基于SCADA 和GIS技術的供水管網調度系統(tǒng)

1、基于SCADA 和GIS技術的供水管網調度系統(tǒng)整理時間 2004-08-04   閱讀次數 5131 作者：吳信才 , 曾文 ，徐少平   來源：      文字大?。骸敬蟆俊局小俊拘　?#160;摘要: 監(jiān)測監(jiān)控及數據采集系統(tǒng)(Supervisory Control and Data AcquisitionSCADA)能夠遠程控制、監(jiān)測、收集設備數據并把它傳送到監(jiān)控中心。地理信息系統(tǒng)（Geographical Information System-GIS）具有捕獲、管理、操作、分析與空間數據相關的數據能力, 在各

2、種空間數據的基礎上建立分析模型并將SCADA系統(tǒng)輸出的實時數據導入到模型中可以增加模型的準確度和實時性，GIS強大的圖形顯示能力大大增強了模型可視化分析能力。本文就建立基于GIS和SCADA系統(tǒng)集成的供水管網調度系統(tǒng)并給出系統(tǒng)原型。  一、前言    隨著近年來我國城市發(fā)展建設速度的加快,即有和新建供水管網也越來越龐大、分散。供水管網作為城市極為重要的基礎設施和經濟與社會發(fā)展的源泉，加強對供水管網調度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、管網信息、設備運狀況進行動態(tài)監(jiān)測、實時調度和自動化

3、控制，實現(xiàn)自動化信息管理，并將監(jiān)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(jiān)控點狀態(tài)，結合預測、統(tǒng)計、數學模型、空間分析等手段，根據經濟、技術指標和實際情況，進行優(yōu)化控制反饋，完成對供水管網調度各個環(huán)節(jié)的合理配置，即供水管網調度與輔助決策問題,成為保障供水管網經濟、可靠運行關鍵所在。尤其體現(xiàn)在對管網的快速、準確監(jiān)控、安全維護、管網合理設計、搶修施工等方面.本文將討論如何利用GIS和SCADA系統(tǒng)技術實現(xiàn)對供水管網調度的有效管理,這將極大提高有關部門的管理水平和工作效率。二、SCADA與GIS 系統(tǒng)介紹 2.1 SCADA 系統(tǒng)1,2    

4、; SCADA是用于現(xiàn)場監(jiān)測和自動化管理技術。以該技術建立的系統(tǒng)能夠收集現(xiàn)場數據并通過有線或者無線信道傳輸到監(jiān)控中心，由控制中心根據預先設定的程序控制遠程的設備。在需要監(jiān)控的地點或者控制范圍很大的場合下使用該系統(tǒng)是非常經濟有效的。國內從20世紀 80年代開始,SCADA系統(tǒng)在供水行業(yè)得到了廣泛的應用。它可以實時采集現(xiàn)場數據,對現(xiàn)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(jiān)視,并為生產、調度和管理提供必要的參考數據。    SCADA系統(tǒng)由遠程終端(RTU),一級或數級控制站點以及相應的通訊設備和外部設備所組成。RTU是整個SCADA系統(tǒng)的重要部分,擔負者

5、監(jiān)控設備本地數據讀取、檢測，并接受遠程遙測命令等重要任務。RTU的作用是對監(jiān)控設備本地的數據采集及發(fā)送,接受并完成來自遠程控制命令，完成本地的控制。RTU主要配置有CPU模塊、模擬量I/O模塊、數字量I/O模塊、通信模塊、電源、通信設備、機箱、測量儀表及相應物理執(zhí)行機構?？刂浦行恼军c是系統(tǒng)的控制中心，通過控制中心安裝的相關軟件，工作人員可以對SCADA系統(tǒng)進行各種直觀的操作?？刂浦行恼镜淖饔檬菍崟r采集RTU運行參數,從而進行負荷分析、優(yōu)化調度、狀態(tài)評估、故障預報與分析、綜合管理,向RTU下達遙控指令,并完成統(tǒng)計報表等功能。其主要配置有中心控制計算機（服務器）、通信機、工作站、大屏幕投影儀、打印

6、機等輸出設備。復雜的SCADA系統(tǒng)中可以設置多級控制中心站點。目前SCADA系統(tǒng)的通訊方式主要有兩種 :有線和無線。無線方式主要通過無線電臺構成專用通信網,但存在著電臺設備的更新和傳輸協(xié)議中數據傳輸檢錯、糾錯能力等問題,其可靠性和有效性有待提高。而有線網通訊技術的研究目前有了突破性進展,特別是互聯(lián)網技術的發(fā)展使有線網的應用走向更深層次,可利用率更高,發(fā)展前景較好。2.2 GIS系統(tǒng)3,4     計算機管理作為信息管理的重要硬件工具,它的優(yōu)越性已經取得了業(yè)界廣泛的認同,在計算機管理的模式中,管網信息和與管網相關的設備、地形、環(huán)境信息從根本上講是地理信息，傳統(tǒng)的數據

7、庫管理技術不能很好地管理這些信息,而GIS作為集計算機科學、地理學、測繪遙感學、環(huán)境科學、城市科學、空間科學和管理科學及相關學科等為一體的新興學科，將與地理信息相關的空間位置、屬性特征及時域特征進行統(tǒng)一的管理，按一種新的方式組織和使用地理信息，以便更有效地分析和生產新的地理信息。GIS并非僅僅在所管理的數據內容方面與眾不同，在理論和方法上也有很多特色，相應地許多新的重要功能也是傳統(tǒng)方法無法提供的。地理信息系統(tǒng)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(tǒng)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，等等。而這些功

8、能正是一個完備的供水管網調度信息系統(tǒng)所應具備的基礎平臺。GIS系統(tǒng)已經在全球建立起來，并且很多已經建立起來的數據集合都是可用的。 2.3 SCADA和GIS系統(tǒng)的技術互補     總體上說，SCADA系統(tǒng)記錄的數據是隨時間變化的，系統(tǒng)接受和顯示實時監(jiān)測數據并根據事先的制定的規(guī)則決定是否報警. SCADA系統(tǒng)只能給出網絡中正在發(fā)生的事件，無法預測接下了來將發(fā)生事情，因此不能告訴操作人員在不同的運行參數下網絡運行的情況,沒有分析和輔助決策功能。RTU單元只可能安裝在監(jiān)測網絡上一些關鍵地位置上，不可能不經濟地安裝在網絡上的所有位置上。在上個世紀90年代，國內外的GIS軟

9、件廠商都在它們的GIS系統(tǒng)內集成了進了SCADA系統(tǒng)功能模塊。但這樣系統(tǒng)強迫GIS系統(tǒng)改變原來系統(tǒng)設計特性, GIS的設計目標從來就不是實時處理工具，GIS平臺不能保證不間斷的穩(wěn)定運行。開發(fā)這樣的系統(tǒng)的難度要比較想象的高,系統(tǒng)處理動態(tài)的數據是困難的。另一方面，在SCADA系統(tǒng)集成GIS功能的嘗試也是不成功的。空間數據的顯示需要考慮不同的因素而不是像SCADA系統(tǒng)簡單的曲線圖。這樣的系統(tǒng)只能是具有中等規(guī)模的數據庫和具有非常高速的數據事件處理能力，但這是以簡化網絡模型與圖形顯示功能為代價的。     SCADA系統(tǒng)最大的局限性在于它缺乏顯示空間數據能力，而GIS具有顯

10、示復雜空間數據能力確不能很好管理實時數據的問題。SCADA與GIS系統(tǒng)集成可以增加現(xiàn)場實時監(jiān)測數據的可視化能力。本文在綜合分析SCADA和GIS系統(tǒng)特點的基礎上，詳細討論了供水管網調度系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)。第三、基于SCADA和GIS技術管網調度系統(tǒng)5 3.1系統(tǒng)設計目的與結構框圖     目前，國內已開發(fā)完成的供水管網調度系統(tǒng)大多數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. 針對國內應用現(xiàn)狀，本文提出的基于SCADA與GIS 集成的供水管網調度系統(tǒng),它首先是一個現(xiàn)代化的分布式供水管網調度管理系統(tǒng)平臺，SCADA和GIS數據的處理在統(tǒng)一

11、的平臺上完成，即系統(tǒng)同時支持空間和實時數據的處理，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)一接口訪問空間和實時的數據，并在在此之上執(zhí)行供水管網調度與分析工作。除此之外系統(tǒng)還要提供與客戶服務投訴、事故搶修等系統(tǒng)的接口. 系統(tǒng)框圖如圖（1）所示。     最底層的是數據處理模塊。完成與GIS和SCADA系統(tǒng)的接口轉換工作，本系統(tǒng)使用通用接口從外界獲取所需要的數據，系統(tǒng)采用了新的數據抽取和校驗技術,在數據提取子模塊中的數據甄別和校驗等功能可以大大提高數據提取速度和正確性并維護數據集成。從外部傳入的GIS空間數據和SCADA實時數據通過

12、數據提取模塊處理后被規(guī)則化以系統(tǒng)內部格式保存在實時網絡數據庫中。實時網絡數據庫保存了供水管網的靜態(tài)網絡數據，也存儲了SCADA的實時數據，實時網絡空間數據庫管理模塊將是整個系統(tǒng)分析模塊的數據基礎。這樣為系統(tǒng)上層屏蔽了下層的數據交換細節(jié)。     系統(tǒng)中層是模型分析模塊。它接受用戶提出的分析要求，尋找適當的分析模型，在找到適當的分析模型后，調用建模模塊從實時網絡數據庫中提取數據完成分析并給出分析結論，分析結果以多種形式返回給用戶。對于報警、事故等需要操作人員立刻干預的情況，系統(tǒng)中的監(jiān)控模塊直接接受由SCADA系統(tǒng)的數據。在需要進行趨勢分析情況下也調用系統(tǒng)的

13、模型分析模塊完成輔助決策功能。     系統(tǒng)最上層是與用戶交互的接口模塊。系統(tǒng)提供各種標準的界面便于用戶完成供水管網調度的任務。下面就系統(tǒng)中核心模塊功能予以詳細介紹。 3.2實時網絡數據庫：1 本系統(tǒng)的實時網絡數據庫中的管網空間靜態(tài)網絡數據與來自SCADA系統(tǒng)的實時數據在物理上是分開存放的，但在它們之間建立特殊的索引，通過索引可以很快在靜態(tài)的管網空間數據中找到對應的實時數據列表，反之亦然。數據提取模塊可以從各種GIS系統(tǒng)讀取空間數據庫中的數據，然后轉換成系統(tǒng)專有的格式供整個系統(tǒng)使用。系統(tǒng)提取數據處理方法是：首先直接從交換文件把靜態(tài)的空間數據導入系統(tǒng)，然后

14、對導入的數據進行校驗和檢查完整性以糾正源數據中的錯誤。大部分的數據檢查工作是系統(tǒng)自動完成的.例如如果缺少管徑的信息，可以通過設立默認的缺省值去除錯誤；解決供水管網的網絡連接錯誤，額外管線被加入數據庫當中以保證整個管網的連通（大口徑主干管的情況下）；自動移去在網絡邊緣上小口徑的管線,去除沒有跟系統(tǒng)主干連接的小管線。當然系統(tǒng)也提供人機交互方式進行其它需要人工干預的數據檢查工作。SCADA系統(tǒng)傳過來的數據首先保存在數據庫中，然后根據實時數據中的實體ID與管網靜態(tài)數據中的對應的實體建立雙向索引關系，便于系統(tǒng)對二種數據互查6。經過上述處理“實時網絡數據庫”克服了GIS和SCADA在數據存儲的各種弊端并發(fā)

15、揮各自的長處。為上層的模型分析模塊提供良好的數據基礎。3.3模型分析6,7     作為一個分析工具模型會經常根據關鍵性評估指標把復雜系統(tǒng)的簡化使得我們很好的理解系統(tǒng)、檢查系統(tǒng)在不同的參數下運行地效果。通常建立分析模型的主要工作集中在模型建立階段，花費大量時間和資源，而沒有足夠的時間為校準模型和模型分析留夠時間。這種情況現(xiàn)在本系統(tǒng)改變了很多，專業(yè)建模模塊和數據處理模塊使得模型建立時間可以大大的減少，給模型分析留足的充分的時間，這提高了模型分析能力和實用性。必須要保證模型的數據的正確性和經過檢驗才能確保模型的模擬效果。本系統(tǒng)中分析模型可以通過模擬泵站動態(tài)的操作、閥門

16、的開啟度來預測在供水網絡中各種不同的水流和壓力條件。計算機模擬供水系統(tǒng)提供有效的設計新系統(tǒng)的方式以及調查和優(yōu)化已經存在的系統(tǒng)而不需要擾亂真實系統(tǒng)的運行。基于實時網絡數據庫分析模型，加快建立模型的速度和減少模型數據輸入的工作量，滿足了供水調度的迫切管理需求。供水管網優(yōu)化調度的重要環(huán)節(jié)就是建立調度模型,用以確定優(yōu)化運行的決策變量值,其目的就是在滿足系統(tǒng)約束的前提下,使運行費用最小。各類優(yōu)化調度模型的正確是建立供水管網調度系統(tǒng)的關鍵,是實現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化調度工程的基礎。3.5供水管網調度系統(tǒng)特色 基于GIS與SCADA系統(tǒng)的供水管網調度系統(tǒng)有以下優(yōu)點:l    &#

17、160;    統(tǒng)一的數據管理。將各種圖形數據（矢量、柵格）和非圖形數據（圖片、文檔、多媒體）集中統(tǒng)一的存放在關系數據庫中。地物圖形資料僅是系統(tǒng)中一種背景輔助資料，沒有地物圖形資料時，在系統(tǒng)圖形資料的支持下，系統(tǒng)應用功能仍能照常運行，通常地物圖形不經常變動，l         查詢統(tǒng)計。提供多種手段對圖形、屬性數據進行交互查詢，同時能對所選元素的某個字段按用戶指定的統(tǒng)計分類數與分類段的范圍，統(tǒng)計圖元總數、最大、最小、平均值等。并可用直方圖、餅圖、折線圖等多種形式顯示。l &#

18、160;       管網編輯。系統(tǒng)提供完備的編輯工具，用戶可以按自己的要求對管網空間和屬性數據進行添加、修改、刪除等操作。在編輯時有完備的設備關系規(guī)則庫系統(tǒng)，確保編輯好的數據正確、完備，同時支持版本管理和長事務處理。l         實時反映管網的運行狀態(tài).通過從SCADA中導入的數據,在每一條供水管網線路上可顯示實時水壓、水流、水質信息。l         方案模擬.可在

19、供水方案實施前確定前,在系統(tǒng)上進行模擬操作,系統(tǒng)從SCADA讀入的運行參數進行水流模擬分配,并根據管徑大小規(guī)格對水流進行校核,發(fā)現(xiàn)水壓超過管徑允許的范圍時,便會報警,避免管道爆管。l         故障定位.當用水用戶出現(xiàn)停水時,只要報出用戶名,就可在系統(tǒng)中上查出該用戶的供水信息,以及閥門在地圖上的位置。同時列出該閥門,為快速找到故障點,及時隔離故障創(chuàng)造條件。l         發(fā)布停水信息.在關閉閥門時候,用戶接口模塊的地圖上由該閥門控制的線路的顏色由紅色