基于PowerDesigner 的公路工程地理信息平台数据库建模.docx

基于PowerDesigner的公路工程地理信息平台数据库建模冯永玖，童小华，刘妙龙（同济大学 测量与国土信息工程系 上海，200092）摘要：公路工程地理信息平台涉及的海量空间和属性数据结构复杂，利用PowerDesigner组织这些数据、设计数据库模型，便于系统总体规划、能够统一协调数据管理。文章简述了利用PowerDesigner建模的方法，分析了公路工程地理信息平台系统总体结构，探讨了公路工程数据库的组织以及概念数据模型和物理数据模型的建立。通过广东省公路工程地理信息平台数据库建模实践，验证了文中的建模方法。关键词：公路工程地理信息平台；数据库建模；概念数据模型；物理数据模型；PowerDesignerHighway project geographical information platform database modeling using PowerDesignerFENG Yong-jiu, TONG Xiao-hua, LIU Miao-long(Department of Surveying and Geo-informatics, Tongji University, Shanghai 200092, China)Abstract：As the spatial and attribute mass data of highway project are complicated，PowerDesigner, an useful CASE Tool, is the best tool to organize these data and design the database models. In this paper，several issues, such as methods of modeling using PowerDesigner, architecture of the platform, organization of highway project data, conceptual data model and physical data model, about highway project database are discussed in detail. By the practice of Guangdong highway project geographical information platform database modeling，the methods of database modeling put forward in this paper are tested. Key Words：highway project geographical information platform；database modeling；conceptual data model；physical data model；PowerDesigner目前，国内公路工程数据库较多地采用小型关系型数据库系统，如Dbase, FoxBASE, Access，这类系统在存储公路属性数据时，往往缺乏空间数据的支持。鉴于此，本文提出公路工程地理信息平台，采用地理信息系统技术和数据仓库技术来对空间数据库和属性数据库进行统一管理1，采用图形化界面实现智能化的检索和查询、统计和分析，为不同用户提供快速的资料查询与检索，资料重复利用、工程文件快速生成、规划设计支持、数据资料共享与信息发布等服务2。由于公路工程涉及项目繁多、数据量大、关系复杂，且大部分数据具有地理空间特征，因此对其数据库建模是一项复杂而艰巨的任务。结合专业CASE(计算机辅助软件工程)工具，能够将建模难度大大降低，且所建数据库模型完整高效3,4。常用的CASE工具有Rational ROSE、Visio和PowerDesigner等，这三种主要的建模工具各具优势5。Rational ROSE对于开发过程中的各种语义、模型、对象以及流程、状态等描述较好，而对于数据库的开发管理和架构支持却有限。Visio只支持图形语义的描述，只能用来架构空间数据库的图形关系描述，无法生成具体的空间数据库建库代码。PowerDesigner侧重于数据库建模，可以利用图形直观地描述复杂的空间数据模型，从而生成高效的建库代码。PowerDesigner具有灵活的分析和设计特性，允许使用一种结构化的方法有效的创建数据库或数据仓库，而不要求严格地遵循一个特定的方法学。它所提供的直观的符号标识使数据库的创建更加容易，并且使项-基金项目：广东省“十五”重大科技攻关资助项目（2002A10100309）目组内的交流和通信标准化。鉴于公路工程地理平台数据库的复杂性，考虑到这三种主要CASE工具优缺点，选择数据库建模功能最强大、操作简易的PowerDesigner作为建模工具。1 PowerDesigner建模方法公路工程地理信息平台侧重于公路规划设计资料的管理，是智能交通运输地理信息系统（GIS-T）不可或缺的重要部分，由于公路相关数据大部分具有地理空间特征，因此需建立统一的数据库，充分利用GIS技术，通过C/S模式把信息传送至公路规划设计的职能部门，实现公路设计资料管理信息化，使设计人员方便地查询到可以借鉴的设计案例。 基于PowerDesigner的数据模型分为概念数据模型(Conceptual Data Model，CDM)和物理数据模型 (Physical Data Model，PDM)，CDM是适合于系统分析阶段的工具，CDM表现数据库的整体逻辑结构，与具体软件或数据储藏结构无关。CDM反映具体项目现实综合信息需求，是最终用户对数据存储的理解，不考虑物理实现细节，只考虑实体之间的相互关系。 PDM是适合于系统设计阶段的工具，建立PDM的主要目的是把CDM中建立的现实世界模型生成特定的DBMS脚本，产生数据库中保存信息的储存结构，保证数据在数据库中的完整性和一致性，表现对象为物理表、主键、外键索引、触发器和相应的数据字典等6,7。在PowerDesigner中，PDM可由CDM自动生成。在描述出完整的概念数据模型后，可以对其进行有效性检验；对于通过有效性检验的概念数据模型CDM，可以直接将其转化为PDM。进一步，根据系统数据库平台选择相应的DBMS，最终通过Generate Database完成数据库的创建。2 公路工程地理信息平台系统结构通过对公路工程相关管理部门、工程咨询部门、规划设计部门进行详尽调查，对公路相关国家规范认真解读，以及对大量的数据、文本、报告和各阶段设计图范例和实例进行归类和分析，提出公路工程地理信息平台系统结构，如图1。平台分为三个子系统:公路工程地理信息系统、公路工程属性数据管理系统和公路工程信息智能查询统计系统。支持平台的数据库包括公路空间数据库、公路属性数据库和相应的元数据库，分别存储公路工程地理空间信息、公路属性数据和参数数据。系统结构在逻辑上对应三层，分别为数据层、业务管理层和操作层。数据层存储平台相关的所有工程数据、空间数据和元数据；业务管理层管理工程相关的各项专题业务；操作层则是提供给用户的通用接口，通过这些接口，可以对数据和业务进行操作。图1 公路工程地理信息平台系统结构图3 系统数据库设计3.1 公路工程数据的组织公路工程数据涉及多个阶段，包括预可行性研究、工程可行性研究、初步设计和施工图设计等四个阶段，而且数据量庞大，如何有效地管理和组织这些数据，是公路工程地理信息平台建立的首要问题。经过详细深入的调研，从实际需求出发，提出了完整的公路工程数据库管理的标准化和规范化方案，即以时间和空间为二维坐标轴来组织公路工程数据，提出了公路工程数据库中的特征参数、数据类型和存储形式，并以实际的公路工程数据验证了可行性。其中时间维指工程信息从项目开始、预可行性研究、工程可行性研究、初步设计和施工图设计等所有工程阶段；空间维指在时间维的基础上依据不同阶段，将一条公路工程划分为若干设计路段或合同标段并作为工程数据存储管理单元，包括路段或标段的总体信息、及路段或标段中各个专业工程信息（如道路工程、桥梁工程、隧道工程、涵洞工程、交叉工程、交通工程等），数据组织结构如图2。图2 公路工程数据的组织3.2 数据库E-R模型图3 公路工程数据库E-R整体模型本项目采用实体-联系方法(entity-relationship approach)来表示数据库概念模型8。公路工程属性数据库E-R模型如图3，图中：矩形框表示实体，菱形框表示实体之间联系，带小椭圆的线表示条件选择。在公路规划建设和管理中通常以一条公路为单位，公路工程总体信息描述包括一条公路的全部信息，如工程项目编号、公路名称等。公路工程的规划建设在预可行性研究、工程可行性研究、初步设计阶段往往采用多方案设计，工程项目须设计多个方案并进行比选，列出推荐方案；而施工图设计阶段一般按合同标段设计，以合同标段设计管理公路，不同于前面几个阶段将整条公路视作一个管理单位，因此需在“阶段工程总体信息”下面进行条件选择。一项工程项目在预可行性研究、工程可行性研究、初步设计阶段都设计了N个方案，所以“阶段工程总体信息”和“方案总体信息”的关系为1：N；一项工程在施工图设计和建设阶段分为N个标段，故“阶段工程总体信息”和“标段总体信息”的关系为1：N。一项工程的规划建设由M个管理、技术人员参与，而一个人员也可以参与N个项目的规划建设，故两者关系为M：N。3.3 数据库概念数据模型数据库建模是平台系统设计的重要阶段，尤其对于涵盖海量地理和属性数据的公路工程地理信息平台更是如此。概念数据模型（CDM）可由E-R模型细化而建立。但是由于公路工程阶段多，每个阶段的数据量大，并且每个阶段相同项目涉及字段根据具体实施有增减，所以必须为每个阶段设计不同的、相对独立的数据库子模型，这些阶段数据库子模型作为整体数据库模型的一部分，最终通过工程项目（项目名称、编号）联系在一起。大量地理空间数据的存在，增加了建模难度，空间数据有两类，一类是静态基础公路网络地图数据，另一类是根据项目动态显示的公路信息。空间数据库模型与“预可”等其他四个设计阶段并列成为整体数据库的一个子模型，通过工程项目和具体路线或者构造物信息联系起来。由于每个阶段都有大量人员参加，而参加人员信息的建模与其他工程项目的建模相对独立；同时，在公路规划设计过程中，产生大量的表格、电子文本和工程图纸等多媒体电子资料，这些资料的建模相对独立，均可以放在一个专门存储多媒体资料的库表中。综上，可以把工程设计人员信息和多媒体数据统一建模，成为整体模型的一个子模型。整体模型主要包括以下六个子模型：预可行性研究阶段子模型、工程可行性研究阶段子模型、初步设计阶段子模型、施工图设计阶段子模型、地理空间数据子模型以及参加人员和多媒体数据子模型。这六个子模型中，以施工图设计阶段子模型和地理空间数据子模型最复杂，以下对施工图设计阶段子模型进行说明。该子模型涉及范围最广、内容最详细，因此虽然不能代替其他几个设计阶段，但是其内容可涵盖其他设计阶段。在此阶段，对子模型建立起到举足轻重作用的有：主要技术经济指标信息、路线指标信息、路基路面工程信息、桥梁工程信息、隧道工程信息、涵洞工程信息、通道工程信息、立交工程信息、改建工程信息、交通工程及沿线设施等项。3.4 数据库物理结构模型由于概念模型中的实体之间的联系过于抽象，因此宜使用物理模型与用户交流，找出模型中存在的不足，反复论证修改，直至符合公路工程设计实际情况和用户需求。在PowerDesigner中，有效的概念数据模型（CDM）可以直接转化为物理数据模型（PDM）。概念数据模型建立完成之后，可以利用模型有效性检验来检查建立的CDM是否有效和正确。在有效性检验中，模型的检查将对概念数据模型中所包含的域名、实体和关系等内容进行检查。生成PDM之前，需要指定具体的数据库管理系统（DBMS），如Oracle、SQLServer、DB2、SyBASE等，在PowerDesigner要求的各项设置指定完毕之后，便可以生成目标数据库PDM。据根本公路工程地理信息平台的要求，把Oracle9i作为后台数据路管理系统，其中施工图设计阶段的CDM转化为PDM的结果如图4。利用Generation Database将PDM生成SQL脚本文件，其中SQL语句与PDM中所包含的所有结构定义一一对应。进一步，可以通过PowerDesigner直接向DBMS（本项目为Oracle9i）生成目标数据库，也可以在SQL Plus中执行生成的SQL脚本文件得到完整的数据库。图5即为由PDM生成的SQL脚本文件中的一段语句，该语句描述了施工图设计阶段互通式立体交叉表的创建过程。图4 公路工程施工图设计阶段数据库PDM/*=*/* Table: 施工图_互通式立体交叉表 */*=*/create table 施工图_互通式立体交叉表 ( 互通式立交技术指标ID NUMBER(12) not null, 沿线交叉ID NUMBER(12), 中心桩号 VARCHAR2(20), 被交叉公路名称 VARCHAR2(20), 被交叉公路等级 VARCHAR2(20), 交角 NUMBER(12,3), 交叉方式 VARCHAR2(20), constraint PK_施工图_互通式立体交叉表 primary key (互通式立交技术指标ID)/图5 由PowerDesigner自动生成的数据库SQL语句4 结语采用CASE工具建立数据库模型，便于总体规划、能统一协调信息资源管理，同时易于后期数据库修改和维护，能发挥事半功倍的作用。系统中各种模型的建立不仅有利于目标数据库物理结构的快速构建，还能自动生成文档管理体系，为系统后续维护工作奠定了坚实的基础PowerDesigner 在一个界面中集成了面向对象的分析与设计功能和数据库建模功能，其直观的符号表示，使数据库的创建更加容易、使项目组内的交流和通讯标准化。广东省公路工程地理信息平台作为广东省“十五”科技攻关项目，开发研究的目的是建立系统移植性好、通用性强的平台环境，高效管理和充分利用改革开放以来广东省公路建设过程中采集的各种数据、资料，为公路交通运输智能管理做出铺垫，为公路工程规划建设提供借鉴资料，为公路工程数据挖掘与知识发现提供数据来源与分析工具。数据库建模作为该平台研究与开发的前期工作，利用PowerDesigner组织和规划了公路设计相关的地理空间数据和工程属性数据，取得了良好的效果。参考文献：1 陈京民.数据仓库与数据挖掘技术M.北京：科学出版社,2002: 125.2 冯永玖,童小华,汪超,刘妙龙. 基于GIS的公路工程智能信息平台系统分析与设计J.交通与计算机,2004,22:61.3 白尚旺. PowerDesigner软件分析设计技术M. 北京:电子工业出版社,2002: 30.4 张海藩. 软件工程导论M. 北京：清华大学出版社,1990: 20.5 吴伟敏. UML建模工具的比较ROSE、Visio和PowerDesignerJ. 现代计算,2003,165: 32.6 李炳生.基于PowerDesigner:的排水管理信息系统建模J. 地理空间信息,2006，1: 47.7 郑锋,王卫砚,武青等. 基于PowerDesigner的社会保险数据库的设计与实现J. 计算技术与自动化,2000,4: 65.8 黄卫.高速公路数据库应用技术M.北京：科学出版社, 2002: 61.注：本文为尚未发表的原创论文。作者简介：冯永玖（1981），男，汉族，云南镇雄人，同济大学测量与国土信息工程系博士生，研究方向为地理信息系统地址：上海市四平路1239号同济大学测量与国土信息工程系邮编：200092手机：13917376939办公室：021-65988851E-mail:fengyongjiu第 7 页 共 7 页