预算.15 4 4. .1 1

3、基基准准站站预预算算.15 4 4. .2 2 监监测测站站预预算算.16 4 4. .3 3 数数据据处处理理中中心心设设备备预预算算.16 3 第一章第一章 项目背景项目背景 1 1. .1 1 采采空空区区地地表表沉沉降降监监测测的的意意义义 采煤引起的覆岩破坏和地表沉陷对煤矿生产安全和环境破坏的威胁是非常严重和无法回避的问 题。开采沉陷和“三下”采煤引发的环境地质灾害使得矿区建筑物、基础设施、农田受损，生态环 境恶化，威胁居民财产和生命安全，激化工农矛盾，是影响矿区经济发展和社会安定的重要因素和 关键问题。 通过对沉降区的监测，及时了解和掌握采空区区域的地表沉降演化过程，捕捉该区域塌陷

4、的特 征信息，为地表沉降的正确分析、评价、预测、预报及治理提供可靠数据和科学依据。 1 1. .2 2 人人工工监监测测方方法法局局限限性性分分析析 由人工定期用传统仪器到现场进行测量，安全监测工作量大，受天气、人工、现场条件等许多 因素的影响，存在一定的系统误差和人工误差。同时，人工监测还存在不能及时监测矿区地表沉降 的各项技术参数，难以及时掌握矿区沉降安全技术指标等缺点，这些都将影响矿山的安全生产和安 全管理水平。 1 1. .3 3 G GP PS S 位位移移在在线线监监测测系系统统优优点点分分析析 与观测边角相对几何关系的传统测量方法相比，GPS 监测具有很大的优点。它可以实现自动化

5、 监测，大大减轻外业强度，同时又能够迅速得到高效可靠的三维点位监测数据。 当然，还有其它优点： 1)避免人工读数和记录引起的人为误差。 2)可以实现远程以及恶劣天气条件下采集数据。 3)每天可进行 24 小时连续监测。 4)可以准确记录失事事件时间，使之与外部因素相关联，比如降雨、地震、人工建造活动。 5)连续监测能快速检测到临界变化，能在事态恶化之前采取处理措施。 6)自动化监测系统可以按程序步骤监测限定阀值、变化速率，从而能在超出预定极限值时 自动报警。 4 第二章第二章 系统建设目标系统建设目标 2.12.1 系统的建设原则系统的建设原则 GPS 位移在线监测系统建设中应坚持“技术先进、

6、高效可靠、经济实用 ”的原则，系统建设应保 证建成后系统的可扩展性（ 随着地下采空区的扩大，地表沉降范围的扩大，可以增加新的监测点），能 为今后系统升级改造后使用，且关键技术均应能得到验证 。 2 2. .2 2 系系统统建建设设的的基基本本要要求求 1） 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； 2） 系统可满足 724 小时长时间可靠运行； 3） 断电情况下，监测系统设备可依靠备用电源连续工作 24 小时以上； 4） 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； 5） 本系统可采用GPRS 通讯，数据传输到控制中心实时处理； 6） 准实时显示和分析

7、形变量，可间断性评估沉降区的健康状况； 7） 数据实时输出给分析软件； 2 2. .3 3 系系统统建建成成后后应应具具备备的的功功能能 对 GPS 原始数据进行 724 小时实时差分处理，进行变形监测，永不间断； 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； 可同时处理多达多个基站和 32 个监测站的数据； 根据多天运行的结果，建立近期的大气延迟（对流层、电离层）模型，提高定位精度和可 靠性； 多基站支持，多基站不但提高了系统的可靠性，而且，根据多基站的观测数据，可以建立 电离层模型，提高长距离监测的精度；根据多基站的处理结果，可

8、以实现实时网平差功能， 提高点位精度和可靠性； 原始数据后处理功能； 5 输入接口协议：RS232、CAN、TCP/IP； 输出接口（远程服务）协议：TCP/IP； 实时显示接收机的信号跟踪状况，如星空图、信噪比、钟差等； 实时显示基线的变化情况，点位的移动情况等； 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； 每个监控站的监控范围可根据用户设置，可从 5 厘米到 5

9、米，相对的，精度可从 2mm 到 1cm（平面） ，高程 3mm 到 2cm。 环境参数输入功能。比如，输入监测站周围障碍物的分布情况，在数据处理时，能剔除常 规方法不能自动剔出的坏数据，提高定位精度。 具有防死机功能，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； 可以调整各个监测站的位置更新率； 支持网络分布式计算； 软件实现 C/S 架构，客户端可以运行在远程； 提供第三方软件接口，如用 COM 组件的方式实现，可实现远程查询、管理、报警； 另外，GPSensor 软件可用于桥梁、大坝、矿区等的监测，可针对不同的工作环境对用户图形 界面进行定制。如针对

10、桥梁监测，GPSensor 的客户端能提供如下功能： 数据库功能，长期观测的数据能保存在数据库中； 整体变形示意图； 历史数据分析； 趋势图； 6 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。 7 第三章第三章 系统总体设计系统总体设计 3 3. .1 1 设设计计依依据据 系统的建设所参照国家标准及技术规范见下表： 名名 称称编号编号批准单位批准单位备注备注 全球导航卫星系统连续运行参考站网建设规范 CH/T2008 国家测绘局 2005 全球定位系统（GPS）测量规范 GB/T 18314 国

11、家测绘局 1991 国家一、二等水准测量规范 GB/T 12897 国家测绘局 1993 工程测量规范 GB 50026 国家技术监督局 1997 计算机信息系统安全保护等级划分准则 GB 17859 国家技术监督局 1994 精密工程测量规范 GB/T 15314 国家技术监督局 1997 全球定位系统城市测量技术规程 CJJ 73-97 中国建设部 1989 测绘产品检查验收规定 CH 1002 国家测绘局 1995 测绘产品质量评定标准 CH 1003 国家测绘局 1995 全球定位系统（GPS）测量型接收机检定规程 CH 8016 国家测绘局 1987 电子设备雷击保护导则 GB 74

12、50 国家技术监督局 1997 建筑物防雷设计规范 GB 50057 国家技术监督局 1994 通信用电源设备通用试验方法 GB/T 16821 国家技术监督局 1988 计算机软件产品开发编写指南 GB853-5 国家技术监督局 1989 计算机软件质量保证计划规范 GB/T 12504 国家技术监督局 1990 计算机软件配置管理计划规范 GB/T 12505 国家技术监督局 混凝土结构设计规范 GBJ 10 国家建设部 1989 8 3 3. .2 2 系系统统结结构构 图 1 系统结构 由上图可知： GPS 位移在线变形监测系统由三部分组成，即 GPS 监测单元（也叫传感器系统） 、

13、数据通讯单元、数据处理与控制单元（GPSensor 软件部分）三部分组成（如果从大的方面分又可 分为硬件和软件两个部分，下面会对这两部分逐一详细说明） ，这三部分为一个有机集合的整体， 它们具体的功能是： 1)传感器系统：传感器系统即 GPS 监测单元，目的是通过 GPS 来反应结构响应，以数字信 号反馈给数据采集系统； 2)数据通讯：通过有线或无线的方式传输 GPS 采集的数据到控制中心； 3)数据处理和控制系统：实时接收并处理工作站系统采集的数据，并对原始数据和处理后数 据进行显示和在线评估及预警。 9 3.33.3 GPSGPS 监测网监测网布置布置 3.3.13.3.1 基准站布置基准

14、站布置 图 2 系统连接拓扑图 监测网由 GPS 基准站和采空区地表 GPS 监测点组成。基准站应布设在采空区外围稳定地表， 基准站选点的要求是点位稳固，在基准点附近没有遮挡、视野开阔，以保证 GPS 信号的良好接受， 同时应尽量避免将基准点选在附近有高反射面的地点以减少多路径效应的影响，避免将基准点选在 大功率无线发射台附近。 为便于进行基准点的稳定性校核，同时为今后矿区的 GPS 控制网提供可靠的，高精度的基准 数据，基准点的数量最好为 2 个，构成框架网。基准点应尽量埋设在基岩上，或在楼顶上。为便于 保护和观测，基准站设有观测房。每个基准站配置有一台高精度 GPS 接收机，一台光纤通信设

15、备、 UPS 电源和蓄电池等，做到基准站上无人值守。 10 图 3 GPS 基准站结构示意图 3.3.23.3.2 监测站布置监测站布置 根据矿区沉陷区面积，在采空区地表设计三个观测断面，每个断面布设 4 个监测点，整个沉降 区总共布设 12 个 GPS 沉降监测点。 图 3 GPS 监测点 监测点靠太阳能供电，监测点与数据中心通过 GPRS 进行数据传输。 11 3.43.4 监控中心监控中心 3.4.13.4.1 监控中心布置监控中心布置 监控中心由多台计算机、软件、通信设备、宽带网和局域网等组成（根据用户现场情况和要求 配置） ，布置在矿务局地质勘测处的大楼内。 监控中心机房包括如下主要

16、设备： . GPS 数据采集服务器，主体为经改装的高性能 P4 个人计算机，配大屏幕监视器，通过通 讯设备与监测点信息收集站内 GPS 接收机相连，内置的专用软件包括数据通信、对现场 控制参数设定、数据备份、运算结果输出显示等功能； . 数据处理服务器，进行 GPS 数据差分后处理、形变计算、变形分析和预报； . 系统主机，DELL2650 服务器（或其它同配置服务器） ，通过局域网与其它信息数据服务器 相连； 4 通信设备，包括光端机、通讯软件、局域网交换机等。 3.4.23.4.2 GPSensorGPSensor 变形监测软件变形监测软件 1）软件结构）软件结构 GPSensor 软件通

17、过网络或串口（RS232，或者 CAN 总线）获得 GPS 的原始数据（载波相位和 伪距） ，对其进行差分处理和滤波，并根据系统设置，实现图形显示、记录、报警、输出、分析。 另外软件还提供了一个远程组件，方便用户的二次开发。 基站 基站 监测站 监测站 监测站 差分计算 及 滤波 差分计算 及 滤波 完备性监测 数据融合 图形显示 记录 报警 输出 远程组件 2）软硬件平台）软硬件平台 硬件平台：至强服务器 2CPU，2G 内存（GPS 专用） 软件平台：Windows2003 12 数据库平台：Oracle 或 SQL 网络平台：接入以太网 GPS 所有的应用软件均部署在上述的硬件平台上。必

18、须保证软件在正常工作时 CPU 的平 均使用率不超过 60。 3）系统架构）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 GPS.1 GPS.N GPSensor.1 GPSensor.2 GPSensor 软件接口 数据库 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 4） GPSensor 的功能模块的功能模块 这里用框图来表示 GPSensor 的主要功能模块。 13 串口通讯 TCP/UPD 通讯 UHF/VHF/MODEM

19、 Trimble Javad/Topcon 电离层改正 Huace 测站环境干扰去除 接收机钟差改正 数据视图 接收机视图 测站变形曲线 接收机分布网图 基线解算视图 监测点点位离散 星历更新窗口 日志 数据记录/远程服务 时间同步 地方坐标转换 系统完备性监测 报警/远程服务 数据导入/导出 原始数据后处理 双差 Kalman 滤波解算 三差 Kalman 滤波解算 实时动态自由网平差 Leica/NovAtel Navcom 远程设置 大坝/桥梁监测客户端 沉降监测客户端 滑坡监测客户端 3.53.5 通信方式通信方式 1） 基准站的串口数据一般通过串口服务器将串口转换为 RJ45 端口，

20、通过局域网直接送到数据 处理服务器。 图 4 基准站与数据中心通讯 14 2） 监测站数据通过 GPRS 模块进入网络。 图 5 监测点与数据中心通讯 3.63.6 系统防护设计系统防护设计 电涌 1是微秒量级的异常大电流脉冲。它可使电子设备受到瞬态过电的破坏。随着半导体器件 的集成化程度的提高，元件间距的减小，半导体的厚度的变薄，使得电子设备受到瞬态过电破坏的 可能性越来越大。如果一个电涌导致的瞬态过电压超过一个电子设备的承受能力，那么这个设备或 者被完全破坏，或者寿命大大缩短。 雷电是导致电涌最明显的原因，雷电击中输电线路会导致巨大的经济损失。每一次电力公司切 换负载而引起的电涌都会缩短各

21、种计算机、通讯设备、仪器仪表和 PLC 的寿命。另外，大型电机 设备、电梯、发电机、空调、制冷设备等也会引发电涌。UPS 也可被电涌摧毁。 建筑物顶部的避雷针在直击雷时可将大部分的放电分流入地，避免建筑物的燃烧和爆炸；UPS 不间断电源可以净化电源并防止电源电压的剧烈波动；二者非常有用，但都不能保护计算机免受电 1 由雷电、供电系统投切负载以及大型电气设备，如电梯、空调、发动机等的开关和运行引起的“瞬态过电”，又称 电涌。据统计，美国 95%的主要计算机设备都安装了电涌防护器，中国则不到 5，而我们的电力系统对计算机的 损坏是美国的 50 倍。 15 涌的破坏，而且 UPS 本身集中很多微处理

22、器，也可被电涌摧毁。由于基准站主要设备架设于露天 制高点，雷电和电涌防护对于基准站的安全非常重要。电涌防护可以分为电力线、通信线、射频线、 露天设备防护等几方面，具体设计如下： 1)在电力线进入 UPS 之前，加装电力线电涌防护设备，隔离 UPS 和电力线。设备选型如：国产中 光 ZGB148A-40 电源线保护设备。 2)在通信线进入通信终端前，加装通信线（数据线）电涌防护设备，选型如：国产中光 ZGB236D9-12 数据线保护器。 3)在 GPS 的射频线进入主机前，加装电涌防护设备，设备选型如：国产中光 ZGB003 TNC 射频线 保护器。 4)在户外设备，尤其是 GPS 天线附近架

23、设建筑物雷电防护设备，设备选型如：国产中光 ZGZ- 200-1.8 避雷针。 第四章第四章 设备预算设备预算 4 4. .1 1 基基准准站站预预算算 项目产品规格产地数量单价价格 GPS 接收机华测参考站接收机中国2 台 天线华测 参考站天线中国2 个 天线电缆长度根据现场具体情况而定国产2 根 网络集线器 100M，8 口中国2 个 APC Smart1000 VA 中国2 台 100AH 电池 4 块 中国2 个 UPS 电源 LAN 通信模块具备控制 接口中国2 个 ZGZ 避雷针中国2 个 ZG 电源线保护器中国2 个 ZG RJ45 数据线保护器中国2 个 防电涌设备 ZG TN

24、C 射频线保护器中国2 个 机柜及机柜安 装配件 19”工业机柜，1.5M，抽拉式， 含配线架、走线架等等 中国2 个 合计 16 4 4. .2 2 监监测测站站预预算算 项目产品规格产地数量单价价格 GPS 接收机 华测监测站（GPS 主机、GPS 天 线、GPS 天线罩、GPS 连接线） 中国12 台 通讯模块华测国产12 个 防电涌设备ZGKT；TNC 接头12 套 避雷针及钢带ZGZ12 套 太阳供电设备12 套 机柜及机柜安 装配件 中国12 个 合计 4 4. .3 3 数数据据处处理理中中心心设设备备预预算算 规格型号产品规格(精度详见附件)产地数量单价价格 专用软件GPSensor 软件中国1 套 工控机P4 2G, 512M，120GHD中国1 台 电涌防护ZG 电源线保护器中国1 台 UPSAPC Smart2200VA UPS 100AH 电池 8 块 中国1 台 带防火墙功能 的路由器 HiPER 3110SOHO 1 台 合计