基于GIS和SCADA集成的智慧供水在線監測系統的設計

蘇志剛，周 文，李進強

(1.山東省地理信息系統工程技術研究中心，山東濟南250101;2.山東正元地理信息工程有限責任公司，山東濟南250101)

一、引 言

目前，我國城市的供水管網設施錯綜復雜，涉及人口和覆蓋面積龐大，存在檢測結果嚴重滯后，遠程監控操作困難，無法完整再現水質、流量、壓力等指標的時空連續動態變化的問題，嚴重降低了城市供水的質量。而管網老化現象嚴重、安全系數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。

在我國的供水行業中，GIS和SCADA軟件的應用都比較成熟，但在很多實際供水系統管理應用中，GIS和SCADA軟件基本都是作為單獨的軟件平臺參與供水管理，無法發揮兩者功能互補的優勢。隨著供水管理對信息化水平要求的提高，結合GIS靜態數據和SCADA動態數據的管理平臺成為供水管理軟件平臺發展的趨勢，如何有效地將兩種數據相融合，通過GIS技術和SCADA技術的功能互補更加有效地提高供水管理系統的信息化水平是關鍵。結合實際應用，本文探討了如何通過GIS和SCADA系統技術的集成實現對供水管網的在線監測。該研究對結合GIS和SCADA技術進行供水管理系統開發有一定的參考意義。

二、概 述

供水管網(supervisory control and data acquisition，SCADA)系統，即數據采集與監視控制系統，是以計算機為基礎的生產過程控制與調度自動化系統［1］。它的主要功能是對供水的運行設備進行實時的監控，該系統具備對供水裝備實時數據采集、各種參數測量和調節、設備控制和設備運行狀態預警等功能。作為供水管網實時監控的基本手段，它主要通過實時提供供水設備的壓力、流量狀態等信息實現對供水設備運行情況的實時監管。該系統是基于地理信息系統開發實現的，通過GIS技術，將管網空間分布信息、空間拓撲結構及關系集成為一個一體化的計算機管理系統，實現了供水管網的信息化管理。該系統支持靜態信息管理、動態數據更新，能夠為用戶輸出必要的圖、表等數據［2］。

GIS和SCADA系統的功能互補性是對這兩種系統進行集成的主要原因。通過這兩種系統數據的交互，可以實現業務數據和地圖數據的一體化管理，為供水調度等決策提供更準確的信息支持，有效提高管理效率及科學管理水平。

三、供水管網SACDA和GIS系統的集成

1.供水管網SACDA和GIS系統集成目的

城市供水管網GIS和SCADA系統的功能各有特點，將這兩個系統進行集成，能夠實現二者的優勢互補，具體體現在［3］:

1)管網GIS能夠向SCADA系統提供地理空間信息及空間表達手段，SCADA系統能夠向GIS系統提供管網設備運行的實時業務數據。結合兩者的功能，可以實現數據的實時更新及管理，并且通過GIS數據強大的地理信息管理、表達手段，使信息管理更加高效、科學。

2)SCADA系統提供的實時監測數據與管網GIS提供的空間地理信息，能夠準確掌握管網中各設備的分布及運行情況。

3)集成后的系統可以實現數據交換和共享，大大減少單獨運行過程中數據傳輸和維護的工作量，保證了數據的完整性、一致性、可靠性。

2.供水管網SACDA和GIS系統集成原則

系統集成原則［4］即是做到GIS系統與SCADA系統底層數據設計一體化、功能分布一體化和界面一體化。集成后的系統要保證SCADA平臺和GIS平臺相對獨立運行，分別建立3個數據庫:實時數據庫、歷史數據庫和空間數據庫，并保證其唯一性。系統客戶端圖形界面及管理基于GIS平臺開發實現。結合GIS與SCADA系統的一體化設計可以實現空間地理信息和實時業務信息的無縫連接，充分應用兩者的各自優點，可以使供水管網管理系統的信息化水平更高，極大地提高系統的管理效率及系統的性價比。系統集成原則的科學性主要體現在如下兩個方面:

1)保證SCADA與GIS系統的相對獨立能夠有效地保證這兩個系統安全、穩定、可靠和高效的運行。

2)數據信息的一體化管理與使用，是系統無縫連接的主要目標。供水管網系統的人機交互界面、數據可視化管理與分析都通過GIS平臺開發實現。SCADA作為實時業務數據接收及管理的主要支撐平臺，為GIS系統實時提供數據。首先，SCADA主接線由GIS生成，網絡結構的變動與GIS同步;其次，GIS系統通過標準數據庫接口，使用TCP報文方式從SCADA系統中讀取實時業務數據，通過ODBC從關系數據庫中讀取歷史業務數據，利用兩個系統的通信連接，在GIS系統上實時顯示SCADA系統提供的數據(包括高級應用軟件計算的結果)，實現供水網實時監控和管理。

3.供水管網SACDA和GIS系統集成方式

目前，管網GIS與SCADA系統集成的主要方式包括以下 3 種［4－6］:

1)在SCADA系統中集成 GIS的功能。在SCADA系統中加載GIS數據，在充分發揮SCADA處理事件高速、可靠等特點的同時，利用GIS可視化管理及分析的手段，使數據管理更加科學。但是由于管網GIS具有海量數據和復雜圖形顯示的應用需求，因此，SCADA系統必須為其提供一個強大的地理數據顯示環境，從而增加了系統運行的負擔。

2)在GIS中集成SCADA系統的功能。這種集成方式主要通過數據共享方式實現，即兩個系統相互獨立運行，系統之間通過數據共享建立連接。這種方式保證了每個系統的運行穩定性、可靠性，開發成本較低，但系統時效性受數據共享過程中數據庫傳輸和交換速率的影響較大。

3)在GIS和SCADA系統的基礎上構建集成平臺。與上述兩種簡單的數據集成方式相比，通過開發一個獨立的平臺將兩個系統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計就將GIS和SCADA數據的管理及共享考慮進去，旨在開發一個同時具備GIS和SCADA系統功能的集成系統，但這種集成方式需要從底層開發，增加了系統開發的成本及風險。

本文出于實際條件及應用的考慮，結合我國大多數城市現有供水管網系統的應用現狀，采用第二種集成方式，實現了GIS和SCADA系統的集成。基于GIS開發用戶界面，通過數據共享連接，SCADA系統為GIS系統提供實時業務數據。GIS系統通過其特有的可視化及其他管理分析手段，實現供水管網運行數據的實時動態顯示和監控。系統開發采用C/S、B/S雙重結構，供水調度中心只需通過瀏覽器就可以實時監控管網內設備的地理空間及業務信息，為部門之間的協同工作提供了一個統一的監控平臺。

4.供水管網SACDA和GIS系統集成模型

該供水管網GIS和SCADA系統的集成，主要依靠數據庫復制鏈接技術來實現。為了保證管網GIS和SCADA系統各自原有的性能，GIS數據庫和SCADA系統實時數據庫在物理上相互獨立，他們之間的邏輯關系通過數據表鏈接來實現關聯。首先，在GIS數據庫中建立唯一索引使其與其他數據表相關聯;當SCADA系統采用到實時數據時，SCADA實時數據庫利用數據庫復制技術將更新的數據復制到GIS的實時數據庫中，包括數據標識、獲取數據的時間和實時數據的值;最后，在 GIS中對獲取的SCADA系統實時數據進行解析，分析出實時數據的表征意義，并加以顯示［7］。

可以看出，管網GIS數據庫與SCADA系統數據庫之間通過建立數據庫鏈接實現了邏輯上的一體化。數據庫鏈接保證GIS和SCADA系統以“緊密耦合”的方式運行，提高了二者的一體化程度，優化了集成系統的性能。整個系統集成方案如圖1所示。

圖1 供水管網GIS和SCADA系統集成模型

5.供水管網SACDA和GIS系統集成關鍵技術

(1)GIS與SCADA的集成

實現GIS與SCADA無縫集成，是利用GIS實現遠程設備監視的一個關鍵技術，是GIS獲得實時設備信息的前提。GIS與SCADA的集成方式一般有界面的集成、數據的集成和應用的集成。為了更好地在功能層次上實現GIS與SCADA互補，推薦采用GIS與 SCADA的數據集成。在此基礎上，通過SCADA的實時數據采集和監控能力，采集、監控動態數據，負責存儲、更新動態屬性數據等問題;利用GIS的數據管理功能進行靜態屬性數據的采集、存儲，進而提供查詢分析預測算法等。

(2)監視指標數據和實時采集技術

SCADA系統中采集的實時數據存儲樣式多樣化，而且絕大多數存儲在SCADA系統數據庫中的數據組織方式并不一定符合設備監視需要的數據組織結構;SCADA系統設備一般是分散在各生產單位，如分布的各個供水廠。因此，為了更好地實現設備遠程監視，需要將各個SCADA系統中的數據庫采集到一個統一的SCADA系統數據庫中。在實時采集監視指標數據過程中，應運用先進的網絡技術保證采集數據的準確性、靈活性與實時性;同時還應采用先進的數據庫技術確保數據的安全性。

(3)數據處理技術

供水設備遠程監視的最終目標是及時發現供水處理生產過程中的設備隱患，分析隱患原因，從而保證生產的安全性。因此，對數據作適當的篩選、分類、統計等處理，以實現設備運行時態監視、采集指標過程線監視及設備預警監視。因此，數據處理也是實現基于GIS與SCADA集成的遠程設備監視的關鍵技術之一，可以利用GIS的分析功能，允許工作人員在監視設備運行狀態的同時查看某些統計信息，通過比較分析監測指標的歷史數據，或可視化表現不同指標在同一時間的差異，為管理人員的決策工作提供支持。同時，還應采用數據抽取和校驗技術，通過增加數據甄別來提高數據提取正確性和高效性并維護數據集成。

四、供水管網SACDA和GIS系統集成體系結構

系統后臺邏輯上一體化的數據庫是供水管網SACDA和GIS系統集成體系的底層架構，集成系統議從下位機系統通過PROFIBUS—DP通信協議實時獲取管網流量、水質和壓力參數信息，并更新到SCADA實時數據庫;同時將獲取的數據復制、傳輸到管網GIS數據庫，GIS系統通過 ArcObject、ADO和ArcSDE訪問所有的數據庫，完成相應的功能。管網GIS和SCADA系統集成的體系結構如圖2所示。

圖2 供水管網SACDA和GIS系統結構

五、系統功能設計

系統的總體功能模塊如圖3所示。

圖3 系統功能結構

1.地圖管理

地圖管理模塊是該系統的基本功能模塊，除了實現對地圖基本操作、鷹眼圖顯示、圖層控制外，該模塊還實現了地圖背景色設置、管網標注、地圖符號配置等功能。系統支持管線數據和現狀數據底圖矢量數據與影像數據的空間疊加顯示，并可根據需求定義地圖加載顯示比例尺、標注和符號化等信息。可以方便地從服務器提取部分數據并進行數據轉換，具有供水管網空間數據庫的自動備份和恢復功能。

2.管網編輯

管網數據編輯不僅能夠對系統中的數據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則檢查新增記錄或修改記錄的合法性。系統提供豐富的數據入庫工具，支持多種數據格式的空間數據和非空間數據的入庫，并提供管網局部和全部數據更新支持。入庫數據必須經過嚴格的數據監理系統，空間和屬性合格后方可入庫，從而保證管網數據的質量，并能出具相關的監理報告供工作人員參照修改數據。

3.查詢分析

查詢模塊包括地圖查詢、設備查詢等，分析模塊包括連通性分析、管閥分析、流向分析等功能操作。可根據輸入的查詢分析條件，統計、匯總從數據表中整理出的相關記錄，然后以報表和圖形的形式顯示或打印。系統提供行政區、特征點、單位、圖幅、自定義范圍等多種查詢統計方式，可進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，以及導出查詢和統計的相關報告和圖表。如圖4所示。

圖4 供水管線的查詢和關閥分析

4.SCADA監控

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的歷史和即時數據內容實時顯示，從而可以直觀地在地圖上查看SCADA數據的實時變化。并可結合預測分析模塊，根據歷史數據推測并顯示趨勢曲線，可詳細地顯示泵站或水廠的動態數據變化趨勢，為系統的正常運行提供保障。如圖5所示。

圖5 供水監測實時曲線

5.爆管監察

通過監察分析模塊，結合SCADA實時檢測數據，一旦從SCADA獲取的監測值在某個時間段內變化范圍超過參數設置的容限，系統會自動報警，可以在地圖上高亮顯示有爆管或嚴重漏水的區域，結合本系統的關閥分析，統計顯示需要關閉對應的閥門列表，找到受影響的用戶，為及時并準確地實現爆管通知和搶修贏得時間。本系統同樣也可以根據SCADA實時數據和歷史數據分析得出可能將發生爆管的區域，如圖6所示。

6.系統管理

系統管理功能主要是設置服務器的參數、登錄的權限限制，同時建立日志管理和數據備份與恢復等管理功能。

六、結束語

基于GIS及SCADA集成的智慧供水管網在線監測系統不僅增加了目前供水管網系統輔助決策的理論基礎，也提高了供水檢測信息的質量。縱觀整個系統，它使城市供水系統管理工作向現代化、科學化邁進了一大步，增加了供水管網運行的安全性，大大提高了工作效率，并提高了調度水平，切實地提高了供水企業的經濟利益，使供水企業的生產費用下降。同時促進了生態建設，保障了居民用水安全，具有良好的應用的前景。

圖6 爆管分析

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