（电力电子与电力传动专业论文）基于条码技术的水电厂设备巡检系统的研究与开发.pdf

垒! 婴! 一 a b s tr a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n t o ft h ea u t o m a t i o no fs u b s t a t i o n ，t h ei n s p e c t i o n o f s u b s t a t i o ni s b e c o m i n gm o r ei m p o r t a n t i n o r d e rt oa v o i dt h ei n a d v e r t e n c e o f h a s p e c t i o nt o u ra n d i n c r e a s et h ed a t au t i l i z a t i o nr a t i o 。an e wp o r t a b l ei n s p e c t i o nt o u r i n s t a l l a t i o nh a sb e e nb r o u g h ti n t os e r v i c ei nt h i sf i e l d t h ei n s p e c t i o nt o u rs y s t e m a d o p t st h eb a rc o d e t oi d e n t i f yt h ep o w e re q u i p m e n t ，c o l l e c t st h ep a r a m e t e r sw i t ha p o r t a b l ed a t a c o l l e c t o r sa n dt h e nm a n a g e st h e mb yd a t a b a s e t h es y s t e mc a l la n a ! y z e t h e o p e r a t i o nt e n d e n c y o fe q u i p m e n ta n dd i s p l a y st h ec u r v e sb e t w e e na n yt w o p a r a m e t e r s t h er e s u l t sc a n b eb r o w s e di nt h ew e bs i t e i ti sp r o v e db yp r a c t i c et h a t t h ei n s p e c t i o nt o u rs y s t e mc a ne n s u r et h ei n s p e c t i o nt o u rb eo nt i m ea n do ns p o t t h i sp a p e re m p h a s i z et h ea p p l i c a t i o no fb a r c o d et e c h n o l o g yi nt h ei n s p e c t i o n s y s t e m t h ep a l mw i t hs c a n n e ri sa d o p t e d a st h ei n s p e c t i o nf a c i l i t yw h i c hc a ne a s i l y r e c o r d e q u i p m e n tb u g a n dr u n p a r a m e t e r i t c a na l s or e c o r d i n s p e c t i o n t i m e a u t o m a t i c a l l y s oi n s p e c t i o nr a t i ow i l lb ei m p r o v e da v a i l a b l y t h es i g n i f i c a n c eo f t h e s y s t e mm e a n si m p r o v i n g o f i n s p e c t i o ne f f i c i e n c ya n de q u i p m e n t ss a f e t y k e y w o r d s ：i n s p e c t i o ns y s t e m ；b a rc o d e ；p o c k e t p c ；d a t a b a s e 第一章绪论 第一章绪论 1 。l 概述 1 1 1 电厂简介 乌溪江水电厂下辖湖南镇电站和黄坛口电站，厂部设在衢州。全厂共1 1 台 机，总装机3 5 9 5 m w ，共有4 个厂房，其中湖南镇电站5 # 机厂房距1 # 4 # 机厂 房有2 k m 左右，湖、黄二站相距2 5 k m 左右。湖站、黄站、衢州基地光缆已于1 9 9 9 年铺设完成并投入使用，千兆主干网络也于2 0 0 1 年改造完毕，全厂的网络构架 已经形成。电厂已建成监控系统、m i s 系统、事故处理专家系统。电厂于2 0 0 0 年1 1 月通过了国电公司“无人值班( 少人值守y 验收。 厂内监控系统实现全厂机电设备的遥控( 遥调) 、遥测、遥信。全厂机电设 备的模拟量、扫查量、中断量等数据和信号实时地存入厂内通讯服务器，同时与 厂内局域网相联。 厂内m i s 运行子系统通过厂内通讯服务器，自动提取的数据，生成运行日志 报表，进行电量报表统计，并可进行运行值班记录、运行定期工作记录、操作票 修改、生成以及简单的运行分析。该系统通过厂内局域网进行历史报表查询。 厂内事故处理专家系统利用厂内通讯服务器中的数据，在事故时进行事故处 理指导，并具有模拟事故演习、仿真培训、事故记录、运行分析等功能。通过厂 内局域网进行历史记录查询。 l ，1 2 系统开发必要性 随着水电厂自动化水平的提高以及无人值守的普及，设备运行的安全性受到 更加严格的考验，水电厂巡检也逐渐受到重视。在传统的设备巡检过程中，运行 值守人员每班根据预先设置的科学巡检路线进行设备巡检，在含有巡检项目的表 格中作相应的标记，巡检完成以后才将数据录入计算机系统以形成相关的文档。 这种巡检方式存在着很多缺点。集中体现在： ( 1 ) 不方便。由于包含巡检条目的表格是统一定制的，在设备进行更新的时 候需要重薪定制表格的内容，给巡裣工作带来了定的不便。 整二堂丝一 2 ) 事实上加大了巡检人员的劳动强度。由于设备在生产过程中的地位和重 要性不一样，导致各个设备的巡检频率应该不一致，但是如果每次巡检都要检查 所有的设备，那么事实上增加了巡检人员的劳动强度。 ( 3 ) 浪费人力物力。由于表格采集的数据需要录入计算机系统，必须增加专 职人员负责数据录入的相关工作，浪费了人力物力。 ( 4 ) 设备取值状况不直观。设备的参数取值，一般只能以报表的形式显示出 来，不能直观的反映设备的状况。 5 ) 5 巡检质量不能保证，管理难度较大。由于包含巡检条目的表格事先已经 定制，某些不负责的运行人员可能不到运行设备的现场，就可以把相关的参数填 人表格，使得巡检质量不能得到保证。另外，管理人员也不能良好的对运行人员 进行监督，这就不能对巡检过程以及巡检质量进行有效的管理。 由于传统的设备巡检存在着诸多的缺点，怎样找到一种新的巡检方式来克服 这些缺点，就成为一个很现实的需要。把条形码自动识别技术应用到设备巡检系 统中，就可以很好的克服上述一系列的缺点。于是微机巡检及故障诊断系统应运 而生。 该系统根据预先设置的科学巡检路线，采用条形码扫描器扫描所要巡检设备 上的条形码，并显示所对应设备已设置的巡检内容，可输入巡检情凝及设备运行 数据，以达到科学巡检、杜绝设备巡检死角、提高设备缺陷及时发现率的目的。 设备运行数琚可以弥补监控系统中采集量不足的弊端。巡检情况及设备运行数据 可上传至w e b 服务器中，并利用科学手段对设备运行状态进行分析、跟踪，从而 提高运行人员对设备故障的预发现能力及分析判断正确率以更好地满足运行 “无人值班( 少人值守l ”的需要。 1 。2 系统性能要求 微机巡检及故障诊断系统应符合乌溪江水电厂的实际情况，满足一厂二站四 厂房的要求。 ( 1 ) 系统应为开放型分布式系统，要求具有良好的兼容性和可扩充性。 f 2 j 所采用设备、技术先进、成熟，系统稳定性好，抗干扰能力强，防雷 防潮技术过关。 2 整二垩堕堡 ( 3 ) 要求系统使用灵活，操作界面友好，维护方便。 ( 4 ) 系统应能够满足运行巡检和故障分析的各项要求。故障分析功能强大。 ( 5 ) 能够为厂m i s 系统、事故处理专家系统提供数据接口。 ( 6 ) 系统经济实用，具有较高的性价比。 1 3 功能模块划分 1 3 1 数据采集模块 巡检人员通过数据采集器激光扫描设备条码，手工输入设备参数。 数据采集器内存不小于i o m ；采集周期和项目可任意设置；l c d 显示能满足 黑暗的工作环境中清楚阅读和输入数据，一次显示汉字不少于3 2 个。 1 3 2 通讯模块 设置三台下位机，下位机能方便地将数据采集器中的数据读入，分别存储在 厂m i s 中心数据库和巡检故障诊断系统的数据库中，同时能方便地将不同巡检周 期的扫描条目送入扫描器中；通过w e b 服务器获取厂内m i s 系统中数据；所有信 息通过w e b 服务器进行发布，厂内任一台联网的电脑可通过w e b 进行查询、打印 和报表输出。 1 3 3 巡检情况分析模块 建立运行设备图片库，设备缺陷图片库，能利用图片进行设备运行状态分析， 并具有打印、方便查询等功能。能对设备巡检情况进行分类统计，并具有打印、 方便查询等功能。 1 3 4 数据分析模块 能利用上传数据及m i s 系统、事故处理专家系统中数据进行各种数据分析： 各台机不同工况条件下( 如相同负荷) 某时间段各温度量的分析；同一工况下同 类机组各模拟量之间的比较分析；各水头下机组运行状态的分析；机组振动、摆 度、效率的分析为机组优化运行提供依据。分析数据可选、方便。分析结果可生 成各类图表，并支持图表浏览、打印，查询方便。 1 3 5 报表模块 根据上传数据，可生成选定时间段的指定设备或任何设备的报表，具有存储、 打印等功能，并方便查询。 笙二至堕堡一 1 3 6 运行管理模块 运行管理模块设置设备缺陷通知单、工作票、操作票、值班记录、定期工作。 要求维护方便、查询功能强，并提供打印、预览。 1 3 7 系统维护模块 系统维护模块给系统管理员提供一个修改数据库的接口。系统管理员可以 修改设备数据库、巡检人员数据库、历史数据库。提供历史数据备份、数据导入 导出及删除历史数据记录的功能。 1 4 系统设计原则 乌溪江水电厂微机巡检及故障诊断系统的设计，应该遵循以下原则： ( 1 ) 。性能上，能较好满足系统现有的要求，充分考虑系统今后一定时期内系 统发展的需求； 2 ) 扩展性上，能通过简便的方法进行系统升级； ( 3 ) 在结构上，针对系统的数据通信方式和系统模型，合理配置系统接口的 性能和层次结构，不产生数据传输上的瓶颈，便于维护； ( 4 ) 在开放性上，系统采用的软硬件设备都应采用基于国际标准的开放协 议，便于系统扩容和增加软件功能模块，同时也有助于系统保持不只一家的设备 供应商和技术支持； ( 5 ) 在先进性上，系统采用的设备和技术都应符合当今技术发展的趋势，使 系统具有进一步发展的潜力，但是又必须保证设备和技术的稳定性和实用性，同 时具备高性能价格比； ( 6 ) 6 在安全性上，系统的设计应采取完善可靠的安全措施，保证应用系统数 据的安全，防止非授权的访问； ( 7 ) 此外，系统还应考虑容错性能和数据备份的功能，从而进一步加强系统 的可靠性，最大程度上保证应用系统的正常运行。 本课题根据以上原则，形成一种将数据采集、信息管理和通信于一体的集成 应用模型。 系统的各个功能模块相互联系，与实际需要相符合，实现了微机巡检与故障 诊断系统功能的全面性，达到系统的目的。 4 塑二童堕堕 1 5 系统特色及优势 1 5 1 设备巡检系统的发展 1 5 1 1 人工巡检阶段 设备巡视检查是掌握设备运行情况，及时发现设备缺陷，消除事故隐患，保 证安全可靠运行的重要措施，所以对设备的巡检是一个不可忽视的环节。在过去， 变电站、水电厂对各种设备缺陷的检查或对线路的常规巡检是采用巡检人员定时 ( 如每小时一次) 根据巡视检查卡所列项目，对照实际设备逐一进行检查。每检查 一项应立即在巡视检查卡上的相应栏内用笔记录巡检结果( 如正常打“、”， 异 常打“”) 然后向有关上级汇报。这样就存在以下问题： 巡检人员巡检设备时不按规定的巡视路线进行，有的漏检设备，有的漏检 项目，巡视不到位现象时有发生； 巡检人员不按规定时间去巡检设备，存在补记巡视记录的现象。因而不能 达到规定的巡视次数，造成收集到的数据分析使用价值不高； 目前一些巡视检查卡记录不全面，如有些设备只是按电压等级填写，没 有明确具体的巡视设备，造成巡检信息的混乱； 纸质的巡视检查卡很容易破损或被污渍弄脏，数据填错也不易修改； 对历史记录的分析统计，需要查找大量的纸质卡片，工作量大且效率低。 基于以上一些问题，管理人员在巡检过程中曾采取了一些诸如“连环锁”，“到 位牌”等措施，虽然起到了一定的作用，但记录的完整性还是无法保证。特别 是一些严重缺陷未能及时上报和处理，延误处理从而发生严重事故，造成不必要 的损失。在事故发生后缺乏故障分类、统计分析，易造成责任不清。这样很难满 足对安全生产日益增高的要求；对人员是否到位检查，很难把关，巡检质量不高。 随着计算机的出现，这一局面逐渐改变，设备巡检管理系统也应运而生了。 1 5 1 2 半自动化的设备巡检管理系统 在这个阶段最为典型的就是信息钮设备巡检管理系统，该系统由管理主机、 安装于工作现场的钮扣式信息钮、巡检人员所持的手持式巡检仪、用于计算机下 载数据的通信插座以及配套软件组成。 这种信息钮是一个被密封在防蚀不锈钢底座中的电子记忆芯片，每个信息钮 都有不重复( 唯一) 的编号，这个编号可以作为设备的识别号码。它的巡检流程为： 5 箜二童堕迨 _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - 巡检人员来到现场，用巡检仪接触一下信息钮( 与巡检设备对应) ，在声光的提示 下，表明识读成功，即将该信息钮编号读入巡检仪中，并与巡检仪内置时钟记录 的时间一起构成有效的巡检数据记录在巡检仪中。之后将巡检结果( 设备的运行 情况) 添入与人工巡检阶段一样的巡检记录卡中，巡检人员定期将巡检仪和巡检 记录卡交给管理人员，管理人员将巡检仪插入与计算机串口相连的专用通讯插座 中，通过计算机内的软件将巡检仪内的巡检数据读入计算机中，然后手工将巡检 记录卡内容录入到计算机中。这样所有的数据被一目了然的显示、存储在计算机 中，根据考核标准进行分析、处理、统计、制作报表、打印输出，给管理者提供 考核依据。 该系统将信息采集技术与计算机技术结合，提高了巡检工作的规范化及科学 化水平，确保了巡检人员的到位巡视。因此，这项技术得到了推广，不仅使用在 电力行业而且还用于邮电系统、医疗系统、交通运输系统、安全检查系统、生产 线巡检系统及设备维护、保养、质量追踪等系统中。但是，它还是存在很多问题。 首先，这种系统的手持式巡检仪只能存储少量的信息，而且没有可视化的界面。 所以我们只实现了部分信息的自动录入，如日期时间，工号等。其他一些重要信 息还需采用原始的方法录入，比如设备的缺陷内容我们还需要人工记录在巡视检 查卡上。因此它并没有解决人工巡检阶段的第3 、4 条问题，而且巡检结果还必 须手工录入到计算机中，给巡检人员的操作造成了不方便。其次，一些曾使用过 这种系统的用户反映，因为巡检仪和信息钮每次巡检均需要接触才能采集到数 据，所以大大降低了仪器的使用寿命，给用户的使用带来了不便，经济上造成了 损失。 1 5 1 3 智能化的设备巡检管理系统 随着科技的进步出现了新的数据采集器，这种采集器由于加入了许多新的功 能，所以它很快被引入到了设备巡检管理系统中。 这种数据采集器可以存储更多的数据，拥有人机交互的屏幕，这样巡检人员 就可以在巡检仪上获得更多的信息，方便了巡检人员的使用，并且还解决了接触 式仪器所带来的使用寿命的问题，它可以自动识别条码，不需要接触就可以读取 数据，延长了仪器的使用寿命。该系统由管理主机、安装于工作现场的条码、巡 检人员所持的手持巡检仪( 数据采集器) 、用于计算机下载数据的通信插座以及配 6 套软件组成( 如图1 1 所示) 。 么= = 墨_ 管妒 目打印机 臼 图1 1 智能化设备巡检管理系统 这个阶段管理系统流程与半自动化阶段的流程基本相似，只是采集数据和上 传数据时完全自动化，在巡检现场巡检人员不再需要手工填写巡检记录卡，只需 要在数据采集器上进行选择或进行一些简单的数字录入操作即可；在管理主机方 面也不需要手工录入巡检结果了，基本上实现了智能化。 虽然智能化阶段比半自动化阶段有了进步，但是还有一些问题有待解决，例 如：人机交互还不是那么完善，如果巡检人员在巡检中新发现一种故障，这种数 据采集器不支持汉字的录入，那么必须要到管理主机上才能录入。而且数据采集 器的功能单一，界面单调，屏幕太小因而放不下较长的信息所以一些软件设计者 只好采用一个代码去标识一串文字信息，这样巡检人员就必须记忆这些代码的含 义，给巡检入员的使用带来了不便。 1 5 2 本系统特色及优势 p o c k e t p c 的出现给设备巡检管理系统又带来了新的曙光。它可以提供增 强的功能与性能，更加与台式机的功能和性能接近，而且还可以利用众多与 w i n d o w s 兼容的应用软件。所有的p o c k e tp c 设备都有一个带用户i 0 触模式 7 第一章绪论 显示屏，显示屏尺寸大小为2 4 0 x3 2 0 象素，内置喇叭、麦克风、输入笔、几个 应用按钮、一个红外线端口和用于与台式机同步互连的u s b 接口，还有3 2 m ，6 4 m 或1 2 8 m 的内存。除与此类似的必要功能外，每个厂家都提供它自己惯用的功能 件或与其他产品有区别的特殊计算部件。例如，某些产品有内装或添加的扩展槽， 以扩充内存或加接外围设备。 基于以上对p o c k e tp c 的描述，我们对它的强大的功能已经有了一个大概的 了解。将它引入设备巡检管理系统会有以下的特点： 界面将更加友好。因为p o c k e tp c 的操作系统与台式机的w n d o w s 界面十 分相似，因此用户操作起来就不会感到陌生。而且它的屏幕相当于数据采集器的 3 倍以上，可以显示更多的信息，并且支持汉字录入，人机交互将变得更加方便 容易。 在数据采集方面它可以采用多种方式，因为具有多种扩展槽，只需要选用 相应数据采集设备( 例如可以选择红外扫描配件，就可以采用红外线扫描的方式 获得数据，选择g p s 配件就可以利用全球定位系统来获得数据) 。 么= 譬墨_ 韶沙 图1 2 使用p o c k e tp c 的设备管理系统 图1 2 是一种可广泛用于变电站、水电厂等的基于p o c k e tp c 的设备巡检 第一章绪论 管理系统设计方案，该系统分为数据采集、数据传送、管理中心三个部分。巡检 人员持有配备适当数据采集设备配件的p o c k e tp c 机，经过规定路线对设备进行 巡视和相关数据采集。巡检完毕后，可通过远程无线通信，或者红外通信，或者 u s b 同步互连接口传送数据给管理中心，管理中心对巡检工作就可以进行规范化 管理和科学化的监督。可以相信，在未来的设备巡检管理系统中，p o c k e tp c 肯 定会代替数据采集器而普遍使用的。 第二章系统的分析与实现 2 1 软件开发的基本原则 2 1 1 基本原则 在软件开发的过程中，需要按照软件开发的基本原则对系统进行可行性分 析，确定所需要的技术和方法以及开发所需要的工具。原则确定有关软件工程的 一些基本事实、规则及一些假定。技术帮助软件开发人员进行软件工程过程的步 骤，包括强制执行的一些原则。通过生成文档( 或程序) ，分析已有文档或把一 种文档转换成软件产品来反映自己的特点。方法学则把某些方法或技术组合起 来，支持软件开发的全过程。工具则是用来执行软件工程活动的软件单元或系统， 即支持方法和方法学的软件系统。原则、技术、方法学和工具形成以下层层递进 的关系，其结构如图2 1 所示。 图2 1 原则、技术、方法学和工具的关系 由上图我们可以看到：每一个外层是在内层的基础上进行，而且更容易随时 间变化，原则是最基本，最稳定的东西，只要掌握了软件开发的基本原则，就可 以按照基本原则去发展适合自己的技术方法。确定软件开发的原则，使系统利用 这些原则来处理系统的复杂性，解决系统的可靠性和演变性。 2 1 2 系统分析遵循的原则 在对系统进行需求分析模块化时，主要遵循以下七个原则： 严格性和形式化原则； 分隔原则； 1 0 第二章系统的分析与实现 模块部件化原则； 抽象原则； 预期变动原则； 通用性原则，软件复用性原则； 递增模式原则。 以上七个模块在系统设计中针对模块功能的不同，相应的应用也不相同。 2 1 2 1 严格性和形式化原则 系统的设计必须依靠严格性来补充创造性以期达到开发出正确、成功的产 品，并控制软件开发的成本。通过严格的分析和估计，增进对创造性成果的信心， 从而促进创造性的工作。严格性及形式化影响着系统的可靠性、可维护性、复用 性、可移植性、可理解性等等。一份严格、详尽的文档可以排除二义性、不一致 性及不完整性。因而对提高开发效率，提高产生代码的质量是十分重要的。因此 将严格性和形式化应用到系统开发过程中时，就可以利用描述软件开发过程的严 格的文档来复用软件过程，或预测项目的进展，安排适当资源。 2 1 2 2 分隔原则 分隔原则需要在处理复杂问题时，从问题的不同方面分别单独考虑，从而集 中精力分别去解决每一方面的问题。在许多情况下，许多决定实际上是紧密地联 系在一起，相互依靠的。解决这一问题的途径就是通过分割。从时间和功能上采 用了以下的分割原则： 1 按时间来分割。将软件生命期分为：可行性分析、需求分析、设计、编码、 测试、集成和运行。在系统的设计中，该原则始终应用于其中。 2 按照质量指标来分割。将软件的效率和功能分开来处理，也即分割性能和 功能。先注重于软件功能的正确与否，即先保证软件功能的正确性，然后考虑提 高其效率。 3 按照不同的视图来分割。在进行需求分析时，将系统的不同应用之间的数 据流和控制流( 用于使不同的应用达到同步) 分开来处理。这两种视图都可以帮 助我们更好地了解系统。此外，分别建立数据信息模型和功能模型进行验证。 4 按照规模来分割。采用模块化方法或部件方法处理系统的一个局部。 5 系统的实现与开发方法的分离，主要的形式有： 笙三童墨竺塑坌堑兰塞望 、系统与工具方法的分离； 、系统的实现与开发过程及技术的分离； 、分析与设计的分离； 、用户界面设计与实现的分离。 当然对系统进行分割时，要处理好局部最优和全局最优之间的关系。在分割 后，可能失去一些在整体考虑时可能达到的全局最优，而只达到了局部最优。但 是采用了分割原则主要是为了解决软件的复杂性，在系统的开发中，这样的局部 最优( 较好的结果) 往往要比追求难以达到的全局最优( 最好的结果) 要可取得 多。 2 1 2 3 模块化原则 模块化在工程问题中有非常重要的应用，大多数的工程问题都是可模块化。 模块可以在不同的模型或系统中得到复用，而只需做很少的一点改动。将一个 大的复杂的问题分解为易于处理的小问题后，解决起来就要容易得多，因此，鉴 于大型软件固有的复杂性，尤其强调模块化在软件设计开发中的应用，可以达 到以下三个目的： 1 复杂系统的分解。对系统的分解基于是自顶向下的思路，将原始问题分解 为子问题，然后再将子问题再分解为子问题。 2 i 已有模块的组合。模块的组合是基于自底向上的思路。利用可以复用的模 块，即可以加速原始系统的形成，也可以方便地进行微调，可以用一个功能相同 而资源要求不同的模块来替代某一模块，以达到更好的性能要求。 3 能分别理解系统。对系统的各个部分分别理解，可以有助于系统的修改。 正确地模块化可以帮助软件人员寻找“修理”所对应的模块去进行修改，将大大 降低工作强度。 模块化的思想是来自结构化开发方法的概念，在面向对象技术的背景下，模 块的概念已进一步发展成协同工作的部件关系。从模块间自顶向下或自底向上的 集成方法转为部件并发和交互，从而使部件的接口方式、接l i 标准成为最基本的 要素。 2 1 2 4 抽象原则 抽象可看成是分割原则的一个特殊应用，即应用于分割较重要的方面和次要 笙三耋至堕竺坌堑童塞望 的细节。对同一对象，从不同的角度出发，针对不同的目的，可以抽象得到不同 的结果，从而提供不同角度的视图。进行建立和分析模型的工作时，可集中解决 更重要的问题，而不是多余的细节。在系统的分析过程中采用的抽象原则具体有： 1 过程抽象。从系统的定义到最终的实现，每一步都可以看作是对软件解决 方法的抽象过程的一次细化。在计划阶段，将软件当作是对软件解决方法的抽象 过程的一次细化。 2 数据抽象。与过程抽象一样，可以在不同的层次上描述数据对象的细节， 而更为重要的是，在得到一组数据的抽象描述后，可以通过定义该数据对象的相 关操作来规定数据对象。 3 控制抽象。同过程抽象和数据抽象一样，控制抽象可以包含一个程序控制 机制而元需规定其内部的细节。 2 1 2 5 预期变动原则 系统的变动主要是来自两个方面：一方面是系统需要不断的进行“修补”工 作，以消除错误，而这些错误往往只能在使用中才能被发现。另一个方面来自用 户提出的或是系统的使用环境所提出的新的要求。这些都是系统的维护，作为系 统的一项主要的质量指标。 预期变动原则，即在系统开发早期就应对系统未来变化的发生情况、范围和 时间进行有效的预测，使未来的变动可以尽可能容易解决。这是系统开发和其它 的工业生产完全不同的一个特点。系统设计是在用户对系统的具体功能要求并不 十分清晰时就开始进行的。在回应用户的要求并开始系统设计之前，用户往往并 没有将自己的需求阐述清楚，所以，在系统一经交付后，用户会提出新的要求或 者改变原来的要求，系统就必须解决这些新的问题。此外，当系统的环境改变了 以后，新的要求也会被提出，所以我们必须考虑预期变动原则来达到系统的可演 化性，同时对未来变化的预期可以有效的提高系统的可复用性。 为了使系统设计具有足够的弹性去适应相应的变化，首先在系统设计的初 始阶段就开始严格的遵循预期变动原则，而不是只集中到当前的需求上，同时 也注意期望中的和可能的系统演化情况，主要的变动和演变有以下几类： 1 算法的变动。其目的是提高系统的效率，或是处理更为普遍的情况。 2 数据描述或数据结构的变化。改变数据结构对系统的效率有极大的影响。 苎三童墨堡堕坌堕量塞堡 3 抽象或虚拟机的变动等体系结构的变动。通常我们设计系统是按照虚拟机 方式工作的，目前大多数情况下，面对的是对应于高级语言的虚拟机，从而虚拟 机隐藏了实际的物理机器的细节。但是常常需要改变原来的系统以运行新的操作 系统，并利用新的操作系统提供的新的更强的功能。 4 _ 夕h 部设备的变动。系统要求与许多不同的或专用的外部设备交互，而这些 外设常常可能改变。在这样的情况下，必须在设计时有充分的考虑，并进行有效 的准备工作。 5 社会环境的变动。社会环境的变动类似于虚拟机和外部设备的变动，但它 不是因需求的变动而引起的，而是应用工作的环境变动所引发的。 6 敬件开发的递增模式原则也是一个需要特别重视的产生变动的源泉。在递 增模式下，将系统中的某些重要的部分分割开，提交用户使用，从而得到及时的 反馈，经过进一步改进并加进系统中。 2 1 2 6 通用，复用性原则 在解决某一问题时，尽可能地集中注意力去揭示那些隐藏在表面之下具有一 定普遍性和通用性的问题，而不是就事论事地处理问题。普遍性问题的解决方法 将可能具有潜在的可复用的价值，在得到这类问题的解决方案后，还可以在本项 目中不同的地方调用该方法，而不必单独完成多个特殊的解决方法。在系统没计 中，通用的软件包都为那些比较普遍的问题提供了标准的解决方法。 2 1 2 7 增模式原则 在开发的初期，软件人员通常采用瀑布模型作为一种开发模型，它明确规 定每一阶段的任务，不同阶段通常由不同的人员承担，这适合于需求明确、开 发技术成熟、工程管理比较严格的情况。但大多数情况下，在开始软件开发前， 常常难以确定用户的具体需求。递增模式原则不要求在开发前就有一个完整的 需求定义，而是从用户需求的一个子集出发，建立一个不完备的系统，然后通 过不断的测试运行，不断得到经验和用户的反馈，从而进一步改进系统，也即 是意味着目标是通过一个不断发展的过程来达到的。 递增模式原则赋予过程按照一定增量步进地发展的特性，依靠一个越来越 接近的序列来达到目标，可以应用到许多工程领域。在系统开发中，递增原则 的一个重要应用即是，在项目开发时，先组成目标的一个有效的早期子集，并 1 4 笙三童墨堕塑坌堑量塞望 完成其开发工作，提交用户使用，从而得到及时的反馈信息。在原始需求不稳 定或不清晰时，项目的进展就仍可以按照可控的模式进行。 递增模式原则的解决了如下问题：大多数实际项目常常无法在开发前得到完 整、清晰的用户需求，而通过及时获取用户的反馈，在实践中不断地补充，来解 决这一缺陷。其结果是，越早得到用户反馈，就可以越早将有用的信息加入项目 目标，进一步改进工作，从这一意义上说，递增模式原则和预期变动原则是结合 在一起的作为可演进性的基础之一。 2 2 系统的开发方法 信息系统的开发是一个复杂的工程，它涉及到计算机处理技术、系统理论、 组织结构、管理功能、管理知识等各方面的问题，至今没有一种统一完备的开发 方法。但是，每一种开发方法都要遵循相应的开发策略。任何一种开发策略都要 明确以下问题： ( 1 ) 系统要解决的问题，如采取何种方式解决组织管理和信息处理方面的问 题，对企业提出的新的管理需求该如何满足等。 ( 2 ) 系统可行性研究，确定系统所要实现的目标。通过对企业状况的初步调 研得出现状分析的结果，然后提出可行性方案并进行论证。系统可行性的研究包 括目标和方案卸可行性、技术的可行性、经济方面的可行性和社会影响方面的考 虑。 ( 3 ) 系统开发的原则。在系统开发过程中，要遵循领导参与、优化创新、实 用高效、处理规范化的原则。 ( 4 ) 系统开发前的准备工作，作好开发人员的组织准备和企业基础准备工作。 ( 5 ) 系统开发方法的选择和开发计划的制定。针对己经确定的开发策略选定 相应的开发方法，是结构化系统分析和设计方法，还是选择原型法或面向对象的 方法。开发计划的制定是要明确系统开发的工作计划、投资计划、工程进度计划 和资源利用计划。 目前最常用开发方法有结构化生命周期法( s t r u c t u r a ls y s t e ma n a l y s i s a n d d e s i g n ，s s a & d ) 、原型法、面向对象的分析与设计方法等。结构化生命周期 法要求系统开发人员和用户在系统开发的初期就要对整个系统的功能有全面深 箜三童墨篓堑坌塑兰壅婴一 刻的认识，系统开发的每一个阶段都要制定计划和说明书，以后的工作使围绕着 这些文档来进行。这种开发方法工作安排条理清楚，便于计划管理和控制。对于 水电厂来说，系统的开发和文档的编写都有严格的要求，电厂对于信息系统的建 设也很重视。因此，采用结构化生命周期法的思路作为系统开发的基本出发点是 适宜的。 原型法则更多地遵循了人们认识事物的规律，是在认识信息系统开发规律 道路上的否定之否定。原型法在开发小型系统时是一种快速、有效的开发方法。 但对于大型的复杂系统，直接使用原型法很难有效管理整个开发过程，系统模型 的反复修改也是不合适的。 2 2 1 结构化生命周期法 目前较为流行的系统开发方法是结构化生命周期开发方法，其基本思想是： 用系统的思想和系统工程的方法，按用户至上的原则，结构化、模块化地自上而 下对生命周期进行分析与设计。 用结构化生命周期开发方法开发一个系统，将整个开发过程划分为五个依次 连接的阶段： ( 1 ) 系统规划阶段，主要任务是明确系统开发的请求，并进行初步的调查， 通过可行性研究确定下一阶段的实施。系统规划方法有战略目标集转化法( s s t ， s t r a t e g ys e tt r a n s f o r m a t i o n ) 、关键成功因素法( c s f ，c r i t i c a ls u c c e s s f a c t o r s ) 和企业规划法( b s p ，b u s i n e s ss y s t e mp l a n n i n go ( 2 ) 系统分析阶段，主要任务是对组织结构与功能进行分析，理清企业业务 流程和数据流程的处理，并且将企业业务流程与数据流程抽象化，通过对功能数 据的分析，提出新系统的逻辑方案。 ( 3 ) 系统设计阶段，主要任务是确定系统的总体设计方案，划分子系统功能， 确定共享数据的组织，然后进行详细设计，如处理模块的设计、数据库系统的设 计、输入输出界面的设计和编码的设计等。该阶段的成果为下一阶段的实施提供 了编程指导书。 ( 4 ) 系统实施阶段，主要任务是讨论确定设计方案、对系统模块进行调试、 进行系统运行所需数据的准备、对相关人员进行培训等。 ( 5 ) 系统运行阶段，主要任务是进行系统的日常运行管理，评价系统的运行 1 6 第二章系统的分析与实现 效率，对运行费用和效果进行监理审计，如出现问题则对系统进行修改、调整。 这五个阶段共同构成了系统开发的生命周期。 结构化生命周期的特点： ( 1 ) 在开发整个阶段，树立系统的总体观点。首先从总体出发，考虑全局的 问题，在保证总体方案正确的情况，接口问题解决的条件下，按照自上而下，一 层一层地研制。 ( 2 ) 开发全过程是一个连续有序、循环往复不断提高的过程。每一循环就是 一个生命周期。要严格划分工作阶段，保证阶段任务完成，只有前一阶段完成之 后，才能开始下一阶段工作。 3 ) 用结构化的方法构筑系统逻辑模型和物理模型。 ( 4 ) 充分预料可能发生的变化。 ( 5 ) 树立面向用户的观念。 ( 6 ) 采用直观的工具刻画系统。 ( 7 ) 每一阶段工作成果要成文。 图2 2 结构化生命周期法( 瀑布模型) 箜三至墨篓塑坌堑羔塑 上述观念可以用图来表示，其图结构就像瀑布，故也称之为“瀑布法”。 如图2 2 所示。 这样每个阶段都有明确的标准化图表和文字说明组成的文档，便于全过程各 阶段的管理和控制。 这一开发方法理论上是严密的，但是由于假定： ( 1 ) 开发开始前，系统分析员做到系统的全部要求和需要全部分析清楚并为 用户和开发人员所理解； ( 2 ) 全开发过程中，系统要求是不变、固定的； ( 3 ) 用户完全理解所有技术文件，因而也完全清楚，自己的要求被贯彻程度。 这三个假定，在实践中或多或少会产生偏离，因而在实践中，不能达到理想结果。 结构化生命周期开发方法严格区分了开发阶段，非常重视文档工作，对于开 发过程中出现的问题可以得到及时的纠正，避免了出现混乱状态。但是，该方法 不可避免地出现开发周期过长、系统预算超支的情况，而且在开发过程中用户的 需求一旦发生变化，系统将很难做出调整。 2 2 2 原型法 原型是指模拟要开发的系统的原始模型。是所开发信息系统的一个可执行 模型或引导性版本，它可为客户和软件开发各阶段的系统人员提供系统的原始 蓝本，以帮助得到目标系统明确而严格的需求，促进客户和各阶段系统人员之 间的相互有效的信息交流，并以此为基础进行需求分析和系统设计。在软件开 发过程中，原型是软件早期一个可运行的版本，它反映最终系统的部分重要特 性。 原型法是一种为了克服传统的生命周期法的一些弊端而发展起来的软件开 发方法学，它具有快速、灵活、交互式等特点。这种方法学的核心是用交互、快 速建立起来的原型取代了形式的僵硬的大部头的规格说明，用户通过计算机上实 际运行和使用原型系统而向开发者提供真实的反馈意见，然后开发者根据用户的 意见对原型加以改进，通过“试用一反馈一修改”，从而提高最终产品的质量。 显然，形成基于原型方法的软件生命周期要比通常采用的典型的瀑布模型 要困难。在瀑布模型中，我们是先完成完整的需求分析后再开始开发工作的， 而原型方法是一种基于弹性工作和反复开发的模型，它的困难来自两个方面： 笙三至至竺塑坌堑兰壅翌 一 一方面在于项目所采取的技术的影响，另一个方面在于项目组织和管理的影响。 从本质上看，原型是未来目标系统的一个模型。原型不是系统开发的最终产 品，而是在某个开发阶段中为达到一定的目的所生成的系统简化模拟版本，它可 能只是目标系统的一个式样，或只包含目标系统的某些功能，或仅仅是具有目标 系统的一个结构。 原型的表现形式： ( 1 ) 抛弃式原型 主要是用来建立验证软件需求和设计方案的原型。建立的原型是为了满足 一时的目的，验证后即弃之不用，在建立原型时只需要将注意力集中于要验证 的主要方面，而忽视其它一些次要方面。抛弃式原型的建立步骤为： 确定需求。根据所要完成的任务，确定要建立何种原型，用原型来解决何 种问题，以此来决定在构造原型时忽略哪些细节以及重点要验证及解决的问题。 快速设计。在基本的需求分析的基础上，做必要的设计工作。 构造原型。用某种语言或原型开发工具实现原型，得到可执行的原型。 评价原型。通过运行原型，对所要解决的问题进行验证，并可以提出新的 要求，通过调整当前原型实现。 实现系统。将运行原型和评价原型所得结果，运用到系统开发中，从而实 现系统，得到所要开发的软件产品。 图2 3 抛弃式原型的开发结构 1 9 苎三童薹堕塑坌堑兰壅望 一 其开发的基本步骤如上图2 3 示。 ( 2 ) 演化式原型 该模型主要针对事先不能完整定义需求的软件开发。用户可以给出待开发系 统的核心需求，并且当看到核心需求实现后，能够有效地提出反馈，以支持系统 的最终设计和实现。软件开发人员根据用户的需求，首先开发核心系统。当该核 心系统投入运行后，用户试用之，完成他们的工作，并提出精化系统、增强系统 能力的需求，软件开发人员根据用户的反馈，实施开发的迭代过程。每一迭代过 程均由需求、设计、编码、测试、集成等阶段组成，为整个系统增加一个可定义 的、可管理的子集。其结构如图2 4 所示。 图2 4 演化式原型的开发结构 在开发模式上采取分批循环开发的办法，每循环开发一部分的功能，它们 成为这个系统原型的新增功能，于是设计就不断地演化出新的系统。实际上， 这个模型可看作是重复执行的多个瀑布模型。 演化模型要求把系统的产品需求分解为不同组，以便分批循环开发，这种 分组是要根据功能的重要性及对总体设计的基础结构的影响做出的。 ( 3 ) 递增式原型 又称软件开发的螺旋模型，在其指导下的开发呈现为一个螺旋式上升的过 程。其建立目的主要是为了演化出目标系统，因而该类原型的建立过程，是一 个循序渐进的过程。原型刚开始很简单，只体现人们最初的想法。以后不断以 较小的而又容易实现的增量扩展，在已有的原型上加入新的功能。因而，该方 法实际上是多次反复原型，并附加相应于不同层次上多次的风险分析。增量渐 笙三童墨笙堕坌堑皇塞里一 进式原型的建立过程有以下几个步骤： 通过调查分析，确定客户对目标系统的基本需求； 在对客户基本需求进行分析的基础上，通过简单的设计，用某种方式快速 构造一个系统原型； 将原型交给客户运行，通过运行原型并和客户充分交流，得到对原型进一 步的改进意见； 在已有原型的基础上，根据对原型的改进意见，作稍为详细的系统分析和 设计，并构造下一代原型系统； 重复以上“运行原型系统一与客户交流迸一步的分析设计一再构造原 型”的过程，直到目标系统开发结束。 增量渐进式的原型建立过程如图2 5 所示： 分彦 需求 翕 心 ， ， 、 _ ， 设计构造原型评审 图2 5 递增式原型的开发结构 基于以上的分析和比较，并结合乌溪江水电厂巡检系统开发的实际情况， 确定系统的开发将采用以结构化生命周期法为主，并在系统分析、设计和程序编 制阶段采用原型法的一种实用化系统开发方法。该开发方法流程如图2 6 所示。 该开发方法的主要阶段及工作如下： 1 ) 系统调研 在这一阶段了解乌溪江水电厂项目的基本需求和系统目标，写出项目开发 2 l 箜三童至堕塑坌! 堕塞望一 图2 6 系统开发方法流程图 计划书。项目开发计划中应写清楚企业的基本概况，技术改造项目管理基本业务 流程，系统开发中所需进行的各项主要工作和进度、所需的硬件和软件资源、所 需的经费预算以及各项工作的负责人等际题，以便根据该计划开展和检查项目的 开发工作。 2 ) 需求分析 根据项目开发计划进行系统需求分析，编制需求规格说明书。通过与用户进 行深入的交互，反复修改确定系统功能需求。需求规格说明书是软件开发工作的 整三童墨竺箜坌堑兰塞墨 基础，它用系统开发人员和用户都能理解的语言，清晰明确地描述所开发软件的 功能、性能和软、硬件运行环境要求。 3 ) 系统设计 根据系统需求分析的结果进行各系统的功能设计、输入输出、接口设计、 数据库设计、用户界面设计和系统出错设计等，设计出模块的内部细节( 包括算 法) ，为编写源代码提供依据。 4j 系统实现 根据系统设计说明书，进行系统的全面实施，包括编码、测试及系统的集成。 由于有前面阶段的工作作为保证，这种对软件原型的修改量不会太大，经过几次 修改，就能得到用户满意的软件系统。采用这种方法的另一好处是用户能尽早接 触该软件系统，对系统的操作使用有较长的学习时间，系统开发工作完成后，用 户对系统已经比较熟悉了，只需对用户进行适度培训，后面系统运行维护工作就 可由用户完成。 事实证明，这种实用化的开发方法是有效的，采用这种方法既保证了系统开 发过程的规范化，又能充分调动用户的积极性，让用户尽可能地参与和配合系统 开发工作，保证系统的开发效率和成功率。 2 3 巡检系统模型