於永东，林国利，陈炳富，汤向行，张家乐

(广州中海达定位技术有限公司，广东广州511400)

一、前 言

尾矿库是指筑坝拦截谷口或围地构成的、用以堆存金属或非金属矿山进行矿石选别后排出尾矿或其他废渣的场所［1］。我国尾矿库数量多、规模小，且大都采用稳定性差的上游式筑坝，安全形势非常严峻，尾矿库事故时有发生。2008年9月28日，国务院安委会向各省级人民政府下发了《关于全面开展尾矿库安全生产大检查工作的通知》(安委明电［2008］2号)，通过大检查，基本摸清了尾矿库底数:核定全国尾矿库为12 655座，较大检查前增加3665座。其中，已颁发安全生产许可证的5199座，正在申请办理的1746座，在建的1907座，已闭库的1950座，应停用的1853座。由于尾矿库中含有矿石选别后遗留的氰化物、氯化物、硫化物等有害物质，一旦发生溃坝事故，将会给下游人民群众生命和财产安全造成巨大损失，对自然和生态环境造成严重污染，影响经济的发展和社会的繁荣稳定。

目前，我国只有少数尾矿库实现了坝体稳定性的安全监控，且基本采用人工测量的办法。人工监测时间间隔较长，测量工作量大，测试精度受人为因素干扰，限制了测量数据在尾矿库事故预测预报中作用的发挥。因此探索一种新型技术监测尾矿库坝体位移就显得尤为必要。基于GNSS技术的变形监测理论和方法是目前极为重要的监测手段之一。相比传统的测绘作业方法，GNSS卫星定位技术有着全天候、高精度、高效率、实时动态等显著的特点和优势，这是常规测量作业难以比拟的。GNSS卫星定位技术已经广泛应用于滑坡、大坝、桥梁等领域的监测［2］，笔者对GNSS技术在尾矿库坝体变形监测方面作了些探索和尝试。

二、GNSS(BDS/GPS)双系统组合相对定位技术

GPS已经广泛应用于各种变形监测项目中，而我国BDS卫星导航系统目前已经正式向亚太大部分地区提供区域服务，为BDS和GPS组合相对定位提供了可能性。与之前单一的GPS相比，双系统组合相对定位在连续性、可用性、效率和精度等方面都更有优势。

由于BDS与GPS的载波频率不一致，采用载波相对定位进行组合相对定位时，模糊度的处理方法与单GPS定位存在较大差别。因此，该技术的关键问题在于BDS/GPS组合相对定位中整周模糊度的固定方法。中海达变形监测数据解算软件GNSSMonitor(如图1所示)通过载波相位双差观测模型等一系列数学模型和模糊度处理方法，解决了BDS/GPS组合相对定位中整周模糊度的固定方法问题。通过软件的基线解算设置模块可以选择采用某一种GNSS系统进行单系统相对定位解算，亦可采用某几种系统进行组合相对定位解算。经过多次试验，单独依靠BDS进行静态解算与单独依靠GPS进行静态解算，两者精度相当;如果采用BDS/GPS组合相对定位静态解算，与单系统相比，解算精度将大大提高。目前，单独依靠BDS系统可以实现相对定位解算，但其星座分布和卫星数目还不如GPS。但在不理想的观测条件下，BDS与GPS组合相对定位能够很好地增强观测卫星的几何分布图形强度，比单一系统在可靠性、精度上具有明显提高［3］。

三、尾矿库坝体GNSS变形监测系统设计

保证尾矿库和坝体下游人民生命财产的安全要求监测系统能够可靠、稳定并且长期实时地工作，以确保监测点的数据连续不间断采集。系统采用稳定可靠的通信介质实现数据的远程采集和传输。监测系统能全天候对监测点进行观测，监测数据实时传回至监控中心，进行实时解算分析。监控软件能对接收的数据进行快速解算，实时显示监测状态，实现数据显示、打印、储存。监控软件可远程调试，进行故障排除和系统恢复。

图1 中海达变形监测数据解算软件GNSSMonitor

监测系统由数据采集系统、数据通信系统、监控中心、数据综合管理系统4个子系统组成，系统组成框架如图2所示。

图2 监测系统总体框架图

数据采集系统包括高精度大地测量型GNSS天线、GNSS卫星接收机、电源系统。如果现场供电方便，可采用交流电源供电;考虑到尾矿库现场采用交流供电可能比较困难，可采用风光互补的供电模式，由太阳能电池板和风力发电机给蓄电池充电，再由蓄电池给现场设备供电。在方案设计时，应考虑各设备的供电电压及其相应的功耗。为了防止直击雷、感应雷和雷电波对尾矿库坝体变形监测单元的破坏，主要采取外部防雷和内部防雷措施。外部防雷系统由避雷针、引下线、接地网等组成，主要是在GNSS卫星天线的顶部安装避雷针，与接地网相连，使雷电流沿最短路径泄入大地。内部防雷系统主要是在电源线路、信号线路上安装电源避雷器和信号防雷器。这样充分保证了每个点位GNSS接收机设备的安全，使每个点位的GNSS接收机做到24 h连续不断电安全采集监测数据。

数据通信系统采用光纤有线传输系统，不受电磁波干扰，也不会受距离的限制，可以实现远距离稳定、可靠的传输。监控中心接收端需要一台有RS-232接口的计算机，通过光端机与光纤相连，就可以实现数据的连续接收。远程数据传输分为有线传输和无线传输两种方式。除了选用光纤有线传输之外，还可以选用数传电台、GSM/GPRS、CDMA移动通信网络等无线传输方式。这样应对不同的现场监测环境，可以提供不同的通信方式以帮助现场合理化施工。

监控中心内设有中心服务器，数据接收、处理及成果展示工作站。中心服务器具备文件服务器、数据库服务器等功能，在局域网内可以实现办公自动化和信息共享。控制中心具有两方面的职能:一方面检验数据的准确性和可靠性，采集经由光纤传来的数据，监视设备的工作状态;另一方面负责数据的解算、成果的入库和结果分析等。监控中心的建立使用户在室内任意一台连通网络的计算机即可登陆到监控中心，实时了解监测现场的具体安全状况，真正实现了室外现场安全监测与室内办公一体化。

四、监测系统软件的设计与实现

监测系统融合了计算机网络技术、传感器技术、多媒体技术和现代通信技术，系统的各种硬件设备都需要很高的技术含量，监测系统软件则是发挥各种硬件设备功效的核心所在。监测软件需实现监测数据从采集、解算、数据管理等一系列自动化操作。软件应保证监测系统内所有监测点GNSS数据实时传输，并实时进行数据转化、解算分析等一系列处理。软件应具有较高的可靠性，确保数据的正常处理和分析结果的正确性。软件应采用模块化设计模式，模块化设计模式可以使软件在进行功能升级和扩展时，只需修改相应的模块即可，使系统具有良好的扩展能力。此外，模块化设计模式还可以减少软件研发人员的劳动强度，提高程序代码的使用率。

作为在Windows环境下进行程序开发的C#具有优良的可视化开发环境、快速的编译能力和高效的可执行程序，以及组件的可复用性和扩展性、强大的数据库开发功能，可以满足尾矿库坝体变形监测系统软件开发的要求，能够实现软件的最终效果。因此，本文采用C#作为开发平台，使用SQL Server数据库，高效开发了尾矿库坝体变形监测系统软件。

尾矿库坝体变形监测系统软件分为数据通信、数据库管理、监测数据分析及显示、预报预警4个模块。

数据通信模块是进行信息处理的基础，它通过光纤接收来自监测点的实时数据，对数据进行适当的归类和存储，供其他模块对接收存储的数据进行下一步处理。此外，数据通信模块还可以根据通信协议，对GNSS接收机发送命令，以控制数据接收。

数据库管理模块通过SQL Server数据库，对监测点传回的数据进行管理。除存储数据外，数据库管理部分还包括数据的可视化查询、文件格式转换等功能。

数据分析模块负责对存储于数据库的数据进行解算和分析，生成相关的变形曲线(如图3所示)和报表。该部分预先存储监测工程中各类监测传感器的相关参数和初始坐标，实时访问数据库时，可根据用户需求，通过计算分析，生成变形曲线和报表，并根据相关规范判断当前坝体稳定性。

图3 变形监测曲线

预报预警模块可根据用户预先设定的各级报警类别，综合各类监测信息，发出不同等级的报警信息，有声光报警、短信报警、邮件报警等。

五、结束语

利用GNSS技术对尾矿库坝体变形进行监测解决了传统人工观测的诸多不足，GNSS监测系统可全天候、高精度、高效率地工作。监测系统的建成能有效获得尾矿库坝体变形的动态演化过程，加强了尾矿库的安全监管，把握了尾矿库的安全现状，对减少尾矿库事故的发生具有重要意义。

［1］曾群伟，谢殿荣，苏举端，等.尾矿库溃坝的安全监测［J］.工业安全与环保，2010，36(1):44-46.

［2］YOZO F.Vibration，Control and Monitoring of Long-span Bridges-recent Research，Developments and Practice in Japan［J］.Journal of Constructional Steel Research，2002(58):71-97.

［3］於永东，林国利，陈炳富，等.BDS和GPS双系统组合相对定位技术在抚顺采空区地面沉降在线监测中的应用［J］.测绘通报，2013(10):137-138.