長江上游河道業(yè)務(wù)處理系統(tǒng)設(shè)計研究

胥洪川　孫征安

摘要：為進(jìn)一步提高河道業(yè)務(wù)生產(chǎn)效率，保證數(shù)據(jù)成果質(zhì)量，設(shè)計了長江上游河道業(yè)務(wù)處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)集成了斷面和床沙等數(shù)據(jù)的管理、處理、圖表的成果表達(dá)以及成果簡要分析計算，闡述了該系統(tǒng)的設(shè)計思路、數(shù)據(jù)庫分析、系統(tǒng)的功能應(yīng)用等。相關(guān)實測數(shù)據(jù)表明：該系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理和成果生成自動化程度高，成果分析數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，軟件界面簡單友好、功能集成化程度高，提高了工作效率，保證了數(shù)據(jù)安全。

關(guān)鍵詞：河道業(yè)務(wù); 數(shù)據(jù)庫設(shè)計; 床沙分析; 斷面處理; 系統(tǒng)測試

中圖法分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.07.019

文章編號：1006 - 0081（2022）07 - 0112 - 06

0 引 言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，長江上游地區(qū)加速推進(jìn)大中型水電站、港口碼頭建設(shè)，同時對水文泥沙監(jiān)測、河道勘測等準(zhǔn)確性與時效性提出了更高要求。河道業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)主要包含河道地形數(shù)據(jù)、水文斷面數(shù)據(jù)、斷面床沙數(shù)據(jù)和水流流速流向數(shù)據(jù)。目前，河道斷面處理、計算與繪圖，床沙數(shù)據(jù)處理已有測繪商用軟件進(jìn)行專業(yè)的分析處理，但往往需要在不同的軟件中進(jìn)行多道工序才能完成。2011年，Vetter等[1]在研究河道縱橫斷面中提出快速生成河道斷面數(shù)據(jù)產(chǎn)品的模型和方法;郝宗澤[2]提出斷面數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計，該系統(tǒng)解決了斷面數(shù)據(jù)計算難題，但設(shè)計較為單一，應(yīng)用面窄;2014年，王少文等[3]提出了簡單的河道斷面處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)對計算語言進(jìn)行了一定優(yōu)化，但不包含其他的河道業(yè)務(wù)工序;2015年，郭煥林等[4]基于Access2007數(shù)據(jù)庫技術(shù)開發(fā)了河道處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)提出河道業(yè)務(wù)整合思路，但操作步驟繁瑣，設(shè)計算法冗余，逐漸不能滿足河道生產(chǎn)的需求。為進(jìn)一步提高河道業(yè)務(wù)生產(chǎn)效率，保證河道數(shù)據(jù)成果質(zhì)量，本文基于長江上游河道特性，進(jìn)行了基于C#語言等計算機(jī)語言和數(shù)據(jù)庫技術(shù)的長江上游河道業(yè)務(wù)處理系統(tǒng)設(shè)計與研究。

1 需求分析

1.1 系統(tǒng)需求

長江上游河道業(yè)務(wù)處理系統(tǒng)需做到布局簡潔明了、界面易于操作，處理數(shù)據(jù)高效正確，成果格式規(guī)范統(tǒng)一，數(shù)據(jù)存儲安全便捷。

1.2 用戶需求

河道勘測業(yè)務(wù)具有很強(qiáng)的時效性?？睖y數(shù)據(jù)要在規(guī)定的河段、時段采集，所以年內(nèi)、年際間布置多個測次。不同工程的勘測內(nèi)容不一樣，同樣的工程往往包含多個項目，項目與項目之間獨立又有聯(lián)系?，F(xiàn)有的部分河道數(shù)據(jù)處理軟件算法較為冗余，不利于河道業(yè)務(wù)處理水平的提高。長江上游河道業(yè)務(wù)處理系統(tǒng)必須適應(yīng)河道勘測特點，對河道勘測數(shù)據(jù)進(jìn)行有效管理，能夠流水線、高效率地生成滿足規(guī)范要求的河道勘測成果。

2 總體設(shè)計

長江上游河道業(yè)務(wù)處理系統(tǒng)基于微軟的.Net平臺開發(fā)設(shè)計，在C/S模式、聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)下運(yùn)行。數(shù)據(jù)庫選擇安裝在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上，和軟件系統(tǒng)相對獨立。軟件系統(tǒng)主要通過Sqlserver直接連接等方式讀取數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)。選用Windows2008系統(tǒng)作為服務(wù)器操作系統(tǒng)，Windows7及以上操作系統(tǒng)作為工作站操作系統(tǒng)。

2.1 建設(shè)內(nèi)容

2.1.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)維護(hù)系統(tǒng)

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)維護(hù)系統(tǒng)對軟件系統(tǒng)環(huán)境、參數(shù)、單位部門、人員等進(jìn)行管理和配置，同時還維護(hù)整個系統(tǒng)的河段、項目、聲速、站點、粒徑級別等信息。

2.1.2 床沙分析系統(tǒng)

將床沙各種實測數(shù)據(jù)導(dǎo)入到長江上游河道業(yè)務(wù)處理系統(tǒng)中，系統(tǒng)通過相關(guān)算法自動生成粒徑級別成果表及泥沙顆粒級配曲線圖。

2.1.3 斷面分析系統(tǒng)

維護(hù)斷面信息、斷面控制點信息以及導(dǎo)入維護(hù)斷面控制點實測數(shù)據(jù)，對斷面實測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計算水位、高程、起點距，生成CAD斷面圖及斷面成果數(shù)據(jù)表。

2.2 設(shè)計語言

主要程序設(shè)計語言包含C#，XML，XHTML，VB等;系統(tǒng)運(yùn)行平臺包含.Net Framework4.0，SQL Server2000。

3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

3.1 數(shù)據(jù)庫選型

目前，流行的商業(yè)化數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品主要有Oracle，DB2，SQL Server，Sybase，Informix等，水利行業(yè)內(nèi)各應(yīng)用主要以O(shè)racle和SQL Server為主。由于SQL Server具有良好的軟、硬件平臺兼容性，在集群技術(shù)、高可用性、安全性、海量數(shù)據(jù)管理等方面均比較成熟，且兼有速度快的特點，因此采用SQL Server數(shù)據(jù)庫。

3.2 數(shù)據(jù)庫基本內(nèi)容

系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)表結(jié)構(gòu)描述包含中文表名、表主題、表標(biāo)識、表編號、表體和字段6部分。中文表名表示表所描述內(nèi)容的簡明文本;表主題用于進(jìn)一步描述存儲在該表的數(shù)據(jù)內(nèi)容、用途和意義;表標(biāo)識用于識別表的分類及命名;表編號反映表的分類或表間的邏輯順序;表體以表的形式表示，包括字段名、標(biāo)識符、類型及長度、是否允許空值、計量單位、主鍵序號;字段用于描述每個字段的意義以及取值范圍、數(shù)值精度、計量單位等[5]。

以斷面成果表（表1）為例，表體設(shè)計采用中文字符作為字段名，數(shù)據(jù)庫中該字段的唯一標(biāo)識為標(biāo)識符。該字段的數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)長度用字段類型及長度描述表示，用“Y”表示表中該字段不允許具有空值，主鍵序號一欄中，有數(shù)字的表示該字段是表的主鍵，為空表示非主鍵。

4 網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)計

4.1 結(jié)構(gòu)安全

運(yùn)用協(xié)議隔離技術(shù)對河道業(yè)務(wù)處理系統(tǒng)用戶、數(shù)據(jù)處理的重要次序來分配帶寬優(yōu)先級，做到網(wǎng)絡(luò)傳輸均衡，使系統(tǒng)具備冗余空間。采取SSL協(xié)議使用戶與河道業(yè)務(wù)系統(tǒng)之間創(chuàng)建數(shù)據(jù)安全機(jī)制，用戶能通過參數(shù)加密的方式向系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)，通過用戶與系統(tǒng)之間傳遞SSL出錯信息。

4.2 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與訪問控制

采取系統(tǒng)管理用戶使用權(quán)限，分級管理用戶使用功能。系統(tǒng)管理員能限制網(wǎng)絡(luò)用戶使用權(quán)限，用戶登錄需向系統(tǒng)管理員申請開通權(quán)限并設(shè)置登錄賬號與密碼。若系統(tǒng)長時間未工作，用戶賬號則需要重新登錄。為進(jìn)一步強(qiáng)化網(wǎng)絡(luò)安全，根據(jù)涉密要求建立一定涉密機(jī)制，系統(tǒng)采用物理隔離的方式（內(nèi)網(wǎng)）處理含涉密信息的數(shù)據(jù)。

4.3 安全審計與入侵防范

設(shè)計日志管理模塊對用戶操作及使用情況進(jìn)行記錄，可以根據(jù)記錄分析生成安全審計表，以供系統(tǒng)在報錯時進(jìn)行系統(tǒng)分析。系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)邊界處采用入侵檢測和防火墻產(chǎn)品監(jiān)視攻擊行為，當(dāng)檢測到攻擊行為時，記錄攻擊源IP、攻擊類型、攻擊目的、攻擊時間，在發(fā)生嚴(yán)重入侵事件時產(chǎn)生報警。對來自外部網(wǎng)和內(nèi)部的各種行為進(jìn)行實時檢測，及時發(fā)現(xiàn)各種可能的攻擊企圖，并采取相應(yīng)的措施[6]。

5 系統(tǒng)功能設(shè)計

5.1 系統(tǒng)管理

系統(tǒng)管理主要對操作長江上游河道業(yè)務(wù)處理系統(tǒng)的用戶權(quán)限進(jìn)行管理。系統(tǒng)管理主要有部門管理、用戶管理、權(quán)限管理、角色管理、日志管理以及密碼修改6個模塊[7]。

5.2 數(shù)據(jù)管理

數(shù)據(jù)管理作用于整個系統(tǒng)床沙和斷面數(shù)據(jù)維護(hù)，主要包含河段信息維護(hù)、項目信息維護(hù)、水位站信息維護(hù)、粒徑級別維護(hù)四大功能模塊。河段信息維護(hù)模塊主界面見圖1，主要是對河段名稱、起始點、截止點、坐標(biāo)系統(tǒng)等信息進(jìn)行維護(hù)，可添加、修改、刪除、批量導(dǎo)入、批量導(dǎo)出。項目信息維護(hù)模塊主要是對河道項目的項目名稱、所屬河段、年份、測次等信息進(jìn)行維護(hù)管理，可以新增、查看、刪除項目，也可批量導(dǎo)入導(dǎo)出。水位站信息維護(hù)模塊主要是對水位站名稱、站號、起點距、坐標(biāo)系統(tǒng)等信息進(jìn)行維護(hù)，可添加、查詢水位站、可導(dǎo)入水位站水位數(shù)據(jù)，查看水位數(shù)據(jù)。粒徑級別維護(hù)模塊主要是對采集的沙石粒徑大小進(jìn)行添加、修改、刪除。

5.3 床沙管理

床沙管理主要是對河道試坑床沙的分析，主要包括試坑信息錄入、實測信息錄入、實測數(shù)據(jù)分析、生成成果表、沙顆粒級配曲線圖查詢五大功能模塊。試坑信息錄入主要是對床沙試坑的基本信息進(jìn)行管理，包括試坑名稱、所屬項目、所屬河段、橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)等諸多內(nèi)容，并且可以上傳試坑周邊環(huán)境的照片。在實測信息錄入模塊中錄入試坑實測數(shù)據(jù)。實測數(shù)據(jù)分析能對事先錄入的實測數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)自動分析，根據(jù)預(yù)設(shè)的算法，對數(shù)據(jù)計算、分析和處理，并自動繪制試坑的泥沙顆粒級配曲線圖（正態(tài)分布曲線見圖2）。該功能可以查看整個試坑或試坑每一層的泥沙顆粒級配曲線圖。而且，可以指定圖紙尺寸，對曲線圖進(jìn)行打印操作。實測數(shù)據(jù)分析完成后，生成床沙粒徑分析成果表以供查閱，可對成果表進(jìn)行導(dǎo)出編輯、打印等操作。

5.4 斷面數(shù)據(jù)管理

斷面數(shù)據(jù)管理主要是對河流斷面的分析以及斷面圖的繪制，主要包括斷面信息、斷面里程和聲速文件管理、實測斷面信息管理、水位計算、計算起點距和高程、成果輸出六大功能模塊組成。

（1） 斷面信息主要對斷面的基本信息以及斷面控制點進(jìn)行增、刪、改、導(dǎo)入、導(dǎo)出和查詢操作，并且還可以根據(jù)要求的格式，導(dǎo)出斷面考證表。

（2） 斷面里程即對斷面名稱、所屬河段、斷面間距、累計距離進(jìn)行統(tǒng)計歸納，主要運(yùn)用于不同測次斷面體積差比較等操作;聲速文件管理主要是聲速起始斷面、截止斷面和預(yù)設(shè)聲速進(jìn)行維護(hù)，可添加、查看、刪除、批量導(dǎo)入聲速數(shù)據(jù)。

（3） 實測斷面信息管理主要是導(dǎo)入陸上及水下斷面實測數(shù)據(jù)，水下數(shù)據(jù)包含HydroPro采集數(shù)據(jù)和Hypack采集數(shù)據(jù)，水下數(shù)據(jù)導(dǎo)入后可生成原始水深圖（圖3）。

（4） 水位計算即根據(jù)導(dǎo)入的水位信息、河道里程按照選擇的方式對導(dǎo)入的水下斷面數(shù)據(jù)進(jìn)行水位推導(dǎo)，計算方式有按測點平均時間計算、按測點測量時間逐點計算、根據(jù)錄入的實測水位計算。

（5） 計算起點距和高程，在完成水位計算后，可以進(jìn)行斷面起點距和高程的計算，高程通過“無溫躍層改正”和“溫躍層改正”兩種方式進(jìn)行計算。在計算時系統(tǒng)會彈出窗口對測點進(jìn)行檢查，可以根據(jù)輸入條件，進(jìn)行測點去偏，測點去重，插入測點，刪除測點，核對數(shù)據(jù)后完成起點距和高程的計算。在測點檢測界面中，可以對檢測結(jié)果和水深圖進(jìn)行切換展示。

（6） 成果輸出主要為繪制斷面圖與成果表，系統(tǒng)可對已計算的斷面進(jìn)行斷面圖的批量繪制，并且可對所繪制的斷面圖導(dǎo)出為CAD格式圖（圖4）進(jìn)行保存和打印。成果繪制的界面中，可以選擇不同的測次進(jìn)行面積差和體積差的計算操作，統(tǒng)計斷面長度。系統(tǒng)可以生成斷面成果表，以Excel的方式把成果表保存到電腦中。生成的成果表、斷面圖格式滿足CSWH-2006 《河道資料匯總與提交導(dǎo)則》的要求。

6 系統(tǒng)測試與分析

6.1 壓力測試

壓力測試使用的數(shù)據(jù)上報文件： 文件大小約1 M，20個工作表，每工作表數(shù)據(jù)條目600條，單個數(shù)據(jù)文件數(shù)據(jù)量1萬條;使用MS Visual Studio 2012 Test Center分別模擬5，50，200個并發(fā)用戶的情況，單個數(shù)據(jù)上報任務(wù)的平均完成時間及頁面響應(yīng)結(jié)果見表2。

在200個并發(fā)進(jìn)程進(jìn)行數(shù)據(jù)上報、解析和校驗的情況下，服務(wù)器端CPU占用率約50%，內(nèi)存使用約200 M，硬盤寫入速度約2 M/s。

6.2 系統(tǒng)分析

本文通過壓力測試，有效檢驗了長江上游河道業(yè)務(wù)處理系統(tǒng)的穩(wěn)健性和可靠性。該系統(tǒng)詳細(xì)分析了用戶需求，使用SQL Server數(shù)據(jù)庫技術(shù)和多種計算機(jī)語言，將床沙分析、斷面分析等多種功能集成一體，具有如下優(yōu)點：

（1） 應(yīng)用SQL Server數(shù)據(jù)庫技術(shù)實現(xiàn)了原始數(shù)據(jù)、過程數(shù)據(jù)、成果數(shù)據(jù)等屬性數(shù)據(jù)的存儲與查詢，運(yùn)用C#，XML，VB，XHTML語言優(yōu)化了數(shù)據(jù)中間計算，數(shù)據(jù)檢查、成果輸出等設(shè)計語言實現(xiàn)了數(shù)據(jù)生產(chǎn)高效性。

（2） 功能設(shè)計完善，系統(tǒng)能對各類用戶進(jìn)行權(quán)限管理，為各類角色進(jìn)行權(quán)限分配，有效保障了用戶數(shù)據(jù)的安全性;本系統(tǒng)實現(xiàn)河道業(yè)務(wù)的綜合管理，實現(xiàn)了床沙、斷面從原始數(shù)據(jù)到成果數(shù)據(jù)的一體化流程。

（3） 能夠快速生成河道業(yè)務(wù)成果，保障數(shù)據(jù)成果的規(guī)范安全，在一定程度上提升了長江上游河道業(yè)務(wù)行業(yè)水平。

7 結(jié) 語

長江上游河道業(yè)務(wù)處理系統(tǒng)根據(jù)上游河道勘測的工作流程進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，將斷面處理與床沙分析集合在一個軟件內(nèi)，實現(xiàn)河道業(yè)務(wù)原始數(shù)據(jù)處理、中間過程檢查，成果分析、成果輸出一體化作業(yè)，生成合格的水文河道產(chǎn)品，規(guī)范了作業(yè)流程，保障了數(shù)據(jù)安全，提高了工作效率，推動了河道信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

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（編輯：李 晗）

Design and research of river business processing system for upper reaches of Yangtze River

XU Hongchuan，SUN Zhengan

（Upper Changjiang River Bureau of Hydrological and Water Resources Survey， Bureau of Hydrology， Changjiang Water Resources Commission， Chongqing 400021， China）

Abstract： To further improve the efficiency of river business production and ensure the quality of data results， the Upper Yangtze River River Business Processing System was designed. The river business processing system for the upper reach of the Yangtze River integrates the analysis functions of sectional and bed sediment， such as the management， processing， and chart expression and brief analysis and calculation of results. In this paper， the design idea， database analysis and functional application of the system are described. Relevant measured data show that the system is high automation in data processing and results generation， accuracy in results analysis， simple and friendly in interface， high in function integration， and can improve the work efficiency of technical personnel and ensure the safety of data.

Key words： river business; database design; bed load analysis; section treatment; system test