（通信与信息系统专业论文）船体结构状态监测管理信息系统设计与实现.pdf

船体结构状态监测管理信思系统设计 捅斐 近年来，伴随着世界范围内船舶产业的空前繁荣，我国也紧跟世界步伐，在 船舶建造领域有了巨大的突破，并跃居成为世界三大造船基地之一，使得我国的 船舶无论是从数量、种类，还是设计复杂度来说都有了很大的提高。然而，随之 而来的一些问题也是我们不容忽视的，事实证明每年因船体结构安全引发海难的 数量也有上升的趋势。 通过对船舶管理人员需求进行深入分析，本文总结了造成船体结构安全监测 不力的原因，并借鉴土木工程中被广泛应用的光栅光纤传感器技术和芬兰科学家 对这一技术应用于船体结构监测的可行性验证，综合数据库开发技术、光栅光纤 通信技术、计算机软件开发技术设计开发了基于s q ls e r v e r 2 0 0 0 的船体结构状态 监测管理信息系统，实现了船体结构强度信息的共享、实时监测和数字化管理。 在本文中首先对所要开发的船体结构状态监测管理信息系统进行了全面、细 致的系统需求分析和系统性能分析，确定了系统设计的总体方案、流程及各子系 统功能。然后运用数据库技术对船体结构状态监测管理信息系统进行逻辑开发， e r 图绘制和数据表格，利用s q ls e r v e r2 0 0 0 数据库软件建立后台数据仓库，用 于存储船体结构强度数据信息。运用v i s u a lc + + 6 0 应用软件进行系统前台界面开 发，实现对数据库数据的查询、编辑、显示等功能。最后本系统通过连接外部光 栅光纤传感器硬件设备可实时接收船体结构安全信息，实现对船体结构状态的实 时监测。在系统设计开发工作结束之后，利用验证性实验对系统的数据处理能力 进行考察；并且通过车载试验对系统的实时监测功能进行观测，经过上述验证性 试验证明本文所开发的船体结构状态监测管理信息系统达到了预期的设计要求。 关键词：船体结构安全；管理信息系统；安全监测；实时数据库；光栅光纤 传感器 船体结构状态监测管理信息系统设计 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，a l o n gw i t ht h ew o r l ds h i p p i n gi n d u s t r yp r o s p e r i t y ，c h i n af o l l o w e dt h e p a c eo f t h ew o r l dd e v e l o p i n gi nt h ef i e l do f s h i pc o n s t r u c t i o n , m a d eah u g eb r e a k t h r o u g h , a n d r a n k e d 嬲o n eo ft h ew o r l d st h r e em a j o rs h i p b u i l d i n gb a s e s n o w a d a y s ，w h e t h e rf r o mt h e n u m b e r , t y p e ，o rd e s i g nc o m p l e x i t yo fs h i p , 0 1 1 1 c o u n t r yh a sg r e a t l yi m p r o v e d h o w e v e r ， s o m eo ft h ep r o b l e m sc a nn o tb ei g n o r e d ，w em u s tf a c et h ef a c t st h a tt h e r ei sa l li n c r e a s ei n t h en u m b e ro fs h i p w r e c k sc a u s e db yt h ep r o b l e m so ft h eh u l ls t r u c t u r a ls a f e t ye a c hy e a r a n a l y s e dt h en e e d so fs h i pm a n a g e m e n t ，t h er e a s o n so ft h eh u l ls t r u c t u r a ls a f e t yb y t h ew e a km o n i t o r i n gw a ss u m m a r i z e di nt h i sp a p e r t h eh u l ls t r u c t u r ec o n d i t i o n m o n i t o r i n gm a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e m o ns q ls e r v e r2 0 0 0d a t a b a s ew a s d e s i g n e da n dd e v e l o p e db a s e do ng r a t i n go p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , c o m p u t e rs o f t w a r et e c h n o l o g y t h eh u l ls t r u c t u r a ls t r e n g t hi n f o r m a t i o ns h a r e da n d r e a l t i m em o n i t o r e dw a sa c h i e v e db yt h i ss y s t e m f i r s t l y , ac o m p r e h e n s i v ea n dd e t a i l e ds y s t e mr e q u i r e m e n t sa n a l y s i sa n ds y s t e m p e r f o r m a n c ea n a l y s i s o nt h i sh u l ls t r u c t u r ec o n d i t i o n m o n i t o r i n gm a n a g e m e n t i n f o r m a t i o ns y s t e mw a sm a d ei nt h i sp a p e r t h eo v e r a l ls c h e m eo ft h es y s t e md e s i g n , t h e s y s t e mw o r k f o wa n dt h es u b s y s t e mf u n c t i o n sw e r ea l s od e v e l o p e di nt h i sp a p e r t h e n , t h e d a t a b a s et e c h n o l o g yw a su s e dt o d e v e l o pt h e h u l ls t r u c t u r ec o n d i t i o n m o n i t o r i n g m a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e ml o g i cd e v e l o p m e n t , e - rd i a g r a m sd r a w i n ga n dt h e e s t a b l i s h m e n to fd a t at a b l e s 。t h es q ls e r v e r2 0 0 0d a t a b a s es o f t w a r ew a su s e dt oe s t a b l i s h t h eb a c k g r o u n dd a t aw a r e h o u s et os t o r et h eh u l ls t r u c t u r a ls 订e n g t hd a t a t h ev i s u a lc + + 6 0 a p p l i c a t i o ns o f t w a r ew a su s e dt od e v e l o pt h es y s t e mf r o n ti n t e r f a c et oa c h i e v et h ed a t aq u e r y ， e d i t , d i s p l a ya n do t h e rf u n c t i o n s f i n a l l y ，t h es y s t e mb yc o n n e c t i n ga l le x t e r n a lg r a t i n gf i b e r s e n s o rr e c e i v e dr e a l - t i m ei n f o r m a t i o no ft h eh u l ls t r u c t u r a ls a f e t yt oa c h i e v et h er e a l - t i m e m o n i t o r i n g a f t e rt h es y s t e md e s i g na n dd e v e l o p m e n tw o r k ，t h ed e v e l o p e ru s e dal a r g e n u m b e ro fe x p e r i m e n t a ld a t at ov e r i f yt h ed a t ap r o c e s s i n gc a p a b i l i t i e sa n du s et h ev e h i c l e e x p e r i m e n tt ov e r i f yt h e r e a l - t i m em o n i t o r i n gc a p a b i l i t i e s t h r o u g ha l lt h i sv e r i f i c a t i o n e x p e r i m e n tp r o v e d t h a tt h eh u l ls t r u c t u r ec o n d i t i o n m o n i t o r i n gm a n a g e m e n t i n f o r m a t i o ns y s t e md e v e l o p e di nt h i sp a p e rr e a c h e dt h ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t sw e l l 哈尔滨下挥大学硕士学位论文 k e yw o r d s ：h u l ls t r u c t u r a ls a f e t y ；m a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e m ；s a f e t y m o n i t o r i n g ；r e a l - t i m ed a t a b a s e ；g r a t i n gf i b e ro p t i cs e n s o r s 第1 章绪论 第1 章绪论 自改革开放以来，我国的造船业经历了一段飞速的发展期，始终保持着强劲 良好的发展势头。尤其是在近十多年，从我国造船业在世界造船业中所占市场份 额上不难看出，我国已跃居成为世界主要造船基地之一，我国的造船技术正在不 断地与世界先进水平接轨。然而在船舶产业取得了长足发展的背后，还需要清晰 地意识到我国在整体船舶产业上还存在着一些不足，在船舶自主研发和船舶配套 设备研发上与世界领先技术还是存在很大差距的，在船体结构安全性能分析方法 和监测手段方面仍需要进一步的提高。 1 1引言 随着世界范围内造船市场的繁荣，使得船舶数量和船舶种类逐年增加，船舶 结构也日益复杂，如何更好的保障船舶运营安全也变得越来越重要。对于远洋营 运船舶，恶劣天气和严重的海况等因素都会对船体结构安全造成威胁，事实证明 每年因为船体结构安全引发的海难数量也有上升的趋势。深入分析造成船舶在结 构安全方面上出现问题的因素有很多，如船舶设计本身的不合理，对船体结构安 全监测力度不够、不及时，面对结构安全问题时采取的措施不当等。去除船舶设 计上不合理的因素，最主要、也是人为可以控制的因素是对船体结构安全状况监 测的不力。船舶结构安全可以通过考察船体结构的屈服强度、屈曲强度、疲劳强 度等来进行评估【1 1 。2 0 世纪6 0 年代，挪威和瑞典船舶设计者首先确定了船舶疲劳 裂纹经常出现的船体部位【2 1 ，而后，1 9 7 2 年瑞典在对他们建造的船舶中调查发现， 船体损坏中由于船舶疲劳裂纹造成的破坏占7 0 以上【3 】，2 0 世纪9 0 年代后期，随 着船舶结构的大型化和高强度钢的普遍应用，船舶结构的屈曲稳定性问题也逐渐 成为结构的主要失效模式之一【4 】。因此，保证船体结构安全问题已成为不可忽视的 重要问题。目前，在船体结构安全监测上的现状是船舶的设计建造、使用、检验 和维修等各环节是分开的，其结构信息不能共享，使得船东不能确切掌握船舶结 构的当前状态和航行海况造成的潜在威胁，同时没有很好的实时监测手段和及时 的预警措施，拖延了问题处理的最佳时机，因此为保障船舶的结构安全，建立一 套完备的数字化船体结构状态监测管理信息系统用于管理船舶结构的原始设计建 造信息、使用过程的监测信息、中间检验和维修信息等综合存储和对船体结构状 态进行实时监测，对船体结构状况分析评估预报，并能够合理给出使用和结构优 哈尔滨下程大学硕十学位论文 化决策是十分必要的。 1 2 国内外发展现状 结构安全监测或称为健康监i 贝f j ( h e a l t hm o n i t o r ) 技术是一个跨学科的综合性技 术，它包括工程结构、动力学、信号处理、传感技术、通讯技术、材料学、模式 识别等多方面的内容。它利用无损传感技术，通过包括结构响应在内的结构系统 特性分析，以达到检测结构安全性的目的，目前已在土木工程领域成功应用，并 越来越受到重视，但在船舶结构安全性研究领域的应用和发展较为缓慢，目前仅 在一些海洋平台和试验船舶上有一些应用研究【5 】。l i f s h i t z 和r o t e m 于1 9 6 9 年首次 提出了通过动力响应监测评估结构健康状态的现代结构健康监测理念。随着光纤 传感器技术的发展，基于光纤传感器的结构检测系统在复杂工程结构中得到了应 用和发展。目前，基于光纤传感器的监测系统已经从混凝土的浇筑过程的监测扩 展到桩柱、地基、桥梁、大坝、隧道、大楼等复杂系统的测量或监测。由于光纤 传感器具有体积小，重量轻，灵敏度高，可靠性好，耐腐蚀耐高压，并且能在恶 劣环境下进行非接触式、非破坏性以及远距离测量等特点，这一技术也被应用于 船舶应用领域。相关资料显示目前芬兰正基于光纤光栅传感技术研制相应的船舶 结构安全长期监测系统，通过实船的试验监测，证明了该方法的可行性。 现代结构安全监测在中国的提出从1 9 9 5 年我国实施的国家科委重大应用基础 性研究项目“攀登计划b 中设立的“确保大型结构安全性与耐久性的综合监测系 统 子课题开始，课题首先在高坝、大跨桥梁、高层建筑上展开研究。具有代表性 的有：1 9 9 7 年，香港青马大桥健康监测系统使用了约8 0 0 个永久性传感器用于监 测桥的损伤，同时香港汲水门大桥和香港汀九大桥也安装了类似的系统。随后， 上海徐浦大桥结构状态监测系统包括测量车辆荷载、温度、挠度、应变、主梁振 动、斜拉索振动六个子系统。东海大桥、虎门大桥、江阴长江大桥等桥梁上也建 立了不同规模的结构监控系统。2 0 0 8 年，北京奥运会主会场国家体育场( 鸟巢) 和中国国家水上运动中心( 水立方) 也安装了结构监测系统，用于测量结构振动 和加速度。在国内海洋工程发面，刘志宇在1 9 8 2 年对海洋平台结构的振动监测进 行过综述【6 】。上世纪末，欧进萍等开发了海洋平台结构实时安全监测系统，采用该 系统对渤海j z 2 0 2 m u q 平台进行了多次冬季结构安全性监测试验，验证了系统的 实用性和必要性【7 】【8 】。但目前，国内还没有一个全面的，综合的信息平台软件用于 对船舶结构状态监测提供分析和预报的依据。 2 第1 章绪论 1 3 研究的目的及意义 目前，我国船型自主开发与优化设计能力受到结构安全性评估方法、数值计 算能力和模型试验技术等基础技术研究水平落后的限制，与世界造船强国相比还 有很大的差距，本论文所设计开发的舰船疲劳监测管理信息系统就可以很好的弥 补我国在这一领域研究的空白。它既可以通过建立基于s q ls e r v e r2 0 0 0 的船舶结 构数据库将船舶的设计建造、使用、检验和维修等各环节的结构信息实现真正的 共享，根据评估要求，能自动生成任意历史结构状态的全船结构有限元模型和舱 段结构有限元模型，该数据库可以简洁的进行船舶结构和保障信息查询与分析监 测界面以及多重保密机制的设计和登录权限的分配，可以使用户方便，全面的掌 握船舶的结构疲劳强度，提高了现有船体强度评估体系的有效性，实现船体结构 状态的合理评估；还可以通过光栅光纤传感器实时采集船舶结构状态信息，可以 帮助船舶运营人员做到实时监测，及时预警，尽早采取应对措旌。除了丰富的数 据库信息帮助管理人员在统一平台上查询过环节数据，又可以对船舶运行现状做 到及时掌握，可以在很大程度上降低由于船舶结构性能造成的海难发生，提高船 舶整体运行能力。与此同时，开发拥有自主知识产权的船体结构安全监测系统， 实现船体结构的安全评定和主动控制，完善和优化现有的船舶结构设计方法。借 助实船船体结构安全检测系统的研究和应用，加强结构安全性评估方法和结构优 化设计等基础共性技术研究，提高船型开发与设计能力，增强我国船舶工业的可 持续发展能力和国际竞争力。 ： 1 4 论文的主要工作及内容安排 通过对当前世界造船业发展现状的研究和我国船舶结构状态安全监测领域的 学习，本文设计并开发了基于s q ls e r v e r2 0 0 0 数据库的船体结构状态监测管理信 息系统。本文主要章节内容安排为： 第1 章绪论主要介绍本课题研究的背景，国内外发展现状，以及研究的目的和 意义，最后是全文的章节安排。 第2 章管理信息系统设计理论阐述了本文所开发的船体结构强度监测管理信息 系统的技术背景。主要介绍了管理信息系统设计的相关理论，包括管理信息系统定义， 开发过程和原则及开发方法等。 第3 章船体结构状态监测管理信息系统总体设计介绍了船体结构状态监测管理 信息系统总体设计方案以及两大子系统：数据采集、输入子系统和船体结构状态监测数 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 据信息管理子系统的设计思路。同时，也对系统开发的硬件平台进行了详细介绍。 第4 章船体结构状态监测数据库设计介绍了数据采集、输入子系统的主要技术 数据库开发的技术背景和系统数据库的开发过程。归纳了数据字典，设计了数据库e r 图和数据表单。 第5 章v i s u a lc + + 系统界面开发及验证介绍了船体结构状态监测数据信息管理 子系统的界面开发过程。介绍了v c + + 下的数据库访问技术和主要数据处理功能的实现， 并且，最后为考察本文所开发的船体结构状态监测管理信息系统的工作性能对其进行了 系统验证。 4 第2 苹管理信息系统设计理论 第2 章管理信息系统设计理论 本文设计开发的船体结构状态监测管理信息系统是依托船舶海洋应用领域， 利用数据通信技术、数据库存储技术和现代计算机技术用于船体结构安全监测的 管理信息系统。 2 1 管理信息系统概述 管理信息系统( m a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e m ，m i s ) 是一个涵盖了管理、信息和系 统领域的综合概念，是以人为主导，借助计算机和外围设备等组成的能提供企业管理所 需信息以支持企业的生产经营和决策的人机系统。 2 1 1 信息、系统与管理 ( 1 ) 信息 从广义上来讲信息就是人脑对客观世界相关感知的各种信号的集合，从狭义 上来说，信息是人们对各种相关消息或信号经过筛选后，提炼出来的对于描述和 解释一类事物或形态的有价值的信息资源。现今，人类已经进入了高速发展的信 息社会，信息资源已成为继劳动力资源和物质资源之后的第三资源，并且信息资 源已渗透到了社会的各个应用领域当中， 社会活动9 1 。 它的重要性在于它可以用来描述一切的 归纳起来讲，信息的含义包括三个方面：一方面是信息的客观性，信息来源 于现实世界，它反映了某一事物的现实状态，体现了人们对事实认识和理解程度： 另一方面是信息的主观性，信息是人们对数据有目的的加工处理结果，它的表现 形式是根据人们的需求来决定的；一方面是信息的有用性，信息时人们从事某项 工作或行动所需要的依据，它和人们的行为密切相关，并通过信息接受者的决策 或行动来体现它所具有的价值【1 0 】【1 l l 【l2 1 。 ( 2 ) 系统 系统的概念可以是抽象的，也可以是实际的。一个抽象的系统可以是相关的 概念或思维结构的有序组合，而一个实际的系统是为完成一个目标而共同工作的 一组元素的有机组合【”】。系统是在一定的环境中，为达到某一目的，由若干相互 联系和相互制约的元素结合在一起并形成的具有某种特定功能的有机整体。这一 有机整体体现在：首先，组成系统的元素是为了要完成某个或某些具体功能而结 哈尔滨_ t 程大学硕十学位论文 合的；其次，这些元素的结合是遵循某些特定规律的；最后，结合的元素是相互 依存和相互作用的，一般不可以再分割【1 4 】。系统的组成可参看图2 1 系统的一般 模型： 输入l 一1r 一输出l 输入2 子系统4 子 0， 系 接 接口 统 口 1 一习 子系统2 输a 3t 。= ：i ：= ：? 蔓 一输出2 输出3 图2 1 系统的一股模型 可见，系统的五个组成要素是：输入、处理、输出、反馈及控制，它们有机 的结合在一起，相互依存、相互作用构成了具有一定功能的系统。 ( 3 ) 管理 管理是人们有目的、有意识的实践活动，是指管理者在一定的社会条件( 资源 与环境的约束) 下，为了实现预定目标对各种资源和实施环节进行规划安排，优化 控制活动的总称。管理的实质是通过对资源的合理配置，达到以最小的投入获得 最大效益的目的14 1 。 2 1 2 管理信息系统定义 管理信息系统是一门交叉性很强的学科，基于以上对信息、系统与管理的阐 述，管理信息系统可以定义为：利用自动数据处理技术执行管理功能的信息处理 系统；是一种利用人工过程、数学模型及数据库资源为企事业单位管理信息的运 行( 收集、传递、加工、保存等操作) 、分析和决策等职能提供信息支持的综合性 计算机应用系统；是管理人员实现其目标的有效工具【1 5 】。 图2 2 是管理信息系统的概念结构图。管理信息系统的核心一般是大型数据 库，在用户的终端提供一个人机交互界面，为用户提供数据存储、检索、更新、 筛选等操作功能。一个功能完备的管理信息系统，可以为用户及管理者提供良好 的信息管理服务，必须是建立在全面的、完整的管理信息基础之上的。这需要通 过对信息全面的分析，建立完善的管理模式，涵盖各类信息之间的所有关系，完 整的体现管理系统内各部门的活动与联系，将各部门内及部门间的活动高度集成 6 第2 章管理信息系统设计理论 化到管理系统的操作中。此外，管理信息系统需要在大量的基础数据、科学数学 建模、以及完备的管理知识基础上搭建的，通过合理的、科学的数学方法分析对 被管理的对象做出正确的管理、监测、分析及未来情况的预报等工作。总的来说， 管理数据系统是一门以数学方法为基础，一般以强大数据数据库为核心的功能高 度集成化的人机交互操作的科学。 图2 2 管理信息系统的概念结构图 2 2 管理信息系统开发技术基础 作为一门交叉性强、多学科共同支撑的边缘技术，管理信息系统涵盖了计算 机科学、通信学、管理学、运筹学、应用数学等，归纳起来管理信息系统开发技 术的三大基础技术分别是：数据通信技术、计算机网络技术和数据处理技术。 2 2 1 数据通信技术 数据通信系统是指以电子计算机为中心，用通信线路连接分布在远地的数据 终端设备而进行的通信系统。基本构成如图2 3 所示： 7 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 图2 3 数据通信系统的组成 由图2 3 所示，数据通信系统是由数据传输部分和数据处理部分组成的，数据 的传输就是系统内部数据在各单元中数据的传递和迁移；数据处理则可以理解为 是对传输进来的数据进行加工的过程，一般分为实时处理型和批量处理型【l6 1 。 数据可以分为两类，一类如声音或视频这样的信号，即模拟数据信号；一类 是如战士打靶环数这样的信号，即数字信号。而数据传输的作用就是将数据加载 到通信线路上向另一方传送。数据传输的基本方式有两种：一种是并行、串行传 输，一种则为基带、频带传输。 ( 1 ) 并行传输和串行传输 并行传输是使用若干条线路同时传输一组数据。并行传输一般多应用于计算 机或终端设备中的字符传输。但是，由于在并行传输中的比特均是同时发送和接 收的，因此对发送和接收段的合拍技术要求严格，一般适用于近距离数据传输。 串行传输是由一条线路按照一定顺序逐次地传输数据。由于串行传输的传递 数据特点使得串行传输耗时长，传输速率低；其次，若使用远程的公用数据通信 网络在计算机间传送数据，则需要进行串并和并串转换，需要配置相应装置。但 是由于在硬件方面具有突出的经济性和实用性，因此，现今串行传输应用较为广 泛【17 1 。 ( 2 ) 基带传输和频带传输 基带传输是模拟信号经过信源编码得到数字基带信号，将这种信号经过码型 变换，不经过调制，直接送到信道传输。由于基带传输不需要调制解调器，所以 减少了线路开支，但是，它的缺点是传输距离短，它的极限只能达到5 k m 6 k m 。 频带传输是把将待发数据的脉冲信号先变成模拟信号在电话频带上传输，再 由接收端把它还原成脉冲数字信号。这一技术是传统的通信方式，并且，现在仍 然主流的数据传输手段。在频带传输中的核心技术是调制和解调，由调制解调器 8 第2 章管理信息系统设计理论 来实现。功能是将终端获得的基带信号传送到传输线路上，同时把从线路上所接 收到的系统信号转化为系统信号，然后传送给数据终端【l 引。如图2 4 可以很好的 说明调制与解调的作用。 脉冲数字信号模拟信号脉冲数字信号 l 终端l 厂叫调制叫调制l r 叫通信控u 中央处u 外围l l 设备ll 解调器if 解调器il 制设备fii 理设备il 设备i 通信线路l 数据传输部分 1 兰兰竺r 一 据处理部舾 图2 4 数据通信系统的基本结构 本文设计开发的船体结构状态监测管理信息系统分为历史数据处理和实时数 据监测两部分，其中后者监测的实时数据就是通过光栅光纤传感智能分析仪获得 的，它的工作原理就是将光栅光纤传感器接收到的光信号经过智能分析仪解调产 生数字信号传给上位机进行后期处理。 2 2 2 计算机网络技术 随着科学的不断进步，计算机与网络的发展也是一日千里，在不同的时期， 对计算机网络的定义也是不同的。现在一般认为，计算机网络是一种地理上分散 的、具有独立功能的多台计算机通过通信设备和线路连接起来，在配有相应的网 络软件( 网络协议、网络操作系统等) 的情况下实现资源共享的系统【l9 1 。计算机 网络是由主机、网内通信信道、主机信道间接组成的。主机，即网络上可独立运 行的计算机。信道，指连接各自主系统的通信信道。而主机和信道之间的接口则 是通信处理机，或是起通信处理机作用的网络接口卡【2 。根据划分标准的不同， 计算机网络系统的类型也是不同的，按照网络涉辖范围划分，计算机网络可分为 局域网l a n ( l o c a la r e an e t w o r k ) 、广域网w a n ( w i d ea r e an e t w o r k ) 和城域网 m a n ( m e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k ) 。按照拓扑结构可分为线性结构、星形结构、树 形结构、环形结构和分布式结构。 2 2 3 数据处理技术 数据处理就是把来自科学研究、生产实践和社会经济活动等领域中的原始数 据用一定的设备和一定的手段按一定的使用要求加工处理成另一种形式的数据， 9 哈尔滨t 程大学硕士学何论文 以便获得对人们决策有价值的信息过程。主要是针对各种类型的数据进行数据的 收集、组织、加工、存储、选取和传输等工作【2 0 1 。数据处理的内容可以概括为以 下的几个方面： ( 1 ) 数据采集：数据采集就是根据用户和系统的需求收录数据的过程，它的 工作会直接影响加工信息的质量。 ( 2 ) 数据转换及录入：也叫数据的预处理。这部分的工作是将数据代码化， 即转换成适合计算机计算和处理的代码。 ( 3 ) 数据的分类与合并：数据的分类是将无序的数据经过一定的排序准则转 换成有序数据序列的过程。而数据的合并是用统一的排序原则将两个或两个以上 简单有序数列连接成一个有序数据序列的过程。 ( 4 ) 数据运算：包括算数运算、逻辑运算及复杂的数学模型求解。 ( 5 ) 数据的传输：数据的传输包括两大工作，一是输出数据的处理结果，如 报表，报告等：二是实现数据资源的共享和交换。 ( 6 ) 数据的存储：这一部分的任务就是对原始数据和已处理过的数据进行存 储操作。因此这一环节需要确定输入的数据源、数据大小、数据存储地址、存储 方式、采用何种数据结构、存储速率等问题。 ( 7 ) 数据的更新、维护：是指通过插入、删除、添加等操作对原始数据进行 更新和调整，并对数据的正确性进行检验，确保数据安全的操作。 ( 8 ) 数据的检索：即根据用户的需要对系统内的数据进行筛选，在这一环节 需要确定检索方式、范围等问题【2 3 1 。 随着计算机应用领域的扩大及信息处理技术和通信技术的发展，数据处理的 方法也越来越丰富，根据用户的需求和对处理结果的要求，采用的数据处理方法 也是迥异的。按照数据的发生及数据处理的响应时间分类，数据处理方法可以分 为两类：批处理方式、实时处理方式。 ( 1 ) 批处理方法：批处理方法是把一定时间内准备处理的各个业务地点的数 据累计成批处理后，一次输入到计算机集中进行处理【2 4 1 。它是早起计算机数据处 理最常用的方式。根据用户与数据处理系统距离的远近，批处理方法又被分为本 地批处理和远程批处理方法。 本地批处理是在计算机中心进行处理输入和输出工作的，它的工作流程是将 数据文件通过运输方式运送到计算机中心，利用一定的手段录入计算机系统进行 批处理。其中根据向计算机中录入方式的不同又可分为中心批处理、联机批处理、 l o 第2 章管理信息系统设计理论 i 脱机批处理。中心批处理方式是把现场产生的数据经过预处理之后，积累到一定 的数据量或达到一定的时间结点时，将数据送达计算机站后由专业工作人员将数 据输入到计算机中心的过程。联机处理的方式是指中心计算机直接或通过通信线 路连接多台终端设备和外部设备，并使这些外部设备在直接或通过通信控制软件 的控制下进行数据收集，这些数据直接传送到中心计算机，计算机把接收到的数 据暂时收集在磁盘等辅助存储介质中。当收集到的数据达到一定数量或到达一定 时间时，由计算机进行处理，然后把处理结果经过通信线路输出到原始终端【2 5 1 。 脱机处理方式是把由通信线路收集到的数据，利用中心终端装置中的输出设备， 把它们输出到磁带、软盘等介质上，然后再通过这些介质把汇集在一起的数据输 入到计算机进行处理的过程【2 6 i 。 远程批处理方式是通过把数据从分散的远程终端经过通信线路输入到计算 机，经批处理后再把处理结果返回到远程终端。这种方式费用低，响应时间短， 适用于规定日程内比较困难的大量数据处理和对响应时间有要求的业务 2 7 1 。 ( 2 ) 实时处理方式 实时处理方式是指在数据产生的同时，立即输入计算机进行相应的处理，由 计算机及时做出响应，将处理结果直接传给用户【2 8 1 。实时处理的首要条件是相应 的及时性。实时处理又可分为联机实时处理和分时处理两种方式。 联机实时处理方式是用户通过终端输入的数据立即由计算机处理，并向用户 终端输出处理信号。 分时处理方式是指计算机系统可以由许多独立的用户共享，每个用户都可以 分到一个虽短但一再出现的计算时间片，使其感到只有自己一个入在使用计算机， 并且都能得到最快的相应【2 9 1 。 在计算机技术迅猛发展的今天，计算机作为人类日常事物中越来越不可或缺 的工具使得数据处理技术从最早的手工处理发展成为电子数据处理阶段。并且， 由于文件的复杂性提高，种类增多，数据量剧增，使数据库技术在数据处理技术 中成为主角。所谓数据库，简而言之，是指被计算机存储起来的数据集及数据间 逻辑关系的集合。现今，常用的数据库软件有：s q ls e r v e r 、m y s q l 、d b 2 、o r a c l e 、 a c c e s s 等。利用数据库系统方式实现数据处理是在文件系统的基础上发展起来的 最先进技术。相对于文件系统的弱点，数据库的优点体现在数据之间相互独立， 可以很好的实现数据共享，减小数据冗余，数据结构化存储、提高了数据安全性 并且便于用户使用。虽然数据库种类繁多，但是多数采用三级结构模式，即对应 哈尔滨t 程大学硕士学1 1 c 7 ：论文 于全局逻辑级的模式、对应于用户级的分模式、对应于物理存储级的存储模式2 4 1 ， 用这三级来描述数据库系统如图2 5 所示： 图2 5 数据库系统结构示意图 本文所开发的舰船疲劳监测管理信息系统就是基于数据库技术，采用数据树 立方式对船舶健康信息数据进行开发的管理信息系统。 2 3 管理信息系统开发过程 1 系统需求分析 一个管理信息系统在项目确定启动之前，都是建立在一定的业务类型和用户 管理需求基础之上的，因此，系统的需求调研是管理信息系统建立的第一步，它 的作用是十分重要的，要充分考虑到管理信息系统的用户需求、业务需求和功能 需求。需求是系统分析人员通过与客户的交流，挖掘客户深层次和最真实的需求， 以此来设计管理信息系统需要满足的性能、功能和限制。在系统需求分析调研之 后，根据需求调研得到的资料和信息，对拟建设的信息系统项目进行全面综合的 分析和论证，对系统的可行性做出评估，包括技术上、经济上、环境上和进度上 的可行性分析。根据用户对信息系统的要求和需求，结合研发团队的技术实力， 组织的目标和现状，得出最合理的系统需求分析，作为系统分析和系统设计的基 础。需求分析决定管理信息系统的开发方向，是管理信息系统开发过程中至关重 要的一步，对管理信息系统开发成败起着决定性作用。 2 系统结构设计 在系统需求分析及可行性分析之后，为了能完全满足用户的需求和实现接口 友好的信息系统，为程序设计人员提供一个方向明确，设计清晰，功能完整的软 件设计说明书，需要进行科学的系统总体结构设计。系统总体结构的设计要根据 系统分析的要求和用户需求对即将开发的管理信息系统总体结构形式和可利用的 1 2 第2 章 管理信息系统设计理论 人力、物力和技术资源进行大体设计，它是一个设计方向上把握，提出的是系统 宏观的设计。包括系统功能模块设计、子系统划分、模块和模块结构确定、模块 的分解和调用、控制结构图绘制等内容。 3 数据存储设计 数据的存储设计是根据系统功能的需求，决定数据的组织形式和存储方法， 以便获得较好的文件结构和文件组织方式【9 1 。数据存储设计分为两方面的工作：文 件设计和数据库设计。文件涉及主要是确定文件的结构和与之相适应的组织方式。 数据库设计就是为数据存储设计一个高效、稳定的存储方案。 4 代码设计 代码设计的工作量比较多，因为既要达到用户的认可和计算机信息管理要求、 还要符合国家相关标准和规定。代码设计问题是科学管理的问题，好的代码设计 可以减少开发人员的工作量，提高计算机工作效率，从而使系统的整体性能得到 提升。管理信息系统开发过程中代码设计的原则是： ( 1 ) 唯一性：在一个编码体系中确保被表示的数据信息有且仅有一个与它对 应的代码。例如学生的学号，在同一个数据处理过程中一个学生只能对应一个学 号。 ( 2 ) 规范性：代码的设计应该满足标准与通用的原则，在编码的过程中尽量 符合国家相关要求和规范，使代码方案尽可能的通用。并且，在一个代码体系中， 代码的编写格式、结构和类型需要统一。 ( 3 ) 稳定性：设计合理、科学的代码设计原则可以满足数据量的增多，业务 的扩展、突发情况的应急处理，充分考虑系统实体集的变化性，使系统运行稳定。 ( 4 ) 可扩充性：衡量信息系统生命力的一个重要的影响因素就是它的可扩充 性，代码设计时要为今后系统的升级和维护留有余地，以满足今后系统业务扩充 的要求，否则将会严重制约系统今后的发展。 ( 5 ) 代码的精简性：在符合国家相关标准的前提下，应尽量做到代码的精简 原则，保证和同类代码的统一，这样既可以提高数据库的操作效率，同时也易于 用户接收，提高计算机的存储和处理效率。 ( 6 ) 便于识别和记录：要充分利用各种结构的符号组合、编码规律和编码技 巧，使代码具有较强的逻辑性和阅读性。 ( 7 ) 易修改：系统的设计是基于用户的管理需求和管理团队的体系安排的， 为了适应管理体制和管理模式的变化要求代码的设计还要满足易于修改的原则。 哈尔滨t 程大学硕十学停论文 5 用户界面设计 用户界面设计就是根据用户在使用交互式系统时的操作动作，或者是用户想 象中的操作动作的抽象，创建或导出一致的表示界面【1 3 】。在界面设计中最重要的 就是做到以客户为中心，了解客户的需要和最便利客户的操作流程设计。用户的 界面相当于产品的外包装，给用户最直观的感受，作为一款产品推出的操作系统， 用户界面的设计会直接关系到系统的应用和推广。好的用户界面设计要做到界面 设计简洁大方，符合用户的操作习惯；明了的操作错误告知，使用户知道错误所 在并且可以引导用户进行正确的操作；对话和提示应适合不同技术背景的操作人 员，做到通俗易懂、简明扼要；对关键的操作要有及时的提示音；界面设计合理， 美观不失专业。 6 输入输出设计 作为系统与用户交流的桥梁，数据输入需要保证正确、及时、高效，因为它 的正确性直接影响数据处理结果和输出结果，因此对输入的设计需要做到在满足 系统功能要求的基础上输入量尽量小，尽量降低错误的出现；输入过程简单易操 作，有适当的检错能力；尽量在离原始数据输入早的时间段内进行数据校验，这 样发现错误可以及时纠正；尽量输入编码，减少汉字的输入量。 在进行输出设计的环节应首先考虑用户对结果的需求，包括输出项目、数据 精度、信息形式、数据结构、数据范围、结果保存路径安排等等。根据输出结果 的使用目的、用户类型及用户实际操作环境选择相应的介质( 如：打印机、显示 器、磁带、缩微胶卷等) 输出数据处理结果。 7 处理过程设计 处理流程设计主要通过处理系统各模块流程图，描述信息在计算机存储介质 之间的流动、转换和存储情况，以便为程序框图设计详细的输入输出数据。通过 系统流程图可以清楚地查看到数据在处理过程中的传递和存储情况【l4 1 。 8 系统实现设计 系统实现设计就是系统开发的最后一个环节，经过全面的需求分析、可行性 论证、系统总体设计和其他各分支细节的设计，系统实现设计是将系统设计方案 实施在计算机上的阶段，是真正的软件开发阶段。这个阶段需要进行软硬件配置， 代码编写、调试、测试、系统管理等一系列的工作，大体步骤是首先，按照系统 总体设计要求配置系统开发的软硬件环境和网络系统；然后，建立数据库系统； 进行程序设计和编写；最后，进行系统测试。 1 4 第2 章管理信息系统设计理论 2 4 本章小结 本文主要阐述了船体结构状态监测管理信息系统开发的技术背景。通过信息、 系统与管理三方面概念的阐述给出了管理信息系统的确切定义。其次，概略介绍 了管理信息系统开发技术的三大基础技术：数据通信技术、计算机网络技术和数 据处理技术。最后，对管理信息系统开发的一般流程做了详细介绍。 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 第3 章船体结构状态监测管理信息系统总体设计 3 1系统需求分析 目前，我国船型自主开发与优化设计能力受到结构安全性评估方法、数值计 算能力和模型试验技术等基础技术研究水平落后的限制，与世界造船强国相比差 距较大。 船舶的设计建造、使用、检验和维修等各环节的结构信息不共享，降低了现 有船体强度评估体系的有效性。解决这个问题可行而有效方法是，研究开发一套 数字化船舶结构安全保障系统，将船舶结构建造、使用、检验和维修等环节有机 地联系起来，以实现船体结构强度的合理评估。 结构的安全监测技术通过对结构进行实时监测，实现对灾害的提前预警或在 灾害发生后评估结构的损伤程度及其剩余寿命，在木工程领域已成功应用，也为 船舶结构状态评估提供了契机。从运营中的实船船体结构及其环境所获得的信息， 不但可以提供有关结构行为与环境规律的最真实的信息对结构状态进行实时监测 评估，而且也是理论研究和实验的补充，为船舶结构安全性评估方法的完善、船 舶设计理论的优化和船型开发与结构优化设计提供重要参考。 管理信息系统正是一个可以满足以上对数据处理要求的一体化系统，它的核 心一般是大型数据库，可以作为管理信息系统的后台数据仓库保存海量的船舶数 据信息，利用软件开发工具在用户的终端上设计良好的人机交互界面实现对数据 信息的操作。 本文所设计的船体结构状态监测管理信息系统是基于对两类船舶数据进行处 理的管理系统，即通过光栅光纤传感器实时接收的船体结构状态数据和在通用有 限元软件( m s c p a t r a n ) 上利用p c l 语言对其二次开发获得船舶结构强度校核的历 史数据。船体结构状态安全包括对屈服强度、屈曲强度和疲劳强度三方面安全性 的考察。因此，本文设计开发的船体结构状态监测管理信息系统需要有针对两种 类型数据不同的输入模块，船舶基本信息模块，船体屈服、屈曲、疲劳信息考察 模块和实时数据分析模块。作为专业性较强的船舶管理软件还需要具备安全的登 录模块。本系统采用的是以计算机为平台，用大型数据库进行数据存储，通过计 算机u s b 接口实现光纤光栅传感智能分析仪和计算机之间