长江上游河道业务处理系统设计研究

胥洪川　孙征安

摘要：为进一步提高河道业务生产效率，保证数据成果质量，设计了长江上游河道业务处理系统。该系统集成了断面和床沙等數据的管理、处理、图表的成果表达以及成果简要分析计算，阐述了该系统的设计思路、数据库分析、系统的功能应用等。相关实测数据表明：该系统数据处理和成果生成自动化程度高，成果分析数据准确，软件界面简单友好、功能集成化程度高，提高了工作效率，保证了数据安全。

关键词：河道业务; 数据库设计; 床沙分析; 断面处理; 系统测试

中图法分类号：TP391 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.07.019

文章编号：1006 - 0081（2022）07 - 0112 - 06

0 引 言

随着社会经济的发展，长江上游地区加速推进大中型水电站、港口码头建设，同时对水文泥沙监测、河道勘测等准确性与时效性提出了更高要求。河道业务数据主要包含河道地形数据、水文断面数据、断面床沙数据和水流流速流向数据。目前，河道断面处理、计算与绘图，床沙数据处理已有测绘商用软件进行专业的分析处理，但往往需要在不同的软件中进行多道工序才能完成。2011年，Vetter等[1]在研究河道纵横断面中提出快速生成河道断面数据产品的模型和方法;郝宗泽[2]提出断面数据处理程序设计，该系统解决了断面数据计算难题，但设计较为单一，应用面窄;2014年，王少文等[3]提出了简单的河道断面处理系统，该系统对计算语言进行了一定优化，但不包含其他的河道业务工序;2015年，郭焕林等[4]基于Access2007数据库技术开发了河道处理系统，该系统提出河道业务整合思路，但操作步骤繁琐，设计算法冗余，逐渐不能满足河道生产的需求。为进一步提高河道业务生产效率，保证河道数据成果质量，本文基于长江上游河道特性，进行了基于C#语言等计算机语言和数据库技术的长江上游河道业务处理系统设计与研究。

1 需求分析

1.1 系统需求

长江上游河道业务处理系统需做到布局简洁明了、界面易于操作，处理数据高效正确，成果格式规范统一，数据存储安全便捷。

1.2 用户需求

河道勘测业务具有很强的时效性。勘测数据要在规定的河段、时段采集，所以年内、年际间布置多个测次。不同工程的勘测内容不一样，同样的工程往往包含多个项目，项目与项目之间独立又有联系。现有的部分河道数据处理软件算法较为冗余，不利于河道业务处理水平的提高。长江上游河道业务处理系统必须适应河道勘测特点，对河道勘测数据进行有效管理，能够流水线、高效率地生成满足规范要求的河道勘测成果。

2 总体设计

长江上游河道业务处理系统基于微软的.Net平台开发设计，在C/S模式、联网状态下运行。数据库选择安装在数据库服务器上，和软件系统相对独立。软件系统主要通过Sqlserver直接连接等方式读取数据库数据。选用Windows2008系统作为服务器操作系统，Windows7及以上操作系统作为工作站操作系统。

2.1 建设内容

2.1.1 基础数据维护系统

基础数据维护系统对软件系统环境、参数、单位部门、人员等进行管理和配置，同时还维护整个系统的河段、项目、声速、站点、粒径级别等信息。

2.1.2 床沙分析系统

将床沙各种实测数据导入到长江上游河道业务处理系统中，系统通过相关算法自动生成粒径级别成果表及泥沙颗粒级配曲线图。

2.1.3 断面分析系统

维护断面信息、断面控制点信息以及导入维护断面控制点实测数据，对断面实测数据进行分析，计算水位、高程、起点距，生成CAD断面图及断面成果数据表。

2.2 设计语言

主要程序设计语言包含C#，XML，XHTML，VB等;系统运行平台包含.Net Framework4.0，SQL Server2000。

3 数据库设计

3.1 数据库选型

目前，流行的商业化数据库产品主要有Oracle，DB2，SQL Server，Sybase，Informix等，水利行业内各应用主要以Oracle和SQL Server为主。由于SQL Server具有良好的软、硬件平台兼容性，在集群技术、高可用性、安全性、海量数据管理等方面均比较成熟，且兼有速度快的特点，因此采用SQL Server数据库。

3.2 数据库基本内容

系统标准表结构描述包含中文表名、表主题、表标识、表编号、表体和字段6部分。中文表名表示表所描述内容的简明文本;表主题用于进一步描述存储在该表的数据内容、用途和意义;表标识用于识别表的分类及命名;表编号反映表的分类或表间的逻辑顺序;表体以表的形式表示，包括字段名、标识符、类型及长度、是否允许空值、计量单位、主键序号;字段用于描述每个字段的意义以及取值范围、数值精度、计量单位等[5]。

以断面成果表（表1）为例，表体设计采用中文字符作为字段名，数据库中该字段的唯一标识为标识符。该字段的数据类型和数据长度用字段类型及长度描述表示，用“Y”表示表中该字段不允许具有空值，主键序号一栏中，有数字的表示该字段是表的主键，为空表示非主键。

4 网络安全设计

4.1 结构安全

运用协议隔离技术对河道业务处理系统用户、数据处理的重要次序来分配带宽优先级，做到网络传输均衡，使系统具备冗余空间。采取SSL协议使用户与河道业务系统之间创建数据安全机制，用户能通过参数加密的方式向系统传输数据，通过用户与系统之间传递SSL出错信息。

4.2 网络设备与访问控制

采取系统管理用户使用权限，分级管理用户使用功能。系统管理员能限制网络用户使用权限，用户登录需向系统管理员申请开通权限并设置登录账号与密码。若系统长时间未工作，用户账号则需要重新登录。为进一步强化网络安全，根据涉密要求建立一定涉密机制，系统采用物理隔离的方式（内网）处理含涉密信息的数据。

4.3 安全审计与入侵防范

设计日志管理模块对用户操作及使用情况进行记录，可以根据记录分析生成安全审计表，以供系统在报错时进行系统分析。系统在网络边界处采用入侵检测和防火墙产品监视攻击行为，当检测到攻击行为时，记录攻击源IP、攻击类型、攻击目的、攻击时间，在发生严重入侵事件时产生报警。对来自外部网和内部的各种行为进行实时检测，及时发现各种可能的攻击企图，并采取相应的措施[6]。

5 系统功能设计

5.1 系统管理

系统管理主要对操作长江上游河道业务处理系统的用户权限进行管理。系统管理主要有部门管理、用户管理、权限管理、角色管理、日志管理以及密码修改6个模块[7]。

5.2 数据管理

数据管理作用于整个系统床沙和断面数据维护，主要包含河段信息维护、项目信息维护、水位站信息维护、粒径级别维护四大功能模块。河段信息维护模块主界面见图1，主要是对河段名称、起始点、截止点、坐标系统等信息进行维护，可添加、修改、删除、批量导入、批量导出。项目信息维护模块主要是对河道项目的项目名称、所属河段、年份、测次等信息进行维护管理，可以新增、查看、删除项目，也可批量导入导出。水位站信息维护模块主要是对水位站名称、站号、起点距、坐标系统等信息进行维护，可添加、查询水位站、可导入水位站水位数据，查看水位数据。粒径级别维护模块主要是对采集的沙石粒径大小进行添加、修改、删除。

5.3 床沙管理

床沙管理主要是对河道试坑床沙的分析，主要包括试坑信息录入、实测信息录入、实测数据分析、生成成果表、沙颗粒级配曲线图查询五大功能模块。试坑信息录入主要是对床沙试坑的基本信息进行管理，包括试坑名称、所属项目、所属河段、横坐标、纵坐标等诸多内容，并且可以上传试坑周边环境的照片。在实测信息录入模块中录入试坑实测数据。实测数据分析能对事先录入的实测数据进行系统自动分析，根据预设的算法，对数据计算、分析和处理，并自动绘制试坑的泥沙颗粒级配曲线图（正态分布曲线见图2）。该功能可以查看整个试坑或试坑每一层的泥沙颗粒级配曲线图。而且，可以指定图纸尺寸，对曲线图进行打印操作。实测数据分析完成后，生成床沙粒徑分析成果表以供查阅，可对成果表进行导出编辑、打印等操作。

5.4 断面数据管理

断面数据管理主要是对河流断面的分析以及断面图的绘制，主要包括断面信息、断面里程和声速文件管理、实测断面信息管理、水位计算、计算起点距和高程、成果输出六大功能模块组成。

（1） 断面信息主要对断面的基本信息以及断面控制点进行增、删、改、导入、导出和查询操作，并且还可以根据要求的格式，导出断面考证表。

（2） 断面里程即对断面名称、所属河段、断面间距、累计距离进行统计归纳，主要运用于不同测次断面体积差比较等操作;声速文件管理主要是声速起始断面、截止断面和预设声速进行维护，可添加、查看、删除、批量导入声速数据。

（3） 实测断面信息管理主要是导入陆上及水下断面实测数据，水下数据包含HydroPro采集数据和Hypack采集数据，水下数据导入后可生成原始水深图（图3）。

（4） 水位计算即根据导入的水位信息、河道里程按照选择的方式对导入的水下断面数据进行水位推导，计算方式有按测点平均时间计算、按测点测量时间逐点计算、根据录入的实测水位计算。

（5） 计算起点距和高程，在完成水位计算后，可以进行断面起点距和高程的计算，高程通过“无温跃层改正”和“温跃层改正”两种方式进行计算。在计算时系统会弹出窗口对测点进行检查，可以根据输入条件，进行测点去偏，测点去重，插入测点，删除测点，核对数据后完成起点距和高程的计算。在测点检测界面中，可以对检测结果和水深图进行切换展示。

（6） 成果输出主要为绘制断面图与成果表，系统可对已计算的断面进行断面图的批量绘制，并且可对所绘制的断面图导出为CAD格式图（图4）进行保存和打印。成果绘制的界面中，可以选择不同的测次进行面积差和体积差的计算操作，统计断面长度。系统可以生成断面成果表，以Excel的方式把成果表保存到电脑中。生成的成果表、断面图格式满足CSWH-2006 《河道资料汇总与提交导则》的要求。

6 系统测试与分析

6.1 压力测试

压力测试使用的数据上报文件： 文件大小约1 M，20个工作表，每工作表数据条目600条，单个数据文件数据量1万条;使用MS Visual Studio 2012 Test Center分别模拟5，50，200个并发用户的情况，单个数据上报任务的平均完成时间及页面响应结果见表2。

在200个并发进程进行数据上报、解析和校验的情况下，服务器端CPU占用率约50%，内存使用约200 M，硬盘写入速度约2 M/s。

6.2 系统分析

本文通过压力测试，有效检验了长江上游河道业务处理系统的稳健性和可靠性。该系统详细分析了用户需求，使用SQL Server数据库技术和多种计算机语言，将床沙分析、断面分析等多种功能集成一体，具有如下优点：

（1） 应用SQL Server数据库技术实现了原始数据、过程数据、成果数据等属性数据的存储与查询，运用C#，XML，VB，XHTML语言优化了数据中间计算，数据检查、成果输出等设计语言实现了数据生产高效性。

（2） 功能设计完善，系统能对各类用户进行权限管理，为各类角色进行权限分配，有效保障了用户数据的安全性;本系统实现河道业务的综合管理，实现了床沙、断面从原始数据到成果数据的一体化流程。

（3） 能够快速生成河道业务成果，保障数据成果的规范安全，在一定程度上提升了长江上游河道业务行业水平。

7 结 语

长江上游河道业务处理系统根据上游河道勘测的工作流程进行优化设计，将断面处理与床沙分析集合在一个软件内，实现河道业务原始数据处理、中间过程检查，成果分析、成果输出一体化作业，生成合格的水文河道产品，规范了作业流程，保障了数据安全，提高了工作效率，推动了河道信息产业的发展。

参考文献：

[1] VETTER M， HÖFLE 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] 郝宗泽. 河道、堤防横断面测量数据处理程序设计[J]. 测绘与空间地理信息，2011， 34（5）： 168-170.

[3] 王少文，李鸿. 河道断面测量数据处理的小程序[J]. 矿山测量，2014（4）： 60-62.

[4] 郭焕林，周儒夫，曾勇，等.长江河道勘测数据处理系统的开发与应用[C]// 水生态安全——水务高峰论坛2015年度优秀论文集.  南京：河海大学出版社，2015：2-9.

[5] 张燕萍. 河道管理系统图件管理的数据库设计[J]. 科技创新与应用，2016（15）： 79.

[6] 吴明宇. 基于IPV6协议的网络安全研究[D]. 长春：长春理工大学， 2010.

[7] 夏昕. 电信机房综合管控系统设计与实现[D]. 南昌：南昌大学，2014.

（編辑：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