SCADA結合GIS平臺在城市地下管線信息系統中的應用

游建泳，戴黎明，吳 斌

(廈門精圖信息技術股份有限公司，福建廈門361008)

一、引 言

近年來城市地下管線信息化管理腳步越來越快，以地理信息技術為核心、以各類城市地下管線空間數據為支撐的城市地下管網地理信息系統在地下管線的規劃、設計、施工和管理工作中發揮著重大的作用。一個成熟的地下管網地理信息系統能夠利用現代網絡技術，以系統資源數據庫為基礎，以地理信息系統、數據分析系統、監視控制系統為手段，對可能出現的事故進行預警，迅速執行已制定的預警方案以限制事故突發的可能性，或利用GIS系統來發現事故突發地點，為應急搶修提供各種有效數據，使應急計劃者能在最短時間內進入應急狀態、到達事故位置，將事故的影響范圍和經濟損失控制在最小范圍內。

城市下管線種類繁多、分布廣、數量龐大，涉及許多管線權屬單位。為了有效提高城市管網系統在突發事件時的應急監測和處理的應變能力，必須提高相關信息的收集、處理、分析和發布工作，在對輸配管網和設施的實時數據的監測上，許多管線權屬單位都紛紛引入、定制與自身管線相關的數據采集與監視控制系統(SCADA)，以滿足對管網設施的實時監控、事故預警等應急業務需求。本文將技術角度上，從GIS平臺和SCADA系統的應用集成上，討論如何在城市綜合管網平臺上將各類管線的實時監測信息與管網空間位置信息相結合，直觀表達管網運行情況，為管網調度、管理人員提供準確的地理和管網運行數據信息，完成在應急事故前的合理調度，以提高相關管理部門的管理水平和工作效率。

二、GIS結合SCADA的理論應用研究

1.GIS系統與SCADA系統概況

地理信息系統(GIS)是一種對空間中的有關地理分布數據進行采集、儲存、管理、運算、分析、顯示和描述的空間信息系統，GIS用戶通過部署一個集中式的GIS服務器，以實現Internet的用戶之間發布和共享地理信息。城市地下管線管理信息系統是GIS軟件為支持平臺的應用型技術系統。它以電子地圖為基礎空間數據、以空間信息數據和屬性信息數據為資源，通過地下管線信息和城市基礎空間信息的聯合查詢、統計和分析，從而為城市建設的規劃、管理提供技術決策支持。

數據采集與監視控制系統(SCADA)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。它可以對現場的運行設備進行監視和控制，以實現數據采集、設備控制、測量、參數調節及各類信號報警等各項功能，有著信息完整、提高效率、正確掌握系統運行狀態、加快決策、能幫助快速診斷出系統故障狀態等優勢，現已成為各類管網調度不可缺少的工具。

2.GIS數據與SCADA數據交互的可行性

實現GIS系統與SCADA系統的集成，在于實現兩個平臺數據間的交互和共享。GIS系統和SCADA系統平臺間是相互獨立的，首先要解決兩個平臺間數據庫、數據結構、數據格式不統一的問題，以實現GIS系統的地理空間數據庫和SCADA的實時監測數據庫兩個數據庫間的數據可以自由讀取，進而實現設備的實時運行數據與圖形數據的集成應用。

在GIS數據庫中，綜合管網的各類管線數據是分層存儲的，各圖層具有自身對應的屬性表，其中包含了詳細的地下管線地理信息數據，如管網節點(閥門、消防栓、變電站、接線箱等)的空間位置和設施屬性數據等。為了達到與SCADA系統數據的交互，可在GIS數據庫中為不同管類添加相對應的動態圖層，根據各管類自身SCADA系統數據的屬性結構來設置GIS動態圖層的屬性結構，以便能在GIS數據庫中存儲相關的監控設施所采集的實時動態數據。在動態圖層的支撐下，GIS系統按一定的時間周期讀取SCADA系統數據庫中所對應的實時監控信息，并實時更新GIS數據庫中動態圖層的屬性。最后，通過GIS系統平臺的功能設計、編程開發，實現SCADA數據和GIS數據在GIS平臺上的綜合應用、數據展示。

3.GIS系統結合SCADA系統的設計思路

GIS系統建成后，能將地下管線信息以數字的形式進行獲取、存儲、管理、分析、查詢、輸出、更新，建立公共數據交換服務平臺，實現地下管線數據的動態管理;在結合SCADA數據的基礎上，通過調取SCADA系統所提供的實時數據，實現實時數據在地圖上的動態顯示，能為城市地下管線應急、防災減災工作等提供全面的管網地理信息數據和現場實時監測數據，為管網事故的應急調度和管理提供決策支持。如在GIS系統的地圖中，可通過查詢定位到某供水管道，并查看該管道上的實時水流量、水壓等監測數據，并可對超過警戒水壓值的管道執行高亮顯示，為管網預警提供技術上的可行性。

三、GIS系統結合SCADA系統的應用設計

目前，SCADA系統被廣泛應用于電力、供水、工業等領域的管網數據采集、監視控制的工作。在電力系統中，SCADA系統應用最為廣泛。發電、變電、輸電等環節均包含著大量的實時數據信息，而電力管網中也包含著龐大數量的電力設施、管道，通過GIS技術來管理其空間數據，并將電力管網的空間性與其自動化管理中的實時監測數據集成在一起，將為電力企業在管網的管理、規劃和應急處理上提供一個高效的、先進的技術手段。以下從電力管線的實際軟件應用上探討GIS與SCADA的集成應用:

1.電力管網動態監測

配電管網規模龐大，涵蓋的配電設備眾多且分布的區域范圍較廣。在GIS數據庫中為管網點、線圖層或單獨的配電設施監測圖層設置與SCADA系統數據映射的屬性結構，GIS系統再按一定的周期時間讀取SCADA系統數據庫發來的動態監測數據，并將監測數據在GIS系統地圖中作可視化處理，通過配電設施符號變化、著色變化、標注文字動態變化等手段實時反映管網運行狀態。

2.管網查詢統計

針對管網配電設施，提供空間位置、管網屬性、SCADA監測屬性相結合的組合查詢、統計功能，統計結果并提供直方圖、餅圖、曲線圖等多種形式顯示。

3.預警定位、發布

通過對SCADA系統中讀取的監測數據進行預判，或對管網設施老化年限的預警等，對可能發生的故障位置，GIS系統地圖將自動定位到該區域，閃爍報警并導出監測數據信息和當前地圖信息。

4.故障定位、分析

當接到故障反應，可通過系統查詢功能快速定位到故障區域，查看故障周邊配電管網敷設情況、SCADA歷史數據監測記錄，為故障排查和維修提供決策支持;并且，在GIS系統上可直觀查看、分析故障位置周邊環境，對故障可能造成的損失、影響范圍有所預判。

當需要進行管網維護時，也可在系統中模擬“故障”情況，通過GIS數據和SCADA數據的分析、判斷，得到“故障”可能產生的影響范圍(如停電用戶數等)，為事前信息發布、調度管理提供信息支撐。

5.設備設施管理

通過擴充GIS系統中的屬性數據，將編輯、版本管理功能與配電管網設施的維修、管網改建、人員調遣記錄等業務數據相結合，為設備設施的歷史記錄管理提供依據。

四、實用案例

在漳州招商局經濟技術開發區綜合管線管理信息系統的建設中，將電力、供水系統中的SCADA監控數據與GIS系統相結合，通過監控圖顯示、表格實時數據展示等手段，在綜合管線系統上為管線權屬單位在管網綜合調度、實時信息獲取上提供了有效的技術支撐。該SCADA數據應用模塊也獲得電力、水務等單位的一致好評，并在業主單位的積極推動下，對SCADA與GIS的結合應用作更進一步拓展、深化。以下從技術設計角度，對該項目中的SCADA數據應用模塊做簡要說明:

1.GIS地圖獲取實時監測數據

通過將電力的變電站、開閉所和供水的凈水廠監控等SCADA系統監控圖發布為GIS地圖服務，在GIS動態圖層上根據監控圖中監控數據位置創建點，并將監控數據存儲于該點的屬性上;再以一定的周期時間讀取SCADA系統傳遞來的監控數據更新于動態圖層對應點的屬性上，并標注在地圖中;最后通過GIS地圖刷新，實現SCADA監控數據在GIS地圖上的動態顯示。如圖1所示。

圖1

2.GIS地圖服務與SCADA數據映射

通過為GIS空間數據與SCADA監控圖制定索引查找關系，系統用戶在GIS管線系統中，通過查詢定位找到所要查看的監控點，并可調取該監控點對應的監控圖服務顯示于地圖窗口中。在顯示的監控圖中，除動態顯示監控數據外，系統用戶還可通過選擇監控圖中具體的監控點，調取下一層的監控圖顯示。如在顯示的變電站監控圖中，通過選取某段線路，調取該線路映射的另一幅監控圖，以查看其詳細的電壓、電流等具體監控屬性數據。

五、結束語

本文主要從地理信息系統平臺上，通過與SCADA數據的集成，探索城市地下管線信息系統的預警、應急、綜合管理功能建設。GIS管網模型結合SCADA監測數據的實時性、可靠性，將大大提高管網綜合管理、安全運行和調度處理能力，也可為城市地下管線的規劃、管理和各類服務工作提供有力的數據支撐。

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