水利软件系统技术方案及设计说明书.docx

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水利软件系统技术方案及设计说明书

青年运河管理信息系统

水雨情测报系统技术方案及设计说明书

深圳市鸿和达水利水环境有限公司

2013年9月25日

一、系统概述

本系统的软件设计方案从用户需求出发，首先分析中心站的系统结构和信息流程，在此基础上提出软件的总体方案、体系结构，随后分析数据可靠性，最后分析设计软件各部分功能和结构。

1.1用户总体需求

本项目关于分管理所软件集成的建设任务包括：

1、遥测主控站接收处理软件

实现水情分中心遥测主控站所有功能。

2、后台查询系统软件

基于B/S结构开发水情分中心的水雨情信息后台查询系统，主要功能包括（但不限于，有待在开发时与具体用户沟通需求以完备）：

遥测站实时信息原始报文查询；

雨量数据的实时表、加报表、整点表、日报表、月报表的查询、输出等；

系统运行状态包括：

通信畅通率、误码表、正点报延时、遥测站电源状态等统计、查询；

雨量、遥测站电压系统等告警信息提示功能；

人工修改、删除、插补数据功能。

1.2系统总体部署

本系统数据由终端测站采集，首先汇集到各分中心站，进行整合后通过网络存入省水文局中心综合数据库；中心站控制终端的运行；测站向中心站校时；从数据流和控制流上，中心站与终端测站间是星型结构。

各分中心站和省水文局之间是星型结构。

1.3软件系统结构

水情自动测报系统软件采用C/S和B/S与大型数据库SQLSERVER相结合，具有较好的人机交互界面和海量数据的存储性能，是水情分析和预报系统的基础，省水文局和各水情分中心的各种决策支持系统和各种应用系统都是构建在该系统的基本信息之上。

本系统软件的设计和开发紧密结合水情管理的实际工作需要，可以方便地查询水情、旱情、咸情、工情等实时数据，并进行相应的处理，生成统计数据，为水情测报和预报工作提供基础数据，同时具有标准的数据接口，有较强的通用性。

之所以采用B/S和C/S相结合的系统结构，是由各部分应用的环境和B/S和C/S结构特点所决定的。

B/S最大的优点就是可以在任何地方进行操作而不用安装任何专门的软件。

只要有一台能上网的电脑就能使用，客户端零维护。

系统的扩展非常容易，只要能上网，就可以使用。

C/S最大的优点是可以通过将任务合理分配到Client端和Server端，降低系统的通讯开销，可以充分利用两端硬件环境的优势。

能够根据用户需求定制复杂的应用，对操纵数据的控制也较灵活，但存在Client端跨平台的问题，系统维护也较复杂。

通信值守和监控、远程管理和固态取数、数据库维护和文件传输三部分的算法复杂度、本身占用系统资源都比较高。

并且这三部分的操作和维护需要专门人员。

因此这三部分和服务器间采用C/S结构。

信息查询和修改服务提供给广大用户的信息查询服务，由于用户的数量大、使用环境差别较大，计算机水平不一。

所以采用B/S模式，用户只需要浏览器软件，就可访问信息查询服务系统网站，检索所需要的水情信息，测站信息。

查询所要的报图、报表。

1.4软件工作原理

中心站采用数据采集电脑接收数据，安装本公司提供的数据采集软件，正常情况下使用主电脑接收数据，当主电脑出现故障时，可以使用备份电脑进行数据接收，实现双机备份，保障无数据丢失。

中心站软件工程原理如下图所示。

数据采集软件首先接收所辖区域的遥测站发送来的水情数据，然后数据经过解码处理保存到本地水情中心站实时水雨情库和原始记录库，再写入到后台主数据库中，同时将数据保存为一定格式的文本文件和进行数据备份，随后通过本公司提供的软件实现中心站的数据共享。

最后，通过读取主数据库，对数据进行分析，生成各式数据模型，方便用户使用，此外，本系统还提供WEB数据发布软件，对采集到的数据实时发布到WEB上，方便用户查询浏览。

二、软件总体设计

2.1软件的模块化结构

综合考虑用户对中心软件的需求和软件的可靠行、可扩展性、实用性。

提出以数据库为核心的遥测信息平台解决方案。

总体结构图如下图所示。

遥测信息平台由六大功能模块组成：

通信值守和监控功能模块；远程管理和固态取数功能模块；信息查询、修改服务功能模块；数据库管理和二次开发接口功能模块；流域雨量等值线绘图功能模块；告警功能模块。

1、通信值守和监控进行数据通信和数据入库

通过数字专线或GSM/GPRS兼容模块，实时接收各水情站、旱情站、咸情站以及工情站监测数据

对信息进行解码并进行合理性、正确性判断，能根据水利局的要求存储到其指定的数据库

根据遥测站采集设备工作状况及数据，分析遥测站的工作状况，对系统运行状况进行监视

2、远程管理和固态取数完成远程读取和设置终端参数、远程提取固态存储数据

远程向遥测站下发指令，命令遥测站批量上传固态存储数据或修改遥测站参数

将遥测站传来的固态存储数据处理成相应的数据格式，形成文本文件

终端信息管理

将本地存储的实时水雨情数据整理为固态存储数据文件形式

3、数据库管理和二次开发接口

数据库设计根据实时水雨情数据库表结构标准，并结合实际情况进行调整；

提供数据库修改以及人工数据添加的处理功能，可以进行数据的显示以及打印设置，动态更新数据库的内容，用户可在网络任一计算机使用Excel报表编辑器编辑、修改、打印数据库数据，留有开放的数据库接口，提供系统综合软件平台后续开发利用，支持用户二次开发；

提供正点、加报数据文本文件远程传送（FTP方式）对外提供数据接口；

本地数据库的维护，提供数据备份和恢复控制、用户权限控制。

4、信息查询修改服务

提供本地查询和统计管理功能，包括实时数据、整点数据、水雨情加报、测站工作状况、通信畅通率

提供遥测站属性、参数管理功能，站点增减功能

提供人工填补数据功能

可以直接在局域网内查询遥测数据，监测系统的运行状态

查询、检索雨量水情数据的历史、实时数据，查询、检索设备工作状态、告警记录信息。

支持用户二次开发，本系统提供如下报表：

实时雨量报表；

各测站逐时雨量报表；

各测站逐日雨量报表；

各测站逐月雨量报表；

各测站逐年雨量报表；

实时水位报表；

逐时水位（河道流量/库容）报表；

逐日水位（河道流量/库容）报表；

逐月水位（河道流量/库容）报表；

畅通率统计表；

设备状态表。

2.2数据库方案

1、数据库内容

本系统中心站数据库分为前置机数据库和服务器数据库。

服务器数据库（后台库）是由前置机数据库（前台库）处理、添加来的。

前置机数据库一般只保留一段时间接收的数据（一般几个月），这样数据库访问数据块不影响通信。

服务器保存系统生命期内的所有数据。

前置机数据库存放近期接收的原始测站纪录、人工报文信息、错误报文信息。

前置机数据库仅在前置机上使用，是数据处理的初步结果，是遥测站数据的中转站。

服务器数据库存放的内容包括实时水情数据、测站参数数据、系统运行日志和用户管理数据等。

用于向预报作业用户和查询访问用户提供数据。

数据库表结构采用国家防汛指挥系统统一定义的表结构，前置机数据库是按照实际应用原则建立的，各数据库表结构采用国家实时水情数据库标准结构。

并统一采用测站8位编码。

2、数据库管理系统

前置机数据库只保留近期的数据。

并且在进行数据库的操作时应不影响各通信接收数据。

因此不宜使用管理复杂的大型数据库管理系统-----如SQLServer等。

因为这些系统运行占用系统的资源较大，容易影响前置机的通信。

因此选择与Microsoft产品良好兼容的Access作为本地数据库管理系统。

服务器数据库管理系统采用MicrosoftSQLServer2008系列。

它具有基于图形的管理方式、集中式的管理方式、支持多客户应用程序、支持多个不同的开发平台、支持分布式事物处理、支持数据仓库、可运行于NT和Windows2008/XP系统、相对低廉的价格等特点。

这些特点使它迅速取代DB，Sybase，Informix等公司而雄踞业界榜首。

基于SQLServer所拥有的诸多优点，再加上与NT/2005/2008系统的完美结合，水利部已规定以SQLServer作为标准的数据库管理系统。

3、数据库数据安全设计

数据库分为前台库和后台库两部分，充分考虑了数据通信接收和数据库服务的可靠性来设计的。

前置机接收到数据后首先保存在本地库（前台库）然后添加到后台库。

这可能显得多此一举，为什么不直接添加后台库。

前置机和服务器一般是连接在同一局域网的两台微机。

如果前置机取得数据后直接添加到服务器，在通讯繁忙的时候可能丢失数据。

再者如果网络出现问题，也会造成数据丢失。

采用数据接收后先保存在本机服务器、然后添加到后台数据库的方式就避免了这种导致数据丢失得情况的出现。

数据库是数据采集系统的中心，数据库的安全对系统是至关重要的。

要保证数据库的安全，就要做好数据库的管理和维护。

建立合理的数据库访问权限和机制

及时备份数据库数据和结构

数据库日志维护

2.3操作系统选择

操作系统是整个系统运行的核心和灵魂，它能够将一台计算机各个部分以及计算机与众多外设有机地管理起来，同时，它也决定了应用软件的运行环境，使应用软件能够与各硬件部分协同工作。

目前使用较多的桌面操作系统有Windows系列、UNIX、OS/2以及新兴的Linux等。

这些操作系统经过长期应用证明是比较完善和稳定的，且在系统各方面的管理上都有各自的特点。

由于本系统在操作系统的选择上要重充分考虑到各地实际情况，以应用范围广、成本低、界面友好、操作简单作为基本原则。

Windows系列是微软公司推出的一系列操作系统产品。

凭借强大的实力和先进的技术，微软公司近些年来先后开发出了适合于个人和小型机构管理的Windows95/98以及适合于大型企业管理的网络操作系统WindowsNT，特别是Windows2008的出台，更是将NT的强大的管理功能和Windows98为用户带来的灵活简便的操作能力完美地结合在一起，为企业和个人提供了完整的管理解决方案。

由于Windows系列兼容性好，适用范围广，安全性高，价格适中，使用维护简单，运行可靠稳定，服务及时迅速，第三方支持产品众多，使其成为市场份额最多，用户范围最广的一种操作系统。

由于目前水利部门普遍使用Windows系列作为桌面操作系统，为了最大程度地利用现有资源，也为了系统易于使用和管理，故而采用Windows2008操作系统。

三、软件可靠性分析和设计

3.1环境可靠性设计

在本次系统中，中心站配置一台PC服务器。

考虑到要保证数据不会为意外病毒、木马、黑客攻击或其他意外所破坏，首先要在此服务器上最少安装2个硬盘，两个硬盘相互热备份。

其次此pc服务器数据库的数据备份到本地联网的其他计算机上。

这样提供了双重的系统保护，即当服务器的当前系统不能运行或硬盘损毁，马上可以切换到第2个硬盘运行系统，并能保证系统数据不丢失。

一旦PC服务器2个硬盘数据均遭破坏。

还可以从联网的其他微机将数据库恢复。

结构示意如下图所示。

在当前病毒层出不穷、木马升级换代、网络攻击时有发生的环境下，要使软件安全可靠的运行，保证一个可靠安全的运行环境很重要。

首先要求操作系统运行安全稳定。

其次要求屏蔽无关的垃圾数据流，再则要求实时监控系统是否感染病毒。

为达到以上目的拟采取如下措施。

操作系统的定时自动升级，防止操作系统漏洞为病毒、黑客利用；

安装服务器防火墙，按本机要求设置开放端口和服务，屏蔽无关数据流；

在服务器本机安装可自动更新杀毒库的应用效果好的杀毒软件，一旦本机因文件拷贝或其他操作感染病毒及时发现和杀除。

3.2应用软件自身可靠性设计

在运行环境稳定安全的情况下，自身应用软件的稳定至关重要了，为保证软件自身的稳定可靠采取了如下措施：

选择成熟、可靠的操作系统、数据库和其他支撑软件环境；

从软件的需求到设计、实现、测试遵循软件工程；

设计和实现过程重视意外情况的处理；

程序设计中应用意外恢复机制；

3.3数据可靠性

数据采集过程中，从数据的采集、传输、存储、发布。

各个环节都涉及到数据的可靠性。

这里说的可靠性指从中心站通过一定信道接收数据开始，到数据入库、数据传送到省水文局。

过程中的数据可靠性问题。

可靠性首先保证数据的完整性，也就是保证数据在传输、处理过程中不丢失。

传输过程不丢数要求传输过程要有确认机制，处理过程不丢数要求每条接收数据的处理都有结果，处理过程正确、完整。

可靠性要求数据的正确性，正确性要求数据在传输过程不改变，处理、存储过程没有漏洞。

可靠性要求数据安全，所谓的安全要求数据在传输、处理、存储过程中不被删改、窃取。

为保证数据的安全可靠，我们有如下设计：

终端、中心间确认机制保证数据传输的完整性

数据传输中每帧校验、纠错，数据重发机制保证数据正确性

数据库修改访问的身份验证机制，防止数据访问过程中被删改

为防止传输中数据被窃，根据传输带宽等因素可以考虑进行数据加密。

3.4固态存储数据的可靠性

固态存储数据是水文整编的重要资料，因此保证固态存储数据的完整可靠非常重要。

所谓的固态存储数据指每个遥测站保存在非易失存储芯片或仪器上的本遥测站每5分钟的雨量数据以及其他水文数据。

数据的特点是数据密度大，可用来全面分析监测状况。

我们通过保证每次数据传输的可靠和数据的完整性，来为固态存储数据做备份。

测站每次传输数据包括当前时段每5分钟的雨量数据以及其他数据整编要求的数据。

校验和重发机制保证每次发送到中心的数据的正确和完整性。

如果一次发送不成功则将数据保存，等到下一个时段继续发送。

依次类推直到数据发送成功为止。

依照这种数据传输机制,可以保证发送到中心站的数据完整，可以用于数据整编。

相当于在中心站为每个遥测站建立了一份固态存储数据的备份。

一旦固态存储数据由于硬件损坏无法提取，则可以通过中心数据的处理，获得完整的固态存储数据。

四、软件功能

遥测系统软件由遥测信息接收处理软件、水情信息查询处理软件前后台两个软件组成。

对于通信接口和实时数据的处理，在后台软件遥测信息接收处理软件进行；对于信息展示，在前台软件水情信息查询处理软件进行，包括各种报表图形的生成，系统报警信息监控。

4.1遥测主控站接收处理软件

中心站软件是遥测（召测）系统的核心，其分为通信值守和监控功能模块、远程管理和固态取数功能模块两部分，其主要任务是：

实时接收全部测站的水雨情数据；

远程向测站发送数据传输命令，命令遥测站上传固态存储数据；

对信息进行解码并分析遥测数据正确性、分门别类将各种数据入库；

本地存储原始遥测数据；

根据测站采集设备工作状况及数据，分析测站的工作状况，对系统运行状况进行监视；

远程实现对测站工作参数的修改，合理安排测站的定时自报时段雨量报送值，遥测站现场能修改的参数原则上在远程也能修改；

提供本地查询和统计管理功能，包括实时数据、整点数据、水雨情加报、测站工作状况、通信畅通率等；

提供遥测站属性、参数管理功能，站点增减功能；

提供人工填补数据功能。

完成网页查询功能。

可以直接在局域网内查询遥测数据。

监测系统的运行状态。

（1）通信值守和监控功能模块：

主要功能：

1、通过数字专线或GSM/GPRS兼容模块，实时接收测站的水雨情数据

通过数字专线接收数据

通过GSM/GPRS模块接收数据

专线和模块间的信道转换

2、对信息进行解码并进行合理性检查、分门别类将各种数据入库

接收数据的解码和校验

接收数据的合理性检查

原始数据的入库

自报、加报数据的入库

人工置数的入库

3、根据遥测站采集设备工作状况及数据，分析遥测站的工作状况，对系统运行状况进行监视

测站工作电压监控

测站发送数据间隔时间监控

测站数据合理性监控

技术实现：

采用将数据通信接收和数据显示、处理入库分开来实现，数据通信用VisualC++开发的DLL来实现。

数据显示、处理入库部分用VisualBasic来实现。

这样实现好处在于利用了VC可以对底层进行灵活操作、控制的特点，用VB开发显示入库则利用了VB对数据库操作简单可靠、界面开发美观速度快的优点。

采用DLL来实现通信部分方便通信模块的修改和升级、方便代码的复用。

软件架构：

系统界面图：

（2）远程管理和固态取数功能模块

主要功能：

1、远程向遥测站下发指令，命令遥测站批量上传固态存储数据或修改遥测站参数

遥测站测站参数的修改和确认

遥测站固态数据的提取和删除

固态数据提取中断保护、遥测站开机时间的设定

2、将遥测站传来的固态存储数据处理成相应的数据格式，形成文本文件

固态数据处理、保存文件

固态数据的合理性标示

3、终端信息管理

提供遥测站属性、参数管理功能

站点增减功能

4、将本地存储的实时水雨情数据整理为固态存储数据文件形式：

按照用户设定查询实时水雨情库，取得所需的数据

将数据处理，按照制定的固态数据文件形式存成文本文件

界面图：

（3）对外数据接口

本软件系统中提供数据接口的方式有两种：

一种是直接通过开放水情数据库，外部程序可通过直接连接信息采集系统的数据库来取得水情数据；另一种方法，外部程序可通过SOCKET技术，连接接水情数据采集前置机的3600端口，建立阻塞式连接，此过程需要进行密码验证身份，连接建立成功后，外部程序可实时取得水情数据采集前置机实时接收水情数据包，数据包的格式固定的。

4.2后台查询系统软件

中心查询软件是整个系统应用的核心，由信息查询和修改服务功能模块、数据库维护和文件传输功能模块组成，其主要任务是：

采用B/S方式图形化查询的实时水雨情数据；

可以单站或者多站批量查询雨量数据；

提供本地查询和统计管理功能，包括实时数据、整点数据、水雨情加报、测站工作状况、通信畅通率等；

提供管理界面，由系统管理员进行遥测站属性、参数管理功能，站点增减功能；

提供人工填补数据功能。

1、信息查询、修改服务功能模块

主要功能：

提供本地查询和统计管理功能，包括实时数据、整点数据、水雨情加报、测站工作状况、通信畅通率

（1）、雨情信息查询

雨情信息查询功能指将数据数据库中的雨情数据通过WEB的方式显示出来，包括实时数据显示、历史数据查询功能及雨情数据报表。

水雨情信息查询主要包括以功能：

降雨量测点导航地图

实时降雨量显示功能，实时显示当前区域的降雨量（今天的8时到昨天的8时）。

时段单站降雨量查询，分为时段降雨量总量查询、逐年降雨量查询、逐月降雨量查询、逐季降雨量查询、逐日降雨量查询、逐时降雨量查询、逐条降雨量查询。

时段多站降雨量查询，分为时段降雨量总量查询、逐年降雨量查询、逐月降雨量查询、逐季降雨量查询、逐日降雨量查询、逐时降雨量查询、逐条降雨量查询。

时段单、多站降雨量柱状图

查询、检索雨量、水位、流量历史、实时数据；

查询、检索设备工作状态、告警记录信息。

（2）、水情信息查询

水情信息查询功能指将数据数据库中的水情数据通过WEB的方式显示出来，包括实时数据显示、历史数据查询功能及水情数据报表。

实时水情查询，包括河道、水库等测点导航地图。

时段水情过程线。

实时雨量报表；

各测站逐时雨量报表；

各测站逐日雨量报表；

各测站逐月雨量报表；

各测站逐年雨量报表；

畅通率统计表；

设备状态表。

（3）、运行情况查询

本功能是查询系统的运行情况，用WEB页面的方式表达出来，同时可查询实时各站点的运行情况。

（4）、通信畅通率统计

提供人工填补数据功能

（5）、凭管理权限登陆

在进行远程管理和固态取数时，有管理权限的用户才能对系统进行配置，而数据查询则不需要。

（6）、人工添加、修改、删除数据

可以直接在局域网内查询遥测数据，监测系统的运行状态，些项功能只能是管理员使用，同时系统会对所有操作动作登记到日志文件，以备查询。

（7）、运行状态监查

能实时查询出设备的运行状况。

2、图形显示功能模块

流域雨量等值线绘图软件：

完成面雨量分析，降雨量等值线勾绘功能。

站点分布图、网络结构图图形显示；

流域图：

降雨量、水位动态刷新显示；

实时雨量动态过程曲线图；

面雨量染色图；

实时流量过程线图；

站点参量柱状图.（参量：

雨量）

3、数据库维护和文件传输功能模块

主要功能：

（1）、提供正点、加报数据文本文件远程传送（FTP方式）提供对外数据接口

未传送数据的打包成文本文件

文本文件的传输

传输失败的处理

（2）、本地数据库的维护

对本地库进行分表和数据分割

数据库备份、清除事务日志

4、自动报警模块

本功能是软件自动查询出水位或雨量报警信息，用WEB页面的方式表达出来，进行实时报警，实时监控报警包括：

设备运行异常报警

可以查询实时各站点的历史报警情况。

技术实现：

采用B/S体系结构

用于WINDOWS操作系统配合完好的ASP.net+JavaSCRIP来实现

用WINDOWSSERVER自带IIS做WEB服务

4.3闸门监控软件

监控软件配置美国GE公司的CimplicityHMI6.1。

在中央控制室能够随时监视整个调污站的运行状态，显示各种检测值及参数。

CimplicityHMI是GEFanuc在数十年工业自动化经验积累基础上，与微软合作开发的业界最优秀的人机界面软件之一，CimplicityHMI运行于Windows2000/XP平台,采用Win32标准和32位代码，是真正的客户/服务器体系结构。

CimplicityHMI具有许多特性和优点：

◆易学易用的监控画面编辑功能

◆支持拖放和动态测试

◆内嵌3000多种常用图库，

◆允许导入OLE、Metafile、ActiveX对象

◆支持OPC、ODBC开放数据库连接、DDE

◆丰富的报警功能

◆强大的日志功能

◆同类产品无法比拟的开放性，可以与数千种第三方厂家的PLC、DCS、仪表等互连

◆另外它还提供了动作日历（定时执行特定任务），SPC（统计过程控制，用于过程质量分析与控制），历史数据分析，配方，寻呼机，远程浏览，冗余等丰富的功能选项

一、采用标准的WindowsXP平台

CimplicityHMI6.1运行于WindowsXP平台。

GEFanuc是Microsoft解决方案提供商，也是微软开发网络中的一员，所以GEFanuc与Microsoft始终保持着技术上的同步。

GEFanuc最新推出的CimplicityHMI–PlantEditionTMVersion6.0支持所有的微软的最新技术，例如OPC、ODBC、COM、DCOM、DNA、ActiveX。

由于Cimplicity能够很快吸收微软的各种最新技术，选择Cimplicity作监控软件可以使用户的系统能够步步紧跟操作系统软件技术的日新月异，而不至于落伍，这样有利于将来监控软件的升级，也保护了业主的投资。

二、广泛的I/O通讯能力和开放性

Cimpliciy通过它的I/O通讯软件库和开放式接口可以与GE以及数千种第三方厂家的PLC、DCS、过程仪表等设备进行通讯。

Cimpliciy的I/O通讯软件库包含世界主要硬件厂商的各种工业通讯标准，支持当今工控领域几乎所有的工业控制网络、以太网、现场总线、RS-485/422/232C通信接口。

三、系统员