大壩潰決試驗(yàn)測(cè)試分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

嚴(yán)吉皞，葛從兵

(南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029)

大壩潰決試驗(yàn)測(cè)試分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

嚴(yán)吉皞，葛從兵

(南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029)

根據(jù)大壩潰決試驗(yàn)物理特性及數(shù)據(jù)分析需求設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于Web技術(shù)的大壩潰決試驗(yàn)測(cè)試分析系統(tǒng)，解決了試驗(yàn)全周期下數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、整編等問題。系統(tǒng)結(jié)合數(shù)據(jù)映射及GPRS技術(shù)，基于異構(gòu)、異地?cái)?shù)據(jù)集成實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)維護(hù)、統(tǒng)計(jì)分析等功能。系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控傳感器數(shù)據(jù)，并通過圖形繪制、浸潤(rùn)線動(dòng)態(tài)演示、報(bào)表打印等資料整編功能對(duì)比分析多場(chǎng)演變規(guī)律及關(guān)聯(lián)性。針對(duì)密集、大容量潰壩試驗(yàn)數(shù)據(jù)特點(diǎn)，優(yōu)化了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)、圖形繪制算法、數(shù)據(jù)篩選算法等。

潰壩試驗(yàn)；測(cè)試分析系統(tǒng)；數(shù)據(jù)管理；實(shí)時(shí)監(jiān)控；資料整編

大壩潰決作為大壩安全性破壞的極端事件，因其對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)造成的巨大威脅，越來越受到人們的關(guān)注[1]。大壩潰決試驗(yàn)基于物理模型的建立，通過自動(dòng)化監(jiān)測(cè)手段采集大壩蓄水、潰決全過程多場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，研究大壩潰決機(jī)理、挖掘大壩潰決警兆，對(duì)大壩潰決早期預(yù)警等具有重要意義[2,3]。

傳統(tǒng)的大壩監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)基于日常的大壩安全監(jiān)測(cè)與管理工作設(shè)計(jì)[4]，無法適應(yīng)大壩潰決試驗(yàn)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目多、數(shù)據(jù)量大、密集程度高的特點(diǎn)，缺少對(duì)探索性試驗(yàn)資料分析的支撐功能，不能與光纖傳感技術(shù)[5]、進(jìn)口多參數(shù)傳感器[6]等新技術(shù)、新設(shè)備實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

文中設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種大壩潰決試驗(yàn)測(cè)試分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理、功能的擴(kuò)展集成、性能的優(yōu)化提升，為研究人員實(shí)時(shí)掌握大壩潰決試驗(yàn)進(jìn)展、深入挖掘試驗(yàn)數(shù)據(jù)提供了有效的平臺(tái)。

1 需求分析

大壩潰決試驗(yàn)是現(xiàn)實(shí)潰壩過程的試驗(yàn)?zāi)M，與實(shí)際大壩安全監(jiān)測(cè)密切相關(guān)，故大壩潰決試驗(yàn)分析系統(tǒng)基于大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[7]，針對(duì)潰壩試驗(yàn)特點(diǎn)進(jìn)行功能上的擴(kuò)展和優(yōu)化。研究人員通過系統(tǒng)在統(tǒng)一的平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)對(duì)潰壩試驗(yàn)數(shù)據(jù)的管理、分析。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)，其他子系統(tǒng)采用B/S框架，基于dot net平臺(tái)，部署在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，所有用戶均可通過登錄服務(wù)器地址訪問系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析工作。數(shù)據(jù)庫采用Microsoft Sql Server，數(shù)據(jù)文件格式為XML或TXT。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 大壩潰決試驗(yàn)測(cè)試分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

大壩潰決試驗(yàn)測(cè)試分析系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)層。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)從MCU獲取傳感器數(shù)據(jù)存入大壩潰決試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫中；光纖測(cè)溫、進(jìn)口多參數(shù)傳感器等獨(dú)立采集系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)文件或數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ))通過數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)轉(zhuǎn)換后納入統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫管理；數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)維護(hù)、統(tǒng)計(jì)分析等功能，實(shí)時(shí)監(jiān)控子系統(tǒng)提供監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)測(cè)值曲線，資料整編子系統(tǒng)提供圖形報(bào)表繪制、數(shù)據(jù)分析對(duì)比等功能。

3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

大壩潰決試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)如圖2所示，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目表以測(cè)點(diǎn)編號(hào)為主鍵存放各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目測(cè)點(diǎn)的考證信息，如測(cè)點(diǎn)高程、軸距、樁號(hào)等；監(jiān)測(cè)物理量表以測(cè)點(diǎn)編號(hào)及測(cè)量時(shí)間為主鍵存放對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的測(cè)量數(shù)據(jù)。大壩潰決試驗(yàn)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括壩體表面變形、壩體內(nèi)部變形(傾度)、滲流壓力、滲流量、墑情、壩體溫度、上下游水位、氣溫、氣壓等。

圖2 數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)示意圖

4 數(shù)據(jù)管理與分析子系統(tǒng)

4.1 數(shù)據(jù)維護(hù)

系統(tǒng)提供考證資料添加修改刪除、監(jiān)測(cè)資料查詢、監(jiān)測(cè)資料添加、監(jiān)測(cè)資料刪除、異常數(shù)據(jù)處理等維護(hù)功能。

1) 考證資料添加修改刪除：結(jié)合大壩潰決試驗(yàn)儀器埋設(shè)情況添加、修改、刪除各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目各測(cè)點(diǎn)的考證資料。

2) 監(jiān)測(cè)資料查詢：選擇相應(yīng)的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目、測(cè)點(diǎn)范圍、時(shí)間范圍查詢監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，以表格形式顯示測(cè)點(diǎn)編號(hào)、測(cè)量時(shí)間、測(cè)量數(shù)據(jù)，并可直接對(duì)顯示出的數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除和修改。

3) 監(jiān)測(cè)資料添加：批量添加一個(gè)測(cè)點(diǎn)的多次測(cè)量數(shù)據(jù)或在某時(shí)間點(diǎn)同一監(jiān)測(cè)項(xiàng)目多個(gè)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

4) 監(jiān)測(cè)資料刪除：通過選擇監(jiān)測(cè)項(xiàng)目、測(cè)點(diǎn)范圍、時(shí)間范圍實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)資料多測(cè)點(diǎn)、同時(shí)間段的批量刪除。

5) 異常數(shù)據(jù)處理：根據(jù)試驗(yàn)物理模型，選定各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可信區(qū)間，在數(shù)據(jù)庫中使用作業(yè)設(shè)置定時(shí)任務(wù)，自動(dòng)對(duì)超過監(jiān)測(cè)區(qū)間的數(shù)據(jù)進(jìn)行定期刪除(變化平穩(wěn)的蓄水期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)根據(jù)所屬監(jiān)測(cè)項(xiàng)目設(shè)置自動(dòng)剔除異常數(shù)據(jù)的上下限值，波動(dòng)較大的潰決期數(shù)據(jù)只刪除線纜斷開及停止測(cè)量后的數(shù)據(jù))；在異常數(shù)據(jù)分析過程線中突出顯示疑似異常數(shù)據(jù)，供研究人員進(jìn)一步確認(rèn)、分析。

4.2 數(shù)據(jù)集成

大壩潰決試驗(yàn)采用了如光纖測(cè)溫、進(jìn)口多參數(shù)傳感器等多種新技術(shù)、新設(shè)備，這些技術(shù)和設(shè)備具備獨(dú)立的測(cè)控單元，數(shù)據(jù)分治于多個(gè)異構(gòu)系統(tǒng)中。因此，數(shù)據(jù)集成管理是研究人員對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行高效分析的前提。

a) 異構(gòu)數(shù)據(jù)集成

系統(tǒng)將光纖測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)、多參數(shù)傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式轉(zhuǎn)換導(dǎo)入大壩潰決測(cè)試分析數(shù)據(jù)庫中，納入統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理體系；提供數(shù)據(jù)報(bào)表和數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)兩種導(dǎo)出方式，用于數(shù)據(jù)備份及進(jìn)一步分析。

多參數(shù)傳感器數(shù)據(jù)存放在同一張表中，存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)如下：

傳感器編號(hào)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目監(jiān)測(cè)日期監(jiān)測(cè)時(shí)間原始數(shù)據(jù)X原始數(shù)據(jù)Y原始數(shù)據(jù)Z

利用以下規(guī)則轉(zhuǎn)換為圖2的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)。

1) 溫度傳感器數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)原始數(shù)據(jù)X即傳感器溫度。

2) 傾角數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換公式：

S=artg(Z/X)

F=artg(Y/X)

3) 滲流壓力轉(zhuǎn)換公式：

BM=(XM-XBAR)/9.8+LM

b)異地?cái)?shù)據(jù)集成

異地系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成聯(lián)系了試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)與服務(wù)器主機(jī)，實(shí)現(xiàn)了大壩安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。如圖1所示，MCU獲取測(cè)量數(shù)據(jù)后，通過GPRS將信息發(fā)送到具有固定IP地址的服務(wù)器，服務(wù)器作為數(shù)據(jù)中心為研究人員提供更多的服務(wù)。

4.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

根據(jù)原始測(cè)量數(shù)據(jù)換算成各分析物理量，包括滲流壓力水位計(jì)算滲流量、傾角數(shù)據(jù)計(jì)算內(nèi)部水平位移等。

基準(zhǔn)時(shí)間測(cè)量的傾角數(shù)據(jù)計(jì)算傾角實(shí)際累計(jì)值的公式為：Q=Qm-Q0(Qm為傳感器實(shí)際測(cè)量出的傾角值，Q0為該傳感器在設(shè)置的基準(zhǔn)時(shí)間點(diǎn)下的傾角值)。

傾角數(shù)據(jù)計(jì)算內(nèi)部水平位移的公式如下：

S1=f(Q1)

S2=S1+f(Q2)

S3=S2+f(Q3)

…

其中，f(Q)是依賴該測(cè)點(diǎn)傾角測(cè)量數(shù)據(jù)的函數(shù)，測(cè)點(diǎn)高程L1

5 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)

常用大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)以小時(shí)、天為間隔采集數(shù)據(jù)，大壩潰決試驗(yàn)為了盡可能在可控的、相對(duì)較短的監(jiān)測(cè)周期中模擬大壩潰決的演進(jìn)過程，采集間隔被設(shè)置為以分鐘、秒為單位。因此需要研究人員能夠?qū)崟r(shí)觀察數(shù)據(jù)變化，及時(shí)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集異常及各監(jiān)測(cè)物理量變化趨勢(shì)。

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用MS Chart控件與ASP.NET Ajax技術(shù)：前者提供了各傳感器數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)過程線繪制功能，支持坐標(biāo)、線型等的設(shè)置；后者實(shí)現(xiàn)了異步回傳與頁面局部刷新，減少了頁面與服務(wù)器的通信壓力，提高了程序性能，并通過Timer控件實(shí)現(xiàn)了刷新時(shí)間的控制。

“三農(nóng)”問題關(guān)系著國計(jì)民生的根本性問題，沒有現(xiàn)代化的農(nóng)村就沒有現(xiàn)代化的國家。2018年中央發(fā)布了關(guān)于鄉(xiāng)村振興的一號(hào)文件，提出了鄉(xiāng)村振興的七大基本原則。自改革開放以來一些地區(qū)由于自生優(yōu)勢(shì)和政策優(yōu)勢(shì)搭上快車得到了快速的發(fā)展，但是一些偏遠(yuǎn)農(nóng)村地區(qū)卻逐漸掉了隊(duì)。近幾年來國家通過一些列的政策來幫助農(nóng)村地區(qū)的發(fā)展，從而達(dá)到真正的脫貧。通過這一列的政策，也對(duì)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生巨大的影響。

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)過程線根據(jù)當(dāng)前監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、自動(dòng)調(diào)整坐標(biāo)軸范圍，顯示了試驗(yàn)中各類測(cè)點(diǎn)在當(dāng)前一定時(shí)間內(nèi)的變化趨勢(shì)，為研究人員實(shí)時(shí)掌握監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、實(shí)時(shí)分析各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目變化規(guī)律、實(shí)時(shí)比對(duì)各種類監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)提供了重要依據(jù)。

6 資料整編子系統(tǒng)

6.1 圖形繪制

系統(tǒng)可根據(jù)歷時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)繪制各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目、不同時(shí)段的各種分析圖形，包括過程線、相關(guān)線、斷面分布圖、平面分布圖等。其中，過程線的繪制涵蓋了表面豎向位移、表面水平位移、傾度、滲流壓力、滲流量、上游水位、壩體溫度、墑情等監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，并可在同一張圖中通過定制對(duì)比不同監(jiān)測(cè)項(xiàng)目、不同測(cè)點(diǎn)的過程線。

6.2 浸潤(rùn)線繪制與動(dòng)態(tài)演示

根據(jù)考證資料及選定的斷面、滲流壓力測(cè)點(diǎn)、時(shí)間繪制該斷面該時(shí)間的斷面輪廓圖、壩體浸潤(rùn)線。同斷面下可選擇多個(gè)時(shí)間點(diǎn)繪制浸潤(rùn)線進(jìn)行對(duì)比，并通過選擇時(shí)間區(qū)間、刷新間隔，自動(dòng)演示在該時(shí)間區(qū)間內(nèi)的浸潤(rùn)線演變過程。

6.3 報(bào)表打印

根據(jù)相關(guān)規(guī)范格式，顯示年報(bào)表、月報(bào)表、日?qǐng)?bào)表，并支持打印功能。

7 性能優(yōu)化

大壩潰決試驗(yàn)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)容量、密集程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通大壩監(jiān)測(cè)，每個(gè)數(shù)據(jù)也具備更高的研究?jī)r(jià)值；數(shù)據(jù)分析時(shí)段長(zhǎng)至一個(gè)多月，短至幾分鐘，同時(shí)分析的數(shù)據(jù)量可能達(dá)到幾十萬條；有價(jià)值的變化規(guī)律可能隱藏在較短時(shí)間段內(nèi)的數(shù)據(jù)中；多場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)之間可能存在關(guān)聯(lián)性。因此，為了滿足試驗(yàn)測(cè)試分析的需要，進(jìn)行了以下優(yōu)化：

1) 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化：系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)與應(yīng)用均參照《土石壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(SL551-2012)等標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，結(jié)合大壩潰決試驗(yàn)物理特性，減少了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換步驟，縮短了數(shù)據(jù)庫查詢時(shí)間。

2) 圖形分段繪制：系統(tǒng)在生成相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析圖形時(shí)，大量數(shù)據(jù)會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成巨大壓力，對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間、正常運(yùn)行造成影響，故在圖形繪制時(shí)，按數(shù)據(jù)量將繪制過程分成多段，每段取數(shù)、繪圖完成后進(jìn)行相應(yīng)的內(nèi)存清理操作，有效避免了因數(shù)據(jù)量大造成的內(nèi)存不足等問題。

3) 數(shù)據(jù)篩選算法優(yōu)化：圖形繪制等資料整編操作都需對(duì)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行按需篩選，為了加快數(shù)據(jù)分析過程，在不影響分析結(jié)果的前提下，結(jié)合數(shù)據(jù)所處試驗(yàn)周期特點(diǎn)和所選分析時(shí)長(zhǎng)自動(dòng)選擇數(shù)據(jù)篩選密度。

8 結(jié)語

大壩潰決試驗(yàn)測(cè)試分析系統(tǒng)解決了試驗(yàn)全周期下數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、整編等問題，能夠滿足大壩潰決試驗(yàn)期觀測(cè)和后期數(shù)據(jù)分析的需要，在大壩原體潰決試驗(yàn)應(yīng)用中取得了良好效果。

該系統(tǒng)遵循相關(guān)行業(yè)規(guī)范，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目多，數(shù)據(jù)分析量大，對(duì)今后大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研發(fā)具有借鑒意義。

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Design and Implementation of Test and Analysis System for Experimental Dam-break

YAN Jihao, GE Congbin

(Nanjing Hydraulic Research Institute, Nanjing 210029,China)

According to the physical characteristics and the data analysis requirements, a test and analysis system for experimental dam-break based on Web technology is designed and implemented. The system is used to solve the data collection, storage, compilation during the whole cycle of the test, and achieve data maintenance and statistical analysis based on heterogeneous and offsite data integration with the data mapping and GPRS. It also can be used to monitor sensor data in real time, and compare and analyze the multi-field evolution and relevance by graphics rending, dynamic presentation of saturation line, report printing. The data storage structure, graphics rendering algorithm and data filtering algorithm are optimized for the intensive and large-capacity data of the dam-break test.

dam-break test; test and analysis system; data management; real-time monitoring; data compilation

國家國際科技合作專項(xiàng)項(xiàng)目 (2011DFA72810);南京水利科學(xué)研究院院基金項(xiàng)目(Y713007)

嚴(yán)吉皞(1987-)，男，江蘇南京人 ，助理工程師，碩士，研究方向?yàn)榇髩伟踩O(jiān)測(cè)。

TP274

B

1671-5276(2015)05-0228-03

2014 -10-16