基于SCADA 和GIS技術(shù)的供水管網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)

1、基于SCADA 和GIS技術(shù)的供水管網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)整理時間 2004-08-04   閱讀次數(shù) 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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(Supervisory Control and Data AcquisitionSCADA)能夠遠(yuǎn)程控制、監(jiān)測、收集設(shè)備數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)相關(guān)的數(shù)據(jù)能力, 在各

2、種空間數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上建立分析模型并將SCADA系統(tǒng)輸出的實(shí)時數(shù)據(jù)導(dǎo)入到模型中可以增加模型的準(zhǔn)確度和實(shí)時性，GIS強(qiáng)大的圖形顯示能力大大增強(qiáng)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(wǎng)調(diào)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(shè)速度的加快,即有和新建供水管網(wǎng)也越來越龐大、分散。供水管網(wǎng)作為城市極為重要的基礎(chǔ)設(shè)施和經(jīng)濟(jì)與社會發(fā)展的源泉，加強(qiáng)對供水管網(wǎng)調(diào)度的信息化建設(shè)具有相當(dāng)重要意義。利用計(jì)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(yùn)行過程的主要參數(shù)、管網(wǎng)信息、設(shè)備運(yùn)狀況進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測、實(shí)時調(diào)度和自動化

3、控制，實(shí)現(xiàn)自動化信息管理，并將監(jiān)測點(diǎn)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(yùn)行狀況和監(jiān)控點(diǎn)狀態(tài)，結(jié)合預(yù)測、統(tǒng)計(jì)、數(shù)學(xué)模型、空間分析等手段，根據(jù)經(jīng)濟(jì)、技術(shù)指標(biāo)和實(shí)際情況，進(jìn)行優(yōu)化控制反饋，完成對供水管網(wǎng)調(diào)度各個環(huán)節(jié)的合理配置，即供水管網(wǎng)調(diào)度與輔助決策問題,成為保障供水管網(wǎng)經(jīng)濟(jì)、可靠運(yùn)行關(guān)鍵所在。尤其體現(xiàn)在對管網(wǎng)的快速、準(zhǔn)確監(jiān)控、安全維護(hù)、管網(wǎng)合理設(shè)計(jì)、搶修施工等方面.本文將討論如何利用GIS和SCADA系統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對供水管網(wǎng)調(diào)度的有效管理,這將極大提高有關(guān)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(shù)。以該技術(shù)建立的系統(tǒng)能夠收集現(xiàn)場數(shù)據(jù)并通過有線或者無線信道傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，由控制中心根據(jù)預(yù)先設(shè)定的程序控制遠(yuǎn)程的設(shè)備。在需要監(jiān)控的地點(diǎn)或者控制范圍很大的場合下使用該系統(tǒng)是非常經(jīng)濟(jì)有效的。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。它可以實(shí)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(shí)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)。    SCADA系統(tǒng)由遠(yuǎn)程終端(RTU),一級或數(shù)級控制站點(diǎn)以及相應(yīng)的通訊設(shè)備和外部設(shè)備所組成。RTU是整個SCADA系統(tǒng)的重要部分,擔(dān)負(fù)者

5、監(jiān)控設(shè)備本地數(shù)據(jù)讀取、檢測，并接受遠(yuǎn)程遙測命令等重要任務(wù)。RTU的作用是對監(jiān)控設(shè)備本地的數(shù)據(jù)采集及發(fā)送,接受并完成來自遠(yuǎn)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(shù)字量I/O模塊、通信模塊、電源、通信設(shè)備、機(jī)箱、測量儀表及相應(yīng)物理執(zhí)行機(jī)構(gòu)?？刂浦行恼军c(diǎn)是系統(tǒng)的控制中心，通過控制中心安裝的相關(guān)軟件，工作人員可以對SCADA系統(tǒng)進(jìn)行各種直觀的操作?？刂浦行恼镜淖饔檬菍?shí)時采集RTU運(yùn)行參數(shù),從而進(jìn)行負(fù)荷分析、優(yōu)化調(diào)度、狀態(tài)評估、故障預(yù)報與分析、綜合管理,向RTU下達(dá)遙控指令,并完成統(tǒng)計(jì)報表等功能。其主要配置有中心控制計(jì)算機(jī)（服務(wù)器）、通信機(jī)、工作站、大屏幕投影儀、打印

6、機(jī)等輸出設(shè)備。復(fù)雜的SCADA系統(tǒng)中可以設(shè)置多級控制中心站點(diǎn)。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(gòu)成專用通信網(wǎng),但存在著電臺設(shè)備的更新和傳輸協(xié)議中數(shù)據(jù)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(wǎng)通訊技術(shù)的研究目前有了突破性進(jìn)展,特別是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展使有線網(wǎng)的應(yīng)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(jì)算機(jī)管理作為信息管理的重要硬件工具,它的優(yōu)越性已經(jīng)取得了業(yè)界廣泛的認(rèn)同,在計(jì)算機(jī)管理的模式中,管網(wǎng)信息和與管網(wǎng)相關(guān)的設(shè)備、地形、環(huán)境信息從根本上講是地理信息，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)

7、庫管理技術(shù)不能很好地管理這些信息,而GIS作為集計(jì)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)和管理科學(xué)及相關(guān)學(xué)科等為一體的新興學(xué)科，將與地理信息相關(guān)的空間位置、屬性特征及時域特征進(jìn)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(chǎn)新的地理信息。GIS并非僅僅在所管理的數(shù)據(jù)內(nèi)容方面與眾不同，在理論和方法上也有很多特色，相應(yīng)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?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(jì)、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，等等。而這些功

8、能正是一個完備的供水管網(wǎng)調(diào)度信息系統(tǒng)所應(yīng)具備的基礎(chǔ)平臺。GIS系統(tǒng)已經(jīng)在全球建立起來，并且很多已經(jīng)建立起來的數(shù)據(jù)集合都是可用的。 2.3 SCADA和GIS系統(tǒng)的技術(shù)互補(bǔ)     總體上說，SCADA系統(tǒng)記錄的數(shù)據(jù)是隨時間變化的，系統(tǒng)接受和顯示實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)并根據(jù)事先的制定的規(guī)則決定是否報警. SCADA系統(tǒng)只能給出網(wǎng)絡(luò)中正在發(fā)生的事件，無法預(yù)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(yùn)行參數(shù)下網(wǎng)絡(luò)運(yùn)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(wǎng)絡(luò)上一些關(guān)鍵地位置上，不可能不經(jīng)濟(jì)地安裝在網(wǎng)絡(luò)上的所有位置上。在上個世紀(jì)90年代，國內(nèi)外的GIS軟

9、件廠商都在它們的GIS系統(tǒng)內(nèi)集成了進(jìn)了SCADA系統(tǒng)功能模塊。但這樣系統(tǒng)強(qiáng)迫GIS系統(tǒng)改變原來系統(tǒng)設(shè)計(jì)特性, GIS的設(shè)計(jì)目標(biāo)從來就不是實(shí)時處理工具，GIS平臺不能保證不間斷的穩(wěn)定運(yùn)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(shù)據(jù)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?？臻g數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)庫和具有非常高速的數(shù)據(jù)事件處理能力，但這是以簡化網(wǎng)絡(luò)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(shù)據(jù)能力，而GIS具有顯

10、示復(fù)雜空間數(shù)據(jù)能力確不能很好管理實(shí)時數(shù)據(jù)的問題。SCADA與GIS系統(tǒng)集成可以增加現(xiàn)場實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)的可視化能力。本文在綜合分析SCADA和GIS系統(tǒng)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，詳細(xì)討論了供水管網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。第三、基于SCADA和GIS技術(shù)管網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)5 3.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)目的與結(jié)構(gòu)框圖     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 集成的供水管網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng),它首先是一個現(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

11、的平臺上完成，即系統(tǒng)同時支持空間和實(shí)時數(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)一接口訪問空間和實(shí)時的數(shù)據(jù)，并在在此之上執(zhí)行供水管網(wǎng)調(diào)度與分析工作。除此之外系統(tǒng)還要提供與客戶服務(wù)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(shù)據(jù)處理模塊。完成與GIS和SCADA系統(tǒng)的接口轉(zhuǎn)換工作，本系統(tǒng)使用通用接口從外界獲取所需要的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)采用了新的數(shù)據(jù)抽取和校驗(yàn)技術(shù),在數(shù)據(jù)提取子模塊中的數(shù)據(jù)甄別和校驗(yàn)等功能可以大大提高數(shù)據(jù)提取速度和正確性并維護(hù)數(shù)據(jù)集成。從外部傳入的GIS空間數(shù)據(jù)和SCADA實(shí)時數(shù)據(jù)通過

12、數(shù)據(jù)提取模塊處理后被規(guī)則化以系統(tǒng)內(nèi)部格式保存在實(shí)時網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫中。實(shí)時網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫保存了供水管網(wǎng)的靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，也存儲了SCADA的實(shí)時數(shù)據(jù)，實(shí)時網(wǎng)絡(luò)空間數(shù)據(jù)庫管理模塊將是整個系統(tǒng)分析模塊的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。這樣為系統(tǒng)上層屏蔽了下層的數(shù)據(jù)交換細(xì)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(dāng)?shù)姆治瞿Ｐ停谡业竭m當(dāng)?shù)姆治瞿Ｐ秃?，調(diào)用建模模塊從實(shí)時網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫中提取數(shù)據(jù)完成分析并給出分析結(jié)論，分析結(jié)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(yù)的情況，系統(tǒng)中的監(jiān)控模塊直接接受由SCADA系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。在需要進(jìn)行趨勢分析情況下也調(diào)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(biāo)準(zhǔn)的界面便于用戶完成供水管網(wǎng)調(diào)度的任務(wù)。下面就系統(tǒng)中核心模塊功能予以詳細(xì)介紹。 3.2實(shí)時網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫：1 本系統(tǒng)的實(shí)時網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫中的管網(wǎng)空間靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)與來自SCADA系統(tǒng)的實(shí)時數(shù)據(jù)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(wǎng)空間數(shù)據(jù)中找到對應(yīng)的實(shí)時數(shù)據(jù)列表，反之亦然。數(shù)據(jù)提取模塊可以從各種GIS系統(tǒng)讀取空間數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，然后轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)專有的格式供整個系統(tǒng)使用。系統(tǒng)提取數(shù)據(jù)處理方法是：首先直接從交換文件把靜態(tài)的空間數(shù)據(jù)導(dǎo)入系統(tǒng)，然后

14、對導(dǎo)入的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)和檢查完整性以糾正源數(shù)據(jù)中的錯誤。大部分的數(shù)據(jù)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(shè)立默認(rèn)的缺省值去除錯誤；解決供水管網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)連接錯誤，額外管線被加入數(shù)據(jù)庫當(dāng)中以保證整個管網(wǎng)的連通（大口徑主干管的情況下）；自動移去在網(wǎng)絡(luò)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(dāng)然系統(tǒng)也提供人機(jī)交互方式進(jìn)行其它需要人工干預(yù)的數(shù)據(jù)檢查工作。SCADA系統(tǒng)傳過來的數(shù)據(jù)首先保存在數(shù)據(jù)庫中，然后根據(jù)實(shí)時數(shù)據(jù)中的實(shí)體ID與管網(wǎng)靜態(tài)數(shù)據(jù)中的對應(yīng)的實(shí)體建立雙向索引關(guān)系，便于系統(tǒng)對二種數(shù)據(jù)互查6。經(jīng)過上述處理“實(shí)時網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫”克服了GIS和SCADA在數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)基礎(chǔ)。3.3模型分析6,7     作為一個分析工具模型會經(jīng)常根據(jù)關(guān)鍵性評估指標(biāo)把復(fù)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(shù)下運(yùn)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(fèi)大量時間和資源，而沒有足夠的時間為校準(zhǔn)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(shù)據(jù)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(shí)用性。必須要保證模型的數(shù)據(jù)的正確性和經(jīng)過檢驗(yàn)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(yù)測在供水網(wǎng)絡(luò)中各種不同的水流和壓力條件。計(jì)算機(jī)模擬供水系統(tǒng)提供有效的設(shè)計(jì)新系統(tǒng)的方式以及調(diào)查和優(yōu)化已經(jīng)存在的系統(tǒng)而不需要擾亂真實(shí)系統(tǒng)的運(yùn)行。基于實(shí)時網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫分析模型，加快建立模型的速度和減少模型數(shù)據(jù)輸入的工作量，滿足了供水調(diào)度的迫切管理需求。供水管網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度的重要環(huán)節(jié)就是建立調(diào)度模型,用以確定優(yōu)化運(yùn)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(yùn)行費(fèi)用最小。各類優(yōu)化調(diào)度模型的正確是建立供水管網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)的關(guān)鍵,是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度工程的基礎(chǔ)。3.5供水管網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)特色 基于GIS與SCADA系統(tǒng)的供水管網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)有以下優(yōu)點(diǎn):l    &#

17、160;    統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理。將各種圖形數(shù)據(jù)（矢量、柵格）和非圖形數(shù)據(jù)（圖片、文檔、多媒體）集中統(tǒng)一的存放在關(guān)系數(shù)據(jù)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(yīng)用功能仍能照常運(yùn)行，通常地物圖形不經(jīng)常變動，l         查詢統(tǒng)計(jì)。提供多種手段對圖形、屬性數(shù)據(jù)進(jìn)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(jì)分類數(shù)與分類段的范圍，統(tǒng)計(jì)圖元總數(shù)、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(wǎng)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(wǎng)空間和屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行添加、修改、刪除等操作。在編輯時有完備的設(shè)備關(guān)系規(guī)則庫系統(tǒng)，確保編輯好的數(shù)據(jù)正確、完備，同時支持版本管理和長事務(wù)處理。l         實(shí)時反映管網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài).通過從SCADA中導(dǎo)入的數(shù)據(jù),在每一條供水管網(wǎng)線路上可顯示實(shí)時水壓、水流、水質(zhì)信息。l         方案模擬.可在

19、供水方案實(shí)施前確定前,在系統(tǒng)上進(jìn)行模擬操作,系統(tǒng)從SCADA讀入的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行水流模擬分配,并根據(jù)管徑大小規(guī)格對水流進(jìn)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(dāng)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(diǎn),及時隔離故障創(chuàng)造條件。l         發(fā)布停水信息.在關(guān)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