基于C/ S架構(gòu)的水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馬 慧，張 永

(許昌學(xué)院 信息工程學(xué)院，河南 許昌 461000)

基于C/ S架構(gòu)的水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馬 慧，張 永

(許昌學(xué)院 信息工程學(xué)院，河南 許昌 461000)

針對(duì)在線水文監(jiān)控的實(shí)際需求，設(shè)計(jì)開發(fā)了基于C/S架構(gòu)的水文數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過短信模塊接收水文數(shù)據(jù)，在服務(wù)器端進(jìn)行處理后，按要求格式存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中。用戶使用客戶端即可查詢相關(guān)水文數(shù)據(jù)，并通過圖表等形式展示一段時(shí)間內(nèi)水位、流量等信息變化情況。該系統(tǒng)極大地提高了水文監(jiān)控系統(tǒng)水文數(shù)據(jù)的精度，方便工作人員及時(shí)、準(zhǔn)確地掌握流域水文情況，為防汛決策提供可靠資料及依據(jù)。

C/S架構(gòu)；水文監(jiān)測(cè)；水文數(shù)據(jù)處理；信息查詢

0 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，在線水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了水文信息的自動(dòng)化處理，極大地提高了水文監(jiān)測(cè)與防汛能力[1]。但是流量監(jiān)測(cè)一直沒有實(shí)現(xiàn)在線遙測(cè)，是水文監(jiān)測(cè)應(yīng)用技術(shù)發(fā)展中的一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)。調(diào)研結(jié)果顯示，河南省大部分中小型河流水文站現(xiàn)在仍采用傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)儀器加人工的方式對(duì)水文信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)、處理、統(tǒng)計(jì)，工作效率極低。

系統(tǒng)在完成水文數(shù)據(jù)采集、傳輸?shù)幕A(chǔ)上，開發(fā)了基于C/S架構(gòu)的水文數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要完成數(shù)據(jù)的接收、處理、計(jì)算、查詢等功能，以便為站點(diǎn)工作人員提供及時(shí)、準(zhǔn)確的水文數(shù)據(jù)，提高水文監(jiān)測(cè)效率。

1 水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)包括服務(wù)器端和客戶端兩部分。服務(wù)器主要完成數(shù)據(jù)接收、客戶端通信、原始水文數(shù)據(jù)處理以及各站點(diǎn)信息維護(hù)等工作；客戶端主要負(fù)責(zé)為用戶提供站點(diǎn)信息查詢與成果表導(dǎo)出的功能，包括水位、流量、流速、電壓、誤差等信息的查詢和日平均水位、流量等成果數(shù)據(jù)的Excel導(dǎo)出等。

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

水文實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)底層采用MINA2網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用框架，主要解決客戶端與服務(wù)器端之間的通信問題。MINA2網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用框架采用了Java中的NIO技術(shù)[2]，基于TCP、UDP等協(xié)議通信進(jìn)行了大量封裝，為用戶提供基于各種網(wǎng)絡(luò)事件驅(qū)動(dòng)的API。MINA網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用框架主要分為三層，分別是I/O服務(wù)層、I/O過濾器層和I/O處理器層。I/O 服務(wù)層主要實(shí)現(xiàn)服務(wù)器與客戶端之間連接的建立與收發(fā)消息；I/O過濾器實(shí)現(xiàn)消息對(duì)象與字節(jié)流間的轉(zhuǎn)換。

1.2 消息機(jī)構(gòu)

系統(tǒng)客戶端與服務(wù)器端之間通信的消息在網(wǎng)絡(luò)上是以字節(jié)流的形式傳輸?shù)模虼讼到y(tǒng)需要能夠?qū)崿F(xiàn)字節(jié)流與消息對(duì)象之間的相互轉(zhuǎn)換。水文站系統(tǒng)在接收到網(wǎng)絡(luò)上傳輸過來的字節(jié)流時(shí)，首先要找到消息的邊界，然后將代表一條消息的字節(jié)提取出來，經(jīng)過特定的邏輯將字節(jié)流轉(zhuǎn)換為消息對(duì)象，最后把消息對(duì)象移交給I/O處理器來執(zhí)行其對(duì)應(yīng)的業(yè)務(wù)邏輯。反之，系統(tǒng)還需要能夠把一個(gè)消息對(duì)象轉(zhuǎn)換為字節(jié)流數(shù)據(jù)，放在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行傳輸。

在數(shù)據(jù)傳輸過程中，在字節(jié)流中確定消息邊界一般有三種方法：使用長度固定的消息、使用固定長度的消息頭標(biāo)志消息總長度，以及使用分隔符確定消息邊界。

對(duì)于水文站流量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)而言，客戶端與服務(wù)器端之間的通信情況相對(duì)比較復(fù)雜，需要利用各種不同類型的消息。不同消息的格式可能不相同，即使是相同類型的消息，其內(nèi)容也不一定相同。因此，系統(tǒng)使用第二種方法，可以滿足系統(tǒng)消息設(shè)計(jì)靈活易變的要求。

本系統(tǒng)中所有的消息主體都由兩部分組成：第一部分為消息類別名稱，長度固定不變；第二部分為消息的具體主題內(nèi)容。消息結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)中使用的消息代碼如表1所示。

圖1 消息結(jié)構(gòu)

表1 消息代碼

消息代碼消息作用描述101心跳請(qǐng)求通過心跳請(qǐng)求與響應(yīng)實(shí)現(xiàn)客戶端與服務(wù)器端通信狀態(tài)的監(jiān)測(cè)102心跳響應(yīng)103登錄請(qǐng)求客戶端標(biāo)識(shí)發(fā)出登錄請(qǐng)求的代碼104登錄響應(yīng)服務(wù)器端標(biāo)識(shí)響應(yīng)登錄請(qǐng)求的代碼105原始數(shù)據(jù)表查詢請(qǐng)求客戶端標(biāo)識(shí)各種查詢請(qǐng)求的代碼106原始數(shù)據(jù)表查詢響應(yīng)服務(wù)器端標(biāo)識(shí)響應(yīng)查詢請(qǐng)求的代碼107日徑流量成果表查詢請(qǐng)求客戶端標(biāo)識(shí)日徑流量查詢請(qǐng)求的代碼108日徑流量成果表查詢響應(yīng)服務(wù)器端標(biāo)識(shí)響應(yīng)日徑流量查詢請(qǐng)求的代碼109日平均水位成果表查詢請(qǐng)求客戶端標(biāo)識(shí)日平均水位查詢請(qǐng)求的代碼110日平均水位成果表查詢響應(yīng)服務(wù)器標(biāo)識(shí)響應(yīng)日平均水位查詢請(qǐng)求的代碼111日平均流量成果表查詢請(qǐng)求客戶端標(biāo)識(shí)日平均流量查詢請(qǐng)求的代碼112日平均流量成果表查詢請(qǐng)求服務(wù)器標(biāo)識(shí)響應(yīng)日平均流量查詢請(qǐng)求的代碼

1.3 日志系統(tǒng)

在系統(tǒng)開發(fā)過程中，為了方便系統(tǒng)開發(fā)人員跟蹤調(diào)試程序，以及運(yùn)維人員了解系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，系統(tǒng)中加入了日志功能。如果系統(tǒng)某個(gè)模塊發(fā)生異常，系統(tǒng)運(yùn)維人員可以通過查看系統(tǒng)日志文件，迅速確定異常原因并予以解決。 系統(tǒng)采用SLF4J和LOG4J日志框架相結(jié)合的日志系統(tǒng)[3]。系統(tǒng)通過Loggers控制要輸出哪些日志記錄語句并對(duì)日志信息進(jìn)行級(jí)別限定。本系統(tǒng)日志信息同時(shí)輸出到兩個(gè)位置，通過ConsoleAppender將日志輸出到控制臺(tái)、通過RollingFileAppender實(shí)現(xiàn)日志信息以向后追加的方式輸出到日志文件中。通過Layout指定日志輸出格式為“%-4r %-5p [%d{yyyy-MM-dd HH:mm:ss}] %m%n”，即：打印日志距系統(tǒng)開始的毫秒數(shù)+日志級(jí)別+當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間+日志具體信息。

2 服務(wù)器端設(shè)計(jì)

服務(wù)器端主要實(shí)現(xiàn)用戶管理、站點(diǎn)管理、水位截面積管理和原始數(shù)據(jù)管理、服務(wù)器配置以及串口配置等功能，管理員通過啟動(dòng)、重啟、停止按鈕實(shí)現(xiàn)服務(wù)器的開啟、重新啟動(dòng)及停止。同時(shí)，服務(wù)器利用DTU短信模塊接收遠(yuǎn)端RTU模塊發(fā)送的原始數(shù)據(jù)，解析處理后存放于數(shù)據(jù)庫中。

2.1 短信接收

短信模塊傳遞過來的是原始數(shù)據(jù)，首先需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，流速檢測(cè)在垂直方向上每隔20cm測(cè)出一組流速數(shù)據(jù)，最多包含40組流速數(shù)據(jù)。因此，原始數(shù)據(jù)包中包含的流速數(shù)量要根據(jù)水位高度來計(jì)算有效流速的數(shù)量。首先要計(jì)算出當(dāng)前包中的有效流速數(shù)量，如公式(1)所示。其中N為有效流速，W為當(dāng)前水位，b為河堤高程，k為流速測(cè)試儀的高度。

(1)

每組中都包含測(cè)試時(shí)間和流速，每隔1分鐘發(fā)送一次。由于測(cè)試儀器本身存在的誤差，為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，采用前后6分鐘的有效流速數(shù)據(jù)求平均作為當(dāng)前時(shí)間的流速數(shù)據(jù)。這里的關(guān)鍵點(diǎn)在于雖然流速檢測(cè)設(shè)備每分鐘發(fā)送一次流速數(shù)據(jù)，但是在該數(shù)據(jù)包中包含的6組流速數(shù)據(jù)時(shí)間可能存在前后偏差，即當(dāng)前包中可能包含上一分鐘或下一分鐘的數(shù)據(jù)。為了精確計(jì)算，采用延時(shí)計(jì)算的方式，先將接收到的每組數(shù)據(jù)放入一個(gè)優(yōu)先級(jí)隊(duì)列中，隊(duì)列排序以時(shí)間為標(biāo)準(zhǔn)，每隔1分鐘從中取出前一分鐘的流速數(shù)據(jù)并求出平均值，將該平均流速再和前6分鐘的流速數(shù)據(jù)求平均，最后的結(jié)果作為該時(shí)間的流速，然后將該流速數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫中。

服務(wù)器啟動(dòng)之前需要通過串口參數(shù)配置模塊對(duì)短信模塊的串口參數(shù)進(jìn)行正確配置，否則服務(wù)器的短信模塊無法與遠(yuǎn)端的RTU模塊進(jìn)行通信，系統(tǒng)將無法獲取站點(diǎn)的水流信息。運(yùn)行服務(wù)器端程序時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)讀取配置文件進(jìn)行數(shù)據(jù)庫連接。若能連接成功，系統(tǒng)將直接進(jìn)入到服務(wù)器端主界面；若連接失敗，系統(tǒng)將直接跳轉(zhuǎn)到服務(wù)器配置界面。當(dāng)管理員配置好數(shù)據(jù)庫參數(shù)點(diǎn)擊保存后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將配置信息保存到配置文件中，管理員只需重新運(yùn)行服務(wù)器端程序即可成功連接數(shù)據(jù)庫，并進(jìn)入主界面。

圖2 短信模塊流程

2.2 水位截面積管理

水位截面積管理模塊是對(duì)站點(diǎn)水位對(duì)應(yīng)截面積的關(guān)系進(jìn)行記錄與管理，提供了添加、刪除與修改等操作。此模塊中提供了兩種水位截面積信息的添加方式：①在系統(tǒng)中通過添加按鈕方式，一次添加一條數(shù)據(jù)；②首先從系統(tǒng)中下載Excel模版，然后在模版中添加所有要導(dǎo)入系統(tǒng)的水位截面積信息，最后通過系統(tǒng)的導(dǎo)入按鈕將Excel模版中的數(shù)據(jù)批量導(dǎo)入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。水位截面積信息主要包括站點(diǎn)、水位高度、截面積、系數(shù)K，該數(shù)據(jù)的主要作用是計(jì)算當(dāng)前時(shí)間的流量信息。流量數(shù)據(jù)的計(jì)算如公式(2)所示，其中A是過水截面積，A可以通過水位高度和截面積數(shù)據(jù)通過插值方式計(jì)算出當(dāng)前水位的截面積，V是平均流速，k為流速系數(shù)，可通過該系數(shù)調(diào)整流速數(shù)據(jù)計(jì)算的準(zhǔn)確度，該值也是通過水位和系數(shù)K數(shù)據(jù)通過插值方式進(jìn)行計(jì)算。為實(shí)測(cè)有效垂線分層流速，通過該公式計(jì)算出實(shí)時(shí)流量數(shù)據(jù)：

(2)

3 客戶端設(shè)計(jì)

3.1 信息查詢

查詢模塊主要實(shí)現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)、實(shí)時(shí)過程、電壓監(jiān)視與誤差統(tǒng)計(jì)等信息的查詢。運(yùn)行狀態(tài)主要為用戶提供站點(diǎn)某段時(shí)間內(nèi)流速信息的查詢，并使用JFreeChar折線圖與表格的形式顯示該時(shí)段內(nèi)流速的變化情況[4]；實(shí)時(shí)過程查詢?yōu)橛脩籼峁┠硶r(shí)段內(nèi)水位、流量信息的查詢，并通過統(tǒng)計(jì)圖和表格直觀表現(xiàn)水位和流量在某一時(shí)間段內(nèi)的變化；誤差統(tǒng)計(jì)能夠?qū)δ痴军c(diǎn)指定時(shí)間段內(nèi)的實(shí)時(shí)流量數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)流量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，并以圖表方式展示。

3.2 成果導(dǎo)出

實(shí)測(cè)成果模塊可對(duì)特定站點(diǎn)某一年的各種信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算以及成果導(dǎo)出，主要包括平均水位、平均流量、日徑流量等信息。用戶可以按年對(duì)日平均水位成果、日平均流量成果、日徑流量成果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，并用POI設(shè)計(jì)Excel表格進(jìn)行顯示與成果導(dǎo)出[5]。

4 結(jié)語

本系統(tǒng)在水文數(shù)據(jù)采集、傳輸?shù)幕A(chǔ)上，使用Java開發(fā)了一個(gè)水文數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過對(duì)采集數(shù)據(jù)的處理、分析、存儲(chǔ)，為用戶提供及時(shí)、準(zhǔn)確的流量、水位等水文信息。同時(shí)，通過圖表等方式為用戶提供直觀的水文水利數(shù)據(jù)變化情況，使水文工作人員及時(shí)掌握河流水文情況，對(duì)河流的防洪防汛有非常重要的意義。

[1] 朱娟.基于ZigBee和CDMA的水情遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].大眾科技，2013，15(170)：16-17,51.

[2] 金玉軍，姜曉彤，況迎輝.基于高性能NIO的MINA框架的應(yīng)用[J].信息科技，2009(16)：93-94.

[3] 吳志峰，鞠鳳娟.SLF4J框架集成日志系統(tǒng)的應(yīng)用研究[J].信息管理，2011(4)：74-75.

[4] 吳宏波.基于JFreeChart技術(shù)的Web數(shù)據(jù)圖表化表現(xiàn)[J].電子科技，2010(1)：97-99.

[5] 戴維.POI實(shí)現(xiàn)Excel的數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出的研究[J].科技信息，2013(1)：107,126.

(責(zé)任編輯：黃 健)

許昌學(xué)院骨干教師資助項(xiàng)目(2014)

馬慧(1974-)，女，河南許昌人，許昌學(xué)院信息工程學(xué)院副教授，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)；張永(1981-)，男，河南許昌人，許昌學(xué)院信息工程學(xué)院助教，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、軟件工程。

10.11907/rjdk.171159

TP319

A

1672-7800(2017)003-0089-02