基于智能客戶端的GPS大壩變形監(jiān)測資料整編與分析系統(tǒng)

葛從兵,鮑 亮

(南京水利科學研究院,江蘇南京 210029)

GPS[1]技術(shù)作為先進的測量手段,已應(yīng)用于大壩變形監(jiān)測,并取得良好的效果。多數(shù)GPS大壩變形監(jiān)測系統(tǒng)采用通用數(shù)據(jù)后處理軟件,這些軟件具有數(shù)據(jù)處理和通用圖形繪制功能,但缺少報表和相關(guān)的分析,圖形在概念和表示方面與大壩變形監(jiān)測存在差異。

針對上述情況,在水利部引進國際先進水利科學技術(shù)項目“高精度GPS系統(tǒng)在大壩安全監(jiān)測中的應(yīng)用”中,根據(jù)大壩變形監(jiān)測的特點,開發(fā)了基于智能客戶端的GPS大壩變形監(jiān)測資料整編與分析系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)功能

GPS大壩變形監(jiān)測資料整編與分析系統(tǒng)是從GPS實時測量軟件中獲取測量數(shù)據(jù)進行資料整編與分析的信息系統(tǒng)。與通用GPS后處理軟件相比,它具有數(shù)據(jù)突變檢查、基礎(chǔ)資料表、統(tǒng)計表、歷年特征表、變化速率過程線、相關(guān)線、斷面分布圖、統(tǒng)計模型、資料分析[2-3]等功能;與一般資料整編系統(tǒng)相比,它具有數(shù)據(jù)導入、坐標系轉(zhuǎn)換、位移計算、統(tǒng)計模型、資料分析等功能。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

目前,信息系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要有客戶機/服務(wù)器(C/S)和瀏覽器/服務(wù)器(B/S)。C/S結(jié)構(gòu)具有交換性強、存取模式安全、網(wǎng)絡(luò)通信量低等優(yōu)點和開發(fā)成本較高、移植困難、部署及升級工作量大、維護難度大等缺點;B/S結(jié)構(gòu)具有操作簡單、易于部署、易于升級和維護、技術(shù)平臺穩(wěn)定、信息共享度高等優(yōu)點和需在線工作、未利用客戶端資源、網(wǎng)絡(luò)傳輸量大、安全性較低等缺點。

智能客戶端[4]是一個可擴展、可集成不同桌面的應(yīng)用程序,它允許本地應(yīng)用程序通過Web服務(wù)器和服務(wù)器應(yīng)用程序交互,兼有胖客戶端的豐富性和瘦客戶端的易于部署及可管理性。

GPS大壩變形監(jiān)測資料整編與分析系統(tǒng)采用智能客戶端技術(shù)構(gòu)建系統(tǒng),系統(tǒng)由數(shù)據(jù)庫、Web Service和智能客戶端組成,見圖1。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器存儲GPS測量數(shù)據(jù)和經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后的變形數(shù)據(jù);Web服務(wù)器提供變形數(shù)據(jù)的Web Service,為智能客戶端提供數(shù)據(jù);智能客戶端完成數(shù)據(jù)導入、數(shù)據(jù)處理、資料整編和分析等任務(wù)。

1.3 Web Service

Web Service[5]為智能客戶端提供數(shù)據(jù)并根據(jù)智能客戶端的請求對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行更新。通常情況下,Web Service實現(xiàn)接口,并在UDDI(統(tǒng)一描述、發(fā)現(xiàn)和集成)上發(fā)布WSDL(Web服務(wù)描述語言)文件。Web Service請求提供服務(wù)時先對用戶進行驗證,然后再提交數(shù)據(jù)。傳輸數(shù)據(jù)格式采用XML,并用DES加密算法對數(shù)據(jù)加密。在GPS大壩變形監(jiān)測資料整編與分析系統(tǒng)中,由于智能客戶端已知Web Service的接口定義,不需要在UDDI發(fā)布WSDL服務(wù)描述文件。

Web Service通過數(shù)據(jù)集[6]在數(shù)據(jù)庫和智能客戶端之間傳遞數(shù)據(jù)。Web Service提供的多達30種方法供智能客戶端調(diào)用:數(shù)據(jù)集獲取、數(shù)據(jù)集上傳、數(shù)據(jù)導入、坐標系轉(zhuǎn)換等。

1.4 脫機-聯(lián)機數(shù)據(jù)模型

智能客戶端有2種運行模式:聯(lián)機模式和脫機模式。當用戶登錄遠程服務(wù)器時,智能客戶端處于聯(lián)機狀態(tài),它管理內(nèi)存中的所有數(shù)據(jù),依靠Web服務(wù)獲取遠程數(shù)據(jù)庫中最新數(shù)據(jù)和將用戶更改的數(shù)據(jù)更新至數(shù)據(jù)庫中;當用戶未登錄遠程服務(wù)器、選擇脫機模式或因網(wǎng)絡(luò)問題不能登錄遠程服務(wù)器時,智能客戶端處于脫機狀態(tài),它管理內(nèi)存中的所有數(shù)據(jù),不能獲取或更新遠程數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù),但可將更新數(shù)據(jù)保存至本地硬盤。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由聯(lián)機模式轉(zhuǎn)為脫機模式時,智能客戶端將數(shù)據(jù)集以XML格式保存至本地硬盤,將相關(guān)對象寫入注冊表;由脫機模式轉(zhuǎn)為聯(lián)機模式時,智能客戶端將更新遠程數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù),刪除以XML格式保存至本地硬盤上的數(shù)據(jù)文件,并刪除注冊表中相關(guān)信息。

1.5 數(shù)據(jù)沖突處理

當多個智能客戶端同時對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行更新時,存在數(shù)據(jù)沖突可能。常見的沖突情況是智能客戶端嘗試更新或刪除數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)時,這些數(shù)據(jù)自該智能客戶端上次訪問它們后已被更改或刪除。

為了解決數(shù)據(jù)沖突,在數(shù)據(jù)更新時利用數(shù)據(jù)集存儲數(shù)據(jù)更新信息的特點,驗證數(shù)據(jù)庫中記錄自其副本存儲到智能客戶端數(shù)據(jù)集后是否被更改。如未被更改,則對記錄進行更新;否則,將逐一顯示存在沖突的記錄在數(shù)據(jù)庫中的當前值及待更新值,并詢問用戶是否用待更新值去替換數(shù)據(jù)庫中的當前值。

1.6 客戶端自動更新

GPS大壩變形監(jiān)測資料整編與分析系統(tǒng)采用.NET Application Updater組件下載智能客戶端最新的版本,實現(xiàn)智能客戶端自動更新。

.NET Application Updater組件由2部分組成:1個可執(zhí)行文件AppStart.exe和1個內(nèi)置在智能客戶的組件AppUpdater?？蓤?zhí)行文件AppStart.exe通過讀取本地配置文件AppStart.config啟動智能客戶端的適當版本。AppUpdater組件在后臺工作,通過輪詢位于遠程服務(wù)器上的XML文件UpdateVersion.xml來檢查是否存在更新版本的智能客戶端。若存在,則創(chuàng)建1個新的本地目錄,將新版的文件下載至該目錄,編輯本地配置文件,并將可執(zhí)行文件AppStart.exe重定向為更新版本的本地目錄。

2 數(shù)據(jù)處理與分析

2.1 坐標轉(zhuǎn)換

GPS測量數(shù)據(jù)一般是WGS84坐標系統(tǒng)的大地坐標,需先轉(zhuǎn)換為沿壩軸線坐標系下的坐標,然后才能計算各個方向的位移。坐標轉(zhuǎn)換由高斯投影[7]、平移、旋轉(zhuǎn)、再平移等4步組成,平移、旋轉(zhuǎn)、再平移時需選擇1個GPS測點作為參考點G參。高斯投影將測量數(shù)據(jù)由WGS84坐標系統(tǒng)的大地坐標系轉(zhuǎn)換為54年北京坐標系,平移、旋轉(zhuǎn)、再平移分別完成54年北京坐標系轉(zhuǎn)換為原點為G參的坐標系,坐標系旋轉(zhuǎn)使x軸方向與壩軸線方向一致,坐標原點平移至壩軸線與樁號0+000的交點。平移、旋轉(zhuǎn)、再平移公式分別為式(1)、式(2)、式(3):

式中:x,y為GPS測點在54年北京坐標系下的坐標值;x1,y1,x2,y2為中間變量;x3,y3為GPS測點在沿壩軸線坐標系下的坐標值;x54,y54為G參在54年北京坐標系下的坐標值;θ為54年北京坐標系的x軸與壩軸線逆時針方向的夾角;xb,yb分別為G參至樁號0+000和壩軸線的距離。

2.2 統(tǒng)計模型

GPS大壩變形監(jiān)測資料整編與分析系統(tǒng)采用多元逐步回歸方法建立橫向水平位移、縱向水平位移、豎向位移的統(tǒng)計模型,并就回歸效果給出好、一般或差的評價。統(tǒng)計模型為

式中:ai為模型參數(shù)(i=1,2,…,13);H為當日水深;H30為30 d平均水深;T5為5d平均氣溫;T30為30d平均氣溫;W5為 5d平均水溫;W30為 30d平均水溫;t為時間。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)與應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)實現(xiàn)

GPS大壩變形監(jiān)測資料整編與分析系統(tǒng)編程語言采用C#[8],集成開發(fā)環(huán)境采用Microsoft Visual Studio 2005[9],數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)采用Microsoft SQL Server 2000。

系統(tǒng)開發(fā)分為3步:①建立數(shù)據(jù)庫,數(shù)據(jù)庫設(shè)計參照SL 323—2005《實時雨水情數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)與標識符標準》,以利于在水利系統(tǒng)內(nèi)進行數(shù)據(jù)交換;②開發(fā)Web Service,編寫供智能客戶端調(diào)用的方法并進行部署,采用瀏覽器測試這些方法;③開發(fā)智能客戶端,添加對Web Service的Web引用,以便調(diào)用這些方法進行數(shù)據(jù)傳遞,編寫程序代碼,實行數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)維護、報表、圖形等功能。

Web Service運行在Microsoft WindowsServer 2003上,并需安裝Microsoft.Net Frameword 2.0。信息發(fā)布平臺采用操作系統(tǒng)自帶的Internet服務(wù)管理(IIS),Web Service名稱為GPSService,部署在默認網(wǎng)站下虛擬目錄GPSWebService中。Web Service所在的服務(wù)器應(yīng)能夠訪問GPS測量系統(tǒng)所在的計算機,以獲取GPS監(jiān)測數(shù)據(jù)。

智能客戶端可以從Web服務(wù)器下載并安裝,以后可以自動更新。智能客戶端可以運行在Microsoft Windows XP以上操作系統(tǒng)。

3.2 系統(tǒng)應(yīng)用

GPS大壩變形監(jiān)測資料整編與分析系統(tǒng)已在福建省漳州市南一水庫投入運行。南一水庫GPS測量軟件采用Spider,其數(shù)據(jù)庫名為SpiderPositioning。GPS大壩變形監(jiān)測資料整編與分析系統(tǒng)的Web Service、智能客戶端和Spider均在1個局域網(wǎng)內(nèi)。

系統(tǒng)典型界面見圖2～4。圖2所示的系統(tǒng)同時顯示測點位置和監(jiān)測數(shù)據(jù),圖形可以打印和保存;圖3為各個測點3個方向位移的統(tǒng)計模型界面;圖4為資料分析界面,顯示實測值與預(yù)測值的差以及各種統(tǒng)計值,工程技術(shù)人員可以根據(jù)這些數(shù)據(jù)判斷測點部位的變形是否異常。

圖2 位移過程線界面

4 結(jié) 語

圖3 統(tǒng)計模型界面

圖4 資料分析界面

GPS大壩變形監(jiān)測資料整編與分析系統(tǒng)是GPS應(yīng)用于大壩變形監(jiān)測的數(shù)據(jù)后處理軟件。系統(tǒng)采用智能客戶端技術(shù),兼有交互性強和易于部署與維護等特性。系統(tǒng)由測點與儀器管理、數(shù)據(jù)處理、資料維護、報表、圖形、資料分析和系統(tǒng)管理等組成。該系統(tǒng)的應(yīng)用將進一步發(fā)揮用GPS測量的大壩變形資料對水庫安全運行的指導作用,并推進GPS技術(shù)在大壩變形監(jiān)測中普及。

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