長(zhǎng)江上游水庫(kù)泥沙監(jiān)測(cè)信息平臺(tái)研發(fā)與應(yīng)用

金 奇，趙云毅，彭子翰，馮國(guó)正

(長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局 長(zhǎng)江上游水文水資源勘測(cè)局，重慶 400020)

0 引 言

水庫(kù)泥沙監(jiān)測(cè)主要包括河道斷面繪制、床沙分析等，具有監(jiān)測(cè)要素多、數(shù)據(jù)多源、數(shù)據(jù)處理程序繁雜、成果表達(dá)多樣、數(shù)據(jù)時(shí)效性要求高等特點(diǎn)?，F(xiàn)有的河道信息系統(tǒng)主要以MapInfo5.0、ArcEngine、ArcGIS等為開(kāi)發(fā)應(yīng)用平臺(tái)進(jìn)行建設(shè)[1-4]。河道斷面繪制主要采用南方CASS軟件平臺(tái)[5-7]或基于A(yíng)utoCAD二次開(kāi)發(fā)斷面成圖[8-9]等方式實(shí)現(xiàn)。幾乎沒(méi)有床沙數(shù)據(jù)處理及成果整理相關(guān)文獻(xiàn)。這些信息系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)相對(duì)專(zhuān)業(yè)，對(duì)數(shù)據(jù)生產(chǎn)者、管理者使用門(mén)檻高，成本較大?；贏(yíng)utoCAD的二次開(kāi)發(fā)以文本為基礎(chǔ)，非數(shù)據(jù)庫(kù)管理，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、共享、安全管理困難。同時(shí)，各生產(chǎn)工序雖已存在相應(yīng)的專(zhuān)業(yè)處理軟件，但設(shè)計(jì)較為單一、功能分散、操作繁瑣，往往需要多個(gè)不同的專(zhuān)業(yè)軟件才能完成所有任務(wù)，應(yīng)用面窄、缺乏統(tǒng)一性，不能滿(mǎn)足河道勘測(cè)快速發(fā)展的需求。為進(jìn)一步提高水庫(kù)泥沙監(jiān)測(cè)作業(yè)效率，保障河道數(shù)據(jù)生產(chǎn)與管理安全，本文提出以微軟.Net為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，采用C/S結(jié)構(gòu)，直連SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行平臺(tái)開(kāi)發(fā)，集成斷面繪制、床沙分析等任務(wù)模塊，使數(shù)據(jù)生產(chǎn)流程化，數(shù)據(jù)管理規(guī)范化，成果標(biāo)準(zhǔn)化。

1 總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)計(jì)劃采用微軟.Net開(kāi)發(fā)平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，運(yùn)行模式主要基于C/S模式；系統(tǒng)將在局域網(wǎng)或單機(jī)環(huán)境上運(yùn)行，數(shù)據(jù)庫(kù)和軟件系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立；數(shù)據(jù)庫(kù)安裝在服務(wù)器上；軟件系統(tǒng)主要以SQL Server直連等方式進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)表數(shù)據(jù)讀取。

(1) 易用性。按照數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)、管理角色進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，各模塊按照數(shù)據(jù)處理流程進(jìn)行模塊分類(lèi)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的易用性。

(2) 美觀(guān)與協(xié)調(diào)性。布局力求簡(jiǎn)潔、有序、易于操作。注重窗口內(nèi)部所有控件的布局和信息組織的藝術(shù)性，使用戶(hù)界面美觀(guān)協(xié)調(diào)。

(3) 錯(cuò)誤信息處理。出現(xiàn)各種出錯(cuò)或異常狀態(tài)時(shí)，給予用戶(hù)友好的提示和幫助，并提示用戶(hù)錯(cuò)誤或異常產(chǎn)生的原因。

(4) 安全性。數(shù)據(jù)庫(kù)、系統(tǒng)安全登錄設(shè)置，對(duì)不同用戶(hù)予以不同的權(quán)限設(shè)置。

2 系統(tǒng)建設(shè)內(nèi)容

建設(shè)內(nèi)容主要包括系統(tǒng)管理、原始數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查、數(shù)據(jù)處理、成果生成、工作量統(tǒng)計(jì)、沖淤分析計(jì)算、成果遠(yuǎn)程發(fā)布等，系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)主要通過(guò)泥沙監(jiān)測(cè)相關(guān)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)水庫(kù)的床沙和斷面進(jìn)行分析，流水線(xiàn)生成成果表和成果圖，將水庫(kù)泥沙監(jiān)測(cè)斷面分析和床沙分析工作集成在一個(gè)系統(tǒng)中，既可提高工作效率，又保證數(shù)據(jù)的安全性與準(zhǔn)確性。

圖1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)Fig.1 Overview of the system function

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)語(yǔ)言

3.1 SQL Server 數(shù)據(jù)庫(kù)

微軟公司推出的SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)系列軟件是一套關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，具有很高的安全性，既能降低日常開(kāi)發(fā)成本，又能節(jié)省開(kāi)發(fā)項(xiàng)目時(shí)間，是一個(gè)較智能的平臺(tái)，易于數(shù)據(jù)庫(kù)管理[10]。

3.2 C/S結(jié)構(gòu)

C/S結(jié)構(gòu)是一種常見(jiàn)的軟件設(shè)計(jì)模式，即客戶(hù)端(Client)-服務(wù)器(Server)結(jié)構(gòu)。采用C/S結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)有專(zhuān)用安裝包，也有相對(duì)固定的用戶(hù)群，對(duì)安全性的控制能力強(qiáng)。C/S結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)一般是典型的中央集控模式，多用戶(hù)節(jié)點(diǎn)獨(dú)立同步與服務(wù)器進(jìn)行信息傳遞與數(shù)據(jù)處理。C/S結(jié)構(gòu)下程序從整體性考慮，完成整體化任務(wù)，更加注重流程性。

3.3 C#語(yǔ)言

C#語(yǔ)言是一種面向?qū)ο蟮母呒?jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，具有比C和C++更加完善面向?qū)ο蟮墓δ?。C#的安全性和穩(wěn)定性都非常高，而且使用較簡(jiǎn)單。C #有著VB的可視化操作，也有C++的高效率運(yùn)行能力，因此成為開(kāi)發(fā).NET的首選語(yǔ)言[10]。

4 安全設(shè)計(jì)

4.1 審計(jì)功能與訪(fǎng)問(wèn)控制

SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)提供了完善的審計(jì)功能，通過(guò)SQL事件探查器自動(dòng)記錄用戶(hù)操作信息，包括用戶(hù)名、時(shí)間、操作代碼等信息，便于溯源事故相關(guān)責(zé)任人，也有利于修補(bǔ)系統(tǒng)漏洞和弱點(diǎn)，維護(hù)信息平臺(tái)安全。限制用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)權(quán)限是保護(hù)數(shù)據(jù)安全的重要措施。系統(tǒng)根據(jù)使用對(duì)象身份，將其定義成系統(tǒng)管理員用戶(hù)、數(shù)據(jù)庫(kù)所有者用戶(hù)、普通用戶(hù)等，不同的用戶(hù)具有不同的訪(fǎng)問(wèn)權(quán)限，實(shí)現(xiàn)用戶(hù)分級(jí)管理。

4.2 身份認(rèn)證與數(shù)據(jù)庫(kù)加密

身份認(rèn)證是信息平臺(tái)最外層的安全保護(hù)手段。用戶(hù)必須向系統(tǒng)出示準(zhǔn)確的用戶(hù)名和密碼，通過(guò)認(rèn)證機(jī)制嚴(yán)格審查核實(shí)后，才能獲得相對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)服務(wù)。SQL Server具有數(shù)據(jù)內(nèi)部加密功能，使用密文作為高敏感數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)或傳輸手段，有效防范非法行為竊取泥沙監(jiān)測(cè)項(xiàng)目保密數(shù)據(jù)事故。

4.3 備份、恢復(fù)和并發(fā)保護(hù)機(jī)制

為防止系統(tǒng)崩潰導(dǎo)致重要數(shù)據(jù)損壞或丟失，數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)建立了備份和恢復(fù)機(jī)制，能在最短時(shí)間內(nèi)通過(guò)緩存機(jī)制恢復(fù)數(shù)據(jù)運(yùn)行。同時(shí)，信息平臺(tái)為完善系統(tǒng)保護(hù)體系，通過(guò)關(guān)閉不用的服務(wù)、功能和網(wǎng)絡(luò)連接，禁用不必要的協(xié)議，更改或隱藏SQL Server端口，刪除存在危險(xiǎn)的存儲(chǔ)過(guò)程，定期安裝補(bǔ)丁等多重手段共同維護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行安全。

5 功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

5.1 系統(tǒng)管理

系統(tǒng)管理主要分為以下5個(gè)部分。

(1) 部門(mén)管理。用戶(hù)可以對(duì)系統(tǒng)組織架構(gòu)進(jìn)行管理，添加、編輯或刪除部門(mén)，維護(hù)部門(mén)上下級(jí)層級(jí)關(guān)系和用戶(hù)等。

(2) 用戶(hù)管理。由系統(tǒng)管理員管理用戶(hù)，包括用戶(hù)的創(chuàng)建、刪除、用戶(hù)權(quán)限分配、用戶(hù)權(quán)限更改。用戶(hù)的權(quán)限可以由系統(tǒng)管理員根據(jù)需要?jiǎng)討B(tài)設(shè)置?？蓪⒂脩?hù)分成不同的用戶(hù)組，賦予不同角色不同的訪(fǎng)問(wèn)權(quán)限，采用基于角色的權(quán)限訪(fǎng)問(wèn)控制策略。

(3) 權(quán)限管理。對(duì)權(quán)限功能進(jìn)行了細(xì)分，將權(quán)限級(jí)別劃分為菜單、功能、數(shù)據(jù)，不但可以控制用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)的菜單項(xiàng)，還可以控制用戶(hù)對(duì)菜單中功能的使用，禁止用戶(hù)的某一細(xì)節(jié)操作。

(4) 角色管理。對(duì)單位內(nèi)部員工進(jìn)行角色定義與劃分，結(jié)合本系統(tǒng)中的權(quán)限管理，為不同角色進(jìn)行不同權(quán)限分配，以控制每個(gè)角色在系統(tǒng)中的操作訪(fǎng)問(wèn)權(quán)限。

(5) 日志管理。日志管理主要是對(duì)訪(fǎng)問(wèn)系統(tǒng)的用戶(hù)操作行為進(jìn)行記錄，主要記錄的內(nèi)容包括訪(fǎng)問(wèn)者用戶(hù)名、姓名、日志信息、IP地址、操作時(shí)間等。

5.2 床沙數(shù)據(jù)管理

(1) 床沙實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析。主要是對(duì)錄入的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)自動(dòng)分析，根據(jù)預(yù)設(shè)的算法對(duì)數(shù)據(jù)計(jì)算、分析和處理，并自動(dòng)繪制試坑的沙顆粒級(jí)配曲線(xiàn)圖?？梢圆榭凑麄€(gè)試坑的沙顆粒級(jí)配曲線(xiàn)圖，也可對(duì)試坑每一層分別查看。支持按指定圖紙尺寸對(duì)圖進(jìn)行打印操作。

(2) 生成成果表。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析完成后，可以生成床沙粒徑分析成果表以供查閱，并且可對(duì)成果表進(jìn)行導(dǎo)出和打印操作。

(3) 沙顆粒級(jí)配曲線(xiàn)圖查詢(xún)。提供沙顆粒級(jí)配曲線(xiàn)圖查詢(xún)功能，選擇需要查詢(xún)的試坑，點(diǎn)擊查看按鈕，可展示該試坑整體和每一層的沙顆粒級(jí)配曲線(xiàn)如圖2所示，可對(duì)圖進(jìn)行打印操作。

圖2 試坑沙顆粒級(jí)配曲線(xiàn)Fig.2 Sediment gradation curve of test pit

5.3 斷面數(shù)據(jù)管理

(1) 實(shí)測(cè)斷面數(shù)據(jù)錄入。將斷面實(shí)測(cè)的陸上數(shù)據(jù)、水下數(shù)據(jù)、水深圖數(shù)據(jù)導(dǎo)入到系統(tǒng)，可進(jìn)行導(dǎo)入、查看、刪除等操作。

(2) 水位推算。根據(jù)導(dǎo)入到系統(tǒng)中的斷面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，可分為中心線(xiàn)法和距離倒數(shù)加權(quán)法來(lái)計(jì)算。中心線(xiàn)法又可通過(guò)按測(cè)點(diǎn)平均時(shí)間計(jì)算、按測(cè)點(diǎn)測(cè)量時(shí)間逐點(diǎn)計(jì)算、根據(jù)錄入實(shí)測(cè)水位計(jì)算3種模型計(jì)算水位數(shù)據(jù)。

(3) 計(jì)算起點(diǎn)距和高程。在完成水位計(jì)算后，可以進(jìn)行斷面起點(diǎn)距和高程計(jì)算。高程可通過(guò)無(wú)溫躍層改正和溫躍層改正兩種方式進(jìn)行計(jì)算。在計(jì)算時(shí)系統(tǒng)會(huì)彈出窗口對(duì)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行檢查，可以根據(jù)輸入條件進(jìn)行測(cè)點(diǎn)去偏、測(cè)點(diǎn)去重、插入測(cè)點(diǎn)、刪除測(cè)點(diǎn)，核對(duì)數(shù)據(jù)后完成起點(diǎn)距和高程的計(jì)算。

(4) 繪制斷面圖。在完成上述計(jì)算后，可對(duì)完成計(jì)算的斷面進(jìn)行斷面圖繪制，并將所繪制的斷面圖導(dǎo)出為CAD格式(圖3)進(jìn)行保存和打印。

圖3 斷面圖Fig.3 Cross-section diagram

(5) 查詢(xún)分析?？蓪?duì)不同測(cè)次或斷面的往返測(cè)進(jìn)行面積差計(jì)算，也可利用截錐體法進(jìn)行泥沙沖淤分析計(jì)算。

(6) 生成斷面成果表。系統(tǒng)可生成斷面成果表，以Excel的格式將成果表保存到計(jì)算機(jī)中。

6 系統(tǒng)測(cè)試與應(yīng)用

6.1 系統(tǒng)測(cè)試

為了定量評(píng)價(jià)該信息平臺(tái)性能，本文使用一臺(tái)聯(lián)想萬(wàn)全R525 G2服務(wù)器進(jìn)行壓力測(cè)試。該服務(wù)器配備了Intel Xeon CPU E5530處理器，最大內(nèi)存容量144GB?？蛻?hù)端使用一臺(tái)搭載Inter(R)Core(TM)i5-252-M處理器的Thinkpad T420s和一臺(tái)搭載Inter(R)Core(TM)2 Duo CPU P8600處理器的Thinkpad T400同時(shí)運(yùn)行。測(cè)試上報(bào)文件有20個(gè)工作表，每個(gè)工作表包含600條數(shù)據(jù)條目，文件總內(nèi)存約1M。實(shí)驗(yàn)通過(guò)MS Visual Studio 2012 Test Center分別模擬5，50，200個(gè)并發(fā)用戶(hù)運(yùn)行情況。

測(cè)試中軟件運(yùn)行基本穩(wěn)定，未發(fā)生因故障所導(dǎo)致的異常退出及丟失數(shù)據(jù)現(xiàn)象，壓力測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。信息平臺(tái)在最大200個(gè)并發(fā)用戶(hù)情況下，頁(yè)面響應(yīng)時(shí)間小于3 s，平均完成時(shí)間114 s。定量成果證明該信息平臺(tái)具有較強(qiáng)穩(wěn)健性和可靠性，滿(mǎn)足泥沙監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)操作要求。

表1 壓力測(cè)試統(tǒng)計(jì)Tab.1 Pressure test statistics

6.2 系統(tǒng)應(yīng)用

近年來(lái)，中國(guó)大力推動(dòng)數(shù)字孿生流域、數(shù)字孿生水利工程建設(shè)，對(duì)水文泥沙監(jiān)測(cè)處理軟件的高效性、穩(wěn)定性、安全性提出了更高要求。該信息平臺(tái)建成后，被業(yè)內(nèi)主要大型事業(yè)、企業(yè)單位廣泛應(yīng)用于長(zhǎng)江上游水庫(kù)(群)及西南諸河水庫(kù)的實(shí)際生產(chǎn)項(xiàng)目中，泥沙沖淤分析見(jiàn)圖4。在系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)管理安全性、數(shù)據(jù)處理高效性、處理成果準(zhǔn)確性等方面均得到了良好評(píng)價(jià)，創(chuàng)造了積極的社會(huì)效益。

圖4 泥沙沖淤分析Fig.4 Analysis of degradation and aggradation

7 結(jié) 論

隨著數(shù)字孿生流域快速發(fā)展，水文泥沙監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)成為了河道BIM、生態(tài)保護(hù)、儲(chǔ)水量反演等領(lǐng)域的重要數(shù)據(jù)源。傳統(tǒng)的處理軟件功能分散、人機(jī)交互強(qiáng)度大、層級(jí)管理不便，已不能滿(mǎn)足數(shù)字孿生流域的建設(shè)需求。本文提出以.Net為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，采用C/S結(jié)構(gòu)，直連SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)水庫(kù)泥沙監(jiān)測(cè)信息平臺(tái)，形成如下結(jié)論。

(1) 采用C/S結(jié)構(gòu)直連SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行平臺(tái)開(kāi)發(fā)，具有多重、多層級(jí)安全保障，數(shù)據(jù)管理安全可靠。

(2) C/S結(jié)構(gòu)，C#語(yǔ)言開(kāi)發(fā)平臺(tái)系統(tǒng)界面簡(jiǎn)單，按數(shù)據(jù)處理流程進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，系統(tǒng)使用便捷。

(3) 采用C/S結(jié)構(gòu)，SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)平臺(tái)，僅對(duì)服務(wù)器一次性建設(shè)，即可實(shí)現(xiàn)多個(gè)客戶(hù)端高效運(yùn)行系統(tǒng)。

(4) 以.Net為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，采用C/S結(jié)構(gòu)，直連SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)平臺(tái)，具有數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)、管理多角色獨(dú)立使用功能，適用于專(zhuān)業(yè)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)開(kāi)發(fā)應(yīng)用。

(5) 集成斷面處理與床沙分析功能，實(shí)現(xiàn)泥沙監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)一體化作業(yè)，有效降低人機(jī)交互強(qiáng)度，縮短成圖周期。