水利樞紐綜合運行管理系統的設計與關鍵技術研究

張 煦,肖曉春,吳志明,連雪廣,鄧小剛

(北京中水科水電科技開發有限公司,北京 100038)

水利樞紐綜合運行管理系統的設計與關鍵技術研究

張 煦,肖曉春,吳志明,連雪廣,鄧小剛

(北京中水科水電科技開發有限公司,北京 100038)

根據我國水利樞紐工程運行管理需要,提出水利樞紐綜合運行管理系統的設計方案,論述了平臺體系架構、硬件架構和功能布局,并對系統特點、關鍵技術進行了研究和總結,對系統應用進行了展望。

水利樞紐;運行管理;信息系統;數據分析;iP9000

0 引言

近年來,我國水利建設進度持續加快,2014年5月,國務院常務會議要求,2020年前,建設172項重大水利工程,其中大量工程為樞紐性工程。在加快建設的同時,水利樞紐運行管理逐步成為水利行業下一步面臨的重要課題。本文重點針對水利樞紐綜合信息化建設和管理中存在的問題,以提高各系統數據共享程度,實現對數據融合、綜合利用和深度挖掘為目的,開展水利樞紐綜合運行管理系統的關鍵技術研究,研究內容包括平臺的設計思路、軟件框架、網絡布局等。

1 水利樞紐信息化業務現狀

相比以發電為主業的水電站,水利管理單位負責運行的綜合性水利樞紐兼具防洪、蓄水、輸水、發電、航運、水政監督等管理職能。以蚌埠閘樞紐為例,從功能需求來看,信息化建設包含電站計算機監控、閘門計算機監控、船閘計算機監控、工程安全監測、氣象水文測報、河道廣播告警、視頻監控、區域安防(電子圍欄等)監控、工程資料管理、日常辦公、遠程會商等若干功能。一些引調水工程樞紐,還可能包含綜合展示、水量調度、水質監測等功能需求。

以往綜合性水利樞紐的信息系統建設,往往按照專業,單獨開展建設。這種信息系統建設模式盡管一定程度滿足了專業管理的要求,但系統數據共享困難,功能相互獨立,協調性差,不利于信息資源的整合和開發利用,對綜合決策管理的支撐作用不足。同時,由于缺乏統一規劃,服務器、存儲設備等資源無法共享,資源利用率低下,建設和維護投資成本高。

2 綜合運行管理系統的設計思路

基于上述現狀,新一輪的樞紐工程信息系統建設應盡可能結合數據倉庫、云服務等技術,進行統一規劃,采用一體化的技術平臺框架,在規范數據庫標準和接口標準的基礎上,各子系統按專業管理需要進行設計開發。對于改擴建系統,可考慮建立統一的數據中心和統一的展示平臺,采用多種方式逐步接入子系統?？傊?綜合運行管理系統按照“一個數據中心、一個系統平臺、一個系統架構”進行總體設計,實現數據共享和功能協調,同時滿足管理者綜合決策、日常業務管理和專業監測監控任務。

按照上述思路,北京中水科水電科技開發有限公司水利樞紐綜合運行管理系統設計遵循下述原則:①針對不同的業務,統一規劃網絡和存儲設備資源,優先確定數據模型結構;②采用面向服務的體系架構,對各業務涉及的信息安全、用戶管理等應用支撐進行統一提煉和開發,按照服務組件的要求配置各項業務應用,并按照業務的耦合性分步實施;③按照安全管理的要求分層分區布置不同業務模塊,在最外層設置數據中心,協調和匯集數據;④保持系統的開放性和兼用性,以利業務功能的擴展,各類應用人機界面風格應有一致性;⑤結合大數據分析等技術,深度利用數據資源,提供支撐決策的數據產品。

3 平臺體系架構

按照水利樞紐管理特點,水利樞紐綜合運行管理系統以中水科技IP9000平臺為基礎進行設計開發,采用面向服務的SOA體系架構,綜合數據分析、決策支撐、調度會商、綜合展示方面的需求完成框架設計,突出數據服務的特點,具有很強的適應性和靈活性。平臺通過ESB(企業服務總線),利用一致的可共享的數據模型,按照多層技術體系設計,對各應用進行集成,實現智慧平臺各應用能夠在企業內協同工作。平臺業務邏輯架構如圖1所示,分為運行采集層、基礎設施層、數據資源層、應用支撐層、業務應用層、服務展示層。

圖1 平臺業務邏輯架構

運行采集層。即系統基礎數據來源,包括各類現地采集設備,如MCU控制終端、閘門開度監測、視頻攝像頭等,站控級以下的計算機監控系統、水雨情系統、水質監測系統作為平臺數據來源,也整體納入?；A設施層提供包括服務器、存儲設備、基礎網絡設施、操作系統、數據庫管理系統在內的各種基礎軟硬件設施,提供系統開發與運行的基礎環境。數據資源層對系統所有類型數據進行集中存儲與管理,為上層應用提供數據的存儲、訪問、備份等服務,根據服務要求,系統數據庫由GIS數據庫、業務數據庫、BI數據庫、系統管理數據庫構成。應用支撐層集成了基礎平臺所需的通用服務,為各類業務應用提供數據交換、統一身份認證、用戶管理、地圖服務、消息服務、日志服務、報表服務等基礎支撐服務,保證應用的可擴展性。業務應用層集成了工程相關的各類應用系統,主要由業務應用、辦公應用、移動應用和綜合應用4部分組成。業務應用包括計算機監控實時發布、水情水調、洪水預報調度、水質監測、視頻分析等;辦公應用包括公文、財務、人力、任務等管理應用;綜合應用包括綜合決策、培訓仿真、會商管理等;移動應用包括消息查看、資料查詢、巡檢記錄等功能。綜合展示層以工程區域大數據可視化系統、二三維GIS沙盤、工程三維模型為載體,為用戶提供良好的系統功能展現,支撐樞紐管理綜合決策。

按照應用要求,運行采集層采用IP9000/H9000系統功能模塊,即開發基于C或C++語言,實時性、安全性、可靠性好。業務應用層、綜合展示層,考慮到業務的復雜性、多樣性及以后程序的可靠性、互用性、可擴展性等方面因素,采用使用Java成熟的JSF+SPRING+HIBERNATE框架進行開發。

4 硬件架構與功能布局

對于有水力發電設施的水利樞紐,其電力生產相關系統部署,須按國家電力系統二次安全防護有關規定執行,劃分為3個安全區。

對于其他水利樞紐,雖不嚴格執行電力系統安全防護規定,但也需建立不同等級的網絡區域,并綜合考慮實時性、安全性、共享性等各方面要求,合理對功能模塊進行分類,確定其硬件、網絡部署要求,以及功能之間的數據共享要求。一般劃分為生產控制區、生產信息區、綜合業務區、公網信息區。各區功能部署如圖2所示。

圖2 系統硬件架構與功能布局

生產控制區部署安全等級要求最高的計算機監控系統。

生產信息區部署各類監測系統及安防、視頻監視系統,接收生產控制區通過防火墻傳送的監控系統數據,提供生產信息分析、生產報表制作和自動化調度高級應用等。

綜合業務區接收生產控制區、生產信息區數據,納入工程數據中心集中管理。工程數據中心是綜合管理的基礎和核心,根據樞紐管理決策需求和數據間邏輯關系,將分屬不同專業、源自不同運行采集單元、結構各異的數據進行結構重組。在此基礎上,對采集數據進行深度挖掘,智能地從數據中提取有價值的信息,滿足決策分析與信息展示需求。

公共信息區是將綜合業務區安全性、保密性要求適宜的業務和數據,基于互聯網進行發布和組織,提供PC端或移動終端訪問服務。

5 系統功能特點

(1)基于“一張圖”的業務門戶。系統從數據中心獲取各類監控監測信息,通過數據分析、數據處理、數據共享和空間計算功能,將工程布局、基本信息、實時運行統計信息、實時水雨工情、水質監測、視頻點位和重點工程三維模型等,發布在統一的GIS地圖上,形成“一張基礎圖”的多源數據集成,為用戶提供基于地圖的業務門戶和概要信息查詢界面。

(2)業務信息與視頻信息的同頁面展示。在計算機監控系統Web發布頁面、重要水文水質站點頁面,嵌入視頻廠商提供的視頻Web控件,當查看設備或切換頁面時,向流媒體服務器發送請求,切換至與設備相對應的攝像頭信號,業務信息與視頻信號在同一頁面展示,為用戶提供更加多源、可信的信息服務。

圖3 業務信息與視頻信息的同頁面展示

(3)可配置的綜合展示系統。依據實際展示需求,在智能平臺上可將文字、圖片、圖表、電子地圖、自動化監控信息、水雨情監測信息、視頻監控畫面、衛星云圖等各種信息通過配置化操作,生成適用于移動終端、PC、監控大屏等不同屏幕的綜合展示信息。

(4)微信與Web APP相結合的移動應用功能。利用微信與Web APP各自特點,提供結構清晰、功能實用的業務界面。其中,微信提供概要信息查詢、消息推送、智能應答、運行簡報推送等功能;Web APP提供更加詳細的查詢統計信息,以及更豐富的圖、文、地圖、多媒體展示功能。微信作為移動端業務唯一入口,用戶權限、微信賬號、手機號碼相關聯,具有用戶認證、權限管理便捷的特點,而業務邏輯、應用數據均由企業端控制,保障了信息的安全性。

(5)豐富多樣的數據分析展示功能。針對樞紐工程綜合決策管理需要,提供靈活的統計分析模塊,結合數據多維分析技術、空間分析等技術,實現適用不同業務的各類專題圖功能,包括單值專題圖、范圍分段專題圖、統計專題圖、空間專題圖等。通過地圖服務聚合,通過地圖整合統計表格、統計圖、專題報告等各類資料,并可實現統計表格、統計圖、專題圖3種表現形式的任意切換。

(6)基于安全分區的IT設備運維管理。水利樞紐綜合運行管理系統功能龐雜,需要相應規模的網絡、計算、存儲硬件環境和應用支撐軟件,運行管理任務繁重,對有限的維護人員提出了極高的要求。針對這一情況,在生產控制區、生產信息區、綜合業務區分別部署IT設備采集設備,將采集到的IT設備信息統一匯總至綜合業務區進行數據分析,實現逐級及網絡設備管理、數據庫監控、應用系統故障管理、設備故障管理、設備日志管理等功能。

6 關鍵技術研究

水利樞紐綜合運行管理系統涉及數據采集、數據存儲、系統集成、大數據分析、地理信息、數據可視化以及各水利專業應用的前沿技術,本文僅根據作者本人研究方向對多維數據分析、GIS二三維一體化技術等2項技術進行論述。

(1)多維數據分析技術。將水利樞紐綜合運行管理中的高層決策分析需求和重要分析事項(如:發電機組健康狀況、工程安全評價、人才技術結構等),作為數據分析主題,抽取與主題相關的特征數據進行集成化處理,建立數據立方體,采用多數據分析中的OLAP(Online Analytical Processing,即聯機分析處理技術),對分析主題進行鉆取、切片、旋轉等分析操作,將數據轉換為輔助決策的知識。以此為基礎,形成各類專題圖,為用戶提供決策分析依據。

以機組健康狀況診斷主題為例,抽取機組序號、振擺幅度、軸瓦溫度(為便于論述簡化為三維,實際有很多維度),以一段時間內出現特殊值的日期進行統計,分別劃分子集(如振擺幅度可劃分為:最高振擺幅度50μm以下的日期、最高振擺幅度50～70μm的日期、最高振幅70μm以上的日期等),并對各類數據進行統計和集成,建立數據立方體。如圖5。

圖5 機組非優良狀態運行數據立方體

通過不同維度的組合,并旋轉維度位置(如圖6),可以從不同角度觀察數據,進行更加詳細的數據分析。實際應用中,可選取更多維度,基于日常非故障數據的綜合統計分析,對機組健康狀況的判斷,指導檢修維護工作。

圖6

(2)GIS二三維一體化技術。為更好的體現樞紐工程流域、區域范圍內的地形、水文特征,更加形象直觀的展現水利工程特點,對國內主流GIS平臺軟件二三維一體化技術進行了研究,并應用樞紐綜合管理系統實現。

GIS二三維一體化平臺,在二維GIS方面,采用了標準的OGC服務協議,提供標準的網絡地圖服務(WMS)、網絡切片地圖服務(WMTS)、網絡空間處理服務(WPS);三維地圖服務方面,由于目前國內外還尚未形成標準,因此采用商業GIS軟件自定義的三維REST服務。GIS二三維一體化技術,同時具備二維GIS軟件的實用性和三維GIS軟件的表現力,體現在:

1)二維與三維在數據模型和數據結構上保持一體化。通過對二維數據結構進行調整,使三維GIS兼容二維的數據結構,所有的二維數據無需任何轉換處理,可直接將經緯度數據加載到三維球面上顯示。

2)二維三維分析一體化,所有的二維GIS分析和處理功能,均可以在三維場景中直接操作和使用,突破了單純的三維可視化軟件無法深度應用的瓶頸。

3)三維顯示/服務發布一體化,通過LOD技術,可將中水科技OTS2000仿真系統中的三維精細模型,轉換發布至GIS平臺,應用流暢。

圖7中,河道口表現上運用了GIS二三維一體化技術,二維GIS對于河流水系、道路、水文站點的位置關系表現更簡潔、清晰,三維GIS對于地形地貌、流速流向的展示更加真實。

圖7 GIS二三維一體化

7 結語

本系統是在統一設計的基礎上,將水利樞紐綜合運行管理涉及的各類應用及數據資源進行集成,針對高層綜合應用的需求,對業務進行重新規劃、梳理,通過資源協調、數據共享、數據挖掘等手段,提供功能完整、應用便捷、服務智能、展示度高的應用平臺,滿足用戶更高的使用要求。

中水科技水利樞紐綜合運行管理系統已在淮河蚌埠閘水利樞紐工程等項目應用,取得了良好的應用效果,運行穩定可靠,得到用戶的肯定。當然,由于系統涉及專業領域較多,各項應用需逐步完善和協調,仍需要通過進一步開發和應用的累積使其逐步成為通用、開放、兼容的系統產品。隨著系統的不斷完善和我國水利建設的持續推進,該系統必將廣泛服務于水利樞紐的運行管理。

TP311

B

1672-5387(2017)07-0052-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.07.017

2017-04-27

張 煦(1982-),男,高級工程師,從事水利信息化、自動化技術研究工作。