1、基于 SCADA 和 GIS 技术的供水管网调度系统整理时间 2004-08-04 阅读次数 5131 作者：吴信才 , 曾文 ，徐少平 来源：http:/ 文字大小：【大】【中】【小】 摘要: 监测监控及数据采集系统(Supervisory Control and Data Acquisition SCADA)能够远程控制、监测、收集设备数据并把它传送到监控中心。地理信息系统（Geographical Information System-GIS）具有捕获、管理、操作、分析与空间数据相关的数据能力 , 在各种空间数据的基础上建立分析模型并将 SCADA 系统输出的实时数据导入到模型中可以增加
2、模型的准确度和实时性， GIS 强大的图形显示能力大大增强了模型可视化分析能力。本文就建立基于 GIS 和 SCADA 系统集成的供水管网调度系统并给出系统原型。 一、前言随着近年来我国城市发展建设速度的加快,即有和新建供水管网也越来越庞大、分散。供水管网作为城市极为重要的基础设施和经济与社会发展的源泉，加强对供水管网调度的信息化建设具有相当重要意义。利用计算机信息技术、通信技术和自动控制技术对整个供水管网运行过程的主要参数、管网信息、设备运状况进行动态监测、实时调度和自动化控制，实现自动化信息管理，并将监测点信息与管网空间位置相结合，以地形图为基础，直观表达管网运行状况和监控点状态，结合预测
3、、统计、数学模型、空间分析等手段，根据经济、技术指标和实际情况，进行优化控制反馈，完成对供水管网调度各个环节的合理配置，即供水管网调度与辅助决策问题,成为保障供水管网经济、可靠运行关键所在。尤其体现在对管网的快速、准确监控、安全维护、管网合理设计、抢修施工等方面.本文将讨论如何利用 GIS 和 SCADA 系统技术实现对供水管网调度的有效管理,这将极大提高有关部门的管理水平和工作效率。二、SCADA 与 GIS 系统介绍 2.1 SCADA 系统1,2 SCADA 是用于现场监测和自动化管理技术。以该技术建立的系统能够收集现场数据并通过有线或者无线信道传输到监控中心，由控制中心根据预先设定的程
4、序控制远程的设备。在需要监控的地点或者控制范围很大的场合下使用该系统是非常经济有效的。国内从 20 世纪 80 年代开始,SCADA 系统在供水行业得到了广泛的应用。它可以实时采集现场数据,对现场进行本地或远程的自动控制,对供水过程进行全面、实时监视,并为生产、调度和管理提供必要的参考数据。SCADA 系统由远程终端(RTU),一级或数级控制站点以及相应的通讯设备和外部设备所组成。RTU 是整个 SCADA 系统的重要部分,担负者监控设备本地数据读取、检测，并接受远程遥测命令等重要任务。RTU 的作用是对监控设备本地的数据采集及发送,接受并完成来自远程控制命令，完成本地的控制。RTU 主要配置
5、有 CPU 模块、模拟量 I/O 模块、数字量 I/O 模块、通信模块、电源、通信设备、机箱、测量仪表及相应物理执行机构。控制中心站点是系统的控制中心，通过控制中心安装的相关软件，工作人员可以对 SCADA 系统进行各种直观的操作。控制中心站的作用是实时采集 RTU 运行参数,从而进行负荷分析、优化调度、状态评估、故障预报与分析、综合管理,向 RTU 下达遥控指令,并完成统计报表等功能。其主要配置有中心控制计算机（服务器）、通信机、工作站、大屏幕投影仪、打印机等输出设备。复杂的 SCADA 系统中可以设置多级控制中心站点。目前 SCADA 系统的通讯方式主要有两种 :有线和无线。无线方式主要通
6、过无线电台构成专用通信网,但存在着电台设备的更新和传输协议中数据传输检错、纠错能力等问题,其可靠性和有效性有待提高。而有线网通讯技术的研究目前有了突破性进展,特别是互联网技术的发展使有线网的应用走向更深层次,可利用率更高,发展前景较好。2.2 GIS 系统3,4 计算机管理作为信息管理的重要硬件工具,它的优越性已经取得了业界广泛的认同,在计算机管理的模式中,管网信息和与管网相关的设备、地形、环境信息从根本上讲是地理信息，传统的数据库管理技术不能很好地管理这些信息,而 GIS 作为集计算机科学、地理学、测绘遥感学、环境科学、城市科学、空间科学和管理科学及相关学科等为一体的新兴学科，将与地理信息相
7、关的空间位置、属性特征及时域特征进行统一的管理，按一种新的方式组织和使用地理信息，以便更有效地分析和生产新的地理信息。GIS 并非仅仅在所管理的数据内容方面与众不同，在理论和方法上也有很多特色，相应地许多新的重要功能也是传统方法无法提供的。地理信息系统能够对海量空间数据、拓扑结构、拓扑关系进行有效管理，能够进行与空间相关的查询统计、空间分析（多边形迭置、缓冲分析、网络分析等）和三维模型分析，提供多种空间数据录入和输出手段，等等。而这些功能正是一个完备的供水管网调度信息系统所应具备的基础平台。GIS 系统已经在全球建立起来，并且很多已经建立起来的数据集合都是可用的。 2.3 SCADA 和 GI
8、S 系统的技术互补 总体上说，SCADA 系统记录的数据是随时间变化的，系统接受和显示实时监测数据并根据事先的制定的规则决定是否报警. SCADA 系统只能给出网络中正在发生的事件，无法预测接下了来将发生事情，因此不能告诉操作人员在不同的运行参数下网络运行的情况,没有分析和辅助决策功能。RTU 单元只可能安装在监测网络上一些关键地位置上，不可能不经济地安装在网络上的所有位置上。在上个世纪 90 年代，国内外的 GIS 软件厂商都在它们的 GIS系统内集成了进了 SCADA 系统功能模块。但这样系统强迫 GIS 系统改变原来系统设计特性, GIS 的设计目标从来就不是实时处理工具，GIS 平台不
9、能保证不间断的稳定运行。开发这样的系统的难度要比较想象的高,系统处理动态的数据是困难的。另一方面，在 SCADA 系统集成 GIS 功能的尝试也是不成功的。空间数据的显示需要考虑不同的因素而不是像 SCADA 系统简单的曲线图。这样的系统只能是具有中等规模的数据库和具有非常高速的数据事件处理能力，但这是以简化网络模型与图形显示功能为代价的。 SCADA 系统最大的局限性在于它缺乏显示空间数据能力，而 GIS 具有显示复杂空间数据能力确不能很好管理实时数据的问题。SCADA 与 GIS 系统集成可以增加现场实时监测数据的可视化能力。本文在综合分析 SCADA 和 GIS系统特点的基础上，详细讨论
10、了供水管网调度系统的设计与实现。第三、基于 SCADA 和 GIS 技术管网调度系统5 3.1 系统设计目的与结构框图 目前，国内已开发完成的供水管网调度系统大多数都是依赖某个特定的SCADA 和 GIS 系统平台，限制了系统之间的可操作性能. 针对国内应用现状，本文提出的基于 SCADA 与 GIS 集成的供水管网调度系统,它首先是一个现代化的分布式供水管网调度管理系统平台，SCADA 和 GIS 数据的处理在统一的平台上完成，即系统同时支持空间和实时数据的处理，且保证必要的效率；系统不依赖于特定的 GIS 和 SCADA 系统的，用户最终通过统一接口访问空间和实时的数据，并在在此之上执行供
11、水管网调度与分析工作。除此之外系统还要提供与客户服务投诉、事故抢修等系统的接口. 系统框图如图（1）所示。 最底层的是数据处理模块。完成与 GIS 和 SCADA 系统的接口转换工作，本系统使用通用接口从外界获取所需要的数据，系统采用了新的数据抽取和校验技术,在数据提取子模块中的数据甄别和校验等功能可以大大提高数据提取速度和正确性并维护数据集成。从外部传入的 GIS 空间数据和 SCADA 实时数据通过数据提取模块处理后被规则化以系统内部格式保存在实时网络数据库中。实时网络数据库保存了供水管网的静态网络数据，也存储了 SCADA 的实时数据，实时网络空间数据库管理模块将是整个系统分析模块的数据
12、基础。这样为系统上层屏蔽了下层的数据交换细节。系统中层是模型分析模块。它接受用户提出的分析要求，寻找适当的分析模型，在找到适当的分析模型后，调用建模模块从实时网络数据库中提取数据完成分析并给出分析结论，分析结果以多种形式返回给用户。对于报警、事故等需要操作人员立刻干预的情况，系统中的监控模块直接接受由 SCADA 系统的数据。在需要进行趋势分析情况下也调用系统的模型分析模块完成辅助决策功能。 系统最上层是与用户交互的接口模块。系统提供各种标准的界面便于用户完成供水管网调度的任务。下面就系统中核心模块功能予以详细介绍。3.2 实时网络数据库：1 本系统的实时网络数据库中的管网空间静态网络数据与来
13、自 SCADA 系统的实时数据在物理上是分开存放的，但在它们之间建立特殊的索引，通过索引可以很快在静态的管网空间数据中找到对应的实时数据列表，反之亦然。数据提取模块可以从各种 GIS 系统读取空间数据库中的数据，然后转换成系统专有的格式供整个系统使用。系统提取数据处理方法是：首先直接从交换文件把静态的空间数据导入系统，然后对导入的数据进行校验和检查完整性以纠正源数据中的错误。大部分的数据检查工作是系统自动完成的.例如如果缺少管径的信息，可以通过设立默认的缺省值去除错误；解决供水管网的网络连接错误，额外管线被加入数据库当中以保证整个管网的连通（大口径主干管的情况下）；自动移去在网络边缘上小口径的
14、管线,去除没有跟系统主干连接的小管线。当然系统也提供人机交互方式进行其它需要人工干预的数据检查工作。SCADA 系统传过来的数据首先保存在数据库中，然后根据实时数据中的实体 ID 与管网静态数据中的对应的实体建立双向索引关系，便于系统对二种数据互查6。经过上述处理“实时网络数据库”克服了 GIS 和 SCADA在数据存储的各种弊端并发挥各自的长处。为上层的模型分析模块提供良好的数据基础。3.3 模型分析6,7 作为一个分析工具模型会经常根据关键性评估指标把复杂系统的简化使得我们很好的理解系统、检查系统在不同的参数下运行地效果。通常建立分析模型的主要工作集中在模型建立阶段，花费大量时间和资源，而
15、没有足够的时间为校准模型和模型分析留够时间。这种情况现在本系统改变了很多，专业建模模块和数据处理模块使得模型建立时间可以大大的减少，给模型分析留足的充分的时间，这提高了模型分析能力和实用性。必须要保证模型的数据的正确性和经过检验才能确保模型的模拟效果。本系统中分析模型可以通过模拟泵站动态的操作、阀门的开启度来预测在供水网络中各种不同的水流和压力条件。计算机模拟供水系统提供有效的设计新系统的方式以及调查和优化已经存在的系统而不需要扰乱真实系统的运行。基于实时网络数据库分析模型，加快建立模型的速度和减少模型数据输入的工作量，满足了供水调度的迫切管理需求。供水管网优化调度的重要环节就是建立调度模型,
16、用以确定优化运行的决策变量值,其目的就是在满足系统约束的前提下,使运行费用最小。各类优化调度模型的正确是建立供水管网调度系统的关键 ,是实现系统优化调度工程的基础。3.5 供水管网调度系统特色 基于 GIS 与 SCADA 系统的供水管网调度系统有以下优点: 统一的数据管理。 将各种图形数据（矢量、栅格）和非图形数据（图片、文档、多媒体）集中统一的存放在关系数据库中。地物图形资料仅是系统中一种背景辅助资料，没有地物图形资料时，在系统图形资料的支持下，系统应用功能仍能照常运行，通常地物图形不经常变动， 查询统计。提供多种手段对图形、属性数据进行交互查询，同时能对所选元素的某个字段按用户指定的统计
17、分类数与分类段的范围，统计图元总数、最大、最小、平均值等。并可用直方图、饼图、折线图等多种形式显示。 管网编辑。系统提供完备的编辑工具，用户可以按自己的要求对管网空间和属性数据进行添加、修改、删除等操作。在编辑时有完备的设备关系规则库系统，确保编辑好的数据正确、完备，同时支持版本管理和长事务处理。 实时反映管网的运行状态.通过从 SCADA 中导入的数据,在每一条供水管网线路上可显示实时水压、水流、水质信息。 方案模拟.可在供水方案实施前确定前 ,在系统上进行模拟操作,系统从 SCADA 读入的运行参数进行水流模拟分配,并根据管径大小规格对水流进行校核,发现水压超过管径允许的范围时,便会报警,
18、避免管道爆管。 故障定位.当用水用户出现停水时 ,只要报出用户名,就可在系统中上查出该用户的供水信息,以及阀门在地图上的位置。同时列出该阀门,为快速找到故障点,及时隔离故障创造条件。 发布停水信息.在关闭阀门时候 ,用户接口模块的地图上由该阀门控制的线路的颜色由红色转为黑色,并列出所有停电的用户。调度员可据此向电视台、传呼台发送停水范围和用户名称。 管网可靠性统计管理 .在系统中每台泵站，阀门、线路有与用户明确的连接关系,因此,系统可以根据运行方式中断泵站、阀门起闭,确定线路的停水范围,自动统计并列出所有特殊用户的清单;并根据状态量的改变时间,确定该停水范围内的时间,确定停水户数。 老化计算。
19、根据管线的材料、埋设环境、年限，维修次数等条件为参数，通过分析模型得出需要维修的管线的紧迫级别，并计算相应工时。 设备设施管理。 管理管网在运行过程中的设备维修、管网改扩建、设备运行等业务,主要包括巡道管理、听漏管理、报修管理，维修派工、停水关闸管理等，还有管网设备质量评估(为水司改扩建管网提供决策依据)和维修员工考核等。四、结束语。 基于 GIS 及 SCADA 技术集成的供水管网调度提高系统中信息的质量，也增加辅助决策的理论基础。纵观整个系统，切实的提高供水企业的经济利益,具有良好的应用的前景。它使城市供水系统管理工作向科学化、现代化迈进了一大步,大大提高了工作效率并提高了调度水平,增加了供水管网运行的安全性,并使供水企业的生产费用下降。
