（水工结构工程专业论文）面板堆石坝安全监测分析评价预报系统的研究和开发.pdf

摘要 随着我国振动碾压技术的提高，面板堆石坝建设的数量越来越多，目前的 大坝安全监测系统大多是针对混凝土坝，而针对面板堆石坝的安全监测系统的研 究和开发很少，本文提出了建立一套针对面板堆石坝的安全监测分析评价预报软 件系统，这对提高我国面板堆石坝的安全监测、设计、施工、运行水平将具有巨 大的经济效益与显著的社会效益。 本文第一章分析了大坝安全监测系统研究的目的和意义，并介绍了目前我国 大坝安全监测技术的现状、监测资料分析技术和预测预报模型的发展情况；第二 章对系统进行了总体设计，确定了系统开发的基本原则、系统的总体结构和流程， 并对系统开发的语言和后台数据库产品进行了比较选择，最后进行了系统的数据 库设计和系统的安全性设计和权限设计：第三章对本系统开发过程中用到的统计 模型，灰色理论模型，模糊理论模型的基本理论和建模过程进行了比较详细介绍。 第四章讲述了系统的具体实现和对软件的各个功能包括系统总控、系统管理、工 程概况、设计资料库、监测仪器资料库、监测信息库、整编数据库、资料整编， 分析评价、预测预报等进行了比较详细的介绍，用具体的监测数据对系统进行了 检验和测试，并对系统的各个界面的操作进行了介绍。第五章对系统的开发进行 了总结，并对今后的大坝安全监测系统的发展进行了展望。 关键词：面板堆石坝：大坝安全监测；统计分析；灰色理论：模糊理论 a b s t r a c t w j 血t h ed e v e l o p m e n to ft h ev i b r a t i o np r e s st e c b m co fo r rc o u n t r y t h eq u a n t i t yo f t h ef a c e dr o c l c f i l ld a m sc o n s t r u c t i o ni sm o l ea n dm o t e a tp r e s e n t ，t h ed a ms a f e t y m o n i t o rs y s t e ma i m sa tt h ec o n c r e t ed a m m o s t l y ，b u ta i m sa tt h er e s e a r c ha n dd e v e l o p o ft h ef a c e dr o c l d i l ld a mo fs a f em o n i t o rs y s t e ms e l d o m l y , t h i sp a p e rp u tf o r w a r d t h a tb u i l d i n gu pas e to fa i ma tt h ef a c e dr o c k f i l ld a mo fs a f e t ym o n i t o ra n a l y s i s e v a l u a t i o n a n dp r e d i c t i o n ss o f t w a r e s y s t e m , w h i c hh a v e ah u g ee c o n o m i c p e r f o r m a n c ea n do b v i o u ss o c i a lp e r f o r m a n c e t or a i s et h el e v e lo fo u rc o u n t r y ss a f e t y m o n i t o ro ft h ed a m , d e s i g n ，c o n s t r u c t i o na n dr u n n i n g 强ef i r s tc h a p t e ro ft h ep a p e ra n a l y z e dt h ep u r p o s ea n dm e a n i n go ft h er e s e a r c ho f t h ed a ms a f e t ym o n i t o r i n gs y s t e ma n di n t r o d u c e da nt h ec i r c u m s t a n c eo fo u rc o u n t r y t h ed a mo fs a f e t ym o n i t o rt e c h n i c a lc u r r e n t l y ，t h et e c h n i q u eo ft h em o n i t o rd a t a a n a l y s i s a n dt h ec i r c u m s t a n c eo ff o r e c a s t sm o d e lo ft h em o n i t o rd a t a ；t h es e c o n d c h a p t e rc a r r i e do nat o t a ld e s i g nt ot h es y s t e m , m a d es u r et h et o t a ls t r u c t u r ea n d p r o c e s s ，t h eb a s i cp r i n c i p l eo ft h es y s t e md e v e l o p m e n t , a n da s s u r a n c e dt h el a n g u a g e o fd e v e l o p m e n ta n db a c k s t a g ed a t a b a s ep r o d u c tw h i c hc a r r i e do nc o m p a r i n ga n d c h o o s i n g ，c a r r y i n go nt h ed e s i g no fd a t a b a s eo ft h es y s t e m ，s a f e t yd e s i g na n dl e g a l p o w e rd e s i g nf i n a l l y ；t h e t h i r dc h a p t e rc a r r i e do nd e t a i l e di n t r o d u c t i o nt ot h es t a t i s t i c s m o d e l , t h eg r a yt h e o r i e sm o d e l ，t h ef u z z yt h e o r i e sm o d e la n dt h ee s t a b l i s h m e n t p r o c e s so fe a c hm o d e l t h ef o u r t hc h a p t e rr e l a t e dt h es y s t e mo fc o n c r e t er e a l i z a t i o n a n dc a r r i e do nd e t a i l e di n t r o d u c t i o nt oe a c hf u n c t i o no f 也es o f t w a r ei n c l u d et h et o t a l c o n t r o lo ft h es y s t e m , s y s t e mm a n a g e m e n t , e n g i n e e r i n gg e n e r a ls i t u a t i o n ，t h ed e s i g n d a t a b a s e ，m o n i t o rd a t a b a s e ，t h em o n i t o ri n f o r m a t i o nd a t a b a s e ，t h ew h o l ee d i to ft h ed a t a ， a n a l y z ea n de v a l u a t i o n ，f o r e c a s te r e ，u s i n gac o n c r e t em o n i t o rd a t at oc a r r yo n e x a m i n a t i o na n dt e s tt ot h es y s t e m , a n dc a r r i e do ni n t r o d u c t i o nt ot h eo p e r a t i o no f e a c hi n t e r f a c eo ft h es y s t e m t h ef i f t h c h a p t e rc a r r i e do n 刚皿m a d ，t ot h e d e v e l o p m e n to ft h es y s t e m , a n dt a r r e do na l lo u t l o o kt h ed e v e l o p m e n to ft h ed a m s a f e t ym o n i t o rs y s t e ma f t e r t i m e k e y w o r d s ：f a c e dr o c k f i l ld a m ；d a ms a f e t ym o n i t o r i n g ；s t a t i s t i c sa n a l y s i s ；g r a y t h e o r i e s ；f u z z yt h e o r i e s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者躲骨诌签字日期7 妒7 年j 月嘲 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤洼盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期：7 矿秽- 年 将妒 ，叩如 、7 ， 天津大学硕士学位论文第章绪论 第一章绪论 1 1 大坝安全监测系统研究的目的和意义 我国是世界上的筑坝大国，无论是从筑坝数量和规模均居世界第一。在已建 的8 6 9 0 0 多座大坝中，很大部分是堆石坝，在西部大开发的拟建大坝中，堆石 坝也占大多数。已建的有坝高1 7 8 m 的天生桥一级水电站面板堆石坝，坝高1 8 3 m 的洪家渡面板堆石坝。己建的坝高在l o o m 以上的还有乌鲁瓦提、珊溪、金盘、 黑泉、白溪、白云、古洞口、高塘、石头河、茄子山、鲁布革、柴石滩等工程。 拟建和在建工程中，坝高超过l o o m 的有近2 0 座，其中，苗家坝、水布垭、糯 扎渡、瀑布沟、滩坑、三板溪、洪家渡、姚家坪等坝高都在1 8 0 m 以上，水布垭、 苗家坝、洪家渡等高达2 3 0 m 以上。这些工程在国民经济中已经或者将产生巨大 的效益，然而由于多种原因，如水文、地质、施工质量、运行管理和坝体老化等 原因，造成坝体破损。渗漏、以致失事时有发生。部分大坝存在不安全因素，影 响着这些工程效益的发挥，甚至威胁下游人民的生命财产安全。此外，随着我国 经济的快速发展，水资源的深入并发，新建大坝坝址的地质条件越来越复杂，大 坝的规模也向高坝、大型方向发展，因此其安全问题就显得更加突出，引起了政 府部门和坝工界的高度重视【l 】。 由于大坝及坝基工作条件十分复杂，荷载、计算参数、计算模型、计算方法 等还难于精确模拟。使目前水工设计还难于做到完全与工程实际相吻合，有时甚 至会有较大的出入。因此，对大坝及其基础的监测，利用原型观测资料进行整体 分析，建立各种数学监控模型，监测和评价大坝及基础运行工况。最后利用反馈 分析，馈控大坝原型结构和完善设计理论。这样一方面可以及时监控和评价大坝 和基础的工作状态，另一方面对在建或拟建大坝的设计、施工和运行提供反馈信 息，从而达到优化设计、施工和运行的目的。监控大坝的安全问题，有重大的实 用意义和科学价值。如佛子岭连拱坝1 9 9 3 年1 1 月下旬大坝监控指标超标，对此， 决定水位降至1 2 2 m ( 低温高水位控制水位) 运行的决策；龙羊峡大坝1 9 8 6 年l o 月下闸蓄水，库水位未达到设计正常高水位( 2 6 0 0 m ) ，但仍确定其在正常水位时有 足够的强度和稳定性的运行决策等，都体现了大坝安全监控分析的重大实用意义 【2 】【3 1 。 随着科学技术的进一步发展，大坝监测自动化程度的提高，数据处理速度 大大加快，测点、测次大幅度增多，力求更加确切反映大坝的实际状态。这对大 坝自动化监测系统的准确性、稳定性及可靠性提出了较高的要求。同时也对及 天津大学硕士学位论文第一章绪论 时分析评价系统提出了更高的要求。因此，做为监测资料分析自动化评估系统最 基础的安全监控模型，对分析、评价的准确性起着重要的作用。如何正确地进行 数据处理并建立整体分析监控模型，再用其对大坝安全状态作出快速、准确的分 析评判，成为目前大坝安全监控的一项新的研究课题。 过去针对混凝土坝的大坝安全监测系统比较多，但对面板堆石坝的安全监测 系统却很少，因此针对我国水利水电工程现状与水利水电建设发展的需要，开发 出针对面板堆石坝的软件系统面板堆石坝安全监测分析评价预报系统，推广 应用到每个面板堆石坝，避免了每个工程都去重复开发，可以大大促进水利水电 工程安全监测系统的建置和安全监测作用的发挥，可以及时掌握大坝的实际状 态，进行安全评价，进行预测预报并反馈指导设计、施工、确保大坝工程安全， 充分发挥水利水电工程效益，提高设计、施工、运行水平、具有巨大的经济效益 与显著的社会效益。 1 2 国内外大坝安全监测技术的发展 国外开展大坝监测早于国内，发展遥测仪器成为近几年科研工作者的研究重 点。各个国家根据本国国情和需要，沿着不同方式推动本国的监测自动化。意大 利独树一帜，不仅系统地研究大坝安全监测理论和监测方法，而且推出了微机辅 助监测系统( m a s m ) ，实现大坝安全监测的全面自动化。法国和葡萄牙等注重监测 资料管理的自动化，而管理自动化加部分采集自动化成为西班牙等国大坝安全监 测的特点。随着专家系统的的开发和发展，俄罗斯和意大利等国与我国一样在现 阶段均致力于大坝安全监测专家系统的研究，进展很快h 1 。 国内大坝安全监测虽开展比较迟，但经过仅二十年来的不懈努力，已取得了 很大的成就。 1 监测设计理论的逐步完善 新中国成立之初，我国大坝安全监测设计几乎是一张自纸，无监测设计人员， 也谈不上监测设计经验，经过大规模水利水电工程建设的实践，形成了一支良好 的设计队伍。1 9 8 9 年，具有我国特色的第一本监测规范一混凝土大坝安全监 测技术规范问世。1 9 9 4 年，水利部和电力工业部土石坝安全监测技术规范 的颁发碍，标志着我国大坝安全监测设计进入了一个新的阶段。 长期以来，大坝安全监测设计采用的是经验设计方法，整个设计过程是建立 在经验与技巧能力的积累之上。近些年来，随着电子计算机的普及和g a d 技术 的广泛使用，一种比较重视设计程序的新方法正在兴起。这种现代设计方法思路 清晰，考虑问题范围广泛，设计过程中着重从整个系统出发，能协调总体和部分， 部分和部分之间的关系，使整个监测系统科学合理，使长期处于经验设计的设计 2 天津大学硕士学位论文第一章绪论 活动更理论化、科学化和合理化。武汉大学水电学院正在开发孕育着集图例库、 仪器库、数据库、知识库于一体的智能型辅助设计系统就是典型的一例。 分布式自动数据采集系统的发展，使大坝安全监测设计布置形式得到完善。 “九五”期间，大坝自动化监测系统的三大布置形式( 集中式、分布式和混合式) 己基本形成，对各种布置形式的选用条件也已基本明确；监测点的布置不再注重 以多为好，而是以监控安全为目的，抓住重点，提高系统的有效性：仪器和自动 化设备的选型，通过大量实践，总结出了结合测点观测项目、大坝运行环境、室 内试验、类似工作环境测试等，进行设备性能匹配和择优选用等原则：监测设计 中，考虑了监测系统随监测项目的变化而变化，如鉴于大坝施工期和运行期监侧 目的的侧重点不同，提出了妥善处理永久监测与临时监测，以及人工观测与自动 化监测的衔接方法。对于老坝的自动化监测系统改造，提出要有针对性的概念等 熊【6 】【7 1 【8 】 寸o 2 监测仪器的发展 差动电阻式传感器由美国加州大学卡尔逊教授研制，我国南京电力自动化设 备厂从上世纪5 0 年代开始研制生产，并应用于大量的水利水电工程中。针对该 类仪器内阻低、仪器电阻变差对测值的影响等难题，国内工程技术人员创造了五 芯测量原理，形成和完善了一整套抗潮能力高、温度误差小的五芯差动电阻式测 量系统，并开发了一些耐高压和大量程的仪器。国内弦式仪器主要技术指标与国 外还有一定差距，但发展很快，国内生产已形成了一定的规模。 上世纪8 0 年代初，东北勘测设计院科研所、杭州大学、丰满水电厂、太平 哨水电厂等研制出了真空激光准直系统，并在两电站投入运行，这在国际上是首 次把该技术用于大坝安全监测。九十年代末期，又对关键几项技术进行攻关，采 用密封式激光点光源、光电祸合器件c c d 作传感器、新型波带板、自动抽测系 统和高质量密封装置等新技术和新工艺等，新系统的可靠性有了进一步的提高。 我国在引进和应用国外先进技术方面同样取得了成功，如加拿大r o e k t e s t 公司、瑞士l e i c a 公司和美国g e o k o n 公司等大公司的产品在国内都得到了较好 的应用。国外几项新传感技术近些年来也部分引进了中国，如光纤传感技术、 c t 技术、渗流热技术，g p s 技术等。 光纤传感是利用光导纤维制作的用以测量各种物理量的仪器，目前，应用于 光纤传感的监测量主要是裂缝，应力应变的监测尚需进一步研究【9 】【10 1 。 c t 是英文c o m p u t e r i z e dt o m o g r a p h y 的缩写，意思“计算机无损成像”，它 指的是在不破坏物体结构的前提下，根据在物理周边所获得的某种物理量( 如波 速、x 线光强) 的一维投影数据，运用一定的数学方法，通过计算机处理，重建 物体特定层面上的二维图像以及依据一系列上述二维图像而构成三维图像的技 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 术，它可以定量地反映出物体内部材料性质的分布情况和缺陷部位，描绘出剖面 以至三维立体内的结构景象。意大利率先将c t 技术用于大坝性态诊断。日本协 助我国对丰满大坝作c t 检查，得到了2 4 个横剖面的波速分布图。c t 技术作为 一门交叉的综合性分支学科，有很强的生命力，可以预期，它在大坝内部性态检 测、缺陷搜索和老化评判上都将成为一项重要的科学研究手段。 渗流热监测是一种新的渗漏探测方法，通过观测温度分布及其变化来达到监 测坝体、坝基渗流。它是一项很有发展前途的技术，在美、苏、瑞典等国得到了 成功的应用。 g p s ( 全球定位系统) 已在隔河岩等大坝变形监测中获得了应用，随着成本的 降低，测量精度的提高，将在土石坝监测中逐步应用，这为我国大坝位移监测又 提供了一种有效的方法【l l 】【1 2 】【1 3 1 。 g i s ( 地理信息系统) 技术具有强大的空间分析和显示功能，可有效地用于流 域坝群的安全管理。目前，g i s 水电工程中已经获得较为普遍的应用，如在大坝 管理，水文水资源，流域土壤侵蚀和水土保持，以及在边坡稳定性分析等许多方 面得到应用【14 1 。 3 自动化监测系统的发展 随着微电子、计算机、网络、通讯、测量技术的发展，我国大坝安全监测系 统经历了从集中式到分布式的发展过程。同其它工业监测领域一样，大坝安全监 测系统最早开发的是集中式数据采集系统，后又有了混合式的形式。混合式采集 方式的开发是基于八十年代初国际微电子技术水平和我国当时的经济状况，它的 关键技术是要既经济又可靠地解决模拟量的长距离传输技术。原南京自动化研究 所成功地解决了内部观测仪器长达2 0 0 0 m 的模拟量传输技术。微电子和通讯技 术的发展，使电子元器件成本大幅度下降，用分布式系统代替集中式和混合式成 为可能，分布式监测系统消除了上千米电缆传输模拟信号对测量值的影响，明显 增加了信噪比，提高了测量精度，并且具有风险性小、抗雷能力强和可靠性高的 特点，更能适应大坝实际运行环境。 作为分布式系统的核心的自动化数据采集装置，目前主要有美国g e o m a t i o n 公司的2 3 0 0 系统；美国s i n c o 公司的i d a 系统；台湾研华公司的a d a m 4 0 0 0 和 a d a m 5 0 0 0 系统；我国南瑞公司的d a u 2 0 0 0 系统等【1 5 】j 。 1 3 监测资料分析技术和监控预报模型的发展 监测资料分析，国外在上世纪5 0 年代以前主要是对测值的描述和解释。1 9 5 5 年意大利的f a n e l l i 和葡萄牙r o c h a 等，率先用统计回归定量分析了大坝的变形 监测资料。从这以后，葡萄牙、意大利、奥地利、前苏联等国的学者相继对观测 4 天津大学硕士学位论文第一章绪论 值的定量分析进行了研型1 。7 1 。 7 0 年代以前，我国对监测资料的分析属于定性分析。7 0 年代末期在河海大 学陈久宇教授的带领下，我国也开始了运用数理统计方法对监测资料进行定量分 析。针对单测点测值建立的三大数学模型( 统计模型、确定性模型和混合模型) 近 2 0 年来已得到了广泛的应用，在此基础上，我国又研究和发展了单参数多测点 数学模型，从而，在大坝安全监测资料分析方面形成了一套较完整的时空位移数 学模型技术【1 8 】【1 9 】【2 0 】j 2 1 1 。 对模型的进一步优化，国内朝着几个方向发展。引进不同数学方法对监测资 料进行建模分析，使监控模型最精确地表达大坝的性态是开展定性分析以来探索 的一个方向，引进的数学方法有灰色理论、时间序列分析法和模糊数学，此外还 有近两年才引进的人工神经网络模型；另一个方向是结合成因分析探索模型的具 体因子形式和计算方法，例如解决各个原因因子间的相关影响问题。第三个方向 是寻找模拟滞后效应的最佳函数。 2 0 世纪9 0 年代初期形成的综合分析技术得到了进一步的发展，在评价方法 上，提出了模糊综合评判方法，模糊模式识别方法，突变论方法：在对并列因子 赋权方面，研究了层次分析赋权，主成分赋权以及二者相结合赋权等方法，使综 合分析趋向系统完整1 2 2 2 3 2 2 4 。 在大坝安全监测数据采集系统软件和信息管理软件的基础上，借助于综合分 析技术的发展，有关单位正在研发的大坝安全监测专家系统，将使我国大坝安全 监测方面的软件体系更加健全，极大地促进了大坝安全监测技术向更高层次的发 展【2 5 1 。 1 4 本文研究的主要内容 本文从我国目前面板堆石坝安全监测的现状，提出开发一套针对面板堆石坝 的安全监测分析评价系统，实现从数据的采集、管理、分析、评价预报的信息化 和自动化，这对及时分析大坝监测资料，减少监测人员工作量，及时掌握大坝安 全状态并及时做出决策确保大坝安全运行具有重要的意义。 本文主要从以下几个方面进行讨论： 1 分析了大坝安全监测系统研究的目的和意义，并介绍了目前我国大坝安 全监测技术的现状、监测资料分析技术和预测预报模型的发展情况； 2 对系统进行总体设计，确定了系统开发的基本原则、系统的总体结构和 流程，并对系统开发的语言和后台数据库产品进行比较选择，最后进行系统的数 据库设计和系统的安全性设计和权限设计； 3 对本系统开发过程中用到的统计模型，灰色理论模型，模糊理论模型的 天津大学硕士学位论文第一章绪论 基本理论和建模过程进行比较详细介绍。 4 讲述系统的具体实现和对软件的各个功能包括系统总控、系统管理、工 程概况、设计资料库、监测仪器资料库、监测信息库、整编数据库、资料整编， 分析评价、预测预报等进行比较详细的介绍，用具体的监测数据对系统进行了检 验和测试，并对系统的各个界面的操作进行介绍。 5 对系统的开发进行总结，并对今后的大坝安全监测系统的发展进行展望。 6 天津大学硕士学位论文 第二章系统的总体设计 第二章系统的总体设计 2 1 系统开发的基本原则 1 可靠性与稳定性优先 可靠性和稳定性是面板堆石坝安全监测分析评价预报系统正常运行的基础。 可靠的监测软件才能提供准确、及时的监测数据，得出反映大坝真实健康状况的 分析、评判，从而给出具有参考价值的决策依据。稳定性则是监测软件长期工作， 特别是大坝在非常时期，如蓄洪、泄洪、冰凌、地震等条件下正常工作的有力保 障。监测软件的可靠性与稳定性可以从如下几方面来保障。首先是选用稳定可靠 的硬件系统，这包括性能稳定可靠的监测仪器及其附属设备( 如电源、备用蓄电 池等) ，稳定可靠的监测网络传输设备和良好的计算机系统。选用一些知名公司 的高档产品：其次是做好软件测试，这是提高软件可靠性与稳定性的重要一环， 可以通过选用先进的软件测试方法在分部测试成功的基础上，再进行系统的集成 测试，这样可以提高测试的效率，收到良好的效果；再次就是在试运行期间做好 软件的调试修改工作，只有将软件真正地同硬件系统结合起来应用到实际工程中 去，才会发现软件是否真正可靠与稳定，通常情况下软件的可靠性和稳定性是要 在不断修改的基础上提高的。 2 先进性与兼容性并重 面板堆石坝安全监测分析评价预报系统作为一个专业的应用软件，要不断地 把新的计算方法、分析方法、预测方法、决策方法等应用到系统中，甚至若有更 加高效、实用、先进的技术，应不惜改变整个系统的结构。这样整个系统才能不 断更新，保持水平。但是软件系统的根本任务是给出反映真实大坝安全状况的信 息，系统改造时还应考虑在投资最少的情况下取得最大的效益，这就要求软件系 统有良好的兼容性，保留尽量多的硬件接口和软件接口，使软件有良好的可扩充 性。监测软件的先进性和兼容性，可通过先进的软件工程方法来实现，包括选用 实用的开发模型，面向对象的程序设计方法，结构化程序设计方案，使系统的可 视化建立在模块化、组件化的基础之上。 3 多样化与统一性兼顾 大坝结构与形式的多样化、大坝所处的地理环境与地质条件的多样化，使得 面板堆石坝安全监测分析评价预报系统也应根据实际工程的特点设计开发，这样 才能与实际工程结合得更为紧密，更能真实地反映大坝的实际健康状况。例如针 天津大学硕士学位论文第二章系统的总体设计 对不同的大坝，测点的布置、设计、造型各不相同，相应的分析模型、预测模型、 决策系统也应不同，应该在各类方法完备的前提下，优先选用最为合理的、合适 的方法，或增加一些特殊的功能。另外系统在宏观上还应保持高度的统一性，这 样才能使软件有广泛的适用性，避免重复开发造成严重的资源浪费，软件采用的 有关国际标准、国家标准、行业规范、规程，以及岩土力学、面板堆石坝工程原 型观测的基本规律和成熟经验应当是统一的，统一的系统接口还是建立全国性的 面板堆石坝监测网络的基础，便于远程监控和管理，便于信息和经验的交流总结。 4 鲁棒性与安全性支持 一个具有良好的鲁棒性、容错性与安全性的系统才是一个完善、健壮的系统。 面板堆石坝安全监测分析评价预报系统要达到完全的自动化、智能化必须要有良 好的鲁棒性和安全性做保障，此外还应具有自动识别、自我修复、自我调整等自 适应功能，这些都有赖于系统科学、自动控制、人工智能技术的不断发展和应用。 针对不同的客户端用户，系统应设立分层分级的用户体系和严密完善的加密、解 密体系。保证系统对内、对外安全运作，防止来自系统内部或外部的误操作和人 为破坏而导致系统局部和全局瘫痪，信息损失。 2 2 系统的总体结构及流程 2 2 1 系统总体结构 面板堆石坝安全监测分析评价预报系统由以下九个部分组成，各个部分的联 系如( 图2 一1 ) 所示。 ( 1 ) 监测信息采集整编子系统：包括监测数据采集接1 ：3 和监测数据整编系统。 监测数据采集接口又分为自动采集接口和人工采集接口，自动采集接口与监测数 据自动采集设备用数据采集接口( 数据文件) 相连，监测数据自动采集设备将自 动采集到的数据存入采集接口( 数据文件) 。在实时监控模式下，面板堆石坝安 全监测评价系统会以一定的时间段为间隔不断从采集接口读取自动采集的数据， 并实时完成大坝安全监测数据的预处理、整编、分析评价和预测预报等各项作业； 若系统处于非实时监控模式，则需用系统操作人员或数据采集人员触发系统的数 据采集动作，并可按需要调用各子系统完成监测数据的整编、预处理、分析评价 和预测预报中部分或全部的作业。监测数据整编系统对由监测数据接口采集的原 始数据进行初步的数据排序、格式统一处理后，然后将数据存入整编资料数据库， 由分析评价子系统调用用于后续分析。同时，通过整编处理的各种原始监测数据 和有关文字、 图表( 含影像、图片) 等材料经过审查、考证、编辑，综合整理成 系统化、图表化的成果，并可排版，制成软盘。 匝蛩霉鬻壮蘧蟋曦i-n匝 告魁拉鸡g螺垛麟袄 戗袋邀扑匿貅k毒5帐 天津大学硕士学位论文 第二章系统的总体设计 ( 2 ) 分析评价子系统：分析评价子系统从整编资料数据库中调出所需数据后 进行预处理，首先判断仪器的稳定性，校验监测资料的误差，将监测量转换成效 应量：然后根据基本的参数资料和评判识别准则，对实测资料进行突变值识别、 趋势性变化识别和异常值识别，并且由分析评价子系统进行下一阶段的初始分 析。子系统制定一些评判准则，通过疑点判别，把各类整编后的观测数据和观测 资料与上述评判准则作比较，以识别监测资料的性质即正常或异常，为判断大坝 安全性状提供数据基础。分析评价子系统此时会将经过预处理的观测资料存入分 析数据库中的信息初始分析( 子) 数据库。然后，子系统会调用知识库、方法库、 模型库进行监测数据的综合分析，子系统能够对监测资料进行正、反分析，对不 安全因素进行综合评判、辅助决策和面板堆石坝安全度综合评价。此时子系统要 完成的作业内容包括：对异常的测点进行异常的成因分析( 包括外因分析、内因 分析和综合成因分析) 、按照观测项目对面板堆石坝进行综合分析( 包括正分析 和反分析) ，对面板堆石坝存在的不安全因素进行辅助决策，对面板堆石坝的整 体安全度进行综合评价。综合处理结果由分析评价子系统自动存入分析数据库中 的信息综合分析( 子) 数据库。 ( 3 ) 预测预报子系统：预测预报子系统根据系统用户的需要和设定，决定是 否进行预测预报处理。预测预报处理，即建立预报模型，即运用统计理论和模糊 数学等，建立各种统计模型和模糊推理模型，进行仿真分析，对可能遇到的某些 突发性灾害进行预报，提供辅助决策及应急措施。预报结果由子系统自动存入分 析数据库中的预测预报( 子) 数据库。以便用户在以后查找、参考。 ( 4 ) 数据库系统：数据库系统是面板堆石坝安全监测评价系统的重要组成部 分，是评价大坝安全性状的数据基础，数据库包括设计、施工、运行期间的所有 数据和资料，以及正分析和反分析的成果监测系统用户信息。数据库子系统内容 包括：用户信息数据库( 由用户基本信息数据库和专家信息数据库组成) 、设计 资料数据库( 由工程资料数据库和监测仪器资料数据库组成) 、监测信息数据库 ( 由原始监测信息数据库和整编资料数据库组成) 、分析数据库( 由信息初始分 析数据库、信息综合分析数据库和预测预报数据库三个子库组成) 、知识库、方 法库、模型库、成果整编数据库。 ( 5 ) g i s 关联数据库系统：以g i s 仿真系统数据库为基础，通过o d b c 数据源与面 板堆石坝安全监测评价系统的数据库相关联形成动态数据库。g i s 关联数据库系 统则负责主动地将原始监测信息数据库、整编资料数据库、信息初始分析数据库 和信息综合分析数据库中形成的新数据添加到g i s 仿真系统数据库中，以达至u g i s 系统数据库与面板堆石坝安全监测评价系统数据库相关联的目的。通过与系统数 据库关联，用户可以在g i s 仿真系统中动态获知当前时刻每个仪器的监测信息( 监 1 0 天津大学硕士学位论文第二章系统的总体设计 测仪器属性属于静态信息) 。 ( 6 ) 仪器管理子系统：此子系统对分布在面板堆石坝上的各种类型、各种型号 的监测仪器进行统一管理。 ( 7 ) 模型库：模型库是提供建模程序所需的各类有限元模型、统计模型、确定 性模型和模糊数学模型。这些模型用来拟合与说明大坝工作性状并预测预报大坝 的未来状况。模型库的基本内容包括：有限元模型、统计模型、确定性模型和模 糊数学模型。模型库由模型库管理模块进行管理。 ( 8 ) 方法库：包括面板堆石坝安全监测评价系统可能用到的各种分析算法， 分析程序如：渗流分析程序、稳定分析程序等；算法如：多元回归分析法、逐步回 归分析法、差值回归法、时间回归法、极限平衡计算法、有限元分析法、反馈分 析法等。 ( 9 ) 知识库：是用于知识信息的存储和查询的计算机软、硬件系统。对于已经 存在的知识，系统提供方法和途径去检索、更新、增加知识，并可以根据知识的 运用情况，知识的运用结果来判断知识的正确程度，对于不太正确的、过时的知 识，加以修订或更新。另外，从实际发生的案例中，根据分析算法计算的结果 和专家的判定，系统可以通过知识专家代理去完善知识库，从而实现知识的自 学习。其内容包括：时空评判准则、物理力学规律评判准则、监控模型评判准则 飞监控指标评判准则、日常巡视检查评判准则、关键问题评判准则等。 2 2 2 系统数据流程 系统数据流程是根据监测数据在系统中的处理过程绘制而成的。面板堆石坝 安全监测数据自动采集系统( 硬件) 自动采集数据，通过监测数据接口进入本系统 数据库系统中的原始监测信息数据库，人工采集数据、巡视检查数据、监测仪器 属性数据和工程概况数据，用人工输入各自的数据库。这些数据可以直接输出， 即在计算机屏幕显示或打印；亦可以通过预处理系统进行误差识别、异常数据识 别和疑点判别，若无疑点，可进入整编数据库，若存在疑点，则进行成因分析。 整编数据可以以普通数据格式、图形图像格式输出，将整编数据库中可以存储 普通格式、图形图像格式的数据。调用知识库、模型库、方法库中的知识、模 型和分析算法进行各项分析，包括：疑点成因分析、统计分析、有限元分析、结 构分析( 包括变形分析、裂缝分析、渗流分析、稳定分析和应力变形分析) 和反分 析，然后运用专家知识、判别标准进行综合分析，提供辅助决策。综合分析资料 也可以通过调用模型库的预测预报模型进行预测预报。上述综合分析、辅助决策 和预测预报成果可以直接输出，指导大坝安全运行，或进入成果整编数据库，再 天津大学硕士学位论文第二章系统的总体设计 以成果报告形式提供给用户。 面板堆石坝安全监测分析评价预报系统数据流程如( 图2 - 2 ) 所示。 2 3 系统开发软件平台的选择 2 3 1 系统开发语言的选择 系统的开发可利用多种程序设计语言，如d e l p h i 、v c h 、v b 、p b 等语言都 是面向对象的程序设计语言，虽然每种语言在对面向对象的支持不尽相同，但它 们始终贯穿整个程序设计思维方式的主线。在掌握面向对象编程基本概念的基础 上，相对来讲，v b 是比较容易入门的一门语言，代码执行效率一般，其面向对 象的特性差；p b 数据库功能比较强大，其面向对象特性较好，代码执行效率较 高但对网络的支持不足，其他功能也一般；d e l p h i 是最灵活的语言，代码执行 效率很高，其面向对象特性较好，在对网络或w e b 开发的支持功能强大；v c 功 能是最强大的语言，不过和v b 、d e l p h i 相比，入门较难，不容易掌握。总之， v b 是初学者开发与系统无关的综合应用程序的首选：p b 是开发大型) i i s 及各类 数据库跨平台应用的首选；从数据库前端工具来讲甚至远远超过了o r a c l e 的 d e v e l o p 系列等专门的工具；从通用语言角度来讲功能也与v b 等不相上下；多 媒体和网络功能与其他工具相比较弱；y c 从功能上讲除了跨平台应用外什么都 可开发：从开发效率角度讲只局限于开发w i n d o w s 系统应用、可重用组件及驱动 程序；b e p h i 是唯一一套能够同时适用于开发数据库应用、网络及w e b 应用、分 布式应用、可重用组件、系统软件、驱动程序、多媒体及游戏等所有软件的高效 率开发环境，且d e l p h i 第三方控件多，开发比较快，且设计界面比v b ，v c ，p b 灵活。基于以上因素，考虑到大坝安全监测资料的数据信息量大、种类多，以及 信息之间相对独立，又有关系且必须备有优良的图形显示等特点，我们选择 d e l p h i 7 0 所提供的数据库组件开发应用程序实现对大坝安全监测信息的查询 1 2 9 3 0 1 3 1 1 。 ( 1 1 关于d e l p h i 软件 d e l p h i 是美国i n p r i s ec o r p o r a t i o n 最有影响的产品之一，在可视化开发工具 领域占有极其重要的位置，是目前创建通用w i n d o w s 应用最强大的工具。它不仅 被视为创建客户机服务器应用的最佳方式，而且也是创建其它类型应用( 如非数 据库应用) 的一个极为优异的环境。实际上，d e l p h i l 乎无所不能，甚至可以用它 创建d e l p h i 的应用程序开发环境，不过，i n p r i s e 已经完成了这项工作d e l p h i 本身就是用d e l p h i 的语言o b j e c tp a s c a l 编写的，其开发环境就是一个d e l p h i 应用，这足以说明d e l p h i 功能之强大。 1 2 醛嚣举妊蟋隧z-n匝 七魁基蹈g螺暌褂拣 烈黛掣扑斗臀扑k赞怅 天津大学硕士学位论文第二章系统的总体设计 d e l p h i 具有功能强大、运行速度快、易于学习和使用以及开发效率高等特点， 它是可视化应用编程开发环境、可重用性面向对象编程语言、快速编译器和数据 库的完美结合。d e l p h i 如此成功的因素可以列出一个长长的列表，它集中了程序 员们在开发w i n d o w s 应用中获得的所有经验精华。 d e l p h i7 于2 0 0 2 年8 月发布。新版本的d e l p h i7 开发功能更加强大，除了能够 有效帮助开发者个人或其开发团队快速建立w i n d o w s 应用程序，快速简化 w i n d o w s 与浏览器客户、w r e b 服务器、中间件以及后台数据库系统的集成等这些 传统意义上的开发之外，d e l p h i7 是目前唯一全面支持所有主要工业标准( x m l 、 s o a p 、w s d l 和x s l 等) 的开发工具，同时；也支持基于w 曲服务的m i c r o s o f t n e t 和s u no n e 体系，而且提供给w e b 开发者需要的可伸缩性、可靠性。 新的d e l p h i7 框架中还包括t b i z s n a p 、w e b s n a p 和d a t a s n a p 用户可以用它开 发支持w 曲服务特性的服务器端和客户端应用，而这一切都是通过一套高度集成 的可视化开发工具、先进的编译技术和可重用的组件完成的。特别是在电子商务 愈加流行的今天，通l ：t d e l p h i7 ，任何企业都能很快的转移的未来基于w 曲服务 的电子商务应用程序开发上，而不用丢弃以往的开发方式、技巧和代码。 ( 2 ) d e l p h i 开发应用的优势 在w i n d o w s 操作系统下编程，一般都是基于窗口的应用，这区别于d o s 编程 时的命令行界面，并且还必须支持w i n d o w s 的各种特征，如窗口类注册、事件驱 动、图形设备接口、资源管理等等。 d e l p h i 完全支持w i n d o w s 的各种特征。通过v c l 对w i n d o w s 上千条a p i 函数的 封装，d e l p h i 简化t w i n d o w s 编程的难度，这方面类似与v b ：但是由于它是对a p i 的封装，所以不可避免的失去了一定的灵活性。d e l p h i 的制作者已为用户考虑过 这个问题，在d e l p h i 环境中提供了直接调用w i n d o w sa p i 的功能，可以在任何地 方调用w i n d o w s 底层函数。对于w i n d o w s 基本数据类型，d e l p h i 也提供了非常好 的支持。 可以这样描述：在d e l p h i 下面开发应用程序，用户绝大部分的工作就是和各 种各样部件( 或者说是组件) 的属性、事件、方法及w i n d o w s 消息打交道。需要利 用各种用途的控件完成应用程序所需要的特征和功能，在这些基本控件的基础 上，通过继承、重载等方法构建自己的类，所有这些取决于用户所要达到的目的 及其创造力。所有这一切，对于那些习惯于d o s 编程概念的编程人员来说，初期 可能会有些不适应：他们不得不丢掉以函数为中心的编程思想，不必再为程序界 面付出大量的重复性的劳动，在d e l p h i 通过鼠标的拖拽( d r a ga n dd r o p ) 就能够构 造出标准的w i n d o w s 界面，是编程人员可以集中精力于程序功能的实现。这样看 来似乎一切都f l ：t d e l h p i 作了，其实不然，d e l p h i 的只不过是封装了那些与系统底 1 4 天津大学硕士学位论文 第二章系统的总体设计 层相关的工作，简化了程序界面的设计，并做到w y s w y q 使得程序员不必再为 界面的问题浪费时间：把精力的精力投入到诸如编制每一个相似的窗口和菜单上 是毫无意义的，并且也是一种脑力的重复和浪费。但是，从软件编程的全局着想， 用户需要更加重视软件面向的对象、功能和定义、代码的组织和管理以及其它相 关方面。 同时，尽管是在d e l p h i 中编程，在具体的处理事务和阶段，用户仍然可以借 鉴过去的编