變形監測信息管理系統的集成化設計

摘要：在地表變形監測工作中，由于變形觀測的周期性和長期性必然會積累大量的數據和信息，如何對這些復雜而龐大的監測資料進行有效的管理和及時的計算分析，關系到變形的穩定性評價和動力學預報工作的質量。針對大地測量法周期性變形監測數據處理過程中的一些問題，提出系統軟件集成的思想，即在Visual C++開發平臺下，集成Access、MATLAB、MapObjects、Office等優秀軟件和功能，為變形監測信息管理系統集成的總體框架及其核心體系設計合理的思路和技術路線，為進一步開發和研制該系統提供了具體方案。

關鍵詞：變形監測； 信息管理系統； 軟件集成； 設計

中圖分類號：TP311

文獻標志碼：A

文章編號：1001－3695(2008)06－1904－04

隨著信息技術的飛速發展，信息系統日趨大型化、復雜化，表現在其組成的子系統的數量增加、關聯程度日益復雜及系統涉及的學科和技術的多樣性等方面。對這類復雜信息系統已不能單純地用軟件工程方法，而需應用系統工程的方法和思想加以解決，即必須站在系統的高度應用綜合集成方法對復雜系統進行組織和設計。因此，系統集成已經成為現代信息技術的關鍵環節。對一個變形監測軟件系統，采用系統集成思想，主要實現以下兩個方面的集成：a）數據集成。變形監測數據多種多樣，數據之間關系復雜，各種儀器記錄的數據格式各異，它們反映的是變形體變形的各個不同的側面。在一個變形監測系統中，需要對各種相關的數據按統一格式聚集到一起，實現信息的共享和對信息的綜合應用，即數據集成。b）軟件集成。通常情況下，應用軟件系統的開發過程包括需求分析、設計、編碼、測試和維護等幾個階段。如果每個系統的開發都是從頭開始，則在系統開發過程中將存在大量的重復勞動。這種重復主要集中于通用基本構件和領域性基本構件的開發上。一個變形監測軟件系統除了需要有強大的數據管理功能外，還需要進行大量數值計算，以及圖形處理、報表生成等功能。其中任意一個功能的實現都需要花費大量的勞動，而且難以保證軟件的質量。如果采用系統集成的思想，在成熟軟件中選擇其需要的產品，將其集成到自己的應用軟件中，就能使自己的軟件也具有相應的功能。這種方法可很大程度提高軟件的開發效率，避免巨大的重復勞動并使軟件的開發費用大幅度降低。

1總體設計

變形監測信息管理系統（deformation monitoring management information system，DMMIS）主要是針對大地測量法周期性變形監測工作中監測信息的管理、計算和分析而設計的。

1．1系統設計原則

1）實用性原則確立以實用為主要目標的思想，從變形監測實際出發，以解決變形監測數據處理過程中的實際問題為目標，在實用的基礎上使系統功能不斷完善、擴充、更新。

2）先進性原則采用先進的思想、方法和技術進行系統的研制。例如采用先進的數據庫訪問技術、面向對象技術、軟件集成技術等代表計算機系統發展方向的技術和方法，使系統具有先進性。

3）可靠性原則系統應當具有一定的抗干擾能力、容錯能力和糾錯能力，能夠保證系統在各種干擾條件下正常運行。

4）人機交互界面友好原則各種界面應符合Windows設計風格且布局合理、規格統一。

1．2數據處理流程

變形監測工作的數據處理流程如圖1所示。其主要包括以下三個過程：

a）變形監測方案設計及變形監測網優化設計。合理設計變形監測方案是變形監測的首要工作。對于周期性變形監測網的設計而言，其主要內容包括確定網的觀測質量標準、選擇觀測方法、點位的最佳布設和觀測方案的最優選擇。

b）變形觀測及數據處理。通過周期性變形觀測采集的數據首先要經過各種改化并剔除粗差后才能進行監測網的穩定性檢驗平差及變形點的位移向量計算等，最后獲得各點的變形大小和速率。

c）變形分析、評價及預測。通過對各種變形監測計算成果整理可獲得各種變形曲線等圖表，再通過變形分析可評價的穩定性，從而對滑動進行預測。

1．3系統邏輯結構設計

通過分析變形監測工作流程和數據處理流程，可以設計系統的邏輯結構，如圖2所示。

1．4系統功能設計

系統主要功能包括數據管理、方案設計、數據預處理、平差計算塊、變形分析、成果輸出。其系統的總體功能設計如圖3所示。

1．5系統總體界面設計

主界面設計如圖4所示，主要由五部分組成，即菜單、工具條、狀態條、圖形窗口、數據輸入窗口和數據輸出窗口。圖形窗口用于設計圖的繪制、誤差橢圓等的顯示。數據輸入窗口主要用于各周期觀測數據的表格化輸入。數據輸出窗口用于輸出各周期計算成果。

1．6系統的集成方案設計

本系統采用系統集成的思想，聚集MATLAB、MapObjects、Office等優秀的軟件和功能，實現系統所需的數值計算、圖形處理、報表輸出等功能。集成方案如圖5所示。

由于MapObjects、Office集成均采用相對簡單的ActiveX面向對象的軟件集成技術，本文在這里只闡述相對復雜的MATLAB C++函數庫集成思路。

在MATLAB環境下用mbuild命令來配置MATLAB C++函數庫。配置過程如下：

a）在MFC應用程序中包含使用MATLAB C++函數庫所需的頭文件和庫文件目錄；

b）在MFC應用程序中添加使用MATLAB C++函數庫所需的庫文件；

c）在MFC應用程序中要使用MATLAB C++函數庫的文件中包含頭文件matlab.hpp。創建mwArray接口類對象，調用MATLAB C++函數庫中的函數和功能。

2變形監測資料數據庫設計

變形監測資料數據庫是本系統的基礎和核心。數據庫設計質量的好壞對數據庫的完整性、安全性、應用程序的設計和整個系統的效率及資源利用有著直接的影響。因此，設計一個內容豐富、結構合理的變形監測資料數據庫，是系統可否完整實現的關鍵因素。

2．1數據庫設計原則

為了將數據科學合理地組織到計算機數據庫中去，必須對數據庫進行精心設計。在設計過程中，要全面地顧及數據完整性、數據冗余度、數據庫安全性、數據庫穩定性、數據庫響應速度等原則。

1）數據完整性強要能大量存儲各種觀測數據、中間數據和計算成果等信息，還要能存儲其他相關的輔助信息。

2）數據冗余度小數據庫存儲空間的多少，是其結構設計的重點問題。盡量減少數據冗余，以降低投入資本，同時兼顧數據庫的查詢速度，保留必要的部分冗余。

3）數據庫安全性高采取對用戶存取權限進行控制、核對口令鑒別用戶身份、重要數據加密等措施有效地保護數據庫，防止不合法的使用。

4）數據庫穩定性優要求數據庫管理模塊的融入性強，與系統其他各模塊協調工作，使系統始終處于良好的運行狀態，以免導致整個系統的崩潰。

5）數據庫響應速度快數據處理過程中需要頻繁操作數據庫中的數據，因此要求數據庫具有一定的響應速度。

2．2數據庫管理系統的選擇

在PC機上運行的數據庫管理系統（DBMS）有很多種，當前流行的主要有Microsoft SQL Server、Oracle、Microsoft Access等，它們幾乎都是關系型的數據庫管理系統。選擇何種DBMS主要取決于數據庫的規模、安全性和性能要求等。Microsoft Access是一個開放式的數據庫管理系統，是Microsoft Office套裝軟件之一，與其他Office軟件高度集成。系統設計主要使用DBMS來存儲數據庫中的數據，而數據的更新、查詢等都是在應用程序中完成，對DBMS的性能和安全性要求不高。另外，系統主要是針對一般的工程技術人員，所以要求DBMS要比較普遍和通用。因此，系統選擇用Microsoft Access來建立變形監測數據庫。

2．3變形監測信息數據庫設計過程

數據庫規范化的設計過程一般有需求分析、概念結構設計、邏輯結構設計、數據物理結構設計以及數據庫的實施、運行、維護等幾個階段。

2．3．1需求分析

需求分析是數據庫設計的基礎階段。這一步的目標是通過對用戶的信息需求及處理需求的調查分析，得到數據庫設計所必需的需求信息，即數據庫中需存儲哪些數據、輸入數據的來源、輸出的數據格式。

為了監測變形，需要布置平面監測網和高程監測網，定期進行觀測。對區域的變形觀測點，要定期進行水平位移觀測、沉降觀測以及相關的氣溫、氣壓等大量環境因素的觀測。這些觀測數據是描述變形狀態及變化的工程數據，具有數據量大、種類多、數據之間關系復雜等特點。觀測數據可以通過手工記錄在記錄薄上，也可以存儲在各種儀器自定義的特定格式的文件中。

對觀測數據的處理、分析可以得到許多有意義的中間數據和計算成果，如對參考網穩定性分析可以得到各參考點的穩定性，對邊長、方向觀測值的平差計算可以得到觀測值的精度、多余觀測量以及目標點的坐標及其精度等各項質量指標。筆者需要在數據庫中保存這些數據，以便數據的快速查詢和報表的生成等。另外還有一些圖形數據，如地形圖、監測網網圖、誤差橢圓圖、位移矢量圖等也需要存儲。但是，由于圖形數據字段大小不固定，難以存儲在關系數據庫中，將圖形數據存儲在特定格式的二進制文件中（如SHAP文件、CAD文件等），而只在關系數據庫中存儲文件的路徑和屬性等信息。

從以上分析可知，在一個變形監測資料數據庫中需要存儲整個工程項目的描述性數據、變形觀測數據、計算分析的結果以及圖形數據等。這些數據可以通過鍵盤輸入，也可以通過文件的方式導入數據庫中，根據用戶的具體需要再從數據庫調出相關數據以報表和圖形的方式輸出、打印或另存為其他格式的文件（如Word文檔）。

2．3．2概念模型

概念化設計是在信息分析和功能處理要求的基礎上建立數據庫的概念模型。它與具體的DBMS及實現該DBMS的模式無關，與建庫的物理組織、物理設備無關。

概念化設計常用方法是著名的E－R（entity－relation）方法。其概念有實體、屬性、聯系。E－R圖是直觀表示E－R模型的有力工具，圖中有四個基本成分，即矩形框表示實體類型（考慮問題的對象）、菱形框表示聯系類型（實體間的聯系）、橢圓形框表示實體的屬性、直線表示聯系類型與其所涉及的實體類型之間的聯系并在直線上標注聯系的種類（l－l、l－N、M－N）。

根據變形監測的具體情況，確立變形監測資料數據庫概念模型實體間的關系，用E－R圖描述如圖6所示。

2．3．3數據模型

邏輯結構設計階段是將基本E－R圖轉換成具體的DBMS支持的總體邏輯模式，即數據模型。對關系模型而言，就是將E－R圖模型向關系模型轉換。邏輯結構設計是數據庫設計的重要階段。其具體步驟如下：

a）依據關系模型設計的若干準則將E－R圖轉換為初始關系模式。

b）依據關系規范化理論對初始關系模式進行規范化處理。規范化的目的是減少乃至消除關系模式中存在的各種異常，改善完整性、一致性和存儲效率。

c）從功能和性能兩方面來評價關系模式是否完全滿足需求。

d）根據模式評價結果，對已生成的模式集進行修改和優化。

依據以上步驟，對全局E－R圖進行轉換和反復評價、修改，得到最終的Microsoft Access關系數據庫管理系統所支持的數據模式如下：

a）網點信息（點號、點名、類型、坐標、埋設日期、標墩類型）；關鍵字：（點號）。

b）周期信息（周期號、觀測日期、人員、儀器、方向中誤差、測距固定誤差、測距比例誤差、先驗單位權中誤差、后驗單位權中誤差、整體精度、整體可靠度、整體靈敏度）；關鍵字：（周期號）。

c）水平觀測記錄（周期號、測站點、照準點、測回、度盤、水平角、豎角、斜距、溫度、氣壓、濕度）；關鍵字：（周期號、測站點、照準點、測回、度盤）。

d）高差觀測記錄（周期號、前視點、后視點、前視讀數、后視讀數）；關鍵字：（周期號、前視點、后視點）。

e）方向觀測值（周期號、測站點、照準點、方向觀測值、方向改正數、方向平差值、方位角、方位角中誤差、多余觀測分量、內部可靠性、外部可靠性）；關鍵字：（周期號、測站點、照準點）。

f）邊長觀測值（周期號、測站點、照準點、邊長觀測值、邊長改正數、邊長平差值、邊長中誤差、邊長相對中誤差、多余觀測分量、內部可靠性、外部可靠性）；關鍵字：（周期號、測站點、照準點）。

g）高差觀測值（周期號、起點、終點、測站數、高差觀測值、高差改正數、高差平差值、高差中誤差）；關鍵字：（周期號、起點、終點）。

h）參考點成果（周期號、點名、坐標值、位移量（Dx、Dy、Dz）、點位精度、點位精度誤差橢圓參數、局部相對精度、局部相對精度誤差橢圓參數、靈敏度、靈敏度橢圓參數、穩定性）；關鍵字：（周期號、點名）。

i）目標點成果（周期號、點名、坐標值、位移量Dx、Dy、Dz、點位精度、點位精度誤差橢圓參數、局部相對精度、局部相對精度誤差橢圓參數、靈敏度、靈敏度橢圓參數）。關鍵字：（周期號、點名）。

3優化設計方案

系統優化設計過程大體可分為六個部分，即初始方案、數學模型、終端顯示、人機對話、調整方案和結果編輯。優化設計的構建流程（圖7）為：首先在地形圖上繪制監測網網圖，對設計圖進行參數設置，并生成模擬的觀測數據；接著對觀測數據進行平差和各項質量標準及觀測值影響系數的計算，以數字、圖形和報告的形式輸出各項計算成果；然后通過對計算結果的評價，參考觀測值影響系數提供的信息，對初始方案進行修改，再進行實時計算并修改。如此多次重復，直到設計者滿意后，最后編輯并保存最終設計成果。

4結束語

本文針對大地測量法周期性變形監測傳統的數據處理方法存在的一些問題，提出系統軟件集成的思想，即

集成MATLAB、MapObjects和Offiece等優秀軟件和功能，對變形監測信息管理系統的總體結構和數據庫作了合理設計，為進一步開發該系統提供了具體的思路和明確任務。

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