大坝安全数据管理技术

大坝安全数据管理技术苏怀智工作单位：河海大学水利水电工程学院联系方式：025-83786957（O）13851642258E-Mail：[e-mail]内容提要第一部分概述第二部分数据库系统第三部分大坝安全管理数据库系统第四部分工程应用第一部分概述一．水资源概况二．大坝安全问题及保障理念三．大坝安全数据管理一、水资源概况1.世界水资源淡水资源危机为世界第二大环境问题。19世纪争煤、20世纪争石油、21世纪争水一、水资源概况2.中国水资源江河众多，水资源总量大，人均少。时空分布不均。可用于发电的水能资源丰富。目标：水资源的综合利用手段和途径：修建水库大坝地位：国民经济的重要基础设施；关乎国家公共安全。我国水资源的特点存在大量病险工程的存在问题特大型水电工程的开发保障技术：大坝健康诊断1.安全监测2.性态分析3.健康预警4.病变修复目标：水资源综合利用；保障国家公共安全。实现水资源综合利用的有效途径：修建水库大坝，最大限度变水患为水利，造福中华民族。一、水资源概况3.我国水利工程建设成就古代水利工程建设成就辉煌都江堰、灵渠建国后，水利工程建设迅速发展水库大坝数量最多的国家水电装机容量居世界第二水电建设技术已具世界水平二、大坝安全问题及保障理念1.大坝安全问题大量病险工程的存在；超大规模的高坝大库建设。工程教训：法国马尔帕赛坝坝基滑移意大利瓦依昂水库滑坡事件中国：沟后、板桥二、大坝安全问题及保障理念2.大坝安全保障理念的转变大坝工程全生命过程的健康；追求工程结构物的可检性、可修性、可换性、可强性、可控性及可持续性的综合目标；大坝安全已成为一个交叉性很强的应用基础性研究领域。病险工程面临的现实问题超大规模高坝大库安全理念的转变技术支撑基本理论与数值分析方法高新监测、检测、试验技术解决途径：学科交叉研究三、大坝安全数据管理1.目的和意义安全数据量大、繁杂，采集、处理和分析的工作量很大。管理人员很难进行及时的处理。解决手段－应用先进的人工智能以及计算机技术，建立大坝安全数据管理系统。三、大坝安全数据管理大坝安全数据管理系统－依据有关大坝安全法规、设计规范和国内外在这一领域内的其它先进科技成果，结合具体工程，及时整理和分析有关资料，将定量分析和定性分析结合起来，对大坝安全状况进行综合评价和辅助决策，实现实时分析大坝安全状态、综合评价大坝安全状况等目标。三、大坝安全数据管理意义：保障工程安全；指导施工；验证设计、反馈设计。三、大坝安全数据管理2.功能信息管理与初分析－工程档案、大坝安全监测资料等，进行数据转换、存储和处理；分析评价；辅助决策。三、大坝安全数据管理3.对象：大坝安全监测资料确定性（量化）信息－变形、渗流、应力、水文及水力学、地震不确定性（模糊）信息－现场巡查（巡视检查）、现场检测（1）现场巡查（巡视检查）（2）现场检测日常检查年度检查特别检查时间、路线和检查程序汛期检查特大洪水、地震、安全事故检查方法：锤、钎、钢尺、放大镜、望远镜、量杯、石蕊纸、回弹仪、照相机、录像机、闭路电路、潜水员等。采用无损探测方法，包括高压探地雷达、电磁剖面仪、电阻率像伤仪、红外温度探测仪、超声检测仪、水声探测仪、水下电视探测仪、潜水器、潜水船等。三、大坝安全数据管理4.大坝安全数据管理技术发展①人工管理；②信息管理系统③分析评价系统④决策支持系统⑤专家系统计算机管理总控（人机界面：服务器端、客户端、网络界面）输出处理系统图形处理系统程序管理系统数据处理系统综合推理机、程序执行体系统开发界面知识获取系统知识库方法库图库支持数据库群数据库水利枢纽备份数据库网络及系统数据库安全备份系统安全策略机制专家系统的体系结构模型防火墙交换机Web服务器测控单元水利枢纽LHSMNIMS客户端PC机InternetIntranet网络会议应用服务器工程数据库知识库备份数据库……数据库服务器安全策略服务器图库方法库Internet用户专家系统的体系结构模型A.国外大坝安全数据管理技术法国和意大利其他发达国家美国西班牙葡萄牙A.国外大坝安全数据管理技术法国－大坝监测处理系统管理150多个大坝较大型的大坝群安全监测系统。意大利－国际领先地位20世纪80年代初－MAMS20世纪90年代－INDACO、MISTRAL、DAMSAFE大坝群安全监控系统A.国外大坝安全数据管理技术MAMS－混凝土坝微机辅助监测系统，数据自动采集和在线监控。INDACO－模块化的自动化采集系统，采集数据、在线检验和超限报警、绘制过程线、数据记录存贮、数据通信、监测网的远程操作和维护等。A.国外大坝安全数据管理技术MISTRAL－专门处理自动化监测超界值的专家系统，可提供大坝性态的在线解释。DAMSAFE－结构综合安全管理的决策支持系统。人工智能＋互联网，使多个专家通过共享它们的知识及数据资源来合作管理大坝的安全。大坝群安全监控系统A.国外大坝安全数据管理技术美国－Tolt大坝的数据采集和传输系统西班牙－Guadalquivir流域的大坝群安全监控系统葡萄牙－大坝安全自动化监测和远程传输系统B.国内大坝安全数据管理技术安全监测工作始于20世纪50年代，80年代，监测数据自动化采集＋监测信息处理系统。20世纪80年代－基于微机的大坝监测数据管理系统和数据处理程序，对数据进行存储、管理、制作图表及相关统计分析、在线监测、离线分析等。B.国内大坝安全数据管理技术20世纪90年代－大坝安全监测信息管理系统。河海大学－大坝安全综合评价专家系统、在线安全监控及反馈分析系统、大坝群安全监测系统。南京水利科学研究院－土石坝安全管理系统。B.国内大坝安全数据管理技术南京水文自动化研究所－DG型分布式数据采集系统、MDAP监测资料分析处理系统、DSIM大坝安全信息管理系统。南京南瑞集团－DAMS-Ⅳ型分布式监测数据采集系统以及DSIMS大坝安全监测信息管理系统。北京水利科学研究院－小浪底水利枢纽工程安全监测系统。C.存在的问题和发展趋势a.存在的问题：缺乏科学的测点管理、系统的数据库体系、及时高效的数据传输功能、深度可视化的数据挖掘方法、完善的异常报警体系、严密的软硬件系统安全策略以及“傻瓜化”的操作平台和人性化的界面设计风格。缺乏整个水利枢纽和流域群坝管理。C.存在的问题和发展趋势b.发展趋势：智能化可视化交互性网络化集成化第二部分数据库系统一．基本概念二．数据管理技术的发展三．数据模型四．数据库系统结构和组成五．数据库设计六．Office工具在大坝安全数据管理中的应用一、基本概念1.数据（Data）2.数据库（DataBase，DB）3.数据库管理系统（DataBaseManagementSystem，DBMS）4.数据库系统（DataBaseSystem）1.数据（Data）对事实、概念或指令的一种特殊表达形式。用人工的方式或者用自动化的装置进行通讯、翻译、转化或者加工处理。信息2.数据库（DataBase，DB）存放数据的仓库，是长期存储在计算机内的、有组织的、可共享的数据集合。按一定的数据模型组织、描述、储存。具有较小的冗余度、较高的数据独立性，能被各种用户所共享。3.数据库管理系统（DataBaseManagementSystem，DBMS）定义：科学地组织和存储数据，高效地获取和维护数据的一个系统软件。硬件操统作系数据库管理系统用户3.数据库管理系统（DataBaseManagementSystem，DBMS）主要功能：①数据定义功能②数据操纵功能③数据库的运行管理④数据库系统的建立和维护。4.数据库系统（DataBaseSystem）定义：在计算机系统中引入数据库后的系统。基本组成：由数据库、数据库管理系统（及其开发工具）、应用系统、数据库管理员和用户（及操作系统）构成。应用系统DBMSOSDB应用开发工具用户DAB（DataBaseAdministrator）二、数据管理技术的发展1.人工管理阶段（20世纪50年代中期以前）2.文件系统阶段（20世纪50年代后期到60年代中期）3.数据库系统（20世界60年代后期以来）1.人工管理阶段（20世纪50年代中期以前）特点：①数据不保存；②应用程序管理数据；③数据不共享；④数据不具有独立性。2.文件系统阶段（20世纪50年代后期到60年代中期）特点：①数据可以长期保存；②用文件系统管理数据；③数据共享性差，冗余度大；④数据独立性差。3.数据库系统阶段（20世界60年代后期以来）标志着数据管理技术的飞跃特点：①数据结构化；②数据的共享性高，冗余度低，易扩充；③数据独立性高；④数据由DBMS统一管理和控制。①数据结构化－数据库与文件系统的根本区别序号测点编号监测项目监测仪器MCU编号XYZ备注数据项记录测点编号时间测值1测值2数据项记录②数据的共享性高，冗余度低，易扩充。数据面向整个系统；节约存储空间；避免数据之间的不相容性与不一致性；数据库系统弹性大。③数据独立性高：较高的物理独立性一定的逻辑独立性④数据由DBMS统一管理和控制：数据的安全性保护数据的完整性检查并发控制数据库恢复三、数据模型（DataModel）数据库技术的发展是沿着数据模型的主线展开的。定义：现实世界数据特征的抽象，是对现实世界中数据的模拟。三、数据模型（DataModel）要求：能比较真实地模拟现实世界；容易为人们所理解；便于在计算机上实现。类型：概念数据模型、逻辑数据模型和物理数据模型。现实世界Laptop信息世界概念模型认识抽象转换机器世界DBMS支持的数据模型1.数据模型的组成要素和分类组成要素：数据结构：所研究的对象类型的集合。数据操作：对象（型）的实例（值）允许执行的操作的集合。数据的约束条件1.数据模型的组成要素和分类分类：概念数据模型－按用户的观点来对数据和信息建模。逻辑数据模型－按计算机系统的观点对数据建模。物理数据模型－反映数据的存储结构。2.概念数据模型基本概念：实体（Entity）实体集（EntitySet）属性（Attribute）域（Domain）联系（Relationship）①实体（Entity）－客观存在并可相互区别的事物。②实体集（EntitySet）－具有共同特征和性质的实体的集合。③属性（Attribute）－实体所具有的某一特性。④域（Domain）－属性的取值范围。⑤联系（Relationship）2.概念数据模型表示方法－实体－联系方法（Entity-RelationshipApproach）图例：实体属性联系“监测系统”的概念模型垂线序号坝内位置X、Y、Z坐标安装日期仪器编号移交日期…“监测系统”的概念模型对应应变计序号埋设坝段X、Y、Z坐标所在组号仪器编号无应力计X、Y、Z坐标仪器编号序号测值日期测值测值日期测值“工程档案”的概念模型水轮机编号型号吸收高度最大水头单机容量设计水头额定转速过水能力最小水头平均工作水头3.逻辑数据模型以一定的方式存储于数据库系统中，是DBMS中的存储模型。类型：①层次模型（HierarchicalModel）②网状模型（NetworkModel）③关系模型（RelationalModel）④面向对象模型（ObjectOrientedModel）。关系数据模型时间X向Y向2007-10-11.2512.3452007-10-21.2342.4232007-10-31.5112.1582007-10-41.6212.369关系数据模型关系（Relation）：表。元组（Tuple）：行属性（Attribute）：列。主码（Key）：唯一确定一个元组的某个属性组。域（Domain）：属性的取值范围。分量：元组中的一个属性值。关系模式：关系名（属性1、属性2、…、属性n）四、数据库系统结构和组成（一）数据库系统结构从数据库管理系统角度－