海底管道动态数据显示系统设计.docx

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海底管道动态数据显示系统设计

宁波理工学院

毕业设计（论文）

题目海底管道动态数据显示系统设计　　　　　　　　　　　　　

姓名王侃

学号3110404086

专业班级11自动化2班

指导教师马修水

学院信息工程与工程学院

完成日期2015年5月5日

摘要

随着我国海洋油气资源的大力开发，海底管道监测技术的开发应运而生。

设计与研发海底管道检测以及动态数据显示集成系统，对我国海洋油气资源的开发意义重大。

本文利用Unity3D三维引擎高度还原海底全貌以及海底管道铺设情况，构建三维海底管道模型。

利用SQLServer与ArcSDE的连接建立海底管道信息数据库。

两者结合设计出高效率、高品质、高时效的海底管道动态数据显示系统。

建立初步的海底管道动态数据系统后，选择一块示范试验区，根据试验区的实际情况进行三维海底建模，数据库构建与连接，人性化UI界面设计。

最后将系统打包及发布，最终实现远程监控。

关键词：

海底管道；SQLServer；ArcSDE；Unity3D；动态数据显示

Abstract

WiththevigorousdevelopmentofoilandgasresourcesinChina,submarinepipelineinspectiontechnologybecomesmoreandmoreadvanced.Designinganddevelopingthesystemofthesubmarinepipelinedetectionandthedynamicdatadisplayisveryimportanttoexploittheoilandgasresourcesintheocean.ThispaperusingUnity3Dgameenginetorebuildthesubmarine’spanoramaandthesituationofsubmarine’spipelinelaying,andbuildthemodelof3Dsubmarinepipeline.UsingtheconnectionofSQLServerandArcSDE,webuildthesubmarinepipelineinformationdatabase.Combiningthesetwotechnologies,thedesignofthesubmarinepipelinedynamicdatadisplaysystemhavehighefficiency,highqualityandhighdrillingspeed.Afterbuildinginitialsubmarinepipelinedynamicdatasystem,chooseademonstrationtestareaandaccordingtoactualexperimentalarea,thenbeing3dmodelingofthesubmarine,databaseconstructionandconnectionandfriendlyUIinterfacedesign.Finally,packaginganddistributionsystemtoachieveremotemonitoring.

Keywords：

submarinepipeline；SQLServer；ArcSDE；Unity3D；dynamicdatadisplay

第1章概述

1.1研究的目的和意义

人口增长、环境恶化、资源短缺等无疑是目前威胁人类生存的几大首要问题。

各国政府和科学家们面临着寻找新的生存空间和新能源的重大难题。

而海洋作为人类赖以生存的“第二疆土”，占据了地球表面面积70.8%，拥有着地球总水量的96.5%，其中蕴含着无法预估的资源。

海洋在人们的印象中就是人类生命起源的温床、资源的宝库、贸易的通道、国防的屏障。

世界海洋经济发展迅速，海洋安全战略也已经成为国家安全战略的重要组成部分，海洋主权的得失直接影响国家的主权利益和发展空间。

中国作为历史悠久的海洋大国，拥有300万平方公里的海域和18000公里长的海岸线，沿海分布有6000多个岛屿。

自20世纪90年代以来，整个沿海地区的海洋开发热潮蔓延，海洋经济得到了持续快速的发展。

海洋经济的发展已经成为中国沿海现代化进程中重要的推动力量和新世纪发展的战略重点[1]。

近年来，我国的海洋探测技术已具有一定的规模，包括海洋环境自动观测技术、海洋遥感技术、水下工程探测技术，但与国外先进科技水平相比，仍存在较大的差距。

而且，我国近年来的油气管道泄漏事件层出不穷，例如2010年7月，中石油大连输油管线因卸油操作不当，致使管线发生爆炸。

据相关媒体报道，当时估计约有1500吨原油进入海洋，致使100平方公里以上的海域受到污染，带给国家巨大的经济损失，更造成严重的海洋环境污染。

随着我国海洋油气资源的开发，海底管道正在进行大面积铺设，海底油气管线已然成为油气集传输与储运系统的一个重要组成部分。

因此，海底管道的检测和维护与我国海洋经济的发展息息相关，而发展海洋经济已成为我国沿海地区新的经济增长点[2]。

管道投入使用后，每年都需要定期作例行检查以确保油气运输的安全，尤其是在管道投入使用多年后，由于海底表层地基不稳定，介质腐蚀，海流冲淘以及海上意外事故等原因，管道易产生缺陷和损伤，导致油气泄漏，会造成巨大的经济与生态环保损失。

因此，直观、快速地监测和显示海底管道铺设地形及周边环境信息，对管道的安全运营有着重要作用。

需要被检测的内容主要包括以下几个方面：

管道平面偏移检测、管道埋深检测、管道海底状态检测、管道所处海床面高程检测等[3]。

随着虚拟仿真技术在各领域的广泛应用，虚拟仿真过程中海量数据的实时性已经成为当前研究的热点[4]。

海底管道动态数据显示系统是通过与“数字海洋”基础信息平台的衔接，以“海底管道及相关海底地形地貌综合数据库”为基础，通过SQLServer与Unity3D连接实现海底管道三维动态数据的可视化显示。

用SQLServer接收数据，再利用Unity3D读取数据进行本地解析并直观地显示在用户界面。

1.2国内外研究现状和发展趋势

海底管道动态数据显示系统是需要针对Unity3D连接数据库的技术进行研究的。

目前，已经有Unity3D连接ACCESS数据库和SQLServer数据库两类方式的研究。

而这两类方法在性能上有着较大的差距。

ACCESS数据库是一种关系式数据库，也是最简单的一种数据库。

它的优点有：

1、开发人员可以灵活操作；2、数据转移方便；3、软件运行环境简单，适用于小型网站的数据库处理。

但它同时存在不支持并发处理、数据库易被下载的安全隐患、数据存储量较小、数据量过大时严重影响网站访问速度和程序处理速度等缺点。

SQLServer是一个关系数据库管理系统，是基于服务器端的企业级数据库，适合大容量数据和大流量网站的应用，在性能、安全、功能管理、可扩展性上优于ACCESS[5]。

其图形化用户界面，使系统管理和数据库管理更加直观、简单，丰富的编程接口工具为用户进行程序设计提供了更大的选择余地。

本系统需要运用海量数据，且安全性能和用户体验要求高，故选用SQLServer数据库。

国内外对于海底管道检测与风险评估的相关领域有不同程度的研究与发展。

M.M.N.Ilman和Kusmono提出监测海底输油管道的腐蚀情况的重要性，他们研究了通过使用光学显微镜结合扫描电子显微镜（SEM）配备有能量分散型X射线标准不良分析方法，包括视觉检验、化学和机械刻画、金相检验来分析并使用电极电位技术进行腐蚀测试[6]。

由此可见，海底管道监测技术的市场需求之大正引领着科研领域的飞速发展。

J.L.Alamilla等人提出海底管道有系统的故障分析是至关重要的，可以避免未知的巨大损失，并认为采用可靠的数据库能够产生持续改进的过程，以降低风险，而这在石油检测领域还处于萌芽阶段[7]。

FranzJ.Meyer等人提出了一种替代遥感图像提取北极靠海冰边缘的方法，该方法是基于相干干涉L波段合成孔径雷达（SAR）进行数据处理，由此测得的数据具有较高的鲁棒性和准确性，适用范围广的环境条件下的映射[8]。

反观国内，在海底管道动态数据显示的相关领域中，马娟提出了基于SceneControl对海底管道三维场景模拟关键技术进行研究，在此基础上开发了杭州湾海底管道检测数据管理系统，实现了数据高效统一管理与成果三维直观表达[9]。

但由于SceneControl控件只支持同一份数据不同角度的同步显示，无法实现主视图显示海底管道三维场景、窗口视图显示不同检测批次海底管道比较数据的功能，必须在SceneControl的底层事件中实现自定义扩展。

相比较下，本系统采用Unity3D进行海底管道及相关海底地形地貌三维建模，并且可以更加方便地实现三维场景、数据在同一窗口视图显示。

张利利、李仁义等人研究基于Unity3D的Monodevelop编辑器下，采用C#编程语言实现系统与数据库的连接，并完成海量数据的传输和存储，从而达到系统与数据库的双向交互[4]。

研究过程中分别考虑了连接ACCESS数据库和SQLServer数据库两种方法对数据库的性能进行测试。

并得出SQLServer数据库的性能更优、速度更快。

邵剑文对海底管道的健康监测系统与评估进行了研究。

其中，针对“有无损伤→损伤程度→损伤后的寿命评估”三阶段的海底管道健康监测算法研究和监测软件系统的开发，他提出了基于时间序列分析的海底管道异常检测方法和基于经验模态分解法（EMD）和随机减量（RDT）的海底管道悬跨监测算法。

前者是以模式识别为基础的故障诊断技术，应用时间序列分析模型，对待检模式和参考模式进行特征提取，利用信息距离函数对模式进行分类，具有清晰物理意义。

后者是采用经验模态分解法（EMD）从管跨随机应变响应中提取内在模态分量，并应用随机减量（RDT）处理来提取各阶自振频率。

其依托光纤传感系统，对海底管道悬跨震动长度的监测算法进行了研究[10]。

综上所述，海底管道检测以及动态数据显示结合的技术领域仍处于发展初期，而且拥有广阔的市场空间，国内外对此的研究也在逐步深入。

相信只要经过我们不断的探索和研究，一定可以在这块领域占领先机。

1.3本设计的主要内容

本文运用SQLServer与ArcSDE构建和连接数据库、运用Unity3D构建海底管道及相关海底地形地貌三维场景构建以及Unity3D通过Webservice读取数据库数据等技术，设计出海底管道动态数据显示系统。

该系统可以直观、快速地监测和显示海底管道铺设地形及周边环境信息。

论文的总体安排如下：

第一章概述本文研究的目的，详细地分析叙述了本系统设计的现实意义，通过研究文献成果论述了目前国内外对这类系统研发的技术基础和发展前景，说明本文的基本架构和本设计的主要研究内容。

第二章主要阐述SQLServer与ArcSDE数据库构建与连接方法，介绍SQLServer和ArcSDE以及通过合成孔径雷达采集海底管道信息数据的方法。

第三章介绍Unity3D和Webservice以及使用Unity3D构建海底管道三维场景的方法，主要通过Uinty3D与Webservice连接读取海底管道数据库，并使用JavaScript和c#两种方法编译脚本，利用litjson类库对json字符串解析，从而得到数据。

第四章设计并制作海底管道动态数据显示系统界面，可达到数据与界面在同一窗口显示，并利用Tomcat发布显示系统，使整个局域网内的用户都可以同时联网查看或操作。

第五章选取实验区进行系统测试。

获取实验区海底管道数据后，通过构建实验区海底管道动态数据显示系统，找出系统存在的问题与不足。

第六章对本文所做的成果进行总结，并对未来海底管道监测技术发展方向做出展望。

第2章海底管道信息数据库建立

在建立海底管道信息数据库前，数据采集是首要完成的任务。

采集数据使用的工具和方法直接影响数据的准确性、实时性以及实用性。

本章主要介绍将采集到的数据转换成shape文件，再通过ArcSDE读写shapefile文件中的数据，最后利用ArcSDE在SQLServer中构建系统需要的海底管道信息数据库。

2.1海底管道信息数据采集方法

合成孔径雷达（SyntheticApertureRadar），简称SAR，是一种高分辨率且工作在微波波段的相干成像雷达，属于主动式遥感系统，它具有常规雷达不具有的能力，如：

远距离全天候成像能力、高分辨能力、自动目标识别能力以及机上处理能力等。

SAR成像侦察克服了光学成像侦察受天气和光照条件限制的缺陷，尤其对传统的光学传感器成像困难的地区有着特别的意义，是遥感信息获取技术重要的分支，不仅如此，雷达遥感对水体的敏感度超出了可见光和红外遥感等其他遥感方式。

合成孔径雷达是通过发射电磁脉冲和接收目标回波之间的时间差测定距离。

它的分辨率与脉冲宽度或脉冲持续时间有关，脉宽越窄分辨率越高。

合成孔径雷达一般装在飞机或卫星上，分为机载和星载两种。

机载合成孔径雷达容易实现较高的分辨力。

通常民用距离和方位二维分辨力10m*10m即可。

而其在民用领域中的应用就包括水文学应用（例如水灾区实时成像）和对海洋中船只监测和海难救援[11]。

故本系统采用合成孔径雷达来进行海底管道信息数据的采集。

利用合成孔径雷达采集到的数据，将数据内容转换成shapefile文件。

2.2基于SQLServer与ArcSDE的海底管道地理信息数据库建立方法

海洋管道地理信息数据库所需数据牵涉面广、数据量多，在管理、监测工作上有一定难度。

为此，通过运用SQLServer和ArcSDE构建海底管道地理信息数据库可以高效地将空间数据及其属性数据关联起来。

本章描述的就是如何运用空间数据引擎ArcSDE和关系数据库管理系统SQLServer集成的方式，建立海底管道地理信息数据库。

2.2.1SQLServer的原理及应用

20世纪80年代，微软、Sybase和Ashton-Tate三家公司共同开发出SQLServer，当时运行于OS/2平台。

随后其在功能、使用界面上不断发展和革新，演变成硬件要求水平低、支持分布式数据结构、执行效率高的多线程关系型数据库。

SQL（StructuredQueryLanguage）是一种数据库查询、更新和管理关系数据库系统。

SQLServer是一个高可用性、高安全性和可伸缩性好的关系数据库管理系统。

它由一些既有数据存储检索功能的客户端组件和服务器组件组成。

数据库管理系统简称DBMS（DataBaseManagementSystem），指位于用户与操作系统之间的一层数据管理软件。

数据库在建立、运用和维护时由数据库管理系统统一管理、统一控制。

数据管理系统使用户能方便地定义数据和操纵数据，并能够保证数据的安全性、完整性、多用户对数据的并发作用以及故障后的系统恢复。

数据库系统简称DBS（DataBaseSystem），指在计算机系统中引入数据库后构成的系统，一般由数据库、数据库管理系统（及其开发工具）、应用系统、数据库管理员DBA（DataBaseAdministrator）和用户五部分组成。

由于本系统要求数据库服务器允许多台客户机访问，所以选择的是采用客户机/服务器计算模型的SQLServer2005，即中央服务器用来存储数据库。

数据库采用这种结构的好处有：

（1）数据集中存储。

数据集中存储在中央服务器就可以使所有用户可以访问相同的数据。

（2）业务逻辑和安全规则可以在服务器再定义一次，而后被所有用户都使用。

（3）关系数据库服务器仅返回应用程序所需要的数据，这样就可以减少网络流量。

（4）节省硬件开销。

由于数据的集中存储，客户机上不需要存储数据，所以客户机的硬件不需要具备存储和处理大量数据的能力，而服务器不需要具备数据表示的功能。

（5）易备份和恢复。

2.2.2ArcSDE的原理及应用

ArcSDE（SDE即SpatialDatabaseEngine）是美国地理信息系统（GIS）软件生产商ESRI公司推出的专用的空间数据库引擎（SpatialDataEngine），主要用于ArcGIS。

它是在关系数据库管理系统RDBMS（RelationalDatabaseManagementSystem）中存储和管理多用户空间数据库的通路，从空间数据管理的角度看，ArcSDE是一个连续的空间数据模型，借助这一空间数据模型，可以实现用RDBMS管理空间数据库[12]。

也就是说，ArcSDE是以SQLServer数据库为后台存储中心，为前端的GIS应用提供快速的空间数据访问。

ArcSDE体系结构如图2.2.1所示。

图2.2.1ArcSDE体系结构

ArcSDE在保证所有GIS功能可用的同时，不需要考虑底层的DBMS。

用户只要使用ArcSDE就可以在DBMS中有效地管理他们的地理数据资源。

ArcSDE使用DBMS支持的数据类型，以表格的形式管理底层的空间数据存储，而且可以使用SQL在DBMS中访问这些数据。

2.2.3SQLServer与ArcSDE数据库构建与连接方法

ArcSDE本身并不是一个关系数据库或数据存储模型，它只是多种DBMS的通道，能在多种DBMS平台上提供高级的、高性能的GIS数据管理的接口。

它最大的特点之一是连续、可伸缩的数据库ArcSDE可以支持海量的空间数据库和任意数量的用户，直至DBMS的用户上限。

ArcSDE支持多种操作系统，其中包括Windows，UNIX，Linux等。

正确安装好SQLServer2005和ArcSDE9.2forServer2005后，需要进行ArcSDEforMicrosoftSQLServerPostInstallation这个环节。

这个环节主要是在SQLServer中创建一个具有sde架构的空间数据库，其次是为ArcSDE软件授权，创建并激活ArcSDE服务。

创建服务成功后就可以启动服务，紧接着需要使用ArcCatalog连接ArcSDE来管理空间数据。

ArcCatalog是ArcGISDesktop中最常见的应用程序之一，是地理数据的资源管理器，被开发者用来组织、管理和创建GIS数据。

打开之前建立的连接就可以连接到ArcSDE数据库服务器，在右键菜单中执行导入操作（导入的数据类型有要素类和栅格数据集），通过这个步骤就可以成功将开发者需要的海底管道数据导入到ArcSDE数据库服务器中。

在建立了空间数据库连接后，开发者就可以使用空间数据库进行工作，使用ArcSDE可以加载coverage数据，也可以将已有的shapefile数据通过ArcSDE加载到数据库中。

本系统使用的海底管道数据是通过合成孔径雷达检测到的，并将所有的数据保存成shapefile文件，所以，我们需要把已有的shapefile数据通过ArcSDE加载到数据库中[13]。

这些管道数据也可以通过图形的形式展示，如图2.2.2所示。

图2.2.2管道数据图形化

第3章海底管道三维场景构建及数据库的连接

本文设计的海底管道动态数据显示系统的海底管道三维场景是通过Unity3D构建的。

首先以Unity3D为建模工具，构建一个还原海底地形原貌的三维海底地形。

构建出来的模型具有真实的三维立体感，利用虚拟海底环境为目标，用于作为三维可视化海底管道集成系统建立的基础[14]。

其次应用数据库集成海量实时数据同步至基于Unity3D构建的海底管道系统，实现数据实时追踪的效果。

3.1基于Unity3D的海底管道三维场景构建

3.1.1海底管道三维地形建模

Unity3D中有自带的基础地形系统，开发者可以自定义各类地形，在地形上添加各种效果使地貌变得几乎真实。

本系统需要创建一个海底管道三维地形，具体建模流程如图3.1.1所示。

图3.1.1海底管道三维地形建模流程图

打开Unity3D后在菜单栏中找到GameObject，在其下拉菜单中找到CreatOther，选择Terrain创建新地形，然后在Hierarchy视图中选择“Terrain”地形，此时右侧的Inspector视图中将显示用来编辑游戏地形的菜单，如图3.1.2所示。

在地形菜单栏中可以编辑地形的各种属性。

地形菜单栏中7个按钮的含义分别是编辑地形高度、编辑地形特定高度、平滑过渡地形、地形贴图、添加树模型、添加草与网络模型、其他设置[15]。

图3.1.2编辑地形界面

通过这些工具就可以描绘开发者想要的地形了，选择画笔后，在地形上左右拖动鼠标可编辑地形的宽度，上下拖动鼠标可编辑地形的高度。

在特定高度和平滑按钮中可以选择适当的笔刷大小进一步调整山的高度和平滑度，描绘新的地形如图3.1.3所示，其中（a）为平滑前，（b）为平滑后：

（a）

（b）

图3.1.3新地形概貌

在新地形上为海底地形添加纹理，首先，需要添加至少一种纹理到地形中，导入Unity提供的地形资源包TerrainTextures后，在“SelectTexture2D”页面中选择Grass&Rock使地形变得更加真实，如图3.1.4所示。

图3.1.4添加纹理后的地形

3.1.2海底管道三维场景建模

基础地形建立后，需要模拟实际环境添加天空效果、水效果等，实现水下地貌地形具体，水上效果真实。

场景效果添加主要有天空盒效果，立体水和平面水的添加等。

首先，实际环境的天空效果是不可避免的，而Unity中的可以直接在场景中设置天空盒子，这样可以避免在多个摄像头中设置天空盒子带来的切换视角后贴图显示的问题。

Unity自带的Skybox组件中的资源十分丰富，在菜单栏的Assets中找到ImportPackage，在它的下拉菜单中选择Skyboxes，可将天空盒子组件添加至主摄像机中。

然后在Unity导航菜单栏中选择Edit，在下拉菜单中选择RenderSetting，打开渲染设置界面，在该界面中的SkyboxMaterial（天空盒子材质）选项中设置天空的材质，这样就可以直接应用于场景中，添加天空盒子的效果如图3.1.5所示。

图3.1.5添加天空盒子效果图

其次，添加水效果需要创建一个新的Plane作为平面水的搭载平面。

调整完合适的大小和位置后，导入系统中原有的水资源包，导入方法与上文导入天空盒资源相同。

特别要提的是，水平面是一个可以穿越的物体，需要改变其属性使摄像头可以穿越，在Inspector窗口把IsTrigger勾选上即可。

平面水效果实现后，也需要添加水下效果。

水下效果需要运用Unity自带的ImageEffects，使用它可以快速生成开发者需要的效果。

另外，通过调整MainCamera中ColorCorrectionCurves组件的参数，使镜头的效果出现浅蓝绿色的水下效果，同样可以添加水下模糊效果。

完成这两步后可以显示出如图3.1.6所示的效果图。

（a）水上效果

（b）水下效果

图3.1.6水效果显示图

3.2海底管道数据库的连接读取

3.2.1Unity3D与数据库连接的常用方法

海底管道动态数据显示系统中需要存储大量地理信息和管道信息，这些数据数目较为庞大，种类繁多。

数据的获取、存储和显示方法都是需要不断研究和优化的。

本系统的创作环境是基于Unity开发的，而Unity的数据存储功能并不强大，一般少量、简单的数据存储可以使用PlayerPref