大壩安全數據管理技術

大壩安全數據管理技術

蘇懷智工作單位：河海大學水利水電工程學院聯系方式：（O）

E-Mail：目前一頁\總數一百二十四頁\編于十三點內容提要第一部分概述第二部分數據庫系統(tǒng)第三部分大壩安全管理數據庫系統(tǒng)第四部分工程應用目前二頁\總數一百二十四頁\編于十三點第一部分概述水資源概況大壩安全問題及保障理念大壩安全數據管理目前三頁\總數一百二十四頁\編于十三點一、水資源概況世界水資源淡水資源危機為世界第二大環(huán)境問題。"19世紀爭煤、20世紀爭石油、21世紀爭水"目前四頁\總數一百二十四頁\編于十三點一、水資源概況中國水資源江河眾多，水資源總量大，人均少。時空分布不均。可用于發(fā)電的水能資源豐富。目前五頁\總數一百二十四頁\編于十三點目標：水資源綜合利用；保障國家公共安全。實現水資源綜合利用的有效途徑：修建水庫大壩，最大限度變水患為水利，造福中華民族。目前六頁\總數一百二十四頁\編于十三點一、水資源概況我國水利工程建設成就古代水利工程建設成就輝煌都江堰、靈渠建國后，水利工程建設迅速發(fā)展水庫大壩數量最多的國家水電裝機容量居世界第二水電建設技術已具世界水平目前七頁\總數一百二十四頁\編于十三點二、大壩安全問題及保障理念大壩安全問題大量病險工程的存在；超大規(guī)模的高壩大庫建設。工程教訓：法國馬爾帕賽壩壩基滑移意大利瓦依昂水庫滑坡事件中國：溝后、板橋目前八頁\總數一百二十四頁\編于十三點二、大壩安全問題及保障理念大壩安全保障理念的轉變大壩工程全生命過程的健康；追求工程結構物的可檢性、可修性、可換性、可強性、可控性及可持續(xù)性的綜合目標；大壩安全已成為一個交叉性很強的應用基礎性研究領域。目前九頁\總數一百二十四頁\編于十三點病險工程面臨的現實問題超大規(guī)模高壩大庫安全理念的轉變技術支撐基本理論與數值分析方法高新監(jiān)測、檢測、試驗技術解決途徑：學科交叉研究目前十頁\總數一百二十四頁\編于十三點三、大壩安全數據管理目的和意義安全數據量大、繁雜，采集、處理和分析的工作量很大。管理人員很難進行及時的處理。解決手段－應用先進的人工智能以及計算機技術，建立大壩安全數據管理系統(tǒng)。目前十一頁\總數一百二十四頁\編于十三點三、大壩安全數據管理大壩安全數據管理系統(tǒng)－依據有關大壩安全法規(guī)、設計規(guī)范和國內外在這一領域內的其它先進科技成果，結合具體工程，及時整理和分析有關資料，將定量分析和定性分析結合起來，對大壩安全狀況進行綜合評價和輔助決策，實現實時分析大壩安全狀態(tài)、綜合評價大壩安全狀況等目標。目前十二頁\總數一百二十四頁\編于十三點三、大壩安全數據管理意義：保障工程安全；指導施工；驗證設計、反饋設計。目前十三頁\總數一百二十四頁\編于十三點三、大壩安全數據管理功能信息管理與初分析－工程檔案、大壩安全監(jiān)測資料等，進行數據轉換、存儲和處理；分析評價；輔助決策。目前十四頁\總數一百二十四頁\編于十三點三、大壩安全數據管理對象：大壩安全監(jiān)測資料確定性（量化）信息－變形、滲流、應力、水文及水力學、地震不確定性（模糊）信息－現場巡查（巡視檢查）、現場檢測目前十五頁\總數一百二十四頁\編于十三點（1）現場巡查（巡視檢查）（2）現場檢測日常檢查年度檢查特別檢查時間、路線和檢查程序汛期檢查特大洪水、地震、安全事故檢查方法：錘、釬、鋼尺、放大鏡、望遠鏡、量杯、石蕊紙、回彈儀、照相機、錄像機、閉路電路、潛水員等。采用無損探測方法，包括高壓探地雷達、電磁剖面儀、電阻率像傷儀、紅外溫度探測儀、超聲檢測儀、水聲探測儀、水下電視探測儀、潛水器、潛水船等。目前十六頁\總數一百二十四頁\編于十三點三、大壩安全數據管理大壩安全數據管理技術發(fā)展人工管理；信息管理系統(tǒng)分析評價系統(tǒng)決策支持系統(tǒng)專家系統(tǒng)計算機管理目前十七頁\總數一百二十四頁\編于十三點專家系統(tǒng)的體系結構模型目前十八頁\總數一百二十四頁\編于十三點專家系統(tǒng)的體系結構模型目前十九頁\總數一百二十四頁\編于十三點國外大壩安全數據管理技術法國和意大利其他發(fā)達國家美國西班牙葡萄牙目前二十頁\總數一百二十四頁\編于十三點國外大壩安全數據管理技術法國－大壩監(jiān)測處理系統(tǒng)管理150多個大壩較大型的大壩群安全監(jiān)測系統(tǒng)。意大利－國際領先地位20世紀80年代初－MAMS20世紀90年代－INDACO、MISTRAL、DAMSAFE大壩群安全監(jiān)控系統(tǒng)目前二十一頁\總數一百二十四頁\編于十三點國外大壩安全數據管理技術MAMS－混凝土壩微機輔助監(jiān)測系統(tǒng)，數據自動采集和在線監(jiān)控。INDACO－模塊化的自動化采集系統(tǒng)，采集數據、在線檢驗和超限報警、繪制過程線、數據記錄存貯、數據通信、監(jiān)測網的遠程操作和維護等。目前二十二頁\總數一百二十四頁\編于十三點國外大壩安全數據管理技術MISTRAL－專門處理自動化監(jiān)測超界值的專家系統(tǒng)，可提供大壩性態(tài)的在線解釋。DAMSAFE－結構綜合安全管理的決策支持系統(tǒng)。人工智能＋互聯網，使多個專家通過共享它們的知識及數據資源來合作管理大壩的安全。大壩群安全監(jiān)控系統(tǒng)目前二十三頁\總數一百二十四頁\編于十三點國外大壩安全數據管理技術美國－Tolt大壩的數據采集和傳輸系統(tǒng)西班牙－Guadalquivir流域的大壩群安全監(jiān)控系統(tǒng)葡萄牙－大壩安全自動化監(jiān)測和遠程傳輸系統(tǒng)目前二十四頁\總數一百二十四頁\編于十三點國內大壩安全數據管理技術安全監(jiān)測工作始于20世紀50年代，80年代，監(jiān)測數據自動化采集＋監(jiān)測信息處理系統(tǒng)。20世紀80年代－基于微機的大壩監(jiān)測數據管理系統(tǒng)和數據處理程序，對數據進行存儲、管理、制作圖表及相關統(tǒng)計分析、在線監(jiān)測、離線分析等。目前二十五頁\總數一百二十四頁\編于十三點國內大壩安全數據管理技術20世紀90年代－大壩安全監(jiān)測信息管理系統(tǒng)。河海大學－大壩安全綜合評價專家系統(tǒng)、在線安全監(jiān)控及反饋分析系統(tǒng)、大壩群安全監(jiān)測系統(tǒng)。南京水利科學研究院－土石壩安全管理系統(tǒng)。目前二十六頁\總數一百二十四頁\編于十三點國內大壩安全數據管理技術南京水文自動化研究所－DG型分布式數據采集系統(tǒng)、MDAP監(jiān)測資料分析處理系統(tǒng)、DSIM大壩安全信息管理系統(tǒng)。南京南瑞集團－DAMS-Ⅳ型分布式監(jiān)測數據采集系統(tǒng)以及DSIMS大壩安全監(jiān)測信息管理系統(tǒng)。北京水利科學研究院－小浪底水利樞紐工程安全監(jiān)測系統(tǒng)。目前二十七頁\總數一百二十四頁\編于十三點存在的問題和發(fā)展趨勢存在的問題：缺乏科學的測點管理、系統(tǒng)的數據庫體系、及時高效的數據傳輸功能、深度可視化的數據挖掘方法、完善的異常報警體系、嚴密的軟硬件系統(tǒng)安全策略以及“傻瓜化”的操作平臺和人性化的界面設計風格。缺乏整個水利樞紐和流域群壩管理。目前二十八頁\總數一百二十四頁\編于十三點存在的問題和發(fā)展趨勢發(fā)展趨勢：智能化可視化交互性網絡化集成化目前二十九頁\總數一百二十四頁\編于十三點第二部分數據庫系統(tǒng)基本概念數據管理技術的發(fā)展數據模型數據庫系統(tǒng)結構和組成數據庫設計Office工具在大壩安全數據管理中的應用目前三十頁\總數一百二十四頁\編于十三點一、基本概念數據（Data）數據庫（DataBase，DB）數據庫管理系統(tǒng)（DataBaseManagementSystem，DBMS）數據庫系統(tǒng)（DataBaseSystem）目前三十一頁\總數一百二十四頁\編于十三點數據（Data）對事實、概念或指令的一種特殊表達形式。用人工的方式或者用自動化的裝置進行通訊、翻譯、轉化或者加工處理。信息目前三十二頁\總數一百二十四頁\編于十三點數據庫（DataBase，DB）存放數據的倉庫，是長期存儲在計算機內的、有組織的、可共享的數據集合。按一定的數據模型組織、描述、儲存。具有較小的冗余度、較高的數據獨立性，能被各種用戶所共享。目前三十三頁\總數一百二十四頁\編于十三點數據庫管理系統(tǒng)（DataBaseManagementSystem，DBMS）定義：科學地組織和存儲數據，高效地獲取和維護數據的一個系統(tǒng)軟件。目前三十四頁\總數一百二十四頁\編于十三點數據庫管理系統(tǒng)（DataBaseManagementSystem，DBMS）主要功能：數據定義功能數據操縱功能數據庫的運行管理數據庫系統(tǒng)的建立和維護。目前三十五頁\總數一百二十四頁\編于十三點數據庫系統(tǒng)（DataBaseSystem）定義：在計算機系統(tǒng)中引入數據庫后的系統(tǒng)?；窘M成：由數據庫、數據庫管理系統(tǒng)（及其開發(fā)工具）、應用系統(tǒng)、數據庫管理員和用戶（及操作系統(tǒng)）構成。目前三十六頁\總數一百二十四頁\編于十三點二、數據管理技術的發(fā)展人工管理階段（20世紀50年代中期以前）文件系統(tǒng)階段（20世紀50年代后期到60年代中期）數據庫系統(tǒng)（20世界60年代后期以來）目前三十七頁\總數一百二十四頁\編于十三點人工管理階段（20世紀50年代中期以前）特點：數據不保存；應用程序管理數據；數據不共享；數據不具有獨立性。目前三十八頁\總數一百二十四頁\編于十三點文件系統(tǒng)階段（20世紀50年代后期到60年代中期）特點：數據可以長期保存；用文件系統(tǒng)管理數據；數據共享性差，冗余度大；數據獨立性差。目前三十九頁\總數一百二十四頁\編于十三點數據庫系統(tǒng)階段（20世界60年代后期以來）標志著數據管理技術的飛躍特點：數據結構化；數據的共享性高，冗余度低，易擴充；數據獨立性高；數據由DBMS統(tǒng)一管理和控制。目前四十頁\總數一百二十四頁\編于十三點數據結構化－數據庫與文件系統(tǒng)的根本區(qū)別目前四十一頁\總數一百二十四頁\編于十三點數據的共享性高，冗余度低，易擴充。數據面向整個系統(tǒng)；節(jié)約存儲空間；避免數據之間的不相容性與不一致性；數據庫系統(tǒng)彈性大。數據獨立性高：較高的物理獨立性一定的邏輯獨立性目前四十二頁\總數一百二十四頁\編于十三點數據由DBMS統(tǒng)一管理和控制：數據的安全性保護數據的完整性檢查并發(fā)控制數據庫恢復目前四十三頁\總數一百二十四頁\編于十三點三、數據模型（DataModel）數據庫技術的發(fā)展是沿著數據模型的主線展開的。定義：現實世界數據特征的抽象，是對現實世界中數據的模擬。目前四十四頁\總數一百二十四頁\編于十三點三、數據模型（DataModel）要求：能比較真實地模擬現實世界；容易為人們所理解；便于在計算機上實現。類型：概念數據模型、邏輯數據模型和物理數據模型。目前四十五頁\總數一百二十四頁\編于十三點目前四十六頁\總數一百二十四頁\編于十三點數據模型的組成要素和分類組成要素：數據結構：所研究的對象類型的集合。數據操作：對象（型）的實例（值）允許執(zhí)行的操作的集合。數據的約束條件目前四十七頁\總數一百二十四頁\編于十三點數據模型的組成要素和分類分類：概念數據模型－按用戶的觀點來對數據和信息建模。邏輯數據模型－按計算機系統(tǒng)的觀點對數據建模。物理數據模型－反映數據的存儲結構。目前四十八頁\總數一百二十四頁\編于十三點概念數據模型基本概念：實體（Entity）實體集（EntitySet）屬性（Attribute）域（Domain）聯系（Relationship）目前四十九頁\總數一百二十四頁\編于十三點實體（Entity）－客觀存在并可相互區(qū)別的事物。實體集（EntitySet）－具有共同特征和性質的實體的集合。屬性（Attribute）－實體所具有的某一特性。域（Domain）－屬性的取值范圍。聯系（Relationship）目前五十頁\總數一百二十四頁\編于十三點概念數據模型表示方法－實體－聯系方法（Entity-RelationshipApproach）圖例：目前五十一頁\總數一百二十四頁\編于十三點“監(jiān)測系統(tǒng)”的概念模型目前五十二頁\總數一百二十四頁\編于十三點“監(jiān)測系統(tǒng)”的概念模型目前五十三頁\總數一百二十四頁\編于十三點“工程檔案”的概念模型目前五十四頁\總數一百二十四頁\編于十三點邏輯數據模型以一定的方式存儲于數據庫系統(tǒng)中，是DBMS中的存儲模型。類型：層次模型（HierarchicalModel）網狀模型（NetworkModel）關系模型（RelationalModel）面向對象模型（ObjectOrientedModel）。目前五十五頁\總數一百二十四頁\編于十三點關系數據模型時間X向Y向2007-10-11.2512.3452007-10-21.2342.4232007-10-31.5112.1582007-10-41.6212.369目前五十六頁\總數一百二十四頁\編于十三點關系數據模型關系（Relation）：表。元組（Tuple）：行屬性（Attribute）：列。主碼（Key）：唯一確定一個元組的某個屬性組。域（Domain）：屬性的取值范圍。分量：元組中的一個屬性值。關系模式：關系名（屬性1、屬性2、…、屬性n）目前五十七頁\總數一百二十四頁\編于十三點四、數據庫系統(tǒng)結構和組成（一）數據庫系統(tǒng)結構從數據庫管理系統(tǒng)角度－三級模式結構。從數據庫最終用戶角度－集中式結構、分布式結構、客戶/服務器結構和并行結構。目前五十八頁\總數一百二十四頁\編于十三點數據庫系統(tǒng)模式數據模型－“型”和“值”。模式（Schema）是數據庫中全體數據的邏輯結構和特征的描述。模式是相對穩(wěn)定的，實例是相對變動的。三級模式結構。目前五十九頁\總數一百二十四頁\編于十三點數據庫系統(tǒng)的三級模式結構目前六十頁\總數一百二十四頁\編于十三點模式（Schema）：數據庫中全體數據的邏輯結構和特征的描述，是所有用戶的公共數據視圖。外模式（ExternalSchema）：數據庫用戶能夠看見和使用的局部數據的邏輯結構和特征的描述。內模式（InternalSchema）：數據物理結構和存儲方式的描述，是數據在數據庫內部的表示方式。目前六十一頁\總數一百二十四頁\編于十三點（二）數據庫系統(tǒng)的組成數據庫數據庫管理系統(tǒng)（及其開發(fā)工具）應用系統(tǒng)數據庫管理員和用戶目前六十二頁\總數一百二十四頁\編于十三點硬件平臺要求：要有足夠的內存。有足夠大的磁盤等直接存取設備。要求系統(tǒng)有較高的通道能力。目前六十三頁\總數一百二十四頁\編于十三點軟件平臺包括：DBMS。OS。高級語言及其編譯系統(tǒng)。以DBMS為核心的應用開發(fā)工具。應用系統(tǒng)。目前六十四頁\總數一百二十四頁\編于十三點人員包括：數據庫管理員系統(tǒng)分析員數據庫設計人員應用程序員最終用戶目前六十五頁\總數一百二十四頁\編于十三點目前六十六頁\總數一百二十四頁\編于十三點數據庫管理員（DataBaseAdministrator，DBA）職責：決定數據庫中的信息內容和結構；決定數據庫的存儲結構和存取策略；定義數據的安全性要求和完整性約束；監(jiān)控數據庫的使用和運行；數據庫的改進和重組重構。目前六十七頁\總數一百二十四頁\編于十三點系統(tǒng)分析員職責：負責應用系統(tǒng)的需求分析和規(guī)范說明；確定系統(tǒng)的硬件軟件配置；參與數據庫系統(tǒng)的概要設計。目前六十八頁\總數一百二十四頁\編于十三點數據庫設計人員：負責數據庫中數據的確定；數據庫各級模式的設計。應用程序員：負責設計和編寫應用系統(tǒng)的程序模塊；并進行調試和安裝。目前六十九頁\總數一百二十四頁\編于十三點最終用戶（EndUser）通過應用系統(tǒng)的用戶接口使用數據庫。接口方式瀏覽器菜單驅動表格操作圖形顯示報表書寫等。目前七十頁\總數一百二十四頁\編于十三點最終用戶（EndUser）偶然用戶－高級管理人員。簡單用戶－多數最終用戶。復雜用戶－具有較高科學技術背景的人員。目前七十一頁\總數一百二十四頁\編于十三點五、數據庫設計數據庫設計概述定義：對于一個給定的應用環(huán)境，構造最優(yōu)的數據庫模式，建立數據庫及其應用系統(tǒng)，使之能夠有效地存儲數據，滿足各種用戶的應用需求（信息需求和處理需求）。目前七十二頁\總數一百二十四頁\編于十三點五、數據庫設計特點：技術與管理的結合；數據庫設計和應用系統(tǒng)設計相結合?！叭旨夹g，七分管理，十二分基礎數據”目前七十三頁\總數一百二十四頁\編于十三點五、數據庫設計方法手工試湊法規(guī)范設計法（如基于E-R模型）數據庫設計工具Design2000－ORACLE公司PowerDesigner－SYBASE公司目前七十四頁\總數一百二十四頁\編于十三點基本步驟需求分析概念結構設計邏輯結構設計數據庫物理設計數據庫實施數據庫運行和維護目前七十五頁\總數一百二十四頁\編于十三點需求分析需求分析的任務：了解情況明確功能考慮擴充和改變調查的重點：“數據”和“處理”。具體需求：信息要求、處理要求、安全性與完整性要求。目前七十六頁\總數一百二十四頁\編于十三點需求分析調查用戶需求的具體步驟：調查組織機構情況；調查各部門的業(yè)務活動情況；對新系統(tǒng)的各種要求；確定新系統(tǒng)的邊界。目前七十七頁\總數一百二十四頁\編于十三點需求分析常用的調查方法：跟班作業(yè)開調查會請專人介紹詢問設計調查表查閱記錄目前七十八頁\總數一百二十四頁\編于十三點六、Office工具在大壩安全數據管理中的應用Access創(chuàng)建表的方式：利用向導創(chuàng)建表、利用輸入數據創(chuàng)建表、使用設計器創(chuàng)建表。創(chuàng)建報表的方式：自動報表和報表向導。目前七十九頁\總數一百二十四頁\編于十三點Excel說明電子表格系統(tǒng)，電子表格軟件功能的方便性、操作的簡易性、系統(tǒng)的智能性都進入了一個新的境界。具有強有力的圖表、圖表功能，也有豐富的宏命令和件數以及支持Internet網絡的開發(fā)功能。目前八十頁\總數一百二十四頁\編于十三點Excel運算符算術運算符比較運算符文本運算符引用運算符圖表功能目前八十一頁\總數一百二十四頁\編于十三點Excel2000在大壩安全監(jiān)測數據管理中的應用存儲監(jiān)測數據編輯監(jiān)測數據（增、刪、改）監(jiān)測數據整編檔案管理監(jiān)測數據特征值統(tǒng)計制作報表繪制過程線、繪制相關圖輸出數據管理成果目前八十二頁\總數一百二十四頁\編于十三點第三部分大壩安全管理數據庫系統(tǒng)系統(tǒng)目標管理：各類監(jiān)測資料，設計、施工資料，分析方法，專家知識與經驗等；分析：對建筑物運行狀況和安全性態(tài)進行實時分析和評價；輔助決策：對異?；虿话踩Y狀進行分類分級報警，提出輔助決策建議。目前八十三頁\總數一百二十四頁\編于十三點遵循的原則先進性可靠性通用性可擴充性易操作性經濟性目前八十四頁\總數一百二十四頁\編于十三點系統(tǒng)組成目前八十五頁\總數一百二十四頁\編于十三點目前八十六頁\總數一百二十四頁\編于十三點目前八十七頁\總數一百二十四頁\編于十三點用戶分類主管領導系統(tǒng)管理員大壩安全專家安全監(jiān)測分析工程師安全監(jiān)測技術員目前八十八頁\總數一百二十四頁\編于十三點功能需求信息管理功能目前八十九頁\總數一百二十四頁\編于十三點信息錄入：對監(jiān)測信息進行有序的存放和管理。對象：人工、半自動化、自動化三種手段采集到的監(jiān)測資料。操作：錄入、瀏覽、查詢、圖形顯示、刪除、修改以及存儲打印功能。信息轉換：由模擬數值量轉換為具有工程意義的物理量。目前九十頁\總數一百二十四頁\編于十三點文檔管理目前九十一頁\總數一百二十四頁\編于十三點信息初分析目前九十二頁\總數一百二十四頁\編于十三點信息輸出目前九十三頁\總數一百二十四頁\編于十三點分析評價功能由6個子系統(tǒng)組成：資料評價檢查分析觀測故障檢查物理成因分析綜合分析評價報警目前九十四頁\總數一百二十四頁\編于十三點資料評價：時空分布力學規(guī)律監(jiān)控模型監(jiān)控指標日常巡查關鍵問題目前九十五頁\總數一百二十四頁\編于十三點檢查分析：同類監(jiān)測量相關監(jiān)測量環(huán)境量混合檢查分析觀測故障檢查：觀測記錄監(jiān)測系統(tǒng)目前九十六頁\總數一百二十四頁\編于十三點物理成因分析：環(huán)境量分析基礎和上部結構的變形、滲流和安全度報警：監(jiān)測因素引起→“監(jiān)測報警”結構異?！敖ㄖ锂惓缶闭也怀龀梢颉拜o助決策”分系統(tǒng)目前九十七頁\總數一百二十四頁\編于十三點輔助決策功能目前九十八頁\總數一百二十四頁\編于十三點支持庫群－工程數據庫、方法庫、知識庫和圖庫目前九十九頁\總數一百二十四頁\編于十三點其它需求外部接口需求用戶接口硬件接口軟件接口網絡通訊接口性能需求軟件設計約束屬性要求目前一百頁\總數一百二十四頁\編于十三點第四部分工程應用主要內容建立系統(tǒng)的總體框架。實現對多個水工建筑物及大壩的統(tǒng)一管理。實現信息管理功能。實現數據分析功能。面向對象的設計與開發(fā)。目前一百零一頁\總數一百二十四頁\編于十三點總體結構系統(tǒng)管理儀器