（计算机应用技术专业论文）可视化多参数水文动态监测系统研究.pdf

论文题目：可视化多参数水文动态监测系统研究 专业：计算机应用技术 硕士生：付瑞锋 指导教师：秋兴国 摘要 可视化多参数水文动态监测系统将传感器技术、数据通讯技术和微计算机技术相结 合，实现了水文数据的动态采集、实时传输及可视化分析处理，为预防水害的发生提供 决策依据。 ， 系统以d e l p h i 作为软件开发平台，m i c r o s o f ts q ls e r v e r 为数据库平台，采用类三 层c s 结构的开发模式，将g s m 无线通讯与工业控制网络有线通讯相结合，实现了对 r t u 采集的水位、水压、水温、管道流量、明渠流量等水文数据的实时传输。 监测计算机通过串口通讯编程控件m s c o m m 发送或接收数据帧的方式与地面 g s m 模块或井下分站通讯，将水文信息自动传输到系统数据库中。系统对挂接在安全 监测系统中的水文传感器采集的数据，利用f t p 和s o c k e t 技术进行传输，实现了水文 监测系统对安全监测系统的数据集成，扩展了水文监测系统的应用模式。 可视化的系统将自动采集、传输到监测系统主机的水文数据整理入库，通过相应的 处理模块可实现水文数据的可视化查看，具有快捷、直观地查询与浏览能力。系统在系 统界面可以显示各监测点的实时状态，对实时数据可以作出超限报警、列表显示、动态 曲线图显示；历史数据也可以按列表和曲线图显示，还可以生成含水层各测点水位的对 比曲线和等值线图以及各种统计分析报表。通过对水文数据的可视化，将数据信息以直 观、形象地图形表现出来，使得各种信息和分析结果更加一目了然。 可视化多参数水文动态监测实现了无人职守下的地下水数据采集，结合可视化分析 与处理手段，可以及时掌握地下水的动态。系统在山东、河南、河北、安徽等地的煤矿 单位的实际应用中，取得了较好的经济效益和社会效益，对指导煤矿安全生产和矿井水 害的防治起到了重要的作用。 关键词：水文多参数；实时监测；数据采集；c s ；数据可视化 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：r e s e a r c ho nt h eh y d r o l o g i c a l m u l t i - m e t e r a g eo fv i s u a l i z e d m o n i t o r i n gs y s t e m s p e c i a l t y ：c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y n a m e：f ur u i f e n g i n s t r u c t o r ：q i ux i n g g u o a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) 压墼趔 ( s i g n a t u 巡勉丝咖 m o n i t o r i n gs y s t e mi s t h ei n t e g r a t i o no fs e n s i n gt e c h n o l o g y ，d a t ac o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g ya n dm i c r o c o m p u t e rt e c h n o l o g y i ta c h i e v et h ea i mo fh y d r o l o g i c a ld a t a c o l l e c t i o ni nt i m ea n dt r a n s m i s s i o na n dv i s u a la n a l y s i sw h i c hc a ns u p p l yg i s tt op r e v e n tm i n e b ef l o o d t h es y s t e mt a k ed e l p h ia sas o t t w a r ed e v e l o p m e n tp l a t f o r ma n dc h o o s em i c r o s o f t s q ls e r v e ra st h ed a t a b a s es y s t e m a d o p tt h es t r u c t u r eo fc sa sd e v e l o p m e n tm o d e l ， i n t e g r a t et h eg s mw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sa n dl i n e a t ei n d u s t r yc o n t r o ln e t w o r k , t r a n s m i tt h e h y d r o l o g i c a ld a t al i k ew a t e rl e v e la n dh y d r a u l i cp r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r ea n df l u xb yr t u c o l l e c t e di nr e a l t i m e ，n l em o n i t o rc o m p u t e rs e n do rr e c e i v ed a t ad a t af a m e sb ym s c o m mw h i c hi sw i d g e t o fs e r i a lc o m m u n i c m i o nc o n t r o i nt h i sw a y ，i tc o m m u n i c a t i o n 而廿lg r o u n dg s mm o d u l ea n d s u b t e r r a n e a ns t a t i o n , a u t o m a t i c a l l yt r a n s f e r r e dt h ed a t at ot h eh y d r o l o g i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m d a t a b a s e i nt h es y s t e mw eu s e dt h ef t pa n ds o c k e tt e c h n o l o g yt r a n s f e rd a t af r o mt h e d a t a - b a s eo fs a f e t ym o n i t o r i n gs y s t e m i nt h i sw a y ，w ee n l a r g et h ea p p l i c a t i o nm o d eo fs y s t e m v i s u a l i z e dm o n i t o r i n gs y s t e mp a c ku pt h ed a t ai n t od a t a - b a s ew h i c hc o l l e c t ea n d t r a n s m i tr o b o t i c i z e d ，n l es y s t e mh a v et h ea b i l i t yo ff l e e t l yq u e r ya n db r o w s eb yt h ed e a l m o d e ，h a v ef l e e t l yq u e r ya n dl o o kt h r o u g h i n t e r f a c ec a nd i s p l a yt h es t a t eo fm o n i t o r i n gp o i n t s ， a n dt h er e a l - t i m ed a t ac a l lm a k eu l t r a - a l a r m ，t h el i s ts h o w st h a td y n a m i cc u r v eo fd i s p l a y ； a c c o r d i n gt oh i s t o r i c a ld a t ac a na l s ol i s ta n dc u r v e st h a tc a na l s og e n e r a t eam e a s u r e m e n to f t h ea q u i f e rm w a t e rl e v e la tt h ec o n t r a s tc u r v ea n dc o n t o u rm a p ，a sw e l la ss t a t i s t i c a l a n a l y s i s o fv a r i o u ss t a t e m e n t s t h r o u g ht h eh y d r o l o g i c a ld a t av i s u a l i z a t i o na n dd a t a i n f o r m a t i o nt ov i s u a li m a g e sa n dg r a p h i c ss h o w n , m a k i n ga l lk i n d so fi n f o r m a t i o na n d a n a l y s i so f t h er e s u l t sm o r et r a n s p a r e n t i i t h eh y d r o l o g i c a l m u l t i - m e t e r a g eo fv i s u a l i z e dm o n i t o r i n gs y s t e md o n eu n a t t e n d e dd a t a c o l l e c t i o n b vm ea n a l y s i sa n dv i s u a l i z a t i o no fc o m b i n e dt r e a t m e n tm e a n s ，c a l lg r a s pt h e c h a n g eo fg r o u n d w a t e r s y s t e mi nt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o no fs h a n d o n g ，h e n a n , h e b e i ， a n h u ia n do t h e rp l a c e sc o a lm i n eu n i t ，w h i c hh a sa c h i e v e dg o o de c o n o m i ca n ds o c i a l b e n e f i t s ，t h eg u i d a n c eo fc o a lm i n ep r o d u c t i o ns a f e t ya n df l o o d c o n t r o lh a sp l a y e da n i m p o r t a n tr o l e k e y w o r d s ：h y d r o l o g i c a lm u l t i - p a r a m e t e r r e a l - t i m em o n i t o r i n gd a t ac o l l e c t i o nc s d a t av i s u a l i z a t i o n t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 姿柳技太学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科 技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：彳撕砰日期：力豸歹 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期 间论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位 论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明 学位论文作者签名：羽呷蜂 指导教师签名：倒习 刎占年否月：v o e l 1 绪论 l 绪论 本章对课题的背景、研究意义、目的、任务、内容及国内外研究现状等进行介绍， 并对该论文的章节进行安排。 1 1 选题背景及研究意义 1 1 1 选题背景 煤炭是我国重要的基础能源和原料，在国民经济中具有重要的战略地位。煤矿安全 生产关系职工生命安全，关系煤炭工业健康发展，关系社会稳定大局。但是随着我国国 民经济的快速发展，煤炭的开采量在不断地增加，开采层位也愈来愈深，矿井受水害的 威胁程度也越来越严重。煤矿水害成为与瓦斯、煤尘等并列的矿山建设与生产过程中的 主要安全灾害之一。长期以来，因为煤矿水害而给国家和人民带来的人身伤亡和经济损 失极为惨重。煤矿安全生产关系职工生命安全，关系煤炭工业健康发展，关系社会稳 定大局。实现煤矿安全生产，是落实科学发展观的必然要求，是构建社会主义和谐社会 的重要内容。为此，煤矿安全规程( 2 0 0 4 版) 第2 5 2 条及煤矿防治水条例第三条 明确提出，水文地质条件复杂的矿井必须要建立地下水动态监测系统嘲。 煤矿地下水监测作为煤矿水文工作的一项常规任务，为地下水动态分析和灌排管理 等工作提供着重要的基础资料和历史参考依据。但多年来，对煤矿地下水的监测工作一 直沿用比较传统和落后的运作模式，在现代化的水文监测方式出现以前，传统的水文监 测方式被人们用了几十年。 在传统的监测方法中，对于井上下的水文观测孔采用人工测量记录的方法掌握水位 ( 水压) 的变化情况；对于管道流量、明渠流量的测量也是采用人工携带仪器进行测量 的方法进行监测。传统的监测方法对于所需要的监测数据不能进行实时的监测，处理信 息的方法是通过人工统计、手工完成的，信息管理方法仍然停留在资料台帐、卡片方式 的手工模式，资料的填写、统计、查询乃至保存、上报等各项庞大繁杂的工作，处理起 来非常不便。尤其是技术人员进行决策时，无法全面、系统地利用现有台面资料进行科 学决策，资料的利用率较低，从而直接影响矿井安全生产和工作效率口1 。 随着时代的进步和科技的发展，在办公自动化和管理信息化的时代潮流中，传统的 监测方法不利于现代煤矿企业的整体发展。已越来越不适应新时期地下水工作发展的需 要，存在的弊端和不足也日益严重的显现出来：首先，对煤矿地下水进行监测的手段比 较落后，监测参数比较单一；其次煤矿地下水文监测信息传输不及时，时效性差，无法 做到信息共享，水文地质工作者对存在的安全隐患不能做出及时的判断和有效的处理。 西安科技大学硕士学位论文 因此，实现矿井水文监测点各种水文参数( 水位、水压、水温、管道流量、明渠流 量等) 的自动监测和可视化分析与处理，有利于提高矿井水害预测、预报水平，掌握矿 井水文动态变化规律，指导矿井水害防治，保证矿井安全生产。 1 1 2 研究意义 可视化多参数水文动态监测系统是集信息采集( 传感器技术) 、信息传输( 数字通 讯技术) 和信息处理( 微计算机技术) 于一体的现代化监测、控制系统。对采集的大量 的矿井井上、井下水文实时监测数据进行处理，对地下水的变化趋势、动态特征直观的 显示在监测人员的眼前，被人的视觉直接感知，它把数据信息变成了易于被接受和理解 的形式。该系统软件提供了现代化存储与管理矿井水文信息的手段，为主管、计划部门 提供各种动态报表及相关图件，而且还可以为技术人员提供实时数据显示、历史数据查 询、异常值分析、超限报警、水位趋势分析，并附有相应的直观图表输出。 应用可视化技术可使得各种数据信息都能以图的形式进行表示，便于对矿井水文的 变化情况进行实时监控和分析处理，提高领导者的决策水平和安全管理水平，加强企业 内部协作，提高生产和管理效率，使水文地质工作更加规范化、科学化，从而为矿井实 现安全高效生产创造有利条件。 所以为了实现煤矿安全生产状况的根本好转，应该立足于依靠科技进步和加强科学 管理的基础上。就目前而言，研制出一个精度高、实时性强、运行可靠，操作简单、显 示直观，能够连续长期测量并利用计算机分析、辅助决策的，适用地面及井下各种水文 参数( 水位、水压、水温，管道流量、明渠流量等) 的可视化水文多参数动态监测系统， 可以及时掌握地下水的动态，减少水文地质信息管理方面的工作量，提高工作效率，做 到对矿井水文信息的规范管理、科学统计、快速查询和分析，及时预报和处理水害，保 障煤矿的正常安全生产、指导矿井水害的防治具有十分重要的意义。 1 2 矿井水文监测系统的国内外研究现状 1 2 1 国外状况 发达国家在现代化水文管理方面的研究和应用起步较早，并已经在实际工程和管理 中发挥了重要的作用，收到了巨大的效益。这些发达国家在自然资源管理、地下水、河 流( 流域) 现代化管理等方面，逐步实施了现代化。 国外一些发达国家在地下水监测方面都有几十年乃至上百年的历史，其中美国、荷 兰的产品在技术性能上代表着当今世界的先进水平h 1 。八十年代美国水文仪器中心生产 出了r 2 0 0 水位遥测系统，o y o 公司推出了d s c 水位观测系统；现在美国哈希、德国 s e b a 、德国o t t 、德国水文科技公司、美国g w 环境气象仪器公司等公司都有先进的 2 1 绪论 传感器和自记或遥测系统。德国地下水监测设备供应商h t 公司和地下水软件供应商 r i b e k a 公司共同开发的地下水监测系统，荷兰m i c r o d i v e r “地下水水位自动监测仪 可以自记地下水水位和温度，该仪器内部集成温度和压力传感器、内存和电池，外部为 密封的不锈钢材质，可以在任何监测井中使用。 由于煤在国外发达国家能源结构中处于相对次要的地位，并且以露天煤矿生产为 主，所以有关矿山( 包括煤矿) 水文的研究成果以及计算机公司的软件系统都主要与露天 采矿有关，很少涉及到矿井水害问题，功能与我国矿井生产的实际需求相差甚远，所以 国外的相关系统都无法满足我国矿井对地下水监测的要求。 1 2 2 国内状况 而在对矿井地下水的监测方面，我国煤矿大多水文地质条件复杂，矿井水害较为普 遍。目前国内各矿区大都采用在野外和井下建立水文长观孔，通过对长观孔的水位( 水 压) 进行长期观测来监测矿区地下水的变化情况。在长期与煤矿水害作斗争的过程中， 在对地下水的监测工具及手段大致经历了手工监测、自动记录和实时监测这样三个发展 阶段，防治水技术与经验也得到了显著的提高。以煤科院及有关高校为代表的防治水科 研队伍研发、试验并形成了较为完善的、系统的、适合我国国情的煤矿水害防治仪器装 备。例如煤科院西安分院的矿井水压实时监测系统和山东科技大学的矿井水文监 测系统等，这些系统都可做到对矿井地下各含水层水位的实时监测。 自1 9 8 5 年以来，我国通过对引进的欧美国家煤矿安全监控系统的消化吸收，先后 研制出k j 4 、1 0 6 6 、1 0 7 0 、1 0 7 5 、1 0 8 0 、k j 9 0 、1 0 9 5 等不同型号的煤矿安全监控系统， 目前装备的安全监控系统大约有3 0 多种，这些安全监控系统可视化技术应用比较成熟， 生成的动态图界面美观、真实感强，井下各类环境和生产参数都能实时的显示出来。但 是安全监控系统在安全上侧重于对瓦斯的监控；在可视化方面侧重于模拟现场流程及生 产的实时状态等示意图的展现。 综上所述，现在专门针对矿井地下水的可视化监测系统，尤其是可以采集多参数水 文信息的可视化监测系统比较少见。目前用于矿井地下水监测的监测系统，还没有完整 的集数据的自动采集、传输、处理、可视化输出、趋势分析预测等功能于一体的软件系 统。有的系统实现了实时监测，但是没有地下水位等值线图等可视化的分析功能；有的 具有地图、曲线图表等可视化显示功能，而没有实时监测的功能。这些使得工作人员要 想具体了解地下水位情况不得不使用不同的软件，并且要通过专业人员具体匹配不同的 文件格式，这增加了使用的难度。 该软件系统是在此背景下应运而生的，并且通过现场的使用，收到了较好的社会效 益和经济效益。 3 西安科技大学硕士学位论文 1 3 主要研究内容 矿井水文监测系统作为服务于矿井水文地质工作的监测系统，是矿井水文地质工作 者地下水信息的输入、存储、查询、统计、水位趋势分析、计算以及统计报表和曲线图 表的输出，还有超限数据报警等多方面信息处理手段和决策支持工具。 本课题是硬件与软件相结合的应用系统，本人主要承担了软件方面的研发内容： ( 1 ) 软件结构体系的确定 分布式的结构：实现管理集中、处理分散。 开放式的系统：人一机界面的图形化和通用的数据集成接口。 c s 结构体系：由数据库服务器、工业控制监测主机设备构成的c s 体系结构。 ( 2 ) 数据采集与传输软件实现的研究 结合硬件的工作原理，通过规范数据接口、传输标准，使得数据有效的通信，接收、 解析实时采集的地面与井下水文数据，处理后存入数据库。论文中也讨论了针对不同安 全监测系统数据的集成解决方案。 ( 3 ) 数据信息可视化在系统软件中的研究 系统软件主要对实时采集的水文数据进行可视化显示，并判断是否有超限报警数 据；将处理、分类后的数据以数据列表、实时曲线图、状态模拟图、水位等值线图以及 各种统计报表等图表形式直观的表现出来。 1 4 本文的结构安排 本文以矿井地下水为监测对象，为实现实时监测其变化情况及其数据信息的可视化 实现进行深入的研究和探讨。其各章节安排如下： 第一章绪论，首先介绍了选题的背景、研究意义；以及结合有关资料介绍了目前 国内外在该领域的研究现状；最后简单介绍论文的主要内容及结构安排。 第二章系统总体设计方案，主要介绍了系统的组成及工作原理，给出了系统的体 系结构，并对系统开发的平台和工具做了简要的介绍。 第三章可视化水文监测系统核心技术的选择，介绍了系统软件实现用到的方法与 技术。 第四章水文数据采集与传输的实现，详细介绍了水文数据的采集与传输的实现方 式，并对安全监测系统的数据的集成也做了说明。 第五章系统应用软件实现方案，详细介绍了数据库的设计以及数据可视化在系统 应用软件中的实现。 第六章总结和展望，对本文的研究工作进行了总结性论述，总结了论文的主要工作 和存在的若干问题和解决办法，并对本项研究未来的发展进行了展望。 4 2 系统总体设计方案 2 系统总体设计方案 本章主要结合系统的具体应用需求，分析了系统实现的功能目的，设计系统的总体 方案，论述了系统的构成和主要功能。 2 1 系统需求分析 2 1 1 系统功能需求 以煤矿部门实现水文管理现代化、决策科学化的要求作为主要设计依据，集信息采 集( 传感器技术) 、信息传输( 数字通讯技术) 和信息处理( 微计算机技术) ，实现自动 采集、自动传输、实时监测、自动处理等功能。核心目标是信息的超限信息报警及统计 处理，为工作人员提供决策依据。 系统要实现从信息采集到信息处理全过程的自动化，主要包括以下几个方面： ( 1 ) 信息采集自动化 应用现代传感器技术与自动化仪器仪表，将煤矿部门需要的地下水的水位、水压、 流量、温度等数据信息自动的采集并存贮。 ( 2 ) 信息传输自动化 通过地面g s m 无线和井下有线通讯相结合，将地面与井下水文信息自动传输到系 统数据库中。 ( 3 ) 信息处理可视化 借助于软件系统将采集到的数据能够以实时数据、统计报表、模拟图、曲线图等形 式直观的显示出来。 2 1 2 系统性能需求 ( 1 ) 实用性 系统的实用性就是密切结合生产实际，避免华而不实的功能设计，系统不仅能自动 的采集水文各参数信息，还应该能通过采集到的水文信息进行分析处理、科学统计、综 合整理，以利于快速查询、曲线生成和报表的生成，更进一步的还要做到科学预测，使 采集的水文信息转化为供管理人员进行煤矿安全生产决策的重要依据和参考资料。同 时，要确保系统的数据录入和输出方便快捷。 ( 2 ) 人机界面友好 硬件监测仪尽量采用中文菜单操作界面，系统软件采用面向对象的界面设计方法， 使用户经过短期培训和学习就可掌握系统的操作，从而提供系统的实用性。 s 西安科技大学硕士学位论文 ( 3 ) 集成化、可视化 地面和井下数据的集成，软、硬件的集成，实现系统操作、数据和计算成果的可视 化。 ( 4 ) 扩充性 系统针对数据来源的不同，通过一定的接口模块，可以将矿井目前应用的各种类型 的安全监测系统采集的水文数据集成到系统中，为满足系统的适用性和兼容性，在设计 上留有足够的余地。 ( 5 ) 标准化、规范化 软、硬件研制和系统设计遵循煤炭行业和地下水监测的有关标准、规程和相应的规 范。 ( 6 ) 安全性 系统的安全性主要指确保系统本身和数据的安全，防止非法用户的无意或有意的访 问和使用；通过用户权限的分配对不同级别的用户赋予适当的权限，防止无权用户误删 改或破坏数据；系统中的数据发布和信息查询需要用到计算机网络，也需要相应的安全 措施，确保系统和数据的安全性。 2 2 系统总体设计 本系统运用现代传感器技术、自动测量技术、自动控制技术、计算机应用技术以及 相关的控制分析软件和通信网络所组成的一个综合性的自动监测系统。系统将多项监测 指标( 多参数) 的分析仪表组合在一起，从采样、记录到整理分析数据，结合相应的监 控分析软件，实现无人职守下实时自动监测，满足运行可靠稳定，维护量少等要求。 2 2 1 系统组成及工作原理 系统分为地面和井下两部分组成，但是作为整体的系统模型中包括数据采集、网络 传输、数据处理，如图2 1 所示。 6 2 系统总体设计方案 i一一 i - 辨_ - 。槲 瑞蚋旗荫、 ? 。? “| 鼻 一 j ”：。”? “。 l l 戆惑，禳麓懑 魄嘲 需 ，m 搬艟， 图2 1 系统集成拓朴图 ( 1 ) 数据采集 数据采集层由采集数据的传感器及信号传输设备组成，传感器采用总线集中供电的 方式，即由遥测分站输出一对电源线供电。遥测分站也采用这样的方式由矿用井下分站 供电，而矿用井下分站由自带的本安电源供电。采集到的水位、水压、温度、明渠和管 道流量数据送往数据处理部分，进行进一步加工处理。 ( 2 ) 网络传输 是具体负责把现场采集的数据发送到监测主机，保证数据的正确传输。地面数据的 通信是以g s m 短消息的方式在地面遥测主站和分站之间实现双向通信。监测计算机通过 电话线与井下通信分站连接，传感器将测得的数据传送到通信分站，由通信分站将数据 传送到地面调制解调器，地面遥测主站和调制解调器与监测计算机之间采用r s - 2 3 2 进 行通信。 ( 3 ) 数据处理 主要是根据工程的特定要求，对采集到的实时数据进行各种加工和处理等内容的设 计。而这些处理主要是借助适当的数学方法进行数学处理，以减小数据误差，保证数据 的正确性。具体操作是对接收到的水文数据进行校验，当所监测数值超限或遥测分站供 电、连接异常时进行声音等报警：对数据分类并建立数据库文件存入水文信息数据库； 查询、检索水文数据，显示各水文参数信息及曲线图和统计报表，为有关部门提供水位 趋势判断的决策依据。 可视化多参数水文动态监测系统以计算机系统为中心，综合运用了计算机技术、网 络技术、传感器技术和图形显示技术。现场将实时采集的数据通过网络传输到中心站进 7 西安科技大学硕士学位论文 行处理、分析、显示、保存及超限报警。中心站通过对大量实时数据的积累和分析，为 矿井的安全生产提供可靠的保证。监测系统的规模大小根据被监测数据的数量及分布范 围而变化。网络的拓扑结构由数据传输及系统可靠性方面来考虑，采用总线型结构。 2 2 2 系统体系结构设计 水文监测系统的特点： 水文数据要求保密，安全性要求高； 水文工作者要能实时操作系统，要求其具有较强的交互性； 单机版监控系统，应用软件与数据库在同一监测计算机； 实时数据采集和数据处理部分需要和数据库频频交互。 鉴于以上水文监测系统的特点，系统体系结构适合采用c s 的开发模式。 ( 1 ) 类三层结构 三层c s 模型是在客户机和服务器之间引入了一个中间层，专门处理业务规则，从 而将应用系统的业务逻辑、表示逻辑和数据分为三个不同的处理层晦1 。 客户层：负责与用户进行交互，接收用户的输入向中间层提交请求，并向用户输出 结果。 中间层：主要用来处理业务逻辑，它向所有的客户提供服务，在对用户的请求按照 逻辑规则进行处理之后，向后台数据库提交查询或者存贮请求，并且对数据库服务器返 回的数据按照业务规则进行处理后，再返回给客户端处理程序。中间层可以采用专门的 服务器，也可以与数据库服务器集成到一起。 服务层：只进行数据管理和存贮，不涉及数据处理，它负责处理来自中间层的数据 查询和存贮请求。 在本系统中，选择以c s 结构为基础的类三层结构，三层包括：客户层、类中间层、 服务层，如图2 2 。 客户层：由本系统程序来完成，是用户直接操作的程序，绝大部分用户的操作、 数据的展示、功能的实现、与服务器的交换都由它来完成，是功能最强的一部分。 类中间层：由服务器端s q ls e r v e r 2 0 0 0 的存储过程与视图及相关的自定义函数来 完成。主要是转换由客户层所请求的操作为服务层所能识别的语言，以及进入数据完整 性与规范性检查。 服务层：所完成的功能主要是执行相关的查询、数据插入、修改等，主要由s q l s e r v e r 2 0 0 0 数据库管理系统来实现。 8 2 系统总体设计方案 芙甲刚层 服务层 图2 2 类三层结构示意图 ( 2 ) 类三层功能划分 选择分层结构的主要目的是使系统响应更快，功能划分更完善，独立性更强。具体 功能划分见表2 1 。 表2 1 类三层结构功能划分 层次功能 客户层 类中间层 服务层 连接管理、数据捕获、数据表达、界面显示、用户交互 隔离用户直接与数据库的通信、用户查询需求与服务器可识别语 言的转换、查询结果的传递、执行特定的功能操作 资源管理、安全管理、数据管理、查询管理、数据库系统管理 ( 3 ) 系统总体结构 水文监测软件采用基于c s 结构体系的类三层结构实现实时远程数据采集、远程分 站工作模态控制、数据的可视化分析与查询。主要包括通讯控制及数据采集模块、实时 数据分析管理、历史数据分析管理、系统管理等模块，这些模块都与数据库密切相关， 数据的存取与其它操作在后台完成。图2 3 为系统总体结构图。 9 西安科技大学硕士学位论文 图2 3 系统集成拓朴图 ( 4 ) 开发模式 根据系统结构及功能划分，系统选择模块化的开发方式。即在总系统框架作用的前 提下，各开发人员开发特定功能的模块化程序，以供其它模块使用。每个模块具有相对 的独立性，完成特定的工作。一方面加强了程序的模块化，使各模块所具有的功能都划 分到最小。另一方面也加强了程序的安全，采用模块化封装后的程序出错率非常小，提 高了程序的稳定性。 2 3 系统开发实现方式 2 3 1 操作系统的选择 目前，计算机操作系统主要有视窗类和命令行类，命令行类操作系统包括早期的 d o s 、现在的u n i x 和l i n u x 等系统，由于这些操作系统不具有图形化界面，大部分 应用在特殊场合，诸如嵌入式系统、网络服务器等；而视窗操作系统由于给人一种视觉上 的直观感，倍受普通用户的喜爱，微软公司的w i n d o w s 系列便是其中一例。其中的 w i n d o w s9 8 和w m d o w sn t 、w i n d o w s2 0 0 0 应用最为广泛。 w i n d o w s2 0 0 0 操作系统不仅提供给用户容易使用的图形界面、网络通讯、信息处 理功能，同时，它的多任务和多线程特性也满足了监测系统对实时性的要求。网络支 持。w i n d o w s2 0 0 0 是支持c s 网络的w i n d o w s 操作系统，并且支持分布式计算方式。 w i n d o w s2 0 0 0 能通过c s 模型把计算任务分派到网络中的多台计算机上，使每台工作 站比单台机器提供更大的计算能力。支持多线程。w i n d o w s2 0 0 0 能够为各个应用程 序分配不同的c p u 时间片，同时运行多个程序。 由于我们的应用是在工业控制领域，对系统的稳定性有很高的要求，因此，我们选 1 0 2 系统总体设计方案 择了w i n d o w s2 0 0 0 作为操作系统平台。 2 3 2 实现工具的选择 d e l p h i 是b o r l a n d 公司推出的全新可视化编程环境，为程序员提供了方便快捷的应 用程序开发工具。d e l p l l i 利用w i n d o w s 图形化用户界面，开发w i n d o w s 应用程序是非 常方便的。利用d e l p h i 可以立即投入软件编程工作，编写出功能强大、界面友好的应用 程序。d e l p h i 7 是运用面向对象语言o b j e c tp a s c a l ，是o o p 和可视化程序开发的完美结 合，采用面向对象的设计思想，它集中处理两种类型的对象：一种是窗体( f o r m ) ，在窗体 上可以添加各种控件( c o n t r 0 1 ) ，形成应用程序中的图形用户界面；另一种是控件( c o n t r 0 1 ) ， 每种控件都具有一组属性、方法和事件。它们分别对应控件的静态特征、动态特征和对 外界的响应功能。 它是第一批采用事件驱动编程机制的语言。各种对象的事件函数在无消息的情况下 均处于静止状态，只有当响应的事件产生时，才被驱动执行。d e l p l l i 不但引入了可视编 程的新技术，支持面向对象的程序设计，具有事件驱动的编程模式，而且支持d d e ( 动 态链接) 和o l e ( 对象的连接和嵌入) ，是非常强大和易用的编程工具，可以灵活方便地进 行数据库访p i t 6 1 ，具备开发大型系统的功能。其高度的逻辑抽象和为客户进行的大量的 代码开发，简化了程序员的工作强度。d e l p h i 7 是语言基础上的进一步发展，它具有可 视化的用户界面设计功能，可视化编程环境真正实现了“所见即所得( w y s l w y g ) 。 d e l p h i7 拥有更加丰富的控件，具有功能强大的数据库访问技术，方便的界面设计， 以及优良而稳定的性能正在吸引着大批程序开发者。它为用户提供了功能强大的可视化 数据管理器，通过它用户可方便的对数据进行浏览及操作，所以选择d e l p h i 7 作为软件 开发平台。 本系统中，数据库平台采用了s q ls e r v e r2 0 0 0 进行数据的存储和管理，具有海量 存储能力和高吞吐能力，能满足系统采集数据量大、数据存储周期长、数据访问频繁、 无故障运行等特点。它与w i n d o w s2 0 0 0 可以无缝连接，直接利用w i n d o w s2 0 0 0 操作系 统提供的服务。m ss q ls e r v e r 支持典型的c s 模式，在这种模式中，m ss q ls e r v e r 作为后端服务器，对于前端的用户应用程序提出的数据操作请求提供后端处理服务。通 常，仅将处理结果返回到客户机。这种结构对重要的查询响应效率特别高，同时也使前 端应用程序设计可以分布化而不会对数据库产生破坏。 2 4 本章小结 本章主要介绍了系统的总体设计方案，详细说明了系统的构成和功能，同时简单介 绍了系统开发所运用的程序设计语言和操作系统与数据库系统。 西安科技大学硕士学位论文 3 可视化水文监测系统核心技术的选择 3 1 数据传输技术 3 1 1g s m 通信技术 由单片机构成的数据采集系统已经广泛应用于工业控制、环境监测等领域，这些系统 大多采用r s 2 3 2 或是有线m o d e m 的通信方式，其有线数据传输方式在很大程度上限制 了应用场合的拓展r 7 引。水文观测孔一般安装在野外，分布面广，因此其通信方式的选择 对整个系统的可靠性起着关键作用。 随着g s m 无线数据业务的快速发展，许多从来没有的应用变成了现实。利用现有 的g s m 网络资源，发挥网络覆盖率高、传输特性好等优势，为现有数据采集系统提供一种 便捷的无线数据传输方式【9 】，在数据传输、控制领域的大量应用，也为解决水文信息的 传输提供了一个可行的途径【l o j 。 g s m 是目前通信体制中最成熟、最完善、应用最广的一种数字移动通信网，它基 于时分多址( t d m a ) 技术，采用频率时间分割的蜂窝结构。除了普通的话音通信外，它 还能提供多种数据业务。g s m 网络提供的服务大致有以下几种： ( 1 ) 话音业务 g s m 提供的最重要的业务就是电话服务。这种服务使g s m 用户在任何地点能同其 它电话网中的用户通话，通话是双向的。在整个世界范围内与固定电话用户、移动电话 用户以及专用网用户可以保持通信联系。 ( 2 ) 数据业务 g s m 从开始就设置了数据业务，提供给固定用户和i s d n 用户的大部分业务，g s m 都提供，包括公用分组交换数据网所提供的业务。数据通信的划分，可以按照通信者的 不同( 可以是电话网用户，也可以是i s d n 用户以及专用网用户) ，也可以由端到端信 息流的性质来决定( 原始数据、可视数据、电传等) ；或者由传输模式所决定( 分组还是电 路，端到端数据还是调制解调，同步还是异步等等) 。 ( 3 ) 短消息服务( s m s ) 短消息是通过g s m 移动通信网络来传输的有限长度的数字或者是文本信息，如果 采用8 位编码的话，则一条短消息可以传送1 4 0 个英文字符。 对比上述几种业务，由于g s m 中的短消息服务比g p r s 价格便宜，也具有价格便 宜无需拨号连接和信号覆盖广、在线保持、自动传送、费用低廉、稳定性高等优点，适 合于频繁远距离传送、小流量数据的领域，如野外数据采集及操控、水利水情监控、环 1 2 3 可视化水丈监测系统核心技术的选择 境远程监测等。在本文的遥测分站设计中，就采用g s m 短消息进行数据远传。 短消息业务可以认为是g s m 系统中最为简单和方便的数据通讯方式，它无需附加 庞大和昂贵的数据终端设备，仅使用手机模块就可以达到互相进行中英文信息交流的目 的。再一个优点就是由于利用了现有的网络，用户无需另外组网，所以节省了昂贵的组 建网费用和维护费用，同时，对用户的数量没有任何限制。由于g s m 网络在全国范围 内实现了联网和漫游，比起传统的集群系统在无线网络覆盖上具有无法比拟的优势，加 上g s m 本身具备的数据传送功能，都将使这些应用得到迅速的普及。根据水文实时报 文传输频度较高，但报文信息量小的特点，在本系统中的地面水文数据的远程传输中采 用了g s m 中的短消息服务( s m s ) t 1 1 q 4 1 。 3 1 2 串行通信技术 监控计算机采用普通工控计算机计算机，与本地监测站和远程监测计算机的通信都 通过r s 2 3 2 串行通信口来实现。r s 2 3 2 在远程串行通信方面都有着很长的应用背景。 与4 8 5 总线连接时，因为是通过p c 机上的两个c o m 口进行连接，而c o m 口采用r s - - 2 3 2 通信标准，其接口的信号电平值较高，必须用接口芯片进行电平转换。于是采用 了通信服务器的做法，其电路连接图如下，针对4 8 5 总线与计算机r s 2 3 2 口的不同电 平进行转换。从而使得从现场采集的数据经由4 8 5 现场总线到达本地监控计算机，实现 了对变电所运行状况及各主要设备的实时监控和在线测量。 本地计算机除了完成现场数据的采集还必须与远程监测计算机进行远程通信。 r s 2 3 2 与m o d e m 的结合向来比较紧密，最初就是为远程通信开发的。应用时，可以 用v b 等编程工具提供的m s c o m m 控件轻松实现对串行口操作，避免了程序员对底层 硬件的直接访问的麻烦，而是将各种方法、事件封装在控件内部，减少了许多复杂的调 用，直观地利用可视化对串行口进行操作。通过对m s c o m m 控件的编程，从串口给 g s mm o d e m 发出指令，从而为基于g s m 的变电所远程监测功能的实现提供了便利的 开发手段。 3 1 3s o c k e t 通信 微软的w i n d o w ss o c k e t 规范( 简称w i n s o c k e t ) 对b e r k l e y 的套接字规范进行了扩展， 利用标准的s o c k e t 的方法，可以同任何平台上的s o c k e t 进行通信；利用其扩展，可以 更有效地实现在w i n d o w s 平台上计算机间的通信。在d e l p h i 中，其底层的s o c k e t 也是 w i n d o w s 的s o c k e t 。i n p r i s e 在d e l p i l i 中对w i n d o w ss o c k e t 进行了有效的封装，使得用 户可以很方便地编写网络通信程序，减轻了编写计算机间通信软件的难度。 在现在的网络应用中，通信双方最常见的交互模式便是c l i e n t s e r v e r 模式。客户服 务器模式通常采用监听连接的方式实现。服务器端应用程序在一个端口监听对服务的请 1 3 西安科技大学硕士学位论文 求，也就是说，服务进程一直处于休眠状态，直到有一个客户对这个服务提出了连接请 求，此时服务线程被“唤醒 ，并为客户提供服务，即对客户的请求做出适当的反应。 采用面向连接的协议如t c p 时，服务器处理的请求比较复杂，并不是简单的请求应答 所能够解决的，而且大多数t c p 服务器是并发服务器。 本系统服务器端基本设计思路为：首先开启服务后，服务器端进人侦听模式，如果 有客户端连接的信号，服务器就自己新建一个s o c k e t ，然后新建一个线程