司毅铭 李东亚 牛永生 张绍峰 柴成果

      【摘 要】Sybase数据库是管理信息系统（MIS）常用数据库之一，由于功能强大，技术支持软件多，在实际工作中得到了广泛应用。本文结合小浪底水环境监测信息系统，阐述了Sybase数据库具体的设计方法及技术问题解决方案，为Sybase数据库用于水环境信息系统提供技术事例。
    关键词 水环境 信息系统 小浪底 Sybase
    一 引言
    黄河小浪底水利枢纽工程是国家"八五"重点建设项目，是治理开发黄河的关键性工程。库区位于黄河中游豫、晋两省交界处，在洛阳市西北约40km。上距三门峡坝址130km，下距郑州花园口128km。北依王屋、中条二山，南抵崤山余脉，西起平陆县杜家庄，东至济源县大峪河。南北最宽处约72km，东西长93.6km。
     黄河小浪底水利枢纽工程启用后，区域环境状况和河流水文情势将发生一系列变化，在较大范围内改变已有的环境生态平衡。为了加强对小浪底区域水环境的监控，分别在库区、施工区和移民安置区建立相应的监测断面（点）。库区水质监测包括地面水监测14个断面、底质监测4个断面；施工区监测包括地表水干支流6个断面、生活饮用水37个监测点、河流底质12个断面、生活污水和生产废水17个监测点、大气6个监测点、噪声12个监测点；移民安置区包括生活饮用水28个监测点和土壤28个采样点。
     库区水环境监督与管理工作涉及面广、信息量大，如此大量的监测数据如果没有高效的科学处理手段，势必影响到监测资料的信息价值。为此，在工程建设的同时，开展水环境监测信息系统的开发研究工作，更好地为水库运行方式提供管理依据和决策依据。它的实现将为保障库区及下游河段供水安全，实施系统监控，减少工程对生态环境不利影响提供更为科学的手段。
    二 数据库开发工具选择
    1 数据库技术现状
    数据库技术产生于60年代中期，距今已有40年的发展历史，它所解决的主要问题是如何科学的组织和储存数据，并高效地获取和处理数据。
    从数据模型区分有关系型数据库和面向对象型数据库。关系型数据库通常被用于处理线性结构的数据，关系型数据库是将数据按表结构形式进行组织,对表格的处理方便灵活，且易学易用，因而得到广泛的应用。关系型数据库所处理的表格是线性结构，表的每一行对应着一个数据元素，称作一条记录。记录与记录之间呈线性排列，彼此间没有联系。然而，在解决实际问题时，常常会遇到非线性结构的数据，如树结构数据。树结构数据在客观世界中广泛存在，如人类社会的族谱和各种社会组织机构都可用树来形象表示。关系型数据库若用于处理非线性结构的数据，就不仅需要对数据本身进行存储，还需要对数据间的关系进行存储。
    面向对象数据库根据关系型数据库特点引入了面向对象数据模型方法，增加了管理数据内在动态联系的能力，使得对复杂数据对象表达能力更强，能够很好地支持多种非线性结构数据，而且在建模能力和运行性能上都显示出比关系数据库更大的优越性和潜力。目前，关系数据库系统有Sybase公司的Sybase12.0，IBM公司的DB2 6.1，Oracle公司的Oracle8i，Microsoft公司的SQL Sever7.0等。面向对象数据库系统有HP公司的IRIS，法国Altair公司的O2，美国MCC集团的ORION等。
     尽管面向对象数据库的出现大有取代关系数据库的趋势，但由于面向对象数据库产品缺乏统一的标准，而且应用开发工具不足，使得关系数据库技术仍是当今数据库技术的主流。
    2 Sybase数据库技术特点
     ⑴分布式数据库技术 Sybase数据库在网络上的应用支持分布式数据库技术。与集中式数据库不同，它把处于同一网络内的不同应用数据库组成一个数据集，提供局部数据快速寻访，减少响应时间，使数据库应用具有分布特色，增加了系统可靠性和安全性，改善系统性能。分布式数据库技术目前已得到广泛的应用。
    ⑵ 支持客户/服务器（Client/Server，简称c/s）体系结构。
    ⑶ 支持Internet/Intranet外部连接。
     ⑷ 采用了标准关系数据库语言SQL,对多种用于前端开发的工具软件具有开放性、兼容性。
    ⑸在数据容错、完整性检查、安全保密等技术上具有领先优势。
    ⑹对海量数据的处理速度快、效率高。
    三 Sybase数据库应用
    １ 需求分析
      监测数据是黄河小浪底水环境监测信息系统运行的基础，数据库开发是本系统成功的关键，作为黄河小浪底水环境监测信息系统的基本资料数据库应满足以下要求：
    1.1 运行体系 黄河小浪底水环境监测信息系统是多用户应用系统，根据用户的权限和目的要求，用户可上网查询。所有的基本数据均存放于网络服务器，用户可根据自己的权限和要求直接进行库操作，以实现自己的查询目的。
    1.2 功能要求 满足于多种前端开发工具软件，使之具有开放性、兼容性；在数据容错、完整性检查、安全保密等技术上具有先进性；对海量数据的处理速度快、访问效率高；考虑以后系统的兼容性和扩充性，支持多协议。
     ２ 系统数据库组成
    小浪底水环境监测信息系统包含三个主要业务内容，即库区水环境监测；施工区环境监测；移民安置区环境监测，为了宏观描述库区环境状况及对水环境质量预测，还要有库区地理概貌、污染源档案、相关法规条例等内容。
    2.1 小浪底库区水质监测站网数据库
     ⑴ 断面布设 共设14个断面，库区水质断面10个，黄河干流3个，入库支流7个。其中基本断面10个，辅助断面3个，专用断面1个。
    ⑵断面布设情况 含断面名称、断面所在河道名称、汇入河流名称、所属水系，断面地理位置、断面的设置时间、断面所属行政区、断面类型、控制河段、控制河长、集水面积、距河口距离、监测单位、备注等。
    ⑶监测频率 基本断面常规监测项目为每月监测一次，选测项目为每季度监测一次；辅助断面的常规监测项目和选测项目均为每两月监测一次；专用断面每两月监测一次。
    ⑷监测项目 监测项目为45个监测因子。
         ⑸底质的监测数据 共有4个断面，每年监测3次，测定项目为砷、汞、铜、铅、镉、硫化物。
     2.2 小浪底施工区环境监测数据库 小浪底施工区数据包括大气、噪声、地表水、河流底质、地下水（生活用水）、污水排放口（点污染源）的生活污水和生产废水。
     2.3 小浪底移民安置区环境监测数据库 包括生活饮用水水质和土壤。
    2.4 污染源数据库 污染源数据库包括排污口名称、排放方式（明渠、暗管、泵站）、排污类型（常年、间断）、污水性质（工业、生活、混合）、所属省区、地市、县（市）、所属的河流、水系、河段、排污天数、流量或排放量、各污染物浓度。
    2.5 法规条例数据库 将有关环境保护的法律法规纳入数据库管理，如《中华人民共和国环境保护法》、《中华人民共和国水污染防治法》、《中华人民共和国水法》、《中华人民共和国河道管理条例》、其它有关的法规条例。
    2.6 标准数据库 主要内容包括：《地面水环境质量标准》、《污水综合排放标准》、《生活饮用水卫生标准》、《大气环境质量标准》、《建筑物工场界噪声标准》等。
    2.7 图形库 图形库包括地形图、水系图、站网布设图、污染源分布图、断面布设状况图等。
    ３ 系统数据库设计
    3.1 数据分析
    数据库是系统各项处理模块和功能的中心环节，结构合理、条理清晰的数据库是系统开发的基础。系统数据分析阶段是在对系统业务流程详细分析的基础上，合理组织系统数据库的逻辑结构，确定需要建立的专用数据库，分析各个数据库的信息载体，将其分割成表的形式。
    3.2 结构设计
     系统数据库运行于C/S体系结构，数据库的结构设计不但要满足网络的特殊要求，还要考虑运行时的安全性及保密性，同时，数据的寻访速度也是在数据库结构设计中需要关注的问题之一。
    根据对小浪底水环境监测信息系统的功能分析，系统基础数据库包括地面水数据库、生活饮用水数据库、底质数据库、污染源数据库、评价标准数据库、法规条例数据库和水质简报数据库。在基础数据库的基础上，建立水质评价结果数据库，其中存储水质评价的结果，以供进一步查询和分析。小浪底水环境监测信息管理系统的数据库逻辑结构见图1所示。

    3.3 功能模块设计
    ⑴数据输入 将水质监测资料、污染源资料和法规条例输入数据库。输入方式多样化，以适合不同人的习惯，以便提高录入速度。数据既可全屏幕输入，也可以表格方式填写，还可以固定格式以问答方式录入。某些常用项以可选项进行设置。
    ⑵ 数据备份 重要数据备份入数据磁带或硬盘，以保证数据的安全。
    ⑶ 数据合理性检查 对输入的数据或接收的数据作合理性检查，并显示检查结果，供操作员作进一步的判断。一般来说，监测数据沿河道和时间的变化不会很大，对于个别异常值，应进行合理性检查，以找出输入或传送的错误，以便得到及时改正。
    ⑷ 数据修改 为便于改正、增加、删除数据和对数据库进行正常维护， 数据修改可以全屏幕进行，也可以选单个断面以窗口方式修改。数据修改设置可选项，如对断面名称、日期、监测项目进行选择，以方便用户找到修改位置。
    ⑸ 数据的查询　根据指定的要求和条件，对选定项目进行查询，并给出结果。对经常用的查询，设置可选项。通过对可选项的选择可以直接得到查询结果，如对常用评价项目、重金属、有机物、超标项目、年平均、枯水期、平水期、丰水期等进行的查询。所有的监测项目及监测断面、监测日期、河流、省区均为可选项，通过选择可以组成各种组合查询。某些选项可以通过可选项选择，也可通过直接输入选择。查询菜单可以调用打印菜单，并可将查询结果以所要求的格式显示或打印。
    ⑹数据的排序 通过选择指定项目的升序或降序，将指定条件的数据进行排序。除对一般数据可以排序外，还可以按上、下游关系对一条河流的监测断面进行排序。该项功能可以方便地被其它模块调用，并提供显示或打印。
    ⑺ 显示和打印 显示和打印功能应能够和操作系统的显示打印有机结合在一起。一方面可以对正在显示的图形、表格和文字进行打印，另一方面也可以依据给定的条件和选项，对指定内容以图形、表格进行显示或打印，对部分文字显示或打印。打印的内容可以打印机直接输出，也可存入文件，供修改或以后打印。
    ４ 关键技术难题解决与处理
    4.1 用户权限设置
    在小浪底水环境监测信息系统中，比较突出的问题是维护数据的安全性，不能允许用户随意修改、删除和增加数据，对数据的这些操作权限只赋给相应的用户。为此，本系统规划了三种数据操作权限：系统管理员、数据库管理员和一般用户。系统管理员拥有最高权限，他除了拥有对数据的所有操作权限(录入、修改、删除、查询)外，还可以添加系统用户，给用户授权，即安排用户的数据操作权限；数据库管理员主要负责对数据的录入、修改和删除，他可以变更数据库中的数据记录；一般用户只能限于数据的查询和一般的统计。据此，即可对不同部门的用户进行数据操作权限的管理。
    4.2 索引文件设计
    对于一般的数据库来说，数据的检索方式采用的是顺序检索，即给出查询条件后，从数据库中的第一条记录开始进行检索，直到查到满足条件的记录为止。这种检索方式在数据库记录不多的情况下是可行的，但是当数据库记录很多时，这种检索方式所花费的时间就比较长，用户需要等待很长时间才能得到系统的反应，系统运行效率不高。为了提高检索效率，可以建立索引，建立索引后的查找方式是折半查找法，检索效率比顺序查找法高。
    由于索引文件需要占用一定的存储空间，另外从系统的可维护性角度出发，索引文件越多维护起来也越复杂，因此建立索引时，应考虑系统经常性的查询条件，对那些经常有查询需求的数据列建立索引。黄河小浪底水环境监测信息系统中，地面水数据库中的数据记录比较多，系统中的许多内容都涉及到这个数据库，其具有快速查询的要求。在数据查询时，大多要涉及到监测断面编号、监测时间，因此在这个数据库中为这两个列设计了索引。
    4.3 临时表设计
    在黄河小浪底水环境监测信息系统中，所有的实测数据全部存贮在服务器的数据库中，有些功能要频繁操作数据库，为提高系统运行速度、实现统计报表输出功能，需要在客户端建立一些临时表，例如在水质评价、水质特征值统计、水质成果表统计中，都建立了这样的数据表。这些表是为了实现系统功能必不可少的，随着使用的结束而失去其价值，为了节省存储空间，使用完后系统会自动删除其中的数据。
     4.4 系统数据字典
    本系统采用关系型数据库模式，因此数据库由若干个二维表构成，每个表存贮不同类型的数据，每个表中又含有不同的列，列中的数据有多种数据类型，如interger或int、long、decimal或dec、real、sting、bolb、boolean、time、date、datetime等，在满足数据的精度的情况下尽量用存贮量小的数据类型。一个表中可以有多个主码和外码，用多个主码表示惟一的数据记录（即一个表中不能出现所有主码完全相同的两个记录），方码列的数据不能为空。多个有联系的表通过主键和外键相关联，在系统中可以同时对这些表进行操作。本系统的数据库名用表示其名称的英文单词表示；表名的第一个字母为相应数据库名的第一个字母，后为表示其名称的英文单词；列名的前两个字母为相应表名的前两个字母，后为列的英文单词或简称。
    4.5 空记录处理
    在库区水质监测站网数据库中，根据实际监测工作需要，其45个监测因子并不是每次都需要全部监测，对数据库而言每月都有空记录存在，随着时间的积累，不仅占有一定的存储空间，还降低了数据的寻访速度。为了解决这个问题，在实际开发过程中，设计并建立了主-副数据库模式，即监测频次高的数据存放在主数据库中，频次低的数据存放副数据库，数据库运行实现平滑连接。较好地解决了这个难题。
    四 结束语
    Sybase是关系数据库中一种功能较强的数据库，尤其在线性数据表格处理方面有其独到之处。它支持当前先进的数据库技术，允许多用户同时接入数据库，加上多协议、多开发工具支持，使得Sybase得到广泛应用。Sybase与前端应用开发工具PowerBuilder的有机结合，解决了许多实际开发工作中的难题，不失为一种优化的组合方式，不仅提高整个系统的开发效率，还最大限度地发挥出Sybase数据库系统的性能优势。黄河小浪底监测信息系统的建成，不仅为水库运用方式提供水环境方面的决策依据，为库区下游水资源规划提供建设性意见。还为水资源保护工作及水环境信息系统建设工作提供研究实例。

    参考书目：
    1 李东亚等.黄河小浪底水环境监测信息系统开发研究报告［R］.黄河流域水资源保护局.1999.
    2 邵佩英等.Sybase数据库系统基础知识［M］.北京：中国水利出版社,1998.
    3 杨孝如等.Sybase数据库系统管理指南［M］. 北京：中国水利出版社,1998.
    4 陈林生等.数据库技术的现状及其发展趋势［J］.管理信息系统,1999(3)：6-8.

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