（检测技术与自动化装置专业论文）自动化大坝安全监测及智能振弦压力数据采集系统.pdf

摘要 大坝安全监测是确保大坝安全的重要手段。 为了尽早监测到大坝性态的 异常 情况， 有必要进行大坝安全监测系统的开发。 本文在综述了我国大坝安全监测系 统的 发展后， 研究了二龙山大坝安全监测系统， 重点 研究了渗压系统软硬件原理 及其内部构成。 论文介绍了二龙山大坝的硬件选型和组网方式， 对监侧系统的软硬件进行了 分析。 论文共分为七章， 第一章论述了 大坝安全监测发展现 状; 第二章介绍了 系 统理论基础， 包括三层us 结构、变形检测及渗压检测原理; 第三章进行了系统 研究原则依据和系统构成; 第四 章研制了 渗压测量系统的硬件， 包括单片机数据 采集系统和通信电 路研究: 第五章编制了系统的 软件流程图 及通信协议; 第六章 进行了 硬件仿真和系统联调; 第七章则对全文进行了总结并对大坝安全监测系统 中的前景作了展望。 本系统的实现是面向 对象技术和数据库开发相结 合的一次新的探索， 其方法 对于其它企事业单位网络信息系统的开发具有较好的研究和参考价值。 关链词:大坝安全监测，数据采集，c / s 结构，渗压测量，数据库 ab s t r a c t d a m s a f e t y m o n i t o r i n g ( d s m ) i s a n i m p o r t a n t m e a s u r e f o r e n s u r i n g d a m s a f e t y i t w i ll b e n e f i t t o m a n a g e o b s e r v a t i o n d a t a o f s a f e t y m o n i t o r i n g .m d r e o v e r , i t c a n h e l p a n a l 卿 fi n d a b n o r m a l c o n d i t i o n s a b o u t d a m c o n i t i o n a s e a r l y a s y o u c a n , a n d m a s t e r d a m w o r k i n g c o n d i t i o n . o n t h e b a s i s o f c l a r i f y i n g t h e c u r r e n t s i t u a t i o n o f d s m i n o u r c o u n t r y , d e p i c t e d t h e d e s i gn t o e r l o n g s a n d s m s y s t e m , i t i s i m p o r t m e n t t h a t t h e i n n e r p r i n c i p l e s a n d m e t h o d s o f t h e a u t o m a t i c s y s t e m s o ft w a r e a r e s y s t e m a t i c a l l y d i s c u s s e d i n t h e p a p e r . t h e s e l e c t i o n o f i n s t r u m e n t s t y p e s a n d m a k e - w a y s o f n e t w o r k b e i n t r o d u c e d i n t h i s p a p e r , t h e n t h e s t r u c t u r e a n d f u n c t i o n o f t h e m o n i t o ri n g s y s t e m s o f t w a r e i s d e s i gn e d .t h e t h e s i s i n c l u d e s s e v e n c h a p t e r s . t h e f i r s t o n e d i s c u s s e s a b o u t t h e r e s e a r c h m e a n i n g a n d p r e s e n t s t a t u s o f d s m . t h e m a i n c o n t e n t o f t h e s e c o n d o n e i s t h e r e s e a r c h o f d s m b a s e d o n c / s s t r u c t u r e , a n d i n t r o d u c e d s o m e o f t h e p r i n c i p l e a n d s t r u c t u r e a b o u t me t a m o r p h o s e o r t e n s i o n mo n i t o ri n g .t h e t h i r s t o n e s t u d i e s t h e k e y t e c h n iq u e o f d s m o n t h e b a s e o f s y s t e m d e s i gn. t h e f o u rt h o n e d i s c u s s e s a b o u t t h e h a r d w a r e t e c h n i q u e o f d s mi n c l u d i n g s i n g l e c h i p d a t a c o l l e c t i o n a n d p r o ce s s i n g d e s i g n s . t h e f i ft h o n e d i s c u s s e s a b o u t t h e s o f t w a r e t e c h n i q u e o f d s m .t h e s i x t h o n e e x p l o r e s a n d d e v e l o p s d s m o f e r l o n g s h a n c o m b i n e d w i t h e va l u a t o r a n d p r a c t i c e p ro j e c t . t h e s e v e n t h o n e s u m m a r i z e s t h e w h o l e t h e s i s a n d o u t l o o k s 伽 r e s e a r c h f o r e g rou n d o f d s m. t h e m e t h o d o f t h i s s y s t e m d e s i gni n g a n d r e a l i z i n g c a n b e a p p l i e d 玩 o t h e r m a n a g i n g s y s t e m . k e y w o r d s : d a m s a f e t y m o n i t o ri n g , d a t a c o l l e c t i o n , gs s t r u c t u re， t e n s i o n m o n i t o ri n g , d a t a b a s e 西北工业大学硕士学位论文 第一章 绪论 第一章 绪论 1 . 1大坝安全监测系统发展概况 水库大坝是国民经济中的基础产业和基础设施，在社会经济生活和建设中 起着重要的 作用。 随 着经济的发展， 我国的 水利事业得到不断的开 发和利 用， 并 且取得了 举世瞩目 的成就。 建国以 来， 我国共 修建堤坝8 . 6 万多座， 水库总蓄水 量约为 5 0 0 0 亿立方米，相当全国总径流量的 六分之一，水库大坝数量及其堤坝 长度均居世界 之首， 这些 堤坝保护着3 亿多人口， 4 亿多亩良田 和上百座城市的 防洪及供水安全，同时在航运， 发电， 养殖等方面也发挥了巨 大的效益。 随着水利资源的深入开发，坝址的地质条件越来越复杂，大坝的规模也向 高、 大方向 发展， 例如坝高1 7 8 。的黄河龙羊峡重力拱坝、 坝高 1 6 5 。的乌 江渡 重力拱坝以及三峡、小浪底、二滩 等。这些工程不仅对我国的经济建设做出了 巨大贡献， 也使我国的 坝工技术水平达到了 一个新的高 度。 但是由于 水文、 地 质、 施工质量、 材料老化、 运行管理落后等多 种原因， 我国的堤坝安全存在着许多问 题， 病险水库大量存在，有不少水库已 运行了3 0 多年， 坝体材料严重老化，水 库库容因 淤积逐年减小， 大坝在超应力， 异常渗流等异常 环境下工作着， 影响着 工程效益的正常发挥，甚至威胁着下游千百万人民的生命财产安全。因此， 必须 加大对大坝实施安全监侧的力度。 一 大坝安全监测是通过仪器观测和巡视检查对大 坝坝体、 坝基、 坝肩、 近坝区 岸坡 及坝周围 环境所作的测量和观察， 日 的就是掌握坝的实际性状， 为 判断大坝 安全提供必要的 信息。 系统由 变形监测、 渗流监测和 环境量监测构成， 分别经历 人工监测、半自 动化和自 动化监测过程， 在国际上， 大坝的安全监测已经 迈向自 动化进程， 并在向网络化方向发展二在国内，许多学者在大坝的安全监测作了大 量的 研究工作， 在原有的垂线法形变测量技术、 引张线法形变测量技术、 三角测 量技术、 视准线法测量等技术基础上开展了一系列的自 动化改进工作。 但均未完 全实现 自动化和网络化监测。 近年来，随着微电子技术、 计算机技术和通信技术的飞速发展，国际安全监 测界出现了 模块化技术和虚拟仪器技术， 其主要思想是硬件 上实现低功耗、高速 西北工业大学硕士学位论文 第一章 绪论 第一章 绪论 1 . 1大坝安全监测系统发展概况 水库大坝是国民经济中的基础产业和基础设施，在社会经济生活和建设中 起着重要的 作用。 随 着经济的发展， 我国的 水利事业得到不断的开 发和利 用， 并 且取得了 举世瞩目 的成就。 建国以 来， 我国共 修建堤坝8 . 6 万多座， 水库总蓄水 量约为 5 0 0 0 亿立方米，相当全国总径流量的 六分之一，水库大坝数量及其堤坝 长度均居世界 之首， 这些 堤坝保护着3 亿多人口， 4 亿多亩良田 和上百座城市的 防洪及供水安全，同时在航运， 发电， 养殖等方面也发挥了巨 大的效益。 随着水利资源的深入开发，坝址的地质条件越来越复杂，大坝的规模也向 高、 大方向 发展， 例如坝高1 7 8 。的黄河龙羊峡重力拱坝、 坝高 1 6 5 。的乌 江渡 重力拱坝以及三峡、小浪底、二滩 等。这些工程不仅对我国的经济建设做出了 巨大贡献， 也使我国的 坝工技术水平达到了 一个新的高 度。 但是由于 水文、 地 质、 施工质量、 材料老化、 运行管理落后等多 种原因， 我国的堤坝安全存在着许多问 题， 病险水库大量存在，有不少水库已 运行了3 0 多年， 坝体材料严重老化，水 库库容因 淤积逐年减小， 大坝在超应力， 异常渗流等异常 环境下工作着， 影响着 工程效益的正常发挥，甚至威胁着下游千百万人民的生命财产安全。因此， 必须 加大对大坝实施安全监侧的力度。 一 大坝安全监测是通过仪器观测和巡视检查对大 坝坝体、 坝基、 坝肩、 近坝区 岸坡 及坝周围 环境所作的测量和观察， 日 的就是掌握坝的实际性状， 为 判断大坝 安全提供必要的 信息。 系统由 变形监测、 渗流监测和 环境量监测构成， 分别经历 人工监测、半自 动化和自 动化监测过程， 在国际上， 大坝的安全监测已经 迈向自 动化进程， 并在向网络化方向发展二在国内，许多学者在大坝的安全监测作了大 量的 研究工作， 在原有的垂线法形变测量技术、 引张线法形变测量技术、 三角测 量技术、 视准线法测量等技术基础上开展了一系列的自 动化改进工作。 但均未完 全实现 自动化和网络化监测。 近年来，随着微电子技术、 计算机技术和通信技术的飞速发展，国际安全监 测界出现了 模块化技术和虚拟仪器技术， 其主要思想是硬件 上实现低功耗、高速 西北工业大学硕士学位论文第一章 绪论 度、 高集成度， 整个测量单元安装在一个模块内， 取消了 所有的开关、 旋纽、 显 示等环节而其功能由 计算机来实现，通过操作计算机鼠 标和键 盘完成一系列功 能。 这样， 使系统配 置更加灵活、 可靠， 功能 更加强大。目 前变形监测采用引 张 线、 g p s 等手段， 特别是近年来随 着激光技术及器件的 不断完善和成熟， 为大坝 安 全 监 测的自 动 化 奠 定了 基 础。 目 前 加 拿大 的 一 些 公 司 、 美 国 的g e k o n 公 司、 国 内 的西安交大华腾光电有限公司、 南京南 瑞集团等先后成功研制了 新型数据采集 智能 模块， 具有可编程功能、 可接入多种传感器、 支持多种通信方式， 具有强大 的自 诊断 功 能 、 功 耗 低、 免 维 护、 并 能 适应 恶 劣 环 境， 实 现了 大 坝 的 水 平 位 移、 垂直位移等变形监测和渗压监测的全自 动化监测， 并实现了 数据的 远程传输和多 级化管理。 同时随着网络技术的 不断成熟和普及， 远程大坝自 动化监测、 多 级化 管理 和上级部门 对洪水的 宏观调 度管理成为历史的必然。 现行的变形监测技术: 1 、倒垂监侧: 此法为 古典方 法，其优点是简单、易行， 较为可靠。 缺点 是需 人工操作，测量周期长，费时、费力，不能实时监测、自动监测。人为因素大， 测量精度低。 2 ,倒垂自 动监测: 此法是 采用电容式垂线坐标仪或电 磁式垂线坐标仪实现垂 线自 动监测，但因其易受环境电 磁场变化而影晌监测数据， 也不能实现对每个坝 段适时监测，故 具有一定的局限性。 3 ,激光监测系 统:如葛洲坝， 小丰满监测系统其优点是结构简单造价较低， 但因不能实 现激光穿越拱坝， 且有理论测量误差， 故只适用于变形量较小的直坝。 4 、大地测量方法: 该法因测量周期太长，对 汛期很不适用，一 般很少采用， 故只在定期监测或确定库区位移、沉降时才采用。 5 、引 张线法:该法的测量量误差较大，自 动 化程度不高。 6 、全球定位系统: 在白山水库做 “ 拱坝变形激光三维全自 动监测系统” 方案 论证时，莱 卡公司就对全球定位系统做了论 述，最 后被否决， 其原因是:1 ) 监测 精度达不到水电部的标准。 2 ) 平时监测费用高。3 ) 泻洪时不能 监测。 其中采用激光测量技术实现了大坝形变全自动测量， 并在实际大坝安全监测 中得到应用。 渗压监测通常被称为扬压力监测， 其发展主要包括测量监测方式的发展和 一次采集元件一一传感器的发展。1 it 体如下: 西北工业大学硕 上 学位论文 第一章 绪论 1 人工监测。 人工检测的方 法对于有压测压管采用压力表， 现场定时 读取读 数; 对于无压测管采用响锤寻找水面， 用 测绳量测水面至孔口的 距离， 根据孔口 高程再换算成测管内水面的高程( 即 水位值) 。采用人工监测，需数人协同工作， 现场范围 大， 测点多， 监测数据因人而异， 监测精度差( 达 3 - 5 c m ) ， 数据缺乏空 间 及时 间的连续性， 尤其在 汛期或暴雨季节， 需加密测量次数， 人工监测难以 胜 任。 2 半自 动化监测模式。 7 0 年代以 后， 对人工监测的方法进行改善后形成半自 动化监测模式， 此种监测模式虽在精度、 速度上有一定提高， 但仍不能满足工程 运行的需要: 2 0 世纪8 0 年代世界 科学技术飞速发展， 大坝安全监测技术也 有了 长足的发展，主要表现在监测手段现代化和监测方法的 自 动化。 3自 动化监测。 从2 0 世纪6 0 年代起国外即开始从事观测自 动化的 研制开发， 7 0年代已 进入使用阶段。从意大利、 法国、美国、西班牙、 葡萄牙、日 本和瑞 士等 工业发达国家实现自 动化的 情况来看， 有的起始于资料管理自 动化， 有的则 起始于采集自动化。 纵观大坝监测 自 动化的发展历程可以看出， 尽管各国所走的 自动化发展道路不同， 但随着技术的进步， 监测仪器有了一个逐渐提高 自 动化水 平的过程。 早期的 做法是采用大规模集成电 路及微处理器组成的便携式测读仪装 置， 对监测仪器进行监测， 其结 果用数字显示， 也可 存储打印。 第二阶段研制出 集控和选数功能的装置， 对仪 器进行集中式数据采集， 且测读的 数据可输入到计 算机上或上一级计算中 心进行处理。 8 0年代中期，随着微电子技术和计算机的 发展， 各国 又发展了分布式监控数据采集系统， 即在观测现场设置多台小型化测 量控制装置，分别对监控区域内的仪器进行自动监测，测量数据转换为数字量， 通过数据总线直接传送到监测中心的计算机进行处理。 渗压自动化监测系统一次采集元件一传感器是数据采集的关键部件。 基本上 分为电阻式、压阻式和振弦式。差动电阻式作为内部埋设仪器来监测渗透压力， 压阻式和振弦式主要用于代替压力表、 测压管， 用于大坝渗压监测。 压阻 式传感 器的测量信号受温度和电缆芯线电阻的影响较大，而且传感器至远程测量单元 ( m c u ) 的距离较短 ( 约 3 0 0 米) ，这些都制约着 自动化监测系统的发挥。 西北工业大学硕十学位论文 第 一章绪 论 1 . 2系统开发的目的和意义 商州市二龙山 位于 秦岭南麓， 长江二级支流 ， 丹江上游段。 水 库枢 纽工 程为三等工程， 主要由大坝、 放水冲砂底孔、 发电引水 支洞、电 站， 灌溉引水管 等组成， 拦河坝为浆 砌石重力坝， 全坝共分为八个坝段 ( 从左岸 起 1 # - - - s # 坝段) ， 属三级建筑物， 坝顶长 度 1 5 2 m ， 坝顶高程 7 7 1 . 7 m ，最大 坝高 6 3 . 7 m 。 在溢流坝 段上设有两条主要的 伸缩缝， 即东伸缩缝和西伸缩缝。 二龙山 水库 1 4 7 3 年1 0 月 建成， 1 9 7 5 年正式蓄水运行。 经过二十多年的运行，由 于工程设施已逐步老化， 存在坝体多处裂缝 渗漏、左坝肩漏水:泄 水底孔闸门破损变形， 不能正常工作; 坝下游冲坑日 益加 深上延; 库内泥沙淤积严重等病害问 题。 影响水库的正常运行 和效益发挥。 为了确保水库的防 汛安全， 充分发挥水库工程的正常效益， 减少由 此带来的经济损失，须对大坝的变形监测和渗压 监测进行设计. 在项目 的 设 计 中， 采 用了 全 新的 激 光 大 坝 位 移、 沉降 、 倾 斜 、 一绕曲 度 全自 动 监测系统，智能应力、应变、渗漏、温度等参量数据采集， 全新的有线、无线网 络通讯系统实现了 大坝安全远距离 监测，数据传输， 报表制作， 数据存储 等功能。 实现大 坝 监 测 的 智 能 多 级 化 管理 保障 了 大 坝 安 全。 这不 但 会 稚 来经 济 效 益， 而 且 会带来重大的社会效益。 为此首先在每 个坝段 上设置 相对应的监测点， 即 可实现 大坝安全的自动化监测。其次， 通过倒垂、双金属标对基点的引入，采用激光或 引 张 线 线 等 方 法即 可实 现 水 平位 移 、 垂 直 沉 降 的自 动 化 监 测。 通 过m c u . 自 动 化 压力传感器、 温度传感器、水位传感器等可实现渗流和环境参量的自 动化监测。 在 数 据 通 讯 方面 ， .二 龙山 水 库 大 坝与 管 理 局 间 的 距 离 在5 公 里以 内 ， 利 用c a n 总 线数据可传输 1 0 公里，因 此数据通讯特别简单， 从而进一步增加了系统的稳定 性和可靠性。综上所述， 不论是从二龙山的地理位置、 坝体结构、还是从变形监 测和渗流监测技术本身的成熟性、 数据通讯的可靠性等因素 分析， 实施大坝全自 动化监测都是可行的。 针对二 龙山水库大坝的特点， 系统设计中 监测仪 器在实用、 可靠的 前提下选 用， 即满足了规范上要求的测量精度、长期稳定性和技术先进性， 又能为大坝安 全提供连续可靠的监测数据， 真正取代人工监测， 成为大坝安全 运行的 得力手 段。 具体在系统的设计上要做到以 卜 几个方面: ( 1 )丈坝安个自动化监测系统技术先进、功能完善，满足二龙山水库现代化 西北工业大学硕 卜 学位论文第一章 绪论 管理的需要， 能够及时、 快速、 准确地获取各项监测数据， 获得反映大坝工作形 态的有关信息， 提供各级管理部门 进行安全评估的依据， 以 便采取正确措施， 确 保大坝安全。 ( 2 ) 大坝安 全自 动化监测系统设计上的硬、 软件设备应采用了 成熟产品，尤 其是自 动化系统基 础的监测仪器， 必须适应水工工作环境， 准确、 可靠、 长期稳 定运行。 ( 3 ) 系统的性能和技术指标应满足 大坝安 全自 动化监测系统设备基 备技术 条件( 5 l 2 6 8 - 2 0 0 1 )的要求。 ( 4 ) 大坝安全自 动监测系统必须是低故障、高可靠性， 并且要与 现代 化管理 水平相适应，其功能和性能应满足 “ 无人值班，少人职守”的要求。 1 . 3本文主要工作及研究路线 在借鉴了国内外有关大坝安全监 控系统的开发经验和安全监控领域的研究 成 集 备 基 础 上 ， 充 分 利 用 多 种 学 科 领 域 先 进 理 论 及 计 算 机 软 硬 件 技 术 ， 本 着 “ 以 、 _ 事实为依据， 以 各类规范为标准， 对大 坝的实时安全状况和安全级别 作出综合分 析和评价” 的目 的， 本文 对 “ 自 动化大坝安全 监测中的软硬件系统” 作了较深入 的研究与探讨， 并结合 “ 商洛二龙山 大坝安全监控系统” 作具体阐述。 其主要工 作与技术路线如下: ( 1 )结合大坝安 全监测的特点， 对自 动化大坝安全监控系统进行总体规 划设 计，提出了 基于激光的自 动化大坝形变监测系统的设计思想。 ( 2 ) 研制了 渗压监测数据采集系统的硬件， 分析了 系统的工作原理和特点， 包括测量电路的设计、 转接板电路设 计、 元器件的选型和硬件各模块的调制等。 ( 3 )采用面向对象的编程语言 编制了系统的软件，包括测量、 控制软件和 上位机管理软件。 ( 4 )完成了系统样机的研制生产、调试和校准，并在现场进行了安装，结 果表明该系统性能稳定，满足设计要求，达到了预期 目的。 西北工业大学硕 卜 学位论文第一章 绪论 管理的需要， 能够及时、 快速、 准确地获取各项监测数据， 获得反映大坝工作形 态的有关信息， 提供各级管理部门 进行安全评估的依据， 以 便采取正确措施， 确 保大坝安全。 ( 2 ) 大坝安 全自 动化监测系统设计上的硬、 软件设备应采用了 成熟产品，尤 其是自 动化系统基 础的监测仪器， 必须适应水工工作环境， 准确、 可靠、 长期稳 定运行。 ( 3 ) 系统的性能和技术指标应满足 大坝安 全自 动化监测系统设备基 备技术 条件( 5 l 2 6 8 - 2 0 0 1 )的要求。 ( 4 ) 大坝安全自 动监测系统必须是低故障、高可靠性， 并且要与 现代 化管理 水平相适应，其功能和性能应满足 “ 无人值班，少人职守”的要求。 1 . 3本文主要工作及研究路线 在借鉴了国内外有关大坝安全监 控系统的开发经验和安全监控领域的研究 成 集 备 基 础 上 ， 充 分 利 用 多 种 学 科 领 域 先 进 理 论 及 计 算 机 软 硬 件 技 术 ， 本 着 “ 以 、 _ 事实为依据， 以 各类规范为标准， 对大 坝的实时安全状况和安全级别 作出综合分 析和评价” 的目 的， 本文 对 “ 自 动化大坝安全 监测中的软硬件系统” 作了较深入 的研究与探讨， 并结合 “ 商洛二龙山 大坝安全监控系统” 作具体阐述。 其主要工 作与技术路线如下: ( 1 )结合大坝安 全监测的特点， 对自 动化大坝安全监控系统进行总体规 划设 计，提出了 基于激光的自 动化大坝形变监测系统的设计思想。 ( 2 ) 研制了 渗压监测数据采集系统的硬件， 分析了 系统的工作原理和特点， 包括测量电路的设计、 转接板电路设 计、 元器件的选型和硬件各模块的调制等。 ( 3 )采用面向对象的编程语言 编制了系统的软件，包括测量、 控制软件和 上位机管理软件。 ( 4 )完成了系统样机的研制生产、调试和校准，并在现场进行了安装，结 果表明该系统性能稳定，满足设计要求，达到了预期 目的。 西北t业大学硕 i学位论文 第忍章 系统理论基础 第二章 系统理论基础 2 . 1 三层c / s体系结构 近年来，随着计算机技术与网 络技术突飞猛进的发展， 现代企业遇到了巨 大的机遇与挑战。 各企业纷纷开始建立新的管理信息 系统( 简称m i s ) 或修订原有 的管理信息系统。 在此过程中， 关于m i s 系统平台 模式的选择是系统设计人员遇 到的主要问 题。 本文试图 结合自 己的实践经验 探讨这一问 题. m i s 系统平台模式 大体上分为 4种:主机终端模式、文件服务器模式、客户机/ 服务器模式 ( c l i e n t / s e r v e r ， 简 称c / s ) 和w e b 浏 览 器 服 务 器 模式(b r o w s e r / s e r v e r , 简 称 b / s ) 。 主 机 终端 模式由 于 硬 件 选 择 有限， 硬 件 投 资 得 不 到 保 证， 已 被逐 步 淘 汰。 而 文 件 服务 器 模式 只 适 用 小 规 模 的 局 域网 ， 对 于 用 户 多、 数 据 量 大的 情 况就 会 产 生网络瓶颈， 特别是在互联网上不能满足用户 要求。 因此， 现代企业m i s 系 统平 台 模式应主 要考虑us 模式和b / s 模式。 而本文采用了us 体系结构。 us体系结构具有强大的 数据操作 和事务处理能力， 模型思想简单， 易于人 们理解和接受。 但随着企业规模的日 益扩大， 软 件的复杂程度不断提高， 传统的 二层c / s 结构存在以 下几个局限: c 1 )二层c / s 结构是单一服 务器且以局域网为中 心的， 所以难以 扩展至大 型企业广域网或i n t e r n e t ; ( z )软、 硬件的 组合及集成能力有限; ( 3 )客户机的负荷太重， 难以管理大量的客户机， 系统的性能 容易下降; ( 4 ) 数据安全性不好。因为 客户 端程序可以 直接访问 数据库服务 器， 那么， 在客户端计算机上的其他程序也可访问数据库服务器， 从而使 数据库的安全性受 到威胁。 正是因为二层 c / s有这么多缺点，因此，三层 us结构应运而生。 西北工业大学硕士学位论文第二章 系统理论基础 2 . 1 . 1 三层 ci s结构及其应用开发 一、三层 c/s的 基本硬件结构 三层 c/s结 构是 将应用功能分成表示层、功能 层和数据层三部分。 对这 三层进行明确分割， 并在 逻辑上使其独立。 原来的数据层作为 d b m s己 经独立列 出， 所以 关键是要将表示层和功能层分离成各自 独立的 程序， 并且还要使这两层 间的 接口简洁明了。 其中 表示层配置 在客 户机中，而数据层配置在服务器中。 一 般情 况是只将表示层配置在客户机中， 如果将功能层也放在客户机中， 与 二层 c/s结构相比， 其程序的 可维护性要好得多， 但是其他问题并未得到解 决。客户机的负荷太重， 其业务处理所需的数据要从服务器传给客户机，所以系 统的 性能 容易 变差。 如果 将功能 层和数 据层分别放在不同 的服务器中， 则服务器 和服务器之间也要进行数据传送。 但是， 由 于在这种形态中三 层是分别放在各自 不同的 硬件系统上的， 所以 灵活性 很高， 能够适应客户机数目的 增加和处理负荷 的 变动。 例如， 在泊加新业务处理时， 可以 相应增加装载功能层的服务器。 因此， 系统规模越大这种形态的优点就越显著。 值得注意的是:三层 c/s结构各层间的 通信效率若不高，即 使分配 给各 层的 硬件能力很强， 其作为整体来说也达不到所要求的性能。 此外， 设计时 必须 慎重考虑三层间的 通信方法、 通信频度及数据量。 这和提高各层的 独立性一 样是 三层 c/s结构的关 键问 题。 二、三层 c/s的 功能 1.表示层 表示层是应用的 用户接口部分， 它担负 着用户与 应用间的 对话功能。 它用于 检查 用户从键盘等输入的 数据， 显示应用输出的 数据。 为使用户能直观地进行操 作，一般要使用图 形用户接口 (g u i)， 操作 简单、易学易用。在变更用户接 口时， 只需改写显示控制和数据检查 程序， 而不影响其他两层。 在这层的程序开 发中主要是使用可视化编程工具。 2.功能层 功能层相当于应用的本体， 它是将具体的业务处理逻辑地编入程序中。 例如， 西北工业大学硕士学位论文 第二章 系统理论基础 用户检索数据时， 要设 法将有关检索要求的信息一次传送给功能层， 而由功能层 处理过的检索结果 数据也一次传送给表示层。 通常， 在功能层中包含有: 确认用 户对数据库应用和数据库存取权限的功能， 以及记录系统处理日 志的 功能。 这层 的 程序多半是用可视 化编程工具开发的。 3.数据层 数据层就是 d b m s， 负责管理 对数据库数据的读写。 d b m s 能迅速执行大量 数据的更新和检索。 现在的主流是 关系数据库管理系统 (r d b m s) 。 因 此， 一般 从功能层传送到数据层的要求大都使用 s q l语言。 三、 三层 c/s结构的 优点 1 具有灵活的硬件系统构成 对于各个层可以 选择与其处理负荷和处理特性相适应的 硬件。 这是一个与系 统可缩放性直接相关的问题。 清晰、 合理 地分割 三层结构并使其独立， 可以 使系 统构成的 变更非常简单。 2， 提高程序的可维护性 三层 c/s结构中，应用的各层可以 并行开发， 各层也可以选择各自 最适 合的开发语言。 3. 利于变更和维护应用技术规范 因为是 按层分割功能， 所以各 个程序的处理逻辑变得非常 简单。 4. 进行严密的安全管理 在三层 c/s结构中，识别用户的 机构是按层来构筑的，对应用和数 据的 存取权限也按层进行设定。 例如，即使外部的入侵者突破了 表示层的安全防线， 若在功能 层中备有另外的 安全机构， 系统也可以阻 止入侵者进入其他部分。 此外， 系统管理简单， 可支持异种数据库，有很高的 可用性。 四、三层 c/5应用的开发 开发出的三层 c/s应用系统应达到:功能丰富且具有高可用性;功能要 能跨应用系统; 系统要能 跨平台运行。 应努力做到以 下几点: . 尽量 简化项目 ， 使项目易于管理。 彻底弄 清 “ 需求 ， 建立一个原型，以 便测试设计中的 薄弱少环节。 西北t业大学硕 i学位论文第二章 系统理论基础 保 证项目 各部分的良 好 衔接; 及早解决接口问 题， 以 保证项目 进展协调; 坚持 “ 边分析，边设计;边编码，边测试”的原则。 在应用开发过程中，不可忽视系统管理。 ”反复测试，包括系统测试、 性能测试、系统集成测试等。 制定合理的工程进度。 2 . 1 .2三层 c i s体系结构的实现技术 一体系 结 构中s e r v e r 端 实现技术数据库系统是 c l i e n t / s e r v e r体系结构应用的一个重要方面。 当 今应用最为广泛的数据库如 o r a c l e ，i n f o r m i x， s y b a s e和 s q l s e r v e r等 都是支持 c l i e n t /s e r v e r体系机构的。 c/ s体系结构的关系数据库管理就 是把原来单机环境下的 数据库管理功能在这种的新的 环境下 进行合理的 分布， 在 客户机和服务器之间 进行适当的配置。 它还能使应用程序中数据的 存储对用户透 明。 ( 一) 、 s q l s e r v e r数据库系统软件特点介绍 在服 务器端 我 们采 用 了 m i c r o s o f t s q l s e r v e r数 据库 管理 系统 。 m i c r o s o f t s q l s e r v e r是一个专门 为分布式客户机/ 服务 器计算机环境而设计 的关系型数据库管理系统， 能够处理大量数据和管理许多并发用户， 同时保持数 据完整性并 提供许多高级管理 和数据分布功能。m i c r o s o f t s q l s e r v e r 2 0 0 0提 供了 一个功能强大的客户机/ 服务器平台， 它建立于 m i c r o s o f t w i n d o w s n t的 功能、可伸缩性和可管理性之上， 提供了高端客户机服务器数据库管理的可靠性 和高级功能。 m i c r o s o f t s q l s e r v e r允许客户应用程序使用几个特定的工具和技术控制 从服务器检索到的 信息， 如存储过程、 规则和触发器。 用户不必在客户端处理所 有的过程。 某些必要的 信息处理可以 在工作站上完成。m i c r o s o f t s q l s e r v e r数 据库管理系统有如下特点: 完全的客户机 / 服 务器系统。在客户机 / 服务器计算模式下，大量的数 据库操作是在服务器端进行的， d b m s的速度不受 上 作站速度的制约。另外，分 j 1 - 操作减少了网络上的负载。 采用客户机 /服务器体系结构后， 只需将查询请求 西北t业大学硕 i学位论文第二章 系统理论基础 保 证项目 各部分的良 好 衔接; 及早解决接口问 题， 以 保证项目 进展协调; 坚持 “ 边分析，边设计;边编码，边测试”的原则。 在应用开发过程中，不可忽视系统管理。 ”反复测试，包括系统测试、 性能测试、系统集成测试等。 制定合理的工程进度。 2 . 1 .2三层 c i s体系结构的实现技术 一体系 结 构中s e r v e r 端 实现技术数据库系统是 c l i e n t / s e r v e r体系结构应用的一个重要方面。 当 今应用最为广泛的数据库如 o r a c l e ，i n f o r m i x， s y b a s e和 s q l s e r v e r等 都是支持 c l i e n t /s e r v e r体系机构的。 c/ s体系结构的关系数据库管理就 是把原来单机环境下的 数据库管理功能在这种的新的 环境下 进行合理的 分布， 在 客户机和服务器之间 进行适当的配置。 它还能使应用程序中数据的 存储对用户透 明。 ( 一) 、 s q l s e r v e r数据库系统软件特点介绍 在服 务器端 我 们采 用 了 m i c r o s o f t s q l s e r v e r数 据库 管理 系统 。 m i c r o s o f t s q l s e r v e r是一个专门 为分布式客户机/ 服务 器计算机环境而设计 的关系型数据库管理系统， 能够处理大量数据和管理许多并发用户， 同时保持数 据完整性并 提供许多高级管理 和数据分布功能。m i c r o s o f t s q l s e r v e r 2 0 0 0提 供了 一个功能强大的客户机/ 服务器平台， 它建立于 m i c r o s o f t w i n d o w s n t的 功能、可伸缩性和可管理性之上， 提供了高端客户机服务器数据库管理的可靠性 和高级功能。 m i c r o s o f t s q l s e r v e r允许客户应用程序使用几个特定的工具和技术控制 从服务器检索到的 信息， 如存储过程、 规则和触发器。 用户不必在客户端处理所 有的过程。 某些必要的 信息处理可以 在工作站上完成。m i c r o s o f t s q l s e r v e r数 据库管理系统有如下特点: 完全的客户机 / 服 务器系统。在客户机 / 服务器计算模式下，大量的数 据库操作是在服务器端进行的， d b m s的速度不受 上 作站速度的制约。另外，分 j 1 - 操作减少了网络上的负载。 采用客户机 /服务器体系结构后， 只需将查询请求 p g 北工业大学硕士学位论文第二章 系统理论榷础 发 送给数据库服务器， 并把查询结果从数据库服务器传回来， 而不必 将整个数据 库文 件在网络上传输， 从而使网 络传输量大大减少， 提高网 络的 使用效率。 集中化的管理. s q l企业管理器 (s q l e n t e r p r i s e m a n a g e r)基于 w i n d o w s的可视化管理和监控平台， 利用它 可以很方便地管理数据资源、 用户活 动、 服务器配置和数据库备份等。 灵活和强 大的复制功能。s q l s e r v e r增强的 内置数据复制为在整个组织结构内 分布准确的信息提供了 一个强大且可靠的方 式，不仅可以复制给 m i c r o s o f t s q l s e r v e r数据库，也可以复制给 o r a c l e、 i b m、 d b z、 s y b a s e和 m i c r o s o f t a c c e s s。通过 s q l企 业管理器可以 非常 简单的配置和管理数据复制。 丰富的编程工具。s q l s e r v e r提供了 支持 c编译器以 及 v i s u a l b a s i c 的 o b - l i b r a r y、 t r a n s a c t s q l等专用开发工具，可以利用 m i c r o s o f t a c c e s s、 v i s u a l f o x p r o、 v i s u a l b a s i c、 v i s u a l c+ + 、 p o w e r b u i l d e r、 d e l p h i等编程工具开发数据库应用程序。 高性能的 w e b页信息访问 机制。 s q l s e r v e r中 新组 件 w e b a s s i s t a n t 自 动以 h t m l格式发送信息， 在 s q l s e r v e r系统中的信息可以由工 n t e r n e t 和 i n t r a n e t的 用户 访问 。 m i c r o s o f t s q l s e r v e r提供了许多工具用于管理系统、数据库和表。 m i c r o s o f t s q l s e r v e r基于 w i n d o w s的工具可以 方便的用于所有数据库操作。 这些工具可以用于: 操作数据库管理， 控 制对数据库中数据的 访问， 控制数 据库 中数据的操作 m i c r o s o f t s q l s e r v e r 2 0 0 0提供以下功能: 与 m i c r o s o f t w i n d o w s n t线 程 、 任务 调 度、 性 能 监 测器 和 事 件 浏 览 器 集成。通过一个单一的 w i n d o w s n t登 录到网 络 s q l s e r v e r上，来 简化用户的 管理。 为整个企业范围信息的可靠性传播而提供的内部复制机制减少了了故障 发生的风险，并将及时、准确的信息传递给需要数据的用户。 并行结构。通过并 行结构内 部数据库功能，大 大提高了系统性能 和可缩 放性。 利用综合的分布式框架集中管理整个企业范围内的服务器。 基于 w i n d o w s 西北工业大学硕士学位论文第二章 系统理论基础 的管理界面提供对多个服务 器上的远程数据复制管 理一、 服务器管 理、 诊断和调 整的可视化拖放控制。 充分利用并行结构的 特点提供对超大型数据库的更好支持。为很多开发 和维护任务减少了 输入输出 (工/0) 。 在分布式管理框架中能得到 o l e分布式管理 对象库. ( 二) 、 s q l s e r v e r的客户机/ 服务器系统 m i c r o s o f t s q l s e r v e r是一个客户机/ 服务器系统完美结合的 例子。 s q l s e r v e r数据库必须安装在 w i n d o w s n t平台上。 w i n d o w s n t操作系统能够提 供功能极强的服务器平台。 m i c r o s o f t s q l s e r v e r提供安装在服务器系统上的 服务器软件和安装在客户系统上的客户软件。 w i n d o w s g u i应用程序工具可以从 客户端创建、 维护和访问 数据库以 及所 有数据库对象。 在以 s q l s e r v e r为应用 程序的客 户机/ 服务器系统中， 服务器 负责 创建和维护数据库及其对象， 如表和 索引。 服务器还要维护相关数据的 完整 性和安全性， 并 确保在 操作失败时恢复数 据劣 客户 操 作 所 有 的 用户 交 互 ， 包 括 信 息 显 示 和 操 作。 在 检索 服务 器 中 的 数 据 行 后， 应用程序可以 创建保留在本 地的拷贝， 可以处理 数据， 还可以控制信息访问 的类型。 如果处理信息的 本地拷贝，可以不 用与服务器通信就在本地处理。 在完成工 作后， 可以 将修改的信息 送回到服务器; 或者如果信息只是 在简单的检索， 则可 将其丢弃。当然，如果需要的话，也可以直接在客户端的 s q l s e r v e r数据库中 操作数据。 使用 s q l s e r v e r的用户，可以 充分实现客户机/ 服务器系统。客户机服务 器系 统的概念是将功能元件操作分解成可以 完成程序的客户 端和服务器的联合 操作。 对于面向数据库的系统， 尤其是那些可以从不同的地方访问的开放数据库 子系统， 可以 实现一个管理数据的智能 数据层， 这一层只负责数据的存储和相关 功能的查询，而不负责信息的表达。 二 体系结构中 c l i e n t端实 现技术 一 ) 、数据库前台的定义 数据库前台是一个计 算机应用 程序，用该程序可以 选择数据库中的数据项， 并把所选择的数据项按用户的要求显示出来。数据库系统本身被称