（水利水电工程专业论文）基于com技术的数字清江系统集成研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 ( 随着计算机技术的飞速发展，人们对软件开发的认识不再局限于单一系统的完整 性和一致性，而是要求更进一步地，根据应用需求，通过系统软硬件平台、网络设备、 数据库、工具软件及相应的应用软件等将多源数据、多功能、多子系统等各类资源有 机、高效地集成为一个具有优良性价比的应用信息系统。因此，系统集成已成为计算 1 机应用信息系统建设过程中极其重要的一环。广，一矽 “数字清江”系统是清江公司和华中科技大学水电学院仿真中心共同开发的大型 项目。该系统的建设不仅要实现多种应用功能，而且需要多种计算机技术、计算机产 品、甚至相关技术和产品的综合支持，因而它是建立在大型数据库、计算机系统和网 络平台上的综合性复杂应用系统。 本文在介绍了“数字清江”系统的可行性研究、需求分析、系统总体框架结构及 软硬件平台后，对数字清江系统集成的关键技术c o m 、d c o m 和a c t i v e x 技术进行了深 入的探讨，提出了基于c o m 组件技术的三层客户机服务器模式的系统集成方案，具 体设计了数字清江系统基于c o m 组件的用户界面逻辑层、应用逻辑层和数据逻辑层的 实施方案。同时，系统还采用了a d o 数据库访问技术来实现系统中数据的访问，并 取得了满意的结果。 研究表明，以c o m 组件技术为基础的三层客户机服务器模式的系统继承方案可 以较完善地解决应用信息系统中的可开发性、可升级性和可维护性等问题。 关键词：c 叫，系统集成，数字清江，三层客户机服务器模，趣e 鬯f 苌之j 一；t j 华中科技大学硕士学位论文 = 一= ：= = = = = = = = = = = = = = = = ；= = = = = = = = = = 一 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y ，p e o p l er e a l i z et h a t i nt h es o f t w a r e d e v e l o p m e n t t h ea t t e n t i o ns h o u l db e p a i dn o to n l yt ot h ei n t e g r a l i t ya n dc o n s i s t e n c yo f t h e s i n g l es y s t e m ，b u ta l s o t o s y s t e mi n t e g r a t i o n a c c o r d i n g t ou s e r s n e e d s ，a l lk i n d so f r e s o u r c e s ，f u n c t i o n sa n ds u b s y s t e m ss h o u l db ei n t e g r a t e di n t oah i g hc o s tp e r f o r m a n c e i n f o r m a t i o n s y s t e mt h r o u g hs y s t e m s o f t w a r ea n dh a r d w a r e ，n e t w o r k ，d a t a b a s e ，t o o l s o f t w a r ea n dc o r r e s p o n d i n gi n t e m e ta p p l i c a t i o n s s y s t e mi m e g r a t i o nh a sb e c o m ea l l i m p o r t a n tp a r ti nt h e c o u r s eo fc o n s t r u c t i o no f s y s t e m d i # t a lq i n g i i a n g ”s y s t e m ，w h i c h i s c o d e v e l o p e db yq i n g i i a n gc o m p a n ya n d d e p a r t m e n to fh y d r o p o w e ra n dd i g i t a l i z a t i o ne n g i n e e r i n go fh u a z h o n gu n i v e r s i t y o f s c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , n o to n l yn e e d sn o to n l ym a n ya p p l i c a t i o nf u n c t i o n sb u ta l s ot h e s u p p o r _ t o fc o m p u t e rt e c h n o l o g y , c o m p u t e rp r o d u c t s ，a n do t h e rr e l a t e dt e c h n o l o g ya n d p r o d u c t s s oi ti sa na l l a r o u n dc o m p l i c a t e da p p l i c a t i o ns y s t e m ，w h i c h i sb u i l do nd a t a b a s e ， c o m p u t e rs y s t e m a n dn e t w o r k p i a f f o r m i nt h i sp a p e r ，a f t e ri n t r o d u c t i o no f t h ef e a s i b i l i t yo f s y s t e m ，t h ea n a l y s i so f r e q u i r e m e n t ， t h et o t a ls t r u c t u r eo fs y s t e ma n d s y s t e m h a r d w a r ea n ds o f t w a r e p l a f f o r m ，t h ek e y t e c h n o l o g i e s o fd i g i t a lq i n g i i a n g s y s t e m ，s u c h a s c o m ，d c o ma n da c t i v e x ，a r e d i s c u s s e dd e e p l y an e wk i n do fs y s t e mi n t e g r a t i o ns c h e m e ，t h r e e l a y e rc l i e n t s e r v e r s t r u c t u r e ，i sp r o p o s e d t h i ss c h e m ei sb a s e do nc o mt e c h n o l o g y a n dt h ed e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o no f t h em a n m a c h i n ei n t e r f a c e ，a p p l i c a t i o na n dd a t al a y e ra r ei n t r o d u c e di n d e t a i l a tt h es a l l l et i m e ，t h es y s t e mc a na c c e s st h ed a t a b a s es y s t e mb ya d oa n dg e t sg o o d r e s u l t s ， t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e d e v e l o p m e n t m e t h o dc a n g u a r a n t e e t h e o p e n n e s s ， e x t e n s i b i l i t ya n dm a i n t a i n a b i l i t yo f t h ei n f o r m a t i o ns y s t e m k e y w o r dc o m ，s y s t e mi n t e g r a t i o n ，d i g i t a lq i n g j i a n g , t h r e e l a y e rc l i e n t s e r v e rm o d e 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = ；= ；= = = = = ；= ；= ；= # = = = = = = = 1 1 系统集成概述 1 绪论 随着计算机网络技术的飞速发展，人们对软件开发的认识从单一系统的完整件和 一致性，向着群体生产率的提高、不同系统之间的适应性和灵活互连而变化，软件的非 功能性需求比以往得到更大的重视。以主机为中心的计算方式转变为以网络为中心的 计算方式，通过网络计算的方式，人们可以分散在不同地理位置上，通过网络进行跨时 空地共享信息、协同工作，极大地提高了工作效率。但是，这一方面导致应用系统的功 能、性能、规模和复杂性的极大增长，另一方面要求各种应用系统之间能够互相交互， 为此，计算机系统集成成为重要课题。计算机系统集成又简称系统集成( s y s t e m i n t e g r a t i o n ，s i ) 。 目前，系统集成已成为计算机应用信息系统建设过程中极其重要的一环，甚至贯 穿于整个系统建设的始终。系统建设单位越来越清醒地认识到，软硬件设备固然是构 成信息系统不可缺少的部分，而系统集成将是把这些软硬件设备有机地构成一个有效 整体的根本保证。于是，什么是系统集成、系统集成的基本特征是什么等一系列问题， 摆在了每个系统建设者的面前。 1 1 1 系统集成的定义 对于系统集成，可以说至今没有一个严格确切的定义，但其含义几乎是尽人皆知。 抽象地讲，系统是指为实现某一目标而形成的一组元素的有机结合，而系统本身又可 作为一个元素单位参与多次组合，这种组合过程可概括地称为系统集成。按此概念， 就计算机系统建设过程而言，小至单台微机上的汉字系统的安装，大到国家级大型应 用信息系统的建设，均可称为计算机系统集成。但是，这二者无论是系统组织的复杂 程度、系统技术的含量、系统建设的规模，还是系统实施的难度、系统参与涉及的方 方面面，都存在巨大差异，根本无法相提并论。现代大中型应用信息系统的建设不仅 华中科技大学硕士学位论文 要实现多种应用功能，而且需要多种计算机技术、计算机产品、甚至相关技术和产品 的综合支持，因而它往往是建立在大型数据库、计算机系统和网络平台上的综合性复 杂应用系统。所以，系统集成针对后一种系统的建设而言更为确切，目前人们所说的 系统集成往往就是此种意义上的系统集成“3 。 由此可见，系统集成是为实现某一应用目标而进行的基于计算机、网络、数据库 系统的大中型计算机应用信息系统的建设过程，是针对某种应用目标而提出的全面解 决方案( t o t a ls o l u t i o n ) 的实施，是各种技术的综合实现，是各种产品设备的有机组 合。因此我们认为，所谓系统集成就是根据应用需求，将系统软硬件、网络、数据库 等组合成为有效实用并具有良好性价比的计算机应用信息系统的全过程。这个过程由 从技术咨询、方案设计、设备造型，到网络建设、软硬件系统配置、应用软件开发， 以及售后服务、维护支持和培训等系列活动组成。显然，系统集成渗透在信息系统 建设的整个过程中。 在计算机系统集成中，人的集成最重要。所谓人的集成，就是各类人员协同工作 的团队采用系统工程的方法，将计算机的硬件、软件、技术、信息、人力等资源，按 照应用领域的特定需要，进行最佳配置和优化综合，实现信息自动化处理，优化管理 与控制及人机系统最佳组合，组成满足用户要求的应用系统，取得整体高效率与高效 益”。 计算机系统集成的概念，将随着计算机科学技术、计算机应用的发展而不断发展 变化，特别是近年来，随着i n t e r n e t i n t r a n e t 的发展，信息系统体系结构将发生变 化。 1 1 2 系统集成的层次 系统集成不是产品和设备的简单“攒合”。有人认为，系统集成就是网络；更有 甚者，认为系统集成好比攒微机，只不过是把各种设备攒合成一个系统而己。这些看 法不仅是表面化的，而且有失全面。的确，系统集成的主要技术手段之一是通过网络 实现设备的物理连接或物理集成，但仅靠联网绝不可能实现应用目标。的确，系统集 成的最终表现形式是各种设备和产品被“攒合”到一个系统中，但这种攒合绝不是产 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = ；= = = = = ；= = = = = = = = = = 一 品和设备的简单堆积，而是经过周密计划、严格配置及精心实施的有机整体，是能够 有效实现应用目标的统一系统。下面我们可以从四个层次对系统集成的任务进行描 述，这将有助于深刻认识和了解系统集成“1 。 1 、应用功能的集成 应用功能的集成是指将用户的实际需求和所提出的实际应用功能在同一系统中 加以实现。例如，常见的应用需求有查询、检索、收发信件、分析、计算等。最终， 用户是通过应用功能实现的好坏来判定系统建设的成败，因此，应用功能的集成不仅 反映出系统建设者对用户系统建设目标的理解程度，而且直接影响到后续其它层次任 务的集成。应用功能的集成是在系统需求分析、系统设计及应用软件开发等阶段完成 的，最终是在所建成的支撑环境中通过应用软件实现的。 2 、支撑系统的集成 支撑系统( 或支持系统) 的集成是指为了实现用户的应用需求和功能而必须建立 的支撑环境的集成。例如，用户需要远程查询功能，我们不仅要为用户解决远程访问 的通信手段，而且还要建立供查询使用的查询信息库和相应的服务器。于是，这个系 统中就应提供三个支持系统：网络平台、数据库平台和服务器平台，这三个平台又共 同组成了这个远程查询应用系统的支撑平台。 支撑环境可分为两大部分：一部分是直接为应用软件的开发提供开发工具和环境 的应用软件开发平台；另一部分是用于实现数据处理、数据传输和数据存储组织的， 即由服务器平台、网络平台及数据库平台共同构建的基础支撑平台，这三者是现代信 息系统建设过程中必不可少的部分，往往需要投入较多的资金。支撑环境的集成难点 主要表现在如何使不同的支撑平台之间能够协调一致地工作，使系统整体性能达到优 良。 3 、技术集成 无论是功能目标及需求的实现，还是支撑系统之间的集成，实际上都是通过各种 技术之间的集成来实现的。例如，在网络平台的建设过程中，往往不仅要采用l a n 技 术，还需要w a n 技术：不仅需要数据通信技术，还需要多媒体通信技术：甚至在一个l a n 建设环境中，往往也集成了1 0 m b p s 以太网技术、快速交换以太网技术，甚至a t m 技 华中科技大学硕士学位论文 术。又如，在计算机系统平台的建没过程中，可能采用以客户机服务器为主的结构， 但也可能部分采用多终端访问方式。在操作系统平台上不但会有u n i x ，而且会有 w i n d o w sn t 等其它操作系统。 以上是在同一支撑平台上不同技术的集成问题，即使在不同平台之间，技术集成 的问题也大量存在。例如，异种机网络互连问题就是服务器平台与网络平台集成过程 中的典型技术集成问题。又如，数据库系统加载问题涉及到数据库技术、网络技术与 服务器技术的综合集成。 技术集成是整个系统集成中的核心。作为一个优秀的系统建设者，必须熟知各种 技术及相应的产品。此外，还要有把握总体技术集成的能力和具体实施的手段。这不 是任何系统建设者都能做到的。 4 、产品集成 这是系统集成最终、最直接的体现形式。因为，无论是应用功能、支撑系统，还 是技术其最终的表现形式都落实在具体产品和设备的集成上。例如，要实现交换以太 网技术，就要选择能支持该技术的产品设备：为实现汉字远程查询访问功能，就要选 择可支持远程拨号能力的相关的网络产品和汉字终端设备。所谓产品集成，就是把不 同类型、不同厂商、不同应用的计算机设备产品( 包括软件) 依照设计有机地组合在一 起。 产品集成是系统集成的外在表现形式，因此许多用户、甚至许多系统建设者都把 产品集成作为系统集成的第一目标，错误地认为只要能把各种产品“攒集”起来就大 功告成。其实，这是极其片面的，从而导致了很多系统集成项目的失败，造成了不应 有的损失。要实现产品集成，首先应对以上= 个层次集成进行深入调金、设计，以此 为基础；其次，对所集成的设备或产品要有较深入、透彻的了解，最好有这些产品的 集成经验，至少应使用过同类产品。一个成熟的系统建设者应以所掌握的厂商、产品、 设备众多为荣，其掌握的产品设备愈多，所具备的系统集成能力就愈强。 我们认为，网络实现了设备的物理连接，或者说是“物理集成”，这是系统集成 的重要内容之一。但它远没有解决系统的功能集成和信息集成，即“逻辑集成”。而 后者的集成实现难度更大，技术更复杂，与系统集成的三个较高层次直接相关，在实 4 华中科技大学硕士学位论文 ；= = 2 = = = = = 2 = ；= = = = = ；一= 现过程中应给予特别的重视。 1 1 3 系统集成的原则 系统集成的工作在项目建设中非常重要，它通过硬件平台、网络通信平台、数据 库平台、工具平台、应用软件平台将各类资源有机、高效地集成到一起，形成个完 整的工作台面。系统集成工作的好坏对系统丌发、维护有极大的影响。凶此，在技术 上应遵循下述标准嘲。 l 、开放性 系统软硬件平台、通信接口、软件开发工具、网络结构的选择要遵循工业开放标 准，这是关系到系统生命周期长短的重要问题。对于稍具规模的系统，其软硬件平台 很难由单一厂商提供。即使由单一厂商提供也存在着扩充和保护原有投资的问题，不 是一个厂商就能解决得了的。由不同厂商提供的系统平台要集成在一个系统中，就存 在着接口的标准化和开放问题，它们的连接都依赖于开放标准。所以，开放标准己成 为系统集成中应该考虑的问题。 一个集成的系统必然是一个开放的系统。只有开放的系统才能满足可互操作性、 可移植性以及可伸缩性的要求，才可能与另一个标准兼容的系统实现“无缝”的互操 作，应用程序才可能由一种系统移植到另一种系统，不断地为系统的扩展、升级创造 条件。 2 、结构化 复杂系统设计的最基本方法依然是结构化系统分析设计方法。把一个复杂系统分 解成相对独立和简单的子系统，每一个子系统又分解成更简单的模块，这样自顶向下 逐层模块化分解，直到底层每一个模块都是可具体说明和可执行的为止。这一思想至 今仍是复杂系统设计的精髓。 3 、先进性 先进性有两层意义：一是目前先进性，二是未来先进性。系统的先进性是建立在 技术先进性之上的，只有先进的技术力有较强的发展生命力，系统采用先进的技术爿 能确保系统的优势和较长的生存周期。系统的先进性还表现在系统设计的先进性：先 一一 e 华中科技大学硕士学位论文 迸技术有机的集成、问题划分合理、应用软件符合久们认知特点等。系统设计的先进 性贯穿在系统丌发的整个生命周期，乃至整个系统生存周期的各个环节，一定要认真 对待。 4 、主流化 系统构成的每一个产品应属于该产品发展的主流，有可靠的技术支持，有成熟的 使用环境，并其有良好的舟级发展势头。 在系统集成过程中，系统建设者注重的往往是产品、设备、技术、功能的集成或 局部的系统调整，一量系统规模较大、结构复杂时，就很难面面俱到。这样，当系统 集成完成以后，可能存在许多问题，需耍对系统进行调整或优化。这也是每个系统建 设者必须注意的问题。 1 1 4 系统集成的发展趋势 传统的应用系统通常被分割成文件、模块或类，然后被编译并链接成一个铁板一 块的二进制文件。它不是开放式的，是固定不变的，随着时间的推移会日益“老化”。 两且，随着应用系统功熊、佳能、援摸和复杂性的极大增长，软件开发变褥越来越困 难，开发周期也随之增加。另外。使用不同语言开发的程序也很难将它们集成在一起。 随着计算机软件技术的发震，组件技术为系统集成面临的各种问题提供了全新的解决 思路，已经成为当今系统集成发展的重要方向“1 。 基于组件技术的系统集成的基本思想是把应用系统的各大功能模块划分为几个 控件，每个控件完成不同的功能，各个控件之间可以根据应用系统的实际需要，通过 各种通用程序设计语言集成起柬，形成最终的应用系统。可以把控件比作一堆各式各 样的积本，它们分别实现不同的功能，根据需要把实现各种功能的“积本”搭建起来， 就构成应用系统“1 。 基于组件技术的应用系统具有某种标准通信接口，允许跨语言应用，是一种全新 开发工具。它具有以下方面的特点“1 ： l 、系统的可扩展性 基于组件技术的应用系统采用了工业标准的、开放的、统一的c o m 对象库作为其 6 华中科技大学硕士学位论文 技术基础。由于组件接口的不变性，平台的提升和系统规模及功能需求的扩展不会影 响系统源代码，所以使构建的系统具有极大的延展性和灵活性。 2 、高效无缝的系统集成 基于组件技术的应用系统不依赖于某一种开发语言，可以嵌入通用的开发环境 ( 如：v b ，v c ，d e i p h i ，p o w e rb u i l d e r ，f o x p r o ，a c c e s s ) 中实现各种功能。由于它采 用了c o m 体系结构，使得不同系统或模型之f 日j 有了一种共同的标准。通过遵守这些标 准的开发接口，应用开发者只需熟悉基于w i n d o w s 平台的通用集成开发环境，以及各 个控件的属性、方法和事件，就可以方便地实现系统问的高效、无缝的集成。这有利 于减轻软件开发者的负担，增强软件的可扩展性，提高开发效率。 3 、小巧灵活、价格便宜 在组件模型下，各组件都集中地实现与自己最紧密相关的系统功能。基于组件技 术的应用系统平台集中提供空间数据管理能力，并且能以灵活的方式与数据库系统连 接。在保证功能的前提下，系统小巧灵活，其价格仅是传统应用系统开发工具的十分之 一，甚至更少。 因此，基于组件技术的应用系统进行二次开发可以实现高效、无缝的系统集成并 且具有良好的扩展性。基于组件技术的应用系统是通过对象、属性、方法和事件进行 交互。空间对象的相互关系，几何对象之间的继承关系、对象闯的组成关系、对象之 问的逻辑上的关联关系等，只有了解清楚对象间的关系和基本概念，利用已经熟悉任 何一门面向对象的可视化开发工具，两者结合，就可以开发出功能强大的应用系统3 。 1 2 课题的背景 当今社会由于信息技术的不断发展，信息产业已成为国民经济中重要支柱产业之 一，使社会逐步发展到信息经济时代”1 。 地理信息系统( g e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m ，简称g i s ) 作为信息产业中 的重要组成部分，是构建数字流域的重要工具，正走向大规模产业化发展道路。g i s 是2 0 世纪6 0 年代发展起来的，从最初地学意义上的测量和统计，发展到处理一切与 地理空间位置相关的信息。g i s 就是利用计算机软、硬件技术，对地理信息进行截取、 一一 7 华中科技大学硕士学位论文 存取、操作、分析，以便得到用户所需的地理以及相关信息。g i s 不仅能够存储、分 析和表达现实世界中各种对象的属性信息，而且能够处理其空间定位特征，能够将其 空间和属性信息有机地结合起来，从空间和属性两方面对现实对象进行查询、检索与 分析，并将结果以各种直观的形式，形象而不失精确的表达出来。“。 传统g i s 虽然在功能上比较成熟，但是属于独立封闭的系统，规模庞大，费用昂贵， 阻碍了g i s 的普及和应用。随着计算机软件技术的发展，组件式地理信息系统的出现 为传统g i s 面临的各种问题提供了全新的解决思路，已经成为当今g i s 技术发展的重 要方向1 。 g i s 技术与一些需要从地理空间获取数据和信息的专业领域结合，产生了许多基 于空间信息分析和管理的信息系统“。g i s 的应用如数字地球、数字城市、数字流域 等，将形成大的产业，推动社会经济的发展，受到世界各国的普遍关注。 在组件式g i s 的基础上建立起来的“数字清江”系统是区域地理信息系统的延伸 与扩展，它以现代化高科技特别是组件技术为基础，利用清江流域水文地理信息平台 建立洪水演进仿真模拟系统，对全流域进行动态实时的三维仿真，为清江水电系统的 经济、高效、安全运行提供决策支持，对我国国民经济建设和可持续发展具有深远的 社会意义和巨大的经济效益“”。 现代水能资源开发利用的初步实践表明，水能资源利用必须以流域整体的经济可 持续发展为前提，不能仅从某一工程或某一点做出决策，因而必须改变传统水能资源 开发利用的方法和理论，建设数字流域全面提升水电能源部门的信息化水平，运用现 代高新技术重点研究该领域重大基础性问题。 1 3 本文的主要研究工作 本文中的数字清江系统又称清江流域水文水情分析仿真系统。本文详细介绍了 c o m 技术在“数字清江”系统集成中的应用和研究。本文各章的主要内容如下： 第一章介绍了系统集成的定义、层次、原则及发展趋势，并对课题的背景作了简 单描述。 第二章对数字清江系统的设计进行了详细的介绍。对系统开发的目的和意义、系 华中科技大学硕士学位论文 - ：= = = = = # = = = = = = = = = ；= = = = = = = = = = = 一 统的概况、系统的总体框架结构、系统运行平台与环境等都有详细描述。 第三章分别对组件技术、c o m 技术、d c o m 技术及a c t i v e x 技术的原理、特点及其 应用进行了全面论述。 第四章介绍了数字清江系统集成的实现。文章首先介绍了三层c s 模式的概念、 结构及优势，随后从用户界面逻辑层、应用逻辑层、数据逻辑层三方面来探讨数字清 江系统集成的实现。同时，系统还采用了a d o 数据库访问技术来实现系统中数据的 访问，并取得了满意的结果。 第五章对全文的工作和研究成果进行了全面总结，并指出了今后有待进一步完善 的工作。 华中科技大学硕士学位论文 2 数字清江系统的设计 2 1 系统开发的目的和意义 数字清江是清江公司和华中科技大学水电学院仿真中心共同开发的大型项目，该 系统的开发目标是：在清江流域数字化信息平台的基础上，充分应用清江公司现 有分析预测模型、各类数据及已有的成果，建立一个集水文水情分析预测、流域 地形与虚拟景观、水情参数及洪水演进过程可视化仿真为一体的分析仿真系统。 该系统将根据雨情测报和泄洪调峰方案、对不同状况的来水进行水情分析仿真、灾情 预测。 数字清江系统利用g i s 技术提取流域与河道特性，并将水力学特征参数，如河道 ( 含河床) 糙率、断面几何参数、洪泛区地表渗流阻流参数等作为边界或控制条件， 对清江水文水情及洪水泛滥进行分析计算，并可通过可视化仿真系统进行三维实时仿 真，为流域的防洪减灾措施及水资源的优化配置提供科学的决策依据。 数字清江系统以清江流域防洪、发电、航运、环保以及经济可持续发展等综合效 益为总目标，对清江流域的水电信息进行预演、评估，实现综合分析与仿真，对清江 流域的防洪减灾和长江洪水的错峰都具有重要的作用。 2 2 清江概况 清江为长江在湖北省的第二大支流，发源于鄂西利川市，自西向东，流经利川、 恩施、建始、巴东、长阳等十县市，至枝城市注入长江，入长江口位于长江中游。 干流全长4 2 3 k m ，总落差1 4 3 0 m ，恩施以上为上游，恩施至资丘为中游，资丘以下为 下游。 清江流域水能资源丰富，总落差达1 ，4 3 0 m ，全流域可开发装机容量3 2 9 万千瓦， 年发电量可达1 0 0 亿千瓦时以上。其所蕴藏的巨大水力资源，主要集中在干流中下游， 约占全流域可能开发量的8 3 ，占干流可能开发量的9 2 清江流域开发的任务是：发电、防洪、航运，兼顾其它。 根据清江流域规划报告( 1 9 9 3 年修订) ，对恩施市以下清江干流开发采取水布 1 0 华中科技大学硕士学位论文 垭、隔河岩、高坝洲三级水利枢纽开发方案。清江公司按照“首战隔河岩、再战高坝 洲、决战水布垭”的战略部署，计划用1 5 年时间全流域开发清江。 方案实拖后，不仅可获得发电效益，而且清江下游地区洪水灾害可得到根治，同 时对长江于流荆江地区的防洪也有相当作用，还可以带来航运和其他效益。 目前流域内已建成小水电约5 5 处，装机容量合计为2 0 0 m 哺左右，年发电量约9 亿k w 。干流中下游河段的隔河岩水利枢纽基本建成，电站装杌容量为1 2 0 0 m w ，其卜 游的高坝州反调节枢纽已开工建设，电站装机容量为2 5 2 m 。流域内其它在建电站约 7 0 m k w 。合计己建在建电站装机容量1 7 2 0 m w ，占可能开发容量的4 3 。尚有可开发容 量2 2 9 0 m ，主要集中在千流和几条大支流上。 水能资源的分布情况说明，清江水电连续开发的重点是干流恩施以下河段。 2 3 系统概况 “数字清江”系统主要是基于三维流域地形模型、流域地理信息系统( g i s ) 环 境和平台，通过洪水演进过程的数值模拟和水文水情的动态分析，实现对清江流域特 别是库区洪水的形成、发展规律进行分析模拟，并提供诸如水位、断面流量、平均流 速等水文水情参数的实时分析模拟，而且在流域三维地形与景观的基础上叠加显示上 述分析模拟结果，实现清江流域及其水情的虚拟现实与动态可视化仿真，为水电联合 调度、清江流域防洪乃至长江干流错峰减灾提供水文水情方面的直接数据支持和仿真 预演。 系统在功能的设置上必须紧扣清江水电联合调度、流域防洪和长江干流的错峰 减灾的实际需要；在系统的开发中，必须充分利用清江公司现有的模型和数据资源， 并结合清江流域实际情况，综合运用水力学、水文学领域的先进技术。对于流域 不同区域必须充分考虑其空间特征、河道河床类型、水情特点、生产调度与管理规范， 再通过用户需求调查，了解用户的需求和处理要求，近一步细化系统的目标和功能， 从而确定系统的信息源、专题数据库的内容、应用分析模型的形式等。 系统适用区域：流域虚拟现实功能适用清江全流域，而水情分析与可视化仿真功 能则适用于清江主河道( 太阳沱到长江口段，含库区) 。 华中科技大学硕士学位论文 该系统是一个多功能和综合性的信息系统，其内容涉及清江流域的基础地理、自 然资源、社会经济和环境条件等。这些数据将按统一的数据模型和数据标准，根据可 扩充性、综合性、合理性和科学性的原则建成空间数据库和属性数据库。这些数据有 些是空间( 地理) 数据，有些是属性数据，将这些数据统一存放在面向对象的数据库 o r a c l e 中。其中，空间数据库由矢量数据库、影像数据库和d e m 数据库等三部分组成。 作为一个信息系统，可根据清江公司雨情测报或预报数据并以此为系统输入条 件，以泄洪、调峰方案为控制条件，针对不同雨情和泄洪、调峰方案，实现清江河道 ( 含库区) 的水情动态分析预测；在清江流域三维地形模型平台基础上，实现流域地 形、地貌和重要地物的虚拟现实、水情动态分析预测结果及参数的可视化仿真。 2 。4 系统总体框架结构 通过上述的分析，可以看出本系统的数据源和专业应用模型具有以下特点： l 、数据源广泛且分布不集中，有些分布于客户机端，有些分布于服务器上，其中 地形数据既可分布于客户机端，又可分布于服务器上。 2 、应用模型复杂，种类繁多。有些专业应用模型对数据的需求量大，且数据的 来源有两种： 由用户输入： 从服务器上调出。 因此，本系统不但需要解决多源数据集成的问题，还要解决众多专业应用程序的 集成问题，要想保证系统的高效运行，光靠某一种g i s 产品是无法实现的。因而，我们 参照目前流行的g i s 系统集成技术，设计了适用于本系统的组件式g i s 系统集成方案。 本方案的技术体系框架是这样的：系统可抽象为前端的客户机部分和后端的服务 器部分。客户机负责发出请求，请求的内容通过网络传给服务器，服务器根据请求完成 预定的操作，然后将结果返回客户机。 建立一项复杂的系统，需要从工程和效益出发，在系统的设计、实施过程中充分 考虑用户的各种需求，研究和利用各种相关的、先进的信息技术，遵循用户需求，依 照可实现性、可维护性原则，综合考虑系统的完整性和可扩充性，从而设计出合理又 2 华中科技大学硕士学位论文 高效的完整系统“。 g i s 应用系统的设计，一般采取两种方式：利用g i s 自身提供的二次开发语言( 如 a r c v i e w 的s c r i p t ，m a p i n f o 的m a pb a s i c ) 在自身环境中进行设计开发：利用系统集 成技术，以通用开发平台( v b 、v c 、p b 、d e l p h i 等) 为前端设计平台，进行集成设计开发。 前一种方式由于二次开发语言的局限性，使系统不能脱离g i s 桌面系统，功能受到 限制，且绝大多数二次开发语言是解释型语言。后一种方式充分利用了目前流行的开 发平台的强大功能，在系统界面、数据库管理、多媒体效果以及操作的适用性方面均 具有良好表现。因此，利用系统集成技术进行g i s 应用系统的开发，应是我们的首选。 图2 1 系统总体结构 1 3 华中科技大学硕士学位论文 数字清江系统从功能上划分，主要有“流域专题属性图文查询”、“水文水情 实时分析”和“虚拟现实与实时仿真”三大功能。相应地，系统总体结构分为以 下三个子系统( 系统总体结构图如图2 1 所示) ： 水情分析子系统 虚拟现实与可视化仿真子系统 数据库暨流域属性图文联合查询( g i s ) 子系统 三个子系统的具体功能为： 1 、流域专题属性图文查询子系统 可提供基于g i s 环境的流域专题( 如河道、支流自然与水文属性、水工建筑物和 电厂等的工程属性) 图文综合查询，更方便工程实际应用。 2 、水文水情实时分析子系统 可根据清江降雨径流预测模型，对不同来水状况进行实时计算与动态分析模拟， 其输出结果可直接应用于水情预测、水电联合调度、防洪错峰等生产实际需要，也是 “虚拟现实与实时仿真子系统”赖以实现的水情综合数据的来源。 3 、虚拟现实与实时仿真子系统： 可进行流域三维景观漫游，并在三维地形地貌基础上叠加显示水文水情分析预测 结果，实现在三维地形和景观基础上的洪水演进过程动态仿真和水文水情参数实时可 视化显示。 2 4 1 水情分析子系统 该子系统根据区间主河道上游来水、区间来流状况和库区泄洪发电方案对 清江主河道( 含库区) 的水情及水情参数进行沿程与实时动态演算分析。其输出 结果可直接应用于水情预测、水电联合调度、防洪错峰等生产实际需要，也是水情“虚 拟现实与实时仿真”赖以实现的水情综合数据的来源。该予系统在清江流域水情分析 与仿真系统中的位置从图2 一l 中可见一斑，其流程图如图2 2 所示。 1 4 华中科技大学硕士学位论文 一一= = # # # # = = e = = = # 。= = = # = 圉2 - 2 零情分 ! 子系绞流程鼙 该系统由以下部分组成： l 、输入界面 本系统的用户输入界面也是整个大系统的输入界蘑。逶过该输入界蓠，系统 获得用户输入或谣取的，进行主河道( 含库区) 水情分析与可视亿仿真所必需的 来渡过程与泄洪过程。本系统中的输入条 牛称为“主河道区蚓寒流过程与库区泄 洪发电方案”，简称“来流一泄洪条件”。 2 、水情分薇模型露 水情分析模型库为一系列分振模型的集合，主要分为天然河道段水文学分析 演算模型秘库区调漤演算模型。本模型库由用户输入界面中的水情分析命令扇动， 不涉及用户干预内容。用户启动水猿分辑命令后，系统郎以妻裁寒流一泄洪条待 一一一 ls 华中科技大学硕士学位论文 为输入条件自动进行主河道及库区的水情分析。分析演算采用沿程动态分析方式。 本模型库分析演算水倩参数为： 断面编号d m j d 时问t i m e 水位过程z 流量过程q 洪峰传播速率c 其中，对于库区，由于断面流量极小，流量过程q 分析演算结果可能为零。 分析演算结束，系统自动将上述水情参数经数据库接1 ：3 写人数据库子系统中的属 性数据库。 3 、数据库接口。 水情分析子系统与数据库子系统的接口，承担将水情参数分析演算结果，作 为水情实时属性数据写入数据库子系统中的属性数据库，并由数据库子系统对空 间属性映射。 2 4 2 虚拟现实与可视化仿真子系统 该子系统基于流域d e m d o m ，进行流域三维地形、典型蓄水状态下的河流、库 区、支流及其淹没区域的虚拟现实。在主河道( 含库区) 三维地形虚拟现实的基 础上，根据水情分析子系统提供的水情分析结果，进行主河道( 含库区) 水位及 相应淹没区域、流量、洪峰传播速率等水情参数的沿程和动态可视化，及洪水演 进过程的动态模拟。 虚拟现实与可视化仿真子系统是整个系统的展示平台，直接与各级各类用户交 互，将清江流域基础地理空问数据、水情分析演算结果以及洪水演进过程中的数据及 结果转换为直观的几何图形及图像信息，使之在屏幕上显示并进行交互处理，能极大 地加快洪水演进各类信息的处理速度。可视化技术作用于洪水演进研究的全过程，它 从大量的原始数据中通过分析提取有效数据开始，映射生成绘制成图的几何原语，利 用交互控制对几何原语选定帧合成、色彩、纹理和阴影等参数并完成绘制图像的过程， 最终显示出所绘制的三维静态流域地形和动态洪水演进图像。 华中科技大学硕士学位论文 本子系统由以下部分组成： 1 、用户操控界面及显示界面 本子系统的用户操控界面是整个系统用户操控界面的一部分( 另一部分为流 域 属性图文联合查询子系统之用户操控界面) 。 用户通过该操控界面实现对流域虚拟现实与水情可视化仿真功能、方式及 纹理、光照等效果的选择、调用与控制，和缩放、漫游、河道断面截取与水情参 数显示等具体操作。 用户操控界面与显示界面合为一体，采用交互式操作方式。显示界面承担洪 水演进与水情可视化仿真平台的可视化输出内容。 2 、数据库接口 该接口为本子系统与数据库子系统间的接口。用户启动水文水情可视化仿真 子系统后，该系统通过本接口由数据库子系统载入进行了空间属性映射的主河道 及库区水情参数，供主要水情可视化仿真使用。 通过本接口载入的水情参数内容为： 水位过程( 断面地理位置，时间) 流量过程口( 断面地理位置，时间) 洪峰传播速率f ( 断面地理位置，时间) 3 、虚拟现实与可视化仿真平台 该平台将清江流域基础地理空间数据、水情分析演算结果以及洪水演进过程中的 数据及结果转换为几何图形及图像信息，使之在屏幕上显示并进行交互处理。 该平台从大量的原始数据中通过分析提取有效数据开始，映射生成绘制成图的几 何原语，利用交互控制对几何原语选定帧合成、色彩、纹理和阴影等参数并完成绘制 图像的过程，最终显示出所绘制的三维静态流域地形和动态洪水演进图像。 该平台的基本功能和实现内容分为为两大类：流域虚拟景观和洪水演进与水情可 视化仿真。其中，流域虚拟景观是用来总体显示全流域在关键水库蓄水位状态下的三 维地形地貌和主河道、库区、支流及淹没区域，动态模拟洪峰推进过程；洪水演进与 华中科技大学硕士学位论文 水情可视化仿真是基于流域d e m d o m 、和由数据库子系统读取的、由水情分析子系统 分析演算的清江主河道及库区水情实时参数，在流域虚拟现实的环境下，实现洪水淹 没、演进过程的全程动态模拟，并进行水情参数的动态可视化仿真。 2 4 3 流域专题属性图文查询子系统 本子系统是整个系统的数据库平台和地理信息系统环境。同时，它可独立进 行流域水情、工情等属性图文联合查询。 本子系统由以下部分组成： 1 、数据库 本数据库是整个系统的公共数据库，也是虚拟现实与可视化仿真子系统和水 情分析子系统的数据来源与枢纽。 地理信息系统中有两种数据：空间数据和属性数据。空间数据包括描述地形地物 空间位置和空间拓扑关系的数据，如组成一条道路的坐标点数据，与这条道路相连的 其它地物等。属性数据包括描述地形地物属性信息的数据，如道路的长度、宽度等， 及其它与空间图形有关的属性数据。同理，地理信息系统中的数据库也有两种：存 储地理数据的数据库( 空间数据库) 和存储相关非地理数据的数据库( 一般数据 库) 。空间数据库创建的一种方法是将非数字版的数据( 地图) ，转换成计算机可 以识别的电子形式，整个过程通常被称为数字化。 2 、显示系统与用户操作界面 用户操作界面采用交互方式，它从属于显示查询系统。 显示系统基于数据库、在流域g i s 环境下实现流域水情、工情的综合查询与 查询对象的显示。查询以显示界面和用户操作界面上的交互方式，具体形式实现 “点图查属性”和“由属性查图”、及“条件查询”等综合性查询功能。 2 5 系统运行平台与环境 系统基于分布式运行环境，系统运行环境根据各子系统对硬件平台的要求及其特 点，综合考虑经济性设计而成的。 华中科技大学硕士学位论文 整个系统硬件平台分为： 水情分析工作站暨用户输入工作站 数据库服务器 虚拟现实可视化仿真工作站暨用户操控工作站 局域网环境 1 、水情分析工作站暨用户输入工作站 功能 用户输入：水情分析 e 性能需求 数值计算能力 应用软件 水情分析子系统 平台软件 v c + + 操作系统 w in d o w s n t 2 0 0 0 硬件配置 微机工作站，p 41 4 g ，2 5 6 m br 蛳，4 0 g 2 、数据库服务器： 功能 数据库硬件平台；数据存储；数据库服务 性能需求 海量存储、数据库服务能力；高稳定性、可靠性；高速i o 能力 应用软件 空间数据库及属性数据库 平台软件 o r a c l e8 x ；a r c i n f o s d e 操作系统 w i n d o w s n t 硬件配置 服务器，p 41 4 g ，1 g br a m ，r a i d 3 、虚拟现实可视化仿