大坝安全数据管理技术

大坝安全数据管理技术

苏怀智工作单位：河海大学水利水电工程学院联系方式：（O）

E-Mail：当前第1页\共有124页\编于星期四\22点内容提要第一部分概述第二部分数据库系统第三部分大坝安全管理数据库系统第四部分工程应用当前第2页\共有124页\编于星期四\22点第一部分概述水资源概况大坝安全问题及保障理念大坝安全数据管理当前第3页\共有124页\编于星期四\22点一、水资源概况世界水资源淡水资源危机为世界第二大环境问题。"19世纪争煤、20世纪争石油、21世纪争水"当前第4页\共有124页\编于星期四\22点一、水资源概况中国水资源江河众多，水资源总量大，人均少。时空分布不均。可用于发电的水能资源丰富。当前第5页\共有124页\编于星期四\22点目标：水资源综合利用；保障国家公共安全。实现水资源综合利用的有效途径：修建水库大坝，最大限度变水患为水利，造福中华民族。当前第6页\共有124页\编于星期四\22点一、水资源概况我国水利工程建设成就古代水利工程建设成就辉煌都江堰、灵渠建国后，水利工程建设迅速发展水库大坝数量最多的国家水电装机容量居世界第二水电建设技术已具世界水平当前第7页\共有124页\编于星期四\22点二、大坝安全问题及保障理念大坝安全问题大量病险工程的存在；超大规模的高坝大库建设。工程教训：法国马尔帕赛坝坝基滑移意大利瓦依昂水库滑坡事件中国：沟后、板桥当前第8页\共有124页\编于星期四\22点二、大坝安全问题及保障理念大坝安全保障理念的转变大坝工程全生命过程的健康；追求工程结构物的可检性、可修性、可换性、可强性、可控性及可持续性的综合目标；大坝安全已成为一个交叉性很强的应用基础性研究领域。当前第9页\共有124页\编于星期四\22点病险工程面临的现实问题超大规模高坝大库安全理念的转变技术支撑基本理论与数值分析方法高新监测、检测、试验技术解决途径：学科交叉研究当前第10页\共有124页\编于星期四\22点三、大坝安全数据管理目的和意义安全数据量大、繁杂，采集、处理和分析的工作量很大。管理人员很难进行及时的处理。解决手段－应用先进的人工智能以及计算机技术，建立大坝安全数据管理系统。当前第11页\共有124页\编于星期四\22点三、大坝安全数据管理大坝安全数据管理系统－依据有关大坝安全法规、设计规范和国内外在这一领域内的其它先进科技成果，结合具体工程，及时整理和分析有关资料，将定量分析和定性分析结合起来，对大坝安全状况进行综合评价和辅助决策，实现实时分析大坝安全状态、综合评价大坝安全状况等目标。当前第12页\共有124页\编于星期四\22点三、大坝安全数据管理意义：保障工程安全；指导施工；验证设计、反馈设计。当前第13页\共有124页\编于星期四\22点三、大坝安全数据管理功能信息管理与初分析－工程档案、大坝安全监测资料等，进行数据转换、存储和处理；分析评价；辅助决策。当前第14页\共有124页\编于星期四\22点三、大坝安全数据管理对象：大坝安全监测资料确定性（量化）信息－变形、渗流、应力、水文及水力学、地震不确定性（模糊）信息－现场巡查（巡视检查）、现场检测当前第15页\共有124页\编于星期四\22点（1）现场巡查（巡视检查）（2）现场检测日常检查年度检查特别检查时间、路线和检查程序汛期检查特大洪水、地震、安全事故检查方法：锤、钎、钢尺、放大镜、望远镜、量杯、石蕊纸、回弹仪、照相机、录像机、闭路电路、潜水员等。采用无损探测方法，包括高压探地雷达、电磁剖面仪、电阻率像伤仪、红外温度探测仪、超声检测仪、水声探测仪、水下电视探测仪、潜水器、潜水船等。当前第16页\共有124页\编于星期四\22点三、大坝安全数据管理大坝安全数据管理技术发展人工管理；信息管理系统分析评价系统决策支持系统专家系统计算机管理当前第17页\共有124页\编于星期四\22点专家系统的体系结构模型当前第18页\共有124页\编于星期四\22点专家系统的体系结构模型当前第19页\共有124页\编于星期四\22点国外大坝安全数据管理技术法国和意大利其他发达国家美国西班牙葡萄牙当前第20页\共有124页\编于星期四\22点国外大坝安全数据管理技术法国－大坝监测处理系统管理150多个大坝较大型的大坝群安全监测系统。意大利－国际领先地位20世纪80年代初－MAMS20世纪90年代－INDACO、MISTRAL、DAMSAFE大坝群安全监控系统当前第21页\共有124页\编于星期四\22点国外大坝安全数据管理技术MAMS－混凝土坝微机辅助监测系统，数据自动采集和在线监控。INDACO－模块化的自动化采集系统，采集数据、在线检验和超限报警、绘制过程线、数据记录存贮、数据通信、监测网的远程操作和维护等。当前第22页\共有124页\编于星期四\22点国外大坝安全数据管理技术MISTRAL－专门处理自动化监测超界值的专家系统，可提供大坝性态的在线解释。DAMSAFE－结构综合安全管理的决策支持系统。人工智能＋互联网，使多个专家通过共享它们的知识及数据资源来合作管理大坝的安全。大坝群安全监控系统当前第23页\共有124页\编于星期四\22点国外大坝安全数据管理技术美国－Tolt大坝的数据采集和传输系统西班牙－Guadalquivir流域的大坝群安全监控系统葡萄牙－大坝安全自动化监测和远程传输系统当前第24页\共有124页\编于星期四\22点国内大坝安全数据管理技术安全监测工作始于20世纪50年代，80年代，监测数据自动化采集＋监测信息处理系统。20世纪80年代－基于微机的大坝监测数据管理系统和数据处理程序，对数据进行存储、管理、制作图表及相关统计分析、在线监测、离线分析等。当前第25页\共有124页\编于星期四\22点国内大坝安全数据管理技术20世纪90年代－大坝安全监测信息管理系统。河海大学－大坝安全综合评价专家系统、在线安全监控及反馈分析系统、大坝群安全监测系统。南京水利科学研究院－土石坝安全管理系统。当前第26页\共有124页\编于星期四\22点国内大坝安全数据管理技术南京水文自动化研究所－DG型分布式数据采集系统、MDAP监测资料分析处理系统、DSIM大坝安全信息管理系统。南京南瑞集团－DAMS-Ⅳ型分布式监测数据采集系统以及DSIMS大坝安全监测信息管理系统。北京水利科学研究院－小浪底水利枢纽工程安全监测系统。当前第27页\共有124页\编于星期四\22点存在的问题和发展趋势存在的问题：缺乏科学的测点管理、系统的数据库体系、及时高效的数据传输功能、深度可视化的数据挖掘方法、完善的异常报警体系、严密的软硬件系统安全策略以及“傻瓜化”的操作平台和人性化的界面设计风格。缺乏整个水利枢纽和流域群坝管理。当前第28页\共有124页\编于星期四\22点存在的问题和发展趋势发展趋势：智能化可视化交互性网络化集成化当前第29页\共有124页\编于星期四\22点第二部分数据库系统基本概念数据管理技术的发展数据模型数据库系统结构和组成数据库设计Office工具在大坝安全数据管理中的应用当前第30页\共有124页\编于星期四\22点一、基本概念数据（Data）数据库（DataBase，DB）数据库管理系统（DataBaseManagementSystem，DBMS）数据库系统（DataBaseSystem）当前第31页\共有124页\编于星期四\22点数据（Data）对事实、概念或指令的一种特殊表达形式。用人工的方式或者用自动化的装置进行通讯、翻译、转化或者加工处理。信息当前第32页\共有124页\编于星期四\22点数据库（DataBase，DB）存放数据的仓库，是长期存储在计算机内的、有组织的、可共享的数据集合。按一定的数据模型组织、描述、储存。具有较小的冗余度、较高的数据独立性，能被各种用户所共享。当前第33页\共有124页\编于星期四\22点数据库管理系统（DataBaseManagementSystem，DBMS）定义：科学地组织和存储数据，高效地获取和维护数据的一个系统软件。当前第34页\共有124页\编于星期四\22点数据库管理系统（DataBaseManagementSystem，DBMS）主要功能：数据定义功能数据操纵功能数据库的运行管理数据库系统的建立和维护。当前第35页\共有124页\编于星期四\22点数据库系统（DataBaseSystem）定义：在计算机系统中引入数据库后的系统。基本组成：由数据库、数据库管理系统（及其开发工具）、应用系统、数据库管理员和用户（及操作系统）构成。当前第36页\共有124页\编于星期四\22点二、数据管理技术的发展人工管理阶段（20世纪50年代中期以前）文件系统阶段（20世纪50年代后期到60年代中期）数据库系统（20世界60年代后期以来）当前第37页\共有124页\编于星期四\22点人工管理阶段（20世纪50年代中期以前）特点：数据不保存；应用程序管理数据；数据不共享；数据不具有独立性。当前第38页\共有124页\编于星期四\22点文件系统阶段（20世纪50年代后期到60年代中期）特点：数据可以长期保存；用文件系统管理数据；数据共享性差，冗余度大；数据独立性差。当前第39页\共有124页\编于星期四\22点数据库系统阶段（20世界60年代后期以来）标志着数据管理技术的飞跃特点：数据结构化；数据的共享性高，冗余度低，易扩充；数据独立性高；数据由DBMS统一管理和控制。当前第40页\共有124页\编于星期四\22点数据结构化－数据库与文件系统的根本区别当前第41页\共有124页\编于星期四\22点数据的共享性高，冗余度低，易扩充。数据面向整个系统；节约存储空间；避免数据之间的不相容性与不一致性；数据库系统弹性大。数据独立性高：较高的物理独立性一定的逻辑独立性当前第42页\共有124页\编于星期四\22点数据由DBMS统一管理和控制：数据的安全性保护数据的完整性检查并发控制数据库恢复当前第43页\共有124页\编于星期四\22点三、数据模型（DataModel）数据库技术的发展是沿着数据模型的主线展开的。定义：现实世界数据特征的抽象，是对现实世界中数据的模拟。当前第44页\共有124页\编于星期四\22点三、数据模型（DataModel）要求：能比较真实地模拟现实世界；容易为人们所理解；便于在计算机上实现。类型：概念数据模型、逻辑数据模型和物理数据模型。当前第45页\共有124页\编于星期四\22点当前第46页\共有124页\编于星期四\22点数据模型的组成要素和分类组成要素：数据结构：所研究的对象类型的集合。数据操作：对象（型）的实例（值）允许执行的操作的集合。数据的约束条件当前第47页\共有124页\编于星期四\22点数据模型的组成要素和分类分类：概念数据模型－按用户的观点来对数据和信息建模。逻辑数据模型－按计算机系统的观点对数据建模。物理数据模型－反映数据的存储结构。当前第48页\共有124页\编于星期四\22点概念数据模型基本概念：实体（Entity）实体集（EntitySet）属性（Attribute）域（Domain）联系（Relationship）当前第49页\共有124页\编于星期四\22点实体（Entity）－客观存在并可相互区别的事物。实体集（EntitySet）－具有共同特征和性质的实体的集合。属性（Attribute）－实体所具有的某一特性。域（Domain）－属性的取值范围。联系（Relationship）当前第50页\共有124页\编于星期四\22点概念数据模型表示方法－实体－联系方法（Entity-RelationshipApproach）图例：当前第51页\共有124页\编于星期四\22点“监测系统”的概念模型当前第52页\共有124页\编于星期四\22点“监测系统”的概念模型当前第53页\共有124页\编于星期四\22点“工程档案”的概念模型当前第54页\共有124页\编于星期四\22点逻辑数据模型以一定的方式存储于数据库系统中，是DBMS中的存储模型。类型：层次模型（HierarchicalModel）网状模型（NetworkModel）关系模型（RelationalModel）面向对象模型（ObjectOrientedModel）。当前第55页\共有124页\编于星期四\22点关系数据模型时间X向Y向2007-10-11.2512.3452007-10-21.2342.4232007-10-31.5112.1582007-10-41.6212.369当前第56页\共有124页\编于星期四\22点关系数据模型关系（Relation）：表。元组（Tuple）：行属性（Attribute）：列。主码（Key）：唯一确定一个元组的某个属性组。域（Domain）：属性的取值范围。分量：元组中的一个属性值。关系模式：关系名（属性1、属性2、…、属性n）当前第57页\共有124页\编于星期四\22点四、数据库系统结构和组成（一）数据库系统结构从数据库管理系统角度－三级模式结构。从数据库最终用户角度－集中式结构、分布式结构、客户/服务器结构和并行结构。当前第58页\共有124页\编于星期四\22点数据库系统模式数据模型－“型”和“值”。模式（Schema）是数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述。模式是相对稳定的，实例是相对变动的。三级模式结构。当前第59页\共有124页\编于星期四\22点数据库系统的三级模式结构当前第60页\共有124页\编于星期四\22点模式（Schema）：数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述，是所有用户的公共数据视图。外模式（ExternalSchema）：数据库用户能够看见和使用的局部数据的逻辑结构和特征的描述。内模式（InternalSchema）：数据物理结构和存储方式的描述，是数据在数据库内部的表示方式。当前第61页\共有124页\编于星期四\22点（二）数据库系统的组成数据库数据库管理系统（及其开发工具）应用系统数据库管理员和用户当前第62页\共有124页\编于星期四\22点硬件平台要求：要有足够的内存。有足够大的磁盘等直接存取设备。要求系统有较高的通道能力。当前第63页\共有124页\编于星期四\22点软件平台包括：DBMS。OS。高级语言及其编译系统。以DBMS为核心的应用开发工具。应用系统。当前第64页\共有124页\编于星期四\22点人员包括：数据库管理员系统分析员数据库设计人员应用程序员最终用户当前第65页\共有124页\编于星期四\22点当前第66页\共有124页\编于星期四\22点数据库管理员（DataBaseAdministrator，DBA）职责：决定数据库中的信息内容和结构；决定数据库的存储结构和存取策略；定义数据的安全性要求和完整性约束；监控数据库的使用和运行；数据库的改进和重组重构。当前第67页\共有124页\编于星期四\22点系统分析员职责：负责应用系统的需求分析和规范说明；确定系统的硬件软件配置；参与数据库系统的概要设计。当前第68页\共有124页\编于星期四\22点数据库设计人员：负责数据库中数据的确定；数据库各级模式的设计。应用程序员：负责设计和编写应用系统的程序模块；并进行调试和安装。当前第69页\共有124页\编于星期四\22点最终用户（EndUser）通过应用系统的用户接口使用数据库。接口方式浏览器菜单驱动表格操作图形显示报表书写等。当前第70页\共有124页\编于星期四\22点最终用户（EndUser）偶然用户－高级管理人员。简单用户－多数最终用户。复杂用户－具有较高科学技术背景的人员。当前第71页\共有124页\编于星期四\22点五、数据库设计数据库设计概述定义：对于一个给定的应用环境，构造最优的数据库模式，建立数据库及其应用系统，使之能够有效地存储数据，满足各种用户的应用需求（信息需求和处理需求）。当前第72页\共有124页\编于星期四\22点五、数据库设计特点：技术与管理的结合；数据库设计和应用系统设计相结合。“三分技术，七分管理，十二分基础数据”当前第73页\共有124页\编于星期四\22点五、数据库设计方法手工试凑法规范设计法（如基于E-R模型）数据库设计工具Design2000－ORACLE公司PowerDesigner－SYBASE公司当前第74页\共有124页\编于星期四\22点基本步骤需求分析概念结构设计逻辑结构设计数据库物理设计数据库实施数据库运行和维护当前第75页\共有124页\编于星期四\22点需求分析需求分析的任务：了解情况明确功能考虑扩充和改变调查的重点：“数据”和“处理”。具体需求：信息要求、处理要求、安全性与完整性要求。当前第76页\共有124页\编于星期四\22点需求分析调查用户需求的具体步骤：调查组织机构情况；调查各部门的业务活动情况；对新系统的各种要求；确定新系统的边界。当前第77页\共有124页\编于星期四\22点需求分析常用的调查方法：跟班作业开调查会请专人介绍询问设计调查表查阅记录当前第78页\共有124页\编于星期四\22点六、Office工具在大坝安全数据管理中的应用Access创建表的方式：利用向导创建表、利用输入数据创建表、使用设计器创建表。创建报表的方式：自动报表和报表向导。当前第79页\共有124页\编于星期四\22点Excel说明电子表格系统，电子表格软件功能的方便性、操作的简易性、系统的智能性都进入了一个新的境界。具有强有力的图表、图表功能，也有丰富的宏命令和件数以及支持Internet网络的开发功能。当前第80页\共有124页\编于星期四\22点Excel运算符算术运算符比较运算符文本运算符引用运算符图表功能当前第81页\共有124页\编于星期四\22点Excel2000在大坝安全监测数据管理中的应用存储监测数据编辑监测数据（增、删、改）监测数据整编档案管理监测数据特征值统计制作报表绘制过程线、绘制相关图输出数据管理成果当前第82页\共有124页\编于星期四\22点第三部分大坝安全管理数据库系统系统目标管理：各类监测资料，设计、施工资料，分析方法，专家知识与经验等；分析：对建筑物运行状况和安全性态进行实时分析和评价；辅助决策：对异常或不安全症状进行分类分级报警，提出辅助决策建议。当前第83页\共有124页\编于星期四\22点遵循的原则先进性可靠性通用性可扩充性易操作性经济性当前第84页\共有124页\编于星期四\22点系统组成当前第85页\共有124页\编于星期四\22点当前第86页\共有124页\编于星期四\22点当前第87页\共有124页\编于星期四\22点用户分类主管领导系统管理员大坝安全专家安全监测分析工程师安全监测技术员当前第88页\共有124页\编于星期四\22点功能需求信息管理功能当前第89页\共有124页\编于星期四\22点信息录入：对监测信息进行有序的存放和管理。对象：人工、半自动化、自动化三种手段采集到的监测资料。操作：录入、浏览、查询、图形显示、删除、修改以及存储打印功能。信息转换：由模拟数值量转换为具有工程意义的物理量。当前第90页\共有124页\编于星期四\22点文档管理当前第91页\共有124页\编于星期四\22点信息初分析当前第92页\共有124页\编于星期四\22点信息输出当前第93页\共有124页\编于星期四\22点分析评价功能由6个子系统组成：资料评价检查分析观测故障检查物理成因分析综合分析评价报警当前第94页\共有124页\编于星期四\22点资料评价：时空分布力学规律监控模型监控指标日常巡查关键问题当前第95页\共有124页\编于星期四\22点检查分析：同类监测量相关监测量环境量混合检查分析观测故障检查：观测记录监测系统当前第96页\共有124页\编于星期四\22点物理成因分析：环境量分析基础和上部结构的变形、渗流和安全度报警：监测因素引起→“监测报警”结构异常→“建筑物异常报警”找不出成因→“辅助决策”分系统当前第97页\共有124页\编于星期四\22点辅助决策功能当前第98页\共有124页\编于星期四\22点支持库群－工程数据库、方法库、知识库和图库当前第99页\共有124页\编于星期四\22点其它需求外部接口需求用户接口硬件接口软件接口网络通讯接口性能需求软件设计约束属性要求当前第100页\共有124页\编于星期四\22点第四部分工程应用主要内容建立系统的总体框架。实现对多个水工建筑物及大坝的统一管理。实现信息管理功能。实现数据分析功能。面向对象的设计与开发。当前第101页\共有124页\编于星期四\22点总体结构系统管理仪器和测点管理数