供水信息管理與調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)一體化設(shè)計和應(yīng)用

——基于GIS和SCADA技術(shù)

陶建科 汪利寶 胡永清

上海敢創(chuàng)信息技術(shù)有限公司

　　摘要：加強對城鎮(zhèn)供水管網(wǎng)管理的信息化建設(shè)具有相當(dāng)重要意義。文中通過闡述實現(xiàn)供水信息管理與調(diào)度監(jiān)控一體化設(shè)計的必要性，提出了系統(tǒng)的組成，進(jìn)行了系統(tǒng)功能設(shè)計和數(shù)據(jù)流程圖設(shè)計，實現(xiàn)了GIS和SCADA系統(tǒng)在技術(shù)上的互補，增強了模型可視化分析能力。最后，通過實例驗證，表明該系統(tǒng)具有較強的實用價值，提高了工作效率和科學(xué)管理水平，增加了供水管網(wǎng)運行安全性，具有良好的應(yīng)用的前景。
　　 關(guān)鍵字：GIS SCADA 一體化 必要性 互補 系統(tǒng)設(shè)計 系統(tǒng)特點

Integrated Design and Application for Water Supply Information Management and Dispatch Monitoring Systems

Tao Jianke Wang Libao Hu Yongqing

Shanghai Creative Information Technology Co. Ltd.

Abstract: Strengthening the information construction of urban water distributions systems management has quite important meanings. In the paper the necessity to realizing water supply information management and the dispatch monitoring integration design is described. The software system compositions and function model design and data flow chart design are put forward, which has realized GIS and the SCADA system in the technology supplementary and strengthened the model visible analysis ability. Finally, it is verified by practical cases that the system has more practical values and improve the work efficiency and science management level of water supply enterprises and enhanced water distribution systems running security, so the system owns the good application prospect.

Key Words: GIS SCADA Integrated necessity supplementary System design System characteristic

1、前言

　　城鎮(zhèn)供水管網(wǎng)系統(tǒng)是城市極為重要的基礎(chǔ)設(shè)施，經(jīng)濟(jì)與社會發(fā)展的源泉，加強對供水管網(wǎng)管理的信息化建設(shè)具有相當(dāng)重要意義。利用計算機(jī)信息技術(shù)、通信技術(shù)和自動控制技術(shù)對整個供水管網(wǎng)運行過程的主要參數(shù)、管網(wǎng)靜態(tài)信息、設(shè)備運狀況進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測、實時調(diào)度和自動化控制，實現(xiàn)供水系統(tǒng)自動化信息管理，并將監(jiān)測點信息與管網(wǎng)空間位置相結(jié)合，以地形圖為基礎(chǔ)，直觀表達(dá)管網(wǎng)運行狀況和監(jiān)控點狀態(tài)，結(jié)合預(yù)測、統(tǒng)計、數(shù)學(xué)模型、空間分析等手段，實現(xiàn)供水管網(wǎng)信息查詢、供水管網(wǎng)爆管報警、對供水管網(wǎng)調(diào)度各個環(huán)節(jié)的合理配置，保障供水管網(wǎng)經(jīng)濟(jì)、安全、可靠的運行。
　　 目前在我國的供水行業(yè)中，GIS軟件和SCADA(Supervisory Control and Data Acquisition數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)）軟件都較為成熟，但在當(dāng)前眾多的實際供水管理應(yīng)用場合，它們也只是作為單獨的軟件系統(tǒng)平臺應(yīng)用。隨著管網(wǎng)信息化建設(shè)的發(fā)展，如何將GIS靜態(tài)數(shù)據(jù)同SCADA動態(tài)數(shù)據(jù)融合在一起，成為供水管理的趨勢。本文將討論如何利用GIS和SCADA系統(tǒng)技術(shù)實現(xiàn)對供水信息與調(diào)度監(jiān)控的有效管理,這將極大地提高供水部門的管理水平和工作效率。

2、供水信息管理與調(diào)度監(jiān)控一體化設(shè)計的必要性

　　SCADA是用于現(xiàn)場監(jiān)測和自動化管理技術(shù)。國內(nèi)從20世紀(jì) 80年代開始,SCADA系統(tǒng)在供水行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，它實時采集現(xiàn)場數(shù)據(jù),對現(xiàn)場進(jìn)行本地或遠(yuǎn)程的自動控制,對供水過程進(jìn)行全面、實時監(jiān)視,并為生產(chǎn)、調(diào)度和管理提供必要的參考數(shù)據(jù)。GIS作為集計算機(jī)科學(xué)、地理學(xué)、測繪遙感學(xué)、環(huán)境科學(xué)、城市科學(xué)、空間科學(xué)及相關(guān)學(xué)科等為一體的新興學(xué)科，能夠?qū)Ａ靠臻g數(shù)據(jù)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行有效管理，能夠進(jìn)行與空間相關(guān)的查詢統(tǒng)計、空間分析（多邊形迭置、緩沖分析、網(wǎng)絡(luò)分析等）和三維模型分析，提供多種空間數(shù)據(jù)錄入和輸出手段。SCADA和GIS的這些功能正是一個完備的供水運行調(diào)度和管理所應(yīng)具備的基礎(chǔ)平臺。
　　 SCADA系統(tǒng)最大的局限性在于它缺乏顯示空間數(shù)據(jù)能力，而GIS具有顯示復(fù)雜空間數(shù)據(jù)能力，確不能很好管理實時數(shù)據(jù)的問題。SCADA系統(tǒng)與GIS系統(tǒng)集成，進(jìn)行一體化設(shè)計和應(yīng)用，可以增加現(xiàn)場實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的可視化能力，可以實現(xiàn)SCADA系統(tǒng)和GIS系統(tǒng)在技術(shù)上互補。供水信息管理和調(diào)度監(jiān)控一體化設(shè)計是實現(xiàn)供水系統(tǒng)優(yōu)化運行和科學(xué)管理的必經(jīng)之路，是實現(xiàn)供水系統(tǒng)安全保障體系的基礎(chǔ)組成部分。

3、系統(tǒng)設(shè)計

　　目前，國內(nèi)已開發(fā)完成的供水管網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)大多數(shù)都是依賴某個特定的SCADA和GIS系統(tǒng)平臺，限制了系統(tǒng)之間的可操作性能. 針對國內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀，本文提出的基于SCADA與GIS 技術(shù)集成的供水信息管理與調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng),是一個現(xiàn)代化的分布式供水管網(wǎng)調(diào)度管理系統(tǒng)平臺，SCADA和GIS數(shù)據(jù)的處理在統(tǒng)一的平臺上完成，系統(tǒng)同時支持空間和實時動態(tài)數(shù)據(jù)的處理，且保證必要的效率；系統(tǒng)不依賴于特定的GIS和SCADA系統(tǒng)的，用戶最終通過統(tǒng)一接口訪問空間和歷史的、實時的動態(tài)數(shù)據(jù)，并在此之上執(zhí)行供水系統(tǒng)運行管理與調(diào)度分析工作。
3.1 系統(tǒng)組成
　　 系統(tǒng)組成如下圖所示：

圖1：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　“供水信息管理與調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)”供由三大部分組成：
　　 1) 數(shù)據(jù)管理中心
　　 該部分主要集中管理整個平臺數(shù)據(jù)，主要包括：矢量地圖數(shù)據(jù)庫，管網(wǎng)設(shè)備屬性數(shù)據(jù)庫、空間數(shù)據(jù)庫、業(yè)務(wù)處理數(shù)據(jù)庫，SCADA動態(tài)數(shù)據(jù)庫以及備份數(shù)據(jù)庫等組成。
　　 2) SCADA采集終端
　　 主要包括數(shù)據(jù)采集儀表、各種RTU或PLC單元及通訊模塊。
　　 3) 功能管理平臺
　　 該平臺主要實現(xiàn)對供水管網(wǎng)系統(tǒng)的各種管理功能，它由四個部分組成。
　　 管網(wǎng)編輯平臺：對管網(wǎng)進(jìn)行編輯和修改，同時建立空間數(shù)據(jù)庫同屬性數(shù)據(jù)庫之間的聯(lián)系；
　　 管網(wǎng)信息管理平臺：對管網(wǎng)設(shè)備的管理，如設(shè)備查詢，連通性分析以及關(guān)閥分析，并進(jìn)行相關(guān)信息的統(tǒng)計和報表打印等功能；
　　 SCADA監(jiān)控平臺：該平臺將SCADA數(shù)據(jù)同GIS系統(tǒng)融合一體，是該系統(tǒng)的核心部分，通過該平臺，在GIS地圖上顯示SCADA的實時和歷史數(shù)據(jù)，并通過該平臺可查看水廠，泵站的實時運行狀況，實現(xiàn)了對象的空間數(shù)據(jù)、靜態(tài)屬性數(shù)據(jù)和動態(tài)數(shù)據(jù)的交叉訪問，為供水調(diào)度決策支持提供幫助。
　　 爆管監(jiān)察平臺：該平臺是在SCADA系統(tǒng)平臺的基礎(chǔ)上的進(jìn)一步應(yīng)用，通過分析SCADA實時數(shù)據(jù)的變化，通過建立管網(wǎng)爆管報警數(shù)學(xué)模型，使得供水系統(tǒng)運行管理者在當(dāng)?shù)叵滤鼙鸦蚵┧坏鹊健八鹕健睍r才被發(fā)現(xiàn)。
　　 系統(tǒng)運行軟件環(huán)境：操作系統(tǒng)： Windows 2000及以上版本；數(shù)據(jù)庫： SQL Server 2000；供水信息管理與調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)；GIS平臺組件。
3.2 系統(tǒng)功能設(shè)計
　　系統(tǒng)總體功能模塊如圖2所示：

圖2：系統(tǒng)功能樹

　　1) 地圖管理
該功能主要包括：地圖基本操作，地圖背景色設(shè)置，鷹眼圖，圖層控制，以及管網(wǎng)標(biāo)注等功能組成。
　　2) 管網(wǎng)編輯
　　編輯：能夠針對系統(tǒng)中的各個數(shù)據(jù)表文件錄入新增記錄，修改、刪除已有記錄，并對新增記錄或修改記錄進(jìn)行合法性檢驗。
　　3) 查詢分析
　　主要包括：地圖查詢，設(shè)備查詢，連通性分析，關(guān)閥分析等功能操作，并針對查詢的結(jié)果可顯示相應(yīng)的報表和統(tǒng)計信息，并可能夠根據(jù)輸入的條件，從數(shù)據(jù)表中整理出有關(guān)記錄并加以統(tǒng)計、匯總，然后以報表的形式顯示(打印預(yù)覽)或打印。
　　設(shè)備查詢界面：

　　4) SCADA監(jiān)控
　　該系統(tǒng)將GIS同SCADA數(shù)據(jù)管理融合在一起。通過此功能模塊并在地圖上實時的顯示出從SCADA的歷史和即時數(shù)據(jù)內(nèi)容；并可同預(yù)測分析模塊結(jié)合，建立歷史曲線和趨勢曲線顯示。
　　同時，在該功能模塊亦可詳細(xì)的顯示水廠或水泵的動態(tài)數(shù)據(jù)變化趨勢
　　5) 爆管監(jiān)察
　　該功能通過同SCADA實時數(shù)據(jù)結(jié)合可以及時的發(fā)現(xiàn)爆管的區(qū)域，同時亦可報警可能將發(fā)生爆管的區(qū)域。
　　6) 系統(tǒng)管理
　　主要進(jìn)行數(shù)據(jù)服務(wù)器的設(shè)置，登陸的權(quán)限管理，同時建立運行日志管理和數(shù)據(jù)備份等管理功能。
3.3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程圖
　　 為建立GIS同SCADA一體化的綜合統(tǒng)一平臺，關(guān)鍵是如何將SCADA數(shù)據(jù)融合到GIS系統(tǒng)中去，在本系統(tǒng)中，管網(wǎng)地圖（GIS平臺）是所有功能的支撐基礎(chǔ)。
　　 通過網(wǎng)絡(luò)通信模塊從SCADA終端采集到的數(shù)據(jù)可根據(jù)需要對實時數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，另一方面也可將SCADA數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫建立歷史數(shù)據(jù)庫。所以本系統(tǒng)中SCADA數(shù)據(jù)可分為歷史數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)兩個部分。
　　 歷史SCADA數(shù)據(jù)處理：我們可直接通過本系統(tǒng)平臺將SCADA歷史數(shù)據(jù)按一定的刷新頻率顯示在地圖上，同時也可根據(jù)需要生成歷史狀態(tài)曲線，形象而生動的表現(xiàn)出數(shù)據(jù)變化的狀態(tài)。通過預(yù)測分析模塊，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)，我們可以實現(xiàn)趨勢曲線狀態(tài)，為進(jìn)一步的資源優(yōu)化、調(diào)度和分析提供決策支持。

　　實時SCADA數(shù)據(jù)處理：通過本系統(tǒng)，可直接將實時SCADA數(shù)據(jù)顯示在地圖的流量/壓力檢測儀器的旁邊，這樣就可以在地圖上及時的查看SCADA數(shù)據(jù)的變化。同時可將SCADA變化趨勢反應(yīng)到對應(yīng)的水廠/泵站的水位或壓力變化上。這樣就可以以一種動態(tài)的方式來顯示出水廠/泵站的水位變化情況。
　　 對GIS和SCADA的結(jié)合，更在爆管監(jiān)察功能得到體現(xiàn)。首先在地圖上繪制特定的區(qū)域A，同時將該區(qū)域同時間數(shù)據(jù)和SCADA終端的測量數(shù)據(jù)值變化的范圍結(jié)合在一起，從而完成了爆管監(jiān)察的報警參數(shù)設(shè)置，而后通過監(jiān)察分析模塊，每5分鐘（同SCADA終端采集頻率一樣）檢測從SCADA獲取到的監(jiān)測數(shù)據(jù)。這樣如果從SCADA獲得的監(jiān)測的值在某時間段里的變化范圍大于已設(shè)置的報警參數(shù)容限，則表示該區(qū)域可能已經(jīng)發(fā)生故障。于是系統(tǒng)將自動的實現(xiàn)對A區(qū)域的閃亮報警，同時也可提供聲音等多種報警方式，從而為及時并準(zhǔn)確的實現(xiàn)爆管搶修贏得時間。

4、系統(tǒng)的特點

　　基于GIS與SCADA技術(shù)的供水信息管理與調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)有以下特點:
　　 1) 一體化設(shè)計。通過GIS系統(tǒng)和SCADA系統(tǒng)一體化設(shè)計，在技術(shù)上實現(xiàn)了兩大系統(tǒng)功能互補，同時消除了信息孤島。SCADA系統(tǒng)離不開GIS系統(tǒng)同時GIS系統(tǒng)的良好的運行也需要SCADA系統(tǒng)支持，只有這兩個系統(tǒng)相輔相成才能實現(xiàn)對供水管網(wǎng)系統(tǒng)有效的科學(xué)化管理。
　　 2) 統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理。通過預(yù)先統(tǒng)一的建庫標(biāo)準(zhǔn)分別建立供水管網(wǎng)信息數(shù)據(jù)庫（空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)）及實時動態(tài)數(shù)據(jù)庫，不同類數(shù)據(jù)之間實現(xiàn)統(tǒng)一管理，數(shù)據(jù)的調(diào)用安全、可靠、高效。
　　 3) 實現(xiàn)了爆管監(jiān)察管理。供水企業(yè)通過該模塊的應(yīng)用，可以第一時間接到系統(tǒng)“報警”，馬上派人到現(xiàn)場搶修，一方面可以不讓寶貴的水資源白白流失，另一方面可以極大程度上減少爆管對城市造成的嚴(yán)重?fù)p失。
　　 4) 系統(tǒng)提供了豐富的對外接口，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的*.excel,*.pdf等方式的導(dǎo)出；同時對管網(wǎng)電子地圖支持同AutoCAD的接口，可方便的實現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。
　　 5) 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)滿足國際通用的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，既符合GIS專業(yè)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，又符合給水排水專業(yè)數(shù)據(jù)的要求。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可同時滿足同供水管網(wǎng)規(guī)劃與設(shè)計軟件、管網(wǎng)動態(tài)仿真系統(tǒng)及決策支持系統(tǒng)的接口。
　　 6) 系統(tǒng)的兼容性好，可滿足各級別，各層次和不同階段信息化建設(shè)的水司進(jìn)行現(xiàn)代化供水調(diào)度和管理系統(tǒng)的需要。

5、應(yīng)用實例

　　基于以上的GIS同SCADA系統(tǒng)一體化設(shè)計方法，并結(jié)合我們的經(jīng)驗，建立起了供水信息管理與調(diào)度監(jiān)控平臺，目前該系統(tǒng)正為一大型水務(wù)公司設(shè)計應(yīng)用。
　　 1) SCADA實時/歷史數(shù)據(jù)顯示、水廠運行狀況顯示

（注：在地圖上顯示的數(shù)據(jù)，為未今任何處理的SCADA實時數(shù)據(jù)，以下同）

　　上圖的橢圓形區(qū)域就是在GIS地圖上，直接顯示從終端傳過來的壓力和流量實時數(shù)據(jù)，給數(shù)據(jù)當(dāng)前設(shè)置的是5分鐘/次，同時也可以根據(jù)實際的需要設(shè)置刷新的頻率。 而右側(cè)是某水廠實際的運行狀況查看，同時各個濾池水位的高低可根據(jù)實際的測量值的變化而得以改變。
　　 2) 爆管監(jiān)察運行結(jié)果顯示

在設(shè)置了報警參數(shù)范圍后，通過監(jiān)察分析模塊，一旦監(jiān)測值同設(shè)置參數(shù)超過預(yù)先設(shè)定的范圍，系統(tǒng)會自動報警，說明供水系統(tǒng)中有爆管或嚴(yán)重漏水存在，系統(tǒng)就會在地圖上高亮的顯示對應(yīng)區(qū)域。同時在對應(yīng)區(qū)域里可能出現(xiàn)事故的管線，同本系統(tǒng)的關(guān)閥分析模塊結(jié)合，就可找到需關(guān)閉對應(yīng)的閥門列表和可能的受影響用戶信息，并打印出停水通知單和管線維修單。
　　 3) 監(jiān)控記錄顯示

　　 為了更直觀的查看SCADA監(jiān)控結(jié)果，系統(tǒng)設(shè)計了監(jiān)控記錄功能，通過此功能，可實際的查看SCADA監(jiān)控的過程，同時可及時的發(fā)現(xiàn)可能存在的問題，為系統(tǒng)的正常運行提供保證。

6、總結(jié)

　　基于GIS及SCADA技術(shù)集成的供水信息管理與調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)提高了供水系統(tǒng)中信息的質(zhì)量，也增強了輔助決策的基礎(chǔ)，實現(xiàn)了供水GIS和供水SCADA系統(tǒng)在技術(shù)上的互補，實現(xiàn)了兩大系統(tǒng)統(tǒng)一平臺的建設(shè)，提高了現(xiàn)場實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的可視化能力?？v觀整個系統(tǒng)，切實的提高供水企業(yè)的經(jīng)濟(jì)利益,它使城市供水系統(tǒng)管理工作向科學(xué)化、現(xiàn)代化邁進(jìn)了一大步,大大提高了工作效率和科學(xué)管理水平，增加了供水管網(wǎng)運行的安全性，具有良好的應(yīng)用的前景。

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【4】鄭人杰編著，實用軟件工程，清華大學(xué)出版社，1991年7月。

作者簡介：

陶建科 1970年8月 上海敢創(chuàng)信息技術(shù)有限公司 總經(jīng)理 高級工程師
專業(yè)領(lǐng)域：給排水系統(tǒng)設(shè)計及運行最優(yōu)化 E-mail：taojianke@china.com
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汪利寶 1976年6月 上海敢創(chuàng)信息技術(shù)有限公司 軟件部經(jīng)理 碩士 系統(tǒng)分析員
專業(yè)領(lǐng)域：軟件設(shè)計及系統(tǒng)集成

胡永清 1977 年4月 上海敢創(chuàng)信息技術(shù)有限公司 自控部經(jīng)理 碩士 工程師
專業(yè)領(lǐng)域：自動化與通訊工程