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大坝安全监测系统软件开发技术研究 摘要 建国以来，我国建立了数万座大坝，大坝安全监测对大坝长期稳定地发挥 作用影响巨大。因此，对大坝安全监测技术的不断深入研究具有重要的意义。 论文分析了现代工业控制系统和数据库信息系统的构成，以及现场总线控 制系统的特点，探讨了l o n w o r k s 现场总线的技术特征、通信协议和报文通信方 式。根据大坝安全监测方面的技术要求，提出了大坝安全计算机监控系统的总 体设计框架。在此基础上，开发了基于l o n w o r k s 现场总线的大坝安全监测系统 的上位监控软件。该监控系统软件使用多任务和面向对象的技术，实现了大坝 安全监测过程信息的数据采集、数据监控、数据处理、离线数据分析以及数据 库管理等功能。 论文中大坝监测系统软件研究开发的基本方法是采用可视化方法进行软件 开发，基于w i n d o w s 平台，结合v c + + 、v i s i 0 2 0 0 0 、f o 肋+ + 、m a t l a b 等技术。在 详细讨论了它们之间接口技术的基础上，提出了一套建立系统数据库、变量配 置、模型检验、算法组态以及图形化编辑等方面的解决方案。 关键词：大坝安全监测、实时数据监控、离线数据分析、分析方法 r e s e a r c ho fd e v e l o p p i n gs o f t w a r et e c h n i q u ei nd a m s y s t e m o f s a f e t yi n s p e c t i o n a b s t r a c t s i n c ec h i n ah a sb e e nf u l 】l l d e d i th a sb u i l tt h o u s a n d so fd a m s d a m ss a f e t yi n s p e c t i o n h a sp l a y e dav e r yi m p o r t a n tr o l ei ni t sl o n gt i m es t a b l ew o r k i n g s o ，i tw i l lb em e a n i n g f u lt od e l v e i n t ot h er e s e a r c ho f d a m s a f e t yi n s p e c t i o nt e c h n i q u e s t h i sp a p e ra n a l y z e st h ea r c h i t e c t u r eo fm o d e r ni n d u s t r yc o n t r o l r n gs y s t e m , d a t a h a s es y s t e m a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ff i e l dc o n t r o l s y s t e m ，i t a l s od i s c u s s e st h et e c h n i c a lc h a r a c t e r , c o m m u n i c a t i o np r o t o c o la n dm e s s a g ec o m m u n i c a t i o nm o d eo ft h e l o n w o r k s a c c o r d i n gt o t e c h n i c a l r e q u i r e m e n t s o fs a f e t y i n s p e c t i o n , t h i sp a p e rp r o p o s e d a g e n e r a l a r c h i t e c t u r eo f s u p e r v i s o r yc o n l r o ls y s t e mo fd a ms a f e t yi n s p e c t i o n ，a n dd e v e l o p st h es o f t w a r eo fs u p e r v i s o r y c o n t r o ls y s t e mo fd a ms a f e t yi n s p e c t i o no nt h ep l a t f o r mo ft h el o n w o r k s t h i ss y s t e mu s e s m u l t i t a s ka n do b j e c t - o r i e n t e dt e c h n o l o g yt or e a l i z ed a t ac o l l e c t i o n ，d a t a i n s p e c t i o n ，d a t ah a n d l i n g ， o f f l i n ed a t a 删y s 髂a n dd a t a b a s em a n a g e m e n t t h eb a s i cr e s e a m hm e t h o d sf o rt h es o l o , r a r eo fd a mi n s p e c t i o ni n t h i s p a p e ru s et h e v i s u a l i z e dp r o g r a m m i n g ，b a s e do nt h ew i n d o w s p l a t f o r m ；a n di tc o m b i n e sw i t hv c 十 v i s i 0 2 0 0 0 ， f o h i l + 十，m a t l a ba n de t c o nt h eb a s eo fd i s c u s s i o no ft h e i ri n t e r f a c et e c h n i q u e s t h i ss y s t e m r e a l i z e sm a n yf u n c t i o n s ，s u c ha sd a t a b a s es y s t e me s t a b l i s h m e n t ，v a r i e t yc o n f i g u r a t i o n ，m o d e l c h e c k i n g , a r i t h m e t i cc o n f i g u r a t i o n ，a n dg r a p h i ce d i t i o n k e yw o r d s ：d a m ss a f e t yi n s p e c t i o n ，r e a l - t i m ei n s p e c t i n gd a t a ，o f f - l i n ed a t aa n a l y s i s ，a n a l y s i s m e t h o d s 大坝安全监测系统软件开发技术研究 r e s e a r c ho f d e v e l o p p i n g s o f t w a r et e c h n i q u ei nd a m s y s t e m o f s a f e t yi n s p e c t i o n a b s t r a c t s i n c ec h i n ah a sb e e nf o u n d e d ，i th a sb u i l tt h o u s a n d so fd a m s d a m ss a f e t y i n s p e c t i o n h a s p l a y e d a v e r yi m p o r t a n t r o l ei ni t sl o n gt i m es t a b l ew o r k i n g s o ，i tw i l l b e m e a n i n g f u l t od e l v ei n t ot h er e s e a r c ho f d a m s a f e t yi n s p e c t i o nt e c h n i q u e s t h i sp a p e ra n a l y z e st h ea r c h i t e c t u r eo fm o d e r ni n d u s t r yc o n t r o l l i n gs y s t e m ， d a t a b a s es y s t e ma n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ff i e l dc o n t r o ls y s t e m ，i ta l s od i s c u s s e st h e t e c h n i c a lc h a r a c t c r , c o m m u n i c a t i o np r o t o c o la n dm e s s a g ec o m m u n i c a t i o nm o d eo f t h el o n w o r k s a c c o r d i n gt ot e c h n i c a lr e q u i r e m e n t so f s a f e t yi n s p e c t i o n ，t h i sp a p e r p r o p o s e d a g e n e r a l a r c h i t e c t u r eo fs u p e r v i s o r yc o n t r o l s y s t e m o fd a ms a f e t y i n s p e c t i o n ，a n dd e v e l o p st h es o r w a r eo fs u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e mo fd a ms a f e t y i n s p e c t i o n o nt h e p l a t f o r m o ft h el o n w o r k s t h i ss y s t e mu s e sm u l t i t a s ka n d o b j e c t o r i e n t e dt e c h n o l o g yt or e a l i z ed a t ac o l l e c t i o n ，d a t ai n s p e c t i o n ，d a t ah a n d l i n g ， o f f i i n ed a t aa n a l y s e sa n dd a t a b a s em a n a g e m e n t t h eb a s i cr e s e a r c hm e t h o d sf o rt h es o r w a r eo f d a m i n s p e c t i o ni nt h i sp a p e r u s e t h ev i s u a l i z e dp r o g r a m m i n g ，b a s e do nt h ew i n d o w s p l a t f o r m ；a n di tc o m b i n e sw i t h v c + + ，v i s i 0 2 0 0 0 ，f o 咖+ + ，m a f l a ba n de t e o nt h eb a s eo fd i s c u s s i o no ft h e i r i n t e r f a c et e c h n i q u e s ，t h i ss y s t e mr e a l i z e sm a n yf u n c t i o n s ，s u c ha sd a t a b a s es y s t e m e s t a b l i s h m e n t , v 捌e t yc o n f i g u r a t i o n ，m o d e lc h e c k i n g ，a r i t h m e t i cc o n f i g u r a t i o n ，a n d g r a p h i c e d i t i o n 。 k e yw o r d s ：d a m ss a f e t yi n s p e c t i o n ，r e a l t i m ei n s p e c t i n gd a t a ，o f f - l i n ed a t a a n a l y s i s ，a n a l y s i sm e t h o d s 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 佥鲤王些态堂 或其他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。 学位论文作者签名：肌伽 签字日舡叶年 月u 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解佥壁王、业盔堂有关保留、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。本人授权盒壁王些太堂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适用本授权书) 学位论文作者签名： 0 机趾 导师签名： 签字渺争年月。日签字目期：冲月工日 学位论文作者毕业后去向 工作单位； 通讯地址： 电话 邮编 致谢 本课题承蒙陆阳老师给我一个特别适合的课题，给我有充分的发挥空 问，特致殷切谢意。感谢导师陆阳研究员，在大坝监测室实验期间，他给 我提供了宽松的工作环境与重要的技术指导。在三年里，陆老师的言传身 教培养了我独立找资料，解决软件各种问题和把握课题的能力。 感谢我的妻子和孩子在百忙中，无偿地给了我一片净空，让我有精力 兼顾学习和工作! 感谢计算学院老师和同窗们的关心和支持! 感谢所有帮助过我的人 们! 作者：赵如庆 第一章绪论 介绍大坝安全监测系统在国内外研究情况、存在的问题、研究的目的和意 义，最后介绍本论文各章研究的主要内容。 1 1 大坝安全监测系统研究的目的和意义1 1 】1 2 】 截至1 9 9 9 年，我国己修建了8 3 8 2 7 座水库，其中大型水库4 1 8 座，中型水 库2 7 1 0 座，小( 一) 型1 5 1 2 6 座，小( 二) 型6 5 5 7 3 座，这些工程在国民经济 中发挥了巨大的效益。然而由于水文、地质、施工质量、运行管理和坝体年久失 修等原因，造成坝体整体或部分破损、渗流甚至大坝出现险情。大部分坝体是带 病工作，存在诸多安全隐患，影响工程正常的效益发挥，甚至直接威胁其下游数 百万、乃至数千万人民群众的生命财产的安全。例如，建国以来先后发生了板桥、 石漫滩、沟后等水库溃坝的事故，给下游人民群众的生命和财产造成巨大的损失。 分析其中事故的主要原因有两方面，一是大坝安全监测系统不完备，二是水库的 管理水平不高。有人提出规划设计时要完备，施工时要严谨，就不会出现问题， 这是不可能的。因为任何设计、施工都是在一定环境下，特定的安全允许范围内， 追求经济效益最佳，不可避免地冒着某种意想不到风险，都不可能完备，更何况 水利工程会随着时空的变化而发生着某种变化。所以事后监督与处理是必须的， 但是将问题发现在萌芽状态、消灭在萌芽状态之中更重要。这样使工程运行效益 更好，工程的寿命更长。大坝安全监测是必不可少的。最近二十年以来修建的大 坝，如漫湾、二滩、小浪底、葛洲坝、三峡等大坝都安装了大坝安全监测系统， 这些系统的安全运行，对我国的防洪、发电、供水、航运起着重大的作用，其安 全意义不亚于国防，对国民经济可持续发展发挥了巨大作用。 自动化大坝安全监测系统和以往人工监测有很多的不同，以往人工监测通 过眼睛观察、仪表手工抄录，然后整理汇总资料、计算分析，这种方法实时性 不好，工作量大且周期长。自动化大坝安全监测系统能够自动而且实时地收集 各种大量资料，建立多种数学模型，进行多角度的综合评判，选取最优化的管 理和运行方案，这是传统人工方法已经无法胜任工作。它不仅保证大坝的安全 运行，而且使大坝相应的功能发挥最佳的效益。大坝最危险阶段一般出现在洪 水季节，大坝安全监测频率此时越多，观测资料分析次数也越多，实时性显得 非常重要。而此时防洪任务非常重大，它关系到库区及下游人民生命和财产的 安全，同时兼顾发电、供水、航运等其它部门经济效益问题，所以要快速的进 行多种专家方案评估，确保大坝安全经济运行。大坝安全监测和一般工业系统 的监测不一样，它不要求必须做到足够的实时性( 毫秒级) ，它也没有实时控制 的要求，它注重资料的完备、模型的建立、分析、预警、反馈。但是如果大坝 系统具有防洪、发电、供水、航运等功能，这就必须具备实时性的要求，做到 实时监测、实时分析和预警。如水轮发电系统是一个标准的工控系统，它要求 和工控系统一样实时标准。但是为了防止信息系统的孤岛，大坝安全监测在下 位机采用同工控系统的一样的监测网络，有利于防洪、发电、供水、航运等系 统的统一管理，协调运行。所以依靠现代化的计算机硬件技术和软件技术，对 大坝的规划设计、施工、运行等资料的进行科学管理，建立科学的数学模型， 并加以实时的定性、定量分析、预报和预警，最后通过实时的反馈控制来完善 己建立的模型，使决策更加科学，这就是自动化大坝安全监测系统产生的原因 【3 1 。 因此，它的开发和研制，必须充分依据现代工业测控网络技术( 现场总线技 术) 、数据库技术、模糊控制技术、计算机软件工程技术，结合大坝安全专家系 统。由于多种技术的混合应用，设计一种具有通用性的软硬件是非常必要的。 1 2 大坝安全监测系统发展情况 大坝安全监测系统是一门新兴的学科。上个世纪七十年代，由于现场总线 技术、数据库技术成熟应用，八十年代专家系统、模糊控制技术、知识工程的 理论发展迅速，九十年代计算机软件工程技术、互联网网络技术飞速发展，大 坝安全监测系统受到国内外的重视，取得了许多重大成果。 1 2 1 国外情况1 4 l 意大利、法国是世界上开发大坝安全监测系统最早的国家，这些国家的大 坝水利资源现在已经开发得差不多，但在国际上影响也较大。 八十年代意大利推出计算机辅助监测系统m i a m s ，实现了数据自动采集和 在线监测，并对数据进行实时存储和管理。最后建立统计模型，对数据进行了 回归分析。 后来发展到比较完善的大坝安全监测系统d a m s a f e ，具有专家系统和人 工智能的技术，应用在m s w i n d o s 平台，实现了实时监测、评估、报警，还 可以与互联网相连。 1 2 2 国内情况 我国水库大坝安全监测工作经历了三个发展阶段。 第一阶段从5 0 年代到7 0 年代，是安全监测阶段的初级阶段，以人工观测 为主。 第二阶段从8 0 年代到9 0 年代，自己研制开发的仪器，初步实现了集中监 测的仪器仪表。 第三阶段从9 0 年代初至今，大坝安全监测飞速发展。国内外先进的仪器仪 表结合现场总线技术，能实现智能采集、传输、控制，由于w i n d o w s 技术发展， 实现了在线监测、报警、动画显示等。 1 2 3 存在的问题 第一，国外的仪器和采集系统的质量水平占住大部分市场，而且价格是国 内同类产品5 倍1 0 倍。 第二，仪器和采集系统难于扩充、维护、更换、升级，因为网络设计时就 没有考虑用通用现场总线技术，生产的专用仪器不适合于不同的现场网络。 第三，开发性、通用性不好。国内许多厂家生产的仪器和采集系统，到了 其他厂家就不能使用。表现在软件上形成信息的孤岛，特别是互联网技术发展， 各种信息要求互相通讯，在软件上表现为无法相互兼容。 第四，软件整合性能差，文档资料和应用程序分离，不便于相互的更新， 表现在修改时会产生不一致性。 第五，国内外对于大坝安全分析都没有进行整合到大坝安全监测系统中， 其实，通用性分析方法应该加入在线监控。 1 2 4 本人研究的主要内容 第一章绪论：介绍大坝安全监测系统在国内外研究情况、存在的问题、研 究的目的和意义。最后介绍本论文各章研究的主要内容。 第二章大坝安全监测系统的总体框架：本章分析监测系统的要求，建立监 测系统的业务模型，形成系统各种模块，最后形成开放系统的总体架构，采用 渐进式软件开发方案，并选择开发工具与平台。 第三章大坝安全监测系统的软件开发中的关键技术：本章介绍系统开发的 各种技术：数据字典编制，系统数据字典浏览器，v i s i 0 2 0 0 0 界面开发应用与编 程，算法组态过程，数据库连接以及m a 廿a bd l l 动态编程，最后介绍下位机的 组态与通讯。 第四章大坝安全监测系统的软件运行版设计：本章重点介绍实时数据库设 计，在线分析和离线分析方法，运行界面生成技术，包括历史曲线生成技术和 运行控制命令嵌入技术。 第二章大坝安全监测系统的总体框架 本章分析监测系统的要求，建立监测系统的业务模型，形成系统各种软件 模块，最后形成开放系统的软件总体架构，采用渐进式软件开发方案，并选择 最终的开发工具与平台。 2 1系统设计总的原则和目标圈阿 根据大坝安全监测系统的环境特点、工作性质及功能要求确立系统的设计 总的原则如下： ( 1 ) 实用性：友好、丰富的人机界面，易于操作，支持多种数据通讯和多 媒体技术。 ( 2 ) 灵活性：下位机采集系统和上位机网络能通过网络交换设备任意连接。 ( 3 ) 开放性：能够支持多种厂家的各种网络产品和采集系统的监测仪器， 支持各种网络的拓扑结构。 ( 4 ) 扩充性：实施后网络系统具有很好的可扩充性，以便将来很容易将各 种设备安装进去。 ( 5 ) 可靠性：选用经国际标准质检认证的厂家设备。采用成熟的、信誉好 的产品，使用寿命应在十年以上。 ( 6 ) 先进型：采用先进的系统设计、高水平的系统集成，选择最具有发展 潜力的软件系统平台。 根据大坝安全监测系统的环境特点、工作性质及功能要求确立系统的设计 目标如下： ( 1 ) 选用的各类传感器和仪器、测读装置、遥控接线箱等，应具有良好的 可靠性、长期稳定性和对环境的适应性，使用寿命应在十年以上。尽可能采用 全密封结构，能在常年湿度1 0 0 的恶劣环境下工作。采用高可靠性的电子元器 件和开关元件、插头插座。电路板应有可靠的防雷击保护和过载冲击保护。要 防止模拟地与数字地之间地干扰，具有较高公模抑制能力。 ( 2 ) 自动化数据采集系统应有良好的通用性和兼容性。系统应能测读各种 类型的传感器。包括差动电阻式、钢弦式、电容式、电感式、差动变压器式等。 系统接入的传感器容量，可通过测控单元联网进一步扩充。监测系统对分布在 建筑物及其地基中的各种遥测传感器，按规范规定的测次进行定期的自动检测， 或长期连续检测，并将检测的变形、应力、渗透压力、渗漏量、水位及温度等 实测数据加以记录和储存。系统应具有自检、自校、越限报警和故障报警等功 能。实测数据应能在监测网络内及与上一级监控中心实现有线或无线通讯。 ( 3 ) 建立数据库对监测资料进行管理和处理数据的管理功能，包括：数据 显示、数据更新、增删、修改和恢复，对数据进行多种分类，单项或组合项的 检索、查询，多种项目的简单加工，编制和打印报表，绘制各种监测数据的历 时曲线等。系统应具有对实测数据进行预处理功能，主要包括可靠性检验，粗 差剔除，数据插补，误差处理及物理量转换与计算等。数据管理还应包括建筑 物的设计资料、环境资料和施工记录等。 ( 4 ) 建立反映建筑物工作形态的各种模型( 统计模型、确定性模型、混合 模型) ，对监测资料进行分析，作出测值预报和安全性评估。这部分工作还包括： 监测成果的反演分析和反馈分析，从中找出某些规律和信息，校核设计参数， 并及时反馈到设计、施工和运行中去。此外，利用数据库吸取专家的知识和经 验，建立专家决策系统，开展专家咨询工作。 2 2 现场总线系统川 根据系统的设计总的原则和目标，下位机系统采用使用广泛、技术成熟的 l o n w o r k s 现场总线技术作为采集系统的总线方式，这是基于它以下的特点、优 越性考虑的。 ( 1 ) 系统开放性：要求系统遵循达成共识的标准，这样所有按照此标准生 成的设备和系统都可以互联，没有产生硬件和软件上的不兼容。 ( 2 ) 系统结构的高度分散性：由于监测点分布现场各个角落，这样中心监 控系统集中统一进行管理调度，有利于集中与分散的有机结合，简化系统结构， 提高了可靠性。 ( 3 ) 系统高度的智能化和功能自治性：现场设备独立完成传感器采样、补 偿计算、工程量的计算、网络传输、控制其它输出设备以及自己诊断等功能， 这一切都是自动化方式完成。 ( 4 ) 系统互换性与互操作性：系统的所有设备可以不需特别标记的情况下， 互相替换，不仅在硬件和软件上的兼容。这样不同的厂家可以通用，对设备的 升级非常方便。 ( 5 ) 较强的环境适应性：现场总线是专为工业现场设备设计，其环境相当 恶劣，如高温、高频电磁干扰、大电流等环境，要求通讯电缆和智能模块具有 较强的抗干扰能力，每一个智能设备接收端都采用数字滤波，降低了干扰的传 递。 由于现场总线的这些特点，极大简化了系统的结构，从系统的设计、安装、 运行管理以及维护都具有很强的优越性： ( 1 ) 节省硬件的数量与投资。 ( 2 ) 节省安装费用。 ( 3 ) 节省维护费用。 ( 4 ) 系统具有高度集中与分散的管理的能动性。 ( 5 ) 系统具有高度可靠性。 ( 6 ) 系统设计简单易于重构。 2 3 系统模块 2 3 1 系统的典型硬件结构 一般分布式工控系统主要有传感器一集线器一智能模块m c u ( 有时为 p l c ) 一电缆一路由器( 有时为工控计算机) 一电缆一局域网计算枫群一 i n t e r n e t 。 图2 一o 是简化工业集散控制系统的典型分布式物理结构形式，本例下位机 采用l o n w o r k s 现场总线技术作为采集系统的总线方式，每个m c r , ) 中包含若干 测点传感器通道( c h a n n e l ) 构成，中继器( r e p e a t e r ) 具有扩大网络交换范围 的功能，特别适合与不同结构的异种对等网，当由于时空等障碍原因，可采用 无线网的对等通信网代替有线电缆。 酗”一单一- s c 一 嚣犟糖琵加“囱囱瞳茧垦二| j 图2 0 工业集散控制系统的典型分布式物理结构形式 箩 旷凸，卜 j 黜i 其中图2 一o 没有加入业务逻辑结构，而图2 一l 是分布式监控系统的典型分 布式逻辑结构，它加入业务逻辑结构，具体图形如下： 图2 1 是分布式监控系统的典型分布式逻辑结构 1 1 1 系统功能设计 大坝安全监测系统具体实现的软件功能图如图2 - - 2 所示： 系统主控模块i敦据库j 图2 2 软件功能图 其他帮助绪你 蟊据字典 绘制!自咣 绘制过程缝 逐步回归分析多元回归分析 考证表查滟 计算成果畜=暮原始数据查询 外理翦据计算内观数据计算 平行惨正 粗差捡骁 评判工作衰 插值 输入考证表 输入观铡赣据 安全监稠简舟枢纽刚才简介 由于大坝安全监测系统的规模有大有小，软件功能复杂度也不一样。我们 主要实现其中的核心模块，响应的软件功能模块只不过是核心模块数据的不同 处理形式。 系统核心模块主要功能为：数据采集、显示、存储，现场设备的控制、参 数调整、状态的显示，上位机、下位机的通讯、报文装载、报文分解，数据处 理、分析、报警提示、系统r 志维护，界面的动态显示、窗口的管理、自动控 制执行、双机备份等。由于系统软件实在太复杂，必须使用软件工具对所有的 计算机软件资源和计算机相连的硬件资源进行配置，从而完成符合用户所需要 的特定的功能，即所谓的组态。要实现成功的组态，必须充分地了解系统用户 的各部分的业务需求( 或者功能) 。根据图2 2 是分布式监控系统的典型拓扑 逻辑结构，为了便于软件的集成，将系统软件分为两部分，即上位机软件和下 位机软件。实际上决策管理层是监视操作层的一个扩展应用，将监视操作层进 行动态的修改监视策略，这些都是上位机的一个功能部分。下位机软件是实现 现场控制层的执行结构，具体按照上位机的要求，完成现场的自动化控制的全 过程。 上位机的功能【8 l ： ( 1 ) 组态功能：能够设定整个系统的规模和对现场系统进行配置。 ( 2 ) 数据采集：通过下达命令，采集现场设备的状态参数，实现对现场的 监测功能。 ( 3 ) 算法控制功能：通过设置参数，对下位机进行运算控制，输出控制等 功能。 ( 4 ) 流程图显示：将下位机采集数据翻译成可视的流程图，模拟现场工作 情况。 ( 5 ) 趋势显示：通过动态的曲线来模拟过程量的变化规律，作为分析和预 报异常情况的依据。 ( 6 ) 数据存储：保存历史数据。 ( 7 ) 远程控制：通过网络传输的功能，实现对远端设备的控制。 ( 8 ) 报表打印与报警显示：对于报警提示，对于统计报表进行自动生成。 ( 9 ) 通讯功能：可以对下实现现场总线设备通讯，对上实现与局域网和互 联网相连，自动发电子邮件、短消息到用户的所在地和手机上，也可以实现语 音拨号到用户的电话上。 ( 1 0 ) 安全防护功能：提供多级权限，允许对现场的参数进行修改。 ( 1 1 ) 查询功能：能够实时的检索历史资料，进行分析。 ( 1 2 ) 校时功能：对下位机进行校时。 下位机的功能 ( 1 ) 数据采集。快速采集现场的设备的状态信息和传感器的值，作为控制 系统的工业现场输入，目的是为了得到合理决策控制的依据。 ( 2 ) 设备控制。根据设备的组态、控制算法组态，完成控制系统的工业现 场输出，达到科学地控制现场设备。 ( 3 ) 过程监测。主要完成现场系统的记录、报警、自检测、校时等工作。 记录系统的工作实时过程、异常情况、实时的报警，利于系统修改，使系统决 策更加优化，更加科学。 ( 4 ) 报文通讯。对上位机的下达的报文进行接收，对下达的报文进行应答， 它是现场系统与上位机的通讯枢纽。 2 3 3 系统数据流设计 从上位机和下位机的功能来看，它们之间必须由一个举足轻重的数据通讯 中心实时数据库，具体为一块高效的内存数据块。上位机从实时数据库中 心获得实时数据，作为界面显示、报警、各种图形控件、历史数据库等的数据 来源( 如趋势图等) ，上位机依靠实时数据库中心实时下达下位机的控制命令， 下位机从实时数据库中心获得实时控制命令，分析或组装命令信息，分发命令 信息，执行相应的命令信息，下位机将执行命令结果的应答信息，实时地上传 给实时数据库中心。 实时数据库中心的作用是整个系统的关键，设计好实时数据库是本监控软 件的核心基础，整个软件的数据驱动引擎就是实时数据库，在下一章介绍实时 数据库的关键技术。 实时数据库处在各模块的中心位置，如图2 3 组态数据流图所示，各模块 的功能将在后面介绍。 9 2 。4 渐近式目标导向开发 图2 3 组态数据流图 由于大坝安全监测系统是需要软件设计人员和大坝安全专家相互合作才能 使软件达到最佳化。一般软件设计人员设计出软件的开发框架，然后由大坝安 全工作人员在专家的指导下完成后续的软件任务，其中后续的软件任务编写和 调试决定了软件的效果是否优秀，所以渐近式目标导向开发非常适合这种开发。 它最大优点适合于业务模型经常变化，或者业务模型在开始不确定的情况。大 坝安全监测系统经常随着大坝所处的阶段变化而变化，一个大坝安全监测系统 从勘测规划、施工、竣工验收、运行管理，一般经历好几年才能完成，不同阶 段有不同的要求，所以选择渐近式目标导向开发是非常必要的。从市场上出现 的大坝安全监测系统软件来看，大部分软件都只提供了基本的框架的开发，完 成现场的采集、传输、数据入库，其它软件功能都由大坝企业根据自己的需要， 自己完成相应的其它功能。 渐近式目标导向开发一般从部分业务需求出发，先建立较不完善的系统， 通过测试运行系统，取得系统运行规律，进一步扩充业务需求，改进系统使系 统更加完善。如此反复，直到软件人员所设计的软件系统让用户满意为止。 渐近式目标导向开发要求系统开发提供每个阶段的业务需求，每个阶段的 业务需求是上一个阶段业务需求的扩充，软件文档连续性要求严格，一旦修改 了某阶段的文档资料，必须检查修改以前的相关联的所有文档资料，以保证软 l o 件的文档资料的一致性。 总之，渐近式目标导向开发有利于系统的开发与完善a 2 4 1 系统软件开发框架图 根据上位机和下位机的功能，结合渐近式工程开发的不同阶段，有不同的 实现e l 标，系统可分为以下几个阶段进行模块组态。具体阶段如下：系统设备 版的开发，系统组态版的开发，系统运行版的开发。每个阶段都是在上一阶段 的基t i 出i - ，进行扩充，有利于开发的连续性。结合开发阶段和各个模块的相互 关系，提出系统软件开发框架如下图2 - - 4 系统模块结构所示 9 】： 2 4 2 系统设备版软件的开发 图2 4 系统模块结构 目标和方法：使用对象是系统的高级用户，将现场的设备映射为逻辑设备， 存入相应设备的各种参数。主要内容为设备的基本特征、变量、报文、报警、 显示界面参数等信息的存入数据库。具体设备的基本特征、变量、报文、报警、 显示界面参数等对象可以从相关的统一的对话框界面上选取，保存于数据库或 内存中，要维护数据库与内存中的数据一致性。 实现模块功能有： ( 1 ) 数据字典模块：主要为数据字典的建立与维护，其中数据字典要求包 括各种设备的属性、控制命令等信息的数字化，实际为实际属性类型值和信息 的数字化一种映射。对于精简信息结构、维护增量开发一致性是非常重要。 ( 2 ) 设备管理模块：这是设备版的开发的核心模块，包括各种设备的输入、 编辑、删除、设备的接口、设备报文形式以及设备中的控制变量等信息都存入 数据库。 ( 3 ) 报警组态模块：主要提供多种报警方式，对于需要监控的过程量进行 报警的配置，结果存入数据库。 ( 4 ) 设备界面模块：对于设备在显示界面上显示位置进行定位、显示、隐 藏等组态。 ( 5 ) 图形库模块：设备的图形化，是为设备组态服务的。v i s i 0 2 0 0 0 中有 大量的现成设备的图形，使用起来极为方便。即使极少数图形不存在，v i s i 0 2 0 0 0 中绘制图形也极为容易，制作成图形对象比在v i s u a lc + + 中绘图操作要容易。 这比m f c 中重载自动绘图类，极大提高了速度，制作的图形也非常美观。 ( 6 ) 图标库模块：这是图形化软件对信息设备一种表达方法，在v i s u a lc + + 中必须用它的集成环境中提供的图标编辑器，进行绘制图标，在程序运行中加 载图标资源。其它环境中无法使用此图标库。 2 4 3 系统组态版软件的开发 目标和方法：使用对象是系统的普通用户。主要功能是完成一个工程实例， 用户对现场应用中的规模定制和界面制作。包括系统总线协议参数选择、所使 用的设备选择、报警设置、监控界面制作、控制条件关联组态等。系统设备版 的开发只完成所有设备信息的入库，形成一个全部设备仓库，也就是设备总表。 根据面向对象的编程方法，需要将设备按照系统控制层次要求，分成几个小的、 自主小对象( 工控中称为子站) ，对子站进行组态( 或称为配置) 。这样运行中 使用面向对象的方法，对系统中几个子站对象进行调用，就完成一个大系统的 软件管理与运行，现在较大的系统软件开发，都采用这种面向对象的技术。 实现模块功能有： ( 1 ) 图形组态：主要有系统结构图、设备网络图、平面布置图等三图绘制 工作，包括图元、控件的绘制和三图组态界面的打印。其中包括：文件操作， 模块操作、模块问的连接以及最终操作结果的存储等。 ( 2 ) 测点显示及报警显示的界面组态：测点显示的界面组态主要完成随现 场采集数据变化关系的组态，报警显示的界面组态完成报警的处理方式组态和 报警阀值的设置。 ( 3 ) 策略控制：在界面上完成多个控制逻辑环节的增、删、连接、修改等 最后形成顺序控制链的保存。 2 4 4 系统运行版软件的开发 目标和方法：使用对象是系统的最终用户。主要完成实时监测任务，实现 采集、传输、报文分解与下达、实时数据库、数据统计分析处理、报警信息处 理、监测数据入库、界面显示处理、系统自动控制等功能。具体实现模块功能 有： ( 1 ) 通讯模块：系统中负责与现场总线设备进行通讯，主要有报文的收 发工作和现场总线的故障诊断、测试工作。 ( 2 ) 报文分解与组装：负责报文的解读与打包，达到c + + 中的变量与现 场设备中的报文进行交互。 ( 3 ) 系统分析：主要对系统监测模型分析、系统设备自检、系统评价等分 析。 ( 4 ) 系统管理：主要为数据库管理、运行日志、网络和用户的管理。 ( 5 ) 自动控制：对于无人值守的情况下，系统启动自动执行预案。系统在 遇到意外死机时心跳程序的监测与重新启动。 ( 6 ) 窗口显示模块：主要有监测对象界面显示与报警处理。每隔一定的时 间，根据实时数据库的信息及时地在监控界面上显示，若有报警信息也及时地 刷新报警窗口，必要时与用户进行报警确认的交互。 ( 7 ) 数据库模块：主要有实时数据库的更新与历史数据库的存储。实时数 据库是在内存中开辟的一块特殊的数据结构区，用解读的报文中的变量进行更 新对应的内存区和存储于历史数据库中的数据。历史数据库是一个大型的数据 库，保存系统的长期监测资料和分析资料。 2 s 开发平台与开发工具1 d 】 本系统是基于个人板w i n d o w s 2 0 0 0 系列的操作系统进行开发，具有以下优 点： ( 1 ) w i n d o w s 2 0 0 0p r o f e s s i o n 支持n t 架构，移植到w i r t 2 0 0 0n t 非常容 易，操作系统支持多任务、多用户，具有完善的网络用户管理、电子邮件、报 警、日志功能。 ( 2 ) w i n d o w s 2 0 0 0 操作系统使用方便，用户广泛。 ( 3 ) w i n d o w s 2 0 0 0 具有大量丰富的组件可供使用，减少开发难度。 ( 4 ) w i n d o w s 2 0 0 0 图形功能非常强大，是一个标准的3 2 位操作系统，与 其它软件兼容性好。 ( 5 ) 支持向导功能，可以定制加入的动态程序库和程序结构。 开发工具使用m i c r o s o f t 公司v i s u a lc + + 6 0 ，这是基于以下考虑的1 3 0 j ： ( 1 ) v i s u a l c + + 提供一个强大m f c 类库，对窗口、菜单、工具条、文档、 视图的集成开发框架环境，使用非常方便。 ( 2 ) v i s u a lc + + 提供面向对象的机制，对类、消息映射进行了良好的封装， 使用时的项目设计与管理非常容易。 ( 3 ) c + + 语言具有很多的范型，其它任何语言编程的机制都可以在c + + 中找到应用范型，其中包括对于c 语言的支持，汇编语言的直接调用，使得其 应用资源非常多。 ( 4 ) 差不多市场上流行的软件都可以在v i s u a lc + + 中方便的调用，即有丰 富的应用程序库或组件，如本软件系统使用的m i c r o s o f t s q l 2 0 0 0 ，m a t l a b ，v i s i 0 2 0 0 0 ，o f f i c e 2 0 0 0 等都可以在v i s u a lc + + 中方便的调用，或 进行深度开发。 ( 5 ) f o r h l + + 扩展类库，支持象v i s i o 一样界面功能的c + + 图形控件开发， 避免了s i 0 2 0 0 0 在实时画面监测的性能上的不足。 1 4 第三章大坝安全监测系统软件开发中的关键技术 由于大坝监测系统功能模块较多，而且采用渐近式目标导向开发方式，所 以除了要求实现大坝监测系统功能模块外，还要将开发工作流程文档化，做到 渐近式开发的前后的一致性。本章重点介绍系统开发的各种技术如下：数据字 典编制，系统数据字典浏览器，v i s i 0 2 0 0 0 界面开发应用与编程，算法组态过程， 数据库连接以及m a t l a bd l l 动态编程，最后介绍下位机的组态与通讯。 3 1 数据字典编制 数据字典是关于数据信息的集合，也就是数据流中包含的所有元素定义的 集合。目标是完成软件分析和设计阶段中，统一数据描述信息的一些规范文档 或原始资料，为后续开发的深入提供一致性的保证。其中最重要的用途是软件 设计阶段的通讯工具，它有利于在不同的开发阶段或不同的开发小组之间维护 代码的一致性。此软件模块的主要功能为数据字典的建立与维护，其中数据字 典要求包括各种设备的属性、控制命令等信息的数字化。实际为对象属性类型 和信息的数字化一种映射。对于精简信息结构、维护增量开发一致性是非常重 要。 数据字典定义的元素类型有数据流类型、数据元素、数据存储、数据处理 信息等。一般的数据字典具有以下信息：通用信息( 名字、别名、描述等) ，数 据结构( 数据类型、长度、结构等) ，使用特点( 值域、使用频率、使用方式等) ， 控制信息( 用户使用权、数据驱动方式等) 和存储特性。 数据字典是数据库开发的第一步，它能协调开发人员依据数据字典进行相 应模块的设计。若经常的变动数据字典，程序必须作出相应的改变，这样会增 加软件设计人员很多不必要的工作。 3 1 i 工位字典i l l 为了便于测点的数据管理，引入工位的概念，即工业生产现场中的检测点 和控制点。现场监测系统中最核心的元素是工位，这些在监控过程中是以各种 形式的变量出现的，实行归口管理，这些变量的工作成为监测系统最主要的任 务。从系统功能中数据通讯、报文解释与组装、算法控制逻辑、界面显示、报 表组态都是以工位为基础的，所以工控软件是围绕工位展开的。所有工位集合 组成工位字典，有了工位字典，在软件设计中对工位的组态和软件运行中的引 用，会变得非常方便。组态时，将所有的工位信息记录于数据表中，使用时， 将表中的数据信息提出，维护了开发中一致性问题。 工