（机械电子工程专业论文）基于状态监测数据的地下矿运卡车工作管理信息系统研发.pdf

摘要 摘要 对矿山机械进行在线监测与故障诊断，可以提高企业的维修水平和生产效率， 但如何高效存储和管理海量的状态监测数据仍有待找到更好的方法。同时，监测 数据里包含着大量的生产和管理信息，如果能方便地提取出来并在部门间有效地 利用和共享，将有助于提高企业的生产效率和管理质量。为结合以上两方面优势， 本文将管理信息系统和历史数据库结合使用，开发了以状态监测数据为主要管理 对象的矿运卡车工作管理信息系统，配合甘肃某公司对其地下矿车进行的状态监 测与故障诊断的技术改造。 本文遵循软件工程的思想和关系数据库的设计规范，首先详细讨论了地下矿 车工作管理信息系统的需求分析、模块设计、数据库设计及相关技术，使用e r 图、s q l s e v e r2 0 0 0 和d e l p h i7 等工具，开发出了完整的矿车工作管理系统数据库 及工作管理系统的部分功能模块。 矿车管理信息系统的特色是通过对工作、故障、维修、仓库等多方位的数据 进行综合统计和深入分析，运用存储过程实现数据统计、用触发器来保证数据的 一致性，并借助视图技术灵活而安全地显示数据，得出全面反映问题的信息，为 生产管理提供有力的决策支持。“备件管理”功能可统计出常换备件的种类与数量， 帮助采购人员科学地确定常备件的范围和采购量；“矿车档案”功能是通过对车辆 监测与维修信息的综合统计，全面准确地反映运行状况，为制定维修计划提供有 效帮助。 在工作历史数据库部分，系统地介绍了上下位机间工作监测数据的转存方法 及形成历史数据库的过程，为工作监测数据的存储和压缩提供了可行的解决方案。 针对旋转门( s d t ) 及其改进算法的不足，进行改进和综合，使用黄金分割法在允 许范围内自动调整误差，并针对需要滤除异常点和不滤除异常点分别设计压缩程 序，提出了综合改进旋转门( i i s t d ) 算法。用模拟现场信号进行了仿真实验，结 果表明i i s d t 算法在设定范围内能自适应地调整误差；降低解压数据的重建误差， 减少压缩损失；在滤除异常点时能提高压缩率。s d t 算法在压缩率和压缩误差方 面都有所提高。 本系统的一期设计方案在公司组织的专家评审中得到了较高的评价。 摘要 矿车工作管理信息系统在企业运行后将能充分利用各种信息资源，为采矿的 生产和管理服务，提高企业整体管理水平和效率。 关键词：管理信息系统，状态监测数据，数据库设计，数据压缩，转门趋势法 a b s t r a c t a b s t r a c t c o n d i t i o n a lo v e r h a u li sb a s e do nt h et e c h n i q u eo fc o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n df a u l t d i a g n o s i s m a n a g e m e n ti n f o n n a t i o ns y s t e mi sap o w e u l t o o l 幻m a n a g eh u g e 锄o u n t s o fm o n i t o r i n g d a t ae 玎e c t i v e l yw h i c hi sp r o d u c e di nt h ep r o c e s s0 fe q u i p m e n ts t a t u s m o n i t o r i n g i nt h i sd i s s e n a t i o n ，am a n a g e m e n ti n f o 姗a t i o ns y s t e m ，w h i c hi sd e s i 印e dt o m a n a g eh u g ea m o u n t so fm o n i t o r i n g - d a t a a sw e l la st h ee n t e r p r i s e p r o d u c t i o n i n f o 咖a t i o n ，h a sb e e nd e v e l o p e d t - l l er e s e a r c ho nt l l j ss y s t e mi sap a r to ft h ep r o j e c to n c o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n df a u l td i a 印0 s i sf o rat y p e0 fd u m pt r u c k i i lt h i sd i s s e n a t i o n ，s o f a r ee n 百n e e r i n ga n dm o d u l a r i z ed e s i g nm e t h o da r e a d o p t e d d e l p h i7a n ds ( 扫乙s e v e r2 0 0 0a f eu s e d n i ed e m a n da n a l y s e s ，t h ew h 0 1 e d e s i g ns 0 1 u t i o na n dt h ed e s i g no ff h n c t i o nm o d u l ea r ed e s c r i b e d t h ed e s i g no fd a t d b a s e a l l di n t e r f a c e ，t h es y s t e ms t m c t u r eo nt h eb a s i so fc sa r ea l s oe x p l a i n e d d u r i n gt h e u n i tt e s t i n ga n dm o d u l et e s t i n go nt h e6 n i s h e dm o d u l e s ，b u g sa r ef o u n da n dt h er e a s o n s o fb u g sa r ed i s c u s s e d t l l i sm a n a g e m e n ti l l f o r m a t i o ns y s t e me m p h a s i z e do nt r e a t i n ga n da 1 1 a l y z i n gt h e n u m e r o u sd a t a0 fm o n i t o r i n ga n dm a i n t e n a n c er e c o r d s ，t os u p p o nt h ed e c i s i o na c t i v i t i e s 0 fv a r i o u sl e v e l sa l l di m p r o v et h ev a l i d i t yo fd e c i s i o nf 如mt h eu s e r s t be n s u r et h ep r a c t i c a b i l i t yo ft h i ss y s t e m ，t h ed i s p o s i n ga n dc o m p i e s s i n gm e t h o d o ft h e1 l i s t o r yd a t a 丘o mc o n d j t i o n m o m i n ga r ed i s c u s s e di i ld e t a i lb a s e do nt h es t u d yo f s w i l l gd o o rt r e n d i i l g ( s d da i l di t si m p r o v e da l g o r i t h m s ，a ni m p r 0 v e da l g o r i t h mi s p r e s e n t e d b ya p p l y i n gt h em e t h o do f9 0 1 d e ns e c t i o nt oa c h i e v et h ee o r - s e l f - a d a p t i n 舀 c o m p r e s sr a t i oi s 黟e a t l yi m p r o v e dw l l i l et h ec o m p r e s s i o ne r r o r i s o n l ys l i 曲t l y i n n u e n c e d ac a s es t u d yi sp r e s e n t e dt op r o v et h ee f f i c i e n c yo ft h ea l g o r i t h mb y c o m p r e s s i n ga n dd e c o m p r e s s i n gt h es i m u l a t i n gs i 印a 1d a t ao fc o n d i t i o n m o m i n g t h eb l u ep r i n to ft h i ss y s t e mi sl l i g h l ye v a l u a t e db yt h ee x p e r t s 行o mt h e 伊a n t e d c o m p a n y u pt on o w ；t h em a n a g e m e n ti i l f o 珊a t i o ns y s t e mi sa l m o s t 盘【l i s h e d ，e x c e p ta f e wm o d u l e sf o rf u n h e ro p t i m i z a t i o n t h ef m i t0 ft h i sd i s s e r t a t i o nh o p e si tc a l li m p r o v et h er e l i a b i l i t yo ft h ee q u i p m e n t a b s t r a c r a n dt h ee f f i c i e n c yo fo v e r h a u la n dp r o m o t et h ep r o d u c t i o na n dm a n a g e m e n ta b i l i t yo f t h ee n t e r p r i s ee f ! i i e c t i v e l y k e y w o r d ：l i s ，c o n d i t i o nm o n i t o r i n g - d a t a ，d a t a b a s ed e s i g n ，d a t ac o m p r e s s ，s w i n gd 0 0 r t r e n d i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 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作了明 确的说明并表示谢意。 签名：盈面煎日期：加年月日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 躲才磁 日期：渤孵多月沪日 第一章引言 1 1 企业情况及课题来源 第一章引言 以矿运卡车和铲运机为代表的无轨采矿设备，在国内外已成为采矿技术发展 的主流。随着设备功能和结构的日趋复杂，矿山设备的检修方式也正从“计划检 修”阶段进入以状态监测和故障诊断技术为前提的“状态检修 阶段。 a 公司在1 9 9 9 年设计的某型无轨地下矿运卡车在设计时采用很多先进技术， 但随着科技不断进步，与当前国外同类设备相比，在设备运行监测、操作自动化、 故障自动诊断等方面存在一定差距。目前在使用中较突出的问题是，由于没有故 障检测与诊断系统，只能在故障发生后被动维修，而矿山设备的工况恶劣，故障 率较高，维修成本高，影响总生产进度。基于以上情况，a 公司提出对该型矿车 进行状态监测和故障诊断的技术改造。 状态监测系统运行时将产生大量的实时和历史监测数据，如何存储和管理这 些每天以十兆为单位不断增加的数据成为一个问题，另一方面，这些数据中也隐 含了丰富的生产信息，如司机生产效率等，如果开发的信息系统仅作为故障诊断 的辅助部分只存储工作和故障时各传感器的数值，而不在生产信息方面对历史数 据进行深层挖掘，不仅造成数据资源的浪费，更使得管理系统的功能有限，不能 发挥潜在优势。 另一方面，对采矿作业的管理是一项非常复杂的工作，内容涉及车辆档案、 发生故障情况、维修记录、仓库备件数量、维修费用以及司机档案、工作效率等 多层次、多方位信息。但目前该公司对采矿作业的管理基本上是手工加计算机模 拟手工管理的方式，不仅数据查询繁琐，而且各个部间数据的准确性和一致性较 差，不利于部门协作和信息共享，为企业领导者的决策也带来不便。 为了在不同部门间实现信息的有效集成、共享和综合利用，需要借助先进的 技术手段。通过企业信息化改造，建立企业管理信息系统来提升管理水平是一个 很好的途径。 企业管理信息系统是运用现代化的管理思想和方法，通过使用计算机对企业 的管理和决策信息进行采集、存储、加工、分析，辅助完成从处理日常事务到辅 电子科技大学硕士学位论文 助决策等工作。它不仅使人们从复杂原始的人工管理中解脱出来，更能够提高工 作效率和管理水平，推动企业迅速发展。 基于对监测数据和生产管理现状两方面所面临问题的考虑，本文提出并开发 了一个立足于矿车工作与故障管理同时又兼顾历史工作数据的工作管理信息系 统。通过对两种数据的综合管理和深入分析，实现企业的信息化管理，为各种需 求用户提供数据服务。 由于本文中的矿运卡车通常在井下几百米至一千米处工作，通过网络进行实 时监测传输困难，结台公司的硬件条件现状，本次技术改造决定通过移动存储设 备，进行井下车载监测设备与上位机间的数据传输。 工业一体化机 + 地下矿运卡车 车载实时监测系统 1 ，嗣。一 工作管理信息系统 * m p 口息 图1 1 矿车状态监测与故障诊断系统组成框架 本次技术改造分两部分，如图1 一l 所示：一个是“车载实时监测系统”，通过 在矿车的重要部件安装传感器组，对柴油机系统、液压系统、机械传动及电气系 统进行实时状态监测，由“矿运卡车实时监测与故障诊断系统”软件，实时显示 重要监删参数，利用综合分析和模糊神经网络法进行故障诊断，并对新装的倒车 雷达等进行故障白检，同时以数据文件的形式分类存储产牛的监测数据。 另个是运行于上位机服务器的“地下矿运卡车工作管理信息系统”，用于集 中管理大量监测数据文件和生产管理信息，定时接收、统一管理作业区所有运矿 车的运行监测数据，并随时接收车辆的维修管理、备件库存等信息，通过对这 些数据的综合深入分析，形成生产、维修、故障及历史工作数据库，完成数据的 查询、统计、保存、打印等，在整个作业区实现生产信息化管理。 本文所论述的内容就是上位机“工作管理信息系统”软件的设计与开发。该 系统要管理的数据庞大而复杂，主要包括以下功能：人员和设备车辆的基本信息 管理、工作管理、故障管理、维修管理、备件管理、监测系统软，硬件档案管理、 第一章引言 监测数据管理等，其中，工作管理、故障管理所提供的部分内容是通过对监测数 据的深度挖掘而得到的。 由于企业硬件条件的限制，并根据企业对工作信息管理的实时性需要程度， 项目一期使用移动硬盘来转存当天数据文件。这种非实时的数据传输方式，在监 控实时性方面仍有不足，但项目改造的重点是设备的实时监控和故障诊断，下位 机的“在线监测和故障诊断系统 已能满足此需要，而企业对历史信息管理的实 时性要求并不高，所以仍能满足使用需要。 矿车工作管理信息系统根据企业实际情况及需要，将工业数据库与管理信息 系统的功能结合起来，所以在企业的生产监测和管理控制一体化上仍表现出较好 的应用前景。 1 2 管理信息系统研究现状 管理信息系统对企业的信息管理是从总体出发，全面规划企业的应用需求， 保证各职能部门共享数据，减少数据的冗余度，保证数据的兼容性、一致性和安 全性【1 1 。 管理信息系统的核心是数据库。系统的数据存放在数据库中，数据库技术为 管理信息系统提供了数据管理的手段，数据库管理系统为管理信息系统提供了系 统设计的方法、工具和环境。 虽然在2 0 世纪2 0 年代，以“泰勒制 为代表的科学管理就把科学原则引入 管理，但由于当时软、硬件水平限制和开发方法落后，对管理信息系统的研究成 效甚微。直到8 0 年代，管理信息系统才被作为一个科学领域进行研究。 管理信息系统的发展过程【2 】【3 1 ，在某种意义上说也就是数据处理的发展过程， 可以分为三个阶段： 1 计算机数据处理系统( e d p ，e l e c t r o n i cd a t ap r o c e s s i n g ) 主要针对具体的管理业务进行单项的数据处理，即根据某一单项业务( 如统 计月报表、工资计算、成本计算、库房台帐、计量器具管理) 的需要来编制相应 的计算机程序，采用单机一单用户或单机一多用户方式进行定时、定期的批处理作 业。 2 管理信息系统( m i s ，m a n a g e m e n ti n f o 瑚a t i o ns y s t e m ) 管理信息系统是对数据处理在规模和功能上进行了提高和完善。管理信息系 统一般是指在计算机网络的物理环境下，在数据库支持下具有数据处理和查询功 3 电子科技大学硕士学位论文 能，有时还具有计划或决策功能的系统。它的建立可以提高企业的管理效率和管 理水平，降低企业的成本。其发展方向是信息的高度共享和综合利用，对管理信 息进行系统的处理，为各级管理人员提供相关业务的决策信息。 3 决策支持系统( d s s ，d e c i s i o ns u p p o ns y s t e m s ) 是以“支持”半结构化决策过程为特征的计算机决策系统。所谓结构化程度， 是指针对某一决策过程的环境及原则，人们能否用明确的语言加以说明和描述。 如果能够描述清楚，则称为结构化决策问题；如果不能，则称为非结构化问题。 介于两者之间的，即有所了解但不全面，有所分析但不确切，有所估计但不确定 的问题，称为半结构化决策问题。这类系统对管理工作提供比管理信息系统更强 有力的支持，更直接地为管理决策服务，特别是为高、中层决策服务。 管理信息系统的功能从单项、综合到整体，由辅助管理日常事务到支持管理 人员决策的过程，离不开计算机技术的发展与支持。 随着计算机技术的充分发展，现代社会信息化的基础一一数据库技术也逐渐 成熟，到目前先进的数据库技术和产品已应用于经济生活的方方面面，而网络技 术的大范围使用、面向对象、面向组件的编程语言和适合各种开发语言的优秀开 发平台的出现和成熟，及其对于数据库应用、网络应用的大力支持，已为管理信 息系统的充分发展奠定了良好的技术基础。 目前的管理信息系统能对人、财、物等各方面的资源进行全方位的动态的管 理，如生产管理系统，是以生产为中心的“系统管理 ，其特点是从企业的经营管 理立场出发、以系统的立场为指导，广泛采用系统工程、运筹学、工业工程等定 性乃至更多定量的处理方法，以建立计算机辅助系统为手段，力求实现对整个企 业的总体目标达到最优控制。 管理信息系统的发展和应用显示出了不可比拟的必要性和优越性。现在，管 理信息系统的应用大致有如下几类： 1 国家经济信息系统：包括国家各综合统计部门( 如国家计委、统计局等) 在内的国家级信息系统。主要是对经济信息进行处理、统计、预测等。 2 企业管理信息系统：主要对象是管理信息，一般面向工厂、企业，如制造 业、商业企业、建筑企业等。一般具备对企业监控、预测和决策支持的功能，是 最复杂的管理信息系统。 3 事务型管理信息系统：以事业单位为主，如医院管理信息系统，学校管理 信息系统。由于事务不同，各系统的逻辑模型不尽相同，但基本处理对象都是日 常事务信息。 4 第一章引言 这些管理信息系统要求实时性强，而数学模型的使用较少。 4 行政机关办公管理信息系统：特点是办公自动化。系统往往和微机的应用， 局域网的应用，计算机终端、打印机等诸多办公技术联系在一起。 5 专业型管理信息系统：如人事管理信息系统、物价管理信息系统等，专业 性很强，信息相对专一，主要功能是收集、存储、加工、预测等，技术相对简单， 规模相对较大；另一种，如铁路运输管理信息系统、银行信息系统等，包含机关 事务型、企业型管理信息系统及经济信息系统，综合性强。 企业管理信息系统的建立，是企业生产管理向现代化、信息化迈进的一个重 要标志，也是提升企业竞争能力的有效途径。虽然各个行业的管理的内容不尽相 同，系统开发工具也多种多样，但它们都是以企业各部门的工作管理信息作为分 析对象，完成对有关管理数据资料的收集、分类、综合、传递、逻辑判断，及输 出管理人员决策所需的数据【4 】【5 | 。 针对我国工业基础，长远来看，管理信息系统的网络化、集成化是发展的方 向，最终将和整个企业的管理信息流融为一体。目前很多企业整体的计算机应用 水平还处于初级阶段，应根据企业的现状和实际需求，开发出经济适用的管理信 息系统。 1 3 本课题的研究意义 采矿业粗放型的生产和管理方式已逐渐被信息化管理所取代，现代采矿企业 的生产活动是先进设备与先进管理的有效结合。要实现企业经济快速增长，不仅 要靠先进的采矿设备提高生产能力，更需要依靠科学管理的力量达到生产资源的 最优配置和利用。 随着经济的全球化和h l t e m e t 的迅速发展，采矿作业区的信息化、自动化越来 越成为提升企业生产力和竞争力的关键，而集生产管理网络化、信息化一体的管 理信息系统的发展与应用则成为企业信息化进程中重要的一环。 虽然管理信息系统和数据库技术已发展得相对较成熟，但由于管理信息系统 针对的是不同的企业需要，以完成不同的管理内容，工作的重心也不尽相同。要 切实提高本企业的管理效率和水平，提高市场竞争力，仍有许多细节的问题要解 决，所以开展本课题的研究仍有其积极实用的作用： 1 配合实时监测系统，将矿区运矿卡车的监测数据以统一的格式长久、安全、 低成本地保存，供日后查询使用； 5 电子科技大学硕士学位论文 2 将生产、维修、仓库及人事等各部门的信息统一进行存储，改变原有的信 息分散的状况，实现信息和数据的共享，高效管理企业； 3 借助信息的集中统一管理，实现对数据的深度挖掘、处理和统计，实现生 产效率、常见故障、人员工作效率等多种信息的统计，方便管理者掌握生产进度， 辅助其统一规划和调度生产资源，安排维修计划等； 4 对各次故障数据、维修建议及维修情况进行科学翔实地记录，既能辅助维 修人员进行各种故障的分析和判断，为维修工作的展开提供成功的维修经验，降 低维修难度，又能为自动故障诊断提供最宝贵的数据资料，提高电脑诊断的准确 性，提高企业的维修水平； 5 辅助车载在线“状态监测与故障诊断系统，及时向维修管理人员提供设 备运行情况，便于及时准备备品备件、处理有关故障，真正实现预知维修，以最 少的代价发挥设备最佳的效益，做到最佳运行，使设备维修费用、设备性能劣化 与停机损失费用最低。 1 4 课题的研究内容 本课题一方面要对下位机产生的大量实时和历史状态及故障数据进行分类存 储和管理，方便用户查询使用，另一方面，要对监测数据中隐含的与生产管理相 关的信息进行深度挖掘；同时，还要完成管理企业日常工作数据的功能，将监测 数据与工作信息的管理集成在一起，通过对管理信息的系统处理，为各级管理人 员提供相关业务的决策信息，全面提高企业整体管理水平。 本文要解决的问题主要有： 1 合理设计和实现工作管理数据库表，既能保证系统顺利开发，又要保证所 设计的功能实用、操作方便。 2 正常监测数据的数据量非常大，随着数据量的增多，数据库的运行速度也 会下降，所以要找到一种能兼顾压缩率和压缩损失的压缩算法。 3 找到一个好的方法，实现对大量监测数据文件的存储及管理。 4 本软件还需要对监测数据、维修和工作管理信息进行充分挖掘，找到能全 面反映车辆状态的信息，并通过提供可靠的状态数据，协同下位机的监测与故障 诊断功能，辅助检修人员完成对设备的状态检修。 本文首先论述了管理信息系统的概念以及系统开发的意义和背景，阐明了开 发本管理信息系统的必要性和可行性；其次，以软件工程思想和模块化设计为指 6 第一章引言 导，对系统进行了需求分析，制定了矿车状态监测与工作管理信息系统的总体方 案，将监测及工作数据按信息内容分类，以关系数据库的设计规范为指导，详细 介绍了本系统数据库的设计方法，确定了管理信息系统的主要功能模块，说明了 主要功能模块的实现方法，简要介绍了本系统的开发工具的选择；再次，在系统 的实现与测试中，对系统已完成模块进行了单元与模块测试，并对出现的问题进 行了反思与改正；最后，讨论了系统数据文件的存储过程、压缩方法和数据文件 的管理方法，提出了一种综合的s d t 改进算法。 7 电子科技大学硕士学位论文 第二章软件开发知识概述 软件开发是建立在对一系列知识和技术的理解和运用上的复杂的系统工程， 在开始矿运卡车工作管理信息系统的开发前，有必要把指导本次矿车管理系统开 发过程的基本思想和方法简要介绍一下。 2 1 软件工程指导思想 软件的开发之所以要以软件工程的思想为指导，是因为它的实用和有效性。 随着计算机的普及和软件的需求量的剧增，软件的规模及功能日益复杂，在软件 带给我们众多便利的同时，从软件开发到软件使用的过程中也暴露出许多不容忽 视的严重问题，称为软件危机。 软件危机主要表现为：软件开发进度难以控制，经常出现经费超预算、完成 期限一再拖延的现象；软件需求在开发初期不明确，导致矛盾在后期集中暴露， 从而对整个开发过程带来灾难性后果；由于缺乏完整规范的开发文档，加之软件 测试不充分，从而造成软件质量低下，在运行中出现大量问题。 从失败的经验中，人们逐渐认识到，大型复杂软件系统的开发是一项系统的 工程，要开发出高质量的软件，必须按照工程化的方法组织软件的生产和管理， 必须经过分析、设计、实现、测试、维护等一系列过程。 软件工程便应运而生，其主要任务是通过提供规范化的分析设计方法及工具 软件，来避免或减少软件错误的发生，为最终根除软件危机提供有力的技术保障。 按照软件工程来开发软件可以较有效地帮助开发者达到以下目标： 在达到所需功能的前提下，付出较低的开发成本，而得到较好的软件使用性 能，软件易于移植，能按时完成开发，后期需要的维护费用也较低。 2 1 1 软件开发过程 任何软件都有一个从开始到衰亡的生存过程。按软件工程对软件的开发可分 为以下三个阶段。 1 定义阶段：确定待开发软件的功能，即它要“做什么”，具体包括： 8 第二章软件开发知识概述 ( 1 ) 系统分析：任务是确定待开发软件的总体要求和使用范围，以及对相 关的硬件、支撑软件的要求。 ( 2 ) 项目规划：任务是确定待开发软件的目标，对其进行可行性分析，并 对资源分配、进度安排等做出合理的计划。 ( 3 ) 需求分析：任务是确定待开发软件的功能、性能、数据、界面等要求， 从而确定系统的逻辑模型。 2 开发阶段：要解决的问题是“怎么做 。 软件开发包括软件设计、编码和测试三个阶段，也就是通常我们以为的软件 开发过程。具体包括数据结构和软件结构如何设计，功能如何转换为软件体系结 构，过程细节如何实现，界面如何表示，如何编写程序，测试如何执行，以得到 可交付使用的软件。 软件设计又分为概要设计和详细设计两步。概要设计的任务是模块分解，确 定软件的结构，模块的功能和模块间的接口，以及全局数据结构的设计。详细设 计的任务是设计每个模块内的细节和局部数据结构。 3 软件维护：即“如何修改 现有的软件。软件维护的任务是使软件适应 外界环境的变化、实现功能的扩充和质量的改善。 以上各阶段的每个步骤都是不可少的，一个软件项目在开发的前期和中期按 照以上几方面做好、做全了本阶段的每一步工作，后期才能开发出高质量的软件， 同时软件的维护工作也相应容易进行。 2 1 2 软件开发方法 软件的开发方法f 6 】【7 】有许多，其中在开发实践中产生了重要影响的有生命周期 法、结构化方法、快速原型法和面向对象方法等。 2 1 2 1 生命周期法 要求按照系统有序的步骤去开发软件，将系统开发过程分为五个阶段，即系 统规划、系统分析、系统设计、系统实施、运行与维护，并定义各阶段的任务和 目标，然后逐步完成各阶段的任务。 生命周期法在应用上具有一定的局限性：要在软件开发的初始阶段提出软件 系统的全部需求是非常困难的甚至是不现实的，而生命周期法在需求分析阶段却 对此要求极高，从确定需求到完成最初版本要经历很长时间，并且软件一旦定形 9 电子科技大学硕士学位论文 修改就很困难。 2 1 2 2 结构化方法 用系统工程的思想和工程化的方法，将整个开发过程划分成若干个相对独立 的阶段，如系统规划、系统分析、系统设计和系统实施，在前三个阶段自顶向下 地进行结构化划分，在系统实施阶段，自底向上、逐层地构建整个系统。结构化 方法的工作流程仍然符合生命周期法的基本框架。 2 1 2 3 快速原型法 先按照用户提出的需求，快速、低成本地建立一个系统原型，然后提供给用 户试用，在试用过程中不断完善。通过与系统原型的交互作用，用户能够不断明 确自己的信息需求，被用户最终认可的原型，即可作为系统的最终开发结果。 这种方法使得信息交流中的问题、设计中的错误及用户培训时间都得到减少， 简化了管理，同时又增加了用户满意程度，能够产生一个正确的系统需求描述。 但由于在很短的时间内构造原型，用户有时会误将原型当作最终系统来用，而没 耐心等待系统的最终版本的完成。 2 1 2 4 面向对象方法 面向对象方法是当前主要研究方向，也是较为流行的一种软件开发方法。与 结构化法相比，它更接近人们认识事物和解决问题的过程和思维方式。 面向对象方法是一种分析、设计、思维和程序设计方法。它所追求的目标是： 使分析、设计和实现一个系统的方法尽可能接近人们认识一个系统的方法。思想 是：对问题进行自然分割，以便更接近人类思维的方式；建立问题域模型，以便 对客观实体进行结构模拟和行为模拟，从而使设计的软件尽可能直接地描述现实 世界，构造模块化、可重用、维护性好的软件，且能控制软件的复杂性和降低开 发维护费用。 2 1 2 5 矿车管理系统开发方法 通过对以上方法的介绍我们知道，快速原型法多用于小型局部系统或处理过 程比较简单系统的设计到实现环节，面向对象法可以普遍适用于各类信息系统开 发，但是不能涉足系统分析以前的开发环节，只有结构化方法能较全面地支持整 个开发过程，但各种方法又不是相互独立的，通过综合运用这些方法，可以达到 更好的效果。 1 0 第二章软件开发知识概述 本系统的开发以结构化方法为总体指导思想，以面向对象方法进行局部具体 环节实施的系统开发方法，以充分发挥各方法的互补优势。 2 1 3 软件测试 1 软件测浏7 】【8 】的目的 软件测试是根据不同开发阶段的规格说明和程序的内部结构，精心设计一批 测试用例( 即输入数据及其预期的输出结果) ，利用这些测试用例去运行程序，以 发现程序中的错误的过程。 软件测试的目标是以最少的时间和人力找出软件中潜在的各种错误和缺陷， 包括软件设计者与开发者之间理解不一致的地方、程序开发者对程序细节及功能 的理解与需求不一致的地方，以及不符合逻辑思维的地方。 设计测试用例时，应当包括合理的和不合理的输入条件，不合理的输入条件 指异常、临界、可能引起问题异变的输入条件，用不合理的输入条件测试，往往 能发现更多的错误。 2 软件测试的方法 软件测试的方法和技术有多种分类，其中从是否需要执行被测软件的角度可 分为静态测试和动态测试；从是否针对系统的内部结构和具体实现算法的角度可 以分为白盒测试和黑盒测试。一般意义上的测试主要指动态测试，常用的方法有 黑盒测试和白盒测试。 黑盒测针对软件界面和软件功能进行测试，而不考虑程序内部逻辑结构，方 法主要有等价类划分、边界值分析、状态测试、失败条件测试、错误推测法等， 主要用于软件确认测试。白盒测试的重点是通过测试检查产品内部动作是否按照 需求说明书正常进行，方法主要有逻辑驱动、基本路径测试等，主要用于软件验 证。 3 软件测试的过程和对象 软件开发过程是一个自顶向下、逐步细化的过程，而测试过程则是一个自底 向上、逐步集成的过程。首先对每一个程序模块进行单元测试，消除程序模块内 部在逻辑上和功能上的错误和缺陷；再对照软件设计进行集成测试，检测子系统 结构上的错误；然后对照需求进行确认测试；最后从系统整体出发，通过运行整 个系统，看是否满足设计要求。 软件的开发和测试工作是可以同步进行的。在本系统的开发过程中对部分完 电子科技大学硕士学位论文 成的功能模块进行了简单的功能模块的单元测试、同一界面内功能的集成测试， 来验证开发的功能是否正确。 2 1 4 开发文档管理 开发文档【7 】记录软件开发过程中的设计思想、衔接技术和阶段性成果，各阶段 的文档都要对下一阶段工作进行宏观的控制，或对系统软件的开发和使用进行具 体的指导。编制软件文档的过程，实际就是采用软件工程的方法，有组织、有计 划地管理项目和研究项目开发的过程。 在矿车工作管理信息系统从设计到实施应用的过程中，形成了大量的软件开 发文档及与设备相关的原始资料，是未来进行系统维护、升级或扩展的重要参考， 需要按照一定的标准进行科学统一的管理。 但是文档类资料有诸多的格式、内容、载体，如w r o r d 、e x c e l 、s i o 、c a j 、 p d f 等格式的电子、纸制资料及开发文档，要达到有效管理，以方便面后期查找， 必须对它进行适当的归类。一种应用较广的归类方法是，按照生命周期法的五个 阶段来划分。还可以按其格式或载体的不同而分为：原始单据或报表、电子文档、 电子文档打印件、大型图表、重要文件原件、光盘存档等几大类。 2 1 4 1 开发文档的规范化管理 文档管理的规范化【1 】主要体现在文档书写规范、图表编号规则、文档目录编写 标准、文档管理制度等几个方面： 文档要书写完整、规范，无论哪种类型( 文本、图形、表格等) 的文档都就 要遵循统一的书写规范，包括文档的名称、符号的使用、程序中注释行的使用、 注明文档书写人及书写日期等；在编写文档目录时，应包含文档编号、文档名称、 格式或载体、份数、每份页数或件数、存储地点、存档时间、保管人等；最后还 要加强文档的使用管理及保密等。 2 1 4 2 对文档管理重要性的认识 开发文档不仅用于专业人员和用户之间的通信和交流，而且还可以用于软件 开发过程的管理和运行阶段的维护。 但软件危机中的某些问题在现在的软件，尤其是在非专业软件开发人员开发 的软件中仍然存在，除了对需求分析的不足外，另一个主要原因就是由于没有进 行软件开发文档的编写与管理工作，所以在软件开发过程中不仅要按软件生命周 1 2 第二章软件开发知识概述 期分阶段做好开发工作，更要坚持软件文档的编写和管理。这一点在软件开发中 逐渐受到更多项目负责人的重视。 本管理信息系统虽然属于小型软件系统，但由于时间的原因，也不是一个人 就能完成从分析到运行维护全部的工作，所以将规范的软件开发思想贯穿于系统 开发的全过程，不仅可以使开发者心中有数，目标明确，按部就班地展开工作， 保证项目的顺利进行，更可以成功有效地进行项目交接，即使由几届学生不断开 发和完善，也能保证此软件在使用中的质量、可靠性及可维护性。 根据在开发本系统的经验教训，切身体会到程序书写风格的易读性及变量名 的取法等小细节都会极大地影响后期对程序的阅读和理解。程序的书写是一次性 的或是极少几次的修改，而以后的阅读却可能是无数次的，所以在编写程序时， 对书写风格和变量的命名，及在边界条件下的情况处理都是需要特别细心的地方， 对有规范要求的一定要按规范进行。 2 2 数据库基础知识 1 数据库管理系统 数据库管理系统是专门用于管理数据库的计算机系统软件，它能够为数据库 提供数据的定义、建立、维护、查询和统计等操作功能，并完成对数据完整性、 安全性等方面的控制功能。目的是使用户更加方便、有效、可靠地建立数据库和 使用数据库中的信息资源。 2 数据库应用系统 数据库应用系统是对自身携带的大量数据进行管理的计算机应用软件。按实 现的功能可分为：数据传递系统、数据处理系统和管理信息系统。一个实际的数 据库应用系统往往同时具有以上三种功能，由于它有巨大的数据量需要管理，所 以管理信息系统是它的核心系统。 3 管理信息系统是具有数据保存、维护和检索等功能的系统，其作用主要是 数据管理。数据管理工作具体包括三方面内容： ( 1 ) 组织和保存数据：将收集到的数据合理地分类组织并存储在物理载体 上，使数据能够长期保存。 ( 2 ) 进行数据维护：根据需要随时进行插入新数据、修改原数据和删除失 效数据的操作。 ( 3 ) 提供数据查询和统计功能：通过查询可以快速地得到需要的正确数据， 电子科技大学硕士学位论文 系统还具有统计的功能，以满足各种使用要求。 2 3 本章小结 为了避免或减少软件错误的发生，提高所开发软件的质量和可维护性，本系 统的开发以软件工程的理论为指导，整个开发过程按照规范化的方法及步骤逐步 实施。本章首先说明了软件工程的概念，软件开发的步骤、方法及各自的优缺点、 软件测试的方法及项目文档管理的内容和方法，然后介绍了数据库和管理信息系 统的相关知识，为后续章节的具体实施提供理论指导。 1 4 第三章地下矿车工作管理数据库的设计与实现 第三章地下矿车工作管理数据库的设计与实现 地下矿运卡车工作管理信息系统包含的信息有两类，如图3 1 所示，一类是矿 车正常工作时的监测数据，包括流量、压力、温度等被测参数，数据量非常大， 存储及使用的方式也不同，要通过第五章介绍的“工作历史数据库 实现管理。 另一类是企业生产信息，既包括从监测数据中得出的作业信息及故障数据， 如运矿卡车的异常记录和诊断结果、司机工作情况，又包括各部门工作信息和车 间运作信息，如车辆的维修信息、零件的库存情况、车间日月生产报表等，可用 于事故追忆、故障诊断，以及设备运行情况统计、故障统计等，是企业信息化管 理的基石。这类数据在本章介绍的工作数据库中实现存储和管理，并通过下一章 介绍的“矿车工作管理信息系统力以友好、快捷的方式进行人一机交互。 下 位 机 当 日 数 据 移嚣 到谢h 历委萋嘉 工一 j仂 数： 动 引糍辨蚓历嚣嘉 胃 存 储 器h 异常数据表卜一异常数据库 工作信息表 + 叫报警记录表h 报警记录库 工作信息库 h 维修记录表h 维修记录库 地下 工作管理 r 力仁枣每珊并5 f r 士匣虚 叫档案信息表l 上 目埋双珀厍 矿车 信息系统 图3 1 矿车工作管理信息系统的数据库组成 管理信息系统开发的核心是数据库的设计【9 1 ，而数据库设计的关键是数据库表 的设计。好的数据结构既要保证各部门数据共享，又要减少数据冗余，并兼顾数 据兼容性、一致性和安全性。 电子科技大学硕士学位论文 3 1 工作管理信息系统需求分析 矿车的“状态监测与故障诊断系统”以及“工作管理信息系统 整个体系是 企业以前没有的，对它的需求分析主要针对需要实现的功能。 3 1 1 系统需求分析 在与企业相关工作班组、维修班组及技术人员反复磋商，根据监测、维修及 管理作业区全部矿车的实际需要，并参考和借鉴同类管理软件的基础上【1 0 】【1 1 】【1 2 】， 归纳出对本管理信息系统的功能要求如下： 1 不同格式数据文件的导入及分类存储：能识别以t x t 及e x c e l 格式保存的 数据文件，并能将其转换成统一的数据文件格式，按车辆编号分类存储在相应数 据库内； 2 故障数据的回放：能按照时间、单次故障记录等形式进行历史查询，并将 查询结果以曲线图的形式显示单一信号、多个信号的历史变化信息，实现故障情 况回放； 3 查询统计：能对系统中的数据按多种条件进行查询；能对采集的数据进行 深层分析，得出司机的工作效率、综合工作情况、柴油发动机运行总时间等统计 信息，一切需要人工加工处理的统计数据均由计算机自动完成，保证统计数据的 真实可靠； 4 报表打印：能自动生成定期的月报表、周报表或随机生产报表，并可对维 修报表、故障报表及传感器信息表等以及随机的查询统计结果以固定或自由报表 的形式，在e x c e l 中方便地进行保存和打印； 5 系统安全：确保无关人员无权访问系统，保证使用人员在相应权限内使用 数据，系统使用者不能查阅与本人工作无关的数据，保证数据库中全部数据的安 全性； 6 信息共享：所有原始数据及各种统计信息能通过网络在各部门间实现交流 和共享，不同部门可根据不同需要获取有关数据。 7 易用性：系统的功能要实用，操作简便，能提供完善的提示信息及帮助功 能；系统的管理工作必须相当方便，可以不需要专门配备系统管理员。 1 6 第三章地下矿车工作管理数据库的设计与实现 3 1 2 车间数据流程图 图3 2 所示为车间整体数据流程图，反映了整个车间的工作流程，以及各部门 间的联系和信息交流。 图3 2 车间管理数据流程图 其中，数据管理的前提和核心是每日监测数据及维修信息的产生和管理，图 3 3 是矿车工作和维修过程管理e r 图，描述了车间内所有矿车的运行、故障、维 修过程，说明了各实体间的关系和相互联系。 图3 3 矿车工作和维修过程管理e - r 图 1 7 电子科技大学硕士学位论文 3 2 矿车管理数据库的设计 设计矿车工作管理数据库的第一步是规划要存储的数据。根据对车间管理功 能和数据流程的分析认为，要实现矿车的工作管理，本系统需要包含的信息有以 下几方面，如图3 4 所示。 密 码 表 矿车工作管理信息系统数据库 系统管理ij 基本资料li 工作信息il 维修ll 故障 数据库ii 数据库il 数据库ii 数据库li 数据库