（水利水电工程专业论文）“数字清江”系统主控界面与运行平台研究及开发.pdf

华中科技大学硕士学位论文 ；= = = = = = = = = = ；= = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = 一 摘要 。、 ( 数字清江”系统的建设是一项涉及到应用管理科学、计算机科学、水力学、水 文学、地理信息及有关学科的理论和方法的系统工程，其规模宏大、模块众多、结构 、 复杂、内容丰富，需要高效的组织以及开发工目7 1 本文从系统集成的概念出发，对集成的目的与原则、集成的层次、集成内容及其 具体实现等方面系统、全面地阐述了开发大型项目的注意要点，详细分析比较了基于 数据库、中间件、s t e p 、多a g e n t 和本体的四种系统集成方法以及传统的生命周期 法和面向对象的两种软件开发方法。 在随后的章节中，本文简要地介绍了“数字清江”系统的三个组成部分，即：g i s 分析与查询模块，模型库系统，数据库系统，并通过对三种集成方案的比较分析，进 一步从开发原理和方法应用的角度讨论了以二次开发语言或开发模块构建的常用g i s 软件。针对这些g i s 软件开发的应用软件的可重用性、可移植性都不甚理想，难以满 足“数字清江”系统的特殊需求的情况，结合u n i x 环境中“数字清江”系统的主控 界面与运行平台的实际需求，本文引入了面向对象的开发工具q t ，较好地解决了系统 的界面开发中存在的问题以及系统软件开发中必须面对的软件可靠性、可维护性、可 移植性、生产率、再应用等问题。采用这种开发工具在实际应用中取得了较好的效果， 为今后进一步开展相关工作奠定了坚实的基础。 关键字：系统集成支撑软件q t 地理信息系统洪水演进水文预报面向对象 华中科技大学硕士学位论文 = = = = ；= = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一= ： ：= ： a b s t r a c t t h ec o n s t r u c t i o no f d i g i t a lr i v e rq i n g i i a n gs y s t e mi sab i gp r o j e c tw h i c hi n v o l v e d t h e o r ya n dm e t h o do fa p p l i c a t i o nm a n a g e m e n ts c i e n c e ，c o m p u t e rs c i e n c e ，h y d r o l o g y ， h y d r a u l i c s ，g i sa n d s oo n t od e v e l o ps u c h p r o j e c tw i t hl a r g es c a l e 、s t r u c t u r ec o m p l i c a t e d a n da b u n d a n tc o n t e n tn e e da p e r f e c tp l a na n dd e v e l o p m e n t m e t h o d s t h et h e s i se l a b o r a t e so nt h ee s s e n t i a lo ft h e b i gp r o j e c td e v e l o p m e n ta c c o r d i n gt o s y s t e mi n t e g r a t i o n so b j e c t i v ea n dp r i n c i p l e ，i t sa r r a n g e m e n t ，i t sc o n t e n ta n di t si m p l e m e n t b a s e do nc o n c e p to fs y s t e mi n t e g r a t i o n t h et h e s i sa n a l y z e sa n dc o m p a r e sf o u rk i n d so f i n t e g r a t i o nm e t h o d s ，w h i c ha l eb a s e do nd a t a b a s e ，m i d d l e w a r e ，s t e pa n dm u l t i a g e n ti n d e t a i l t h et h e s i s ，a l s od i s c u s s e st r a d i t i o n a ls o f t w a r e d e v e l o p m e n tm e t h o d s w h i c ha r e s a - s d - s p ，a n do b j e c t - o r i e n t e dm e t h o d s t h et h e s i si n t r o d u c e st h et h r e e p a r t so f t h e ”d i g i t a lr i v e rq i n g j i a n g ”s y s t e m ，w h i c h a r e g i so na n a l y s i sa n dq u e r y m o d e lm a n a g e m e n ts y s t e ma n dd b m s m o r et h et h e s i sd e a l s w i t l lt h eg e n e r a lg i ss o f t w a r ef r o mt h ep o i n to fv i e wo ft h ed e v e l o p m e n t p r i n c i p l ea n d m e t h o d a p p l i c a t i o n a c c o r d i n g t ot h ef a c tt h a tt h ep r o d u c tb a s e do ns u c hg i ss o f t w a r ei sn o t g o o d a tr e u s a b l ea n d p o r t a b l ep e r f o r m a n c e t h et h e s i si n t r o d u c e sa n e wk i n do ft 0 0 1q tt o d e v e l o p ”d i g i t a lr i v e rq i n g j i a n g ”s y s t e m s u s e ri n t e r f a c ea n di t sp l a t f o r mw h i c hr e d u c e st h e d i f f i c u l t yi ns o t h v a r e i l s c ri n t e r f a c ed e v e l o p m e n to nu n i x ，q u i c k e n st h es p e e do fs o f t w a r e d e v e l o p m e n t a n dl e t sc o n c e n t r a t eo n s y s t e m s t r u c t u r ep l a na n di t sf u n c t i o n w es o l v eal o to f t h ep r o b l e ms u c ha sr e l i a b i l i t y ，p r o d u c t i v i t y ，r e u s e ，m a i n t e n a n c e ，p o r t a b i l i t yw h i c hs e t sa g o o d s t a r tf o rf u t u r e k e yw o r d s ：s y s t e mi n t e g r a t i o ns u p p o r t s o f t w a r eq tg i sf l o o d r o u t i n g h y d r o l o g i cf o r e c a s t i n go b j e c t - o r i e n t e d l i 华中科技大学硕士学位论文 1 1 研究背景 1 绪论 本课题结合岵字清江”之“清江流域水文水情分析仿真暨查淘”系统研究项目展 开。“清江流域水文水情分析仿真暨查询”系统是以信息技术为手段，应用管理科学、 计算机科学、水力学、水文学、地理信息、计算机科学及有关学科的理论和方法，针 对清江流域的实际需要( 发电及防洪抗灾) ，通过提供背景资料、协助明确问题、修 改完善方案，模拟可能的灾害、对救灾方案进行分析比较等方式，为管理者做出正确 决策提供帮助的人机交互系统。 流域水文水情分析仿真的研究一直被国内外视为科学研究与工程应用的前沿问 题，有着重大的科学意义与实用价值。以三维动态模拟仿真为手段，真正实现以清江 流域乃至长江流域防灾减灾为目标的清江水情最优控制，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。“清江流域水文水情分析仿真暨查询” 系统是在清江流域数字化基础地理数据的基础上，建立的一个集流域三维景观、清江 主河道水情分析与动态可视化仿真、流域专题属性图文查询为一体的综合性分析仿真 决策系统。系统建成后将由以下功能模块组成：“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”。其他可能的子系统为“梯级系统长期优化调 度”、“梯级日优化调度”、“径流预报”、“负荷预报”、“不稳定流计算”和“梯级水电预 演仿真”等。 像“清江流域水文水情分析仿真暨查询”系统涉及到硬件整合以及应用软件的开 发，属于大型系统工程，需要应用系统集成的观念才能开发出一个高效、强大的应用 产品。系统集成是近几年发展起来的计算机技术，是计算机技术发展应用到相当高水 平的表现，是大型计算机工程综合解决方案【”。完整的系统集成包括：系统的硬件设 计、网络方案设计、系统软件选型设计( 操作系统、网络体系、数据库、软件开发语 言等一系列软件选择、应用) 等，还包括系统的实旌( 网络布线、计算机系统等各种 华中科技大学硕士学位论文 硬件设备的物理连接，各种系统软件地安装、调试等) ，贯穿于计算机项目的始终， 是一个大型项目计算机技术的综合体现。 系统集成内容包括硬件和软件两大部分所组成。硬件包括计算机、网络和图形处 理外设；软件包括主机操作系统、工作站操作系统、网络操作系统、数据库系统、g i s 平台支持系统等。对实验室而言，网络速度、图像处理能力、数值计算能力等对硬件 配置地要求可以根据具体的参数选择、购买相应的硬件设备，后面将有详细的叙述； 由于“清江流域水文水情分析仿真暨查询系统”数据模型和数据结构的多样性与异构 性，并且各个小组不断相继推出的模块采用了不同的开发标准以及开发支撑语言，使 得不同模型之间的集成问题日渐突出，成为推出应用系统的主要障碍。 本文就是以这一项目为基础，阐述了项目实现的主要功能，所涉及到的技术主要 包括u n i x 下窗口软件地开发、系统集成技术。整个开发过程就是这些技术地运用， 该项目不仅仅是计算机领域地应用，更是水电领域地研究，笔者在该文中主要针对系 统地建设，运用现代开发技术进行了一系列研究工作，分析了利用q t 在u n i x 上开 发的应用系统的优缺点，解决了u n i x 环境中软件界面开发的重大问题，并且为整个 系统集成给出了解决方案。 1 2 研究环境 1 2 1 硬件环境 本系统硬件平台的基本构成为：水情分析工作站、数据库服务器、可视化仿真工 作站各一台( 套) ，以及将它们连接为一个整体硬件平台系统的网络通信设备。以上 硬件平台的基本构成部分在系统工作时相互联系、协同工作、缺一不可。 硬件平台具体选择原则为： l 、水情分析工作站 根据实际工作所必需的硬件资源，来考虑用户的软件系统对机器硬件地需求。设 计的系统日后应该能够调整，并且尽可能不成为瓶颈因素。为确保计算机的计算能力， 必须要从磁盘驱动器的空间利用率及其i o 活动率、计算负荷，操作系统类型等方面 华中科技大学硕士学位论文 考虑采用足够的内存以及足够快的处理器。 2 、数据库服务器 数据库服务器是指提供各种数据管理服务的计算机软、硬件系统的组合，它提供 的服务包括数据对象定义、数据存储与备份、数据访问与更新、数据统计与分析、数 据安全保护、数据库运行管理以及数据库建立和维护等。一系列保证数据库软件稳定 运行包括硬件平台性能、计算效率、7 x 2 4 小时不间断运行，以及联机数据备份、容错、 安全措施等。建议使用专业数据库服务器。 3 、可视化仿真工作站 作为“数字清江”工程建设中二级课题“清江流域水文水情分析仿真暨查询”系统的 可视化仿真模块，其研究目标、技术支持、实施方案、计划安排等必须按照上级项目 及课题地要求进行设计。为此，模块在解决洪水演进推算过程及结果三维模拟仿真的 计算机软硬件和可视化技术的计算机实现问题。其研究可行性的背景是建立在现代综 合空间信息技术基础上，以其它模块提供的清江基础地理数据和水文水情数据为依 据，以其他模块所研究的水文水情分析模型、水力学模型及预测结果和参数为指导， 以先进的计算机硬件和面向对象的软件开发平台及应用平台为手段，进行模块的研 制，主要指标重在三维可视化效果。达到在建立流域数字地理环境及其相关现象统一 性的数字化重现基础上，通过仿真与虚拟实验，模拟洪水在全流域的发展演进过程， 获得不同部位河段的近似水位、水深、流量、平均流速，并按要求进行可视化再现。 这些技术指标对硬件提出了很高的要求，基于工作站在图形处理以及计算能力方面的 突出能力，我们将使用s g i 工作站作为首选。 4 、网络环境 传统的空间数据往往采用文件方式，单机运行，侧如c o v e r a g e s h a p e 文件，随着 技术进步，属性数据和图形数据可以一起存入关系数据库中，实现了空间数据和属性 数据一体化存储和管理，便于开发两层、三层甚至多层网络应用系统。数据库还允许 访问其中超大的连续空间数据影像，例如大区域高分辨率的遥感影像和大比例尺的数 字高程模型：从发展趋势来看，纯关系数据库方案取代文件方案是发展的必然趋势， 也是i t 发展的主流趋势。这些技术进步为数据的共享提供了开放的平台。相应的， 华中科技大学硕士学位论文 网络数据查询、传输的效率问题也同益突出，尤其图形数据面临严峻的考验。为了逼 真地表现地貌特征，采用了大比例尺d e m 和高分辨率遥感影像。这些数据通常少则 1 0 m ，多则上1 0 0 m ，当通过网络传输大数据量时，网络带宽等瓶颈问题就特别突出。 因此我们选用超高速以太网作为骨干网。 1 2 2 软件环境 g i s 系统在数字流域中有着管理、处理、分析流域空间信息的许多优势，具有作 为基础平台的重要作用。作为区域性、专业性的g i s 应用之一，流域g i s 的研究相对 其它的区域g i s 或专业g i s 系统较为薄弱。现今的通用g i s 平台众多，包括国内外的 一些优秀g i s 软件，如国内普遍使用的a r c l n f o 、a r c v i e w 、m a p l n f o 、m a p g i s 、g e o s t a r 等。 洪水演进仿真模拟系统可视化模块应是一种基于三维的动态立体显示系统，传统 2 dg i s 难以提供三维的可视化表达，因此，系统的研制在二维g i s 数据基础上，开 展包括流域地形仿真、洪水动态演进模拟等三维可视化研究。在系统开发方面，利用 o p e n g l 提供了的直观编程环境和开放三维图形软件包，在v i s u a lc + + 平台上，融合 o p e n g l 和v r - g i s 进行系统的开发研制，可以实现流域地形、地貌和洪水演进动态 模拟的三维可视化效果。 基于三维地形和地理信息系统平台的清江流域水文水情分析仿真系统，不同于一 般的管理数据库类系统，它不仅包含地理要素的属性数据，而且还有地理要素的空间 定位数据。通常涉及到海量数据的存储与管理，现在各大数据库厂商都尽力在空间数 据存储管理上取得极大的进步，鉴于o r a c l e 数据库的优异特性及系统将来的廿j 扩性， 我们选择o r a c l e 及其数据库管理系统作为数据管理系统。 各硬件平台基本操作系统与支持环境和安装运行软件内容如图1 1 所示： 华中科技大学硕士学位论文 1 3 研究内容 图1 1 硬件平台基本操作系统 建立清江流域水文水情分析仿真暨查询系统的技术目标和主要内容是： 1 、解决系统的共性问题 ( 1 ) 流域平面地图的生成 ( 2 ) 包括流域景观的三维浏览以及洪水演进的三维可视化 ( 3 ) 水情分析模型构造和建立 ( 4 ) 洪水预报综合决策 ( 5 ) 流域地理信息查询 2 、提供构造本应用系统的环境 ( 1 ) 算法库、模型库 ( 2 ) 软件设计方案、开发方案的决策、评价 f 3 ) 软件开发的支撑系统软件的确定 3 、适应不同硬件的环境 ( 1 ) 地理信息系统软件 ( 2 ) 窗口管理软件：x w i n d o w s 、还有w i n d o w s 系列，以及最新流行的l i n u x 窗口软件 5 华中科技大学硕士学位论文 ( 3 ) 数据库系统软件 4 、系统开发工具 ( 1 ) 软件模块化生成工具 ( 2 ) 软件文件生成工具 1 4 全文的章节安排 本论文将讨论大型项目建设中的系统集成问题，从理论、方法和实用上进行了全 面深入的研究，并以“清江流域水文水情分析仿真暨查询”系统科研项目为实例进行了 从系统设计到开发的全过程，取得了满意的效果。全文章节安排如下： 第一章“绪论”。首先阐述了课题来源，讨论了系统建设涉及到的软硬件方面的条 件。确定了本文的主要研究内容和研究方向。 第二章“系统集成方法研究”。介绍了系统集成的层次、目的与原则、内容以及开 发手段，全面的阐述了系统建设的综合性特点，需要选择恰当的开发手段才能开发出 满意的系统。 第三章“系统设计”本章从系统的组成及功能谈起，根据软件所运行的硬件环境以 及前期所作的工作，论述界面开发在系统集成中的重要性，给出了其设计图。 第四章“系统实现”本章分析比较了三种集成方案，最终通过分析几个重难点程序 开发，介绍了如何进行系统集成。 第五章“结论”对全文的工作做了总结，并且讨论了待进一步研究解决的问题。 华中科技大学硕士学位论文 2 系统集成方法研究 在“清江流域水文水情分析仿真暨查询”系统研发中，存在着许多不同时期、不同 人员开发地互相缺乏联系的单项应用模块程序，这些独立的模块程序互相封闭、各自 独立运行，显然这些不同功能的、孤立的模块程序远不能满足实际工程的需要如果 不及时解决，它们将会带来许多严重的问题2 】- 4 1 ： 1 、功能各异、孤立存在的系统( 模块程序) 封闭运行，难以取得及时、正确的 综合信息。 2 、各孤立系统( 模块程序) 自成一体、数据重复和冗余，浪费计算机资源。 3 、各孤立系统( 模块程序) 相互需要所用的信息、只能通过各自的输入输出接 口，人工进行转换，容易造成信息丢失。 4 、各孤立系统( 模块程序) 之间不能通过工程数据库和网络实现信息和资源共 享。 5 、各孤立系统( 模块程序) 自行开发，低水平重复，人力资源浪费。 如何把各种单独的这些专业应用程序连接在一起，实现各应用程序所需要的及产 生的信息进行存储和交流，达到软件资源和信息共享，形成有力的决策系统，避免不 必要的冗余和重复成为系统集成的关键。 2 1 系统集成的目的与原则 清江流域水文水情分析仿真系统，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模拟和水文水情的动态分析，实现对清江 主河道及库区洪水地形成、发展、后果综合分析模拟，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蜂减灾提供水文水情方面的直接数据支持 和过程与结果的直观预演。系统在功能的设置上必须紧扣清江水电联合调度、流域防 华中科技大学硕士学位论文 洪和长江干流的错峰减灾的实际需要；在系统地开发中，必须充分利用应用清江公司 现有分析预测方法与模型、系统、各类数据等资源，并结合清江流域实际情况，综合 运用水力学、水文学工程界与学术界成果。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。系统集成化的目的就是提供一种能够覆盖用 户需求、并且高效的预演应用软件。该系统集成的基本原则是：使各个模块开发小组， 在清江流域水文水情分析与仿真系统开发目总体设计地指导下，以工程数据库为中 心，以g i s 软件为支撑，采用面向对象的开发技术，把这些模块连接成一个有机的整 体：使之互相支持，互相调用，信息共同占有，数据共同享用，发挥最大的整体效益。 2 2 系统集成的层次 系统集成显然不是产品和设备的简单“攒合”。下面我们可以从应用功能集成、支 撑系统集成、技术集成以及产品集成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，有助于进行系统规划以及软件开发。 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，g i s 常见的应用需求有查询、检索、专题地图、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 不仅反映出系统集成人员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。 支撑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 建立。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，这个系统中就应该提 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 个远程查询系统的支撑平台。支撑环境可以分为两大部分：一部分是直接为应用软件 地开发提供开发工具和环境的应用软件开发平台；另外一部分为用于实现数据处理、 8 华中科技大学硕士学位论文 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中必不可少的部分，往往需要投入很多资金。 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的工作，使 系统整体性能达到优良。 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 技术之间的集成实现的。计算机仿真系统的建立，需要网络技术、数据通信技术、人 机联系技术、电力系统和水电站自动化专业应用软件技术等多种技术的集成。 产品集成是系统集成最终、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，要实现洪 水泛滥预演，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户和汉字终端设备。产品集成是系统集成的 外在表现形式。要实现产品集成首先此对以上三个层次集成进行深入调查、设计， 以此为基础；其次，对所集成的设备或产品要有较深入、透彻地了解。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。但它还没有解 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现过程中应给予特别地重视。 2 3 集成的内容6 按照系统集成的定义，系统集成内容包含软硬件地集成。下面我们分别介绍软件 集成和硬件集成： 硬件集成主要是系统地选择与配置。系统地选择与配置有其决策因素，可以选择 主机系统的中心配置，也可以选择工作站或微机系统的分布式配置，如图2 1 所示。 为了充分发挥资源共享、并行作业，以提高系统的工作效率，选用分布式配置为好。 当今网络技术地发展，采用局域网可以将不同型号的微机、工作站连接起来，发挥各 自的持长，从而使运行在不同型号计算机上的各子系统在硬件上集成起来。硬件集成 也可以采用客户机n 务器( c l i e n t s e r v e r ) 体系结构，如图2 2 所示。它的优点是客户 机可以共享网内的各种资源，便于实现多种计算机系统的互连、互操作与集成，提高 华中科技大学硕士学位论文 整个系统的可靠性与实用性。这种网络结构体系，通常用小型机或高档微机作为服务 器，服务器提供网络服务、数据库服务、文件服务及通信服务等。这些服务可以由不 同的服务器完成，也可以集中在一台服务器上完成。 图2 - 1 分布式硬件系统示意图 圈2 - 2 主机系统的中心配置 软件集成7 1 包括应用程序的集成和信息集成两个方面。为了便于软件的集成，建 1 0 华中科技大学硕士学位论文 议采用系统核- l = l , ( s y s t e mk e r n e l ) 。它是将子系统对环境的依赖集中于一体，为应用程 序提供各种帮助，包括数据的统一管理、程序管理、数据接口和运行控制等。本项目 集成系统的核心主要有：工程数据库、通用数据接口、程序管理、统一的用户界面程 序和执行控制程序等【8 】_ 【1 0 l 。采用系统核心的好处是： 1 、系统集成具有灵活性 用户可以根据工程的不同阶段，炙活地组织流程，也叫以根据工程的不同需求， 灵活地增加或减少应用程序，集成系统充分地向用户开放。 2 、数据管理的科学性。 集成系统中数据分为两类：非共享数据通过专用接口存放在专用数据库中。共享 数据通过通用接口存放在公用工程数据库中，从而大大地减少了数据冗余且保证了数 据的统一。按专业类别存放的数据便于用户的使用和信息查询。 3 、接口程序的简洁性。 集成的应用程序通过集成核心与其他应用程序实现数据交换，大大减少了接口程 序的开发。 4 、友好的用户界面。 集成提供统一的执行控制程序，按照一般工程技术人员的思维设计流程路径，为 用户提供统一的、方便的、友好的菜单式用户界面。对应用软件程序( 子系统) 来说， 通过对系统运行进行统一组织和控制的执行控制程序( 又称总控程序) ，以及用于进行 信息交换的接口和网络程序，使各应用子系统( 模块) 有机地连接起来，同时对各子系 统进行规范管理，还可根据需要，通过菜单的使用，增加系统的灵活性、可扩展性与 可维护性。对信息来说，通过数据模型和共享数据树的建立、数据的统一管理、通用 数据接口等来实现数据的集成、管理与控制。 建成后系统的软件集成需要满足： ( 1 ) 集成系统有畅通的信息流和正确的数据转换。 ( 2 ) 提供信息共享和软件共享的机制。 ( 3 ) 提供所有软件信息的版本控制及管理。 r 4 ) 信息项改动时，自动跟踪相关信息项。 华中科技大学硕士学位论文 ( 5 ) 保证内部有一致性的接口和外部有统一的、友好的人机界面。 ( 6 ) 用统一的执行控制程序来组织各种信息的传递和运行。 2 4 集成系统的开发 2 4 1 选择合适的支撑软件 集成系统的集成技术是现代科技成果中的高技术，随着新技术的发展其内容不断 扩充，集成系统所涉及的面广、量大、复杂。为了提高软件集成的质量、效率，需要 选择合适的集成支撑软件，这就是软件开发工具或称软件开发平台。洪水分析与洪灾 预测仿真系统集成软件选择合适的支撑软件的原则是： l 、必须具有较强的绘图、图形显示及人机交互的功能。 2 、为了管理信息，交换与共享信息，必须具有能控制和管理包括几何和非几何 信息在内的工程数据库，它还应具有支持多用户、版本管理、交互设计特性等功能。 3 、应该具有良好的用户接口。 4 、数据转换接口、图形接口和网络等应采用当前的国际标准 5 、支撑平台应具有开放性、可扩充性。 6 、集成支撑平台( 软件) 的功能应根据需要选配，不可好大求全，否则集成系统将 变成负载运行，效率很低，没有好处，用户很不欢迎。应该充分认识到，集成软件必 须与硬件容量相匹配。 7 、任何一种集成系统的开发都有原准的开发对象，适用于不同的领域和部门， 而且彳i 同的科技领域，集成内容也有所不同，支撑软件也应有其适用范围。 2 4 2 集成方法 前面指出过，不同的集成系统有不同的集成层次。本次系统的集成方法不是简单 地将现有的各个模块软件的堆积，而是在系统分析的基础上，根据该集成软件的总体 设计，明确集成系统的近期目标和远期目标，进而确定集成系统的总体结构、系统的 功能、于系统的划分原则，选择系统的硬件设备和支撑软件；制订系统的统一代码和 华中科技大学硕士学位论文 公用数据库；提出系统运行保证体系和措施，以及实施步骤和投资估算。除进行上述 内容外，还需加强原有应用软件的考核，了解原有应用软件的接口形式、数据传输格 式；还要特别注意各应用软件与工程数据库问的柔性接口( 因原有应用软件的输入，输 出格式已确定，形式多样，不易修改，故应设计适合于各原有应用软件的接口，即具 有柔性的接口) 、统一的友好的用户界面、工程数据库中数据模型形式，以及集成系 统的丌放性与可扩允性。 对于集成方法，根据集成要求、集成内容以及集成数据量等来选择。一般有如下 几种： 1 、基于数据库的集成方法 a 、b 系统之间的数据交换通过读取对方的数据库( a 系统读取b 系统的数据库， 或者反过来) 或在数据库之间进行映射( 把b 系统的数据库映射成a 系统的数据库。 或者把a 系统的数据库映射成b 系统的数据库) 来实现。 这种方法的优点是实现起来较为简单，o d b c 和j d b c 等都是较为成熟的技术， 实现的成本也比较低。缺点是系统必须在数据库中存储所要交换的数据，并提供相应 的数据存取方法。一般只能交换静态的数据，对于程序运行中存在的动态数据，是无 法进行交换的。这种方法必须在每两个系统之间都开发不同的接口，1 1 个系统之间的 集成必须开发n ( n 1 ) 个接口，接口的重用性比较差。 2 、基于中间件的集成方法 中间件( 以c o r b a 为例) 的核心思想是通过在客户和服务器之间引入一组对象 请求代理服务( o r b ：o b j e c t r e q u e s t b r o k e r ) ，使得a 系统的对象能够象访问系统内 部对象一样访问b 系统对象的成员( b 系统可能是远程的，也可能是本地的) 。采用 这种方法进行系统之间的集成，一般用i d l ( i n t e r f a c e d e f i n i t i o n l a n g u a g e ) 定义系统 之间的接口，再通过i d l 编译器映射成具体的程序语言。生成的对象包括s t u b ( 客户 端用它来向o r b 发送服务请求) 、s k e l e t o n ( 服务器端用它来监听o r b 发送过来的 服务请求) 、接口的具体实现以及其它的一些辅助对象【l “。 这种方法的优点在于能够方便地实现异构系统( 不同硬件平台、操作系统、网络 环境等) 之间的集成，因为网络通讯的实现对编程者来说是无须考虑的。而且具有面 1 3 华中科技大学硕士学位论文 向对象的优点，实现起来也比较简单，已经是一种比较成熟的系统集成方法。它既可 以实现数据交换，也能实现方法调用。 其主要缺点是需要o r b 的实现，需要购买相关产品。而且对于接口的设计是很 有讲究的，好的接口应该具有易于理解、易于修改和重用等优点。 3 、基于s t e p 的集成方法 s t e p 是i s o 为了在不同的工程系统之间实现产品数据交换制定的标准。s t e p 标准以e x p r e s s 作为形式化的产品模型描述语言，以s d a i 作为产品模型数据的操 作接口，不同的系统之间以中性文件或数据库的形式进行产品信息集成。 这种方法的优点在于s t e p 提供了一种描述产品数据的中性机制，而且集成资源 为产品数据的描述提供了参考。 其主要缺点在于s t e p 标准的形成过程总是很难跟上企业系统集成的需求。在实 际应用中，开发人员往往需要自定义产品模型或者在集成资源的基础上进行扩展。 4 、基于a g e n t 和本体的集成方法 多a g e n t 系统和本体技术是从分布式问题求解和知识共享领域发展而来的。在多 a g e n t 系统中，每个基于知识的系统都看作一个a g e m ，a g e n t 之间通过传递消息来共 享知识，从而实现协作的问题求解。目前，从系统集成的角度来看，斯坦福大学的 k s e ( k n o w l e d g es h a r i n ge f f o r t ) 项目提供了一套较为完整的方法【1 3 】。该方法包括 k q m l ( k n o w l e d g eq u e r y a n d m a n i p u l a t i o nl a n g u a g e ) 、k i f ( k n o w l e d g ei n t e r c h a n g e f o r m a t ) 、本体三层逻辑结构，主要用来解决不同的知识库系统之间的知识共享问题。 k q m l 是对系统之闻通讯行为的一种抽象，它由一组通讯原语( 如t e l l 、a s k 等) 组成。 k i f 是一种中性的知识表示语言，用k i f 表达的知识可以映刺到多个具体的知识表达 系统。本体是不同的知识系统之间共同使用的通讯词汇。一个典型的k q m l 消息结 构如下： ( t e l l ：s e n d e rs t o c k - l v e r ：c o n t e n t ( p 砒c ei b m1 4 ) ：r e c e i v e r j o e ：m - r e p l y - t oi b m - s t o c k 1 4 华中科技大学硕士学位论文 ：l a n g u a g el p r o l o g ：o n t o l o g yn y s e t i c k s ) 系统之间通过k q m l 消息进行知识交互，对于消息和知识的处理由每个a g e n t 自己来完成。 这种方法的主要优点在于，k q m l 层实现了具体的通讯功能( 般的a g e n t 开发 工具都会提供此功能) ，使得歼发者无须过多的考虑通讯方面的问题，而且k q m l 是对于通讯行为的一般抽象，具有通用性。用k i f 表达的本体( 即系统之间所要通讯 的内容) ，可以通过斯坦福大学提供的o n t o l i n g u a 服务器映射到多个具体的知识表达 系统【1 4 】，其可维护性、可扩展性和可重用性都比较好。此外，斯坦福大学还提供其它 工具和服务( 如j a t ，o k b c ，c m l 等) ，来支持基于a g e n t 和本体的系统集成。 其主要缺点是它面向知识库系统之间的集成。尽管用k i f 表达的本体也可以映射 成i d l 语言，再通过i d l 编译器编译成具体的程序代码，但显得不够直接。也有的 a g e n t 开发工具( 如a g e n t b u i l d e r ) 直接把用u m l 语言表达的本体编译成程序代码， 但是就没有办法利用o n t o l i n g u a 提供的强大功能了。通过以上的比较我们可以发现： ( 1 ) 方法2 、3 、4 都试图提供一种中性语言，对要共享的数据、知识或方法进行 描述，再通过一组翻译器实现到具体系统的映射。 ( 2 ) 方法2 、4 都试图提供一组网络服务，以实现网络通讯对用户透明。 0 ) 在适用范围方面，方法l 、3 主要强调静态的产品数据交换；方法2 可以实现 静动态的数据交换和方法调用：在方法4 中，由于k q m l 提供了一种持续动态的交 互模式，所以可以实现静动态的数据交换。 自主开发的软件模块有水情分析数据模块、洪水演进仿真模块以及g i s 查询模 块。目前，“数字清江”系统的水位预报实现了数据实时采集处理的功能，通过这些数 值计算关键断面的水位，然后通过拉格朗日插值法算出任意断面的水位值，然后写入 数据库，这样，洪水演进仿真模块可以通过访问数据库得到这些数据，从而对洪水的 走势进行模拟。当然，也可以通过中间件来实现这个动态数据交换过程。但是水位变 化相对于计算机处理速度以及网络传输速度来说，可以看成一个相对的静态过程，所 以无需采用中间件，从而避免接口的设计和使用，因此采用基于数据库集成的方法。 华中科技大学硕士学位论文 2 4 3 集成系统的软件开发一1 1 9 i 软件开发的成功率和软件的可维护性与选用适当的软件开发方法有密切的关系。 下面分析比较目前采用的两种主要的软件开发方法，生命周期法和面向对象方法，并 分析与比较这两种方法的特点和适用的场合。 1 、传统的生命周期方法学 生命周期方法学的基本思想： 生命周期方法学把软件生命周期划分为若干个相对独立的阶段，每个阶段完成一 些确定的任务，交出最终的软件配置的文档或程序，在完成每个阶段的任务时采用行之 有效的结构分析( s a ) 、结构设计( s d ) 技术和适当的辅助工具。编程采用结构化程序设 计( s p ) 语言，每个阶段结束时进行严格的技术审查和管理复审，合格之后才开始下一 阶段的工作。这就使软件开发工程的全过程以一种有条不紊的方式进行，保证了软件 的质量，提高了软件的可维护性。 生命周期方法学开发软件的步骤： 软件的生命周期通常分为：系统需求分析、系统设计、系统实现、系统测试、系 统维护五大阶段。 首先进入需求分析阶段，该阶段主要任务是收集、理解、分析用户对软件系统的 功能和性能要求，然后用需求说明书准确无误的表达出来。回答了系统做什么，即系 统要实现哪些具体功能，使用工具是数据流图( d f d ) 、数据字典( d d ) 。 系统设计阶段又分为概要设计和详细设计。概要设计是进行数据结构和数据库设 计、输入输出设计、模块划分、模块层次结构的设计。并用软件结构图来描述软件结 构。详细设计阶段采用s d 方法从逻辑上正确地实现每个模块的功能，并使设计出的 处理过程尽可能简明易懂。采用工具有程序流程图、p a d 图、伪码、p d l 语言等。 系统实现阶段是将各模块的控制结构转换为p l 表示的源程序又称编码。 系统测试阶段是要暴露软件系统中隐含的错误通过软件测试找出错误的原因和 位置并加以改正。 系统维护是软件生命周期最后阶段，主要任务是使软件持久地满足用户的需要。 生命周期方法学的特点及适应场合： 华中科技大学硕士学位论文 生命周期方法学的特点是：自顶向下，逐步求精，模块化设计采用结构化程序设 计技术和方法，良好的设计、完善的文档资料，以及系列严格的复审和测试以保证 软件的可维护性。 传统的生命周期方法学，曾经给软件产业带来了巨大的进步，至今仍然适用于开 发系统的需求比较稳定而且能够预先指定的软件系统。例如：传统工业生产过程的计 算机控制系统、卫星图象处理系统、空中交通管理系统、火箭发射跟踪控制系统及诸 如操作系统、编译程序、数据库管理系统之类的系统软件生命周期方法仍然是迄今为 i f ：最有效的软件开发方法之一。 另一类系统的需求是模糊的，或随时间变化的，通常在系统安装运行之后，还会 由用户驱动对需求进行动态修改。这类系统称为用户驱动的系统，人们很难甚至根本 不可能预先定义这类系统的需求，开发这类系统需要采用一种适于进行反复试探的技 术。这类系统必须具有能够快速、简便地进行调整的特性以便在运行使用过程中及时 根据用户需求的变化相应地修改系统。用传统生命周期方法学开发这类系统并不成 功，以至花费了许多人力物力去分析确定需求，开发出的应用系统并不能反映用户的 真实需要。此外用s a s d - s p 技术开发出的软件稳定性，可重用性和可维护性都比较 差。为克服传统方法的缺点，人们从实践中逐渐创造出面向对象方法学等软件工程的 新途径，促进了计算机在各行各业成功的应用。 2 、面向对象的软件开发方法【2 0 】r s 近年来，面向对象的方法以其特殊的优点引起人们的广泛重视，这种方法的基本 出发点是尽可能地模拟人的自然思维方式。由于面向对象的数据模型描述能力强，易 于扩展，不仅能自然地描述复杂对象的结构持征，而且能刻画对象的行为特征，因而 适用于工程应用环境。它不仅仅局限于程序设计领域，并已渗透到了软件开发、系统 模拟、图形处理及知识库的组织与管理、专家系统和体系结构等计算机软件的各个方 面。 面向对象( o b j e c t o r i e n t e d ，简称0 0 ) 方法是一种以对象为中心来认识客观世界 的方法，他从结构组织角度模拟客观世界，把世界看成是有许多不同种类的对象构成。 每个对象都有自己的内部结构和运动规律，不同对象间的相互联系构成了完整的客观 华中科技大学硕士学位论文 世界。 对象有属性集之上的方法集组成，他把属性和方法封装在一起，是一个动态的概 念，属性集反映了对象当前的状态；另一类方法是通过改变对象的某些属性值来改变 对象的当前状态。 面向对象有如下基本特征1 2 6 】- 【3 1 】： ( 1 ) 把对象看成是数据和有关操作的封装体 面向对象技术突破了传统的将数据和操作分离的模式，较好的实现了数据抽象。 他把对象看成是一个有组织的含有信息的实体，它既可以表示一个抽象的概念，也可 以表示一个具体的模块。从程序设计的角度来看，对象是一个独立的程序模块；从用 户角度来看，对象为他们提供了所希望的行为。 ( 2 ) 面向对象方法运用了类、继承的概念 面向对象将具有相同结构、操作并且遵守相同约束规则的对象集合在一起，称之 为类。类用来描述具有相同属性和方法的集合，它定义了该集合中每个对象共有的属 性和方法。对象是类的实例。类是有类型和模块的概念相结合而产生的，是抽象数据 类型的具体实现，类具有抽象类型的优点：不是通过实现，而是通过数据结构和数据 结构上的一组服务以及这些服务的形式化特征来描述数据结构类的，这样，类就可以 将该类对象的属性和方法的描述与实现分离开来，为类的封装提供了方便。 集成在类与类之间建立了这样一种关系：一个类可以定义成另一