一种季节性冻土区混凝土覆盖场地的冻土监测方法

本发明涉及冻土监测，具体为一种季节性冻土区混凝土覆盖场地的冻土监测方法。

背景技术：

1、在季节性冻土区，特别是在混凝土覆盖的场地如公路、铁路和机场跑道上，冻胀现象常见且对工程安全构成重大威胁。这些区域经历复杂的冻融循环，导致地下水分因覆盖层的阻隔而无法蒸发，累积在混凝土下方，形成所谓的“锅盖效应”。此效应导致水分在冻结期间扩张，形成冰，而在融化期则导致水分再度流动，影响土壤结构和强度，从而诱发地面覆盖层的鼓胀、变形甚至开裂。

2、现有的冻土监测方法主要依赖于点式测量技术，如使用热电偶、电阻温度计监测土壤温度，以及时域反射仪和电容式传感器来测量土壤含水率。这些技术提供了关键的土壤物理参数，有助于理解冻融过程及其对土壤结构的影响。通过这些数据，工程师可以对冻土行为进行基本的预测和管理，从而采取适当的工程防护措施。

3、现有技术虽然能够监测关键参数，但仍存在一些明显的局限性，首先，它们通常无法提供足够的数据以支持复杂的动态分析和全面的风险评估。这些技术大多依赖于静态或间断的数据收集，因此难以捕捉快速变化的环境条件下的动态过程。此外，点测量技术的应用范围有限，难以进行大范围和全面的空间分析，这在大型工程场地管理中尤为重要。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种季节性冻土区混凝土覆盖场地的冻土监测方法，本发明通过整合高级数据分析技术和实时多点监测系统，显著提升了对冻土环境动态变化的捕捉能力，同时利用持续的数据流和分析模型，不仅实现了全面的风险评估，还扩大了监测范围，确保了大型工程场地的有效管理和预警系统的实时响应。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种季节性冻土区混凝土覆盖场地的冻土监测方法，包括以下步骤：

3、数据收集模块，用于收集来自多种传感器的环境与土壤数据；

4、数据传输模块，用于将收集的数据无线传输至预处理模块；

5、预处理模块，对接收到的数据进行格式化和清洗；

6、数据分析模块，应用机器学习算法分析数据，预测土壤和环境条件的变化；

7、可视化界面展示模块，用于动态展示分析结果和实时数据；

8、太阳能供电模块，用于对整个监测系统提供能源支持。

9、优选的，所述数据收集模块包括：

10、使用5tm传感器、土壤温湿度计、温湿度传感器和雨量计采集数据；

11、各传感器通过无线连接至数据采集仪，实时收集土壤温度、含水率、大气温湿度和降雨量数据。

12、优选的，所述数据传输模块包括：

13、利用蜂窝网络技术进行数据的实时传输；

14、实施端到端的数据加密，使用安全套接层协议确保数据传输过程中的安全。

15、优选的，所述预处理模块包括：

16、对收集到的数据进行去噪声处理，去噪声处理过程使用中值滤波方法；

17、实现数据同步，调整数据采集时间戳，确保各传感器数据的时序一致性。

18、优选的，所述数据分析模块包括：

19、应用随机森林算法对环境变化进行趋势分析和预测；

20、利用支持向量机算法对土壤温度和含水率的关系进行模式识别；

21、综合使用神经网络进行土壤冻胀和融化深度的预测分析。

22、优选的，所述可视化界面展示模块包括：

23、使用网络技术开发基于浏览器的交互式图表和地图，展示实时和历史监测数据；

24、实施用户定制的图表功能，允许用户根据个人需求选择不同的数据展示格式；

25、集成实时预警系统，基于预设的环境参数阈值触发警报。

26、优选的，所述太阳能供电模块包括：

27、配备高效率的太阳能电板，收集太阳能并转化为电能；

28、采用锂电池存储能源，确保夜间以及阴天时监测设备的连续运行。

29、优选的，所述5tm传感器需要进行定期校准，所述校准步骤包括：

30、在实验室条件下对传感器进行温度和含水率测量的比对；

31、使用标准样本对比测试，确定传感器的测量偏差；

32、通过调整传感器的内部参数进行误差修正。

33、优选的，所述预处理模块进一步包括数据融合技术，所述数据融合技术：

34、卡尔曼滤波，用于实时数据的动态更新和误差校正；

35、贝叶斯推理，将不同来源的数据进行概率融合。

36、优选的，所述数据分析模块进一步包括应用长短期记忆网络对时间序列数据进行分析，以预测未来的土壤温度和含水率变化。

37、本发明提供了一种季节性冻土区混凝土覆盖场地的冻土监测方法。具备以下有益效果：

38、1、本发明通过使用土壤温湿度传感器和长短期记忆网络对监测数据进行分析，有效监测和预测土壤冻胀的变形和深度。通过实时精确的数据采集和分析，能够监测覆盖场地的冻胀变形，并预测其发展趋势，为制定防治措施提供科学依据。

39、2、本发明通过卡尔曼滤波和贝叶斯推理的数据融合技术，本系统能够在不同深度提供土壤含水量和温度的连续监测。这种多层次的监测能力不仅增强了对土壤水分动态的理解，也提高了对温度变化影响的预测准确性，从而有效指导土壤管理和维护操作。

40、3、本发明通过整合先进的数据收集技术和高效的能源管理系统，显著提高了监测数据的准确性。同时，使用太阳能供电减少了设备对传统能源的依赖，确保了设备在偏远地区的持续运行。

41、4、本发明通过可视化界面展示模块，实时展示监测数据，允许用户根据需要定制图表，直观地查看冻胀变形、含水量和土壤温度等关键指标。此外，集成的实时预警系统能根据预设阈值及时通知用户潜在的风险，优化决策过程并提升响应效率

技术特征：

1.一种季节性冻土区混凝土覆盖场地的冻土监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种季节性冻土区混凝土覆盖场地的冻土监测方法，其特征在于，所述数据收集模块包括：

3.根据权利要求1所述的一种季节性冻土区混凝土覆盖场地的冻土监测方法，其特征在于，所述数据传输模块包括：

4.根据权利要求1所述的一种季节性冻土区混凝土覆盖场地的冻土监测方法，其特征在于，所述预处理模块包括：

5.根据权利要求1所述的一种季节性冻土区混凝土覆盖场地的冻土监测方法，其特征在于，所述数据分析模块包括：

6.根据权利要求1所述的一种季节性冻土区混凝土覆盖场地的冻土监测方法，其特征在于，所述可视化界面展示模块包括：

7.根据权利要求1所述的一种季节性冻土区混凝土覆盖场地的冻土监测方法，其特征在于，所述太阳能供电模块包括：

8.根据权利要求2所述的一种季节性冻土区混凝土覆盖场地的冻土监测方法，其特征在于，所述5tm传感器需要进行定期校准，所述校准步骤包括：

9.根据权利要求4所述的一种季节性冻土区混凝土覆盖场地的冻土监测方法，其特征在于，所述预处理模块进一步包括数据融合技术，所述数据融合技术：

10.根据权利要求5所述的一种季节性冻土区混凝土覆盖场地的冻土监测方法，其特征在于，所述数据分析模块进一步包括应用长短期记忆网络对时间序列数据进行分析，以预测未来的土壤温度和含水率变化。

技术总结
本发明涉及冻土监测技术领域，公开了一种季节性冻土区混凝土覆盖场地的冻土监测方法，包括以下步骤：数据收集模块，用于收集来自多种传感器的环境与土壤数据；数据传输模块，用于将收集的数据无线传输至预处理模块；预处理模块，对接收到的数据进行格式化和清洗；数据分析模块，应用机器学习算法分析数据，预测土壤和环境条件的变化；可视化界面展示模块，用于动态展示分析结果和实时数据；太阳能供电模块，用于对整个监测系统提供能源支持。本发明利用土壤温湿度传感器和长短期记忆网络精确监测和预测土壤冻胀的变形和深度，实现对覆盖场地冻胀变形的实时监控，并预测其发展趋势，为防治措施提供科学依据。

技术研发人员：刘小晖,杨斌,邓育轩,何娜,董龙龙,景鹏飞,张毅鹏,徐菁,李延娜,匡春燕,张艳丽
受保护的技术使用者：兰州城市学院
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5