基于領(lǐng)域驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的大壩安全監(jiān)測信息系統(tǒng)

易廣軍，賀　虎，2，孫建會(huì)，2（.北京中水科工程總公司，北京，00038；2.中國水利水電科學(xué)研究院，北京，00038）

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基于領(lǐng)域驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的大壩安全監(jiān)測信息系統(tǒng)

易廣軍1，賀虎1，2，孫建會(huì)1，2
（1.北京中水科工程總公司，北京，100038；2.中國水利水電科學(xué)研究院，北京，100038）

摘要：針對傳統(tǒng)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)開發(fā)模式的局限性，提出通過領(lǐng)域驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，合理分離大壩安全監(jiān)測的領(lǐng)域知識(shí)，用軟件開發(fā)人員和大壩安全監(jiān)測專家都能理解的統(tǒng)一模型表達(dá)業(yè)務(wù)邏輯，使大壩安全監(jiān)測信息系統(tǒng)中的模塊耦合度降低，核心業(yè)務(wù)脈絡(luò)清晰，更好地適應(yīng)需求的變更和功能的擴(kuò)展。

關(guān)鍵詞：大壩安全監(jiān)測；領(lǐng)域驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)；領(lǐng)域模型

0　引言

隨著全國水利工程建設(shè)的持續(xù)、穩(wěn)定向前發(fā)展，因旱澇而起的自然災(zāi)害有所減少，生態(tài)環(huán)境逐步得到改善，但新建工程的不斷增多也給工程施工質(zhì)量管理及運(yùn)行安全保障工作帶來了挑戰(zhàn)。工程安全監(jiān)測作為掌握水利工程各建筑物工作狀態(tài)、反饋設(shè)計(jì)、指導(dǎo)施工的主要手段之一被廣泛應(yīng)用。近些年來，在水利信息化集成企業(yè)和儀器廠商的推動(dòng)下，有關(guān)安全監(jiān)測的信息化系統(tǒng)也不斷地改進(jìn)完善，數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、處理、分析等功能日趨成熟。但總體來看，仍存在復(fù)雜業(yè)務(wù)需求不能滿足、對用戶專業(yè)水平要求過高、自動(dòng)化處理程度較低等諸多問題。究其原因，主要是由于采用了以數(shù)據(jù)庫為中心的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)開發(fā)模式。這種模式雖然可以快速實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目目標(biāo)，但從根本上制約了面向?qū)ο蠹夹g(shù)的使用，很容易使項(xiàng)目陷入困境，具體如下：

（1）概念不清。在設(shè)計(jì)和開發(fā)階段，沒有統(tǒng)一的概念定義，經(jīng)常出現(xiàn)需求文檔和開發(fā)文檔對同一元素的理解不同，開發(fā)人員專于技術(shù)，常以自己的理解完成代碼的編寫；

（2）需求設(shè)計(jì)文檔難于理解。由于需求分析和設(shè)計(jì)的分離，模型邊界不清，關(guān)系復(fù)雜，開發(fā)人員在參考相關(guān)資料時(shí)不能抓住設(shè)計(jì)重點(diǎn)，以致避重就輕地實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而出現(xiàn)不同程度的曲解；

（3）適應(yīng)需求變化能力差。需求變化時(shí)，可能要修改數(shù)據(jù)表，這時(shí)新增字段和業(yè)務(wù)邏輯將造成大量修改，很容易使設(shè)計(jì)文檔與代碼出現(xiàn)不一致；

（4）代碼復(fù)雜。由于沒有對象的封裝或有對象而認(rèn)識(shí)不統(tǒng)一，多個(gè)業(yè)務(wù)的重合部分以不同方式實(shí)現(xiàn)，或基礎(chǔ)架構(gòu)與業(yè)務(wù)邏輯混雜，造成理解的困難；

（5）復(fù)雜業(yè)務(wù)難以開展。隨著業(yè)務(wù)功能不斷實(shí)現(xiàn)，整個(gè)項(xiàng)目進(jìn)入不斷修正的怪圈，很可能牽一發(fā)而動(dòng)全身，使項(xiàng)目最終陷入高代價(jià)的維護(hù)之中。

針對這些情況，提出應(yīng)用領(lǐng)域驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)（Do?main-Driven Design，DDD）［1］方法解決大壩安全監(jiān)測領(lǐng)域的復(fù)雜問題。領(lǐng)域驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)摒棄了分裂的分析和設(shè)計(jì)方法，使用單一的領(lǐng)域模型來滿足分析與設(shè)計(jì)兩方面的需求。領(lǐng)域模型是軟件項(xiàng)目的公共語言核心，其術(shù)語和關(guān)系反映了領(lǐng)域的深層次含義，將這些術(shù)語和關(guān)系作為模型語言，保證了開發(fā)人員與領(lǐng)域?qū)＜覍τ脩粜枨笥幸恢?、精確的認(rèn)識(shí)。領(lǐng)域模型設(shè)計(jì)通過一系列的柔性設(shè)計(jì)模式，將潛在的概念顯式地展現(xiàn)出來，使開發(fā)人員可以靈活地使用一個(gè)最小的、松散耦合的概念集合表示領(lǐng)域中的復(fù)雜場景，然后通過重構(gòu)和精煉，將混雜在一起的組件分開，專注于模型中最有價(jià)值的部分，然后重構(gòu)得到更深層次的理解。

1　領(lǐng)域驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)相關(guān)理論

1.1領(lǐng)域模型

領(lǐng)域模型是軟件項(xiàng)目的公共語言核心。模型語言中有關(guān)項(xiàng)目的概念將模型和開發(fā)活動(dòng)結(jié)合在一起，并使模型和代碼緊密地綁定［2］。在基于模型的交流中，開發(fā)者和領(lǐng)域?qū)＜也⒉粌H僅局限于UML圖進(jìn)行，而是充分利用各種手段，討論需求、開發(fā)計(jì)劃和特性，確保團(tuán)隊(duì)中所有交流活動(dòng)和代碼堅(jiān)持使用一致的語言，積極消除難點(diǎn)，然后重構(gòu)代碼，并對類、方法和模塊重新命名，形成公認(rèn)的理解。

領(lǐng)域模型要求開發(fā)人員和領(lǐng)域?qū)＜沂褂媚Ｐ偷脑匾约澳Ｐ椭懈髟刂g的交互來描述業(yè)務(wù)場景，并且按照模型允許的方式將各種概念結(jié)合到一起，找到更簡單的方式來表達(dá)自己的觀點(diǎn)，然后將這些新的思想應(yīng)用到圖和代碼中。在交互圖演示復(fù)雜業(yè)務(wù)場景時(shí)，要將相關(guān)的約束和斷言加入進(jìn)來，不留任何存在歧義的死角。

領(lǐng)域模式與設(shè)計(jì)模式相比有著非常不同的關(guān)注點(diǎn)［3］：其一，如何進(jìn)行領(lǐng)域模型本身的結(jié)構(gòu)化；其二，如何在模型中封裝領(lǐng)域知識(shí)；其三，如何應(yīng)用通用語言，并且使基礎(chǔ)架構(gòu)不分散對領(lǐng)域核心的注意力。

總之，軟件系統(tǒng)各個(gè)部分的設(shè)計(jì)應(yīng)該如實(shí)地反映領(lǐng)域模型，以便體現(xiàn)出這兩者之間的明確對應(yīng)關(guān)系，不僅如此，反復(fù)的檢查和修改模型是很必要的，最終形成的設(shè)計(jì)應(yīng)該更加自然地描述模型，反映出深層次的領(lǐng)域概念。從長遠(yuǎn)角度來看，以領(lǐng)域模型為核心的設(shè)計(jì)更加清晰，也更忠實(shí)于領(lǐng)域抽象的實(shí)現(xiàn)，因而可維護(hù)性很高。

1.2分離領(lǐng)域

為了保證軟件實(shí)現(xiàn)的簡潔并且與模型保持一致，不管業(yè)務(wù)如何復(fù)雜，必須運(yùn)用建模和設(shè)計(jì)的最佳實(shí)踐將領(lǐng)域設(shè)計(jì)與軟件系統(tǒng)中的其他關(guān)注點(diǎn)分離，才能使設(shè)計(jì)與模型之間的關(guān)系非常清晰。

分離領(lǐng)域的復(fù)雜技術(shù)早已出現(xiàn)，領(lǐng)域模型采用的分層基本原則是層中任何元素都僅依賴于本層的其他元素或其下層元素。向上的通訊必須通過間接的傳遞機(jī)制進(jìn)行。典型的分層模式見圖1。

圖1　圖領(lǐng)2.1域 領(lǐng)模域模型型的的典典型型分分層模層式模式Fig.1 Typical hierarchical model in domain model

1.2.1用戶界面層或稱表示層

該層的目標(biāo)是盡可能薄，不允許在該層嵌入業(yè)務(wù)邏輯，所以該層只需履行兩個(gè)主要職責(zé)：一是解釋用戶的操作，將消息發(fā)送到應(yīng)用層或領(lǐng)域?qū)?；二是向用戶顯示信息。

1.2.2應(yīng)用層

該層可以作為系統(tǒng)應(yīng)用編程接口（API），是與其他系統(tǒng)進(jìn)行交互的必要渠道，不包括業(yè)務(wù)規(guī)則或知識(shí)。無論C/S還是B/S的表示層，都可以很方便地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的獲取和保存。除此之外，該層還用于協(xié)調(diào)領(lǐng)域?qū)ο笾g、領(lǐng)域?qū)ο笈c基礎(chǔ)設(shè)施對象之間的動(dòng)作，維護(hù)特定任務(wù)狀態(tài)并為用戶顯示任務(wù)進(jìn)度等。

1.2.3領(lǐng)域?qū)?/p>

負(fù)責(zé)表達(dá)業(yè)務(wù)概念、業(yè)務(wù)狀態(tài)信息和業(yè)務(wù)規(guī)則，而不必關(guān)心保存業(yè)務(wù)（由基礎(chǔ)設(shè)施層實(shí)現(xiàn)）狀態(tài)的技術(shù)細(xì)節(jié)，即該層將使用POCO的方法設(shè)計(jì)，領(lǐng)域模型不必實(shí)現(xiàn)持久化相關(guān)接口，確保與持久化無關(guān)。

1.2.4基礎(chǔ)設(shè)施層

為其上各層提供交互支持，如應(yīng)用層的消息傳遞，領(lǐng)域?qū)映志没瘷C(jī)制的實(shí)現(xiàn)，用戶界面層的屏幕顯示等。

從豎爐熔銅過程分析不難看出，其裝料、熔化、升溫及后續(xù)保溫各階段熱負(fù)荷的需求狀況及熱傳導(dǎo)方式差異很大，唯有針對以上特點(diǎn)，加強(qiáng)豎爐故障分析及過程控制，方能實(shí)現(xiàn)SCR型燃?xì)庳Q爐的最優(yōu)化效果。

分層的價(jià)值在于每一層都只代表程序中的某一特定方面。領(lǐng)域?qū)ο髮⒅攸c(diǎn)放在表達(dá)領(lǐng)域模型上，能有效地捕捉并使用基本業(yè)務(wù)知識(shí)，不需要考慮自己的實(shí)現(xiàn)和存儲(chǔ)問題，也無需管理應(yīng)用任務(wù)等內(nèi)容，以便保持含義足夠豐富、結(jié)構(gòu)足夠清晰。彼此獨(dú)立的層更容易維護(hù)，因?yàn)樗鼈兺糜跐M足不同的需求。這種模式使每個(gè)方面的設(shè)計(jì)都具有內(nèi)聚性，更容易解釋并被理解。

2　大壩安全監(jiān)測領(lǐng)域模型分析

由于大壩安全監(jiān)測領(lǐng)域知識(shí)專業(yè)性強(qiáng)，涵蓋面廣，所以需要找到一個(gè)切入點(diǎn)開始領(lǐng)域知識(shí)的提取和業(yè)務(wù)邏輯的梳理。大壩安全監(jiān)測設(shè)計(jì)作為一項(xiàng)綜合的工程技術(shù)，正是所找的切入點(diǎn)。它以現(xiàn)場地質(zhì)條件、環(huán)境條件及建筑物間的相互作用為基礎(chǔ)，充分考慮工程的復(fù)雜程度、荷載、開挖規(guī)模以及由此產(chǎn)生的不利后果的潛在因素，從確定監(jiān)測目標(biāo)開始，直到獲得數(shù)據(jù)資料、進(jìn)行分析評價(jià)為止，貫穿安全監(jiān)測的整個(gè)環(huán)節(jié)。

2.1大壩工程條件分析

大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)的確定和建立取決于實(shí)際工程的條件，如不同的類型（混凝土壩、土石壩）、不同的結(jié)構(gòu)型式（混凝土壩分為拱壩、重力壩、支墩壩；土石壩分為均質(zhì)壩、心墻壩、面板壩等）。這些與建筑物安全相關(guān)的條件決定了進(jìn)行專題分析時(shí)的業(yè)務(wù)過程，如混凝土壩的溫控分析、土石壩的滲流場分析、不同土石壩結(jié)構(gòu)型式的浸潤線分析等。

大壩安全監(jiān)測設(shè)計(jì)要求廣泛收集工程條件資料，根據(jù)工程薄弱點(diǎn)及敏感區(qū)確定重點(diǎn)監(jiān)測部位，充分考慮測點(diǎn)布設(shè)成線、成面的體系化，并與時(shí)間維度形成時(shí)空體系，即四維體系監(jiān)測系統(tǒng)。由此，結(jié)合大壩安全監(jiān)測中的通用名稱，可以獲得“建筑物”、“部位”、“監(jiān)測線”、“監(jiān)測斷面”等關(guān)鍵知識(shí)，這些知識(shí)可以統(tǒng)稱為“監(jiān)測對象”，在監(jiān)測對象的相應(yīng)位置布置“測點(diǎn)”，測點(diǎn)的測值便可以代表大壩某位置的安全狀態(tài)。同時(shí)，可以得到一個(gè)基本的層次關(guān)系：測點(diǎn)是最基本的領(lǐng)域?qū)ο螅梢匝啬硹l線布置形成監(jiān)測線，如水管式沉降儀測點(diǎn)、測斜儀測點(diǎn)、靜力水準(zhǔn)儀測點(diǎn)、引張線儀測點(diǎn)、多點(diǎn)位移計(jì)測點(diǎn)等；它可以在某斷面布置形成監(jiān)測面，如混凝土某斷面的所有溫度測點(diǎn)、土石壩某橫斷面的所有滲壓測點(diǎn)、大壩表面所有位移測點(diǎn)等；建筑物及其部位可以包含任意的測點(diǎn)、監(jiān)測線、監(jiān)測斷面，是最大的集合。

如圖2，將監(jiān)測對象和測點(diǎn)分開作為兩個(gè)重要的領(lǐng)域?qū)ο?，確定了從屬關(guān)系，有利于在監(jiān)測對象的測點(diǎn)布置圖上進(jìn)行測點(diǎn)的導(dǎo)航、用顏色表示測點(diǎn)狀態(tài)、顯示測點(diǎn)最近測值及相關(guān)預(yù)警信息。

圖2　監(jiān)測對象及測點(diǎn)的領(lǐng)域模型Fig.2 Domain model of monitoring objects and monitoring points

監(jiān)測基本的和最重要的目的是提供用于控制和顯示各種不利情況下工程性能的評價(jià)和在施工期、運(yùn)行初期和正常運(yùn)行期對工程安全進(jìn)行連續(xù)評估所需要的資料［5］。這些資料包括環(huán)境量（如降雨量、上游水位、下游水位、氣溫等）和效應(yīng)量（如水平位移、垂直位移、應(yīng)力、應(yīng)變等）。由于原因量和效應(yīng)量是隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化的，所以需要配備相應(yīng)的專用設(shè)備進(jìn)行長期性的監(jiān)測。

測點(diǎn)設(shè)計(jì)用于監(jiān)測某個(gè)物理量，就可以選擇安裝相應(yīng)的儀器進(jìn)行監(jiān)測。而長期的監(jiān)測，有時(shí)面臨儀器更換或基準(zhǔn)值變化的問題，這時(shí)，一個(gè)測點(diǎn)就可能有多種觀測方式，且在不同的時(shí)段可能有不同的計(jì)算參數(shù)，這些都是需要應(yīng)對的復(fù)雜性。所以，在大壩安全監(jiān)測領(lǐng)域模型中引入“觀測方案”、“觀測項(xiàng)”和“儀器”對象，見圖3。

觀測方案屬于相應(yīng)的測點(diǎn)，而不采用“一個(gè)測點(diǎn)包含多個(gè)方案項(xiàng)”的方式，便于解耦多種觀測方式帶來的數(shù)據(jù)提取、顯示等問題，比如一個(gè)測點(diǎn)既有人工觀測方式，又有自動(dòng)化觀測方式，人工頻次低，通常只用來比測，不用于報(bào)告的生成。

圖3　觀測方案及儀器的領(lǐng)域模型Fig.3 Domain model of observation scheme and monitoring in?struments

觀測方案有多個(gè)方案項(xiàng)，若測點(diǎn)S所用儀器更換，就可以添加一個(gè)方案項(xiàng)，而不是重建一個(gè)S’來記錄數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)測點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)的連續(xù)性，為深度分析帶來便利。若基準(zhǔn)值或公式變化，也可以通過添加方案項(xiàng)來解決。同時(shí)，在方案項(xiàng)上可以擴(kuò)展報(bào)警規(guī)則，對測點(diǎn)監(jiān)測物理量在不同階段設(shè)置相應(yīng)的報(bào)警規(guī)則，如施工期、首次蓄水期、運(yùn)行期等，滿足不同階段的限值要求。

儀器有物理量列表，包括直接觀測的物理量（如頻率、電阻比、電壓）、中間計(jì)算物理量（如相對位移）、監(jiān)測物理量（如位移、應(yīng)力、應(yīng)變、溫度）。

2.3監(jiān)測物理量分析

每種儀器會(huì)采集不同的物理量，通過計(jì)算得到所需的監(jiān)測物理量。物理量的單位均作為知識(shí)存入知識(shí)庫中備用。

對監(jiān)測物理量進(jìn)行分析可以得到的領(lǐng)域?qū)ο笥小拔锢砹俊薄ⅰ皢挝弧?，見圖4。

對每種儀器設(shè)定了相應(yīng)的單位，防止了局部修改造成單位的不一致問題。

2.4資料整編要求分析

大壩安全監(jiān)測資料必須及時(shí)整理和整編，包括施工期、運(yùn)行期的日常資料整理和定期資料整編。整理和整編的成果應(yīng)做到項(xiàng)目齊全、數(shù)據(jù)可靠、資料、圖表完整，規(guī)格統(tǒng)一。其中的“表”包括考證表、記錄計(jì)算表、特征值統(tǒng)計(jì)表，“圖”包括過程線圖、相關(guān)性圖、分布圖、等值線圖、統(tǒng)計(jì)模型成果圖等。

圖4　物理量及單位的領(lǐng)域模型Fig.4 Domain model of physical quantities and units

日常整理時(shí)需要快速瀏覽每個(gè)測點(diǎn)的過程線、查看相應(yīng)的數(shù)據(jù)，所以單測點(diǎn)監(jiān)測量表的輸出和過程線的繪制是測點(diǎn)對象的業(yè)務(wù)。多點(diǎn)過程線圖可以在單點(diǎn)圖的樣式上進(jìn)行添加，以保證圖表規(guī)格的統(tǒng)一。

相關(guān)性圖用于分析測點(diǎn)監(jiān)測量與環(huán)境量或其他測點(diǎn)監(jiān)測量相關(guān)程度，也作為測點(diǎn)對象的業(yè)務(wù)。

分布圖是為了分析某一時(shí)刻多個(gè)測點(diǎn)監(jiān)測量在空間分布特征，這些測點(diǎn)通常呈線性布置，所以作為監(jiān)測線的業(yè)務(wù)。

等值線圖可以用于繪制某時(shí)刻一個(gè)投影平面上所有測點(diǎn)監(jiān)測物理量的空間分布特征，可以作為監(jiān)測面的業(yè)務(wù)。

整理和整編要求的表格可以在任何監(jiān)測對象上輸出，比如選擇了測點(diǎn)對象，輸出考證表，就是單測點(diǎn)的考證表，選擇了監(jiān)測線輸出時(shí)，就是該監(jiān)測線包含的所有測點(diǎn)的考證表，輕松實(shí)現(xiàn)了單測點(diǎn)、多測點(diǎn)表格輸出業(yè)務(wù)的統(tǒng)一。

以過程線圖為例，其領(lǐng)域模型可表示為圖5，其他對象的領(lǐng)域模型不再贅述。

3　結(jié)語

以大壩安全監(jiān)測設(shè)計(jì)作為監(jiān)測信息系統(tǒng)的切入點(diǎn)，跟隨設(shè)計(jì)工作，深入理解領(lǐng)域的關(guān)鍵知識(shí)，提取領(lǐng)域?qū)ο?，然后，通過業(yè)務(wù)需求將領(lǐng)域?qū)ο箨P(guān)聯(lián)起來，充分解耦其中的復(fù)雜關(guān)系，最終構(gòu)建了一個(gè)單一的大壩安全監(jiān)測領(lǐng)域模型，使開發(fā)人員和領(lǐng)域?qū)＜覍Ｗ⒂谶@個(gè)統(tǒng)一模型上，實(shí)現(xiàn)了信息系統(tǒng)的各項(xiàng)功能。在工程實(shí)際應(yīng)用中，該領(lǐng)域模型不僅能夠方便地實(shí)現(xiàn)基本業(yè)務(wù)需求，而且對復(fù)雜業(yè)務(wù)也融合得恰到好處，相比數(shù)據(jù)為中心的開發(fā)模式，具有適應(yīng)性強(qiáng)、測試時(shí)間短、維護(hù)難度低的特點(diǎn)。

圖5　過程線圖領(lǐng)域模型Fig.5 Domain model of the curve graph

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作者郵箱：stanchion@sohu.com

Title:Dam safety monitoring information system based on domain driven design//by YI Guang-jun，HE Hu and SUN Jian-hui//Beijing IWHR Corporation

Abstract:In view of the limitations of traditional data-driven development model，domain driven design is proposed.By reasonable separation of the domain knowledge of dam safety monitoring，software devel?opers and dam safety monitoring experts can understand the unity of model expression of business logic. Moreover，the module coupling degree of dam safety monitoring information system is reduced，core busi?ness context is clear，which better adapts to demand changes and functional expansion.

Key words:dam safety monitoring；domain driven design；domain model

中圖分類號(hào)：TP315

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-1092（2016）01-0037-05

收稿日期：2016-01-12

作者簡介：易廣軍（1980-），男，陜西省涇陽縣人，軟件工程碩士，主要研究領(lǐng)域?yàn)楣こ贪踩O(jiān)測軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)及水庫安全鑒定評價(jià)。