長江上游河道業務處理系統設計研究

胥洪川　孫征安

摘要：為進一步提高河道業務生產效率，保證數據成果質量，設計了長江上游河道業務處理系統。該系統集成了斷面和床沙等數據的管理、處理、圖表的成果表達以及成果簡要分析計算，闡述了該系統的設計思路、數據庫分析、系統的功能應用等。相關實測數據表明：該系統數據處理和成果生成自動化程度高，成果分析數據準確，軟件界面簡單友好、功能集成化程度高，提高了工作效率，保證了數據安全。

關鍵詞：河道業務; 數據庫設計; 床沙分析; 斷面處理; 系統測試

中圖法分類號：TP391 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.07.019

文章編號：1006 - 0081（2022）07 - 0112 - 06

0 引 言

隨著社會經濟的發展，長江上游地區加速推進大中型水電站、港口碼頭建設，同時對水文泥沙監測、河道勘測等準確性與時效性提出了更高要求。河道業務數據主要包含河道地形數據、水文斷面數據、斷面床沙數據和水流流速流向數據。目前，河道斷面處理、計算與繪圖，床沙數據處理已有測繪商用軟件進行專業的分析處理，但往往需要在不同的軟件中進行多道工序才能完成。2011年，Vetter等[1]在研究河道縱橫斷面中提出快速生成河道斷面數據產品的模型和方法;郝宗澤[2]提出斷面數據處理程序設計，該系統解決了斷面數據計算難題，但設計較為單一，應用面窄;2014年，王少文等[3]提出了簡單的河道斷面處理系統，該系統對計算語言進行了一定優化，但不包含其他的河道業務工序;2015年，郭煥林等[4]基于Access2007數據庫技術開發了河道處理系統，該系統提出河道業務整合思路，但操作步驟繁瑣，設計算法冗余，逐漸不能滿足河道生產的需求。為進一步提高河道業務生產效率，保證河道數據成果質量，本文基于長江上游河道特性，進行了基于C#語言等計算機語言和數據庫技術的長江上游河道業務處理系統設計與研究。

1 需求分析

1.1 系統需求

長江上游河道業務處理系統需做到布局簡潔明了、界面易于操作，處理數據高效正確，成果格式規范統一，數據存儲安全便捷。

1.2 用戶需求

河道勘測業務具有很強的時效性。勘測數據要在規定的河段、時段采集，所以年內、年際間布置多個測次。不同工程的勘測內容不一樣，同樣的工程往往包含多個項目，項目與項目之間獨立又有聯系。現有的部分河道數據處理軟件算法較為冗余，不利于河道業務處理水平的提高。長江上游河道業務處理系統必須適應河道勘測特點，對河道勘測數據進行有效管理，能夠流水線、高效率地生成滿足規范要求的河道勘測成果。

2 總體設計

長江上游河道業務處理系統基于微軟的.Net平臺開發設計，在C/S模式、聯網狀態下運行。數據庫選擇安裝在數據庫服務器上，和軟件系統相對獨立。軟件系統主要通過Sqlserver直接連接等方式讀取數據庫數據。選用Windows2008系統作為服務器操作系統，Windows7及以上操作系統作為工作站操作系統。

2.1 建設內容

2.1.1 基礎數據維護系統

基礎數據維護系統對軟件系統環境、參數、單位部門、人員等進行管理和配置，同時還維護整個系統的河段、項目、聲速、站點、粒徑級別等信息。

2.1.2 床沙分析系統

將床沙各種實測數據導入到長江上游河道業務處理系統中，系統通過相關算法自動生成粒徑級別成果表及泥沙顆粒級配曲線圖。

2.1.3 斷面分析系統

維護斷面信息、斷面控制點信息以及導入維護斷面控制點實測數據，對斷面實測數據進行分析，計算水位、高程、起點距，生成CAD斷面圖及斷面成果數據表。

2.2 設計語言

主要程序設計語言包含C#，XML，XHTML，VB等;系統運行平臺包含.Net Framework4.0，SQL Server2000。

3 數據庫設計

3.1 數據庫選型

目前，流行的商業化數據庫產品主要有Oracle，DB2，SQL Server，Sybase，Informix等，水利行業內各應用主要以Oracle和SQL Server為主。由于SQL Server具有良好的軟、硬件平臺兼容性，在集群技術、高可用性、安全性、海量數據管理等方面均比較成熟，且兼有速度快的特點，因此采用SQL Server數據庫。

3.2 數據庫基本內容

系統標準表結構描述包含中文表名、表主題、表標識、表編號、表體和字段6部分。中文表名表示表所描述內容的簡明文本;表主題用于進一步描述存儲在該表的數據內容、用途和意義;表標識用于識別表的分類及命名;表編號反映表的分類或表間的邏輯順序;表體以表的形式表示，包括字段名、標識符、類型及長度、是否允許空值、計量單位、主鍵序號;字段用于描述每個字段的意義以及取值范圍、數值精度、計量單位等[5]。

以斷面成果表（表1）為例，表體設計采用中文字符作為字段名，數據庫中該字段的唯一標識為標識符。該字段的數據類型和數據長度用字段類型及長度描述表示，用“Y”表示表中該字段不允許具有空值，主鍵序號一欄中，有數字的表示該字段是表的主鍵，為空表示非主鍵。

4 網絡安全設計

4.1 結構安全

運用協議隔離技術對河道業務處理系統用戶、數據處理的重要次序來分配帶寬優先級，做到網絡傳輸均衡，使系統具備冗余空間。采取SSL協議使用戶與河道業務系統之間創建數據安全機制，用戶能通過參數加密的方式向系統傳輸數據，通過用戶與系統之間傳遞SSL出錯信息。

4.2 網絡設備與訪問控制

采取系統管理用戶使用權限，分級管理用戶使用功能。系統管理員能限制網絡用戶使用權限，用戶登錄需向系統管理員申請開通權限并設置登錄賬號與密碼。若系統長時間未工作，用戶賬號則需要重新登錄。為進一步強化網絡安全，根據涉密要求建立一定涉密機制，系統采用物理隔離的方式（內網）處理含涉密信息的數據。

4.3 安全審計與入侵防范

設計日志管理模塊對用戶操作及使用情況進行記錄，可以根據記錄分析生成安全審計表，以供系統在報錯時進行系統分析。系統在網絡邊界處采用入侵檢測和防火墻產品監視攻擊行為，當檢測到攻擊行為時，記錄攻擊源IP、攻擊類型、攻擊目的、攻擊時間，在發生嚴重入侵事件時產生報警。對來自外部網和內部的各種行為進行實時檢測，及時發現各種可能的攻擊企圖，并采取相應的措施[6]。

5 系統功能設計

5.1 系統管理

系統管理主要對操作長江上游河道業務處理系統的用戶權限進行管理。系統管理主要有部門管理、用戶管理、權限管理、角色管理、日志管理以及密碼修改6個模塊[7]。

5.2 數據管理

數據管理作用于整個系統床沙和斷面數據維護，主要包含河段信息維護、項目信息維護、水位站信息維護、粒徑級別維護四大功能模塊。河段信息維護模塊主界面見圖1，主要是對河段名稱、起始點、截止點、坐標系統等信息進行維護，可添加、修改、刪除、批量導入、批量導出。項目信息維護模塊主要是對河道項目的項目名稱、所屬河段、年份、測次等信息進行維護管理，可以新增、查看、刪除項目，也可批量導入導出。水位站信息維護模塊主要是對水位站名稱、站號、起點距、坐標系統等信息進行維護，可添加、查詢水位站、可導入水位站水位數據，查看水位數據。粒徑級別維護模塊主要是對采集的沙石粒徑大小進行添加、修改、刪除。

5.3 床沙管理

床沙管理主要是對河道試坑床沙的分析，主要包括試坑信息錄入、實測信息錄入、實測數據分析、生成成果表、沙顆粒級配曲線圖查詢五大功能模塊。試坑信息錄入主要是對床沙試坑的基本信息進行管理，包括試坑名稱、所屬項目、所屬河段、橫坐標、縱坐標等諸多內容，并且可以上傳試坑周邊環境的照片。在實測信息錄入模塊中錄入試坑實測數據。實測數據分析能對事先錄入的實測數據進行系統自動分析，根據預設的算法，對數據計算、分析和處理，并自動繪制試坑的泥沙顆粒級配曲線圖（正態分布曲線見圖2）。該功能可以查看整個試坑或試坑每一層的泥沙顆粒級配曲線圖。而且，可以指定圖紙尺寸，對曲線圖進行打印操作。實測數據分析完成后，生成床沙粒徑分析成果表以供查閱，可對成果表進行導出編輯、打印等操作。

5.4 斷面數據管理

斷面數據管理主要是對河流斷面的分析以及斷面圖的繪制，主要包括斷面信息、斷面里程和聲速文件管理、實測斷面信息管理、水位計算、計算起點距和高程、成果輸出六大功能模塊組成。

（1） 斷面信息主要對斷面的基本信息以及斷面控制點進行增、刪、改、導入、導出和查詢操作，并且還可以根據要求的格式，導出斷面考證表。

（2） 斷面里程即對斷面名稱、所屬河段、斷面間距、累計距離進行統計歸納，主要運用于不同測次斷面體積差比較等操作;聲速文件管理主要是聲速起始斷面、截止斷面和預設聲速進行維護，可添加、查看、刪除、批量導入聲速數據。

（3） 實測斷面信息管理主要是導入陸上及水下斷面實測數據，水下數據包含HydroPro采集數據和Hypack采集數據，水下數據導入后可生成原始水深圖（圖3）。

（4） 水位計算即根據導入的水位信息、河道里程按照選擇的方式對導入的水下斷面數據進行水位推導，計算方式有按測點平均時間計算、按測點測量時間逐點計算、根據錄入的實測水位計算。

（5） 計算起點距和高程，在完成水位計算后，可以進行斷面起點距和高程的計算，高程通過“無溫躍層改正”和“溫躍層改正”兩種方式進行計算。在計算時系統會彈出窗口對測點進行檢查，可以根據輸入條件，進行測點去偏，測點去重，插入測點，刪除測點，核對數據后完成起點距和高程的計算。在測點檢測界面中，可以對檢測結果和水深圖進行切換展示。

（6） 成果輸出主要為繪制斷面圖與成果表，系統可對已計算的斷面進行斷面圖的批量繪制，并且可對所繪制的斷面圖導出為CAD格式圖（圖4）進行保存和打印。成果繪制的界面中，可以選擇不同的測次進行面積差和體積差的計算操作，統計斷面長度。系統可以生成斷面成果表，以Excel的方式把成果表保存到電腦中。生成的成果表、斷面圖格式滿足CSWH-2006 《河道資料匯總與提交導則》的要求。

6 系統測試與分析

6.1 壓力測試

壓力測試使用的數據上報文件： 文件大小約1 M，20個工作表，每工作表數據條目600條，單個數據文件數據量1萬條;使用MS Visual Studio 2012 Test Center分別模擬5，50，200個并發用戶的情況，單個數據上報任務的平均完成時間及頁面響應結果見表2。

在200個并發進程進行數據上報、解析和校驗的情況下，服務器端CPU占用率約50%，內存使用約200 M，硬盤寫入速度約2 M/s。

6.2 系統分析

本文通過壓力測試，有效檢驗了長江上游河道業務處理系統的穩健性和可靠性。該系統詳細分析了用戶需求，使用SQL Server數據庫技術和多種計算機語言，將床沙分析、斷面分析等多種功能集成一體，具有如下優點：

（1） 應用SQL Server數據庫技術實現了原始數據、過程數據、成果數據等屬性數據的存儲與查詢，運用C#，XML，VB，XHTML語言優化了數據中間計算，數據檢查、成果輸出等設計語言實現了數據生產高效性。

（2） 功能設計完善，系統能對各類用戶進行權限管理，為各類角色進行權限分配，有效保障了用戶數據的安全性;本系統實現河道業務的綜合管理，實現了床沙、斷面從原始數據到成果數據的一體化流程。

（3） 能夠快速生成河道業務成果，保障數據成果的規范安全，在一定程度上提升了長江上游河道業務行業水平。

7 結 語

長江上游河道業務處理系統根據上游河道勘測的工作流程進行優化設計，將斷面處理與床沙分析集合在一個軟件內，實現河道業務原始數據處理、中間過程檢查，成果分析、成果輸出一體化作業，生成合格的水文河道產品，規范了作業流程，保障了數據安全，提高了工作效率，推動了河道信息產業的發展。

參考文獻：

[1] VETTER M， H?FLE B， MANDLBURGER G， et al. Estimating changes of riverine landscapes and riverbeds by using airborne LiDAR data and river cross-sections[J]. Zeitschrift für Geomorphologie. 2011，55（2）： 51-65.

[2] 郝宗澤. 河道、堤防橫斷面測量數據處理程序設計[J]. 測繪與空間地理信息，2011， 34（5）： 168-170.

[3] 王少文，李鴻. 河道斷面測量數據處理的小程序[J]. 礦山測量，2014（4）： 60-62.

[4] 郭煥林，周儒夫，曾勇，等.長江河道勘測數據處理系統的開發與應用[C]// 水生態安全——水務高峰論壇2015年度優秀論文集.? 南京：河海大學出版社，2015：2-9.

[5] 張燕萍. 河道管理系統圖件管理的數據庫設計[J]. 科技創新與應用，2016（15）： 79.

[6] 吳明宇. 基于IPV6協議的網絡安全研究[D]. 長春：長春理工大學， 2010.

[7] 夏昕. 電信機房綜合管控系統設計與實現[D]. 南昌：南昌大學，2014.

（編輯：李 晗）

Design and research of river business processing system for upper reaches of Yangtze River

XU Hongchuan，SUN Zhengan

（Upper Changjiang River Bureau of Hydrological and Water Resources Survey， Bureau of Hydrology， Changjiang Water Resources Commission， Chongqing 400021， China）

Abstract： To further improve the efficiency of river business production and ensure the quality of data results， the Upper Yangtze River River Business Processing System was designed. The river business processing system for the upper reach of the Yangtze River integrates the analysis functions of sectional and bed sediment， such as the management， processing， and chart expression and brief analysis and calculation of results. In this paper， the design idea， database analysis and functional application of the system are described. Relevant measured data show that the system is high automation in data processing and results generation， accuracy in results analysis， simple and friendly in interface， high in function integration， and can improve the work efficiency of technical personnel and ensure the safety of data.

Key words： river business; database design; bed load analysis; section treatment; system test