黃 磊，楊士斌，劉 濤，陳琦瑩

（海河水利委員會海河下游管理局，天津 300061）

近年來，水利行業(yè)以“水利信息化帶動水利現(xiàn)代化”速度明顯加快，特別是圍繞防汛抗旱這一中心任務(wù)，在水閘調(diào)度信息化方面取得了長足進步，部分新建工程已經(jīng)具備了工程集中控制、視頻監(jiān)視、異地會商、水情遙測、過流模擬等功能，大大提高了管理人員對水情、工情的掌握。但由于建設(shè)時期及所屬項目類別的差異，各系統(tǒng)技術(shù)平臺不一、通信方式和數(shù)據(jù)組織多種多樣，各系統(tǒng)內(nèi)部功能偶合度高而系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)兼容和可集成度低，由此形成了一個個各自為戰(zhàn)的信息孤島。

1 信息孤島的形成與弊端

所謂的“信息孤島”，就是指這些相互之間在功能上不關(guān)聯(lián)互助、信息不共享互換以及信息與業(yè)務(wù)流程和應(yīng)用相互脫節(jié)的計算機應(yīng)用系統(tǒng)。

信息孤島的存在所帶來的弊端是顯而易見的。信息更新的同步性差，從而影響了數(shù)據(jù)的一致性和正確性，信息使用和管理效率低下，且缺乏業(yè)務(wù)交互功能與信息共享，致使水情、工情等信息多停留在采集、查詢階段，難以形成彼此聯(lián)系的信息流和可供挖掘的信息資源。

這些信息孤島的形成是信息化發(fā)展的必然階段，如何集成利用好這些孤島，將其整合為具有較強信息支撐能力的決策支持平臺是我們水利信息化亟需深入思考的問題。

2 水閘調(diào)度中信息孤島的存在形式及特點

水閘的調(diào)度，與工程安全、除害興利和水資源綜合利用等方面息息相關(guān)，是涉及多專業(yè)知識的綜合運用過程，應(yīng)根據(jù)水閘所承擔任務(wù)的主次關(guān)系及相互結(jié)合情況，建立科學的調(diào)度方案，對流域水閘的調(diào)度過程進行動態(tài)監(jiān)控和優(yōu)化管理，處理好防洪與興利的關(guān)系，直至共同達到整體綜合最優(yōu)效益。

水閘調(diào)度過程中涉及水情信息、工情信息、安全信息、水文學演算等多類信息，對系統(tǒng)的實時性、聯(lián)動性和安全性要求高。水閘調(diào)度過程遇到常見的信息孤島可以總結(jié)為以下幾類。

2.1 水閘集中控制系統(tǒng)

2.1.1 功能概述

計算機監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計由多圈絕對值編碼器閘門開度儀、Profibus-DP接口、Profibus-DP總線、可編程控制器、監(jiān)控計算機等組成。監(jiān)控計算機與可編程邏輯控制器之間通過網(wǎng)絡(luò)連接，主要運用組態(tài)軟件對整個系統(tǒng)進行監(jiān)測、控制和保護。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，從管理功能上可劃分為3個層次，即操作層、控制層和調(diào)度層。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 水閘集中控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

（1）操作層：負責采集閘內(nèi)外水位、閘位、電力狀態(tài)、承重荷載、閘門開關(guān)量、水泵開關(guān)量等相關(guān)數(shù)據(jù)（主要依靠各類傳感器實現(xiàn)），并接受有關(guān)控制信息（電氣開關(guān)量及編碼量）。

（2）控制層：負責接收操作層采集的水情工況數(shù)據(jù)，經(jīng)處理（主要依靠PLC）后上傳給調(diào)度層，并在調(diào)度層的授權(quán)下發(fā)出調(diào)度指令。

（3）調(diào)度層：負責接收監(jiān)控點傳來的水情工況數(shù)據(jù)，并進行遠程監(jiān)控；備份各監(jiān)測點水情工況和運行記錄等歷史數(shù)據(jù)（多為傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫）；對接收到的數(shù)據(jù)進行分析處理，供管理人員決策。

2.1.2 特征分析

水閘集中控制系統(tǒng)屬于工業(yè)控制領(lǐng)域，具有嚴格的技術(shù)標準，同類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相似，對系統(tǒng)實時性、安全性要求高，對操作層物理量的采樣頻率高，系統(tǒng)可靠性好。但受傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫技術(shù)限制，調(diào)度層的數(shù)據(jù)記錄、分析的實時性稍弱。同時，由于專業(yè)視角的差異，使得該類系統(tǒng)多側(cè)重工業(yè)控制而忽視數(shù)據(jù)分析，造成數(shù)據(jù)資源開發(fā)不足，對工程和水文管理的決策支持乏力。

2.2 水閘視頻監(jiān)視系統(tǒng)

2.2.1 功能概述

近年來，視頻監(jiān)視技術(shù)大量應(yīng)用于水閘調(diào)度管理，有力地提高了管理人員對工程的掌握程度。隨著技術(shù)的進步，該類系統(tǒng)的新架構(gòu)、新標準也層出不窮、日新月異。這里，我們抽去具體的技術(shù)差別，將目前主流的視頻監(jiān)視系統(tǒng)做一原理性的說明，如圖2所示。

圖2 水閘視頻監(jiān)視系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)前端采用模擬攝像機，通過視頻編碼器，將模擬視頻經(jīng)過數(shù)字化、壓縮、打包等過程變成基于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的視頻流或采用一體化的網(wǎng)絡(luò)攝像機，在視頻監(jiān)控的前端完成網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化，視頻流通過網(wǎng)絡(luò)進行傳輸，發(fā)送到視頻需求者。視頻的使用者可利用軟件進行解碼，在PC機上進行顯示和處理，利用分布在網(wǎng)絡(luò)上的服務(wù)器或其他類型的網(wǎng)絡(luò)存儲設(shè)備根據(jù)需要進行錄像。

2.2.2 特征分析

水閘視頻監(jiān)視系統(tǒng)也屬于實時系統(tǒng)，就其本身而言技術(shù)已經(jīng)十分成熟，它主要處理現(xiàn)場視頻數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量大，應(yīng)用效果直觀可見。但在水閘調(diào)度中，該類系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)單一，不能反映現(xiàn)場水情、工況詳情（如上下游水位、閘門開度），與水閘監(jiān)控系統(tǒng)的聯(lián)動效果不佳。

2.3 水位自測報系統(tǒng)

2.3.1 功能概述

水位自測報系統(tǒng)屬于水文遙測系統(tǒng)的一部分，主要包括以下幾個方面：水文數(shù)據(jù)采集設(shè)備，一般指的是水文遙測下位機，可進行雨量采集、水位采集、流量采集；數(shù)據(jù)傳輸終端（GPRS或無線短傳），完成遠程數(shù)據(jù)傳輸；水文信息中心站，包括系統(tǒng)軟件及數(shù)據(jù)庫，可分析、顯示、存儲、發(fā)布水文信息數(shù)據(jù)以供決策，如圖3所示。

圖3 水位自測報系統(tǒng)

2.3.2 特征分析

此系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集及時準確，存儲、分析能力較強，但與水閘監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)存在冗余，同時其部分數(shù)據(jù)資源可供水閘過流模擬和水情綜合查詢使用。

2.4 水閘過流曲線模擬系統(tǒng)

2.4.1 功能概述

該系統(tǒng)以多年過閘流量水力計算成果為基礎(chǔ)，通過水力學計算方法對各種情況下的水閘下泄流量進行計算，對各種不同情況下的上下游水位進行組合，確定水閘的下泄流量，繪制出閘門不同開度下的上下游水位流量關(guān)系曲線，以此為基礎(chǔ)確定各水閘合理的管理調(diào)度運用方案，提供各種情況下的過閘流量，滿足水閘管理運用要求。系統(tǒng)界面，如圖4所示。

圖4 水閘過流曲線模擬系統(tǒng)運行界面

2.4.2 特征分析

對有閘門或設(shè)置胸墻的水閘而言，一般出現(xiàn)堰流和孔流兩種流態(tài)。隨著閘門運用方式的變化，這兩種流態(tài)可以互相轉(zhuǎn)化。上述兩種流態(tài)的轉(zhuǎn)化界限與閘門相對開度e/H有關(guān)（e為閘門開啟高度，H為堰頂以上的閘前水頭）。同時，當閘下水位較高時，必將影響水閘的泄流能力，無論是孔流還是堰流都有可能出現(xiàn)淹沒狀態(tài)，因此又有自由堰流與淹沒堰流和自由孔流與淹沒孔流的區(qū)別。綜上所述，此系統(tǒng)需要針對具體水閘工況設(shè)置計算方法。

2.5 水情查詢系統(tǒng)

2.5.1 功能概述

該類系統(tǒng)基于電子地圖或GIS技術(shù)，按照《水情信息編碼標準》（SL330—2005）和以《實時雨水情數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)與標識符標準》（SL323—2005）形成的數(shù)據(jù)庫為依據(jù)，形成B/S結(jié)構(gòu)的水情信息綜合查詢應(yīng)用系統(tǒng)。系統(tǒng)內(nèi)容涵蓋雨水情查詢、平均降水量計算、GIS查詢、水情預(yù)警顯示、水文過程圖分析、降水量等值線（面）、信息制作與發(fā)布等各種水情業(yè)務(wù)。

2.5.2 特征分析

從嚴格意義上講，水情查詢系統(tǒng)不應(yīng)歸于信息孤島范疇，因為此類系統(tǒng)多與水情自測報系統(tǒng)及下位采集設(shè)備存在數(shù)據(jù)交換關(guān)系，數(shù)據(jù)來源多樣，與其他以數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)的信息系統(tǒng)有著良好的兼容性，同時面向客戶端提供查詢統(tǒng)計服務(wù)，可以視為通用的數(shù)據(jù)支持平臺。在本文中，主要關(guān)注該類系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的整合研究，所以也將其列出闡述。

3 系統(tǒng)整合的目標和架構(gòu)

3.1 系統(tǒng)整合目標

通過信息整合，力求達到以下目標：

（1）規(guī)范信息模型，遵循國家標準，解決數(shù)據(jù)不規(guī)范、編碼不一致等問題。

（2）消除信息孤島，使水情、工情、視頻信息系統(tǒng)形成互通互聯(lián)的整體。

（3）為上層決策系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)準備。

（4）提供滿足信息安全的統(tǒng)一數(shù)據(jù)發(fā)布平臺。

3.2 系統(tǒng)整合架構(gòu)

系統(tǒng)整合架構(gòu)，如圖5所示。

4 系統(tǒng)整合的設(shè)計要點

4.1 實時數(shù)據(jù)庫

目前，點數(shù)較少的控制系統(tǒng)多用組態(tài)軟件，僅實現(xiàn)其控制功能，而忽視數(shù)據(jù)反饋和分析。前文已經(jīng)提到，由于工業(yè)控制系統(tǒng)對實時性要求較高，因此在整合此類實時性要求高的控制系統(tǒng)時考慮添加實時數(shù)據(jù)庫更為妥當。組態(tài)軟件的核心就是對實時數(shù)據(jù)進行管理，組態(tài)軟件實時數(shù)據(jù)庫要建立一套完成數(shù)據(jù)采集、實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)和統(tǒng)計數(shù)據(jù)存儲管理的功能模塊，為用戶提供接口，使用戶能夠?qū)碜袁F(xiàn)場控制系統(tǒng)或人工鍵入的數(shù)據(jù)進行分析處理，并能對控制系統(tǒng)進行反饋控制輸出，為實現(xiàn)生產(chǎn)過程的先進控制及優(yōu)化或其他應(yīng)用提供數(shù)據(jù)服務(wù)。

圖5 系統(tǒng)整合架構(gòu)

4.2 GIS查詢

以電子地圖為查詢平臺，實現(xiàn)對電子地圖的放大、縮小、移動、導(dǎo)航功能，對信息進行分級顯示，實現(xiàn)在電子地圖上對某一區(qū)域或某一類信息進行實時統(tǒng)計、分析、對比。針對某一工程，可以通過鼠標操作查詢相關(guān)信息，如水情、工情、調(diào)度、視頻及預(yù)估流量等綜合信息。聯(lián)系河流上下游關(guān)系，可以對同類信息進行專題顯示，并可結(jié)合工程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，設(shè)置和顯示預(yù)警信息，當信息值超過某一事先設(shè)定值時發(fā)出聲音、色彩等形式的告警，提示工作人員引起警惕。

4.3 數(shù)據(jù)整合

數(shù)據(jù)是組成信息的基本元素，各種原始數(shù)據(jù)的積累與集中是我們分析決策的客觀基礎(chǔ)，而在實際工作中，這些數(shù)據(jù)大多數(shù)是由多種應(yīng)用系統(tǒng)（如前所述的各類信息孤島）生成的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)存放在各種不同的數(shù)據(jù)庫中，新增一個應(yīng)用系統(tǒng)就會帶來一系列新的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)整合就是對分散異構(gòu)的多數(shù)據(jù)源實現(xiàn)統(tǒng)一的訪問，實時地、智能地將有價值的數(shù)據(jù)傳遞給分析系統(tǒng)或其他應(yīng)用系統(tǒng)，進行信息的進一步加工。數(shù)據(jù)整合的目的就是將不同的數(shù)據(jù)庫集成起來，提供一種單一的虛擬數(shù)據(jù)庫，這樣就可以避免出現(xiàn)與主題應(yīng)用不一致的多個數(shù)據(jù)庫，保持應(yīng)用軟件數(shù)據(jù)的一致性。數(shù)據(jù)流程，如圖6所示。

4.4 WebService

經(jīng)過數(shù)據(jù)整合，新的統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫形成，但還存在與其他應(yīng)用系統(tǒng)進行通信的問題。如果其他應(yīng)用系統(tǒng)采用非JAVA的面向?qū)ο蟮恼Z言開發(fā)或者處于分布式環(huán)境中，則數(shù)據(jù)庫會處于孤立狀態(tài)，無法獲取實時數(shù)據(jù)，同時無法向其他應(yīng)用系統(tǒng)提供實時數(shù)據(jù)。為此，需要為數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)提供與其他應(yīng)用系統(tǒng)整合的途徑。

圖6 系統(tǒng)整合數(shù)據(jù)流程

WebService的主要目標是跨平臺的可互操作性。為了達到這一目標，WebService是完全基于XML、XSD等獨立于平臺、獨立于軟件供應(yīng)商的標準，創(chuàng)建可互操作的、分布式應(yīng)用程序的新平臺，實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)交互的一個技術(shù)和協(xié)議。在數(shù)據(jù)庫中將需要與其他應(yīng)用程序通信的接口定義為Web服務(wù)，使其他分布式應(yīng)用能夠遠程訪問數(shù)據(jù)庫，同時WebService采用XML進行數(shù)據(jù)傳輸，提高了數(shù)據(jù)庫的開放性和標準性。

5 結(jié)語

圍繞“水閘工程調(diào)度”這一課題所衍生信息系統(tǒng)多種多樣，同時受具體的工況影響適用范圍和功能需求又不盡相同，本文中僅以常見的幾類系統(tǒng)作為例子，說明各自特點和實現(xiàn)這幾類信息系統(tǒng)整合的可能性?？偠灾l調(diào)度中信息孤島的整合，就是要從實時性、安全性要求出發(fā)鞏固水閘工程調(diào)度的準確性、及時性和可靠性；就是要以數(shù)據(jù)為中心，挖掘原有系統(tǒng)的信息資源，建立起專業(yè)清晰、分工明確、互為補充的數(shù)據(jù)支持環(huán)境；就是要擴大信息資源的應(yīng)用范圍，深入挖掘信息資源對決策分析的支撐能力，為防汛抗旱的科學調(diào)度當好參謀、服好務(wù)。

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