蘇志剛，周 文，李進(jìn)強(qiáng)

(1.山東省地理信息系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，山東濟(jì)南250101;2.山東正元地理信息工程有限責(zé)任公司，山東濟(jì)南250101)

一、引 言

目前，我國城市的供水管網(wǎng)設(shè)施錯綜復(fù)雜，涉及人口和覆蓋面積龐大，存在檢測結(jié)果嚴(yán)重滯后，遠(yuǎn)程監(jiān)控操作困難，無法完整再現(xiàn)水質(zhì)、流量、壓力等指標(biāo)的時空連續(xù)動態(tài)變化的問題，嚴(yán)重降低了城市供水的質(zhì)量。而管網(wǎng)老化現(xiàn)象嚴(yán)重、安全系數(shù)降低和布局欠妥的問題，不僅給管理工作帶來了巨大的困難，而且還可能發(fā)生供水受到污染的情況，給城市居民的生命健康帶來威脅。

在我國的供水行業(yè)中，GIS和SCADA軟件的應(yīng)用都比較成熟，但在很多實際供水系統(tǒng)管理應(yīng)用中，GIS和SCADA軟件基本都是作為單獨(dú)的軟件平臺參與供水管理，無法發(fā)揮兩者功能互補(bǔ)的優(yōu)勢。隨著供水管理對信息化水平要求的提高，結(jié)合GIS靜態(tài)數(shù)據(jù)和SCADA動態(tài)數(shù)據(jù)的管理平臺成為供水管理軟件平臺發(fā)展的趨勢，如何有效地將兩種數(shù)據(jù)相融合，通過GIS技術(shù)和SCADA技術(shù)的功能互補(bǔ)更加有效地提高供水管理系統(tǒng)的信息化水平是關(guān)鍵。結(jié)合實際應(yīng)用，本文探討了如何通過GIS和SCADA系統(tǒng)技術(shù)的集成實現(xiàn)對供水管網(wǎng)的在線監(jiān)測。該研究對結(jié)合GIS和SCADA技術(shù)進(jìn)行供水管理系統(tǒng)開發(fā)有一定的參考意義。

二、概 述

供水管網(wǎng)(supervisory control and data acquisition，SCADA)系統(tǒng)，即數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)，是以計算機(jī)為基礎(chǔ)的生產(chǎn)過程控制與調(diào)度自動化系統(tǒng)［1］。它的主要功能是對供水的運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行實時的監(jiān)控，該系統(tǒng)具備對供水裝備實時數(shù)據(jù)采集、各種參數(shù)測量和調(diào)節(jié)、設(shè)備控制和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)預(yù)警等功能。作為供水管網(wǎng)實時監(jiān)控的基本手段，它主要通過實時提供供水設(shè)備的壓力、流量狀態(tài)等信息實現(xiàn)對供水設(shè)備運(yùn)行情況的實時監(jiān)管。該系統(tǒng)是基于地理信息系統(tǒng)開發(fā)實現(xiàn)的，通過GIS技術(shù)，將管網(wǎng)空間分布信息、空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及關(guān)系集成為一個一體化的計算機(jī)管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了供水管網(wǎng)的信息化管理。該系統(tǒng)支持靜態(tài)信息管理、動態(tài)數(shù)據(jù)更新，能夠為用戶輸出必要的圖、表等數(shù)據(jù)［2］。

GIS和SCADA系統(tǒng)的功能互補(bǔ)性是對這兩種系統(tǒng)進(jìn)行集成的主要原因。通過這兩種系統(tǒng)數(shù)據(jù)的交互，可以實現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和地圖數(shù)據(jù)的一體化管理，為供水調(diào)度等決策提供更準(zhǔn)確的信息支持，有效提高管理效率及科學(xué)管理水平。

三、供水管網(wǎng)SACDA和GIS系統(tǒng)的集成

1.供水管網(wǎng)SACDA和GIS系統(tǒng)集成目的

城市供水管網(wǎng)GIS和SCADA系統(tǒng)的功能各有特點(diǎn)，將這兩個系統(tǒng)進(jìn)行集成，能夠?qū)崿F(xiàn)二者的優(yōu)勢互補(bǔ)，具體體現(xiàn)在［3］:

1)管網(wǎng)GIS能夠向SCADA系統(tǒng)提供地理空間信息及空間表達(dá)手段，SCADA系統(tǒng)能夠向GIS系統(tǒng)提供管網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行的實時業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。結(jié)合兩者的功能，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時更新及管理，并且通過GIS數(shù)據(jù)強(qiáng)大的地理信息管理、表達(dá)手段，使信息管理更加高效、科學(xué)。

2)SCADA系統(tǒng)提供的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)與管網(wǎng)GIS提供的空間地理信息，能夠準(zhǔn)確掌握管網(wǎng)中各設(shè)備的分布及運(yùn)行情況。

3)集成后的系統(tǒng)可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和共享，大大減少單獨(dú)運(yùn)行過程中數(shù)據(jù)傳輸和維護(hù)的工作量，保證了數(shù)據(jù)的完整性、一致性、可靠性。

2.供水管網(wǎng)SACDA和GIS系統(tǒng)集成原則

系統(tǒng)集成原則［4］即是做到GIS系統(tǒng)與SCADA系統(tǒng)底層數(shù)據(jù)設(shè)計一體化、功能分布一體化和界面一體化。集成后的系統(tǒng)要保證SCADA平臺和GIS平臺相對獨(dú)立運(yùn)行，分別建立3個數(shù)據(jù)庫:實時數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫和空間數(shù)據(jù)庫，并保證其唯一性。系統(tǒng)客戶端圖形界面及管理基于GIS平臺開發(fā)實現(xiàn)。結(jié)合GIS與SCADA系統(tǒng)的一體化設(shè)計可以實現(xiàn)空間地理信息和實時業(yè)務(wù)信息的無縫連接，充分應(yīng)用兩者的各自優(yōu)點(diǎn)，可以使供水管網(wǎng)管理系統(tǒng)的信息化水平更高，極大地提高系統(tǒng)的管理效率及系統(tǒng)的性價比。系統(tǒng)集成原則的科學(xué)性主要體現(xiàn)在如下兩個方面:

1)保證SCADA與GIS系統(tǒng)的相對獨(dú)立能夠有效地保證這兩個系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠和高效的運(yùn)行。

2)數(shù)據(jù)信息的一體化管理與使用，是系統(tǒng)無縫連接的主要目標(biāo)。供水管網(wǎng)系統(tǒng)的人機(jī)交互界面、數(shù)據(jù)可視化管理與分析都通過GIS平臺開發(fā)實現(xiàn)。SCADA作為實時業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)接收及管理的主要支撐平臺，為GIS系統(tǒng)實時提供數(shù)據(jù)。首先，SCADA主接線由GIS生成，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的變動與GIS同步;其次，GIS系統(tǒng)通過標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫接口，使用TCP報文方式從SCADA系統(tǒng)中讀取實時業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，通過ODBC從關(guān)系數(shù)據(jù)庫中讀取歷史業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，利用兩個系統(tǒng)的通信連接，在GIS系統(tǒng)上實時顯示SCADA系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)(包括高級應(yīng)用軟件計算的結(jié)果)，實現(xiàn)供水網(wǎng)實時監(jiān)控和管理。

3.供水管網(wǎng)SACDA和GIS系統(tǒng)集成方式

目前，管網(wǎng)GIS與SCADA系統(tǒng)集成的主要方式包括以下 3 種［4－6］:

1)在SCADA系統(tǒng)中集成 GIS的功能。在SCADA系統(tǒng)中加載GIS數(shù)據(jù)，在充分發(fā)揮SCADA處理事件高速、可靠等特點(diǎn)的同時，利用GIS可視化管理及分析的手段，使數(shù)據(jù)管理更加科學(xué)。但是由于管網(wǎng)GIS具有海量數(shù)據(jù)和復(fù)雜圖形顯示的應(yīng)用需求，因此，SCADA系統(tǒng)必須為其提供一個強(qiáng)大的地理數(shù)據(jù)顯示環(huán)境，從而增加了系統(tǒng)運(yùn)行的負(fù)擔(dān)。

2)在GIS中集成SCADA系統(tǒng)的功能。這種集成方式主要通過數(shù)據(jù)共享方式實現(xiàn)，即兩個系統(tǒng)相互獨(dú)立運(yùn)行，系統(tǒng)之間通過數(shù)據(jù)共享建立連接。這種方式保證了每個系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性、可靠性，開發(fā)成本較低，但系統(tǒng)時效性受數(shù)據(jù)共享過程中數(shù)據(jù)庫傳輸和交換速率的影響較大。

3)在GIS和SCADA系統(tǒng)的基礎(chǔ)上構(gòu)建集成平臺。與上述兩種簡單的數(shù)據(jù)集成方式相比，通過開發(fā)一個獨(dú)立的平臺將兩個系統(tǒng)同時集成在這個平臺下能解決上述兩種集成方式的局限性。這種集成方式從底層設(shè)計就將GIS和SCADA數(shù)據(jù)的管理及共享考慮進(jìn)去，旨在開發(fā)一個同時具備GIS和SCADA系統(tǒng)功能的集成系統(tǒng)，但這種集成方式需要從底層開發(fā)，增加了系統(tǒng)開發(fā)的成本及風(fēng)險。

本文出于實際條件及應(yīng)用的考慮，結(jié)合我國大多數(shù)城市現(xiàn)有供水管網(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀，采用第二種集成方式，實現(xiàn)了GIS和SCADA系統(tǒng)的集成?；贕IS開發(fā)用戶界面，通過數(shù)據(jù)共享連接，SCADA系統(tǒng)為GIS系統(tǒng)提供實時業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。GIS系統(tǒng)通過其特有的可視化及其他管理分析手段，實現(xiàn)供水管網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的實時動態(tài)顯示和監(jiān)控。系統(tǒng)開發(fā)采用C/S、B/S雙重結(jié)構(gòu)，供水調(diào)度中心只需通過瀏覽器就可以實時監(jiān)控管網(wǎng)內(nèi)設(shè)備的地理空間及業(yè)務(wù)信息，為部門之間的協(xié)同工作提供了一個統(tǒng)一的監(jiān)控平臺。

4.供水管網(wǎng)SACDA和GIS系統(tǒng)集成模型

該供水管網(wǎng)GIS和SCADA系統(tǒng)的集成，主要依靠數(shù)據(jù)庫復(fù)制鏈接技術(shù)來實現(xiàn)。為了保證管網(wǎng)GIS和SCADA系統(tǒng)各自原有的性能，GIS數(shù)據(jù)庫和SCADA系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)庫在物理上相互獨(dú)立，他們之間的邏輯關(guān)系通過數(shù)據(jù)表鏈接來實現(xiàn)關(guān)聯(lián)。首先，在GIS數(shù)據(jù)庫中建立唯一索引使其與其他數(shù)據(jù)表相關(guān)聯(lián);當(dāng)SCADA系統(tǒng)采用到實時數(shù)據(jù)時，SCADA實時數(shù)據(jù)庫利用數(shù)據(jù)庫復(fù)制技術(shù)將更新的數(shù)據(jù)復(fù)制到GIS的實時數(shù)據(jù)庫中，包括數(shù)據(jù)標(biāo)識、獲取數(shù)據(jù)的時間和實時數(shù)據(jù)的值;最后，在 GIS中對獲取的SCADA系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，分析出實時數(shù)據(jù)的表征意義，并加以顯示［7］。

可以看出，管網(wǎng)GIS數(shù)據(jù)庫與SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫之間通過建立數(shù)據(jù)庫鏈接實現(xiàn)了邏輯上的一體化。數(shù)據(jù)庫鏈接保證GIS和SCADA系統(tǒng)以“緊密耦合”的方式運(yùn)行，提高了二者的一體化程度，優(yōu)化了集成系統(tǒng)的性能。整個系統(tǒng)集成方案如圖1所示。

圖1 供水管網(wǎng)GIS和SCADA系統(tǒng)集成模型

5.供水管網(wǎng)SACDA和GIS系統(tǒng)集成關(guān)鍵技術(shù)

(1)GIS與SCADA的集成

實現(xiàn)GIS與SCADA無縫集成，是利用GIS實現(xiàn)遠(yuǎn)程設(shè)備監(jiān)視的一個關(guān)鍵技術(shù)，是GIS獲得實時設(shè)備信息的前提。GIS與SCADA的集成方式一般有界面的集成、數(shù)據(jù)的集成和應(yīng)用的集成。為了更好地在功能層次上實現(xiàn)GIS與SCADA互補(bǔ)，推薦采用GIS與 SCADA的數(shù)據(jù)集成。在此基礎(chǔ)上，通過SCADA的實時數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控能力，采集、監(jiān)控動態(tài)數(shù)據(jù)，負(fù)責(zé)存儲、更新動態(tài)屬性數(shù)據(jù)等問題;利用GIS的數(shù)據(jù)管理功能進(jìn)行靜態(tài)屬性數(shù)據(jù)的采集、存儲，進(jìn)而提供查詢分析預(yù)測算法等。

(2)監(jiān)視指標(biāo)數(shù)據(jù)和實時采集技術(shù)

SCADA系統(tǒng)中采集的實時數(shù)據(jù)存儲樣式多樣化，而且絕大多數(shù)存儲在SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)組織方式并不一定符合設(shè)備監(jiān)視需要的數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu);SCADA系統(tǒng)設(shè)備一般是分散在各生產(chǎn)單位，如分布的各個供水廠。因此，為了更好地實現(xiàn)設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)視，需要將各個SCADA系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫采集到一個統(tǒng)一的SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中。在實時采集監(jiān)視指標(biāo)數(shù)據(jù)過程中，應(yīng)運(yùn)用先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)保證采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、靈活性與實時性;同時還應(yīng)采用先進(jìn)的數(shù)據(jù)庫技術(shù)確保數(shù)據(jù)的安全性。

(3)數(shù)據(jù)處理技術(shù)

供水設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)視的最終目標(biāo)是及時發(fā)現(xiàn)供水處理生產(chǎn)過程中的設(shè)備隱患，分析隱患原因，從而保證生產(chǎn)的安全性。因此，對數(shù)據(jù)作適當(dāng)?shù)暮Y選、分類、統(tǒng)計等處理，以實現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行時態(tài)監(jiān)視、采集指標(biāo)過程線監(jiān)視及設(shè)備預(yù)警監(jiān)視。因此，數(shù)據(jù)處理也是實現(xiàn)基于GIS與SCADA集成的遠(yuǎn)程設(shè)備監(jiān)視的關(guān)鍵技術(shù)之一，可以利用GIS的分析功能，允許工作人員在監(jiān)視設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的同時查看某些統(tǒng)計信息，通過比較分析監(jiān)測指標(biāo)的歷史數(shù)據(jù)，或可視化表現(xiàn)不同指標(biāo)在同一時間的差異，為管理人員的決策工作提供支持。同時，還應(yīng)采用數(shù)據(jù)抽取和校驗技術(shù)，通過增加數(shù)據(jù)甄別來提高數(shù)據(jù)提取正確性和高效性并維護(hù)數(shù)據(jù)集成。

四、供水管網(wǎng)SACDA和GIS系統(tǒng)集成體系結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)后臺邏輯上一體化的數(shù)據(jù)庫是供水管網(wǎng)SACDA和GIS系統(tǒng)集成體系的底層架構(gòu)，集成系統(tǒng)議從下位機(jī)系統(tǒng)通過PROFIBUS—DP通信協(xié)議實時獲取管網(wǎng)流量、水質(zhì)和壓力參數(shù)信息，并更新到SCADA實時數(shù)據(jù)庫;同時將獲取的數(shù)據(jù)復(fù)制、傳輸?shù)焦芫W(wǎng)GIS數(shù)據(jù)庫，GIS系統(tǒng)通過 ArcObject、ADO和ArcSDE訪問所有的數(shù)據(jù)庫，完成相應(yīng)的功能。管網(wǎng)GIS和SCADA系統(tǒng)集成的體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 供水管網(wǎng)SACDA和GIS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

五、系統(tǒng)功能設(shè)計

系統(tǒng)的總體功能模塊如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

1.地圖管理

地圖管理模塊是該系統(tǒng)的基本功能模塊，除了實現(xiàn)對地圖基本操作、鷹眼圖顯示、圖層控制外，該模塊還實現(xiàn)了地圖背景色設(shè)置、管網(wǎng)標(biāo)注、地圖符號配置等功能。系統(tǒng)支持管線數(shù)據(jù)和現(xiàn)狀數(shù)據(jù)底圖矢量數(shù)據(jù)與影像數(shù)據(jù)的空間疊加顯示，并可根據(jù)需求定義地圖加載顯示比例尺、標(biāo)注和符號化等信息?？梢苑奖愕貜姆?wù)器提取部分?jǐn)?shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，具有供水管網(wǎng)空間數(shù)據(jù)庫的自動備份和恢復(fù)功能。

2.管網(wǎng)編輯

管網(wǎng)數(shù)據(jù)編輯不僅能夠?qū)ο到y(tǒng)中的數(shù)據(jù)表文件錄入新增記錄，修改、刪除記錄，而且能夠按照一定的邏輯規(guī)則檢查新增記錄或修改記錄的合法性。系統(tǒng)提供豐富的數(shù)據(jù)入庫工具，支持多種數(shù)據(jù)格式的空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù)的入庫，并提供管網(wǎng)局部和全部數(shù)據(jù)更新支持。入庫數(shù)據(jù)必須經(jīng)過嚴(yán)格的數(shù)據(jù)監(jiān)理系統(tǒng)，空間和屬性合格后方可入庫，從而保證管網(wǎng)數(shù)據(jù)的質(zhì)量，并能出具相關(guān)的監(jiān)理報告供工作人員參照修改數(shù)據(jù)。

3.查詢分析

查詢模塊包括地圖查詢、設(shè)備查詢等，分析模塊包括連通性分析、管閥分析、流向分析等功能操作?？筛鶕?jù)輸入的查詢分析條件，統(tǒng)計、匯總從數(shù)據(jù)表中整理出的相關(guān)記錄，然后以報表和圖形的形式顯示或打印。系統(tǒng)提供行政區(qū)、特征點(diǎn)、單位、圖幅、自定義范圍等多種查詢統(tǒng)計方式，可進(jìn)行單向和雙向的屬性查詢、屬性組合查詢、空間屬性組合查詢、復(fù)雜自定義查詢公式查詢等，也可由屬性或SQL語句查詢滿足條件的圖形對象，并高亮顯示，以及導(dǎo)出查詢和統(tǒng)計的相關(guān)報告和圖表。如圖4所示。

圖4 供水管線的查詢和關(guān)閥分析

4.SCADA監(jiān)控

通過該功能模塊，可以在地圖上的壓力/流量檢測儀器旁將SCADA的歷史和即時數(shù)據(jù)內(nèi)容實時顯示，從而可以直觀地在地圖上查看SCADA數(shù)據(jù)的實時變化。并可結(jié)合預(yù)測分析模塊，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)推測并顯示趨勢曲線，可詳細(xì)地顯示泵站或水廠的動態(tài)數(shù)據(jù)變化趨勢，為系統(tǒng)的正常運(yùn)行提供保障。如圖5所示。

圖5 供水監(jiān)測實時曲線

5.爆管監(jiān)察

通過監(jiān)察分析模塊，結(jié)合SCADA實時檢測數(shù)據(jù)，一旦從SCADA獲取的監(jiān)測值在某個時間段內(nèi)變化范圍超過參數(shù)設(shè)置的容限，系統(tǒng)會自動報警，可以在地圖上高亮顯示有爆管或嚴(yán)重漏水的區(qū)域，結(jié)合本系統(tǒng)的關(guān)閥分析，統(tǒng)計顯示需要關(guān)閉對應(yīng)的閥門列表，找到受影響的用戶，為及時并準(zhǔn)確地實現(xiàn)爆管通知和搶修贏得時間。本系統(tǒng)同樣也可以根據(jù)SCADA實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)分析得出可能將發(fā)生爆管的區(qū)域，如圖6所示。

6.系統(tǒng)管理

系統(tǒng)管理功能主要是設(shè)置服務(wù)器的參數(shù)、登錄的權(quán)限限制，同時建立日志管理和數(shù)據(jù)備份與恢復(fù)等管理功能。

六、結(jié)束語

基于GIS及SCADA集成的智慧供水管網(wǎng)在線監(jiān)測系統(tǒng)不僅增加了目前供水管網(wǎng)系統(tǒng)輔助決策的理論基礎(chǔ)，也提高了供水檢測信息的質(zhì)量?？v觀整個系統(tǒng)，它使城市供水系統(tǒng)管理工作向現(xiàn)代化、科學(xué)化邁進(jìn)了一大步，增加了供水管網(wǎng)運(yùn)行的安全性，大大提高了工作效率，并提高了調(diào)度水平，切實地提高了供水企業(yè)的經(jīng)濟(jì)利益，使供水企業(yè)的生產(chǎn)費(fèi)用下降。同時促進(jìn)了生態(tài)建設(shè)，保障了居民用水安全，具有良好的應(yīng)用的前景。

圖6 爆管分析

［1］BORZO P.SCADA Network Riding the Tides to Information Integration and Improved Performance［J］.Water Engineering＆ Management，2001，19(3):214-216.

［2］粟小榮.城市自來水供水管網(wǎng)地理信息系統(tǒng)的設(shè)計［J］.電腦與信息技術(shù)，2005，13(2):63-66.

［3］竇華成，王力，鄧世軍.GIS和SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)一體化模型及其應(yīng)用初探［J］.工程勘察，2007(5):48-50，57.

［4］朱毅，周君.GIS與SCADA集成中數(shù)據(jù)一體化技術(shù)的研究［J］.計算機(jī)與數(shù)字工程，2007，35(3):22-23.

［5］黃志龍，邱家駒.配網(wǎng)SCADA和GIS功能的集成［J］.電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報，2000，12(4):36-41.

［6］SINGH U，CAEERESD.An Integrated Approach for Implementing a Distribution Automation System［C］∥Proceedings of Transmission and Distribution Conference and Exposition.Latin America:［s.n.］，2004.

［7］張卉，何文杰，李冠民，等.天津市供水管網(wǎng) GIS與SCADA系統(tǒng)的集成技術(shù)研究［J］.給水排水，2010，9(4):36-41.