冻土远程实时监测软件系统的开发与应用

钟 华，张 滨，汪恩良，高占坤，刘丽佳

（黑龙江省水利科学研究院，黑龙江 哈尔滨150080）

在我国北方寒冷地区，开展水工建筑物抗冻技术研究是解决水工建筑物安全问题的首要任务。为了提高科学技术研究水平，解决冻土监测的难题，黑龙江省水利科学研究院结合水利部“948”计划——引进国际先进水利科学技术计划项目“寒区冻土实验室监测系统”，独立开发了适用于水利工程野外原位监测和实验室监测的专业软件“冻土远程实时监测软件”。

冻土远程实时监测软件是以寒区水工建筑物冻害防治技术研究为主要素材，利用计算机编程语言、互联网及其数据库的功能，服务于工程冻土监测、寒区水工建筑物冻害破坏机理研究等领域，是进行季节冻土区低温环境下的冻土温度场、应力场和变形等冻胀参数的采集，实现远程实时自动化监测、远程数据传输和数据处理等工作的专业软件。

1 冻土远程实时监测软件系统的设计

冻土远程实时监测软件系统由冻土远程实时监测软件、数据采集与处理系统、传感器系统组成。其中，数据采集与处理系统采用澳大利亚公司生产的DT515／615系列数据采集仪和XSL系列温度巡检仪；传感器系统包括温度传感器、位移传感器、力传感器等。冻土远程实时监测软件可以很好的兼容国内外的仪器设备和传感器。软件界面显示图见图1。

图1 软件界面显示图

1．1 软件开发设计的依据

“冻土远程实时监测软件”是基于 Microsoft．NET Framework架构进行开发的新一代先进的监测软件，其运行环境为 Windows XP／Windows 2003Server操作系统。软件为全中文环境，运行稳定可靠，数据准确、重复性好，操作简便，可根据具体的自定义要求进行系统配置，为每一用户提供口令及硬件加密，保证数据的安全。该软件符合国家标准《信息技术 软件包 质量要求和测试》（GB／T 17544－1998）的规定。

1．2 组织结构及技术原理

1．2．1 组织结构

冻土远程实时监测软件采用模块化组织形式，通过模块分区，进行各种功能的管理与应用［1］。该软件的核心结构主要包括工程管理模块、通讯模块、编程模块、图形建模模块、数据交互模块、传感器库管理模块和帮助模块。其中，工程管理模块包含新建工程、打开工程、保存工程、工程另存为、关闭工程、新建文档等；通讯模块包含串口连接方式、无线连接、巡检采集；编程模块包含DT编程和巡检编程；图形建模模块包含10个可编程模板；数据交互模块包含实时趋势曲线、历时趋势曲线、X－Y曲线、温度等值线（温度场分布）、分析报表、数据显示、数据的导入和导出、终端传输、报警等；传感器库管理模块包含传感器的类型、名称、规格、编号、修正系数、计算公式等信息；帮助模块为软件的应用问题提供技术支持。

1．2．2 技术原理

传感器和数据采集仪用来进行监测数据的采集，通讯模块通过手机GPRS或CDMA远程传输数据，室内终端发送指令及接收数据，并进行数据的分析和后处理。

1．3 软件的技术特点及主要功能

1．3．1 软件的技术特点

（1）易维护：采用模块化设计，在整个项目的进行中，代码的维护只是在局部模块中，维护起来非常方便。

（2）效率高：全中文界面，菜单式设计，各部分功能一目了然，初学者易于掌握，提高了使用效率。

（3）易扩展：软件具有面向对象的特性，设计采用高内聚、低耦合的系统结构，使得系统更灵活、更容易扩展。

1．3．2 软件的主要功能

（1）可实时远程监测各测点测量参数，可根据需要设定测点数据，对原始数据可进行滤波、计算，可远程传输数据，并对数据进行分析和处理。

（2）监测数据能够以多种方式（数据表、时间历程曲线图、X／Y坐标图、模拟图、直方图等）显示，并以数据库形式保存，方便进行历史数据查询。

（3）可直接生成TXT、EXCEL，或其它形式的报表文件。

（4）打印监测数据，实现对系统信息打印的管理功能，提供实时打印、定时打印、随机打印功能。支持对图形、报表、曲线、报警信息、各种统计计算结果等的打印。

（5）具有数据越限报警功能，可现场即时上传报警信息，同时，还具有GSM手机短信报警管理系统。

（6）能对系统中的每一用户进行口令和操作权限的管理，能对不同的用户分配不同的系统访问、操作权限级别，保障运行系统的安全性。

（7）操作界面清晰直观，工具条与按钮操作。显示界面可分为主界面和各子界面，各界面间切换灵活，界面图案可按客户要求灵活改动。

（8）具有在线编辑、维护、修改、扩展功能。系统硬件和软件都满足开放性标准的要求，满足今后系统在硬件节点的增加、数据库容量的扩充、系统软件功能的增强等方面的要求。

1．4 适用行业及用途

“冻土远程实时监测软件”主要用于季节冻土区低温环境下的工程冻土及室内模型试验，采集冻土温度场、应力场和变形等冻胀参数，实现远程实时自动化监测、数据采集、数据传输和数据处理等。

本软件是以满足冻土试验监测的需求为目的，将冻胀参数的实时监测曲线、土体温度场分布、X－Y曲线、历史数据查询，以及远程实时监测和数据采集与传输等功能集于一体的专业软件，主要用于工程冻土室内试验和野外原位观测，为寒区水工建筑物冻害破坏机理研究提供基础平台，实现远程实时自动化监测。

2 冻土远程实时监测软件系统的应用

本软件的应用包括两方面内容，即室内模型和野外原型监测。

2．1 室内模型试验中的应用

结合“948”推广项目“自嵌式景观挡土墙技术开发与示范”，开展自嵌式景观挡土墙冻融循环模型试验研究，利用冻土远程实时监测软件系统对室内模型过程中各参量的变化过程进行远程实时在线监测与控制［2］。

2．1．1 模型试验概述

自嵌式景观挡土墙冻融循环模型试验是利用智能化多功能冻土力学模型试验台在低温冻土实验室进行。通过模拟挡土墙工程的实际工况，寻求冻融循环过程墙体温度场、冻深、冻胀量、墙面侧向位移、加筋材料应变、面板后侧向土压力、加筋土体后水平冻胀力、墙趾水平压力等参数，以及参数随环境温度变化而变化的规律，为景观挡土墙在季节冻土区的应用和工程设计提供理论依据。

2．1．2 模型试验测试系统

数据采集仪采用澳大利亚DT515／615系列数据采集仪、国产XSL系列温度巡检仪。传感器系统采用ROCTEST公司PT100温度传感器、日本PDA－500KPA微型土压力传感器、ROCTEST公司ANCLO－500KN荷载传感器、WYD－100型位移传感器。

2．1．3 模型试验结果及分析

在冻融循环过程中，模型试验土体及挡土墙的各项参数指标的变化过程线见图2—图5。其中，图2为以0℃等温线深度表示的冻深变化过程线。

图2 加筋挡土墙模型试验冻融过程线

由试验结果图2—图5可以看出，该软件系统能够真实的反映试验过程中土体温度、冻深、冻胀量、冻胀力等参量的实时变化情况，通过采用土体温度场冻结温度面代替冻结锋面，能够绘制指定时刻的温度场分布图，实现冻土温度场的实时显示。

图3 加筋挡土墙最大冻深时的土体温度场分布

图4 墙后土体冻胀量变化过程线

图5 加筋挡土墙后侧壁处水平冻胀力变化过程线

2．2 野外监测中的应用

结合水利部公益性行业科研专项经费项目“深季节冻土区工程冻土综合技术研究”的子项目——“水工土质边坡冻害破坏机理及稳定性模拟技术研究”的现场观测项目，利用冻土远程实时监测软件系统，对现场试验段相应的冻胀参数进行远程实时在线监测与控制［3］。

2．2．1 野外监测试验段概述

北部引嫩工程总干渠乌南段冻胀破坏比较普遍，乌南54km左右的渠段破坏最为严重。结合现场实际情况，选定54＋700处为试验段，监测断面布置在左岸。根据土质边坡冻胀破坏特点及实际需要，主要监测环境气象要素，气温；冻胀参数，包括地温、冻深、冻胀量、分层含水量、孔隙水压力、地下水位。

2．2．2 监测结果与分析

野外监测与室内模型试验监测项目相似，故野外监测结果仅以温度变化情况为例。在一个冻融周期的野外监测过程中，土体温度变化过程线见图6。

图6 土体温度变化过程线

由监测结果图6可以看出，该软件系统能够适应野外恶劣的自然条件，真实的反映冻融过程中土体温度的实时变化情况，能够很好的兼容国内外的仪器设备和传感器。通过GPRS和CDMA通讯技术的应用，实现了水利行业野外冻土数据自动采集真正意义上的远程监测与控制，确保了通讯数据的可靠性和实时性。

3 技术优势

与国外同类技术相比，本项目开发的“冻土远程实时监测软件”系统主要用于季节冻土区低温环境下的冻土温度场、应力场和变形等冻胀参数的采集，实现远程实时自动化监测、数据传输和数据处理等，该技术核心内容经过科技查新，尚未见有相关报道。该软件系统的优势如下：

（1）软件采用全中文操作界面，支持所有的通讯模式，能够很好的兼容国内外的仪器设备和传感器，使室内模型试验和野外原位观测实现了自动化和远程实时在线监测。

（2）首次开发了季节冻土温度场实时显示技术，通过采用土体温度场冻结温度面代替冻结锋面，并以此确定冻土层厚度，解决了长久以来冻深观测不能实现自动化的难题。利用自动监测系统的实时数据，实现了寒区冻土温度场的实时可视化功能，使寒区冻土的实时监测更加直观。

（3）该软件适用于我国寒区气候条件，可用于建筑物冻害破坏机理等问题的研究。通过应用GPRS和CDMA通讯技术，实现了水利行业野外冻土数据自动采集真正意义上的远程监测与控制，确保了通讯数据的可靠性和实时性。

（4）该软件还具有易维护、效率高、易扩展的优点。

4 结 语

冻土远程实时监测软件具有性能稳定、可靠性高、数据准确、重复性好、操作简便等优点，不仅满足一般性的监测要求，而且还适用于寒区工程野外冻土监测和低温室内模型试验监测。该软件的应用将对我国冻土区水利工程建设的可持续发展起到积极的推动作用，在水利工程等领域具有广阔的推广应用前景。

［1］沈连丰，宋铁成，叶芝慧．嵌入式系统及其开发应用［M］．北京：电子工业出版社，2005．

［2］程卫国，钟华，张滨，等．自嵌式加筋挡土墙冻融循环模型试验研究［C］／／杨广庆主编．土工合成材料加筋——机遇与挑战，北京：中国铁道出版社，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．