凍土遠(yuǎn)程實時監(jiān)測軟件系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用

鐘 華，張 濱，汪恩良，高占坤，劉麗佳

（黑龍江省水利科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱150080）

在我國北方寒冷地區(qū)，開展水工建筑物抗凍技術(shù)研究是解決水工建筑物安全問題的首要任務(wù)。為了提高科學(xué)技術(shù)研究水平，解決凍土監(jiān)測的難題，黑龍江省水利科學(xué)研究院結(jié)合水利部“948”計劃——引進(jìn)國際先進(jìn)水利科學(xué)技術(shù)計劃項目“寒區(qū)凍土實驗室監(jiān)測系統(tǒng)”，獨(dú)立開發(fā)了適用于水利工程野外原位監(jiān)測和實驗室監(jiān)測的專業(yè)軟件“凍土遠(yuǎn)程實時監(jiān)測軟件”。

凍土遠(yuǎn)程實時監(jiān)測軟件是以寒區(qū)水工建筑物凍害防治技術(shù)研究為主要素材，利用計算機(jī)編程語言、互聯(lián)網(wǎng)及其數(shù)據(jù)庫的功能，服務(wù)于工程凍土監(jiān)測、寒區(qū)水工建筑物凍害破壞機(jī)理研究等領(lǐng)域，是進(jìn)行季節(jié)凍土區(qū)低溫環(huán)境下的凍土溫度場、應(yīng)力場和變形等凍脹參數(shù)的采集，實現(xiàn)遠(yuǎn)程實時自動化監(jiān)測、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理等工作的專業(yè)軟件。

1 凍土遠(yuǎn)程實時監(jiān)測軟件系統(tǒng)的設(shè)計

凍土遠(yuǎn)程實時監(jiān)測軟件系統(tǒng)由凍土遠(yuǎn)程實時監(jiān)測軟件、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)組成。其中，數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)采用澳大利亞公司生產(chǎn)的DT515／615系列數(shù)據(jù)采集儀和XSL系列溫度巡檢儀；傳感器系統(tǒng)包括溫度傳感器、位移傳感器、力傳感器等。凍土遠(yuǎn)程實時監(jiān)測軟件可以很好的兼容國內(nèi)外的儀器設(shè)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(fā)設(shè)計的依據(jù)

“凍土遠(yuǎn)程實時監(jiān)測軟件”是基于 Microsoft．NET Framework架構(gòu)進(jìn)行開發(fā)的新一代先進(jìn)的監(jiān)測軟件，其運(yùn)行環(huán)境為 Windows XP／Windows 2003Server操作系統(tǒng)。軟件為全中文環(huán)境，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、重復(fù)性好，操作簡便，可根據(jù)具體的自定義要求進(jìn)行系統(tǒng)配置，為每一用戶提供口令及硬件加密，保證數(shù)據(jù)的安全。該軟件符合國家標(biāo)準(zhǔn)《信息技術(shù) 軟件包 質(zhì)量要求和測試》（GB／T 17544－1998）的規(guī)定。

1．2 組織結(jié)構(gòu)及技術(shù)原理

1．2．1 組織結(jié)構(gòu)

凍土遠(yuǎn)程實時監(jiān)測軟件采用模塊化組織形式，通過模塊分區(qū)，進(jìn)行各種功能的管理與應(yīng)用［1］。該軟件的核心結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)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(guān)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)的導(dǎo)入和導(dǎo)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(guī)格、編號、修正系數(shù)、計算公式等信息；幫助模塊為軟件的應(yīng)用問題提供技術(shù)支持。

1．2．2 技術(shù)原理

傳感器和數(shù)據(jù)采集儀用來進(jìn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集，通訊模塊通過手機(jī)GPRS或CDMA遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)，室內(nèi)終端發(fā)送指令及接收數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析和后處理。

1．3 軟件的技術(shù)特點(diǎn)及主要功能

1．3．1 軟件的技術(shù)特點(diǎn)

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

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

（3）易擴(kuò)展：軟件具有面向?qū)ο蟮奶匦?，設(shè)計采用高內(nèi)聚、低耦合的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使得系統(tǒng)更靈活、更容易擴(kuò)展。

1．3．2 軟件的主要功能

（1）可實時遠(yuǎn)程監(jiān)測各測點(diǎn)測量參數(shù)，可根據(jù)需要設(shè)定測點(diǎn)數(shù)據(jù)，對原始數(shù)據(jù)可進(jìn)行濾波、計算，可遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。

（2）監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠以多種方式（數(shù)據(jù)表、時間歷程曲線圖、X／Y坐標(biāo)圖、模擬圖、直方圖等）顯示，并以數(shù)據(jù)庫形式保存，方便進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)查詢。

（3）可直接生成TXT、EXCEL，或其它形式的報表文件。

（4）打印監(jiān)測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對系統(tǒng)信息打印的管理功能，提供實時打印、定時打印、隨機(jī)打印功能。支持對圖形、報表、曲線、報警信息、各種統(tǒng)計計算結(jié)果等的打印。

（5）具有數(shù)據(jù)越限報警功能，可現(xiàn)場即時上傳報警信息，同時，還具有GSM手機(jī)短信報警管理系統(tǒng)。

（6）能對系統(tǒng)中的每一用戶進(jìn)行口令和操作權(quán)限的管理，能對不同的用戶分配不同的系統(tǒng)訪問、操作權(quán)限級別，保障運(yùn)行系統(tǒng)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(hù)、修改、擴(kuò)展功能。系統(tǒng)硬件和軟件都滿足開放性標(biāo)準(zhǔn)的要求，滿足今后系統(tǒng)在硬件節(jié)點(diǎn)的增加、數(shù)據(jù)庫容量的擴(kuò)充、系統(tǒng)軟件功能的增強(qiáng)等方面的要求。

1．4 適用行業(yè)及用途

“凍土遠(yuǎn)程實時監(jiān)測軟件”主要用于季節(jié)凍土區(qū)低溫環(huán)境下的工程凍土及室內(nèi)模型試驗，采集凍土溫度場、應(yīng)力場和變形等凍脹參數(shù)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程實時自動化監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理等。

本軟件是以滿足凍土試驗監(jiān)測的需求為目的，將凍脹參數(shù)的實時監(jiān)測曲線、土體溫度場分布、X－Y曲線、歷史數(shù)據(jù)查詢，以及遠(yuǎn)程實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)裙δ芗谝惑w的專業(yè)軟件，主要用于工程凍土室內(nèi)試驗和野外原位觀測，為寒區(qū)水工建筑物凍害破壞機(jī)理研究提供基礎(chǔ)平臺，實現(xiàn)遠(yuǎn)程實時自動化監(jiān)測。

2 凍土遠(yuǎn)程實時監(jiān)測軟件系統(tǒng)的應(yīng)用

本軟件的應(yīng)用包括兩方面內(nèi)容，即室內(nèi)模型和野外原型監(jiān)測。

2．1 室內(nèi)模型試驗中的應(yīng)用

結(jié)合“948”推廣項目“自嵌式景觀擋土墻技術(shù)開發(fā)與示范”，開展自嵌式景觀擋土墻凍融循環(huán)模型試驗研究，利用凍土遠(yuǎn)程實時監(jiān)測軟件系統(tǒng)對室內(nèi)模型過程中各參量的變化過程進(jìn)行遠(yuǎn)程實時在線監(jiān)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(huán)模型試驗是利用智能化多功能凍土力學(xué)模型試驗臺在低溫凍土實驗室進(jìn)行。通過模擬擋土墻工程的實際工況，尋求凍融循環(huán)過程墻體溫度場、凍深、凍脹量、墻面?zhèn)认蛭灰?、加筋材料?yīng)變、面板后側(cè)向土壓力、加筋土體后水平凍脹力、墻趾水平壓力等參數(shù)，以及參數(shù)隨環(huán)境溫度變化而變化的規(guī)律，為景觀擋土墻在季節(jié)凍土區(qū)的應(yīng)用和工程設(shè)計提供理論依據(jù)。

2．1．2 模型試驗測試系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集儀采用澳大利亞DT515／615系列數(shù)據(jù)采集儀、國產(chǎn)XSL系列溫度巡檢儀。傳感器系統(tǒng)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(jié)果及分析

在凍融循環(huán)過程中，模型試驗土體及擋土墻的各項參數(shù)指標(biāo)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(jié)果圖2—圖5可以看出，該軟件系統(tǒng)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(jié)溫度面代替凍結(jié)鋒面，能夠繪制指定時刻的溫度場分布圖，實現(xiàn)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(cè)壁處水平凍脹力變化過程線

2．2 野外監(jiān)測中的應(yīng)用

結(jié)合水利部公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費(fèi)項目“深季節(jié)凍土區(qū)工程凍土綜合技術(shù)研究”的子項目——“水工土質(zhì)邊坡凍害破壞機(jī)理及穩(wěn)定性模擬技術(shù)研究”的現(xiàn)場觀測項目，利用凍土遠(yuǎn)程實時監(jiān)測軟件系統(tǒng)，對現(xiàn)場試驗段相應(yīng)的凍脹參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程實時在線監(jiān)測與控制［3］。

2．2．1 野外監(jiān)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(yán)重。結(jié)合現(xiàn)場實際情況，選定54＋700處為試驗段，監(jiān)測斷面布置在左岸。根據(jù)土質(zhì)邊坡凍脹破壞特點(diǎn)及實際需要，主要監(jiān)測環(huán)境氣象要素，氣溫；凍脹參數(shù)，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(jiān)測結(jié)果與分析

野外監(jiān)測與室內(nèi)模型試驗監(jiān)測項目相似，故野外監(jiān)測結(jié)果僅以溫度變化情況為例。在一個凍融周期的野外監(jiān)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(jiān)測結(jié)果圖6可以看出，該軟件系統(tǒng)能夠適應(yīng)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(nèi)外的儀器設(shè)備和傳感器。通過GPRS和CDMA通訊技術(shù)的應(yīng)用，實現(xiàn)了水利行業(yè)野外凍土數(shù)據(jù)自動采集真正意義上的遠(yuǎn)程監(jiān)測與控制，確保了通訊數(shù)據(jù)的可靠性和實時性。

3 技術(shù)優(yōu)勢

與國外同類技術(shù)相比，本項目開發(fā)的“凍土遠(yuǎn)程實時監(jiān)測軟件”系統(tǒng)主要用于季節(jié)凍土區(qū)低溫環(huán)境下的凍土溫度場、應(yīng)力場和變形等凍脹參數(shù)的采集，實現(xiàn)遠(yuǎn)程實時自動化監(jiān)測、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理等，該技術(shù)核心內(nèi)容經(jīng)過科技查新，尚未見有相關(guān)報道。該軟件系統(tǒng)的優(yōu)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(nèi)外的儀器設(shè)備和傳感器，使室內(nèi)模型試驗和野外原位觀測實現(xiàn)了自動化和遠(yuǎn)程實時在線監(jiān)測。

（2）首次開發(fā)了季節(jié)凍土溫度場實時顯示技術(shù)，通過采用土體溫度場凍結(jié)溫度面代替凍結(jié)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(xiàn)自動化的難題。利用自動監(jiān)測系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了寒區(qū)凍土溫度場的實時可視化功能，使寒區(qū)凍土的實時監(jiān)測更加直觀。

（3）該軟件適用于我國寒區(qū)氣候條件，可用于建筑物凍害破壞機(jī)理等問題的研究。通過應(yīng)用GPRS和CDMA通訊技術(shù)，實現(xiàn)了水利行業(yè)野外凍土數(shù)據(jù)自動采集真正意義上的遠(yuǎn)程監(jiān)測與控制，確保了通訊數(shù)據(jù)的可靠性和實時性。

（4）該軟件還具有易維護(hù)、效率高、易擴(kuò)展的優(yōu)點(diǎn)。

4 結(jié) 語

凍土遠(yuǎn)程實時監(jiān)測軟件具有性能穩(wěn)定、可靠性高、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、重復(fù)性好、操作簡便等優(yōu)點(diǎn)，不僅滿足一般性的監(jiān)測要求，而且還適用于寒區(qū)工程野外凍土監(jiān)測和低溫室內(nèi)模型試驗監(jiān)測。該軟件的應(yīng)用將對我國凍土區(qū)水利工程建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展起到積極的推動作用，在水利工程等領(lǐng)域具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。

［1］沈連豐，宋鐵成，葉芝慧．嵌入式系統(tǒng)及其開發(fā)應(yīng)用［M］．北京：電子工業(yè)出版社，2005．

［2］程衛(wèi)國，鐘華，張濱，等．自嵌式加筋擋土墻凍融循環(huán)模型試驗研究［C］／／楊廣慶主編．土工合成材料加筋——機(jī)遇與挑戰(zhàn)，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．