核級設備鑒定試驗數據庫的設計與研究

柳琳琳，李朋洲，李 琦，徐昱根，李鵬飛

(1.中國核動力研究設計院二所，四川 成都 610213；2.國核華清(北京)核電技術研發中心有限公司，北京 100190)

核級設備鑒定試驗數據庫的設計與研究

柳琳琳1，李朋洲1，李 琦1，徐昱根1，李鵬飛2

(1.中國核動力研究設計院二所，四川 成都 610213；2.國核華清(北京)核電技術研發中心有限公司，北京 100190)

圍繞核級設備試驗的各種類型被試樣機，會產生大量的試驗數據，這些數據不僅量大，而且其信息多樣、類型復雜。為了充分有效地管理、分析和應用試驗中產生的數據，并結合核級設備鑒定試驗數據的現實環境，借鑒計算機數據挖掘分類及信息管理系統等工程思路，提出并設計了一種滿足多類型、分布式數據預處理及存儲的數據庫系統。該系統以業務處理和數據管理為設計核心，以處理不同數據、簡化工程流程、改善業務工作效率為功能設計的重點，以自動化容錯為設計目標，同時為第三方后續數據分析軟件提供高兼容性的接口。其實際應用結果表明，該試驗數據庫能較好地實現數據整理、分析和應用功能，且數據庫的穩定性和健壯性均能滿足核級設備鑒定試驗的具體需求。

核級設備鑒定；計算機數據挖掘；數據分析；數據庫系統；關系數據庫

0 引 言

在核級設備鑒定的試驗過程中，會產生大量類型豐富的數據，包括時域數據、頻域數據、模態試驗數據等，同時，這些數據還與不同的試驗設備關聯，在數據處理上涉及不同的規范要求，數據格式也多種多樣[1]。而這些數據和信息對研究用于核電站反應堆安全相關的電氣、儀表、控制設備、閥門、泵等有著極為重要的作用。如果能將大量且分散的數據保存起來做進一步的加工處理，并且能長期存儲、組織和共享，就必須建立一個數據庫系統[2]。數據庫系統一般由數據庫、數據庫管理系統及其開發工具、應用系統、數據庫管理員和用戶構成。數據庫的管理一般具有高度的物理獨立性和一定的邏輯獨立性，而數據庫中的文件具有相互的關聯性，在整體上也服從一定的結構形式。利用數據庫管理系統能夠對核級設備鑒定工作中產生的分析和試驗數據進行統一的數據管理和數據控制，并且還能對這些數據提供安全性保護、完整性檢查、并發訪問控制和數據恢復功能[3-4]。

1 關系數據模型

數據是數據庫中存儲的基本對象，數據模型是在數據庫中對數據邏輯結構的描述，是把信息世界抽象為機器世界。數據庫系統包括三種基本數據模型：層次數據模型、網絡數據模型和關系數據模型[5]。其中，關系數據模型用二維表格結構來表示概念模型中的實體以及實體之間的聯系，由關系數據結構、關系操作及關系完整性約束三部分組成，其理論基礎為關系數學。現在，關系數據模型已經發展成為數據庫的標準。常見的關系數據庫系統有FoxPro、SQL-server、Oracle、DB2、Informix等。

1.1關系數據庫的基本概念

一個關系對應一張二維表，每個關系都有一個關系名。關系是對概念模型中某類實體的反映。二維表中的一行即為一個元組，元組對應存儲文件中的一條記錄。元組是對概念模型中某一具體實體的反映。二維表中的一列即為一個屬性，每個屬性都有一個屬性名，且一個關系中的屬性不能重復。屬性值是某一元組在某一屬性上的具體取值。屬性可以通過規定其取值類型、寬度、默認值等來加以約束。屬性對應存儲文件中的一個字段。屬性的取值范圍稱為域。二維表中選定用來唯一確定一個元組的屬性或屬性的組合的是主碼，而一個關系的某個屬性雖然不是該關系的主碼，但卻是另一個關系的主碼，稱為外碼。關系模式是對關系的信息結構及語義限制的形式化描述，用關系名和包含的屬性名集合進行表示。關系數據庫中的關系必須是規范化的。

1.2關系數據庫的基礎理論

關系數據庫是建立在關系數據模型基礎上的，具有嚴格的數學理論基礎。關系數據庫的理論包括關系運算、關系的完整性規則和關系規范化理論。關系運算包括連接、選擇和投影，其特點是運算的對象和結果都是表。關系的完整性規則也稱為關系的約束條件，它是對關系的一些限制和規定，通過這些限制保證了數據庫數據的合理性、正確性和一致性；它包括實體完整性規則、參照完整性規則和域完整性規則。

為了區分數據庫模式的優劣，數據庫模式在關系規范化理論中分為不同的等級，這些等級也稱為范式。通常分為5種范式，滿足最低條件的稱為第一范式(1NF)。

2 VC++開發數據庫

核級設備鑒定數據庫的開發使用Visual C++開發工具。它提供了相當齊全的類庫和友好的編程開發界面。使用該工具開發出的數據庫功能性強、訪問速度快、應用范圍廣并且占用的資源較少。

2.1VC++數據庫開發的特點

VC++提供的MFC類具有強大的功能，MFC的ODBC(Open DataBase Connectivity，開發數據庫連接)和ADO(ActiveX Data Objects,活動數據對象)數據庫接口已經將一些底層的操作都封裝在類中，可以方便使用這些接口。同時，VC++還提供了OLE技術和Active技術，可以利用各種組件和控件來創建程序，實現應用程序的組件化，并帶來優良的可擴展性。為了解決訪問數據庫的速度問題，VC++還提供了基于COM接口的技術，可以直接對數據庫的驅動程序進行訪問，從而大大提供了訪問速度。

2.2數據庫訪問技術

VC++提供的數據庫訪問技術包括MFC ODBC、DAO(Data Accesses Object，數據訪問對象)和OLE DB(Object Link and Embedding DataBase，對象鏈接和嵌入數據庫)。ODBC是VC++對ODBC API封裝得到的，可以簡化程序設計；DAO提供了一種通過程序代碼創建和操縱數據庫的機制，多個DAO構成一個體系結構；OLE DB是基于COM接口的技術，VC++提供了ATL模板來設計OLE DB數據應用程序和數據提供程序。

3 核級設備鑒定數據庫分析

根據核級設備鑒定試驗中產生的具體數據情況，該數據庫系統需要管理不同數據采集設備采集的原始數據，如BBM、LMS、CRAS、Dewestron、BK等數據采集系統，同時需要關聯管理從原始數據導出的中性數據文件，如txt文件。還能通過產品直接關聯與之相關的試驗和分析數據，同一個產品可以有多輪次相同或不同類型的試驗。在應用工具集成方面，可以通過FlexPro調用中性數據進行分析，還可以集成Matlab和其他自編的軟件。具體功能為：

(1)產品管理：包含產品分類定義、產品屬性定義管理、通過產品分類庫統一維護產品信息以及數據分析管理子模塊。

(2)試驗項目管理：包含對試驗項目屬性及各類試驗數據、資源的管理，以及試驗項目的數據結構、處理流程、項目創建、審核流程、個人工作區、項目庫、試驗數據分析和應用工具集成。

(3)試驗設備管理：包含設備基本信息、狀態、標定信息的管理，設備維護，提供設備借還流程管理。

(4)系統管理：包括用戶管理、角色管理、組織管理、三權角色用戶管理、電子數據倉管理、參數管理、屬性集管理和類型管理。

(5)試驗數據管理：對試驗各個工況信息的記錄及各個工況原始數據、中性txt數據的管理，同時提供數據分析功能及第三方數據分析軟件的集成。

(6)安全設置：包括三員分立、安全策略、系統權限管理、用戶審核和項目授權管理。

(7)系統審計：能把用戶在使用數據庫過程中進行的操作，包括操作的模塊、操作的數據、操作的時間等內容記錄下來，以便在安全審計時提供依據。此功能為審計管理員角色所特有的功能模塊。

(8)其他：包括登錄、退出、幫助等。

根據系統功能分析，經過模塊化分析，得到核級設備鑒定數據庫系統功能模塊結構圖，如圖1所示。

圖1 核級設備鑒定試驗數據庫模塊結構圖

在完成各個模塊之前，先為產品表、試驗項目表、模型分析表、設備基本信息表、流程實例表、流程模板表、流程節點定義表、流程節點實例表、系統權限表、用戶系統權限表、系統用戶表、系統角色表、系統組織機構表、組織角色關系表、組織角色用戶關系表建立相應的記錄集類。

4 核級設備鑒定數據庫平臺架構

核級設備鑒定數據庫在設計上分為數據訪問層、業務邏輯層、界面層和基礎服務層。數據訪問層包括數據訪問組件和服務代理功能；業務邏輯層包含業務組件、業務實體、業務工作流和服務接口功能；界面層包括用戶界面和用戶界面處理組件；基礎服務層包括安全管理、運營管理和通訊管理。圍繞設計上的四個層次，從系統的安全架構、網絡架構和數據實體架構三個方面來闡述。

4.1安全架構

為了保證數據庫中的數據不會被任意修改、竊取或損壞，制定了身份認證、授權、訪問控制、審計和加密等手段進行保護[6-8]。

通過對用戶、用戶角色、組織機構的管理，合法用戶的IP地址、網卡地址以及賬號口令的認證，判斷用戶是否能夠登錄系統并具有什么樣的系統權限；通過檢查直接對象的授權記錄、策略授權記錄、流程權限設定等三個層次的對象權限認證，計算用戶對具體文檔的操作權限；同時，安全日志模塊會在后臺自動記錄用戶的所有重要操作，根據安全日志可以追溯相應的用戶操作，確保系統的安全。數據庫中存儲的數據和文件采用圖文壓縮算法壓縮后，再用128位密鑰的DES算法進行加密存儲。客戶端與服務器直接傳輸的信息為加密后的密文，即使被截獲也不會造成信息的泄露。

4.2網絡架構

該數據庫采用分布式結構，業務邏輯層和數據訪問層部署在數據庫服務器上。采用網絡云的方式對客戶端隱藏實際的網絡結構，如圖2所示。

眼下賈鵬飛是西莊坪僅留下的年輕人之一。七零后出生的賈鵬飛，高中畢業后就留在家里，也沒鬧騰出個什么名堂，不過吃飯不愁，錢袋子癟而已。媳婦范崢崢是鄰村的，也是他的高中同學，畢業后不到三年兩人就結了婚，后來媳婦看著坪里的年輕媳婦小伙子都到外面打工，春節回來穿著洋氣，談吐也讓范崢崢自嘆不如。范崢崢便糾纏著賈鵬飛一起出去闖闖。賈鵬飛說我還要留在家里建設社會主義新農村。結果，范崢崢和鄰村的姐妹一起去了市里。

圖2 數據庫網絡架構

4.3數據實體架構

實體聯系圖(E-R圖)是抽象描述世界的有力工具，通過畫圖將實體以及實體之間的聯系刻畫，建立概念模型。在E-R圖中，長方形表示實體，橢圓形表示實體的屬性，菱形表示實體之間的聯系。該數據庫中的數據實體聯系圖包括系統管理E-R圖和業務管理E-R圖，分別如圖3和圖4所示。

圖3 系統管理E-R圖

圖4 業務管理E-R圖

5 核級設備鑒定數據庫設計

5.1系統登錄

系統登錄的函數名為CheckUserLogin()，參數包括用戶名userID和密碼驗證psw。

5.2個人工作區

個人工作區主要用于獲取用戶代辦事項、獲取用戶已處理的流程任務、獲取用戶啟動的流程、提交流程任務、撤銷流程、查看流程歷史等功能。參數包括用戶名、查詢條件、查詢頁數、返回總頁數、返回總行數、流程實例節點信息、流程對象ID、流程對象類型(試驗、模型、權限、申請、刪除申請)。

5.3產品管理

產品管理包括創建產品信息、更新產品信息、刪除產品信息、分頁獲取產品列表。參數包括產品信息、擴展屬性集合、返回新產品ID、錯誤信息、查詢條件、查詢第幾頁、每頁查多少條、返回總頁數、返回總行數[9]。

5.4試驗項目

5.5模型分析

模型分析包括創建模型分析、更新模型分析、刪除模型分析和分頁獲取模型列表。參數包括模型分析信息、返回新模型分析項目ID，要更新的產品信息、要刪除的模型分析ID，查詢條件、查詢第幾頁、每頁查多少條、返回總頁數、返回總行數。

6 關鍵技術

數據庫開發的關鍵技術包括程序開發技術、輸入數據規范化技術、算法庫、計算流程和交互式圖形技術。

下面將對每個關鍵技術進行一一闡述[11-14]。

6.1程序開發技術

數據庫的客戶端和服務器端均采用VC++編程語言，在Visual Studio 2005環境下進行開發，并在其他文本編輯和程序調試工具下協作完成。在數據庫端使用了Oracle關系數據庫環境，并采用SQL語言編寫結構化數據存儲和查詢功能代碼。

混合使用多種開發工具的策略是程序開發經常使用的方式，尤其是目前國內以Windows平臺作為主要的開發、使用環境，因此對于整個系統層次級的開發來說，Visual Studio環境具有無可比擬的性能優勢，特別對于開發分布式的網絡程序來說，Visual Studio幾乎是Windows平臺的最佳選擇。同時，NI的Measurement Studio工具包很好地彌補了其本身不具備儀器控制和數據處理的缺點。

針對某些特定的控制與測量目標的子系統的快速開發，使用Lab Windows/CVI。該軟件具有友好的界面編輯方式和功能強大的軟件包，包括接口函數庫、信號處理函數庫、Windows SDK等。因此，在程序設計中使用了多種不同的開發工具，減輕了編程工作的負擔，加快了數據庫的開發速度。

6.2輸入數據規范化

輸入數據規范化主要是將各種類型的輸入數據通過分析、處理，簡化數據格式，并將多通道復雜的數據轉換為統一的單通道文件。如圖5所示，單通道文件采用HDM5和TYD格式規范。

圖5 數據規范化方法

這兩種格式的優點表現為結構簡單、具有自我描述能力(即可建立復雜的數據關系和依賴關系)、高效的I/O方式，以及應用范圍廣。

6.3算法庫

算法庫是數據算法工具的集合，是搭建系統專業分析庫分析模型的基礎。在構建該數據庫的算法庫中，考慮對算法以程序組件的形式進行管理。一個或多個算法可以編譯在一個算法組件中。算法組件隨客戶端程序發布到客戶端。

算法庫的編目通過XML文件完成，系統管理員負責對算法庫文件進行維護。被編目文件引用的算法組件，被系統自帶的分析工具調用。當增加新的算法組件時，可通過編目文件增加新算法組件的引用。

算法按接口不同進行分類，目前預定義有濾波算法接口、應力應變算法接口、數據變換算法接口、曲線顯示接口。

6.4計算流程

計算流程是通過工程的方式將輸入數據規范化、算法組合以及圖形化數據顯示進行串聯組合的過程。流程控制包括圖形化控制方式和腳本控制方式。對于流程中的算法可以用算法庫的算法靈活替換、組合，對于工程中設置的計算流程和工程所處理的相關數據可以整體保存或上傳，方便下次打開查看。如果下次需要計算相同的算法流程，也可以依據歷史的算法流程計算，只需重新設置輸入數據即可。

6.5交互式圖形技術

交互式圖形技術是利用計算機圖形學和圖像處理技術，將數據轉換成圖形或圖像在屏幕上顯示出來，并進行交互處理的理論、方法和技術。該技術把科學數據，包括測量獲得的數值、圖像或是計算中涉及、產生的數字信息，變為直觀的、以圖形圖像信息表示的、隨時間和空間變化的物理現象或物理量呈現，便于用戶觀察、模擬和計算。

圖形可視化技術是平臺的圖形化方式編程和仿真結果顯示的關鍵技術，是整個平臺實現上的重要部分，為數據分析提供了很好的支持。

7 結束語

在分析研究核級設備鑒定工作中產生的各種類型的試驗數據的基礎上，利用分布式編程技術，運用多層模塊設計思想，以Oracle關系數據庫為基本，SQL Server為后臺，采用以VC++編程語言為主，多種其他語言為輔的混合編程模式，在Visual Studio環境下設計并開發了一種基于核級設備鑒定信息的數據庫。該數據庫有效解決了核級設備鑒定試驗數據量大，數據分散、時間跨度長，數據內容復雜等問題，將數據進行有序、高效的存儲，為使用數據庫的科研人員提供便利。

[1] 張 輝,趙郁亮,徐 江,等.基于Oracle數據庫海量數據的查詢優化研究[J].計算機技術與發展,2012,22(2):165-167.

[2] 孫 蓀,皇甫正賢.基于數據庫的大型管理信息系統優化設計[J].計算機應用研究,2001,18(6):88-90.

[3] 曹靚姝,王志龍,李得天,等.基于數據庫管理的數據采集系統的設計與實現[J].計算機技術與發展,2014,24(4):162-165.

[4] 周 薇.數據庫系統安全性測試技術研究[J].計算機技術與發展,2014,24(2):140-144.

[5] 劉培玉,劉法勝,江志超,等.面向對象數據庫建模方法與邏輯設計[J].計算機應用研究,1996,13(3):39-41.

[6] 徐龍琴,劉雙印,沈玉利.數據庫安全性控制的研究[J].計算機應用與軟件,2009,26(5):138-140.

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[9] 趙 泉.信息管理基礎[M].北京：機械工業出版社，2003:204-210.

[10] 劉世平.數據挖掘技術及運用[M].北京：高等教育出版社，2010:3-5.

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[14] Fan W,Simeon J.Integrity constraints for XML[J].Journal of Computer and System Sciences,2003,66(1):254-291.

DesignandResearchofQualificationofComponentsinNuclear-powerLevelDatabase

LIU Lin-lin1，LI Peng-zhou1，LI Qi1，XU Yu-gen1，LI Peng-fei2

(1.Nuclear Power Institute of China，Chengdu 610213,China；2.State Nuclear Huaqing (Beijing) Nuclear Power Technology R&D Center Co., Ltd.，Beijing 100190,China)

There exist massive test data with diverse information and complex types in the process of identification of nuclear level devices.In order to sufficiently and efficiently manage,analyze and apply the data in the test production,combined the real circumstance of nuclear level devices measuring data and considered the thoughts like computer data mining classification and the information management system,a new database system is designed which meets various data and distributed data preprocessing and storage.Its key parts are the business process and data management,with processing diverse data,simplifying engineering process and improving work efficiency as the crucial of functions and with automated fault tolerance as goal while providing high compatibility interface for third-party follow-up data analysis software.The application results show that it could better realize the functions of data arrangement,analysis and application,and its stability and robustness is able to meet the specific requirements of nuclear level qualification tests.

nuclear power qualification;computer data mining；data analysis;database system；relational database

TP302

A

1673-629X(2017)10-0140-06

2016-11-15

2017-03-07 < class="emphasis_bold">網絡出版時間

時間：2017-07-19

國家科技重大專項(2012ZX 06004-012)

柳琳琳(1984-)，女，碩士，助理研究員，研究方向為反應堆力學試驗；李朋洲，博士，研究員，研究方向為反應堆結構力學。

http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1450.tp.20170719.1110.054.html

10.3969/j.issn.1673-629X.2017.10.030