水文監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)*

王建國　王曉陽

(西安工業(yè)大學計算機科學與工程學院　西安　710021)

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水文監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)*

王建國王曉陽

(西安工業(yè)大學計算機科學與工程學院西安710021)

摘要論文分析了水文監(jiān)測的主要特點,構(gòu)建了一種基于GPRS通信的水文監(jiān)測硬件系統(tǒng)組成,提高了水文監(jiān)測系統(tǒng)的時效性以及在偏遠山區(qū)的適用性；設(shè)計和開發(fā)一套應(yīng)用于水文監(jiān)測的軟件系統(tǒng)。該軟件系統(tǒng)采用三層架構(gòu)模式,相比于傳統(tǒng)的兩層C/S結(jié)構(gòu),提高了系統(tǒng)的靈活性和可擴展性。實際應(yīng)用結(jié)果表明,該系統(tǒng)可以較好地滿足水文監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用需求。

關(guān)鍵詞水文; 三層架構(gòu); 自動監(jiān)測

Class NumberTP391

1引言

水文監(jiān)測技術(shù)是水文水利信息化的重要基礎(chǔ),它是水文傳感器技術(shù)與采集、存儲、傳輸、處理技術(shù)的集成[1]。近四十年來,我國水文自動監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)和應(yīng)用技術(shù)有了巨大進步,所建系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù),為防汛和水利調(diào)度的決策提供了依據(jù)和參考,但整體水平與西方發(fā)達國家相比較還存在著很大的差距,其中信息采集、傳輸手段和技術(shù)比較落后,信息時效性差,不能滿足對水文數(shù)據(jù)實時、快速、準確監(jiān)測的要求[3]。

目前我國水文監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)中,有些地區(qū)還在使用傳統(tǒng)的撥號和專線的固定網(wǎng)絡(luò)接入等方式進行數(shù)據(jù)傳輸,時效性較差。在這種情況下,使用GPRS無線通信是一種很好的選擇。

而且傳統(tǒng)水文監(jiān)測軟件系統(tǒng)大多采用傳統(tǒng)的兩層C/S結(jié)構(gòu),當系統(tǒng)版本迭代,新增功能模塊時,可擴展性較差,時間周期長。

2水文監(jiān)測的主要特點

要開發(fā)一套實用且有效的水文監(jiān)測系統(tǒng),首先要對水文監(jiān)測的特點有深入的理解。由于水文監(jiān)測關(guān)乎流域的防汛抗洪,水資源管理,生態(tài)環(huán)境的保護以及人民群眾的生命安全[2]。所以水文監(jiān)測系統(tǒng)有如下特點：

1) 水文監(jiān)測系統(tǒng)的實時性非常強

水文監(jiān)測系統(tǒng)可以進行在線數(shù)據(jù)傳輸,并且還能夠滿足系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集和傳輸實時性的要求。

2) 水文監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性非常高

水文監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)該可以避免數(shù)據(jù)包的丟失,能夠保證數(shù)據(jù)進行安全的傳輸。即使由于設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)原因丟失部分數(shù)據(jù),也應(yīng)該有相應(yīng)的召測功能。

3) 水文監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)控范圍很廣

由于監(jiān)測對象是河流,所以監(jiān)控點的分布相對較廣泛,測點會分布在山區(qū)或鄉(xiāng)鎮(zhèn)等。

3水文監(jiān)測系統(tǒng)的概要設(shè)計

3.1硬件系統(tǒng)設(shè)計方案

根據(jù)水文監(jiān)測的三大特點,將水文監(jiān)測硬件部分分為監(jiān)測中心和前端監(jiān)測設(shè)備。其中監(jiān)測中心放置服務(wù)器并連接公網(wǎng)或?qū)＞€；前端監(jiān)測設(shè)備則以RTU為核心,在RTU上連接如雨量計,水位計,流速計等監(jiān)測設(shè)備。水文監(jiān)測系統(tǒng)的物理架構(gòu)如圖1所示。

圖1　物理架構(gòu)圖

1) 前端監(jiān)測設(shè)備

前端監(jiān)測設(shè)備由RTU和傳感器設(shè)備組成。RTU中文名稱為遠程測控終端,用于監(jiān)視、控制與數(shù)據(jù)采集的應(yīng)用。具有遙測、遙信、遙調(diào)、遙控功能。RTU集數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲功能于一體,采用低功耗設(shè)計,具有通訊距離較長、適用于各種環(huán)境惡劣的工業(yè)現(xiàn)場、模塊結(jié)構(gòu)化設(shè)計、便于擴展等優(yōu)點。

傳感器主要包括水位傳感器,雨量傳感器和流速傳感器。

2) 傳輸網(wǎng)絡(luò)

水文監(jiān)測系統(tǒng)的傳輸網(wǎng)絡(luò)由GPRS/短消息,Internet公網(wǎng)組成。RTU通過GPRS或者短信的方式將監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送給服務(wù)器或負責人,客戶端通過公網(wǎng)從服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)。

3) 監(jiān)測中心

監(jiān)測中心由服務(wù)器和客戶端組成,服務(wù)器有一固定公網(wǎng)IP,同時接收采集到的水文數(shù)據(jù)并保存在數(shù)據(jù)庫中?？蛻舳丝梢酝ㄟ^固定的公網(wǎng)IP訪問服務(wù)器,獲得水文數(shù)據(jù),進行一定的統(tǒng)計分析計算在界面上呈獻給客戶。

3.2系統(tǒng)功能概述

水文監(jiān)測系統(tǒng)軟件是對水文監(jiān)測點數(shù)據(jù)進行接收、匯總、統(tǒng)計、分析的一個平臺,該軟件具備動態(tài)實時監(jiān)測、歷史數(shù)據(jù)查詢、報警數(shù)據(jù)查詢、時段統(tǒng)計、曲線分析、用戶管理、測站管理、歷史數(shù)據(jù)召測等多項功能。

水文監(jiān)測系統(tǒng)軟件采用C/S結(jié)構(gòu)設(shè)計,具有操作權(quán)限的管理人員,只要安裝訪問客戶端即可登入該系統(tǒng),保證了系統(tǒng)的安全性。該軟件給用戶提供了一個直觀、簡單的信息化操作平臺。水文監(jiān)測系統(tǒng)的主要功能模塊如圖2所示。

圖2　水文監(jiān)測系統(tǒng)的功能模塊圖

1) 全局顯示：可顯示所有監(jiān)測站當前信息及現(xiàn)場設(shè)備運行狀態(tài)。

2) 采集功能：采集或者接收RTU設(shè)備上報的監(jiān)測點水位,降雨量等水文數(shù)據(jù)。

3) 數(shù)據(jù)處理：將采集到的數(shù)據(jù)根據(jù)要求進行運算處理后,存入數(shù)據(jù)庫并發(fā)送到前端顯示。

4) 數(shù)據(jù)查詢：用戶可任意設(shè)定查詢條件,對測站歷史數(shù)據(jù)、測站報警數(shù)據(jù)進行查詢。

5) 統(tǒng)計分析：用戶可設(shè)定統(tǒng)計時間段,系統(tǒng)可按日、月、年生成監(jiān)測站的時段匯總報表和時段趨勢曲線。

6) 用戶管理：系統(tǒng)管理員可更改系統(tǒng)密碼,添加或刪除系統(tǒng)用戶,并可對其他系統(tǒng)用戶分配相應(yīng)的操作權(quán)限。各系統(tǒng)用戶可在自己權(quán)限下對系統(tǒng)進行相應(yīng)操作。

7) 測站管理：具備權(quán)限的系統(tǒng)用戶可添加、刪除測站信息或?qū)y站信息進行編輯,當現(xiàn)場監(jiān)測站或監(jiān)測設(shè)備變更時可方便地在監(jiān)控系統(tǒng)軟件上對測站信息做相應(yīng)的修改。

8) 歷史數(shù)據(jù)召測：系統(tǒng)支持手動召測歷史記錄功能。當測站設(shè)備發(fā)生故障未能及時上報水文數(shù)據(jù)時,可通過該功能進行某一時段數(shù)據(jù)的召測,保障水文監(jiān)測數(shù)據(jù)的連貫性和完整性。

9) 設(shè)備配置：可以對RTU設(shè)備以及雨量計,水位計等監(jiān)測設(shè)備的參數(shù)進行遠程配置,并將配置信息存庫。

10) 告警功能：水位、降雨量、流量、電壓等數(shù)據(jù)超過告警閾值時,進行告警處理。

4水文監(jiān)測系統(tǒng)的詳細設(shè)計

系統(tǒng)采用三層架構(gòu)設(shè)計,把系統(tǒng)的界面、業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)分離,各個層次各司其職。這樣做的優(yōu)點是使項目結(jié)構(gòu)更清楚。系統(tǒng)能夠高效、靈活地修改業(yè)務(wù)邏輯,添加新的設(shè)備類型、修改界面等。即實現(xiàn)了“高內(nèi)聚,低耦合”的思想[4]。圖3為三層架構(gòu)圖。

圖3　系統(tǒng)三層架構(gòu)圖

4.1UI表示層

表示層也就是用戶界面,承擔著向用戶顯示問題模型、接受用戶操作、I/O交互的作用。圖4為水文監(jiān)測系統(tǒng)主界面截圖。

圖4　系統(tǒng)主界面圖

用戶界面層應(yīng)該盡可能地與業(yè)務(wù)邏輯分離、與數(shù)據(jù)模型分離。也就是說比較好的UI層在更換業(yè)務(wù)邏輯以及數(shù)據(jù)模型時不用做過多的修改就可以使用。

圖5　MVP模式結(jié)構(gòu)圖

基于這種理念,參考MVP設(shè)計模式(結(jié)構(gòu)圖如圖5)將UI層通過WPF框架再次劃分為View層和Presenter層兩個部分,分別對應(yīng)MVP模式中的V和P(M其實就是三層結(jié)構(gòu)中的BLL層和Model實體類)。其中View層通過xaml語言實現(xiàn)僅僅負責實現(xiàn)界面布局及美工,Presenter層則實現(xiàn)顯示邏輯[5]。這樣做的優(yōu)點是在UI層把美工界面和顯示邏輯分離,從而可以以最小的代價來更換一套系統(tǒng)的UI,并且在開發(fā)過程中便于美工人員和開發(fā)人員合作。

4.2BLL業(yè)務(wù)邏輯層

業(yè)務(wù)邏輯層在體系架構(gòu)中的位置很關(guān)鍵,它處于數(shù)據(jù)訪問層與表示層中間,起到了數(shù)據(jù)交換中承上啟下的作用[8]。

業(yè)務(wù)邏輯層負責對用戶界面層輸入的數(shù)據(jù)進行有效性的驗證,處理數(shù)據(jù),根據(jù)業(yè)務(wù)邏輯生調(diào)用數(shù)據(jù)訪問層相應(yīng)的方法。或者從UI層接收數(shù)據(jù),處理后再送回UI層。

在水文監(jiān)測系統(tǒng)中,考慮到系統(tǒng)的可擴展性,易維護性,將一些功能相似的算法單獨抽取出來使用策略模式進行封裝。這樣做也有利于在開發(fā)過程中分工合作。BLL層的主要結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6　業(yè)務(wù)邏輯層類圖

基類BllBase中定義了通用的數(shù)據(jù)驗證方法,來處理數(shù)據(jù)合法性的業(yè)務(wù)邏輯,例如判斷輸入是否為數(shù)字,是否為站號,是否為中文等。

用戶類Uses和測站類Station類繼承基類,并且分別擁有自己的業(yè)務(wù)邏輯處理方法,例如用戶信息的增刪改查,用戶權(quán)限及登錄的控制。

從測站類繼承出五個設(shè)備類,它們分別有自己的對相應(yīng)數(shù)據(jù)的操作方法,在數(shù)據(jù)分析和處理時可以方便的對某種設(shè)備的數(shù)據(jù)進行操作。

同時測站類中定義了一個類型為Count的接口countflow來進行流量計算,而接口Count不實現(xiàn)任何功能,只定義了方法名CountFlow,具體的計算過程由一個具體的算法類繼承該接口實現(xiàn),例如在GLSCount類和LadderCount類中的CountFlow方法中實現(xiàn)了具體的計算過程。

例如計算顯示流量時,首先實例化一個Flow類的對象flow,flow可以通過父類獲取和操作站信息(站址,所屬區(qū)域等)當需要使用算法時,可以通過父類的Set_Count()實例化某一個特定的算法接口,并且通過Get_Count()得到接口的返回值。

這樣將算法封裝起來,并且使他們可以互相替換。實現(xiàn)了一種替代繼承的方法,既保持了繼承的優(yōu)點(代碼重用),還比繼承更靈活(算法獨立,可以任意擴展)。而且避免程序中使用多重條件轉(zhuǎn)移語句,使系統(tǒng)更靈活,并易于擴展。

4.3DAL數(shù)據(jù)庫訪問層

數(shù)據(jù)訪問層主要是定義、維護數(shù)據(jù)的完整性、安全性,它影響邏輯層的請求,負責對所有數(shù)據(jù)庫訪問的操作。

DAL層主要分為兩部分,一部分是屏蔽數(shù)不同數(shù)據(jù)庫操作差異,另一部分就是數(shù)據(jù)庫訪問。在這里通過簡單工廠的方法來實現(xiàn)不同數(shù)據(jù)庫連接的操作。其類圖如圖7所示。

圖7　數(shù)據(jù)訪問層類圖

首先,定義一個接口AbstractDbFactory,其中定義了各種數(shù)據(jù)庫操作的方法,但不實現(xiàn)。

具體的實現(xiàn)過程在繼承自此接口的具體的數(shù)據(jù)庫類中。例如SqlFactory中就實現(xiàn)了對SqlServer數(shù)據(jù)庫專用的建立連接,增刪改查等方法。

最后通過一個工廠類dbFactory的CreatConnect方法根據(jù)不同的數(shù)據(jù)庫類型返回不同的對象。

5結(jié)語

本文針對水文監(jiān)測系統(tǒng)的特點及需求,構(gòu)建了一種靈活、高實時性和方便工程部署的基于GPRS的水文監(jiān)測硬件系統(tǒng)物理架構(gòu),并且設(shè)計和實現(xiàn)了一個基于三層架構(gòu)的水文監(jiān)測軟件系統(tǒng)。該系統(tǒng)已經(jīng)在陜西省多個流域安裝使用,使用效果良好,能夠很好地滿足水文監(jiān)測的需要。

參 考 文 獻

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收稿日期:2016年1月15日,修回日期:2016年2月18日

作者簡介:王建國,男,博士,教授,碩士生導師,研究方向:無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、智能檢測與控制。王曉陽,男,碩士研究生,研究方向:無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

中圖分類號TP391

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.07.019

Design and Implementation of Hydrological Monitoring System

WANG JianguoWANG Xiaoyang

(School of Computer Science and Engineering, Xi’an University of Technology, Xi’an710021)

AbstractThis paper analyzes the main features of hydrological monitoring, and constructs a hardware system of hydrological monitoring based on GPRS communication, which can improve the timeliness and applicability of the hydrological monitoring system in the remote mountainous areas, develops and designs a software system for hydrological monitoring. The software system uses 3-tier architecture pattern. Compared with the traditional 2-tier C/S structure, it can improve the flexibility and extensibility of the system. The practical application shows that the system can meet the needs of the application of hydrological monitoring system.

Key Wordshydrological, 3-tier architecture, automatic monitoring