（系统工程专业论文）基于MATLAB的水质信息管理与决策支持系统研究.pdf

摘要 摘要 水资源短缺和水环境污染是我国经济社会发展面临的重大问 题之一。因此，加强水资源管理、保护水环境是实现我国可持续发 展战略的重要条件。在对水质监测数据、水质管理功能、水质评价 方法和水质预测模型的研究的基础上，本文分析了水质管理的特点， 叙述和比较各种目前正在广泛采用的水质评价方法，讨论了b p 神 经网络预测算法的特点。 本文介绍了如何开发水质信息管理系统，对大量数据进行直观、 高效的访问，为水环境管理提供辅助工具，在m a t l a bg u i 环境下实 现水质量信息管理功能：查询、修改，插入和删除。水质评价以定量特 征值方式直观地表示水环境质量的总体状况，是进行水环境容量计算和实 施水污染控制的重要基础，在m a t l a bg u i 环境下使用单项等标指数法和 综合指数法完成水质信息评价。在水质信息管理的基础上，在m a t l a bg u i 环境下生成历史水质变化趋向图和运用b p 神经网络预测算法预测水质信 息并生成未来水质图像，开发决策支持系统；给相关决策部门提供决策支 持。 整个系统突出的特点是在m a t l a bg u i 环境中实现的。该系统具 有友好的人机交互界面、操作简单、管理方便，计算快捷等优点， 具有较好的实际应用价值和参考价值 本论文的研究从系统工程的角度出发，以水质信息为研究对 象，以开发基于m a t l a bg u i 平台的水质信息管理和决策支持系统 为目的，结合水质预测算法的研究完成了整个论文的工作。 关键词：水质信息管理；水质变化趋向图；水质信息评价；水质信息预测； 决策支持系统； 童三些奎兰三兰堡：! ：兰堡篁兰 a b s tr a c t w a t e rr e s o u r c es h o r t n e s sa n dw a t e re n v i r o n m e n t se m p o t s o ni so n eo ft h e i m p o r t a n ti s s u e t of a c ew h e no u rc o u n t r yd e v e l o p i n ge c o n o m ya n ds o c i e t y s o ， e n h a n c i n gw a t e rr e s o u r c em a n a g e m e n ta n dp r o t e c t i o nw a t e re n v i r o n m e n ti s ai m p o r t a n t c o n d i t i o nr e a l i z i n go u rc o u n t r ys u s t a i nd e v e l o p m e n ts t r a t e g i c o nt h eb a s eo fw a t e r q u a l i t ym o n i t o r i n gd a t a 、w a t e rq u a l i t ym a n a g e m e n t 、w a t e rq u a l i t ya n a l y s i s m e t h o d sa n dt h er e s e a r c ho fw a t e rq u a l i t yp r e d i c t i o n ，t h i sp a p e ra n a l y s i st h e c h a r a c t e ro fw a t e rq u a l i t ym a n a g e m e n t ，s t a t ea n dc o m p a r es e v e r a lw i d e l y u s e dw a t e rq u a l i t ya n a l y s i sm e t h o d s ，d i s c u s st h ec h a r a c t e ro fb pn e u r a l n e t w or k ，a n di n t r o d u c et h ea d v a n t a g et oe x p l o i tw a t e rq u a l i t ym a n a g e m e n t s 0 f t w a r eb a s e d0 nm a t l a bg u i 。 t h i sp a p e ri n t r o d u c eh o wt oe x p l o i tw a t e rq u a l i t ym a n a g e m e n t s y s t e mc a na c c e s sd i r e c t l y 、h i g he f f i c i e n c yt op l e n t yd a t a a n d p r o v i d ea i dt o o l ，r e a l i z i n gt h ef u n c t i o no fw a t e rq u a l i t ym a n a g e m e n t ： i n q u i r i n g 、u p d a t i n g 、i n s e r t i n ga n dd e l e t i n gi nm a t l a b g u i o nt h e b a s e o fw a t e rq u a l i t yi n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t ，t oa n a l y s i sw a t e r q u a l i t y 。 w a t e rq u a l i t ya n a l y s i st oi n d i c a t ed i r e c t l yt h ec o n d i t i o n o fw a t e re n v i r o n m e n tq u a l i t y ，w h i c hi st h eb a s eo fw a t e re n v i r o n m e n t c a p a c i t yc o m p u t e r a n dc o n t r o lw a t e rp o l l u t i o n ，r e a l i z i n gw a t e r q u a l i t ya n a l y s i su s i n gs i n g l ei n d e xa n di n t e g r a t e d i n d e xi nm a t l a b g u i 。o nt h eb a s eo fw a t e rq u a l i t yi n f o r m a t i o na n di nm a t l a bg u i ， o b t a i n i n gh i s t o r y w a t e r q u a l i t y v a r i a t i o nt e n d e n c y i m a g e ， p r e d i c t i o nf u t u r ew a t e rq u a l i t yi n f o r m a t i o na n do b t a i n i n gw a t e r q u a l i t yi m a g eu s i n gb pn e u r a ln e t w o r k ，t oe x p l o i td e c is i o ns u p p o r t s y s t e mc a np r o v i d ed e c is i o ns u p p o r tt od e p a r t m e n tc o n c e r n e d t h ec h a r a c t e r is t i co ft o t a ls y s t e mi sr e a l i z i n gi nm a t l a bg u i t h i ss y s t e mh a sf r i e n d l yh u m a n m a t h i n ei n t e r f a c e ，o p e r a t i n gs i m p l y ， m a n a g e m e n tc o n v e n i e n t l y ，c o m p u t i n gr a p i d l y ，w h i c h h a sr e a l i t y a p p l i c a t i o nv a l u ea n dr e f e r e n c ev a l u e a 摘要 t h i sp a p e r ss t u d yi sf r o ms y s t e me n g i n e e r i n g sa n g l e ，w h i c h t r e a t sw a t e rq u a li t ya ss t u d yp l a n t 。f o c u so nr e a l i z i n gw a t e rq u a l i t y m a n a g e m e n ta n dd e c i s i o ns u p p o r ts y s t e mb a s e do nm a t l a bg u i ，a n dt h e w h o l ew o r ki sc o m p l e t e db yi n c o r p o r a t e dw i t ht h ew a t e rq u a l i t y p r e d i c t i o na l g o r i t h m 。 k e y w o r d s ：w a t e rq u a l i t yi n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t ： w a t e rq u a l i t yv a r i a t i o nt e n d e n c yi m a g e ； w a t e rq u a l i t ya n a l y s i s ； w a t e rq u a l i t yp r e d i c t i o n ； d e c i s i o ns u p p o r ts y s t e r a ； m 童三垩奎兰三耋璧圭耋竺篁圣 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我 个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了 文中特别加以橱注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，不包含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同 志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得 的，论文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此。声 明。 姥 雌字激毛 论文作者签字：j 杨绝匿 溯年岁月2 1 日 j 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 水是一种极其重要的可再生资源，是农业的命脉、工业的血液，是地 球上一切生物赖以生存的根本，是城市形成、发展和生存的重要条件。随 着世界人口的不断增长和经济的飞速发展，对水资源的需求量与日俱增， 水资源紧缺将成为全世界的主要危机。水资源问题成为世界普遍关注的根 本原因就在于它不仅影响、制约现代社会的可持续发展，而且将成为2 1 世 纪全球资源环境的首要问题，直接威胁人类的生存和发展，并有可能由此 而引发战争u 1 。 我国目前水资源开发利用存在的主要问题可形象地概括为“水多、水 少、水脏”。 “水多”一一2 0 世纪9 0 年代有六年发生大水，直接经济损失逾万亿 元。在人们对1 9 9 8 年大水仍记忆犹新时，2 0 0 3 年又发生了淮河流域性大 洪水，黄河支流渭河和长江支流汉江也出现多年不遇的秋汛。 “水少”一一我国有4 0 以上的人口生活在缺水地区。全国有2 0 0 0 多 万农村人口饮水困难6 6 8 座城市有4 0 0 多座缺水，1 6 亿多城市居民的正 常生活受到影响。缺水造成地下水被超量开采，失水的绿洲正在变为荒漠。 “水脏”一一全国废污水排放量由1 9 8 0 年的3 1 5 亿吨增加到2 0 0 2 年 的6 3 1 亿吨。5 0 的城市地下水不同程度地受到污染，1 1 8 座大城市中约有 9 8 的浅层地下水受到不同程度的污染。 每年因缺水造成的直接经济损失达2 0 0 0 亿元人民币，全国每年因缺水 少产粮食7 0 0 亿8 0 0 亿k g 。另外，水质危机更加严重，甚至因水质问 题所导致的水资源危机大于水量危机。目前，无论是地表水还是地下水， 我国的水质污染非常严重。2 0 0 6 年，国控网地表水监测了七大水系( 含国 界河流) 的1 9 7 条河流，4 0 8 个断面其中i 类水质断面占4 6 ，i v 、 v 类占2 8 ，劣v 类占2 6 ”1 。如果将m 类标准也作为污染统计，则我国河 广东t 业大学一 学硕七学位论文 流长度有7 3 被污染，比1 9 9 8 年的7 0 6 n 1 又增加了2 4 个百份点，可见 我国地表水资源污染仍然非常严重。 形成我国水污染的主要原因是：人口增长和经济增长的压力；工业结 构不合理及粗放型的发展模式；废水处理率低，大量废水直接排放；水源 污染严重，未采取有效措施控制；环保意识淡薄、环境管理薄弱、环境执 法力度不够；资金投入严重不足等1 。我国水资源质量管理存在的问题包 括，缺乏统一管理；没有全面系统的水环境规划；水环境法规不完善。1 。 广东省在我们国家虽然是一个水资源相对比较丰富的地区，但根据 2 0 0 4 年广东省水资源公报，省内3 5 0 5 以上江河水质劣于类全省2 1 个 地级市中有8 个城市的河流水质劣于类的长度超过5 0 0 5 ，其中东莞河段 水质全部劣于类。局部发达地区污染非常严重，如广州航道、东莞航道， 佛山水道等水质全年超标，以v 类和劣于v 类为主而且，近年广东省降 水量大幅度减少，使各流域的地表水资源都明显减少。 水质污染比较严重的往往是人口密集或经济发达的地区。例如，1 9 9 4 年7 月陕西省渭河发生严重污染事故，使附近的3 0 万人发生饮水困难嘲； 2 0 0 5 年1 1 月吉林省石化发生爆炸导致松花江流域水体污染，不仅给哈尔 滨市数百万人用水带来不便，而且还造成了较恶劣大的负面影响；2 0 0 5 年 1 2 月由于企业违法超标排放导致广东省北江流域受到严重污染，北江下游 的韶关、清远、英德3 个城市饮用水受到污染威胁，受其波及。部分城市 自来水被迫停止供应。 水污染已经严重影响到我国经济社会可持续发展战略，因此加强水质 的管理与预测、预防和整治水污染、促进水资源的综合利用已经成为我国 经济社会发展过程中必须要高度重视重大问题之一。 1 2 国内外研究现状 国外水环境管理起步早，发展较快，并已经取得一定的成果嘲：1 9 7 7 年，美国p u r d u e 大学研制了一个简单的河流规划决策支持系统g p l a n ，它 仅有三个构件：对话部件、模型库、数据库。1 9 8 8 年，德国的s c h w a b l a 2 第一章绪论 研制了环境影响评价决策支持系统( d e c is i o ns u p p o r ts y s t e m ，d s s ) ；1 9 8 9 年，美国a r n o l d ，u o r l o b ，g t 研制了海湾水质管理) s s ，用于海湾水质规 划；1 9 9 0 年，葡萄牙c a m a r a ，a s 等人也研制了海湾水质管理的d s s 用于 污染扩散的计算和污水处理系统的优化；1 9 9 1 年，西班牙f r a n c i $ c 0 c u b i l l 0 等人研制了河流水质管理d s s ；澳大利亚d a v i s ，j r 研制了流域政 策分析的d s s ，用于土地利用政策对水库水质的影响分析。 在国内，由于资金和技术等条件的限制，水环境质量管理起步较晚， 大多还处于信息系统的应用阶段，相应的分析工具比较少，水环境管理的 综合水平不高。随着我国对环境问题的日益重视，对环保科研事业的投入 也在不断增加。我国一些水环境及水流域管理决策支持系统已经研制成功， 并开始投入实际应用。1 9 9 9 年，国家环境保护总局华南环境科学研究所的 曾凡棠、林奎研制了潮汐河网区水环境管理和决策的软件系统，对珠江三 角洲潮汐河网水环境数学模型研究进行了系统的总结叨。2 0 0 0 年中山大学 的黄平提出了研制水环境管理决策支持系统设计原则与实现功能，并给出 了在广东省谭江的应用实例i s 。2 0 0 1 年广东省环境信息中心开发了“东深 流域水环境管理辅助决策系统”，为监控与管理该地区的水质情况、制定水 质保护决策提供了有力的帮助。 随着计算机应用的不断普及，计算机软件和网络技术的快速发展，以 及水环境保护和管理对于人类生存与发展的作用日益增加，水质信息管理 将成为水环境管理的重要组成部分。 1 3 国内外应用情况 在国外，特别是工业发达的西方国家，d s s 已经进入实际应用阶段。 国外开发的d s s 主要支持企业管理的决策活动，不同程度地改善了决策者 和信息决策工作人员的素质和行为，为各级主管决策提供科学依据。 决策支持系统在水环境管理方面得到了快速的应用：由葡萄牙政府资 助，g a m a r a 等人开发的水环境管理决策支持系统t e j o ，包括有两个数据库 ( 水质数据库和污染数据库) 以及四个模型，采用数据的描述参数来压缩 3 广东工业大学t 学硕十学位论文 数据库和转移函数代替扩散模型的方法，解决了维数高引起的运行时间长 的问题。澳大利亚学者d a y i s 等人开发的用于分析土地利用与土地管理政 策对水质影响的决策支持系统，在利用专家的知识和经验支持决策上很有 特点。加州大学a r n o l d 和o r l o b 等人开发的河口管理d s s ，侧重于应用地 理信息系统( g i s ) 和交互式计算机图形技术( i c g ) 支持数据管理、建模过 程1 9 9 4 年由c u sw a t e rq u a l i t yg r o u p 、n o r t hc a r o l i n as t a r e u n i v e r s i t y 、n o r t hc a r o l i i l ac o o p e r a t i v ee x t e n s i o nd e p a r t m e n to f b i o l o g i c a la n da g r i c u l r u r a le n g i n e e r i n g 等单位联合开发了流域尺度 的非点源污染水质问题决策支持系统软件。 国内的水环境管理与决策支持系统的研究，虽然开始的时间比较晚。但 发展较快，尤其在流域水环境管理以及防洪决策等方面进行很多研究，并且 取得了大量成果。 太湖流域管理局、河海大学和荷兰d e l f t 水力实验室联合研制开发了 太湖流域水量水质管理决策支持系统。天津大学李锡研究过水库电站群长 ( 短) 期优化调度决策支持系统，清华大学翁文斌等人对京津唐地区水资源 决策支持系统进行了研究。长江水利委员会与南京水文水资源所等单位共 同开发了“长江防洪决策支持系统”，在分析总结长江中下游防洪决策的经 验和现行防洪调度决策流程的基础上，进行三峡建设期间和建成初期长江 三峡至螺山河段防洪系统的调度决策运行决策研究。黄河水利委员会组织 有关人员开发了“黄河防洪防凌决策支持系统”。太湖防汛指挥系统总体设 计组设计了太湖流域防洪决策支持系统唧。 1 4 水质预测的进展 水质信息管理与决策支持系统本身是一项复杂的系统工程，其中一个 比较重要的功能是水质预测。 在国外，最早发展的是简单的氧平衡原理来进行水质预测。1 9 5 2 年， 美国的工程师s t r e e t e r 和p h e l p s 在对o h i o 河流污染源及其生活污水造成 的可度影响的研究中，提出了氧平衡模型的最初形式 1 0 1 。s t e w a r t 和b a t e s 4 第一章绪论 l l 提出了洪泛区污染物迁移仿真研究的分布模型一f r a s e r 和b a r t e n 等人 在迁徙模型的基础上建立了一个用来预测河流内病原体指数的地理信息系 1 1 2 l 统一。国外一些在五六十年代曾经严重污染的河流，例如芝加哥河、泰晤 士河以及莱茵河等，利用所建立的水质预测模型来进行水质规划和管理， 使水质得到大幅度的改善。 在国内，水质预测方面的研究起步也较晚，对河流和河网的水质预测 研究基本上是在“六五”期间才正式开始的，并在。七五”期间得到了进 1 1 4 1 一步的发展和深化。针对水流域在广义上属于动态不确定非线性系统， 河流污染扩散中存在的时滞特性，张新政教授将时滞大系统理论引入东江 惠州段的水质建模和水污染控制研究中，利用了多组多滞后分析方法，取 得了良好的效果，利用这些理论方法对水环境污染控制和综合治理进行了 深入研究。李莹基于神经网络理论对东江惠州段水质预测研究方面进 行了有益的探讨一。 1 5 研究背景及意义 我国是世界上最大的发展中国家， 国经济社会发展面临的重大问题之一。 现我国可持续发展战略的重要条件。 水资源短缺和水资源环境污染是我 加强水资源管理，保护水资源是实 本课题来源于广东省科技计划项目“水环境治理复杂系统的监测与总 量控制”和广东省自然科学基金项目“水质预测复杂大系统的模拟与控制 及其算法研究”。本项目从系统工程的角度研究基于预测手段的水污染总量 控制与决策模型，开发基于m a t l a b 软件的水质信息管理与决策支持系统。 当污染发生时，能够迅速做出反应，准确、合理、有效地采取控制措施， 提高水污染应急控制能力，为环境管理部门和有关政府部门进行水质管理 提供决策支持，通过人机交互系统可以科学的改善决策，将区域水质污染 的有害影响降到最低限度，使水污染决策管理接近较高的水平。实现重大 区域水资源保护可持续利用，促进经济社会的可持续发展。 在研究水质预测算法及其模型时，现有的大多数应用研究，大多是采 s 广东工业大学t 学硕卜学位论文 用计算机高级语言实现水质预测算法，例如c 、c + + 和j a v a 语言。但是由于 大部分的水质预测算法都要包含矩阵计算或其他的复杂运算过程，而上述 语言在实现这些过程时，需要进行许多繁琐的编码和测试工作，它们本身 自带的函数都无法很好解决这些问题。而同时，m a t l a b 有强大的矩阵运算 功能和实现复杂运算的函数，利用m a t l a b 进行矩阵计算或其他的复杂运 算，对比上面提到的其他语言，在程序编写效率方面有明显的优势。 1 6 具体研究内容 本论文是以广东省科技计划项目“水环境治理复杂系统的监测与总量 控制”和广东省自然科学基金项目“水质预测复杂大系统的模拟与控制及 其算法研究”为依托，以水质信息为研究对象，以开发基于m a t l a bg u i 平 台的水质信息管理与决策支持系统为目的。全文具体内容共分五章 第一章，绪论部分介绍我国水环境现状，水质信息管理与决策 支持系统的国内外研究现状和应用情况，水质预测的进展，指出了 本论文的研究背景和意义。 第二章，对水质信息管理和决策支持系统概括性介绍，并给出 了基于m a t l a bg u i 的水质信息管理与决策支持系统框图设计。 第三章，首先介绍了m a t l a bg u i 的基本内容，在m a t l a bg u i 环境下，连接后台数据库，解决访问数据库结果与m a t l a b 数据匹配问题， 实现了各种水质信息管理功能，包括查询、修改、插入和删除等，并给出 了水质信息管理几个功能模块的设计界面。 第四章，介绍了决策支持系统的三大模块：水质变化趋向图、 水质信息评价和b p 神经网络水质预测。并分别给出了基于m a t l a b g u i 的各个模块的设计与实现。 第五章，利用m a t l a bg u i 对系统进行了详细设计，总体实现 系统。 最后对全文进行总结，并对后续工作做出了展望。 6 第二章系统总体设计 第二章系统总体设计 2 1 水质信息管理系统 2 1 1 定义 水质信息管理系统是一种以计算机为基础，支持管理活动和管理功能 的水质信息系统。具体而言，水质信息管理系统是是由人和计算机相结合 的对水质信息管理进行收集、存储、维护、加工、传递和使用的系统。 2 1 2 功能 水质信息管理系统应具备以下功能： 1 水质事物处理 2 数据库的更新和维护 3 产生各类报表 4 查询处理 5 用户与系统的交互作用 2 2 决策支持系统 2 2 1 简介 d s s 是在传统的管理信息系统( 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 s 。 m i s ) 理论基础上迅速发展起来的新型计算机科学，7 0 年代初由美国学者 m s s c o t tm o r t o n 在管理决策系统一文中提出。为了强调系统对决策 只能起辅助决策作用，而不是自动决策，又有人称其为辅助决策系统。 7 广东工业大学工学硕士学位论文 决策支持系统最初按其功能被定义为一个“注重提高制定决策的效能 1 2 1 1 而不是效率”的系统。较为认可的一个定义为：“d s s 是以管理科学、运 筹学、控制论和行为科学为基础，以计算机技术、仿真技术和信息技术为 手段，面对半结构化或非结构化的决策问题，通过对数据、信息进行分析， 利用定量与定性模型进行仿真、优化，辅助中、高级决策者解决半结构化 f 2 2 l 或非结构化决策问题，是具有一定智能行为的人机交互系统一”d s s 能为 决策者提供决策所需的数据、信息和背景材料，帮助明确决策日标和进行 问题识别，并对各种方案进行分析、比较和判断，为正确决策提供有益的 帮助，从而改变过去领导凭经验、知识等自身素质来做决策的情况，避免 主观、片面等因素引起的重大失误。 1 2 3 1 d s s 通常具有以下特征： 1 较强的语言处理和人机交互能力，能够为高级管理决策人员提供非 结构化决策问题的有用信息。 2 拥有以知识为基础的信息存储系统，由数据库、模型库和知识库组 成的知识系统是d s s 的基础。 3 将数学模型、算法和推理方法结合起来的问题处理系统，能够为用 户提供一种功能很强且使用方便的问题求解语言。 2 2 2 结构组成 d s s 是由会话系统、控制系统、运行及操作系统、数据库系统、模型 库系统等共同构成。其中最基本的一种逻辑结构包括有数据库、模型库、 知识库及其相关的管理系统。d s s 的运行过程可以简单描述如下：用户 通过界面输入要解决的决策问题，界面管理系统收集数据、处理信息，根 据知识库中已有的知识与用户交互，直到决策问题明确，然后系统选择适 用的模型，通过调用模型计算出分析结果，最终提交给用户。d s s 几个部 分的关系如图2 - 1 所示。 第二章系统总体设计 图2 1d s s 各部分之间的关系 f i g 2 1e a c hp a r to fd s sr e l a t i o n d s s 以模型库为基础，对大量数据进行分析、处理，给出决策层次上 的信息，为各级领导的决策服务。模型库用来存放模型。模型总是以某种 计算机程序形式表示，如数据、语句、子程序甚至于对象等。这种物理形 式在模型库中具体为：模型名称及相关的计算机程序、模型功能的分类、 模型的输入输出数据、控制参数等属性。模型可以以某种方式运行，进行 输入、输出、计算等处理。有些系统根据模型的实现方法不同又把模型库 分为模型库和方法库两个子系统。 模型库管理系统用来管理模型库。为了适应模型的静态与动态特性， 模型库管理系统有两方面的功能：一是模型库静态管理。其功能包括：模 型库的建立、删除、模型字典的维护，模型的添加( 登录模型的有关属性) 、 删除，检索、统计等功能，有关模型的各种计算机程序的维护( 如源程序、 执行程序等的管理与维护) 。二是模型的动态管理( 即运行管理) 。模型的 动态管理控制了模型的运行。模型不但可以单独运行，还可以组合运行。 运行控制机构必须能够提供顺序、选择、循环三种基本的运行控制机制。 模型的动态管理还负责模型与数据库部件之间的联系。在模型运行时，规 定输入输出数据的来源及去向，并同数据库管理系统进行数据交换阐 妄至三些查茎三兰堡：耋堡篁兰 2 2 3 发展方向 数据仓库、联机分析处理和数据挖掘结合的新决策支持系统的迅速发 展为决策支持系统带来了活力。数据仓库在引入客户关系的数学模型后， 使数据仓库更适应个性化服务，这是新决策支持系统和传统决策支持系统 结合的例证。可见，综合决策支持系统是决策支持系统的发展方向。 i n t e r n e t 的发展为决策支持系统结构带来了新面貌，网络环境的综合 决策支持系统将数据仓库、模型部件、知识部件作为数据资源、模型资源、 知识资源，以服务器形式在网络上提供服务，这种网络环境的决策支持系 统提高了共享决策资源的服务效果，也为简化决策支持系统开发提供了基 础。各个决策用户只需利用自己的客户机，针对各自的决策问题生成d s s 控制程序流程，远程利用所需的数据资源、模型资源和知识资源，就能很 方便地组成各自的d s s 。 网格计算的逐步成熟和实用化为决策支持系统带来更广泛的资源共享 和d s s 的开发应用。 计算机辅助决策将成为继科学计算、数据处理之后的一种新的普及应 用湖 2 3 基于m a t l a b 的水质信息管理与决策支持系统设计 整个系统由水质信息管理和决策支持系统两个子系统构成。 水质信息管理包括查询、修改、添加和删除等功能。 决策支持系统是由水质变化趋向图、水质信息评价和水质预测三部分 构成 根据系统要求设计了基于m a t l a b 的水质信息管理与决策支持系统设 计框图如图2 2 所示。 第二章系统总体设计 2 4 小结 图2 2 基于m a t l a b 水质信息管理与决策支持系统设计 f i g 2 - 2d e s i g no fw q i ma n dd s sb a s e do nm a t l a b 本章首先介绍水质信息管理系统的定义和功能，然后介绍决策支持系 统的定义、特征及其结构组成和发展方向。最后给出了基于m a t l a b 的水质 信息管理与决策支持系统的设计框图。 n 广东工业大学t 学硕士学位论文 3 1 引言 第三章水质信息管理模块的设计 本章介绍在m a t l a bg u i 环境中实现水质信息管理功能，主要包括对水 质信息的查询、插入、修改和删除，这些功能都需要m a t l a b 与后台数据库 连接，设计出相应的m a t l a bg u i 界面，实现水质信息管理功能。 3 2m a t l a bg u l 简介 3 2 1 开发方法与组件类型 m a t l a bg u i 是m a t l a b 图形用户界面开发环境g u i d e ( m a t l a b s g r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c ed e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ) 的简称。g u i d e 主 要是一个界面设计工具集，m a t l a b 将所有g u l 支持的用户控件都集成在该 环境中并提供界面外观、属性和行为响应方式的设置方法。g u i d e 将用户 设计好的g u i 界面保存在一个f i g 资源环境中，同时还能够生成包含g u i 初始化和组件界面布局控制代码的m 文件。这个m 文件为实现回调函数( 当 用户激活g u i 所发布命令的m 文件也能够实现一个g u i ) ，但是使用g u i d e 执行效率更高：使用g u i d e 不但能够交互式地进行组件界面布局，而且能 够生成用来保存和发布g u i 的文件： f i g 文件：该文件包括g u i 图形窗口及其所有后裔的完全描述，包括所 有对象的属性值。f i g 文件是一个二进制文件，调用b g s a v e 命令或界面设 计编辑器的f i l e 菜单s b v e 选项保存图形窗口时将产生该文件。 m 文件：该文件包括g u i 设计、控制函数以及定义为子函数的用户控件 回调函数，主要用于控制g u i 展开时的各种特征。这个m 文件可分为g u i 初始化和回调函数两个部分，用户控件的回调函数根据用户与g u i 的具体 交互行为分别调用。这里将g u i 的m 文件称为应用程序m 文件”“。 1 2 第三章水质信息管理模块的设计 g u i d e 可以根据用户g u i 的版面设计过程直接自动生成m 文件框架， 这样就简化了g u i 应用程序的创建工作，用户可以直接使用这个框架来编 写自己的函数代码，这样的编写方法有以下优点： 应用程序m 文件已经包含实现一些有用的函数编写代码，无需用户自行 编写； 可以使用该m 文件生成的有效方法来管理图像对象旬柄并执行回调函数 子程序； 提供管理全局数据的途径； 文件支持自动插入回调函数原型，确保当前g u i 与未来发布版本的兼容 性。 实现一个g u i 主要包括g u i 界面设计和g u i 组件编程两项工作。整个 g u i 的实现过程可以分为以下几步： 通过设置g u i d e 应用程序的选项来进行g u i d e 组态； 使用界面设计编辑器进行g u i 界面设计； 理解应用程序m 文件所使用的编程技术； 编写用户g u i 组件行为响应控制( 即回调函数) 代码 界面设计编辑器组件平台包含所有能够在g u i 中使用的用户界面控 件。这些控件都属于m a t l a b 的用户控件对象( u i c o n t r 0 1 ) ，可以通过 c a l i b a c k 属性来进行回调编程。下面简单介绍各种控件的属性和特点： 按钮：通过鼠标点击按钮可以实现某种行为( 按钮陷下或弹起等) 并调 用相应的回调子函数； 拴牢按钮：拴牢按钮能够产生一个二进制状态的行动( o n 或o f f ) 点击 该按钮将使按钮的外观保持陷下状态，同时调用相应的回调函数。再次 点击该按钮将使按钮弹起，同样也要调用回调函数。拴牢按钮的回调函 数首先要对按钮的状态进行查询，然后才能决定； 单选按钮：单选按钮与按钮的执行方式没有本质上的区别，但是单选按 钮通常以组为单位，一组单选按钮之问是一种互相排斥的关系，也就是 说任何时候一组单选按钮中只能有一个有效； 复选框：复选框与单选按钮类似，只是多个复选框可以同时有效。复选 1 3 广东1 = 业大学_ 学硕士学位论文 框为用户提供一些可以选择的选项进行设置程序模式，例如显示工具条 与否以及生成回调函数原型与否等等； 编辑框：编辑框是控制用户编辑或修改字符串的文本域，其s t r i n g 属 性包含用户输入的文本信息。如果一个编辑框有输入焦点，在u n i x 系 统中，点击图形窗口的菜单栏，编辑框回调函数会被调用，而在w i n d o w s 系统下，点击图形窗口不会导致编辑框回调函数的执行。这个区别是对 操作平台方便性而考虑定的； 静态文本：静态文本通常作为其他控件的标签使用，用户不能采用交互 方式修改静态文本或调用相应的回调函数； 滚动条；使用户能够通过移动滚动条来修改指定范围内的数值输入，滚 动条的位置代表用户输入的数值； 组合框：组合框是图形窗口中的一个封闭区域，它把相关联的控件( 例 如一组单选按钮) 组合在一起，使得用户界面更容易理解； 列表框：列表框显示由其s t r i n g 属性定义的一系列列表项并使用户能 够选择其中的一项或多项； 弹出式菜单：弹出式菜单将打开并显示一个由其s t r i n g 属性定义的选 项列表。当用户希望提供一些相互排斥的选项但不希望使用一系列占用 有限空间的单选按钮时，文本菜单将非常有用 g u i 中可以存在一个或多个以上的g u i 组件，使用时要注意保证各 个组件的名称或属性有所不同，可以区分。 3 2 2g u fd e 工具 g u i d e 提供一个界面设计工具集实现图形界面的创建工作。这些工具包 括： 界面设计编辑器：添加并排列图形窗口中的组件对象； 属性检查器：检查并设置组件的属性值： 对象浏览器：观察此次m a t l a b 运行过程中图形对象的旬柄继承关系； 表单编辑器：创建窗口菜单和文本菜单； 1 4 第三章水质信息管理模块的设计 以上这些工具通过设计编辑器的相应菜单进行调用。 3 2 3g u i d e 组态和界面设计 调用g u i d e 命令来显示一个空的界面设计编辑器和一个无标题的图形 窗口。在为该图形窗口添加组件时，首先应该使用g u i d e 应用程序选项对 话框来进行g u i 组态。选择界面设计编辑器的t o o ls 菜单下的a p p l i c a t i o n o p t i o n s 选项打开选项对话框。该对话框能够设置的选项包括以下几项： 窗口重画行为( r e s i z eb e h a v i o r ) ； 命令行访问( c o m m a n d - i i h ea c c e s s i b i l i t y ) ； 仅生成f i g 文件生成f i g 文件和m 文件( g e n e r a l f i go n l y g e n e r a l f i g f i l ea n d mf i l e ) ：生成回调函数原型( g e n e r a lc a l i b a c k f u n c t i o n p r o t o t y p e s ) ； 同一时刻仅允许运行一个应用程序实例( a p p l i c a t i o n sa l l o w so n l yo n e i n s t a n c et or u n ) ； 使用系统背景颜色配置( u s es y s t e mc o l o rf o rb a c k g r o u n d ( r e c o m m e n d e d f o rg u i s ) 函数直到应用程序窗口销毁才返回( f u n c t i o nd o e sn o tr e t u r nu n t i l a p p l i c a t i o nw i n d o wd i s m i s s e d ( r e c o m m e n d e df o rf u n c t i o n sr e t u r n i n g v a l u e s ) ) 。 m a t l a b 用户可以使用o p e n f i g 、o p e n 或h g l o a d 命令来显示一个g u i 图形窗口，这些命令将相应的f i g 文件装载到m a t l a b 的工作平台上，然后 用户就可以对该g u i 进行重新设计。用户也可以使用界面设计编辑器的 f i l e 菜单的o p e n 选项或g u i d em y g u i f i g 命令来装载一个己存在的进行 编辑： g u i 界面设计是通过使用界面设计编辑器进行的。 g u i 的创建过程经常会要求用户定义组件的t a g 属性值和c a l i b a c k 子 函数名。g u i d e 给用户g u i 界面中的每个组件指定一个t a g 属性值( 例如 p u s h b u t t o n l ) ，然后使用该字符串来命名回调函数( 例如 l s 广东- 业大学工学硕士学位论文 p u s h b u t t o l l l c a l l b a c k ) 。在第一次激活或保存g u i 之前最好为组件选择一 个t a g 名和文件名。 3 2 4 应用程序_ 文件 g u i 包含许多可以使软件与用户终端进行交互的用户界面组件，g u i 的 实现任务之一就是控制这些组件如何响应用户的行为。对应用程序m 文件 代码进行详细分析的目的就是要通过了解m a t l a b 创建应用程序m 文件的功 能，从而实现g u i 的规划。 i d a t l a b 通过创建应用程序m 文件为g u i 控制程序提供一个框架。这个 框架孕育着一种高效而坚固的编程方法：所有代码( 包括回调函数) 都包 含在应用程序m 文件中，这就使得m 文件仅有一个入口可以初始化g u i 或 调用相应的回调函数以及g u i 中希望使用的任意帮助子程序无论用户是 否使用g u i d e 来创建应用程序m 文件，这里所说的编程技术对用户进行g u i 编程都是有用的 3 3 在m a t l a b 环境下访问数据库的两种方法及其比较 3 3 1 利用v is u a iq u e r yb u ii d e r 访问数据库 在m a t l a b 环境中，使用v i s u a lq u e r yb u i l d e r 工具可以完成数据 库的访问、插入等工作i 2 s 首先在c o m m a n dw i n d o w 窗口中输入q u e r y b u i l d e r 命令，出现v is u a l q u e r yb u i l d e r 界面。如图3 一l 所示； 第三章水质信息管理模块的设计 图3 1v i s u a lq u e r yb u i l d e r 图 f i g 3 - iv i s u a lq u e r yb u i l d e rf i g u r e 然后按照下面的步骤进行操作： 第一步：选择要操作的d a t as o u r c e 和t a b l e s 。 第二步：选择f i e l d s 里面的数据项，可以选择一列或多列；同时在 s q l s t a t e m e n t 文本框中可以看到所选择的列对应的s o l 语句。 第三步：在m a t l a bw o r ks p a c ev a r i a b l e 文本框中输入数据集的名称， 在本例中名称为w a t