地表水界面软件设计.doc
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1、前 言当前,我国水利建设面临着从传统水利向现代水利转变的历史任务。如何实现水利现代化?如何实现水资源的可持续利用?在水资源的开发、利用、治理、节约和保护的综合管理任务中,如何改变过去随意使用和污染的状态,而采用节约和保护的现代运用方式?面对这些问题,我们不能不去研究国际上对自然资源 使用的新思潮,不能不去研究全球高科技突飞猛进的发展大潮流。水资源的优化配置是水资源管理的重点。实施对水资源动态的、实时的、优化的配置,基础是获取大量的、动态的水资源及相关信息。当代高技术的发展,特别是信息技术、数字化技术的发展,使得对水资源进行实时监控管已经成为可能。这种系统的建设将使水资源的管理发生重大变革,也将
2、带来巨大的经济社会效益。当前在国际上,水资源实时监控管理系统,代表了水资源管理的发展方向。 而且,针对我们身边的实际情况来说,我觉得设计一个这样的管理系统有它的必要性和及时性。本系统主要对存在数据库中的数据进行统计、报警、查询工作等。在运用Visual Basic语言的基础上编程,优美的图形界面,操作简洁、方便,而且具有图像显示,声光报警等功能,适合于综合分析的需要。因此,它将给我们带来方便,也有利于减缓对自然界的破坏,以及增加人民生活和生命安全的系数。 第一章 概 述第一节 设计前的准备一、立项的必要性 自贡市是我国重要的盐化工基地。长期以来,釜溪河流域河水中COD、BOD5、NH3、芬V、
3、氯化物、硫化物、总氮含量严重超标,河水的严重污染已成为影响当地人民生产、生活的严重环境问题。尤其是釜溪河流域的某些化工厂临时向河中排放的有毒物质,不仅影响了当地人民的生活,而且危害人民的生命安全。因此,对釜溪河流域河水污染的实时监测具有十分重要的意义。另外,沱江流域河水污染也是我省地表水污染监测重点,该项目还针对沱江流域河水污染的实时监测来展开。二、国内外研究现状分析对地表水(这里主要针对河水)污染的监测,传统的方法采用取样分析法。即在被监测河流的某些选定的断面上通过对河水的取样,再用化学分析的方法来分析样品河水中被测物质的含量或浓度。这种方法的优点是监测精度高,但监测速度极慢、不能对河水进行
4、实时监测,而且,由于河水样品是在选定断面上的某些点来采样的,因此这种方法监测的结果,实际上是河流选定断面上的某些点上的被测物质的含量或浓度。对地表水污染的监测,国内外采用的主要方法为传感器法,即利用一系列化学传感器或生物传感器将被测物质的含量信号或浓度信号转换为电信号,这种方法的优点是监测速度快,适合于实时监测。但用于监测地表水污染的专用传感器种类极少,而且这些传感器对混合在一起的多种被测物质的分辨能力较差,如还原反应的传感器只能监测地表水中还原物质的总量,因此传感器只能对地表水的少数几个指标进行监测,而且监测精度也容易受环境因素变化的影响。目前,日本地表水污染的实时监测系统也只能对COD、B
5、OD、总氮、总氨和个别特殊指标进行实时监测,我省目前对岷江和沱江可实时监测的指标有水温、PH值、COD、流量等。另外,由于监测传感器一直放在水中,传感器还可能被泥沙阻塞或苔癣,一方面会在较大程度上影响监测精度和监测结果的可靠性,另一方面也会缩短传感器的使用寿命。一般来说,化学的或生物的传感器在水中的使用大约为两年左右。我国现在还没有建立城市、地区流域性地表水污染监测的实时监测系统。三、发展趋势 现代社会对环境污染监测的实效性要求越来越高。国内外正在致力于研究监测系统速度更快、性能更为优越的实时监测系统。本项目在传感器的基础上,提出了一种河水污染的微波监测法,该方法使用电磁波照射河水,由于河水中
6、的污染物质对电磁波有吸收作用,而且,不同的污染物对电磁波的吸收敏感频率是不一样的,不同浓度的污染物质对电磁波的吸收程度也是不一样的。因此,在水中让电磁波通过确定的距离,在对各种污染物质的吸收敏感程度,监测污染物的含量或浓度。具有非常广泛的前景。第二节 VB简介一、VB的历史1991年,微软公司推出了Visual Basic 1.0版。这在当时引起了很大的轰动。许多专家把VB的出现当做是软件开发史上的一个具有划时代意义的事件。其实,以我们现在的目光来看,VB1.0的功能实在是太弱了。但在当时,它是第一个“可视”的编程软件。这使得程序员欣喜之极,都尝试在VB的平台上进行软件创作。微软也不失时机地在
7、四年内接连推出VB2.0,VB3.0,4.0三个版本。并且从VB3开始,微软将ACCESS的数据库驱动集成到了VB中,这使得VB的 图1 VB程序开发界面数据库编程能力大大提高。从VB4开始,VB也引入了面向对象的程序设计思想。VB功能强大,学习简单。而且,VB还引入了“控件”的概念,使得大量已经编好的VB程序可以被我们直接拿来使用,如今,VB已经有了7.0版(即VB.NET)。通过几年的发展,它已成为一种专业化的开发语言和环境。用户可用Visual Basic快速创建Windows程序,现在还可以编写企业水平的客户/服务器程序及强大的数据库应用程序,Visual Basic新版中还有更多可用
8、功能。二、VB的特点:(1)可视化可视化是指VB设计出的界面可直观的明确的展示给用户或者观众,这使用户一目了然的感觉,这对我们的设计非常易用,非常方便。(2)面向对象用VB设计的界面之所以是面向对象的,是因为它解决信息领域内所遇到问题的方法。(3)部件编程 部件编程给我们带来了可视化的方便,也有利于引导编写者正确编程的方向和结构考虑。(4)事件驱动 事件是窗体或控件对象识别的动作。在响应事件时,事件驱动应用程序执行VB 代码。 图2 Visual Basic 6.0集成开发环境鉴于VB的强大功能和优点,所以我首先选择了VB来为本设计服务恰当的。第三节 地表水的现状五百多年以前,人们就认为饮用流
9、经大城市的河水是危险的,而工业化,人口增长以及新的有毒化学品,使情况愈来愈糟。排水系统的铺设和清洁剂的使用 有增无减,使我们的水道和湖泊中磷酸盐含量日益增多。这种过度营养导致藻类迅猛繁殖。消耗水中的氧,使鱼类死亡,生态系统恶化。由于工业上不妥善处理汞化合物和其它重金属,也造成严重的水污染。汞通过食物链的进程逐渐集中,最后对吃鱼的鸟或人类造成严重的神经损坏。如此恶劣的生活环境,给人们带来了不仅是生活的危害,而且,对自然界也是极大的伤害。鉴于此,我们提出了这样的监测系统,来为我们的生产和生活防微杜渐,不如在继续进行下去,我们将被我们身边的环境所吞噬。在设计时,我们充分考虑到了国家对地表水污染的现行
10、规定,运用此系统及时而有效的反映水中有害物质及其他物质的情况,并根据国家标准,判断那一种或一些物质发生了超标,然后作出报警,提示管理部门采取必要的解决措施,为人们的生活带来可靠的保障。国家标准见附录1。第二章 总体设计方案 第一节 水资源实时监控管理系统的特点及技术要求 什么是“地表水实时监测管理系统”呢?这个系统是以信息技术为基础,运用各种高新科技手段,对流域或地区的水资源及相关的大量信息进行实时采集、传输及管理;以现代水资源管理理论为基础,以计算机技术为依托对流域或地区的水资源进行实时、优化配置和调度;以远程控制及自动化技术为依托对流域或地区的工程设施进行控制操作。 这种系统的主要特点是:
11、对水资源进行实时监测。监测的内容包括水量和水质。实时监测的意义在于:只有掌握瞬时变化的水量信息,才能科学、准确地进行资源配置及调度;只有掌握瞬时变化的水质信息,才能对环境质量进行动态评价和有效监督,也才有可能应对水污染突发事件,保证供水安全。这种系统以地理信息系统(GIS)为框架,除了采集水资源信息外,还广泛采集流域或地区内的气象、墒情等自然信息,水利工程等基础设施信息,经济与社会发展的基本信息。它不同于以往的水资源监测系统,仅仅具有监测功能。这种系统更重要的功能是进行实时配置调度。它是在监测的基础上,以大量的综合信息为基础,采用现代水资源管理数学模型,为水资源的实时配置、调度提供决策支持。这
12、种模型势必突破“就水论水”局限,体现经济与社会发展资源环境的协调统一,体现水资源的可持续利用原则,体现“依法治水”的原则。这种系统应是高新技术的集成。系统的设置应充分吸收国际上最新技术,坚持高起点。它包括监测技术、通信、网络、数字化技术、遥感、地理信息系统(GIS)、计算机辅助决策支持系统、远程控制等先进技术。它的设置应是因地制宜的。针对不同流域、不同地区不同的经济发展水平及基础设施状况,水资源管理中不同的重点问题,水资源实时监控管理系统的设置也应具有不同的特点。系统的设置还应与防洪调度指挥系统的建设相结合。 这种系统的技术要求是:以现代电子、信息、网络技术为基础,实现监测数据的自动采集、实时
13、传输和在线分析,有效地提高监测数据的实时性和准确率,确保监测信息的有效性。充分掌握所在地区水资源供需状况,建立相应的资料库和水量、水质模型、供需水模型及生态环境分析模型。供水方面包括:地表水、地下水、土壤水,主水、客水、污水回用等等,需水方面包括:生活用水、工业用水、农业用水、生态环境用水等。在此我们只对地表水进行采集和处理充分运用现代计算机和人工智能等技术进行高度技术集成,快速、高效、准确、客观地分析处理大量监测数据信息,并根据已建立的供需水模型和水环境分析模型等,动态生成水资源优化配置、调配计划等辅助决策方案。以综合分析和辅助决策为基础,实现对水资源的优化配置、远程控制和科学管理等,即实现
14、水资源调控的现代化。系统应具有很强的实用性和动态可扩展性,以满足不同用户的需求。第二节 水资源实时监控管理系统的基本结构 水资源实时监控管理系统应具备水资源实时测、水资源实时预报、水资源实时调度和水资源实时管理等功能。其功能概要详见图3。系统的总体结构又可分解为以下主要部分(参见图4):数据库(包含图形库、图像库和CIS系统),模型库(包括方法库),知识库,在线数据采集子系统,综合信息管理子系统,综合分析与决策支持子系统,实时控制管理子系统。其核心是综合分析与决策支持子系统以及数据库、模型库、知识库。其他各部分则为系统核心的补充、延展和支持。图3 “水资源实时监控管理系统”功能概要图图4 “地
15、表水实时监测管理系统”总体结构框图一、系统总控目的是建立系统各部分之间的联系、控制各库和各子系统的协调运行。二、在线数据采集子系统提供相关水资源与水环境监测数据的自动化采集和数据可靠性在线分析功能。其重点是对地表水和地下水(水量、水位、水质及水温等)的实时动态监测和监测数据的自动化采集、监测数据预处理,以及监测数据可靠性的实时在线分析处理等。该子系统还应提供与各类监测仪器衔接的数据采集接口,通过接口模块动态收集监测数据资料,确保存入数据库中的监测资料的有效性、完整性和可靠性。三、综合分析与决策支持子系统对实时监测获得的数据信息进行综合分析处理。其主要功能就是运用模型库中的相应模型对监测数据资料
16、进行智能化的综合分析,参照知识库中的专家知识和有关法律、法规、规程规范,形成水资源(包括水量、水质、水情和水环境等)动态状况的分析成果;并根据分析成果,产生辅助决策报告或直接发布控制指令。系统还应专门设计有多库协同器,进行各库之间的协调。多库协同器提供系统各库的协同规划、综合调度、人机交互、资源共享、冲突仲裁和通信联络等处理功能。 综合分析与决策支持子系统是本系统的技术核心,它将以国内外近年在水源、水环境和农田水利等方面的科研成果为基础,结合现代高新技术进行综合开发,形成技术先进、功能完善、实用性强、又便于扩展和更新的具有决策支持能力的智能化综合分析系统。四、综合信息管理子系统管理各种水资源水
17、环境监控项目的数据资料,具有监测数据资料的输入、存储、整编、查询等功能,对水资源监控数据资料进行综合管理和处理。该子系统还应提供对综合分析与决策支持子系统以及实时控制子系统的数据传输接口。五、实时控制子系统主要完成两个功能:一是将系统综合分析与辅助决策的成果以实时报告(如水资源预报、水质分析公报、区域地表水污染超标警报、水资源调配建议方案等)和多媒体报警信号(如大屏幕指示、声光警报等)的形式进行动态输出,以供决策部门进行水资源配置和管理参考;二是将输出指令直接作用于可控自动化水资源调配和控制设备(如给、排水闸门等),通过有线/无线/远程控制技术对系统所涉区域内的重点给、排水设备及重点控制工程进
18、行远距离的调节控制(此部分用于系统后续开发)。六、数据库是整个系统运转的基础,准确高效地收集和及时处理大量复杂的监测数据资料是整个系统设计和开发的重点。数据库及综合信息管理子系统是面向数据信息存储和信息查询的计算机软件系统。本系统的数据库内容包括:1.监测仪器特征库,2.原始监测数据库,3.整编监测数据库,4.监测网站资料库,5.人工巡视检查资料库,6数据自动采集参数库,7模型输入输出数据库,8实时控制日志数据库等。图形库和图像库是数据库的延展和补充。在本系统中建立一个数据库非常必要,因为只有建立了一个数据充分的数据库资源,我们才能有效的分析一个区域的地表水污染情况,以及那些物质严重超标。在超
19、标的情况下发出报警信号,提示决策部门或者管理者及时而准确的知道情况,并提出解决方案,以免险情继续发生,造成不可挽回的后果,给人民的生活和生命带来危险。所以本系统发挥了他的有效作用,此部分在后文将进一步介绍。七、模型库及其管理子系统提供相应分析处理使用的处理模型和计算方法的例程库。包括各种时态和空间模型、在线数据可靠性分析算法等。包括水情预报模型、水量评价模型、水量预测模型、水质评价模型、水质预测模型、水污染模型、需水模型、生态环境分析模型、洪水演进及仿真模型、决策支持模型等等。八、知识库及其管理子系统是用于知识信息的存储及其使用管理的计算机软件系统。本系统的知识库内容包括:1.各监控项目的监控
20、指标,2.日常巡视检查的评判标准,3.监测数据误差限值,4.专业规律指标,5.专家知识经验,6水利法律、法规,行业规程、规范的有关条款等。 第三节 水资源实时监控管理系统的实施 水资源实时监控管理系统是一个十分庞大又十分复杂的系统,具体实施过程中要坚持“总体设计,分步实施,试点示范,全面推开”的原则,并充分利用现有的防汛指挥系统、水文站网、水质监测系统,形成新的网络。 首先,组织好项目的前期工作。组织系统内外的专家在国内外广泛调研的基础上,进行系统的研究开发和设计工作。其次,要选好试点,发挥试点的示范作用。对试点项目运行经验进行总结使系统不断完善。通过试点,还要总结提炼出相应的技术导则和技术规
21、范。在试点项目的基础上,制定全面实施规划,因地制宜地进行推广。对新建项目,如具备条件,在设计时就要将实时监控管理系统纳入项目计划。可以预言,水资源实时监控管理系统的建设,必将有力地推动我国水利现代化的进程。 第四章 具体设计第一节 系统的工作方式和工作原理“地表水污染实时监测系统.”有三种基本工作方式:巡回工作状态的正常数据的接受和显示方式;指定对象监测方式;查询方式;在系统正常工作的情况下,这三种工作方式可以任意切换而不影响系统的正常工作。 实时监测系统工作方式下,系统可以对多至256个数据进行巡回监测,在指定对象监测方式下,系统只对用户从界面指定的对象进行巡回监测;在系统正常工作的情况下,
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