煤氣平衡認證分析系統應用軟體的研究與開發

A. 軟體工程案例分析

條碼 RFID 無線網路與GPRS 倉儲 物流 MES 生產執行系統 自動識別技術是信息數據自動識讀、自動輸入計算機的重要方法和手段，它是以計算機技術和通信技術的發展為基礎的綜合性科學技術。自動識別技術近幾十年在全球范圍內得到了迅猛發展，初步形成了一個包括條碼技術、磁條(卡)技術、光學字元識別、系統集成化、射頻技術、聲音識別及視覺識別等集計算機、光、機電、通信技術為一體的高新技術學科。 （無線網路）
當今信息社會離不開計算機，正是自動識別技術的崛起，提供了快速、准確地進行數據採集輸入的有效手段，解決了由於計算機數據輸入速度慢、錯誤率高等造成的「瓶頸」難題，因而自動識別技術作為一種革命性的高新技術，正迅速為人們所接受。
一、條碼技術 （無線網路）
說起自動識別技術就必然要提到條碼，因為它在當今自動識別技術中佔有重要的地位。自動識別技術的形成過程是與條碼的發明、使用和發展分不開的。
條碼是由一組規則排列的條和空、相應的數字組成，這種用條、空組成的數據編碼可以供機器識讀，而且很容易譯成二進制數和十進制數。這些條和空可以有各種不同的組合方法，構成不同的圖形符號，即各種符號體系，也稱碼制，適用於不同的應用場合。
目前使用頻率最高的幾種碼制是EAN、UPC、39碼，交插25碼和EAN128碼，其中UPC條碼主要用於北美地區，EAN條碼是國際通用符號體系，它們是一種定長、無含義的條碼，主要用於商品標識。 EAN128條碼是由國際物品編碼協會(EAN lnternational)和美國統一代碼委員會(UCC)聯合開發、共同採用的一種特定的條碼符號。它是一種連續型、非定長有含義的高密度代碼，用以表示生產日期、批號、數量、規格、保質期、收貨地等更多的商品信息。另有一些碼制主要是適應特殊需要的應用方面，如庫德巴碼用於血庫、圖書館、包裹等的跟蹤管理、25碼用於包裝、運輸和國際航空系統為機票進行順序編號，還有類似39碼的93碼，它密度更高些，可代替39碼。
上述這些條碼都是一維條碼。由於條碼應用領域的不斷拓展，對一定面積上的條碼信息密度和信息量提出了更高的要求。為了更好地滿足這種需求，一種新的條碼編碼形式——二維條碼便應運而生了。從結構上講，二維條碼分為兩類，其中一類是由矩陣代碼和點代碼組成，其數據是以二維空間的形態編碼的，另一類是包含重疊的或多行條碼符號，其數據以成串的數據行顯示。重疊的符號標記法有CODE 49、CODE l6K和PDF417。
PDF是攜帶型數據文件(Portable data fI7e)的縮寫，417則與多寬度代碼有關，用來對字元編碼。PDF417是由SymboI Technologies Inc，設計和推出的。重疊代碼中包含了行與行尾標識符以及掃描軟體，就可以從標簽的不同部分獲得數據，只要所有的行都被掃到就可以組合成一個完整的數據輸入，所以這種碼的數據可靠性很好，對PDF417而言，標簽上污損或毀掉的部分高達50％時，仍可以讀取全部數據內容。
矩陣代碼如：Maxicode，Data Matrix，Code One，Vericode和DotCode A, 矩陣代碼標簽可以做得很小，甚至可以作成硅晶片的標簽，因此適用於小物件。 （無線網路）
光學字元識別OCR
光學字元識別OCR已有三十多年歷史，近幾年又出現了圖象字元識別ICR(Image Character Recognition)和智能字元識別ICR(Intelligent Charater Recognition)，實際上這三種自動識別技術的基本原理大致相同。
OCR的三個重要的應用領域：辦公室自動化中的文本輸入；郵件自動處理；與自動獲取文本過程相關的其它要求。這些領域包括：零售價格識讀，定單數據輸入、單證、支票和文件識讀，微電路及小件產品上狀態特特徵識讀等。由於在識別手跡特徵方面的進展，目前探索在手跡分析及鑒定簽名方面的應用。
三、磁條(卡)技術 （無線網路）
磁條技術應用了物理學和磁力學的基本原理。對自動識別製造商來說，磁條就是一層薄薄的由定向排列的鐵性氧化粒子組成的材料(也稱為塗料)，用樹脂粘合在一起並粘在諸如紙或塑料這樣的非磁性基片上。
磁條技術的優點是數據可讀寫，即具有現場改造數據的能力；數據存儲量能滿足大多數需求，便於使用，成本低廉)還具有一定的數據安全性；它能粘附於許多不同規格和形式的基材上。這些優點，使之在很多領域得到廣泛應用，如信用卡、銀行ATM卡、機票、公共汽車票、自動售貨卡、會員卡、現金卡(如電話磁卡)等。
四、聲音識別技術
聲音識別的迅速發展以及高效可靠的應用軟體的開發，使聲音識別系統在很多方面得到了應用、這種系統可以用聲音指令擬應用特定短句實現「不用手」 的數據採集、 其最大特點就是不用手和眼睛，這對那些採集數據同時還要完成手腳並用的工作場合，以及標簽僅為識別手段，數據採集不實際或不合適的場合尤為適用。
五、視覺識別 （無線網路）
視覺識別系統可以看作是這樣的系統：它能獲取視覺圖像，而且通過一個特徵抽取和分析的過程，歡迎光臨學網,收藏本篇文章 [1] [2] [3] $False$ 能自動識別限定的標志、字元、編碼結構或可作為確切識斷基礎呈現在圖象內的其它特徵。
隨著自動化的發展，視覺技術可與其他自動識別技術結合起來應用。
六、射頻識別技術(RF／ID) （無線網路）
射頻技術的基本本原理是電磁理論。射頻系統的優點是不局限於視線、識別距離比光學系統遠，射頻識別卡可具有讀寫能力，可攜帶大量數據、難以偽造和有智能等。
RF適用的領域：物料跟蹤、運載工具和貨架識別等要求非接觸數據採集和交換的場合，由於RF標簽具有可讀寫能力，對於需要頻繁改變數據內容的場合尤為適用。
射頻識別系統的傳送距離由許多因素決定，如傳送頻率、天線設計等。對於應用RF識別的特定情況應考慮反射距離、工作頻率、標簽的數據容量、尺寸、重量、定位、響應速度及選擇能力籌。
七、攜帶型數據終端和射頻通信(RF／DC) （無線網路）
攜帶型數據終端(PDT)可把那些採集到的有用數據存儲起來或傳送至一個信息管理系統。把它與適當的掃描器相連可有效地用於許多自動識別應用中；攜帶型數據終端一般包括一個掃描器、一個體積小但功能很強並常有存儲器的計算機、一個顯示器和供人工輸入的鍵盤。在只讀存儲器中裝有常駐內存的操作系統，用於控制數據的採集和傳送。PDT一般都是可編程的，允許編入一些應用軟體。PDT存儲器中的數據可隨時通過射頻通信技術傳送到主計算機。操作時先掃描位置標簽，貨架號碼、產品數量就都輸入到PDT，再通過RF／DC技術把這些數據傳送到計算機管理系統，可以得到客戶產品清單、發標、發運標簽、該地所存產品代碼和數量等。
八、智能卡(Smart Card) （無線網路）
隨著集成電路技術和計算機信息系統技術的全面發展，科學家們將具有處理能力和具有安全可靠、加密存儲功能的集成電路芯版嵌裝在一個與信用卡一樣大小的基片中，就是「集成電路卡」，國際上稱為「Smartcard」，我們譯為「智能卡」。其最大特點是具有獨立的運算和存儲功能，在無源情況下，數據也不會丟失，數據安全性和保密性都非常好，成本適中。智能卡與計算機系統相結合，可以方便地滿足對各種各樣信息的採集傳送、加密和管理的需要，它在國外的許多領域如：銀行、公路收費、水表煤氣收費、海關車輸檢查(使用射頻卡，車輛通過時即已讀寫完畢)等得到了廣泛應用。
我們可以把條碼與其他自動識別技術做個簡單比較：
條碼、OCR(光學字元識別)和MICR(磁性墨水)都是一種與印刷相關的自動識別技術。OCR 的優點是人眼可讀、可掃描，但輸入速度和可靠性不如條碼，數據格式有限，通常要用接觸式掃描器；MICR是銀行界用於支票的專用技術，在特定的領域中應用，成本高，而接觸識讀，可靠性高。
磁條技術是接觸識讀，它與條碼有三點不同：
一個是其數據可做部分讀寫操作，另一個是給定面積編碼容量比條碼大，還有就是對於物品逐一標識成本比條碼高，而且接觸性識讀最大缺點就是靈活性太差。
射頻識別和條碼一樣是非接觸式識別技術，由於無線電波能「掃描」數據，所以RF掛牌可做成隱形的，有些RF識別技術可讀數公里外的標簽，RF標簽可做成可讀寫的。RF識別的缺點是掛簽成本相當高，而且一般不能隨意扔掉，而多數條碼掃描壽命結束時可扔掉。視覺和聲音識別目前還沒有很好的推廣應用，機器視覺還可與OCR或條碼結合應用，聲音識別輸入可解放人的手。
RF、聲音、視覺等識別技術目前不如條碼技術成熟，其技術和應用的標准也還不夠健全。 （無線網路）
附表是條碼技術與其他自動識別技術的一個簡單的比較表。
通過比較，我們可以看出條碼技術能在商品、工業、郵電業、醫療衛生、物資管理、安全檢查、餐旅業、證卡管理、軍事工程、辦公室自動化等領域中得到廣泛應用，主要是由於其具有以下特點： （無線網路）
高速：鍵盤輸入12位數字需6秒鍾，而用條碼掃描器輸入則只要0．2秒。
准確：條碼的正確識讀率達99.99一99.999%。
成本低：條碼標簽成本低，識讀設備價格便宜。
靈活：根據顧客或業務的需求，容易開發出新產品；掃描景深大；識讀方式多，有手動式、固定式、半固定式；輸入、輸出設備種類多，操作簡單。
可擴展：目前在世界范圍內得到廣泛應用的EAN碼是國際標準的商品編碼系統，橫向、縱 向發展餘地都很大，現已成為商品流通業，生產自動管理，特別是EDI電子數據交換和國際貿易的 一個重要基礎，並將發揮巨大作用。
當然，由於幾種自動識別技術各有特點，在實際應用時，應具體情況具體分析，綜合比較、全面考慮（無線網路）。

B. 解釋系統應用軟體基本功能

4.2.4.1 概述

解釋系統應用軟體是為了滿足地震資料解釋工作的需要而編制的應用軟體。目前這類軟體產品很多，主要軟體公司有：Landmark、Schlumberger-GeoQuest、PetroSystems、WESTERN ATLAS Software、CogniSeis Development、Dynamic Graphics，lnc.等，各家公司都有自己的系列產品。例如Landmark公司的軟體產品有OpenWorks(開放系統綜合平台)、SeisWorks/3D(三維資料解釋)、ZAPⅢ(層位區域自動追蹤)、3DVI(三維解釋可視化)、SyntheSeis(合成記錄製作)、SeisWorks/2D(二維資料解釋)、GeoDataWorks(井資料庫圖形管理與查詢)、LogE-dit(測井曲線編輯)、StratWorks(測井曲線解釋、橫剖面建立和作圖)、PetroWorks(測井曲線岩石物理分析)等。GeoQuest的解釋應用軟體有Seis3D(三維資料解釋)、AutoPix(層位自動拾取)、GeoViz(地質可視化顯示)、Seis2D(二維地震解釋)、SeisTie(二維閉合差校正)、Sei-sAn(地震數據分析)、FaultView(斷層解釋與管理)、MapView(解釋數據作圖與顯示)、DMS(數據管理)、LogView(測井曲線處理分析)、StratView(地震地質模型生成)、PetroView(岩石物理計算與分析)以及RM(油藏描述系統)和PGS(測井處理、解釋和地質分析系統)等。CDS公司的典型軟體產品有：GeoSEC(地質橫剖面的建立、恢復與平衡)、DLPS(地震地質模型)、GeioDES(傾角測井解釋和模型)、Focus(地震數據處理)、AIVIS(交互速度解釋)等。WESTERN公司的軟體產品WINGS綜合系統由OMEGA(地震數據處理)、OASIIS(二維和三維地震解釋)、CPS-3(網路化和等值線作圖)、SigmaView(靜態油藏模擬)、Express(測井評價)、SGM(三維地質模型)、Geolink(模型可視化顯示)、VIP(油藏模擬)等軟體組成。DGI公司的Earth Vision綜合軟體系統包括ISM(交互層面模擬)、GMP(地質模擬程序)、IVM(交互數值模擬)、DWD(定向井顯示)、SGS(專門的網路化系統)、RGF(油藏網路編輯)等軟體。

4.2.4.2 解釋系統應用軟體的基本功能

以地震資料解釋為例，其基本功能包括：①工區建立、數據輸入與管理；②數據顯示與控制；③地震地質層位標定；④層位和斷層解釋；⑤等值線作圖；⑥層位數據分析；⑦數據輸出。

C. 地質災害圖形圖像分析系統開發及其在天津地面沉降分析中的應用

石建省張鳳斌程彥培等

（地質礦產部水文地質工程地質研究所，河北正定050803）

摘要地質災害的分布和發生發展過程具有空間特性，其影響因素具有自身的特點和復雜性。作者開發的GHMIAS——地質災害圖形圖像分析系統是以典型地質災害為主要對象、以空間信息管理和分析為主要功能的應用性地理信息系統，該系統有獨特的空間分析模型擴充，融矢量、柵格和Windows圖形用戶對象為一體，支持多種數據格式相互轉換，具有豐富的制圖功能和高質量的制圖輸出，可以快速生成災害專題圖件。利用GHMIAS系統對京津唐區域地質災害的分布規律、發生機理、影響因素、發展趨勢等進行了大量的應用分析，對天津市區地面沉降過程及未來發展趨勢等研究取得了有益的成果，體現出GHMIAS系統在解決地質災害空間分布特徵、發生發展規律、演化趨勢預測等方面能發揮重要的輔助作用。

關鍵詞GIS空間分析地質災害預測

1引言

地質災害是危害人類生存的嚴重自然災害，其分布和發生發展過程具有空間特性，其影響因素具有自身的特點和復雜性，但目前適合地質災害專題空間信息管理和分析的圖形軟體系統尚不多見。在國家「八五」科技攻關項目中專門立題開展的地質災害圖形圖像輔助分析系統的研究，目的在於通過吸收和消化國內外地理信息系統（GIS）和其它圖形分析系統之特長，開發具有圖形－圖像輸入、存儲、處理、顯示、分析、輸出等功能的軟體系統（GHMIAS），並應用於京津唐地質災害評價中作為示範。

地質災害總是與一定的空間區域相聯系的，我們所看到的地質災害作用空間是由各種復雜的因素共同作用的結果，其中蘊含著十分復雜的自然和人為因素的相互聯系。地理信息系統方法為我們提供了一種系統分析各種因素的空間相互聯系及其作用結果的可能性，該系統的開發就是以地理信息系統分析方法為基礎，建立能夠進行地質災害問題空間信息管理與分析的實用系統，為地質災害問題的預測防治和決策服務。

針對地質災害問題的特點，GIS除應具有空間信息和屬性數據採集、存儲、空間分析、輸出等常規功能外，還應提供面向特定地質災害問題的空間評價預測能力、地質災害問題計算機圖形表達技術、圖例圖式系統及相應符號庫、專門圖件生成和處理等功能，同時，在圖形數據結構和資料庫系統設計中也要體現專業信息的分布特點，盡可能做到最大限度和最高效率地利用專門信息。

在示範性應用分析上，要通過對相應空間信息的採集、存儲、空間分析，試圖從空間統計、空間復合、空間模型預測的角度為專門地質災害問題的評價預測提供決策依據，為其它精確數學模型分析提供基礎參數信息。

2GHMIAS系統開發

2.1支持環境

硬體：PC386以上（推薦奔騰586機型）；內存至少4MB（推薦8MB以上）；硬碟至少有40MB位元組剩餘空間；可被Windows系統支持的輸入輸出設備。

軟體：Dos5.0以上；中文Windows3.1以上，或中文Win95。

2.2GHMIAS系統構成

GHMIAS系統由以下主要功能模塊組成：圖形輸入編輯、圖形整飾輸出、圖庫空間查詢、圖形空間分析（包括圖形統計、圖形復合、空間模型等子模塊）、圖像處理（圖1），以及系統幫助、系統功能演示等輔助模塊。

圖1GHMIAS系統結構略圖

2.3GHMIAS系統的主要特徵

作為以地質災害為主要對象的分析型GIS系統，GHMIAS具有如下特性：

（1）GHMIAS具有圖形輸入、編輯管理、查詢顯示、分析處理、圖形輸出等一般GIS基本功能；

（2）GHMIAS具有專門設計的圖形覆蓋分析、圖形序列空間灰色建模預測等多種空間分析模型，在圖形圖像分析系統中應用空間灰色預測模型的方法尚屬首次，這是對一維非線性灰色預測在空間上的延伸，對拓寬空間分析模型類型、豐富圖形圖像系統的分析能力有重要意義，適於地質災害空間分析建模需求；

（3）數據結構先進合理，融矢量、柵格和Windows圖形用戶對象為一體，採用結構緊縮和數據壓縮技術，具有拓撲/直接矢量格式共存與互補互轉機制，支持多種數據格式相互轉換，可以與ARC/INFO、IDRISI、SPACEMAN等國內外主要GIS系統共享數據；

（4）GHMIAS採用微機＋中文Windows平台模式，界面直觀，操作簡便，符合軟體開發流行趨勢和普及化推廣應用需求。

2.4層次結構數據模型

數據模型和數據結構是地理信息系統的核心，是完整和靈活地實現其功能的關鍵。地質災害信息系統所處理的對象是具有一定空間特徵和復雜屬性聯系的信息體，其數據模型和數據結構設計的目的是通過對專業信息的數據結構抽象，建立面向專業問題的數據結構，從而為實現高度專業化的地理信息系統目標奠定基礎。

2.4.1項目（Project）

項目是在特定信息領域為特定目標建立的信息管理的最頂層對象，它是與特定領域和目標有關的信息庫的集合。也就是說，一個項目（Project）管理和控制一個以上庫（Database）的操作。

一個應用任務建立一個項目，建立項目的同時將初步建立項目環境和分庫方案。在後面的操作中可以按分層管理的方法對項目的下面層次逐級進行修改和擴展。

2.4.2庫（Database）

庫是在項目控制之下由以不同存儲方式記錄的不同類型信息文件組成的集合。一個庫（Database）由一個以上信息文件（File）組成。

一個項目可以由一個或若干個庫組成，其數量取決於對對象系統信息屬性分析後確定的合理的庫劃分方案。

2.4.3文件（File）

它是計算機中操作系統對用戶信息體管理的基本單位，在本系統的數據結構中，數據文件是由一個以上圖層（Layer）組成的信息體。

一個圖形庫可由多個圖形文件組成，其數量的限制是操作系統支持的目錄中最大文件個數。

2.4.4圖層（Layer）

一個圖形信息文件由不同屬性的信息組成，為便於區分信息的屬性並對各屬性進行獨立操作，有必要對一個圖形文件中的不同屬性類型進行分層次管理，這就是圖層的概念。

一個圖形文件可以由多達256個圖層構成。在對圖形文件操作時，通過設定圖層顯示屬性，確定顯示的圖層范圍。

2.4.5圖元（Element）

圖元是圖形信息的最小單位，在Windows環境下開發GIS系統可以比較好地實現矢量、柵格及Windows標准圖元相結合的信息記錄體系。其中，用戶信息一般以點、線、多邊形等形式表示，具矢量特徵；空間影像、照片、其它掃描圖形則以柵格形式表示；Windows系統提供的矩形、橢圓形等規則圖形體則可用於符號注記、圖面整飾等。實現三類圖元共存能使GIS系統的可操作性、輸出簡易性和圖形表達效果大大增強。

圖元的表示採取「圖元頭」＋「圖元體」的方式，圖元頭通過與有關屬性表格的聯系，記錄圖元的標識、顯示屬性、充填屬性、所在圖層、用戶屬性聯系等信息，圖元體則記錄圖元的空間位置關系。

這樣，我們就建立了從「項目→庫→文件→圖層→圖元」的信息結構鏈，通過這樣一種鏈式結構，對用戶而言，只要從建立項目開始，就可以在系統的引導下逐步構築起復雜的信息框架和結構，構成完整的信息系統網路；對系統而言，一旦實現這種框架，這種層次結構可滿足用戶對任一層次上信息進行更新和編輯的要求。

2.5系統模塊和功能

2.5.1矢量圖形輸入編輯模塊

用多文檔界面處理圖形，主要包含下列功能。

文檔：新建、打開、關閉、保存、轉入、轉出、數字化、數據聯系、列印、退出；

編輯：選擇、復制、刪除、移動、旋轉、改變形狀、修改屬性、放縮圖元、修改圖形文件頭等；

視圖：充滿窗口、放大、縮小、重繪、顯示控制；

繪制：文本、點、線、多邊形、矩形、正方形、圓形、橢圓形等；

設置：頁尺寸、圖層、標尺、文本特性、線特性、充填特性、點類型、改變調色板等；

輸出：支持矢量圖形和柵格圖形的圖面整飾及合並輸出，可以在多種輸出設備（從普通針式列印機、激光列印機，到大型筆式繪圖儀、大型彩色噴墨繪圖儀等）上使用，其輸出質量已達到較高的水平。

幫助：索引、定題幫助、術語、關於本模塊的信息。

2.5.2柵格圖形分析模塊

在吸收國內外相關軟體優點的基礎上，開發的本模塊具有下列主要功能。

文檔：新圖、打開、關閉、掃描等；

編輯：修改、復制、刪除等；

繪制：與矢量子系統基本相同，但以柵格格式存儲；

操作：矢量柵格轉換、圖形屬性查詢、修改圖像文件頭、圖形賦值、屬性提取、圖形重分類、放大、縮小、轉置、拼接、開窗、過濾等；

圖形統計：直方圖分析、交叉列表、回歸分析、自相關分析、趨勢分析、隨機圖像生成等；

圖形代數：圖形覆蓋、常量運算、面積計算、周長計算等；

空間模型：灰色預測模型、距離模型、費用表面、最佳路徑、挖填方分析、歸類處理、表面分析、視點分析、分水嶺分析等。

2.5.3圖像處理模塊

以吸收其它系統的功能為主，支持圖像識別、分類、標准化、假彩色合成、條紋去除、過濾、主成分分析、模糊矩陣分析等操作。

2.5.4圖形圖像庫空間檢索模塊

該模塊為京津唐地質災害圖形圖像庫的檢索查詢系統。進入本模塊後，在圖上京、津、唐、秦及全區圖形位置任一點上用滑鼠進行相應地區的圖形圖像庫信息查詢。

2.5.5系統指南與幫助模塊

幫助模塊是用戶學習使用本系統的方便工具。本模塊和各模塊中的幫助功能構成GH-MIAS的幫助支持體系，可以使使用者在初步接觸時、操作使用過程中、達到熟練程度後各階段都能得到相應的幫助，解決使用過程中需要了解的疑難問題，獲得有關數據結構、文件結構等方面的信息等。

3GHMIAS系統在天津地面沉降空間分析中的應用

3.1水位變化的時間－空間統計與評價

已有的研究表明，導致天津市地面沉降加速的主要原因是「地下水超采使地下水位持續下降」，經過天津市地質工作者和各方面的努力，在80年代壓縮地下水開采量之後，地面沉降得到有效控制。

作為產生地面沉降的直接誘導因素，過去對地下水位的變化情況已經做了許多分析和研究，但通常採用的是觀測數據直接統計分析的方法，也就是對離散數據的分析；但現實世界信息的特點卻是在空間和時間上連續變化的。利用GHMIAS空間分析原理，就可以實現對這類信息的准確的空間統計（盡管我們對現實世界信息的採集是不連續的和離散的，但在GHMIAS系統的支持下，可以利用離散插值或等值線插值的方法，由離散信息生成模擬連續空間表面，以「准真實」的形式反映信息的空間特性）。這就從分析能力和精確性方面超過了以前的分析形式，從而容易取得對決策過程更有價值的支持依據。

對天津市水位變化情況的空間分析是以天津市第二、第三含水組1980、1985、1988年的水位觀測數據為基礎進行的，分析過程見圖2。

圖2天津市地面沉降的時間－空間圖形分析基本過程（以水位分析為例）

由屬性資料庫提取的水位觀測信息，經過GHMIAS系統離散數據插值表面的處理，生成各時段的地下水位表面圖形（圖略），再利用GHMIAS系統的柵格空間分析工具進行圖形覆蓋——常量運算，取得不同時段間隔的水位變化空間分布特徵圖形，再利用空間統計，結合空間面積、體積統計，對1980、1985、1988年各年度水位狀態和1980～1985、1985～1988以及1980～1988年時段間隔的水位變化特徵取得了一系列分析成果（圖略）。

從空間分析的統計結果（表1）可以看出，天津市區80年代地下水位的變化，無論是第二含水組還是第三含水組，其水位下降的趨勢都在減弱，就第二含水組而言，無論是水位變化的空間絕對特徵值（最大、最小、均值），還是下降區面積與上升區面積之比，或是水位變化反映在含水空間的體積變化等方面，都在向水位上升的方向發展，80年代末與80年代初相比，水位上升的總量已經超過水位下降的總量，經歷了80年代初的水位下降為主導到80年

表1天津市區及近郊80年代地下水位空間升降特徵值

＊負值為水位相對下降值，正值為水位相對上升值。代末的水位上升為主導的過程。第三含水組的情況與第二含水組類似，但變化幅度不如第二含水組明顯，致使其在總體上水位下降減弱的趨勢下，80年代初與80年代末的水位總體變化仍然呈現出水位下降佔主導（空間統計的均值為下降值），水位下降的總量仍然超過水位上升的總量（含水空間體積變化平衡值為體積減少）。這說明對第三含水組的控制開采措施不及第二含水組有力。

3.2地面沉降量變化的空間分析與評價

圖3天津市區1985～1992年地面沉降空間體積變化

表21985～1992年沉降量分布的數值統計

＊負值為回彈量。

用與水位空間分析同樣的原理（見圖2），對天津市1985、1988、1990、1992年地面沉降觀測信息進行了空間特徵分析。對空間分析結果的統計（圖3、4，表2）表明，天津市地面沉降控制行動在1988年前後取得顯著成果，地面沉降造成的土體體積壓縮量明顯下降，1988年以後，進入一個相對穩定的時期，在1990年前後沉降增速達到最小，但到1992年前後，地面沉降的體積又略有回升，可能意味著限制二層含水層開採的控沉效用已經發揮得差不多了，而新的致沉降因素造成的沉降加速作用還未得到很好的控制。

圖41985～1992年地面沉降量分級分布面積空間統計值的分布負號表示反彈

從沉降回彈量的空間分布的變化情況看，也具有一致的結果，即1988年前後控制沉降帶動的地面回彈達到最大，而後開始回落，1992年與1990年相比地面回彈體積又有明顯減小。同樣說明進入90年代後，天津市區地面沉降的形勢仍然不容樂觀，如果不抓緊進一步實施控沉措施，地面沉降將再次加劇。

1988年以來，天津市區地面沉降減速區的面積不斷縮小，從1985～1988年的549.34km²，到1988～1990年間的418.00km²，到1990～1992年間則下降為283.11km²；而地面沉降加速區的面積卻呈增加趨勢，從1985～1988年間的2.75km²，發展到1988～1990年間的134.09km²,1990～1992年間則達到268.98km²，說明從總體上看，1988年以後的地面沉降形勢沒有再向良化方向發展，而是趨向於增強（圖5）。

其時段區間年沉降量變化值分布的絕對統計值（表3）也表明，1988年以後回彈在減少，沉降在增加。1992年全區（研究區包括市區及近郊）地面沉降量的分布與1990年相比，平均沉降量增加了2.46mm。

表3年際間沉降量變化幅度統計

＊負值為沉降減速，正值為沉降加速。

圖5不同時段區間年沉降量變化值分級空間統計值的分布負號表示反彈

從空間分布上看，不同時期的地面沉降中心和不同時段地面沉降量變化值的分布也有較大變化。1988年與1985年相比，研究區地面沉降速度全面減弱，其中減弱幅度最大的中心區分布於市中心區東側的工人新村、方新莊、香料廠一帶；1990年與1988年相比，大部分地區沉降量變化不大，其中，市中心區大部及研究區東北部李明庄—歡坨一帶等區域沉降量略有增加，其它區域沉降量繼續減弱；1992年與1990年相比，大部分地區繼續保持基本平穩的沉降速度，其中市中心區及研究區東北、西北部沉降量略有減弱，研究區西南角華莊子一帶沉降量則有明顯增加。

3.3地面沉降形勢的灰色空間模型預測

由於我們掌握的與地面沉降有關的因素的空間分布與時間演化信息不夠系統，很難建立地面沉降預測的精確型空間分析模型，但GHMIAS系統管理的地面沉降觀測序列信息包括1985、1988、1990、1992年四個時段，基本上可以利用這些信息的空間分布特徵，利用GH-MIAS系統特別提供的灰色空間圖形預測模型分析工具，進行示範性預測分析。

3.3.1對1994年地面沉降基本特徵的灰色預測

利用前面空間統計分析的結果，可以對一些今後沉降變化的特徵值進行灰色預測，預測過程的理論方法和資料利用技術參見關於空間分析模塊演算法原理的有關描述。預測的結果見表4。

表4預測1994、1996年沉降特徵值及1992～1994年間地面沉降量變化的特徵值

根據預測結果，1994年天津市區地面沉降體積約為5409538m³，預測地面回彈體積將下降為6757.4m³。預測1994年地面沉降量空間分布的最小值為－1.8mm（地面回彈1.8mm），最大值為沉降72.32mm，均值為19.38mm，地面沉降速度增加的分布面積將增長到484.39km²，而沉降減速的分布面積將減少為191.63km²。這一預測結果表明，如果不採取更有力的控沉措施，今後地面沉降的趨勢將向加速方向發展。由於資料的時間序列偏短，模型校正能力有限，該預測結果的偏差范圍較大，但從實際值與預測模型計算值的對比看，擬合情況較理想，說明從發展趨勢上看，有一定的可靠性，並且與前面的統計分析結果是一致的，因而有一定的參考價值。

3.3.21994、1996年地面沉降態勢的空間預測與分布分析

分析過程如下：

（1）從屬性資料庫中提取1985、1988、1990、1992年地面沉降觀測數據；

（2）利用GHMIAS系統的離散點數據插值表面功能，建立四個時段的沉降特徵表面（圖略）；

（3）運行GHMIAS系統柵格空間分析工具中的灰色空間圖形預測分析選項，選擇已生成表面的四個時段圖形參與分析，生成預測1994、1996年的地面沉降空間特徵表面（圖略）；

（4）對殘差的空間區間進行分析，確定模型預測的可信區間，對模型預測的精度和可靠性進行評價；

（5）利用GHMIAS系統的柵格圖形分析功能，進行預測結果圖形的統計分析和分級提取、面積和體積計算，對統計計算結果進行分析。

對1994、1996年天津市區地面沉降進行灰色空間圖形預測分析結果的總體評價為：

（1）與1992年相比，天津市區的地面沉降形勢將呈總體上基本平穩的形勢，而近郊的沉降量將有所增加，致使全區總沉降水平略有上升。1994年地面沉降量分布的均值為19.77mm,1996年為24.09mm，因此需要加強控制地面沉降措施。

（2）沉降加速的中心位置將進一步轉移到研究區西南角的華莊子一帶，1996年時研究區東南部沉降量也可能有所增長。

（3）與前面直接對地面沉降分布特徵值的灰色預測相對比，基本上可以認為，利用SGM模型進行空間預測的結果因為時間序列長度有限，存在向極值增強的現象，即預測空間分布的最大、最小值可能比實際值偏離較大，但總體上其平均沉降水平與特徵分析結果比較一致，沉降分布的均值1994年為19.77mm,1996年為24.09mm，這分別與直接對特徵值的灰色預測結果，（1994年19.38mm,1996年22.76mm）基本吻合，說明預測結果有一定的可信性。

參考文獻

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[2]Wu Lun et al..A Guide Book to GIS.Beijing university Press,1994,1～5.

[3]J.T.Coppock et al..Methods of spatial analysis in GIS.International Journal of Geographical Information Systems,1990,4（3）.

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[7]Jin Dongxi,Niu Xiujun.Land subsidence in Tianjin city and the countermeasures.Geological Hazards,Proceedings of Beijing International Symposium,1991,313～318.

[8]Li Minglang.The main geo-environmental problems in Tianjin city.The Chinese Journal of geological Hazard and Control,1994,5（3）.

[9]Deng Julong.Gray Control System.Central China university of technology press,1985.

D. 已知系統的狀態方程試分析系統平衡點的穩定性

已知系統的狀態方程為 初始條件為x 1 (0)=1，x 2 (0)=0。試求系統的單位階躍響應。
參考答案由已知條件，得
u(t)=1(t)，



則

E. 軟體工程的可行性研究報告怎麼寫

軟體可行性研究報告
寫 作 提 綱

一、 概述
簡述項目提出的背景、技術開發狀況、現有產業規模；項目產品的主要用途、性能；投資必要性和預期經濟效益；本企業實施該項目的優勢。
二、 技術可行性分析
1、項目的技術路線、工藝的合理性和成熟性，關鍵技術的先進性和效果論述。
2、產品技術性能水平與國內外同類產品的比較。
3、項目承擔單位在實施本項目中的優勢。
三、 項目成熟程度
1、成果的技術鑒定文件或產品性能檢測報告、產品鑒定證書。
2、產品質量的穩定性，以及在價格、性能等方面被用戶認可的情況等。
3、核心技術的知識產權情況。對引進技術的消化、吸收、創新和後續開發能力。
四、 市場需求情況和風險分析
1、國內市場需求規模和產品的發展前景、在國內市場的競爭優勢和市場佔有率。
2、國際市場狀況及該產品未來增長趨勢、在國際市場的競爭能力、產品替代進口或出口的可能性。
3、風險因素分析及對策。
五、 投資估算及資金籌措
1、項目投資估算
2、資金籌措方案
3、投資使用計劃
六、 經濟和社會效益分析
1、未來五年生產成本、銷售收入估算。
2、財務分析：以動態分析為主，提供財務內部收益率、貸款償還期、投資回收期、投資利潤率和利稅率、財務凈現值等指標。
3、不確定性分析：主要進行盈虧平衡分析和敏感性分析，對項目的抗風險能力作出判斷。
4、財務分析結論
5、社會效益分析
七、 綜合實力和產業基礎
1、企業員工構成（包括分工構成和學歷構成）
2、企業高層管理人員或項目負責人的教育背景、科技意識、市場開拓能力和經營管理水平。
3、企業從事研究開發的人員力量、資金投入，以及企業內部管理體系等情況。
4、企業從事該產品生產的條件、產業基礎（包括項目實施所需的基礎設施及原材料的來源、供應渠道等）。
八、 項目實施進度計劃
九、 其它
1、環境保護措施
2、勞動保護和安全
3、必要的證明材料
（1） 特殊行業許可證（如食品、農葯、醫葯、化肥產品生產許可證及批文）；通信產品入網許可證；公共安全產品生產許可證；壓力容器生產許可證等。
（2） 可提供項目立項證明、高新技術企業證書、產品質量認證、環保證明；產品訂貨意向、合同等補充材料。
十、 結論

F. 主要數值模擬軟體

近年來，計算機模擬技術在許多研究領域得到了廣泛的應用，開發出了許多優秀的模擬軟體和程序。同樣，可用於研究CO₂地質儲存的數值模擬軟體也很多，主要有PHREEQC、GEM、ECLIPSE、TOUGHREACT、PETROMOD、MUFTE-UG和NUFT等。這些軟體有各自的特點和適用性。因此在進行數值模擬之前，需對這些數值模擬軟體進行評價分析，選擇適用於所要研究解決問題的模擬軟體。現對目前國際上常用的幾款軟體簡介如下。

（一）PHREEQC

PHREEQC是一款用於計算多種低溫水文地球化學反應的計算機軟體（Scott and David,2011）。以離子締合水模型為基礎.PHREEQC能夠完成以下任務：

1）計算物質形成種類與礦物的溶解飽和指數；

2）模擬地球化學反演過程；

3）計算序批式反應與一維運移反應。

另外，與多組分溶質－運移模型耦合的PHREEQC可生成PHAST，是一個用於模擬地下水流系統的三維反應－運移模擬器。但由於PHREEQC是在單相水流的基礎上建立的模型，因而不能模擬超臨界CO₂水的兩相流體運動。PHREEQC最簡單的應用就是計算溶液中各種化學物質的分布，以及溶液中礦物與氣體的飽和狀態。反演模擬功能可推導和量化在流動過程中，能夠反映化學物質變化的化學反應方程。

（二）GEM

GEM v.2009.13 是一款用來模擬利用CO₂和酸性氣體提高石油採收率的模擬器，該模擬器完全耦合了地球化學組成狀態方程（Nghiem et al.，2004）。GEM 採用一步求解法進行狀態方程的求解，缺點是計算工作量大。GEM 可以用來模擬對流和彌散流體、油（或超臨界CO₂），氣和鹹水間的平衡、水相物種間的化學平衡，以及礦物的動態溶解和沉澱。該模擬器採用自適應的隱式離散技術，可用1D、2D或者3D模型來模擬孔隙介質中溶質的運移。油相和氣相用一個狀態方程來模擬，氣體在水相的溶解度採用亨利定律模型來計算。水通過蒸發進入到氣相、蓋層的穿透，熱效應和裂隙的封閉作用也可以利用GEM來模擬。

（三）ECLIPSE

ECLIPSE是一個並行化的可以模擬黑油、組分、熱采等問題的成熟軟體（Schlumberger,2008）。1994年，勝利石油管理局引進了ECLIPSE油藏數值模擬串列軟體，廣泛開展了從油藏到氣藏，從常用油田到特殊油氣田、從常規模擬研究到特殊模擬研究等多方面的應用。主要模塊有主模型、黑油、組分、熱采、流線法、運行平台和ECLIPSEOffice等。

ECLIPSE是一個商業軟體，在使用中其內核部分是封閉的，使用者只能將其作為一個「黑箱」來操作。其不足之處有：不可能免費獲得和隨意使用、修改；無法耦合最前沿的地質流體熱力學模型；無法加入更多影響因素來研究具體問題。因此，ECLIPSE不適宜用於科學研究。

（四）TOUGH2/TOUGHREACT

TOUGH2是Transport of Unsaturated Groundwater and Hea（t 非飽和地下水流及熱流傳輸）的英文縮寫，是一個模擬一維、二維和三維孔隙或裂隙介質中，多相流、多組分及非等溫的水流及熱量運移的數值模擬程序（Pruesset al.,1999）。TOUGH2使用積分有限差（Integral Finite Differences,IFD）（圖9-1）的方法來解決多相流動和多組分化學運移模擬中的空間離散化問題。為了滿足大規模計算需要， Zhang等（2008）開發了TOUGH2的平行計算版本，即TOUGH2-MP。

圖9-1 積分有限差分法中的空間離散化和幾何參數數據

許天福等在TOUGH2的框架基礎之上，增加了多組分溶質運移和地球化學反應的模擬功能，形成了一套校為完善的可變飽和地質介質中非等溫多相流體反應地球化學運移模擬軟體 TOUGHRE ACT(Xu et al.,2004）。除了包含TOUGH2的所有功能外，TOUGHREACT還可以應用於一系列的反應性流體和地球化學遷移問題。例如：伴隨Kd線性吸附和放射性衰變的污染物遷移問題；在周圍環境條件下，自然界中地下水的化學演變；核廢料處置場地評估；深部岩層的沉積成岩作用；CO₂地質儲存：多相流體運動，多組分反應地球化學，各種封存形式封存量以及隨時間空間變化；礦物沉積（如表生銅礦富集）；自然和補給環境下熱水系統中的礦物變化。

（五）PETROMOD

由德國IES(Integrated Exploration System）公司研究開發的PETROMOD多組分、多相態的多維含油氣系統模擬軟體綜合平台已被世界石油業所公認（IES,1995）。該軟體融入了斷層活動性、鹽丘上涌和刺穿、火山岩的侵入、氣體擴散效應，油氣水三相運移和油氣吸附模型等相關技術。

該模擬軟體平台推出和採用的油氣運移組合模擬演算法（Hybird）是當今最先進的油氣運移模擬演算法，既可以保證模擬的精度，又可以極大地提高模擬的運算速度。其中的PETROFLOW3D用於油氣運移、聚集、圈閉和散失等情況的模擬，同時PETROCHARGE EXPRESS為我們提供了基於圖件的油氣運移和圈閉模擬的快速分析工具。

（六）MUFTE-UG

MUFTE-UG是MUFTE和UG.MUFTE的結合。MUFTE即多相流（Multiphase Flow）、運移（Transport）和能量（Energy）模型（Class et al.，2002; Helmig,1997）。該軟體包主要包括物理模型概念和孔隙裂隙介質中等溫和非等溫多相多組分流動和運移過程的離散方法。它能對裂隙孔隙介質進行離散性描述。UG是非結構性網格（Unstructured Grid）的縮寫，它提供的數據結構能快速解算以平行、自適應多網格法為基礎的離散型偏微分方程。具有模塊化結構的MUFTE UG很容易解決各種有特殊要求的問題。

模塊化結構的MUFTE-UG具有許多不同的環境與技術應用。例如，在環境應用領域，MUFTE-UG能夠模擬如下兩個問題。

1)NAPL（非液相流體）向飽和與非飽和土壤的滲流。優化改進的修復技術在MUFTE中具有廣泛的研究和發展空間。

2)CO₂地下運移。CO₂以高溫高壓灌注地表以下幾千米的地層中，MUFTE-UG可用於非均質含水層（對流和彌散運移）中羽狀體演化評價，伴隨溫度效應（由於膨脹和壓縮）和組分間相互溶解（鹵水和CO₂）。

（七）NUFT

NUFT(Nonisothermal Unsaturated-Saturated Flow and Transport model）是一套用來解決在多孔介質中多相、多組分非等溫流動和溶質運移過程中地下污染物運移的數值解法器（Nitao,1998）。此軟體利用簡單的代碼來利用通用的實用程序和輸入文件的格式。最近，此代碼在Unix和DOS系統下運行成功。

該程序利用一套完整的有限差分空間離散法求解平衡方程組。每一個時間步長內利用Newton-Raphson方法求解非線性方程組，而在每一步迭代過程中利用直接解法和預共軛梯度法求解線性方程組。該模型可以解決一、二和三維水流及溶質運移問題。將來該模型會耦合進毛細滯後、非正交網格離散、有限單元剖分和固體非線性等溫吸附等功能。

（八）CODE-BRIGHT

CODE-BRIGHT是一個有限元程序，用來處理地質介質中的熱－水力學（THM）的耦合問題（Olivella et al.，1996）。可以計算普通狀況下的5個主要控制方程（壓力平衡、水質量平衡、氣體質量平衡、能量平衡和少量的化學平衡）的初始邊界值問題，在一定條件下，也能計算局部區域的平衡方程。空間離散採用有限元法，時間離散採用隱式有限差分方法。採用Newton-Raphson迭代求解非線性問題。

CODE-BRIGHT能夠模擬氣體對水的趨替及氣體的溶解過程、各組分和能量的對流及非對流通量、還有水相態的變化。用戶可以自由選擇稀疏矩陣存儲器和直接、迭代求解方法。並行程序已經可以使用。為了便於用戶處理大量的信息.CODE-BRIGHT使用Gi D系統做前、後處理工作。

（九）COORES

CO₂儲層環境模擬器（COORES）是由IFP編寫的研究CO₂從井到盆地尺度儲存過程的程序代碼（Le Gallo et al.，2006）。它由美國應用數學部開發，是指定的並經過油藏工程、地球化學及熱力學等部門驗證的程序。

該程序在剖分過程中允許用戶根據需要靈活地改變網格大小、形狀和樣式來精確地刻畫儲層特徵，從而將必須的網格數量降到最少。使用結構化或非結構化的網格，COORES能夠模擬非均質孔隙介質中的多組分、3相及3D的水流過程。通過Newton方法將完全耦合的摩爾守恆方程線性化。考慮到礦物學的變化，運移模型還耦合了一種地球化學反應模擬器Arxim。通過假設不同的孔隙度－滲透率和孔隙度－毛細壓力定律，如Kozeny-Carman、Labrid或Fair-Hatch定律，修正了孔隙度變化產生的滲透率、毛細壓力改變。

（十）DUMUX

DUMUX是模擬孔隙介質中多尺度、多物理作用的水流和運移過程的程序（Bastian et al.，2008）。它由德國斯圖加特大學開發，基於分散或統一的數值環境（DUNE），用C^+＋語言編寫。Du NE採用一個共同的介面，允許不同的實現共用相同的概念（例如網格、解算器），提高資源利用率。該框架包括許多可以單獨下載的模塊。DUMUX是一個額外的模塊，它繼承了其他模塊的功能，主要是為了方便和有效的實現模型在孔隙介質水流問題（從問題的提出、空間和時間離散方案的選擇和非線性方程解法，到模型的耦合）的應用。DUMUX有即用的數值模型和實例應用。

G. 徐敬東的科研項目

成果、獲獎、專利等情況：
1.無結構P2P文件共享系統中稀缺文件查詢機制研究，天津市應用基礎研究計劃項目，2007.4-2009.9。
2.支持多路負載平衡的多模式VPN系統及嵌入式VPN系統開發，天津市科技發展計劃項目-軟體專項，2004.11-2006.12。
3.基於網路/主機副本法的誘騙系統的研究與實現，南開大學科技創新基金項目，2004.5-2005.12。
4.文本分類在垃圾郵件過濾中的應用研究，天津市信息化項目，2004.11-2005.11。
5.信息化發展總體思路研究（天津市「十一五」規劃），天津市信息化項目，2004.9-2004.12。
6.信息化基礎設施和數字城市建設的重大科技問題研究，天津市科技發展戰略研究項目，2004.5-2004.12。
7.基於電子政務的網路信息監控系統的研究和開發，天津市信息化項目，2003.9-2004.9。
8.基於數據挖掘的入侵檢測系統的研究與實現，天津信息港工程項目，2002.7-2003.7。
9.信息安全系統，天津市重點攻關項目，2001.8-2002.8。
10.網路攻擊檢測與防範技術，天津信息港工程項目，2001.7-2002.7。
11.網路入侵檢測與攻擊防護，天津市自然科學基金重點項目，2001.7-2003.12。
12.網路管理專用設備開發，天津市重點攻關項目，2000.10-2001.10。
13.基於Web的智能網路管理系統研究，教育部《重點高等學校骨幹教師資助計劃》項目，2000.5-2002.12。
14.基於Internet/Intranet平台的網路管理，天津市重點攻關項目，1998.11-1999.11。
15.Internet/Intranet防火牆體系結構的研究，天津市自然科學基金項目，1998.7-1999.12。
16.區域網環境下網路傳真系統的研究與實現，天津市自然科學基金項目，1996.04~1997.06。
17.用數據網與區域網互連方法的研究與實現，天津市青年科學基金項目，1995.4-1996.12。
18.區域網可靠廣播通信方法的研究與實現，天津市自然科學基金項目，1994.04~1995.12。
19.智能區域網研究，天津市自然科學基金項目，1992.03~1994.03。
20.Novell網路操作系統NetWare 386 V3.11的分析與漢化，天津市自然科學基金項目，1991.03~1993.03。
21.Secure Group Communications In Wireless Mobile Ad Hoc Networks，Microsoft Research Asia Trustworthy Computing Research，2006.1-2007.1。
22.網路信息監控系統研究與實現，天闊科技有限公司，2004.01-2005.06。
23.電子商務專業網上作業開發，北京聯想調頻科技有限公司，2001.8-2002.4。
24.北京人事局網路多媒體教學系統的研製，北京人事局，2000.6-2000.10。
25.VoiceXML解釋器開發，深圳市華為技術有限公司，2000.3-2000.12。
26.非服務攻擊型防火牆體系結構研究，南開-華為聯合實驗室項目，2000.01-2002.12。
27.全國應用能力技術證書考試Internet模塊網路考試及評分系統，教育部考試中心，1998.4-1998.12。
28.天津服裝外貿進出口公司EDI系統，天津服裝外貿進出口公司，1996.6-1997.1。
29.天津市公安局110指揮中心計算機網路系統，天津市公安局，1994.7-1995.1。
30.北京市房地產開發經營總公司計算機網路系統，北京市房地產開發經營總公司，1992.7-1993.7。

H. 理論分析與數值模擬研究

跨過近60年的歷史,在對煤層頂板的覆岩破壞規律的研究中,主要發展和應用了「上三帶」理論、「四帶」理論、關鍵層理論及岩體力學等理論。「上三帶」,即把變形破壞後的覆岩劃分為冒落帶、導水裂隙帶和彎曲帶,該理論已成為普遍的共識,成為覆岩變形破壞研究的基礎理論。在「三帶」基礎上,高延法(1999)提出,在彎曲帶下部存在著一個離層帶,並指出采場頂板某一岩層的下沉、彎曲、斷裂以至於垮落,都以該岩層與上部岩層離層為前提,即「四帶」理論；中國礦業大學黎良傑、錢鳴高提出了關鍵層理論,該理論認為頂板中承載力最大、強度最高的岩層為關鍵層,關鍵層的強度決定著頂板的破壞形式；岩體力學理論已被廣泛地應用於頂板覆岩變形破壞的研究中,煤層頂板被視為彈塑性組合岩梁、懸臂梁、組合薄板、組合薄殼等模型,用以分析頂板變形破壞特徵,以岩體力學為基礎的數值模擬也被廣泛應用。

依據頂板岩層破壞的理論,冒落帶、導水裂隙帶形成的機理在於：煤層未被采動前,煤層及其頂、底板岩層均處於靜力平衡狀態。當煤層采動後,在被采動處造成了一個自由空間,破壞了原來的靜力平衡狀態,引起四周壓力向此自由空間的頂、底及四壁集中。當自由空間不大時,形成平衡壓力拱,拱內的岩體依賴本身的連接結力(強度)保持穩定。隨著採煤工作面的推進,自由空間(采空區)不斷擴大,頂板上面壓力拱的跨度隨之擴大,當擴大到某一限度,使采空區頂板壓力拱內的岩體重量可以破壞該岩體在該跨度之下的連續力(主要為岩體的抗張強度及抗剪強度)時,在沒有支撐或充填的情況下,頂板壓力拱內的岩體開始由下而上的冒落,上覆岩層因受已冒落岩塊的支撐而停止冒落。冒落帶以上的岩層隨著其下面的冒落岩塊的逐漸被壓密而隨之向下移動,當移動量足以使岩層破裂時,則會發生一系列的垂直於層面的斷開裂隙及岩層與岩層之間的離層裂隙。斷開裂隙與離層裂隙縱橫交錯,組成彼此貫通的導水裂隙帶。

因此,頂板岩體被視為岩梁、裂隙體梁、懸臂梁、組合薄板、組合薄殼等結構,以力學理論為基礎加以解析如老頂岩層的梁式平衡、裂隙體梁平衡(結構滑落失穩、結構變形失穩),但由於頂板岩體為大范圍的復雜地質體,力學解析復雜而難於求解,並不能給出冒裂范圍及高度的定量解。目前,冒落帶的理論解基於對冒落岩體的碎脹性的認識,即當冒落下來的岩石體積滿足Khcosα=M+hcosα時,上覆岩層因受到已冒落岩塊的支撐而停止冒落。對不分層開採的緩傾斜的單一薄煤或中厚煤層以及開采厚煤層第一分層時,冒落帶高度

,M為采厚,α為煤層傾角,K為碎脹系數。碎脹系數的分布不能反映出冒落高度隨岩石堅硬程度增高而增大的特點,難以應用。

近年來,各種數值模擬技術在岩土力學中有長足的發展和廣泛的應用。國內不少學者已將各種數值方法引入采礦理論和煤礦開采導水裂隙帶高度研究等方面,取得不少突破性進展。

有限單元法作為解決岩、土體力學問題的有效數值計算方法,由線彈性連續結構有限單元分析,發展至節理裂隙有限單元、屈服變形引起局部破壞有限單元、非線性蠕變有限單元分析。發展成熟的大型通用應用軟體如ADINA、ANSYS等被較多的應用。應用有限單元法,基於連續介質力學和損傷介質力學,東北大學岩石破裂與失穩研究中心研究開發了岩石破裂與失穩分析系統(Rock Fracture Process Analysis簡稱 RFPA2D)。RFPA2D提供相變分析模型,適用於材料的載入初期損傷到後期宏觀裂紋形成擴展的破裂全過程的分析。通過賦予材料的不同構成部分的力學性質參數和相變後力學響應參數,可以完成岩石、混凝土和復合材料的破裂過程分析,可完成介質破裂後的分離和接觸處理。

數值分析方法的理論本身以及採用的演算法尚存在各自的局限性。近年來發展起來的快速拉格郞日分析(,簡稱FLAC),是在較好的吸取上述方法的優點並克服其缺點的基礎上形成的一種新型的數值分析方法(黃潤秋,許強, 1994)。FLAC引入礦井地質領域及導水裂隙帶高度預測,取得了滿意的結果(鄒海1998；劉增輝,2006；武強,2002)。