凍土遠程實時監測軟件系統的開發與應用

鐘 華，張 濱，汪恩良，高占坤，劉麗佳

（黑龍江省水利科學研究院，黑龍江 哈爾濱150080）

在我國北方寒冷地區，開展水工建筑物抗凍技術研究是解決水工建筑物安全問題的首要任務。為了提高科學技術研究水平，解決凍土監測的難題，黑龍江省水利科學研究院結合水利部“948”計劃——引進國際先進水利科學技術計劃項目“寒區凍土實驗室監測系統”，獨立開發了適用于水利工程野外原位監測和實驗室監測的專業軟件“凍土遠程實時監測軟件”。

凍土遠程實時監測軟件是以寒區水工建筑物凍害防治技術研究為主要素材，利用計算機編程語言、互聯網及其數據庫的功能，服務于工程凍土監測、寒區水工建筑物凍害破壞機理研究等領域，是進行季節凍土區低溫環境下的凍土溫度場、應力場和變形等凍脹參數的采集，實現遠程實時自動化監測、遠程數據傳輸和數據處理等工作的專業軟件。

1 凍土遠程實時監測軟件系統的設計

凍土遠程實時監測軟件系統由凍土遠程實時監測軟件、數據采集與處理系統、傳感器系統組成。其中，數據采集與處理系統采用澳大利亞公司生產的DT515／615系列數據采集儀和XSL系列溫度巡檢儀；傳感器系統包括溫度傳感器、位移傳感器、力傳感器等。凍土遠程實時監測軟件可以很好的兼容國內外的儀器設備和傳感器。軟件界面顯示圖見圖1。

圖1 軟件界面顯示圖

1．1 軟件開發設計的依據

“凍土遠程實時監測軟件”是基于 Microsoft．NET Framework架構進行開發的新一代先進的監測軟件，其運行環境為 Windows XP／Windows 2003Server操作系統。軟件為全中文環境，運行穩定可靠，數據準確、重復性好，操作簡便，可根據具體的自定義要求進行系統配置，為每一用戶提供口令及硬件加密，保證數據的安全。該軟件符合國家標準《信息技術 軟件包 質量要求和測試》（GB／T 17544－1998）的規定。

1．2 組織結構及技術原理

1．2．1 組織結構

凍土遠程實時監測軟件采用模塊化組織形式，通過模塊分區，進行各種功能的管理與應用［1］。該軟件的核心結構主要包括工程管理模塊、通訊模塊、編程模塊、圖形建模模塊、數據交互模塊、傳感器庫管理模塊和幫助模塊。其中，工程管理模塊包含新建工程、打開工程、保存工程、工程另存為、關閉工程、新建文檔等；通訊模塊包含串口連接方式、無線連接、巡檢采集；編程模塊包含DT編程和巡檢編程；圖形建模模塊包含10個可編程模板；數據交互模塊包含實時趨勢曲線、歷時趨勢曲線、X－Y曲線、溫度等值線（溫度場分布）、分析報表、數據顯示、數據的導入和導出、終端傳輸、報警等；傳感器庫管理模塊包含傳感器的類型、名稱、規格、編號、修正系數、計算公式等信息；幫助模塊為軟件的應用問題提供技術支持。

1．2．2 技術原理

傳感器和數據采集儀用來進行監測數據的采集，通訊模塊通過手機GPRS或CDMA遠程傳輸數據，室內終端發送指令及接收數據，并進行數據的分析和后處理。

1．3 軟件的技術特點及主要功能

1．3．1 軟件的技術特點

（1）易維護：采用模塊化設計，在整個項目的進行中，代碼的維護只是在局部模塊中，維護起來非常方便。

（2）效率高：全中文界面，菜單式設計，各部分功能一目了然，初學者易于掌握，提高了使用效率。

（3）易擴展：軟件具有面向對象的特性，設計采用高內聚、低耦合的系統結構，使得系統更靈活、更容易擴展。

1．3．2 軟件的主要功能

（1）可實時遠程監測各測點測量參數，可根據需要設定測點數據，對原始數據可進行濾波、計算，可遠程傳輸數據，并對數據進行分析和處理。

（2）監測數據能夠以多種方式（數據表、時間歷程曲線圖、X／Y坐標圖、模擬圖、直方圖等）顯示，并以數據庫形式保存，方便進行歷史數據查詢。

（3）可直接生成TXT、EXCEL，或其它形式的報表文件。

（4）打印監測數據，實現對系統信息打印的管理功能，提供實時打印、定時打印、隨機打印功能。支持對圖形、報表、曲線、報警信息、各種統計計算結果等的打印。

（5）具有數據越限報警功能，可現場即時上傳報警信息，同時，還具有GSM手機短信報警管理系統。

（6）能對系統中的每一用戶進行口令和操作權限的管理，能對不同的用戶分配不同的系統訪問、操作權限級別，保障運行系統的安全性。

（7）操作界面清晰直觀，工具條與按鈕操作。顯示界面可分為主界面和各子界面，各界面間切換靈活，界面圖案可按客戶要求靈活改動。

（8）具有在線編輯、維護、修改、擴展功能。系統硬件和軟件都滿足開放性標準的要求，滿足今后系統在硬件節點的增加、數據庫容量的擴充、系統軟件功能的增強等方面的要求。

1．4 適用行業及用途

“凍土遠程實時監測軟件”主要用于季節凍土區低溫環境下的工程凍土及室內模型試驗，采集凍土溫度場、應力場和變形等凍脹參數，實現遠程實時自動化監測、數據采集、數據傳輸和數據處理等。

本軟件是以滿足凍土試驗監測的需求為目的，將凍脹參數的實時監測曲線、土體溫度場分布、X－Y曲線、歷史數據查詢，以及遠程實時監測和數據采集與傳輸等功能集于一體的專業軟件，主要用于工程凍土室內試驗和野外原位觀測，為寒區水工建筑物凍害破壞機理研究提供基礎平臺，實現遠程實時自動化監測。

2 凍土遠程實時監測軟件系統的應用

本軟件的應用包括兩方面內容，即室內模型和野外原型監測。

2．1 室內模型試驗中的應用

結合“948”推廣項目“自嵌式景觀擋土墻技術開發與示范”，開展自嵌式景觀擋土墻凍融循環模型試驗研究，利用凍土遠程實時監測軟件系統對室內模型過程中各參量的變化過程進行遠程實時在線監測與控制［2］。

2．1．1 模型試驗概述

自嵌式景觀擋土墻凍融循環模型試驗是利用智能化多功能凍土力學模型試驗臺在低溫凍土實驗室進行。通過模擬擋土墻工程的實際工況，尋求凍融循環過程墻體溫度場、凍深、凍脹量、墻面側向位移、加筋材料應變、面板后側向土壓力、加筋土體后水平凍脹力、墻趾水平壓力等參數，以及參數隨環境溫度變化而變化的規律，為景觀擋土墻在季節凍土區的應用和工程設計提供理論依據。

2．1．2 模型試驗測試系統

數據采集儀采用澳大利亞DT515／615系列數據采集儀、國產XSL系列溫度巡檢儀。傳感器系統采用ROCTEST公司PT100溫度傳感器、日本PDA－500KPA微型土壓力傳感器、ROCTEST公司ANCLO－500KN荷載傳感器、WYD－100型位移傳感器。

2．1．3 模型試驗結果及分析

在凍融循環過程中，模型試驗土體及擋土墻的各項參數指標的變化過程線見圖2—圖5。其中，圖2為以0℃等溫線深度表示的凍深變化過程線。

圖2 加筋擋土墻模型試驗凍融過程線

由試驗結果圖2—圖5可以看出，該軟件系統能夠真實的反映試驗過程中土體溫度、凍深、凍脹量、凍脹力等參量的實時變化情況，通過采用土體溫度場凍結溫度面代替凍結鋒面，能夠繪制指定時刻的溫度場分布圖，實現凍土溫度場的實時顯示。

圖3 加筋擋土墻最大凍深時的土體溫度場分布

圖4 墻后土體凍脹量變化過程線

圖5 加筋擋土墻后側壁處水平凍脹力變化過程線

2．2 野外監測中的應用

結合水利部公益性行業科研專項經費項目“深季節凍土區工程凍土綜合技術研究”的子項目——“水工土質邊坡凍害破壞機理及穩定性模擬技術研究”的現場觀測項目，利用凍土遠程實時監測軟件系統，對現場試驗段相應的凍脹參數進行遠程實時在線監測與控制［3］。

2．2．1 野外監測試驗段概述

北部引嫩工程總干渠烏南段凍脹破壞比較普遍，烏南54km左右的渠段破壞最為嚴重。結合現場實際情況，選定54＋700處為試驗段，監測斷面布置在左岸。根據土質邊坡凍脹破壞特點及實際需要，主要監測環境氣象要素，氣溫；凍脹參數，包括地溫、凍深、凍脹量、分層含水量、孔隙水壓力、地下水位。

2．2．2 監測結果與分析

野外監測與室內模型試驗監測項目相似，故野外監測結果僅以溫度變化情況為例。在一個凍融周期的野外監測過程中，土體溫度變化過程線見圖6。

圖6 土體溫度變化過程線

由監測結果圖6可以看出，該軟件系統能夠適應野外惡劣的自然條件，真實的反映凍融過程中土體溫度的實時變化情況，能夠很好的兼容國內外的儀器設備和傳感器。通過GPRS和CDMA通訊技術的應用，實現了水利行業野外凍土數據自動采集真正意義上的遠程監測與控制，確保了通訊數據的可靠性和實時性。

3 技術優勢

與國外同類技術相比，本項目開發的“凍土遠程實時監測軟件”系統主要用于季節凍土區低溫環境下的凍土溫度場、應力場和變形等凍脹參數的采集，實現遠程實時自動化監測、數據傳輸和數據處理等，該技術核心內容經過科技查新，尚未見有相關報道。該軟件系統的優勢如下：

（1）軟件采用全中文操作界面，支持所有的通訊模式，能夠很好的兼容國內外的儀器設備和傳感器，使室內模型試驗和野外原位觀測實現了自動化和遠程實時在線監測。

（2）首次開發了季節凍土溫度場實時顯示技術，通過采用土體溫度場凍結溫度面代替凍結鋒面，并以此確定凍土層厚度，解決了長久以來凍深觀測不能實現自動化的難題。利用自動監測系統的實時數據，實現了寒區凍土溫度場的實時可視化功能，使寒區凍土的實時監測更加直觀。

（3）該軟件適用于我國寒區氣候條件，可用于建筑物凍害破壞機理等問題的研究。通過應用GPRS和CDMA通訊技術，實現了水利行業野外凍土數據自動采集真正意義上的遠程監測與控制，確保了通訊數據的可靠性和實時性。

（4）該軟件還具有易維護、效率高、易擴展的優點。

4 結 語

凍土遠程實時監測軟件具有性能穩定、可靠性高、數據準確、重復性好、操作簡便等優點，不僅滿足一般性的監測要求，而且還適用于寒區工程野外凍土監測和低溫室內模型試驗監測。該軟件的應用將對我國凍土區水利工程建設的可持續發展起到積極的推動作用，在水利工程等領域具有廣闊的推廣應用前景。

［1］沈連豐，宋鐵成，葉芝慧．嵌入式系統及其開發應用［M］．北京：電子工業出版社，2005．

［2］程衛國，鐘華，張濱，等．自嵌式加筋擋土墻凍融循環模型試驗研究［C］／／楊廣慶主編．土工合成材料加筋——機遇與挑戰，北京：中國鐵道出版社，2009：310－317．

［3］Xiangmin Qu，Hua Zhong，Xiufen Wang，et al．Field monitoring and analysis of hydraulic soil slope frost heaving damage［J］．Applied mechanics and materials，2013，353－356：2445－2449．