戚明杰 賴 華

(昆明理工大學(xué)城市學(xué)院1，云南 昆明 650051;昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院2，云南 昆明 650051)

0 引言

城市供水生產(chǎn)過程由水源地取水、凈水廠凈水處理、供水管網(wǎng)配水直至用戶用水組成，供水系統(tǒng)由水源、凈水廠、管網(wǎng)、加壓泵站、高位調(diào)節(jié)水池和供水管網(wǎng)構(gòu)成。對于缺水型城市，高效節(jié)約、合理分配利用有限的水資源是城市國民經(jīng)濟(jì)健康協(xié)調(diào)和可持續(xù)發(fā)展的保證。利用先進(jìn)的信息采集技術(shù)，基于商業(yè)數(shù)據(jù)庫的信息挖掘和鉆取技術(shù)，結(jié)合水力模型系統(tǒng)建立智能化城市供水調(diào)度系統(tǒng)，為城市實(shí)現(xiàn)安全、科學(xué)、經(jīng)濟(jì)的供水調(diào)度提供有力保障。

1 傳統(tǒng)的城市供水調(diào)度系統(tǒng)

城市供水調(diào)度系統(tǒng)由底層的數(shù)據(jù)采集監(jiān)控(supervisory control and data acquisition，SCADA)系統(tǒng)和上層的供水信息管理系統(tǒng)共同組成。SCADA系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對供水生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)的采集，供水信息管理系統(tǒng)在SCADA系統(tǒng)基礎(chǔ)之上，完成供水生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)的分析，并將分析結(jié)果應(yīng)用于供水調(diào)度決策。日供水20萬t以上的城市通常都建有供水調(diào)度信息管理系統(tǒng)，但隨著我國城市化進(jìn)程的推進(jìn)，城市的供水調(diào)度系統(tǒng)普遍存在以下兩方面的問題。

第一，底層SCADA系統(tǒng)的數(shù)據(jù)協(xié)議不統(tǒng)一，造成底層SCADA系統(tǒng)與供水調(diào)度系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口問題［1－3］。由于歷史原因，凈水廠、加壓泵站、高位水池和供水管網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)測點(diǎn)自動控制系統(tǒng)的軟硬件廠家眾多，所以采集生產(chǎn)數(shù)據(jù)需要與不同品牌的自動控制系統(tǒng)通信。通信協(xié)議和數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一，給數(shù)據(jù)采集造成困難。

第二，目前供水SCADA系統(tǒng)軟件主要采用組態(tài)軟件和高級語言結(jié)合編程的方式。這些系統(tǒng)普遍存在運(yùn)行程序完全封閉的問題，側(cè)重于SCADA系統(tǒng)的實(shí)時監(jiān)控功能，無法滿足生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計和智能化分析的需求，如管網(wǎng)工況、壓力合格計算、能耗分析預(yù)測、用戶供水負(fù)荷預(yù)測等需要。因此，運(yùn)用各種現(xiàn)代化的管理手段、計算機(jī)控制技術(shù)、通信技術(shù)和人工智能技術(shù)對城市供水系統(tǒng)進(jìn)行管理、監(jiān)控、預(yù)測和優(yōu)化調(diào)度具有重大意義。特別是缺水型城市需要對供水信息進(jìn)行進(jìn)一步挖掘分析，以期找出供水系統(tǒng)運(yùn)行中存在的問題，優(yōu)化供水調(diào)度方案，實(shí)現(xiàn)有限供水資源條件下的最優(yōu)調(diào)度。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

本文針對某缺水的省會城市的供水調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行研究。該市供水系統(tǒng)共有6座水源水庫，其中最大的水源水庫庫容4.8億m3。該水庫距離市區(qū)水廠86 km。凈水廠10座，日供水85萬t。加壓泵站28個，容量2萬t。高位水池3座。該系統(tǒng)屬多水源、多水廠、多泵站和復(fù)雜管網(wǎng)聯(lián)合調(diào)度的大型供水系統(tǒng)，加之水源分布不均和地域性強(qiáng)，使供水生產(chǎn)調(diào)度具有復(fù)雜性和變化性。

2.1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

SCADA系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對供水生產(chǎn)全范圍的數(shù)據(jù)采集，即源水輸水系統(tǒng)、凈水系統(tǒng)、配水系統(tǒng)這3大系統(tǒng)數(shù)據(jù)的全面、及時、準(zhǔn)確采集。源水輸水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對各水源水量、水質(zhì)等數(shù)據(jù)的自動采集。凈水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對各凈水廠進(jìn)水、沉淀、過濾、出水等工藝環(huán)節(jié)的關(guān)鍵參數(shù)，以及流量、水質(zhì)、壓力、液位等數(shù)據(jù)的自動采集。配水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對各加壓泵站、高位水池、管網(wǎng)監(jiān)測點(diǎn)、供水區(qū)域計量點(diǎn)和用戶用水?dāng)?shù)據(jù)、流量、水質(zhì)、壓力、液位等數(shù)據(jù)的自動采集。對于無法進(jìn)行自動采集的數(shù)據(jù)如各水源水庫水情等，通過手工采集。系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)Fig.1 Hardware configuration of the system

根據(jù)所處位置和所需功能的不同，硬件系統(tǒng)分為若干子系統(tǒng)。其中，底層為各凈水廠的自動控制系統(tǒng)、水源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、加壓泵站數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、管網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、大用戶用水計量系統(tǒng)，負(fù)責(zé)各遠(yuǎn)端系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集和信息管理。第二層是生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)將根據(jù)生產(chǎn)分析和報表的需要，從各數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，存儲在實(shí)時數(shù)據(jù)庫中。建立在實(shí)時數(shù)據(jù)庫之上的是具有商業(yè)智能的生產(chǎn)信息管理平臺，負(fù)責(zé)從生產(chǎn)調(diào)度到生產(chǎn)分析以及最終的報表和業(yè)務(wù)智能功能。

系統(tǒng)硬件及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在供水調(diào)度系統(tǒng)的SCADA系統(tǒng)層面［4］。水源、凈水廠、加壓泵站、管網(wǎng)、大用戶的數(shù)據(jù)由各子系統(tǒng)前置數(shù)據(jù)采集服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)各部分的供水?dāng)?shù)據(jù)采集。中心機(jī)房設(shè)立4臺服務(wù)器，第一臺服務(wù)器是數(shù)據(jù)采集和處理服務(wù)器，安裝有工業(yè)實(shí)時數(shù)據(jù)庫，負(fù)責(zé)從各子系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，并進(jìn)行預(yù)處理。經(jīng)計算和處理的生產(chǎn)事件數(shù)據(jù)存入第二臺服務(wù)器，即數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上安裝有 Microsoft SQL Server 2005，提供長期的生產(chǎn)記錄以供分析和報表處理。第三臺服務(wù)器中安裝有商業(yè)信息管理平臺軟件，負(fù)責(zé)對生產(chǎn)數(shù)據(jù)和事件進(jìn)行分析、計算等應(yīng)用處理工作。第四臺服務(wù)器則作為面向管理層的信息發(fā)布服務(wù)器，通過微軟的Web服務(wù)技術(shù)，將生產(chǎn)管理所需的分析和報告信息以及現(xiàn)場的生產(chǎn)情況畫面發(fā)布到基于瀏覽器的管理客戶。

同時根據(jù)系統(tǒng)功能需求，在中央控制室設(shè)立了2臺工程師站。通過工程師站，用戶可以對系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)修改、管理和擴(kuò)展功能等工作。而中央控制室的另外4臺操作員站則可以負(fù)責(zé)調(diào)度、管理分析客戶端等操作和監(jiān)視工作。

2.2 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

系統(tǒng)整合各生產(chǎn)單位的信息，從層次上涵蓋了現(xiàn)場級生產(chǎn)監(jiān)控SCADA層、調(diào)度管理級的數(shù)據(jù)庫應(yīng)用層以及商業(yè)智能級的生產(chǎn)分析和生產(chǎn)報告層［4］。系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)軟件架構(gòu)Fig.2 Software architecture of the system

軟件系統(tǒng)底層采用組態(tài)軟件和實(shí)時數(shù)據(jù)庫，其上是信息集成和管理應(yīng)用平臺。信息集成和管理應(yīng)用平臺通過其應(yīng)用服務(wù)，從生產(chǎn)管理、計劃調(diào)度、質(zhì)量和分析、績效和指標(biāo)計算發(fā)布等多方面提供應(yīng)用;并通過面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)(service-oriented architecture，SOA)的支持，提供對企業(yè)的商業(yè)系統(tǒng)的集成支持［5］。

最上層的信息門戶功能區(qū)，所有的信息將在標(biāo)準(zhǔn)的IE瀏覽器中展現(xiàn)，其集成展現(xiàn)的信息包括以下幾類:來自于SCADA的實(shí)時流程畫面、來自于實(shí)時數(shù)據(jù)庫的趨勢和報警信息、通過平臺提供的各類分析圖表、生產(chǎn)報告和績效儀表盤。信息門戶集成了上述所有的不同類型的數(shù)據(jù)和信息，并集成顯示在標(biāo)準(zhǔn)IE瀏覽器中。系統(tǒng)軟件架構(gòu)建立在MES架構(gòu)之上，同時利用了最新的微軟.NET技術(shù)和SOA架構(gòu)，使系統(tǒng)功能能夠從平臺化、開放性、技術(shù)先進(jìn)性等多方面符合現(xiàn)場和今后功能擴(kuò)展的需求。

3 底層數(shù)據(jù)接口技術(shù)

由于歷史原因，10座凈水廠的自動控制系統(tǒng)包括5個廠家的軟硬件產(chǎn)品、28個加壓泵站和3座高位水池(有的有自動控制系統(tǒng)，有的只有現(xiàn)場儀表且是各種國產(chǎn)或進(jìn)口品牌)。底層的系統(tǒng)、儀表設(shè)備對外輸出的數(shù)據(jù)有文件、實(shí)時數(shù)據(jù)庫、關(guān)系數(shù)據(jù)庫等形式。不同的數(shù)據(jù)格式、不同的通信協(xié)議給底層數(shù)據(jù)采集帶來了困難。

3.1 凈水廠數(shù)據(jù)采集

3.1.1 從凈水廠上位機(jī)上采集數(shù)據(jù)

由于目前各凈水廠上位機(jī)監(jiān)控軟件基本都支持OPC(OLE for process control)標(biāo)準(zhǔn)，所以可采用OPC方式與水廠上位機(jī)進(jìn)行通信。此方法有以下特點(diǎn):①成本相對較低;②可以在不過多增加原有網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷的前提下保證通信質(zhì)量，使通信基于請求，只讀取那些在客戶端請求的數(shù)據(jù)。這就減少了不必要的通信，從而大幅提高通信速度，減輕通信負(fù)荷;③中心的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集處理服務(wù)器與水廠數(shù)據(jù)采集子站可實(shí)現(xiàn)OPC通信。

3.1.2 從底層控制PLC網(wǎng)絡(luò)上采集數(shù)據(jù)

從底層控制PLC網(wǎng)絡(luò)上采集數(shù)據(jù)需購置接口卡，在數(shù)據(jù)采集子站與底層控制PLC網(wǎng)絡(luò)連接通信。此方法有以下缺點(diǎn):①由于需要采購多種接口卡，且每種卡都比較昂貴，成本高;②由于在數(shù)據(jù)采集子站與底層控制PLC網(wǎng)絡(luò)連接時，需要將接口卡接入現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)，這勢必在很大程度上增加網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷?，F(xiàn)有凈水廠的網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷已經(jīng)很重，此方法對現(xiàn)有PLC網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成很大的影響［6］。

通過綜合比較上述兩種方式，決定采用OPC接口的方式來實(shí)現(xiàn)凈水廠現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)造上，采用中心機(jī)房、水廠數(shù)據(jù)采集中心二級分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)具有以下兩方面的優(yōu)點(diǎn)。

①相比較集中式的數(shù)據(jù)采集和發(fā)布，分布式的數(shù)據(jù)采集發(fā)布可有效避免數(shù)據(jù)的過度集中。采用的二級分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可有效減輕系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，并且二級式分布式結(jié)構(gòu)體系可有效隔離內(nèi)網(wǎng)和外網(wǎng)，提高系統(tǒng)可靠性。

②分布式體系結(jié)構(gòu)將系統(tǒng)的不同功能模塊分布在不同的服務(wù)器上，減少系統(tǒng)的單故障節(jié)點(diǎn)，有利于系統(tǒng)的擴(kuò)展。

3.2 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)庫服務(wù)器采用開放式關(guān)系型標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫平臺，數(shù)據(jù)庫管理軟件采用Microsoft SQL Server 2005，軟件可提供開放的接口和標(biāo)準(zhǔn)，支持標(biāo)準(zhǔn)的開放數(shù)據(jù)庫互連(open database connectivity，ODBC)訪問和SQL連接［7］。中心的數(shù)據(jù)采集平臺可通過標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)庫技術(shù)，采集以關(guān)系數(shù)據(jù)庫形式的遠(yuǎn)程泵站、高位水池和供水管網(wǎng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)［8－10］。

數(shù)據(jù)是以文本文件的方式存儲的，因此需要對其進(jìn)行數(shù)據(jù)解析才可送入實(shí)時數(shù)據(jù)庫。具體工作方式如下:利用中心SCADA平臺內(nèi)置的函數(shù)打開文本文件，讀取其中的信息;將信息傳遞給SCADA變量，最終實(shí)現(xiàn)實(shí)時數(shù)據(jù)的采集及顯示。

4 智能化供水調(diào)度模型

隨著城市供水管理信息化工作的不斷擴(kuò)展和深入，以往各獨(dú)立的供水調(diào)度信息系統(tǒng)越來越不能滿足綜合的、復(fù)雜的城市供水管理需求。各系統(tǒng)必須打破“信息孤島”的限制，實(shí)現(xiàn)面向應(yīng)用的信息互聯(lián)，才能最大程度地發(fā)揮各系統(tǒng)的應(yīng)用價值。

系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)與其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)的綜合與集成。在SCADA技術(shù)基礎(chǔ)上，系統(tǒng)集成數(shù)據(jù)管理、管網(wǎng)水力計算、供水負(fù)荷預(yù)測與優(yōu)化調(diào)度等多方面功能。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了與地理信息系統(tǒng)(geographic information system，GIS)、水力模型等系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和應(yīng)用的協(xié)作，提高了信息利用的價值，擴(kuò)展了各系統(tǒng)的應(yīng)用功能［5－6］。

系統(tǒng)的供水生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析平臺采用對象-關(guān)系數(shù)據(jù)庫作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)倉庫，利用多維度數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)挖掘管理城市供水生產(chǎn)信息。來自城市水源、凈水廠、管網(wǎng)的實(shí)時數(shù)據(jù)不斷積累，豐富的生產(chǎn)數(shù)據(jù)從各個側(cè)面體現(xiàn)了城市供水調(diào)度的現(xiàn)狀，可以快速找出城市供水調(diào)度工作中存在的問題，優(yōu)化調(diào)度過程，從而為城市提供更加安全穩(wěn)定的供水。系統(tǒng)能夠根據(jù)城市供水的特點(diǎn)，對海量城市供水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行快速分析，以提供供水調(diào)度決策支持。系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程圖Fig.3 Flowchart of system data

用戶可充分利用SCADA系統(tǒng)、GIS系統(tǒng)、水力模型系統(tǒng)、營業(yè)收費(fèi)系統(tǒng)、客戶服務(wù)系統(tǒng)來掌握大量實(shí)時數(shù)據(jù)，并通過在線的數(shù)據(jù)挖掘方法抽取、轉(zhuǎn)換、清洗、集成數(shù)據(jù)，從而為調(diào)度決策提供全面的現(xiàn)場環(huán)境。

供水管網(wǎng)中的壓力、流量與凈水廠出廠流量和壓力、加壓站的流量和壓力之間，以及各水廠的流量和壓力之間存在一定的數(shù)學(xué)關(guān)系。將SCADA系統(tǒng)采集的大量實(shí)時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換應(yīng)用到供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型化的水力模型系統(tǒng)，建立表達(dá)供水系統(tǒng)各主要變量之間關(guān)系的動態(tài)模型，即供水系統(tǒng)的宏觀調(diào)度模型［5］。系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)。

①采用比傳統(tǒng)統(tǒng)計方法更有效、更先進(jìn)的數(shù)據(jù)挖掘方法，通過合理配置數(shù)據(jù)維度和挖掘深度來對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行充分的整理，將數(shù)據(jù)提升為信息;再將信息提升為知識，使得宏觀模型的建立過程更智能、更科學(xué)、更快捷。

②運(yùn)用人工智能的方法，在管網(wǎng)工況系統(tǒng)數(shù)據(jù)發(fā)生較大變化時，進(jìn)行智能分析處理，自動調(diào)整系統(tǒng)的狀態(tài)與各項參數(shù)，加強(qiáng)宏觀模型的自適應(yīng)能力。

5 結(jié)束語

通過完全自動的管理，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、過濾、加工、整理、報送和展現(xiàn)整個過程的自動化、智能化，確保了整個數(shù)據(jù)收集、處理過程的及時性、準(zhǔn)確性。利用對象-關(guān)系數(shù)據(jù)庫保存大量長期歷史數(shù)據(jù)，為供水調(diào)度長期數(shù)據(jù)分析提供了豐富的數(shù)據(jù)源;集成了智能化的水力模型系統(tǒng)，使得大量的供水調(diào)度歷史信息能夠有效地轉(zhuǎn)化為企業(yè)知識資產(chǎn)。

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