冻土远程实时监测软件系统的开发与应用

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，黑龙江省哈尔滨市南岗区延兴路78号，150080）

摘要：根据季节冻土区工程应用条件，以及冻土力学模型试验和野外监测的特殊要求，开发了冻土远程实时监测软件系统。在室内模型试验和野外冻土试验场实时监测中的应用结果表明，该软件具有性能稳定、可靠性高、数据准确、重复性好、操作简便等优点。该软件的应用使水利行业野外冻土数据自动采集实现了真正意义上的远程实时在线监测与控制。

关键词：冻土野外冻土数据采集远程实时在线监测

1. 引言

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，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。

2. 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。

2.1 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 2003 Server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《GB/T17544-1998信息技术软件包质量要求和测试》的规定。

图1 软件界面显示图

2.2 组织结构及技术原理

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。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。

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。

2.3 软件的技术特点及主要功能

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。

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。

2.4 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的冻土温度场、应力场和变形等冻胀参数的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，主要用来满足工程冻土室内试验和野外原位观测的需要，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。

3. 冻土远程实时监测软件系统的应用

本软件的应用包括2方面内容，即室内模型和野外原型监测。

3.1 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。

3.1.1 模型试验概述

自嵌式景观挡土墙冻融循环模型试验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，以及墙趾水平压力等参数等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。

3.1.2 模型试验测试系统

数据采集仪：澳大利亚DT515/615系列数据采集仪

温度巡检仪：国产XSL系列温度巡检仪

温度传感器：ROCTEST公司PT100传感器