基于B/S模式的核电站变形监测信息系统的设计与实现

徐亚明 李佳妮 冯 欣 刘冠兰

1 武汉大学测绘学院，湖北 武汉，430079

核电站重要建筑物的变形监测、沉降规律、预测预警研究对于核电站的安全运营、电厂延寿、核电工程建筑物沉降测量规范的建立等都有积极作用［1］。中广核集团内大亚湾、台山、红沿河、防城港、阳江等电厂均已制定或开展相应的建筑物监测工作［2］。为了更好地对各电厂的监测数据进行统一管理、分析、评估，为核电的安全运营提供科学的数据支撑，本文设计并实现了一套采用浏览器/服务器（browser/server，B/S）模式的变形监测信息系统。该系统采用分布式系统架构，将中广核集团内各个电站的监测数据进行统一管理，同时还具有监测数据分析、预报展示、报告生成等功能。

1 系统结构及功能实现

1.1 系统总体设计

核电站变形监测信息系统是基于B/S模式的分布式信息管理系统，实现对中广核集团内各电站变形监测信息的数据分析、预报预警以及报告生成等功能。系统基于Spring Boot+Spring MVC+Apache Shiro+Mybatis⁃plus+Beetl框架开发［3］，利用Java数据库互连（Java database connectivity，JDBC）链接PostgreSQL数据库管理数据，使用Highcharts图表库直观展示变形分析及预报图表，利用FreeMarker模板引擎自动生成变形监测报告。系统总体架构如图1所示。

图1 系统总体架构Fig.1 Overall Architecture of the System

1.2 系统功能设计

核电站变形监测信息系统由系统信息管理、核电站信息管理以及数据分析管理3个模块组成。系统信息管理模块包括用户管理、角色管理、部门管理、业务日志、登录日志以及专家库管理；核电站信息管理模块对系统内所有核电站信息进行管理，包括其基本信息、联系人信息（负责接收监测预警、分析报告等信息的对接人员）以及监测对象（构建物、图层和监测点）信息；数据分析管理模块可实现变形监测数据查询，构建物变形状态分析及变形趋势预报，不同核电站变形监测数据的对比分析［4］，以及分析报告的自动生成等。系统功能结构见图2。

图2 系统功能结构Fig.2 Functional Structure of the System

2 系统关键问题处理方法

2.1 核电站分布图实时绘制

天地图是国家地理信息公共服务平台，以门户网站、开发接口两种方式向政府、企业和公众提供权威、可信的地理信息服务［5］。利用天地图应用程序接口（application programming interface，API）将天地图平台中的地理信息资源嵌入系统首页，并通过平台提供的各项服务向地图添加内容，将各核电站的地理位置实时绘制在首页地图上，从而直观展示各核电站的分布情况及地理信息［6］，同时作为访问各核电站变形监测信息的入口。

在系统首页创建地图对象mapDiv，引入在天地图官方平台上申请的密钥，将中国地图资源嵌入首页。同时，利用API提供的地图控件添加方法（如add Control），为地图浏览模块提供放大、缩小、平移、鹰眼等功能。在核电站管理模块中，新增一个核电站时，输入该电站的地址、经纬度等信息，mapDiv地图对象会自动调用标注创建方法，在地图上添加该电站的图标，点击图标可访问其监测数据信息。

2.2 变形监测数据统一管理

系统的数据库平台为PostgreSQL，数据库分为中心数据库及电站数据库，中心数据库主要处理系统管理信息（包括用户信息表、部门信息表、预警经验值信息表等）和核电站管理信息（包括核电站表、核电站联系人表）；电站数据库则单独管理各电站相关的监测对象信息（包括构建物表、图层表和监测点表）以及变形监测数据（监测时间、监测结果、累计变形量以及累计变化速率等信息）［7］。每新增一个核电站，就要创建该核电站的数据库，存放其监测信息数据，以实现一对多分布式数据库管理。同时，为每个数据库分别设置主从两个数据库，采用读写分离数据逻辑［8］，即主数据库（MasterDB）处理事务性増（INSERT）、删（DELETE）、改（UPDATE）操作，而从数据库（Slave DB）处理查询操作（SELECT）。系统通过判断用户权限控制用户对数据库的操作，普通用户对数据库仅有查询权限，只有管理员和数据分析员能对数据库进行事务性操作，从而优化数据库性能，提升服务器安全。数据库结构图见图3。

图3 系统数据库结构Fig.3 Database Structure of the System

2.3 分析预报结果展示

数据分析模块中，系统采用多种变形监测评估模型，有效地从带有误差的测量数据中提取出监测体变形信息，并对监测体后期的变形量进行预测，以确保变形量在可控范围内［9］。传统变形监测数据主要以表格形式呈现，难以为用户提供直观的数据变化过程，该系统选用Highcharts图表库动态绘制变形监测数据分析预报曲线图。

为了动态获取变形监测分析预报结果，Web客户端将用户选择的监测体加以单个或多个沉降评估模型及其参数，组装成JSON（JavaScript object nota⁃tion）格式的数据作为请求参数，使用Ajax技术通过异步回调函数获取服务端数据库中的数据，对JSON文本进行数据解析，获取监测时间段内各监测点的变形值及预报值，客户端再利用series列数据的动态添加方法［10］实时绘制变形监测数据分析预报曲线图。图4展示了某监测点的变形分析预报曲线。

图4 变形监测信息分析预报曲线Fig.4 Curves of Analysis and Prediction of Deformation Monitoring Information

2.4 监测报告规范化生成

Free Marker是使用Java语言编写的一种基于模板，用于生成输出文本的通用工具，其核心原理是“模板+数据模型=输出”，有效实现了业务逻辑和页面设计的分离［11］。系统将报告分割成三大模块：监测成果、成果统计、变形分析。首先，将各模块的内容和样式编辑成变形监测报告模板，模板中的要素分为两部分：静态部分为报告中固定保留的各部分标题、表格行列属性以及文档样式等；动态部分为表格的具体内容，当用户对显示在报告中的监测数据的需求发生变化时，表格的内容也随之变化。静态部分无须标记，不会被FreeMarker解析，报告生成时会原样输出；动态部分则要在各模块待填充数据处用$｛…｝标签标记，例如对象数据替换标签$｛user.name｝。各模块表格中的监测成果数据量不固定，通过在模板中嵌入集合数据替换标签指令<#list…as…>可自动改变表格行数［12］，循环填充表格内容。

Java程序从模板库中读取上文已嵌入Free⁃Marker标签及指令的报告模板，同时提取数据库获取的监测数据并构建特定的树状数据模型，将数据元素填充至模板相应的标签中［13］，即可导出样式固定、数据量动态变化的报告。

3 结束语

核电站变形监测缺乏统一的规范和要求，即使定期进行变形监测，也未能对监测体的形变状态进行分析和趋势预测，难以为核电的安全运营提供科学的数据支撑。本文针对该问题研制了一套变形监测信息系统，对中广核集团内各电站的监测数据实现了统一管理，同时针对性地对监测数据的规律分析、模型建立以及变形趋势的预测预警功能进行开发，通过重新优化系统数据库内部结构，使系统更具专业性。