基于Web的工程制图协同学习支持系统的研究与实现及基于GIS和SCADA技术的供水管网管理信息系统设计

基于Web的工程制图协同学习支持系统的研究与实现 摘要：网络学习支持系统是实施网上协同学习的基础环境。本文讨论了一个基于WEB的工程制图协同学习支持系统，对其系统结构进行了介绍，并对支持整个系统的几个功能模块的主要技术特点和关键技术进行了研究和分析。关键词：基于网络,协同学习支持系统，工程制图,智能评价Web-basedEngineeringGraphicsCooperativeLeraningSupportingStytemResearchandImplementAbstract:Web-basedLearningSupportingSystemisthebasicenvironmentofimplementingtheWebCooperativeLearning.Inthispaper,theWeb-basedEngineeringGraphicsCooperativeLearningSupportingsystemisdiscussedandtheSystemArchitectureproperlytobeusedisintroduced.Finallythemainlytechnicalcharacteristicsandthekeytechniquesofthemodulesforthesupportingsystemarestudiedandanalyzed.KeyWords:Web-based，CSCLSupportingSystem,EngineeringGraphics,IntelligentEvaluation

引言随着计算机技术和计算机图形学的飞速发展，CAI和多媒体技术被大量的应用于现有的教学中，使得学习效率得以很大提高。但这仍然只是定型式的讲述教学内容，在学习过程中学生是被动的，学生与教师之间、学生与学生之间无法进行有效的交流，现有的教学手段和学习方式存在着很大的局限。今天，以计算机网络为核心的现代信息技术给人类的发展提供了前所未有的机遇和极大的潜力，同时也为教育的改革和发展提供了新的契机。随着Web技术的飞速发展和CSCW(ComputerSupportedCooperativeWork)技术的深入研究，并结合本单位在工程制图、CAI、计算机多媒体技术方面的科研优势，提出了基于WEB的CSCL(ComputerSupportedCooperativeLearning)这一新的学习方式。CSCL是CSCW在学习过程中的应用,它支持多个时间上分离、空间上分布，而学习过程中又相互依赖的协作成员的协同工作,为在时空上分散的人们提供了一个“面对面”和“WYSIWIS”(你见即我见)的协同学习环境。本文将主要讨论基于Web的协同学习支持系统。CSCL的开发环境和技术路线2.1WEB应用系统的常见体系结构客户/服务器（Client/Server）模式发展于九十年代并成为主流，随着信息技术的发展、网络的不断延伸以及应用的不断扩充，出现了一些的新的问题，如不同的网络操作系统，不同的数据库平台之间的相互操作等，使得C/S模式不能完全满足需要，于是产生了基于浏览器/WEB服务器（Browser/WebServer）模式的解决策略。2.1.1传统的C/S二层体系结构传统的C/S结构是以具有高性能的服务器的计算机网络为硬件环境的一种分布式信息处理模式，分两层：后台服务器端，主要负责处理数据库；前台客户端，主要负责处理应用程序和请求服务。C/S结构的工作原理是：用户通过应用程序向客户机提出数据要求，客户机通过网络将用户的数据要求提交给服务器，服务器的数据库管理系统执行数据处理任务，然后将经过处理后的用户需要的那部分数据，但不是整个文件，传输到客户机上，最后由客户机完成对其所需数据的加工。数据库管理系统应用程序数据请求数据库管理系统应用程序用户数据返回客户端服务器端图1Client/Server二层结构2.1.2Browser/Server三层体系结构B/S体系结构基于传统的C/S结构，是将Client端的应用程序模块和显示功能分开，并将其放到WEB服务器上单独组成一层，Client端只安装单一的浏览器。在服务器端分成WEB应用服务器和数据库服务器。数据库服务器WEB服务器浏览器信息请求数据请求数据库服务器WEB服务器浏览器用户信息返回数据返回表示层功能层数据层图2Browser/Server三层结构表示层：即WEBBrowser。是用户与系统之间的接口界面部分，主要任务是向WEB服务器提出服务请求和接受WEB服务器传来的文件资料并将其显示与浏览器上。功能层：即具有应用程序扩展功能的WEB服务器。包括了应用中全部的业务处理，主要任务是接受用户的请求，执行相应的扩展应用程序与数据库相连，通过SQL等方式向数据库服务器提出数据处理请求，等数据库服务器将数据处理的结果提交回来，再传送给客户端。数据层：即数据库服务器。管理对数据库中数据的读写，主要任务是接受WEB服务器对数据库操作的请求，实现对数据库查询、修改、更新等功能，然后将运行结果提交给WEB服务器。2.2基于WEB的工程制图CSCL系统适用结构的考虑传统的C／S结构具有专用性和交互性强以及网络通讯量少、速度快的优点，同时由于客户端装有专用软件而存在软件维护困难和客户端与服务器端信息一致性差等不足。而B/S结构由于客户端只需配置WEB浏览器以及在服务器端能通过ASP等支持软件负责完成全部的应用业务而具有通用性高、使用简单、易于统一、易于开发等优点，同时也由于其三层结构而使得通讯量大、运行速度慢。本文通过对以上B/S和C/S结构的比较分析，并结合工程制图的具体特点，在选择适用的CSCL系统的结构时，考虑了以下几点：客户端除配置Browser外，还要求配置必要的专用软件。如“白板系统”，以支持群体学习用户之间的协同学习。为适应工程制图课程中的识图、绘图环境，需要使得客户端能直接操作绘图软件，如“CAD”应用软件。（2）WEB服务器端要对CSCL中协作学习过程进行支持和管理，如对协同环境中协同会话、协同识图和协同作图的支持和管理。并对数据库进行集中的统一管理，以实现CSCL整个系统中数据的一致性。（3）因为在具体的工程制图学习系统中要用到大量的图形和三维的视图效果以及动画演示等多媒体素材，可考虑在应用系统中加入多媒体数据库，对大量的多媒体信息进行有效的管理。综合以上因素，可考虑采用以下模型：系统数据库多媒体数据库协同会话支持协同识图支持协同制图支持智能控制支持Browser专用应用软件系统数据库多媒体数据库协同会话支持协同识图支持协同制图支持智能控制支持Browser专用应用软件协同成员端协同服务器端协同数据库端图3CSCL系统结构协同成员端即客户端，除了配置Browser外，还安装支持协同学习成员之间进行协作学习的一些专用应用软件。这些应用软件通过一定的方式或在服务器的支持下能够在协同学习成员端实现协同学习成员之间WYSIWIS（你见即我见）的协同方式。协同服务器端除了接受客户端的数据请求和返回数据，以及完成对数据库进行相应的操作外，还要通过建立一些相应的功能模块，以支持和实现整个CSCL系统协同学习功能。若要在CSCL系统中进行一些智能控制，如对协同学习成员的学习效果进行评价、测试等，还需要加入智能控制支持服务。协同数据库端包括协同学习成员的个人信息、学习进度等系统数据库和对大量多媒体素材进行管理的多媒体数据库。支持服务器对其数据进行操作并保持整个CSCL系统中信息的一致性。基于Web的工程制图协同学习支持模块的结构和功能设计一组协同成员之间的协同，通常是通过交互完成的。根据交互方式的空间位置和应答方式，协同学习的工作方式可以分为面对面交互、异步交互、异步分布式交互和同步分布式交互4类。其中，面对面交互最简单，通常以会议的形式进行；异步交互可以通过共享数据库实现；异步分布式交互需要网络的支持，可通过文件管理、E-mail、分布式数据库等实现；同步分布式交互实现的难度较大，除了实现异步分布式交互时所需要的各种支持工具外，还需要有能够支持实时协作的环境。为了给参加协同学习的人员提供一个自然的协作平台，协同学习系统必须对这几种交互式方式提供支持。 CSCL

支持系统主要是指CSCL系统结构中服务器端的一些协同支持模块，包括协同会话支持模块、协同识图支持模块、协同绘图支持模以及智能控制支持模块，以实现对整个协同学习环境的支持。协同会话支持模块：协同会话主要指文本信息的共享，提供一个协同环境给各协同学习成员针对某一主题发表意见，进行讨论。此模块功能可通过如“白板系统”等实现。此处的关键是实现协同会话控制，访问控制和发言权控制等功能。协同识图支持模块：协同识图主要指处于协同学习环境中的协同成员之间实现WYSIWIS（你见即我见）的视图方式。此处的关键是如何将本系统中大量使用的矢量图形通过网络在协同学习成员之间进行传输通讯以及在各个协同学习成员端加以显示。因为矢量数据本身已对图形数据进行了高强度的压缩，数据冗余量极小，可减少通讯量，提高网络速度。协同绘图支持模块：协同绘图主要接受和转发协同学习成员的绘图消息，并保证协同学习成员端视图中的数据信息保持一致。此处的关键是实现WEB服务器端对系统学习成员端的专用应用软件进行相应的控制，接受协同学习成员端的动作并将其转发给协同学习环境中的其他协同成员。智能控制支持模块：智能控制模块主要是在CSCL系统中加入一些智能性的控制功能，如对协同学习成员的学习效果进行评价以及对答题进行智能评判等。此处的关键是建立合适的评价模型,其中包括建立学生和题库合理的数据结构，以用来对整个协同学习过程进行一定的智能控制。4结论网络技术和计算机的日新月异，迫切需要采用新的学习方式以迎接21世纪的挑战。基于Web的协同学习正是这样的一种全新的学习方式。而且，本文中所讨论的有关协同学习支持系统具有一定的通用性，对于其它学科也有很好的借鉴作用。参考文献1史美林，向勇；信息化进程中的新领域——计算机协同工作技术；数据通信，1998，9，1—14张瑞秋，刘林；建筑CAD网络协同设计；工程图学学报，2001，3，84—87蔡秀云，张红；ASP程序和ActiveX技术结合开发WEB系统；工程图学学报，2001，3，88—91流强；二十一世纪的教学方式：基于WEB的教学；计算机教育与教学论坛，2000汪惠芬，张友良；基于特征的协同设计；计算机辅助设计与图形学学报，2001，4（13），367—372王魁生，李人厚；Internet/Intranet上CSCW中白板系统的设计与实现；计算机科学，1999，2（26），86—88莫春柳；开放式多媒体CAI可见的构造与设想；工程图学学报，2001，3，75—78周瑾，肖兴明；工程制图绘图练习智能化多媒体CAI；工程图学学报，2000，1，93—97基于GIS和SCADA技术的供水管网管理信息系统设计『摘要』加强对城镇供水管网管理的信息化建设具有相当重要意义。文中通过阐述实现供水信息管理与调度监控一体化设计的必要性，提出了系统的组成，进行了系统功能设计和数据流程图设计，实现了GIS和SCADA系统在技术上的互补，增强了模型可视化分析能力。最后，通过实例验证，表明该系统具有较强的实用价值，提高了工作效率和科学管理水平，增加了供水管网运行安全性，具有良好的应用的前景。关键字：GISSCADA一体化必要性互补系统设计系统特点

1、前言城镇供水管网系统是城市极为重要的基础设施，经济与社会发展的源泉，加强对供水管网管理的信息化建设具有相当重要意义。利用计算机信息技术、通信技术和自动控制技术对整个供水管网运行过程的主要参数、管网静态信息、设备运行状况进行动态监测、实时调度和自动化控制，实现供水系统自动化信息管理，并将监测点信息与管网空间位置相结合，以地形图为基础，直观表达管网运行状况和监控点状态，结合预测、统计、数学模型、空间分析等手段，实现供水管网信息查询、供水管网爆管报警、对供水管网调度各个环节的合理配置，保障供水管网经济、安全、可靠的运行。目前在我国的供水行业中，GIS软件和SCADA(SupervisoryControlandDataAcquisition数据采集与监视控制系统）软件都较为成熟，但在当前众多的实际供水管理应用场合，它们也只是作为单独的软件系统平台应用。随着管网信息化建设的发展，如何将GIS静态数据同SCADA动态数据融合在一起，成为供水管理的趋势。本文将讨论如何利用GIS和SCADA系统技术实现对供水信息与调度监控的有效管理,这将极大地提高供水部门的管理水平和工作效率。2、供水信息管理与调度监控一体化设计的必要性SCADA是用于现场监测和自动化管理技术。国内从20世纪80年代开始,SCADA系统在供水行业得到了广泛的应用，它实时采集现场数据,对现场进行本地或远程的自动控制,对供水过程进行全面、实时监视,并为生产、调度和管理提供必要的参考数据。GIS作为集计算机科学、地理学、测绘遥感学、环境科学、城市科学、空间科学及相关学科等为一体的新兴学科，能够对海量空间数据、拓扑结构、拓扑关系进行有效管理，能够进行与空间相关的查询统计、空间分析（多边形迭置、缓冲分析、网络分析等）和三维模型分析，提供多种空间数据录入和输出手段。SCADA和GIS的这些功能正是一个完备的供水运行调度和管理所应具备的基础平台。SCADA系统最大的局限性在于它缺乏显示空间数据能力，而GIS具有显示复杂空间数据能力，确不能很好管理实时数据的问题。SCADA系统与GIS系统集成，进行一体化设计和应用，可以增加现场实时监测数据的可视化能力，可以实现SCADA系统和GIS系统在技术上互补。供水信息管理和调度监控一体化设计是实现供水系统优化运行和科学管理的必经之路，是实现供水系统安全保障体系的基础组成部分。3、系统设计目前，国内已开发完成的供水管网调度系统大多数都是依赖某个特定的SCADA和GIS系统平台，限制了系统之间的可操作性能.针对国内应用现状，本文提出的基于SCADA与GIS技术集成的供水信息管理与调度监控系统,是一个现代化的分布式供水管网调度管理系统平台，SCADA和GIS数据的处理在统一的平台上完成，系统同时支持空间和实时动态数据的处理，且保证必要的效率；系统不依赖于特定的GIS和SCADA系统的，用户最终通过统一接口访问空间和历史的、实时的动态数据，并在此之上执行供水系统运行管理与调度分析工作。3.1系统组成系统组成如下图所示：图1：系统结构图“供水管网管理信息系统”供由三大部分组成：数据管理中心该部分主要集中管理整个平台数据，主要包括：矢量地图数据库，管网设备属性数据库、空间数据库、业务处理数据库，SCADA动态数据库以及备份数据库等组成。SCADA采集终端主要包括数据采集仪表、各种RTU或PLC单元及通讯模块。功能管理平台该平台主要实现对供水管网系统的各种管理功能，它由四个部分组成。管网编辑平台：对管网进行编辑和修改，同时建立空间数据库同属性数据库之间的联系；管网信息管理平台：对管网设备的管理，如设备查询，连通性分析以及关阀分析，并进行相关信息的统计和报表打印等功能；SCADA监控平台：该平台将SCADA数据同GIS系统融合一体，是该系统的核心部分，通过该平台，在GIS地图上显示SCADA的实时和历史数据，并通过该平台可查看水厂，泵站的实时运行状况，实现了对象的空间数据、静态属性数据和动态数据的交叉访问，为供水调度决策支持提供帮助。爆管监察平台：该平台是在SCADA系统平台的基础上的进一步应用，通过分析SCADA实时数据的变化，通过建立管网爆管报警数学模型，使得供水系统运行管理者在当地下水管爆裂或漏水不等到“水漫金山”时才被发现。系统运行软件环境：操作系统：Windows2000及以上版本；数据库：SQLServer2000；供水信息管理与调度监控系统；GIS平台组件。3.2系统功能设计系统总体功能模块如图2所示：图2：系统功能树地图管理该功能主要包括：地图基本操作，地图背景色设置，鹰眼图，图层控制，以及管网标注等功能组成。管网编辑编辑：能够针对系统中的各个数据表文件录入新增记录，修改、删除已有记录，并对新增记录或修改记录进行合法性检验。查询分析主要包括：地图查询，设备查询，连通性分析，关阀分析等功能操作，并针对查询的结果可显示相应的报表和统计信息，并可能够根据输入的条件，从数据表中整理出有关记录并加以统计、汇总，然后以报表的形式显示(打印预览)或打印。SCADA监控该系统将GIS同SCADA数据管理融合在一起。通过此功能模块并在地图上实时的显示出从SCADA的历史和即时数据内容，并可同预测分析模块结合，建立历史曲线和趋势曲线显示。在该功能模块亦可详细的显示水厂或水泵的动态数据变化趋势爆管监察该功能通过同SCADA实时数据结合可以及时的发现爆管的区域，同时亦可报警可能将发生爆管的区域。系统管理主要进行数据服务器的设置，登陆的权限管理，同时建立运行日志管理和数据备份等管理功能。3.3系统数据流程图为建立GIS同SCADA一体化的综合统一平台，关键是如何将SCADA数据融合到GIS系统中去，在本系统中，管网地图（GIS平台）是所有功能的支撑基础。通过网络通信模块从SCADA终端采集到的数据可根据需要对实时数据进行处理，另一方面也可将SCADA数据存储到数据库建立历史数据库。所以本系统中SCADA数据可分为历史数据和实时数据两个部分。历史SCADA数据处理：我们可直接通过本系统平台将SCADA历史数据按一定的刷新频率显示在地图上，同时也可根据需要生成历史状态曲线，形象而生动的表现出数据变化的状态。通过预测分析模块，结合历史数据，我们可以实现趋势曲线状态，为进一步的资源优化、调度和分析提供决策支持。实时SCADA数据处理：通过本系统，可直接将实时SCADA数据显示在地图的流量/压力检测仪器的旁边，这样就可以在地图上及时的查看SCADA数据的变化。同时可将SCADA变化趋势反应到对应的水厂/泵站的水位或压力变化上。这样就可以以一种动态的方式来显示出水厂/泵站的水位变化情况。对GIS和SCADA的结合，更在爆管监察功能得到体现。首先在地图上绘制特定的区域A，同时将该区域同时间数据和SCADA终端的测量数据值变化的范围结合在一起，从而完成了爆管监察的报警参数设置，而后通过监察分析模块，每5分钟（同SCADA终端采集频率一样）检测从SCADA获取到的监测数据。这样如果从SCADA获得的监测的值在某时间段里的变化范围大于已设置的报警参数容限，则表示该区域可能已经发生故障。于是系统将自动的实现对A区域的闪亮报警，同时也可提供声音等多种报警方式，从而为及时并准确的实现爆管抢修赢得时间。4、系统的特点基于GIS与SCADA技术的供水信息管理与调度监控系统有以下特点:一体化设计。通过GIS系统和SCADA系统一体化设计，在技术上实现了两大系统功能互补，同时消除了信息孤岛。SCADA系统离不开GIS系统，同时GIS系统的良好的运行也需要SCADA系统支持，只有这两个系统相辅相成才能实现对供水管网系统有效的科学化管理。统一的数据管理。通过预先统一的建库标准分别建立供水管网信息数据库（空间数据、属性数据）及实时动态数据库，不同类数据之间实现统一管理，数据的调用安全、可靠、高效。实现了爆管监察管理。供水企业通过该模块的应用，可以第一时间接到系统“报警”，马上派人到现场抢修，一方面可以不让宝贵的水资源白白流失，另一方面可以极大程度上减少爆管对城