（机械电子工程专业论文）青藏铁路冻土地温的自动检测系统与建模研究.pdf

哇! 塞摘要 中文摘要 针对高海拔低纬度青藏冻土状态的变化对铁路安全行车的影响问题，为了确 保我国铁路建设的实施，其地温状态测试研究成为目前重点课题之一。本文分析 国内外的冻土各种测试方法，通过上位机系统和下位机系统设计，进行青藏铁路 冻土地温自动检测系统的研究，具体内容如下： ( 1 ) 以热敏电阻为温度传感器，设计与布置测试点的深度和间隔，通过包含 m c u 模块、时间系统、a d 采集模块、存储系统、选通模块、通信系统、电源管理 和湿度与电量检测等八个部分的下位机系统的定时地温数据测试、保存与发送， 实现地温数据的采集；并通过涉及a d o 数据库、网络通信等技术的上位机系统对 数据的接收、处理与分析，可完成地温参数变化的描述与分析。 ( 2 ) 设计的冻土地温采集系统应用于青藏铁路，借助c + + b u i l d e r 与数据库的软 件编程，实现了对地温数据的计算、管理与分析的目的。同时以某些个断面采集 数据为实例，分析了青藏铁路多个断面的属性孔的地温变化特征规律。 ( 3 ) 通过采集的冻土地温数据，应用人工神经网络，建立了基于b p 网络模型 的数学模型，实现冻土地温预测，可为青藏铁路的安全运营提供数据依据。| 司时 以d k l 2 7 8 断面为建模实例，通过b p 网络参数的选择，网络模型的预测地温值可满 足工程测试的精度要求。 关键词：青藏铁路；冻土地温；路基；g s m 。r 网络；m c u ；人工神经网络；b p 模型 中图分类号：u 2 1 2 2 4 ；p 6 4 2 1 4 垦工坠冱 a b s t r a c t a i m e da tt h ei n f l u e n c eo fv a r i a b l es t a t eo ft h eh i g h - a l t i t u d ea n dl o w - i a t i t u d e p e r m a f f o s to nt h es a f e t yo f t h eq i n g h a i - t i b e tr a i l w a y , i no r d e rt oe n s u r et h er e a l i z a t i o n o fr a i l w a ye n g i n e e r i n g , t e s t i n go fp e r m a f r o s tt e m p e r a t u r eb e c o m e sak e ys u b j e c t p r e s e n t l y a f t e re x a m i n i n gt h ea c h i e v e m e n to fp e r m a f r o s ts t u d yn a t i o n w i d ea n d w o r l d w i d e ，a na u t o m a t i ct e s t i n gs ”t e mo fp e r m a f r o s tt e m p e r a t u r eh a sb e e nd e s i g n e d ， c o n t a i n i n gam a s t e rc o m p u t e ra n ds o m es l a v ec o m p u t e r sa sf o l l o w s f i r s t l y , t h e r m i s t o r sa r eu s e d 勰t e m p e r a t u r et r a n s d u c e r sa n da l ea r r a n g e da tt e s t i n g p o i n t sa l o n gv e r t i c a ld i r e c t i o no ft h et e s tl o c a t i o n t h es l a v ec o m p u t e rc o n s i s t so fa n m c u m o d u l e ，at i m es y s t e m ，a na dm o d u l e ，am e m o r ys y s t e m , ag a t i n gm o d u l e , a c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，ap o w e rm a n a g i n gs y s t c m , ah u m i d i t yt e s t i n gs y s t e ma n da s o u r c et e s t i n gs y s t e m ，t h u s ，a c q u i r i n gt h et i m e l yc o l l e c t e dp e r m a f r o s tt e m p e r a t u r ed a t a ， m e a n w h i l e ，u s i n gt h ea d od a t a b a s e ，c o m m u n i c a t i o n sa n do t h e rt e c h n o l o g y , t h em a s t e r c o m p u t e rc a na n a l y s et h ev a r i a b l ep a r a m e t e r so f t h ep e r m a f r o s tt e m p e r a t u r e s e c o n d l y , a p p l i e dt oq i n g l l a i - t i b e tr a i l w a y , t h ea u t o m a t i ct e s t i n gs y s t e mo f p e r m a f r o s tt e m p e r a t u r eh a sr e a l i z e dk i n d so fd a t ap r o c e s s i n gs u c ha st h ec o m p u t a t i o n , m a n a g e m e n ta n da n a l y s i sw i t ht h eh e l po fc + + b u i l d e ra n dd a t a b a s e t a k i n gs o m e l o c a t i o n sf o re x a m p l e so ft e s t i n gp e r m a f r o s tt e m p e r a t u r e , t h ev a r i o u sc h a r a c t e r i s t i c so f p e r m a f r o s tt e m p e r a t u r ei nt e s t i n gh o l e sa l ea n a l y z e d f i n a l l y , u s i n gt h ec o l l e c t e dd a t a , ab pm o d e lh a s b e e nd e t e r m i n e dt op r e d i c t p e r m a f r o s tc h a r a c t e r i s t i c s ，a n ds u p p o r tt h eo p e r a t i o ns a f e t yo ft h eq i n g h a i - t i b e t r a i l w a y t a k i n gt h ep e r m a f r o s tt e m p e r a t u r eo ft h ec r o s ss e c t i o no fd k l 2 7 8f o ra l l e x a m p l e ，t h ep r e d i c t i o nm o d e lo ft e m p e r a t u r es a t i s f i e st h er e q u i r e m e n t so fe n g i n e e r i n g a c c u r a c y k e y w o r d s ：q i n g h a i - t i b e tr a i l w a y ；p e r m a f r o s tt e m p e r a t u r e ；e m b a n k m e n t ；g s m - r n e t w o r k ；m i c r oc o n t r o l l e ru n i t ；a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k s ；b pm o d e l c l a s s n o ：u 2 1 2 2 4 ；p 6 4 2 1 4 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 尚翰 导师签名： 孤丸蒂翻哗 签字日期：砷r z p l ，罗日 签字日期：2 d d 7 年f 2 , e l1 7 独剑芏崖明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 致谢 本论文的工作是在我的导师齐红元副教授和蒋秋华副研究员的悉心指导下完 成的，他们严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷 心感谢三年来齐红元和蒋秋华两位老师对我的关心和指导。 朱衡君、杨江天、邱成、肖艳彩、万里冰老师悉心指导我的科研工作，在学 习上和生活上都给予了我很大的关心和帮助，在此表示衷心的感谢。 在铁道科学研究院电子计算技术研究所a f c 部门进行项目的研发和实施过程 中，得到了蒋秋华、冯云梅的大力提携，以及王辉林、智鹏、王成、文剑、张浩 等的帮助，在此表示衷心的感谢。 在青藏高原安装采集设备的过程中，得到了青藏总体指挥部组长张鲁新的教 导和中铁西北科学研究院的帮助，对此表示感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，祝红英、孙丽萍、郝芳、江维、高飞、高银 中、乔俊玲等同学对我的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之 情。 ， 另外也感谢我的家人、亲戚朋友以及女友蔡莲香，他们的理解和支持使我能 够在学校专心完成我的学业。 1 1 课题的研究背景 1 绪论 自2 0 世纪6 0 年代以来，随着国民经济的发展，青藏高原多年冻土区的人类工 程活动日趋增加，虫1 ：1 6 0 年代开始的煤矿开采，7 0 年代的青藏输油管道铺设和青藏 公路沥青路面修筑【l 】，9 0 年代的光缆工程等，以及与这些工程相伴的道班、泵站及 兵站等房屋建筑，此外还有道路、矿产和石油等部门开展的临时工程项目的实施。 青藏铁路格尔木至拉萨段全长1 1 1 8 k i n l 2 l ，冻土区路基自2 0 0 1 年开始进行试验 设计和施工，至u 2 0 0 6 年全线通车运营，是世界上海拔最高、跨越高原多年冻土地 段最长的铁路。它经过海拔4 0 0 0 m 以上地段9 6 5 k m ，其中，在西大滩至安多间的连 续多年冻土区5 4 6 4 k m ，岛状多年冻土区8 2 k m 。为了完成这项投资近3 0 0 亿元的西 部大开发的标志性工程，其冻土特性的规律性研究是保证工程质量及安全运行的 重要措施之一。 1 1 1 冻土简介 青藏高原的土壤状态分为四种，分别是：冻土、寒土、融土和非冻土。其中， 冻土一般是指温度在o c 或o c 以下，并含有冰的各种岩土或土壤；温度在o c 或 o c 以下，但不含有冰的各种岩土或土壤，称作寒土；温度为正温的称作非冻土； 非冻土中曾经处于冻结状态的岩土称为融土。在自然界中，冻土层或冻土区既包 含冻土本身，也包括寒土在内【2 】。 按土的冻结状态保持时间的长短，冻土一般又可分为短时冻土( 数小时、数 日以至半月) 、季节冻土( 半月至数月) 以及多年冻土( 数年至数万年以上) 三种 类型。在多年冻土区中的某些地段，因具有特殊的水热条件而不能发育多年冻土， 这些地段称为融区。而近地表每年冬节冻结、夏季融化的土层称为活动层。 1 1 2 冻土的特点3 】 ( 1 ) 热稳定性差。冻土是一种对温度极为敏感的土体介质，在冬季冻结状念 e 塞銮通厶堂亟堂位监塞 下如冰层一样表现，随着温度的降低会发生剧烈膨胀；而在夏季，随着温度的升 高又会融化，易使道路路基发生沉降。青藏铁路沿线的多年冻土大多属于高温不 稳定地区( 长7 4 5 k i n ) 和高温极不稳定区( 长1 9 9 7 k m ) ，约占多年冻土区总长的 5 0 0 4 。 ( 2 ) 厚层地下冰和高含冰量的冻土比重大，累计长2 2 3 k m ，且多存在于上限附 近，更易受自然和人为的影响，发生融化而产生较大的融沉。 ( 3 ) 在全球气候转暖的背景下，青藏高原升温值高于全球升温平均值。勘察时 与2 0 世纪7 0 年代相比，青藏公路沿线的多年冻土北界缩短2 k m ，南界缩短1 6 k m 。 ( 4 ) 青藏高原活动性断裂规模大、分布密集、水热活动强烈，成为制约和影响 多年冻土分布发育的重要因素之一，使高原多年冻土的分布特征和热稳定性更加 复杂。 ( 5 ) 青藏高原的太阳辐射强烈，致使山坡坡向对冻土的影响增强。因此，路基 坡向对多年冻土影响的研究成为工程建设质量的重要课题之一。 ( 6 ) 青藏高原多年冻土具有明显的三向( 经度、纬度与垂直方向) 地带性规律， 冻土分布和冻土厚度均受到经度、纬度与垂直方向的影响，且还与年平均大气温 度密切相关，此外，降雨量、云量、日照和积雪等都会对其造成影响。 1 1 3 冻土区铁路路基的地质问题 冻土是一种特殊土体，其成分、结构、热物理及物理力学性质均有着不同于 一般土的特点。多年冻土的活动层每年都发生季节性的冻融变化，这种地质层的 变化严重影响着工程质量【4 j 。 产生多年冻土地质条件有以下主要因素：冻土中水( 冰) 的含量、冻土所处 的环境温度( 地温及气温) 、地层岩性和地质构造条件。多年冻土按其含冰量及 总含水率，可分为少冰冻土、多冰冻土、富冰冻土、饱冰冻土和含土冰层。而地 温是衡量冻土稳定状态的重要指标，地温越低冻土越趋于稳定，反之在地温较高 的条件下，冻土极易发生冻融转化，处于不稳定状态。 多年冻土有很多的灾害，如融沉、融冻滑塌、冰丘、冰椎、季节融化层的冻 胀等，这些灾害会损坏其上的各项工程设施。 ( 1 ) 融沉 多年冻土上限附近往往存在厚层地下冰及高含冰量冻土层，由于埋深较浅， 很容易受天然因素或人为因素的影响而发生融化下沉，这是多年冻土区建筑物地 基变形和破坏的主要原因。 2 铁路路基的修建改变了地表的水热交换条件，并引起基底土层压缩，使多年 冻土地温场发生变化，这些变化可能使冻土上限下降造成地下冰的融化，而路堤 本身的存在增加了热阻，有利于上限上升。在高温冻土区，夏季施工的路堤高度 超过一定值时，堤身内的蓄热造成地下冰的融化，使路堤下沉。此外，路基的修 建改变了地表和地下水的径流条件，若地表排水不当造成路堤积水，水体的热作 用将使地下冰融化，导致路基下沉，甚至发生突然沉陷。地表条件的变化将引起 冻土上限的变化嗍。 ( 2 ) 冻胀 多年冻土的季节融化层随季节变化产生周期性的冻融循环，土体中所含水份 在负温条件下冻结，导致土体冻胀。受土的类型、水份补给条件、含水量、土中 盐分、冻结速率、外压力制约的土体冻胀，是产生某些冻胀现象和建筑物冻害的 主要原因之一。冻胀主要表现为土层表面不均匀的升高，如建筑物的基础埋在冻 胀土中将受冻胀力的作用，当建筑物的抗拔力不能克服冻胀力时，建筑物将被拔 起导致破坏。一般情况下，低温冻土区多年冻土的季节融化层的厚度不大，且存 在双向冻结，冻结的速度较快，冻胀相对比较轻微；高温冻土区多年冻土的季节 融化层厚度较大，冻结速度较慢，冻胀较为严重。由于路基填筑材料的不均匀， 或不同岩性或水文地质条件地段，路基过渡处理不当，可能引起不均匀冻胀，使 线路在平纵断面上失去平顺性，这在铁路修建中应该特别注意。 ( 3 ) 不良冻土地质现象 多年冻土区广泛发育的厚层地下冰、热融滑塌、热融沉陷、热融湖( 塘) 、 冰椎、冰丘和爆炸性充水股丘会对修建的铁路产生很大危害。其中发育的厚层地 下冰是形成热融滑坍、热融沉陷、热融湖( 塘) 及造成铁路变形的基本内因【6 】。 自然引力或人为活动，可破坏有地下冰分布的倾斜坡地的热平衡状态，而导 致土体在重力作用下沿融冻界面移动而形成滑塌，即为热融滑塌。热融滑塌路基 边坡失去稳定性，也可能使路基被融冻泥流物堵塞或掩埋。青藏公路每年夏季均 被该滑塌体的融冻泥流掩埋，严重危害了青藏线的运输畅通。 冰椎和冻胀丘在形成和发育过程中将产生巨大的体积膨胀和冻胀力。使铁路 建筑物发生大量变形而破坏，另外冰椎和冻胀丘具有活动性，其发生地点是可变 化的。因此在冻土工程勘测设计阶段，一定要查明工程沿线的水文地质条件，对 己存在或可能发生冻胀丘、冰椎的地段，可以采取绕避或改良的措施。对于未发 生这种不良冻土现象的地段，也要注意查清地下水补给、排泄、径流条件和工程 对水文地质条件的影响，防止形成新的冰椎和冻胀丘。 冰丘、爆炸性充水股丘是多年冻土地区与地下水活动有直接关系的特殊不良 地质现象，对铁路干线和建筑物危害很大，如青藏公路惊仙谷段冰椎，常在冬季 3 堵塞桥孔、掩埋公路，养路工人年年都要筑堤刨冰，费工甚大。开心岭北坡的查 曲河及布去河的许多地段，冬季积冰漫路常影响青藏公路的正常运营，造成很大 的经济损失。 综上，多年冻土是非常复杂的天然多相地层，其性质不但与各相态性质有关， 而且与外部作用的强度有关。衡量冻土区路基热稳定性的沉降变形及其随时间发 生的过程，主要取决于冻主融化过程中的温度场。因此，如何获取地温数据，分 析冻土区地质温度场的变化，是高质量工程的重要保证。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 在多年冻土区修筑铁路已经有一百多年的发展历史。世界上第一条横贯西伯 利亚冻土区的铁路，自1 8 9 2 年开始兴建，至今已运行了近百年。为了适应西伯利 亚的大规模开发，前苏联在1 9 4 1 年颁布了第一部多年冻土地区铁路勘测、设计和 施工的技术规程。目前俄罗斯的铁路网中已有7 0 0 0 k m 铁路穿越整个西伯利亚冻土 区，全国共有1 5 0 0 0 k m 铁路通过多年冻土地区。加拿大也有三条铁路干线，自南向 北穿越冻土带，穿越冻土区长度约2 0 0 0 k m 。美国在阿拉斯加南部的苏厄德至中部 的费尔班克斯多年冻土区，也修筑了全长7 5 0 k m 的阿拉斯加铁路【”。几十年来的运 营实践证明冻土区工程建设是成功的。 美国阿拉斯加费尔班克斯地区沥青路面下，采用块石路基结构技术开展了试 验研究。研究表明，块石路基结构5 年间使路基下部土体温度降低了4 4 。在2 0 世纪6 0 年代由前苏联的g a p e y e v 和美国的l o n g 分别在多年冻土地区采用热桩技 术，成功地解决了7 0 年代在阿拉斯加冻土区输送高温油的难题。1 9 9 6 年到2 0 0 1 年，阿拉斯加大学完成了块石路堤的数值模拟和实体工程试验，充分证明了块石 路堤冷却路基的作用，并获得了专利。 在理论上，s s m a r c h e n k o 等人在亚洲天山地区的不同海拔和不同经纬度点， 设计冻土地温的测试孔，并绘制出各种变化曲线，包括年平均气温、夏冬季平均 气温、年平均冻土地温、活动层深度及冻结和未冻结土的深度等，建立了多层介 质热传递的一维数学模型。通过冻土热量传递与冻土分布之间的变化【8 】，建立了等 温线分布图，反映冻土变化状况与分布。 v e r o m a n o v s k y a 等人【9 】利用东西伯利亚数个不同经纬度的地区观测数据，得 4 出了整个地区每十年平均气温上升幅度为0 2 9 ，1 6 m 深处冻土地温每十年平均 升高o 2 6 的结论，并建立了在活动层与冻土表面之间的冻土地温数学模型，显 示了深度到4 0 m 的地温变化，进行了年平均地温的计算和测量的比较。但在采集 数据时，采用水银温度计测量方法，导致测试系统效率低，精度低，仅为o 1 。 k o t a r of u k u i a 等人l l o j 在尼泊尔k h u m b uh i m a l 地区利用冻土温度随深度下降 的变化率评估冻土下限的海拔高度，提出冻土的退化指标，反映气候的变暖，并 得出此地区在1 9 7 3 年到1 9 9 1 年冻土下限上升了1 0 0 3 0 0 m ，而后至2 0 0 4 年之问 冻土下限处于稳定状态。 c w a e l b r o e c k 建立了冻土地带冻土温度与湿度的物理模型【l l 】，预测气候变化 对冻土温度、湿度、深度等参数的影响，且由表面能量流动、土地温度、湿度的 敏感性分析得出系统中存在强烈的正反馈，如空气温度上升3 或组织层厚道由 1 0 c m 减到6 c m ，就会导致活动层厚度增加7 5 。依靠冻土热传导和湿度含量的热 潜能所建立的模型能够预报冻土的活动状态。 p p o v e r d u i n a 等人1 1 2 l 利用设计的传感器，测试冻土地区土地温度，建立了热 流动模型，且分析不同时间冻土表面热交换和能量流动的变化，得出了冻结和热 融冻土层的热传导性对能量和表面热交换的影响。 此外，还有诸多学者在冻土的热传导性、活动层厚度、冻土地质构成、冻土 退化等方面【1 3 7 】进行了有意的研究。 综上，国外虽对冻土已有深入的研究，但对象大多是中高纬度的、低海拔的 冻土，而我国的多年冻土，主要分布世界第三极的青藏高原，特点为中、低纬度， 并且平均海拔在4 0 0 0 m 以上，因此上述研究成果不适合青藏高原的多年冻土特性 理论与实验研究。 1 2 2 国内研究现状 我国在多年冻土地区修建的铁路主要在兴安岭地区，其中最主要的是牙林线 和嫩林线。在我国西北地区也有两条铁路穿越多年冻土地区，一是青海省的热水 煤矿专用线，二是穿越天山的南疆铁路。 1 9 7 3 年，原中国科学院冰川冻土所在青海省热水煤矿的厚层地下冰地段，用 直径0 3 m 的块石修筑了高2 7 m 的试验路堤。观测表明，块石路堤有明显的降低地 温的效果。 文献 1 8 】在实验室通过一系列的试验，研究大小不同的石块在风的作用下，对 碎石护堤的降温效果，从而模拟冻土区碎石护堤降温的作用，而且研究了迎风面 5 b 瘟窒道厶堂砸堂僮j 金塞 和背风面降温的最佳碎石大小。结果表明碎石护堤对其下的冻土层有很好的降温 效果，在两个试验周期后其平均温度值都降到了o c 以下。 文献0 9 利用青藏高原清水河地区3 年人工检测的8 个地温孔的地温观测资料， 研究了该地区铁路路基下伏高原多年冻土融化特征，分析了多年冻土上限的变化 规律以及路基施工对下伏多年冻土赋存条件的影响。研究表明，由于受到填筑路 基时，赋存在路基填料内的热量的影响，铁路路基下伏多年冻土近地表的地温变 化特征与天然地面下的多年冻土地温变化特征有明显的不同，且阳面与阴面有较 大差别。 文献 2 0 】通过室内动荷载测温试验发现，初始温度为- 6 的冻土试样，当有循 环荷载作用时，即使外界恒温供冷，随着时间的变化，其中的温度仍旧会出现上 升趋势，并且上升值与加载频率、动应力幅及试样的干密度、含水率等因素有关。 此外，在不同的条件下，冻土强度表现出了不同程度的损失。 此外，张鲁新【2 l ，2 2 l 等也对青藏高原的冻土进行了研究，为工程建设提供了有 力的理论与技术支持。其中，文献 2 h 通过4 0 多年的冻土研究，提出在青藏铁路 的建设中采取被动保温、主动降温的方法来保护冻土的稳定；文献【2 2 】通过对3 0 年来青藏铁路沿线典型地段地温数据的分析研究和相应的数值模拟分析，得出由 于近3 0 年的全球气温升高，使青藏铁路沿线多年冻土讵在向着不利于冻土生存的 方向发展，这将严重影响铁路路基的修筑和运营期间的稳定性。 以上研究成果能够分析和预测地温场变化规律及高原多年冻土的发展趋势， 为青藏铁路的设计、修建提供了技术依据，但不能确保青藏铁路的安全运营。 综上所述，国内外对冻土的研究基本以实验室或者中高纬度冻土为主，试验 结果含有局限性，其理论和试验方法不能充分地描述运营冻土区冻土的变化状态， 影响着该区铁路运营的安全。为了克服上述的理论和试验不足，即无法获取青藏 铣路运营时的冻土地温数据信息，亟待建立一个大范围线路的多年冻土地温的检 测系统，实现青藏铁路高可靠性运营的目的。 1 3 研究目的和意义 ( 1 ) 研究目的 由于高原冻土的脆弱性，青藏铁路的修建，无论是对冻土表面的植被，还是 对表面的土壤结构和原始的热量流动，都存在不同程度的影响，甚至会造成冻土 的退化。 多年冻土的存在也会给工程建设带来诸多问题，其特有的冻胀融沉性质，尤 6 其是不均匀冻胀融沉，严重影响其上的路基稳定性。青藏铁路有很长的线路处于 多年冻土地带，无论是在修建过程还是在长期运营过程中，冻土的稳定性研究是 一个重要的技术问题。 在青藏铁路建设过程中和运营中，路基下的多年冻土变化，需要进行长期的 检测，而且还要同路基旁天然状态下的冻土进行比较，以便及时了解路基下冻土 的变化情况，确保青藏铁路的长期安全运营。而冻土的温度是反映冻土状态的最 关键因素，故冻土地温自动检测系统的研究是十分必要的。 ( 2 ) 研究意义 本课题建立了青藏铁路冻土地温的长期自动检测系统，属于大范围立体的冻 土地温检测系统，能够实现长期检测和分析冻土地温参数变化的目的，可为青藏 铁路的冻土区工程实施提供科学的数据，具有如下几方面的重要意义： 为冻土区各项工程的实施提供冻土特性和分布规律的技术资料； 利用所采集的地温数据分析冻土所处的状态，及对其上的铁路路基产生的 影响，更好地指导青藏铁路的稳定运营： 为低纬度、高海拔冻土变化规律的研究提供科学的数据： 验证冻土学界提出保护冻土方法【2 3 电q 的有效性，并拓展保护冻土区工程的 技术方法； 借助人工神经网络方法，可建立气温、经纬度和海拔等不同的参数之间的 地温数据模型，进而更好地预测冻土地温的变化规律。 1 4 研究内容和方法 ( 1 ) 研究内容 针对青藏高原多年冻土的特性，设计合理的方法，对冻土地温进行综合检测， 并根据所得到的数据完成冻土状态的分析。具体内容如下： 针对青藏高原的冻土分布规律和地温场变化特性，设计与实施综合采集冻 土地温的测试系统； 利用系统采集的地温数据，借助人工神经网络数值算法，建立沿青藏线冻 土地温的数学模型，实现冻土地温分布预报的目的： 将设计的测试系统与冻土的数学模型相结合，以青藏铁路高原线路为示 例，完成青藏线路冻土温度的数据采集与分析。 ( 2 ) 研究方法 测试系统分为上位机和下位机两大部分。上位机负责数据的接收、处理与 j e 丞銮遭厶堂亟：堂焦监塞 分析功能；下位机负责定时的地温数据采集、保存与发送。两者之间数据传递的 方式是无线为主、有线为辅的通信方式。 利用人工神经网络，建立冻土地温的b p ( b a c k p r o p a g a t i o n ) 网络模型， 并利用检测系统采集的地温数据对网络进行训练，以达到满足一定精度要求的冻 土地温预报的目的： 以青藏铁路高原线路为示例，以特殊的地理环境和冻土特性为背景，选择 高精度热敏电阻为测试系统的温度传感器，设计与布置测试点的位置( 深度和间 隔) ，通过上位机与下位机间的通信，完成冻土地温的采集，并通过采集的地温数 据建立冻土地温的b p 预报模型。 2 综合测试系统研究方案 随着科学技术和社会经济的发展，被测对象日益复杂，测试系统向着智能化、 自动化和网络化方向发展。其代表分别是微处理器为核心的智能仪器、基于标准 总线以计算机为核心的自动测试系统、基于图形化软件技术的虚拟仪器及基于通 信网络的远程分布式测试系统【2 刀。 现代测试系统是以计算机为核心，综合了测试技术、计算机技术、通信技术 和自动化技术。在测试领域内，基于p c 的测试系统已成为主流，而且网络技术与 数据库技术的应用，为试验测量参数的实时监视与处理带来了新的方法和途径。 现代测试系统基本是由两个部分构成的：一是以处理器为核心所组成硬件部 分( 传感器、调理电路、i o 接口设备、计算机) ，另一个是软件部分。测控硬件为 系统的实物，是系统实现功能的基础；测控软件为系统的灵魂，计算机配置不同 的软件，就可以实现不同的功能，使自动测试系统具有较强的灵活性与可扩展性。 在现代测试技术的基础上，青藏铁路冻土地温综合测试系统可实现冻土地温的自 动化检测。 2 1 综合测试系统的总体方案 综合测试系统分为上位机和下位机两大部分。上位机负责数据的接收、处理 与分析功能；下位机负责定时的地温数据采集、保存与发送。两者之间数据传递 的方式是无线为主、有线为辅的通信方式。 2 1 1 测试指标 在研究综合测试系统的总体设计方案时，系统必须满足冻土地温的测试指标 的要求。指标分为采集时问、采集地点和采集精度的三个方面。 ( 1 ) 采集时问。采集数据时间的确定，是根据环境条件选取的。每天1 4 点钟 这一时刻的气温最高，凌晨2 点这一时刻的气温最低，而对冻土影响较大的是气 温最高点，故选择1 4 点时刻为数据采集时问。由于深层的冻土随长期的平均气温 缓慢变化，故采集时间的周期是五天的时间，即每五天采集一次。每月的采集时 间为每月中的第l 、6 、1 1 、1 6 、2 1 、2 6 天时的1 4 点钟。 ( 2 ) 采集地点。在青藏铁路沿线广泛的冻土区，只能选取有限个典型的断面进 9 j t 塞銮迪盔堂亟堂位硷塞 行地温采集，选取的原则是依据工程旌工及地质条件等要求所制定的，并在每个 断面离散地布置适当的测试点数，使这些离散点的地温能够反映整体断面的温度 变化。 ( 3 ) 采集精度。为了更能表达冻土的温度状况，采集的数据必须满足一定的精 度要求，这样数据的分析和结论才是可信的。根据多年来冻土的研究报告，冻土 温度的采集精度应达到0 0 5 c 的要求，因此设计的采集系统必须满足这一采集精 度要求 2 1 2 总体方案的设计 翠图早孵 图2 1 总体研究方案 f i g 2 - ld e s i g no f t h es y s t e m ( 1 ) 传感器选择。传感器能够将冻土地温转换成电信号，选择原则是能够满足 上述采集精度要求的传感器。 ( 2 ) 采集点的设计。采集点的设计是为了综合反映出冻土在空间上的温度场分 布，包括纵向、横向和深度整体三维方向的分布。 ( 3 ) 下位机设计。下位机是为了能采集地温数据，并能将采集的数据通过通信 方式发送给上位机。 ( 4 ) 上位机设计。上位机具有接收下位机的数据、计算保存和显示冻土地温状 态的功能；基于上位机的模型设计是指使用人工神经网络来建立冻土温度的各种 模型，并通过模型对冻土的温度状况进行预测，达到对冻土更好的研究。 ( 5 ) 通信系统设计。上位机与下位机之问的数据传输是靠通信系统来完成，通 信系统设计是综合测试系统的重要环节。 综合测试系统的这五部分，分别体现了测试系统在整体设计方案上的各个功 能部分，以下分别对各个部分进行介绍。 0 2 绽金捌试丞统班宜左塞 2 2 传感器选择 在工农业生产和日常生活中，温度的测量及控制始终占据着重要的地位，温 度传感器的应用也极为广泛。温度的测量呈现了由点到线、由线到面【2 8 1 温度分布 的测量技术，由表面到内部、深部的温度测量技术，从有线到无线的温度测量技 术【巩刈。对于中低温的温度传感器，正向着单片集成化、智能化和网络化方向发 展【3 l 】。 现在有很多温度传感器，如热电偶、热电阻式传感器等。其中，热电偶测量 精度高，范围广，构造简单，使用方便，但其信号输出灵敏度比较低，容易受到 环境干扰信号和前置放大器温度漂移的影响，因此不适合测量微小的温度变化。 热电阻是基于电阻的热效应进行温度测量的，其电阻值随温度变化而改变， 只要测量出感温热电阻的阻值变化，就可以测出温度。它是中低温区最常用的一 种温度检测器，主要优点是测量精度高，性能稳定。目前主要有金属热电阻和半 导体热敏电阻两类，而金属热电阻的电阻温度系数比半导体的小很多。 ，半导体热敏电阻有正温度系数和负温度系数两种，其中的负温度系数热敏电 阻，有灵敏度高、稳定性好、响应快、寿命长、价格低等优点，主要用于温度测 量；正温度系数热敏电阻一般用于恒温加热控制或温度开关。综合以上对各种温 度传感器的使用与性能方面的分析和比较，为了满足冻土多点处温度采集要求， 负温度系数热敏电阻成为首选。 在考虑系统总体精度为0 0 5 c 的情况时，根据a d 转化模块带来的误差，得出 传感器需要的精度，以此来作为选择负温度系数热敏电阻的精度要求。 2 3 采集点的设计 在青藏铁路自k 0 9 5 4 + 1 8 5 ( k 表示连续里程或者铁路里程) 到k 1 4 9 7 + 8 4 5 ， 共5 5 3 k m 的线路中，路基下广泛分布着冻土。获取路基下的冻土沿纵向、横向和 深度整体三维方向连续的地温变化数据，是难以做到的，故在三维方向上选取典 型的测试点，来反映整体的冻土地温变化状态。 2 3 1 断面选择 由于青藏铁路沿线( 纵向) 分布冻土的线路很长，故只有选取有限个断面进 e 塞交道厶堂亟堂焦监塞 行地温采集。通过这些有限的断面来整体反映青藏铁路沿线冻土的整体状况。 在选取断面时，主要考虑的是现场施工方式，如在有些路段施工的技术是块 石路基、块石护坡、块石路基加块石护坡，有些使用热棒，有些是以桥代路的技 术田一5 1 。上述工程措旌是否能达到保护冻土、稳定路基的目的，必须通过长期的 冻土温度的检测来检验。在这些典型路段，选择若干个断面，进行冻土地温的采 集。 其次是考虑路基下的土壤属性，包括含水量、含冰量以及土质等因素，为了 检测这些因素对青藏铁路冻土的长期影响，需要在这些典型地段设置测试断面。 在5 5 3 k m 的青藏铁路沿线共设计了7 8 个断面，大体都能反映沿线的冻土状况。 2 3 2 断面采集点的选择 在选择好断面的基础上，应在断面上设计合理的采集点，包括横向和深度方 向的布点设计。， ( 1 ) 横向方向布点设计，就是在一断面处选择采集孔的多少及其相应采集孔的 位置的确定。如图2 2 所示，图( 口) 断面设计有八个采集孔【4 】，图( 6 ) 断面设计有四 个采集孔。 在设计八个采集孔时，可以将断面的冻土地温描述得更为详尽，尤其是路基 下冻土的地温状态，通过断面八孔的数据分析，仅利用第1 、2 、3 、5 号这四个采 集孔就能够很精确地描述出这一断面的温度变化，能够满足青藏铁路的修建对数 据的需要。 在设计为四个采集孔时，这四个孔分别是天然孔、坡脚孔、左肩孔和右肩孔。 其中，天然孔代表天然状态下没有受路基影响的冻土，坡脚孔地处路基的边缘， 介于路基下和天然状态之间，而且还能反映拐角效应，而左肩孔和右肩孔则处于 路基之下，代表路基之下的冻土。虽然在路基之下只有这两个孔，不及八个孔方 案更好地表达路基下的冻土状况，但是也足可以反映出路基下冻土的冻融状态和 其它的参数信息。 ( 2 ) 深度方向布点设计，是指每个孔中传感器的布置个数和自j 隔距离。根据历 来对冻土的研究，地表温度变化大，地层越向下温度变化越缓慢。地表和距离地 表2 0 m 之间的土层是工程研究的对象。当深度一定时，传感器个数越多，间隔越 小，采集的温度越详细：相反，则反映的温度分布太粗糙，不能完整描述冻土温 度沿深度方向的状况。通过试验研究，在深度方向，在表层和前1 5 m 之间，按照 o 5 m 等距布置以及在1 5 m 至2 0 m 之间按照l m 等距布置传感器测试点，是能够满 2 2 绫盒测试丞统班究左塞 足数据的分析要求。 0 ) 八个采集孔 ( 6 ) 四个采集孔 图2 - 2 设计的采集孔 f i g 2 - 2d e s i g no f a c q u i s i t i o nh o l e s 2 4 下位机的总体设计 下位机工作在恶劣环境的青藏高原上，对它的设计必须考虑到环境因素和须 达到的功能要求。下位机的功能就是在规定的时间点对冻土地温进行采集，在将 采集得到的数据保存到本系统的同时将数据发送给上位机，并接收上位机的各种 命令并应答。为实现对冻土地温的定时采集、数据保存和与上位机的通信，下位 机的硬件系统p 2 】从整体上可以分为以下几个模块：m c u 模块、电源管理模块、时 问系统模块、选通模块、a d 采集模块、存储系统、通信系统、湿度和电量的检测 等，如图2 3 所示。 1 3 j e 塞窑遭厶堂亟堂位途塞 湿度和电 量的检测 存储系统 。：j a d 采集模块 选 通 模 块 图2 - 3 下位机的设计 f i g 2 - 3d e s i g no f s l a v ec o m p u t e r 其中，m c u 是下位机系统的中央管理单元，a d 采集模块负责将传感器上的 模拟电压转化为数字值，存储系统负责保存数据，时间系统模块负责向m c u 提供 准确的时问，电源管理模块负责管理电源的使用，通信系统负责为上位机与下位 机之间的通信提供一个通道，选通模块建立a d 采集模块与各传感器之间的通路 以实现将所有的传感器轮流选通一遍的目的，而其它的功能模块则是为了使系统 更好、更加安全的工作。 2 5 上位机的总体设计 通过下位机采集的地温数据，上位机经计算和存储操作，还原冻土温度数据， 并生成各种报表。如何完成上述计算机的操作，应需要通过上位机软件编程来实 现。上位机的设计包括通信接口、计算系统、存储系统和报表系统四个部分的编 程，如图2 - 4 所示。 圈2 - 4 上位机的设计 f i g 2 4d e s i g no f m a s t e rc o m p u t e r 1 4 匝罐悼l l 问统正 时系一爿 一一|一一；|萋一一 2 绽盒测试丕统班荭左塞 其中，通信是上位机数据的来源，包括有线方式和无线方式两种，放上位机 须提供这两种通信方式的接口和软件。 上位机收到数据后，由计算系统完成采集点的电阻值、温度值和冻土统计信 息等的计算。 存储系统包括存储下位机发送的原始数据和存储由原始数据计算得到的电阻 值和温度值。其中，原始数据的保存方式为记事本格式，计算数据的保存方式为 数据库格式。 而报表系统向用户生成各种地温统计信息及相应图表，满足用户对冻土信息 的查询需求。这些统计报表有地温场观测项目、路基下原天然地面观测项目、地 基结构变化观测项目等。 2 6 通信方式设计 通信方式是上位机与下位机之问信息交流的纽带，关系到上位机与下位机之 间数据传输的及时性和可靠性。通信方式的设计要根据青藏高原现场特定的环境， 因地制宜，达到最佳的通信效果。 目前，通信方式基本有有线通信和无线通信两类，两者各有各自的特点。有 线通信可靠性高，在短距离时不需考虑耗电量，且可实现双工通信，具有实时性， 但需要建网铺线；无线通信不用受距离的限制，但通信时双方应处在无线网络的 范围内，且与有线通信相比具有耗电量多的缺点。 事实上，在青藏高原上，沿着青藏铁路建立五百多公里的有线网络来达到实 时的数据传输的目的，是不现实的。但是利用这个方法在现场可预留一种通信方 式，即保留一个适合于有线传输的通信接口，满足人工现场取数的要求；而g s m r 网络( 铁路综合数字移动通信系统) 已基本覆盖青藏铁路，利用它来实现上位机 与下位机之间的无线数据传输，可避免人工现场取数的繁琐工作，且数据传输具 有较强的实时性。 故青藏铁路冻土地温自动检测系统的通信方式综合使用了有线通信和无线通 信。其中，无线g p r s 为主要的通信手段，而有线通信仅为通信手段的必要补充。 2 7 小结 本章在分析当前各种自动检测系统的同时，根据青藏线的工程特点，阐述了 5 j b 鏖窑遭厶堂亟堂焦盈塞 青藏铁路冻土地温自动检测系统的总体设计方案，主要包括传感器设计、采集点 设计、下位机设计、上位机设计和通信方式设计五个部分，以及这五个部分的设 计原由。 1 6 工缱扭丝让 3 1 下位机的功能 3 下位机设计 青藏高原位于中低纬度，平均海拔在4 0 0 0 m 以上，昼夜温差大，气候恶劣， 故人工检测冻土地温带有诸多不便性，设计冻土地温自动检测系统是十分必要的。 目前g s m - r 网络基本覆盖了青藏铁路，利用它来进行数据无线传输，可避免 人工现场取数据的繁重工作。但仅依靠无线网络传递数据不能充分地确保数据的 完整性，因此除了根据上位机的请求，下位机向上位机发送数据之外，还需预留 一个通信接口，满足工作人员现场取数的要求。故上位机和下位机之间应具有两 种通信方式：无线g s m - r 网络和有线r s 2 3 2 串口通信方式，如图3 1 所示。 无线信道( g s m r 网络) 上位机系统 备用有线通信( 利用现场调试取数设备进行通信) 图3 - 1 下位机与上位机的通信方式 f i g 3 lc o m m u n i c a t i o nb e t w e e ns l a v ec o m p u t e ra n dm a s t e rc o m p u t e r 为采集冻土地温，布置了数目众多的热敏电阻。如断面的左肩孔或右肩孔， 均布置了3 6 个热敏电阻，其中第1 个到第3 1 个之问相邻问隔为o 5 m ，第3 1 个到 第3 6 个之间相邻间隔为l m ，这样布点可实现总深度2 0 m 的地温检测的目的，热 敏电阻的布置点如图3 2 所示。下位机系统必须实现的功能如下： ( 1 ) 采集众多热敏电阻的电阻值，实现对冻土地温的采集。 ( 2 ) 采集的时间是每个月份的第l 、6 、1 1 、1