通用安全監(jiān)測(cè)信息管理系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

李 娜，朱趙輝，孫建會(huì)

（中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 北京中水科水電科技開發(fā)有限公司，北京 100038）

1 研究背景

水利水電工程的安全至關(guān)重要，它涉及到千百萬人民的財(cái)產(chǎn)安全、國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的穩(wěn)定，是全社會(huì)關(guān)心的公共安全問題。水工建筑物是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)力系統(tǒng)，壩體、庫水、壩基、環(huán)境以及其它樞紐建筑物相互作用，使得該動(dòng)力系統(tǒng)具有高度的非線性特征和不確定性。由于大壩和基巖工作條件復(fù)雜，荷載、計(jì)算參數(shù)、計(jì)算模型以及突發(fā)因素（如地震、惡劣環(huán)境）等還都不能精確模擬，也使得目前水工設(shè)計(jì)與工程實(shí)際難以完全吻合。水電工程安全監(jiān)測(cè)資料是工程安全管理的重要信息，是評(píng)價(jià)水工結(jié)構(gòu)安全狀況的基礎(chǔ)資料。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理與分析則是工程安全監(jiān)測(cè)工作的一個(gè)重要組成部分，工程是否安全，最終要靠監(jiān)測(cè)資料的分析評(píng)價(jià)來實(shí)現(xiàn)。

從20世紀(jì)70年代末以來，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的整理分析逐漸從人工向計(jì)算機(jī)方向發(fā)展。目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)有很多種類的包括監(jiān)測(cè)資料存儲(chǔ)、管理、作圖、制表、分析判斷等基本功能的監(jiān)測(cè)信息管理系統(tǒng)，但由于傳感器的類型眾多、監(jiān)測(cè)項(xiàng)目不盡相同等因素，針對(duì)具體工程開發(fā)的安全監(jiān)測(cè)信息管理系統(tǒng)，存在著代碼可移植性差、難以推廣應(yīng)用等缺點(diǎn)，造成了人力資源的浪費(fèi)和開發(fā)成本的增加。因此，提高安全監(jiān)測(cè)信息管理系統(tǒng)的靈活性和通用性，對(duì)推進(jìn)安全監(jiān)測(cè)工作的信息化進(jìn)程具有積極的意義。

2 安全監(jiān)測(cè)信息管理系統(tǒng)的通用性需求

（1）不同工程的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目分類方法不同。大部分工程都會(huì)按照分部工程-分項(xiàng)工程-單元工程的層次關(guān)系進(jìn)行編碼管理。但在進(jìn)行具體編碼時(shí)，因具體工程的特點(diǎn)及用戶的習(xí)慣導(dǎo)致分類方法各異，因此，通用的監(jiān)測(cè)信息管理系統(tǒng)必須要設(shè)計(jì)一套靈活的測(cè)點(diǎn)信息檢索方法，使之既符合工程需要，又能滿足用戶習(xí)慣。

（2）監(jiān)測(cè)傳感器類型多，整編方法各異。監(jiān)測(cè)傳感器按照測(cè)量原理主要分為振弦式、差阻式兩類［1］，按監(jiān)測(cè)物理量的不同，有多點(diǎn)位移計(jì)、鋼筋計(jì)、滲壓計(jì)、應(yīng)變計(jì)、測(cè)縫計(jì)、錨桿應(yīng)力計(jì)和錨索測(cè)力計(jì)……。不同類型的傳感器有不同的整編公式，即使同一類型的傳感器，其生產(chǎn)廠家如果不同，相應(yīng)的出廠參數(shù)，計(jì)算公式也不完全相同。因此，通用的監(jiān)測(cè)信息管理系統(tǒng)需要盡可能的把不同整編原理的傳感器納入到一套系統(tǒng)中管理。

（3）監(jiān)測(cè)傳感器的考證表格式不統(tǒng)一。因埋設(shè)方法不同，測(cè)量原理不同，廠家參數(shù)不同，還有用戶習(xí)慣的問題，造成不同工程、不同傳感器的考證表格式均不相同，大多是中國(guó)式的復(fù)雜報(bào)表。因此，通用的監(jiān)測(cè)信息管理系統(tǒng)要考慮如何添加復(fù)雜的測(cè)點(diǎn)考證信息，并將之顯示或打印出來。

（4）監(jiān)測(cè)傳感器的數(shù)據(jù)報(bào)表格式多。監(jiān)測(cè)傳感器的數(shù)據(jù)報(bào)表格式要滿足編制周報(bào)、月報(bào)、年報(bào)或用戶自定義報(bào)表的需要，要求報(bào)表功能要豐富、靈活。

（5）系統(tǒng)的可擴(kuò)充、可維護(hù)性要求。系統(tǒng)維護(hù)在整個(gè)軟件的生命周期中所占比重最大。通用的監(jiān)測(cè)信息管理系統(tǒng)要能有效的提高系統(tǒng)的可擴(kuò)充性和可維護(hù)性，并易于與自動(dòng)化采集系統(tǒng)或綜合安全評(píng)價(jià)系統(tǒng)搭接。

3 提高安全監(jiān)測(cè)信息管理系統(tǒng)通用性的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 樹狀檢索結(jié)構(gòu)自定義 為了適應(yīng)不同的工程管理特點(diǎn)和不同的用戶習(xí)慣，設(shè)計(jì)一套可以自定義的樹狀檢索結(jié)構(gòu)非常必要。樹狀檢索結(jié)構(gòu)包括幾種常用的分類方法，如按監(jiān)測(cè)部位分類、按監(jiān)測(cè)項(xiàng)目分類、按采集站分類、按儀器類型分類，按關(guān)鍵斷面分類等。因此設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)大類、監(jiān)測(cè)子類的配置界面。監(jiān)測(cè)大類可添加建筑物，也可添加第一級(jí)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。監(jiān)測(cè)子類可添加隸屬的工程部位、監(jiān)測(cè)子項(xiàng)目或監(jiān)測(cè)部位與項(xiàng)目結(jié)合的重點(diǎn)工程問題。針對(duì)監(jiān)測(cè)子類的添加和配置功能界面，不限制子類的級(jí)數(shù)，可以靈活修改對(duì)應(yīng)的級(jí)別，從而滿足用戶的需要，如圖1所示。

3.2 整編公式的分解 雖然不同類型、不同廠家的監(jiān)測(cè)傳感器，其整編公式在參數(shù)個(gè)數(shù)、參數(shù)名稱、運(yùn)算符等方面有所差異，但通過總結(jié)其規(guī)律，可以分解為共通的幾類參數(shù)。

以應(yīng)變計(jì)組的計(jì)算為例，應(yīng)變計(jì)應(yīng)變?yōu)棣舖=f?(Z-Zc)+(b-αc)?α(r-rc)，無應(yīng)力計(jì)自生體積應(yīng)變?yōu)棣舋=f?(Z-Zc)+(b-αc)?α?(r-rc)，應(yīng)變計(jì)應(yīng)力應(yīng)變?yōu)棣?εm-εg，溫度為t=α?(r-ro)。式中α是溫度系數(shù)；r是儀器電阻；ro是儀器零度電阻；f是靈敏度系數(shù)；Z是電阻比；Zc是基準(zhǔn)電阻比；b是溫度補(bǔ)償系數(shù)；rc是基準(zhǔn)電阻；αc是混凝土膨脹系數(shù)。

（1）靜態(tài)參數(shù)。包括出廠參數(shù)等公式常數(shù)項(xiàng)。如f，b，αc，α，ro等；

（2）原始參數(shù)。原始數(shù)據(jù)采集變量，如Z和r；

（3）基準(zhǔn)參數(shù)。和原始數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)值，是對(duì)應(yīng)某一基準(zhǔn)時(shí)間的確定量，如Zc和rc；

（4）引用參數(shù)。公式中需要引用的其他儀器的整編成果代號(hào)，如εg；

（5）整編參數(shù)。由原始數(shù)據(jù)經(jīng)過換算后得到的整編成果代號(hào)，如ε和t。

根據(jù)上述思路，將相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫表分為這幾類參數(shù)的配置表，程序界面上設(shè)計(jì)添加這幾類參數(shù)的功能界面，程序中的運(yùn)算解析功能提供所有傳感器會(huì)用到的運(yùn)算，如三角函數(shù)、平方、開方、對(duì)數(shù)運(yùn)算等，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)不同類型傳感器的兼容。

3.3 動(dòng)態(tài)創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫表技術(shù)

3.3.1 設(shè)計(jì)思路 在數(shù)據(jù)庫的發(fā)展過程中，Oracle，SQL Server［2］等大中型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)均給用戶提供了較大的靈活性，即在需要時(shí)，可以動(dòng)態(tài)創(chuàng)建或更改原來設(shè)定的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)。通過數(shù)據(jù)庫表關(guān)系的建立，結(jié)合動(dòng)態(tài)建表技術(shù)，提高數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性，從而可以在很大程度上提高程序的靈活性。

動(dòng)態(tài)創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫表技術(shù)有幾種應(yīng)用方式：（1）先建立一個(gè)存儲(chǔ)表結(jié)構(gòu)的配置表，該表包括字段名、字段類型、字段寬度、小數(shù)位數(shù)。應(yīng)用系統(tǒng)要?jiǎng)討B(tài)地建立數(shù)據(jù)表首先要完成配置表的初始化工作，初始化配置結(jié)束后利用create table命令從配置表中提取表結(jié)構(gòu)，創(chuàng)建新表。這種方式對(duì)新表的結(jié)構(gòu)無任何限制，極其靈活，但對(duì)軟件體系架構(gòu)的可伸縮性要求較高，容易造成項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)大、開發(fā)周期長(zhǎng)、成本高等問題；（2）針對(duì)需要更改的原表，把新增字段名和原表主碼的值以及新增字段的值放在一張新表中。這種辦法引入了非規(guī)范化的設(shè)計(jì)，程序調(diào)用復(fù)雜；（3）分析對(duì)象的屬性特征，對(duì)確定的屬性建立有固定結(jié)構(gòu)的原表，對(duì)個(gè)數(shù)不確定的項(xiàng)，分析其可能的字段類型，有幾種字段類型就建立幾個(gè)相應(yīng)的擴(kuò)展表，擴(kuò)展表由原表主碼、新增字段值構(gòu)成。這樣擴(kuò)展表的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，既能提高程序的靈活性又在一定程度上降低了開發(fā)難度。

下面分別以儀器類型配置庫、整編公式擴(kuò)展表、考證表相關(guān)庫結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行說明。

3.3.2 關(guān)鍵配置庫設(shè)計(jì) 儀器類型配置相關(guān)表由儀器類型表（表1），5類參數(shù)擴(kuò)展表，考證信息擴(kuò)展表構(gòu)成。

測(cè)點(diǎn)配置相關(guān)表由測(cè)點(diǎn)屬性表（表2）、測(cè)點(diǎn)參數(shù)擴(kuò)展表、測(cè)點(diǎn)考證信息擴(kuò)展表構(gòu)成。分析測(cè)點(diǎn)的考證表字段類型，不外乎字符型，如“生產(chǎn)廠家、埋設(shè)人員、天氣情況”；數(shù)值型，如“鉆孔深度、傾角、安裝高程”；日期型，如“埋設(shè)日期、初值日期”3種，按類型分別建立3個(gè)相應(yīng)的擴(kuò)展表。

表1 儀器類型

表2 測(cè)點(diǎn)屬性

表3 測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)

測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)表由儀器類型表中提取數(shù)據(jù)表名，由參數(shù)擴(kuò)展表中提取參數(shù)的符號(hào)和名稱動(dòng)態(tài)創(chuàng)建，如表3所示。

E-R模型圖見圖2。

3.4 Word域功能的應(yīng)用

（1）域的概念。域是引導(dǎo)Word在文檔中自動(dòng)插入文字、圖形、頁碼或其他信息的一組代碼。每個(gè)域都有一個(gè)唯一的名字。域是由代碼構(gòu)成的，一般形式為域名、域指令和開關(guān)。word提供了很多不同功能的域，其中域名是word中實(shí)現(xiàn)某種功能的特定代碼，域指令和開關(guān)就是實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能的一些參數(shù)設(shè)置。

（2）考證表中域的應(yīng)用。不同工程、不同傳感器的考證表格式均不相同，大多是中國(guó)式的復(fù)雜報(bào)表。結(jié)合word模板的制作，利用word中域的定義來實(shí)現(xiàn)字符定位和內(nèi)容識(shí)別，可以實(shí)現(xiàn)靈活制作考證表的功能。

首先定義模板的大體框架，然后在需要定義域的地方插入域，插入步驟如下：①在插入主菜單中選擇域；②選擇“文檔信息”類別；③從域名中選擇“DocProperty”；④利用DocProperty的命名語法定義模板中的域變量。

以滲壓計(jì)的考證表為例，先制作滲壓計(jì)的考證表模板，模板中不變的內(nèi)容可直接填入，如“單元工程名稱、規(guī)格型號(hào)、儀器設(shè)計(jì)編號(hào)”等單元格，變化的內(nèi)容按類型設(shè)置不同的域，如單元工程名稱對(duì)應(yīng)的域代碼為“{DOCPROPERTY單元工程名稱*MERGEFORMAT}”。程序調(diào)用時(shí)先加載滲壓計(jì)的模板文件，然后遍歷域進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)指定位置文字的輸出。

3.5 界面設(shè)計(jì) 根據(jù)數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)，軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)配置模塊，用戶可以通過系統(tǒng)配置界面，動(dòng)態(tài)配置儀器類型、整編公式、測(cè)點(diǎn)參數(shù)、考證信息等，并寫入數(shù)據(jù)庫對(duì)應(yīng)的配置表中。當(dāng)監(jiān)測(cè)對(duì)象、參數(shù)發(fā)生改變時(shí)，只需重新配置參數(shù)，而不必修改程序。

下面以儀器類型和測(cè)點(diǎn)參數(shù)的配置界面為例，說明配置界面的設(shè)計(jì)。

（1）儀器類型配置界面。儀器類型配置界面要實(shí)現(xiàn)計(jì)算參數(shù)、整編公式、考證信息字段的動(dòng)態(tài)配置。界面由動(dòng)態(tài)生成的標(biāo)簽框、文本框及添加、刪除等功能按鈕構(gòu)成。用戶可以自由定義參數(shù)的個(gè)數(shù)、符號(hào)、單位等，如圖3所示。

（2）測(cè)點(diǎn)參數(shù)配置界面。測(cè)點(diǎn)的參數(shù)構(gòu)成、考證信息字段構(gòu)成由所屬的儀器類型決定，從相應(yīng)的儀器類型配置庫中提取出來。測(cè)點(diǎn)配置界面主要完成參數(shù)值、考證內(nèi)容的添加。整編公式是從儀器類型配置庫中提取過來，仍可以根據(jù)儀器狀態(tài)的變化（如成組儀器有部分損壞）添加新的公式，實(shí)現(xiàn)分時(shí)段計(jì)算整編功能，如圖4所示。

3.6 報(bào)表制作 監(jiān)測(cè)傳感器的數(shù)據(jù)報(bào)表格式要滿足編制周報(bào)、月報(bào)、年報(bào)或用戶自定義報(bào)表的需要，要求報(bào)表功能要豐富、靈活。.NET開發(fā)平臺(tái)耦合了水晶報(bào)表控件，也可以選用如FastReport等第三方組件，開發(fā)報(bào)表模塊。設(shè)計(jì)報(bào)表模板的添加、編輯等管理功能，使得用戶可以根據(jù)需要編輯報(bào)表模板，自定義報(bào)表的格式。但要注意，由于在動(dòng)態(tài)報(bào)表生成的源代碼中，對(duì)于各行各列的坐標(biāo)區(qū)域都有明確的規(guī)定，一開始就要綜合考慮報(bào)表標(biāo)題、題頭、首列和尾列的位置關(guān)系。

4 應(yīng)用案例

采用本文的設(shè)計(jì)思路開發(fā)了通用安全監(jiān)測(cè)信息管理系統(tǒng)，系統(tǒng)已應(yīng)用于向家壩水電站安全監(jiān)測(cè)工程和呼和浩特抽水蓄能電站安全監(jiān)測(cè)工程（圖5）中。經(jīng)實(shí)際工程驗(yàn)證，系統(tǒng)具有較好的靈活性和適應(yīng)性，并可作為信息平臺(tái)與自動(dòng)化采集系統(tǒng)和安全評(píng)價(jià)系統(tǒng)進(jìn)行搭接。

5 結(jié)語

安全監(jiān)測(cè)信息管理系統(tǒng)的開發(fā)要采用模塊化、結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方法，系統(tǒng)各模塊之間以組件形式進(jìn)行裝配。通過動(dòng)態(tài)創(chuàng)建表、應(yīng)用域、設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)配置界面等技術(shù)，將參數(shù)的配置最終交給用戶處理，從而減輕程序員的負(fù)擔(dān)。本文的研究成果對(duì)類似系統(tǒng)的開發(fā)具有參考意義。

［1］二灘水電開發(fā)有限責(zé)任公司.巖土工程安全監(jiān)測(cè)手冊(cè)（第1版）［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，1999.

［2］Paul Nielsen著，劉瑞，陳微，閆繼忠，等譯.Microsoft SQL Server 2000寶典（第1版）［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2004.

［3］Christian Nagel，Bill Evjen，Jay Glynn，著，李敏波譯.C#高級(jí)編程（第4版）［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2006.