供水信息管理與調度監控系統一體化設計和應用

——基于GIS和SCADA技術

陶建科 汪利寶 胡永清

上海敢創信息技術有限公司

　　摘要：加強對城鎮供水管網管理的信息化建設具有相當重要意義。文中通過闡述實現供水信息管理與調度監控一體化設計的必要性，提出了系統的組成，進行了系統功能設計和數據流程圖設計，實現了GIS和SCADA系統在技術上的互補，增強了模型可視化分析能力。最后，通過實例驗證，表明該系統具有較強的實用價值，提高了工作效率和科學管理水平，增加了供水管網運行安全性，具有良好的應用的前景。
　　 關鍵字：GIS SCADA 一體化 必要性 互補 系統設計 系統特點

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

　　城鎮供水管網系統是城市極為重要的基礎設施，經濟與社會發展的源泉，加強對供水管網管理的信息化建設具有相當重要意義。利用計算機信息技術、通信技術和自動控制技術對整個供水管網運行過程的主要參數、管網靜態信息、設備運狀況進行動態監測、實時調度和自動化控制，實現供水系統自動化信息管理，并將監測點信息與管網空間位置相結合，以地形圖為基礎，直觀表達管網運行狀況和監控點狀態，結合預測、統計、數學模型、空間分析等手段，實現供水管網信息查詢、供水管網爆管報警、對供水管網調度各個環節的合理配置，保障供水管網經濟、安全、可靠的運行。
　　 目前在我國的供水行業中，GIS軟件和SCADA(Supervisory Control and Data Acquisition數據采集與監視控制系統）軟件都較為成熟，但在當前眾多的實際供水管理應用場合，它們也只是作為單獨的軟件系統平臺應用。隨著管網信息化建設的發展，如何將GIS靜態數據同SCADA動態數據融合在一起，成為供水管理的趨勢。本文將討論如何利用GIS和SCADA系統技術實現對供水信息與調度監控的有效管理,這將極大地提高供水部門的管理水平和工作效率。

2、供水信息管理與調度監控一體化設計的必要性

　　SCADA是用于現場監測和自動化管理技術。國內從20世紀 80年代開始,SCADA系統在供水行業得到了廣泛的應用，它實時采集現場數據,對現場進行本地或遠程的自動控制,對供水過程進行全面、實時監視,并為生產、調度和管理提供必要的參考數據。GIS作為集計算機科學、地理學、測繪遙感學、環境科學、城市科學、空間科學及相關學科等為一體的新興學科，能夠對海量空間數據、拓撲結構、拓撲關系進行有效管理，能夠進行與空間相關的查詢統計、空間分析（多邊形迭置、緩沖分析、網絡分析等）和三維模型分析，提供多種空間數據錄入和輸出手段。SCADA和GIS的這些功能正是一個完備的供水運行調度和管理所應具備的基礎平臺。
　　 SCADA系統最大的局限性在于它缺乏顯示空間數據能力，而GIS具有顯示復雜空間數據能力，確不能很好管理實時數據的問題。SCADA系統與GIS系統集成，進行一體化設計和應用，可以增加現場實時監測數據的可視化能力，可以實現SCADA系統和GIS系統在技術上互補。供水信息管理和調度監控一體化設計是實現供水系統優化運行和科學管理的必經之路，是實現供水系統安全保障體系的基礎組成部分。

3、系統設計

　　目前，國內已開發完成的供水管網調度系統大多數都是依賴某個特定的SCADA和GIS系統平臺，限制了系統之間的可操作性能. 針對國內應用現狀，本文提出的基于SCADA與GIS 技術集成的供水信息管理與調度監控系統,是一個現代化的分布式供水管網調度管理系統平臺，SCADA和GIS數據的處理在統一的平臺上完成，系統同時支持空間和實時動態數據的處理，且保證必要的效率；系統不依賴于特定的GIS和SCADA系統的，用戶最終通過統一接口訪問空間和歷史的、實時的動態數據，并在此之上執行供水系統運行管理與調度分析工作。
3.1 系統組成
　　 系統組成如下圖所示：

圖1：系統結構圖

　　“供水信息管理與調度監控系統”供由三大部分組成：
　　 1) 數據管理中心
　　 該部分主要集中管理整個平臺數據，主要包括：矢量地圖數據庫，管網設備屬性數據庫、空間數據庫、業務處理數據庫，SCADA動態數據庫以及備份數據庫等組成。
　　 2) SCADA采集終端
　　 主要包括數據采集儀表、各種RTU或PLC單元及通訊模塊。
　　 3) 功能管理平臺
　　 該平臺主要實現對供水管網系統的各種管理功能，它由四個部分組成。
　　 管網編輯平臺：對管網進行編輯和修改，同時建立空間數據庫同屬性數據庫之間的聯系；
　　 管網信息管理平臺：對管網設備的管理，如設備查詢，連通性分析以及關閥分析，并進行相關信息的統計和報表打印等功能；
　　 SCADA監控平臺：該平臺將SCADA數據同GIS系統融合一體，是該系統的核心部分，通過該平臺，在GIS地圖上顯示SCADA的實時和歷史數據，并通過該平臺可查看水廠，泵站的實時運行狀況，實現了對象的空間數據、靜態屬性數據和動態數據的交叉訪問，為供水調度決策支持提供幫助。
　　 爆管監察平臺：該平臺是在SCADA系統平臺的基礎上的進一步應用，通過分析SCADA實時數據的變化，通過建立管網爆管報警數學模型，使得供水系統運行管理者在當地下水管爆裂或漏水不等到“水漫金山”時才被發現。
　　 系統運行軟件環境：操作系統： Windows 2000及以上版本；數據庫： SQL Server 2000；供水信息管理與調度監控系統；GIS平臺組件。
3.2 系統功能設計
　　系統總體功能模塊如圖2所示：

圖2：系統功能樹

　　1) 地圖管理
該功能主要包括：地圖基本操作，地圖背景色設置，鷹眼圖，圖層控制，以及管網標注等功能組成。
　　2) 管網編輯
　　編輯：能夠針對系統中的各個數據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行合法性檢驗。
　　3) 查詢分析
　　主要包括：地圖查詢，設備查詢，連通性分析，關閥分析等功能操作，并針對查詢的結果可顯示相應的報表和統計信息，并可能夠根據輸入的條件，從數據表中整理出有關記錄并加以統計、匯總，然后以報表的形式顯示(打印預覽)或打印。
　　設備查詢界面：

　　4) SCADA監控
　　該系統將GIS同SCADA數據管理融合在一起。通過此功能模塊并在地圖上實時的顯示出從SCADA的歷史和即時數據內容；并可同預測分析模塊結合，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的顯示水廠或水泵的動態數據變化趨勢
　　5) 爆管監察
　　該功能通過同SCADA實時數據結合可以及時的發現爆管的區域，同時亦可報警可能將發生爆管的區域。
　　6) 系統管理
　　主要進行數據服務器的設置，登陸的權限管理，同時建立運行日志管理和數據備份等管理功能。
3.3 系統數據流程圖
　　 為建立GIS同SCADA一體化的綜合統一平臺，關鍵是如何將SCADA數據融合到GIS系統中去，在本系統中，管網地圖（GIS平臺）是所有功能的支撐基礎。
　　 通過網絡通信模塊從SCADA終端采集到的數據可根據需要對實時數據進行處理，另一方面也可將SCADA數據存儲到數據庫建立歷史數據庫。所以本系統中SCADA數據可分為歷史數據和實時數據兩個部分。
　　 歷史SCADA數據處理：我們可直接通過本系統平臺將SCADA歷史數據按一定的刷新頻率顯示在地圖上，同時也可根據需要生成歷史狀態曲線，形象而生動的表現出數據變化的狀態。通過預測分析模塊，結合歷史數據，我們可以實現趨勢曲線狀態，為進一步的資源優化、調度和分析提供決策支持。

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

4、系統的特點

　　基于GIS與SCADA技術的供水信息管理與調度監控系統有以下特點:
　　 1) 一體化設計。通過GIS系統和SCADA系統一體化設計，在技術上實現了兩大系統功能互補，同時消除了信息孤島。SCADA系統離不開GIS系統同時GIS系統的良好的運行也需要SCADA系統支持，只有這兩個系統相輔相成才能實現對供水管網系統有效的科學化管理。
　　 2) 統一的數據管理。通過預先統一的建庫標準分別建立供水管網信息數據庫（空間數據、屬性數據）及實時動態數據庫，不同類數據之間實現統一管理，數據的調用安全、可靠、高效。
　　 3) 實現了爆管監察管理。供水企業通過該模塊的應用，可以第一時間接到系統“報警”，馬上派人到現場搶修，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重損失。
　　 4) 系統提供了豐富的對外接口，可實現數據的*.excel,*.pdf等方式的導出；同時對管網電子地圖支持同AutoCAD的接口，可方便的實現數據的轉換。
　　 5) 系統的數據結構滿足國際通用的數據標準，既符合GIS專業數據標準，又符合給水排水專業數據的要求。系統的數據結構可同時滿足同供水管網規劃與設計軟件、管網動態仿真系統及決策支持系統的接口。
　　 6) 系統的兼容性好，可滿足各級別，各層次和不同階段信息化建設的水司進行現代化供水調度和管理系統的需要。

5、應用實例

　　基于以上的GIS同SCADA系統一體化設計方法，并結合我們的經驗，建立起了供水信息管理與調度監控平臺，目前該系統正為一大型水務公司設計應用。
　　 1) SCADA實時/歷史數據顯示、水廠運行狀況顯示

（注：在地圖上顯示的數據，為未今任何處理的SCADA實時數據，以下同）

　　上圖的橢圓形區域就是在GIS地圖上，直接顯示從終端傳過來的壓力和流量實時數據，給數據當前設置的是5分鐘/次，同時也可以根據實際的需要設置刷新的頻率。 而右側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實際的測量值的變化而得以改變。
　　 2) 爆管監察運行結果顯示

在設置了報警參數范圍后，通過監察分析模塊，一旦監測值同設置參數超過預先設定的范圍，系統會自動報警，說明供水系統中有爆管或嚴重漏水存在，系統就會在地圖上高亮的顯示對應區域。同時在對應區域里可能出現事故的管線，同本系統的關閥分析模塊結合，就可找到需關閉對應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) 監控記錄顯示

　　 為了更直觀的查看SCADA監控結果，系統設計了監控記錄功能，通過此功能，可實際的查看SCADA監控的過程，同時可及時的發現可能存在的問題，為系統的正常運行提供保證。

6、總結

　　基于GIS及SCADA技術集成的供水信息管理與調度監控系統提高了供水系統中信息的質量，也增強了輔助決策的基礎，實現了供水GIS和供水SCADA系統在技術上的互補，實現了兩大系統統一平臺的建設，提高了現場實時監測數據的可視化能力。縱觀整個系統，切實的提高供水企業的經濟利益,它使城市供水系統管理工作向科學化、現代化邁進了一大步,大大提高了工作效率和科學管理水平，增加了供水管網運行的安全性，具有良好的應用的前景。

參考文獻:

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【2】鄔倫，張晶，趙偉編著，地理信息系統，北京電子工業出版社，2002年7月。
【3】陶建科, 陳義春等，鎮江市供水管網信息管理軟件系統研制,《城鎮二次供水技術和管理》論文集，中國水協科學技術委員會管道技術部、中國土木學會給水委員會管網研究會 2003年12月。
【4】鄭人杰編著，實用軟件工程，清華大學出版社，1991年7月。

作者簡介：

陶建科 1970年8月 上海敢創信息技術有限公司 總經理 高級工程師
專業領域：給排水系統設計及運行最優化 E-mail：taojianke@china.com
　　　　　聯系電話： 021－38954510轉 1371 13601779169
　　　　 通訊地址：上海敢創信息技術有限公司 網址：www.creativeit.com.cn
　　　　 上海市浦東新區郭守敬路498號浦東軟件園3202室 郵編：201203

汪利寶 1976年6月 上海敢創信息技術有限公司 軟件部經理 碩士 系統分析員
專業領域：軟件設計及系統集成

胡永清 1977 年4月 上海敢創信息技術有限公司 自控部經理 碩士 工程師
專業領域：自動化與通訊工程