南水北調配套工程自動化數據采集、交換及展示

□劉豪祎（河南省南水北調中線工程建設管理局）

1 概述

南水北調中線工程是解決京津華北地區缺水的根本措施，是保證受水區經濟社會可持續發展、實現生態環境良性循環的重大基礎設施。河南省南水北調中線工程主要由總干渠主體工程、分水口門以下至城市水廠以前供水配套工程、城市水廠及管網工程三部分組成。河南省南水北調受水區供水配套工程上接總干渠，下連城市水廠，擔負著承上啟下的輸水任務，是南水北調工程在河南省發揮效益的關鍵。

河南省南水北調配套工程自動化調度與運行管理決策支持系統（以下簡稱自動化系統）是河南省南水北調配套工程建成后的調度運行管理系統，對配套工程的科學調度、高效運行和安全管理起著至關重要的作用。

工程建成后，將向河南省11個省轄市和32個縣（市）的城市水廠供水，極大改善河南省受水城市水資源緊缺狀況，為城市經濟社會可持續發展提供供水安全保障，對全省經濟社會發展特別是中原城市群的經濟發展發揮著重要作用，具有深遠的影響。

自動化系統包括建設綜合辦公支撐系統、通信傳輸系統、網絡數據存儲與安全管理、調度會商實體環境工程等。自動化系統利用現代通信、計算機、信息管理等技術，建成先進實用、安全可靠，集基礎性、全局性的水利信息資源存儲管理、共享與交換、發布、應用服務、托管、標準制訂、技術支持等功能為一體的水利數據中心，逐步形成標準、開放的水利信息信息化基礎設施體系和水利信息資源的服務窗口，建設資源共享平臺，全面提高水量調度等各項業務的處理能力，充分發揮工程效益。

文章主要從數據出發，重點介紹自動化系統的數據產生、數據組成、數據統一平臺的建立、數據交換、數據抽取和數據展示。抓住數據這條主線，分析整個自動化系統的“數據流”，配套工程自上而下將水源供給各個地市，沿著輸水管網自下而上產生的數據流匯聚、統計后促進著整個供水管網的運行。

2 自動化系統的數據組成

自動化系統的數據流，可以說就是收集各類系統生產運行時期產生的各種數據，在原有配套工程三級管理機構和空間地理位置以及各種管網、設備、元器件的相關設計參數、設備規格參數的基礎上,為了保證系統安全、高效、有序的運行而構成的一個數據流體。簡單的說，分為基礎數據和運行數據。

基礎數據主要就是在原有配套系統建設過程中的兩類數據：第一類是組織機構和對應的管理設施，水文建筑及他們之間的隸屬關系、空間位置關系；第二類是水文建筑內管線、泵閥、流量計等設備傳感器的特性參數和實際運行參數。

運行數據又可分為以下幾類：一是在已經完工的配套管網系統的基礎上，利用預先埋設在供水管線各類建筑物上的傳感器和監測設施，比如流量計、壓力計等，通過完善科學的自動化設備，采集狀態變量、業務變量和統計變量，這類數據也是運行數據的核心；二是視頻、安防監控系統，遠程會議系統，可以隨時獲得管理站點的視頻影像資料；三是通過與水利外網進行數據交換，獲得配套工程范圍內的水情、水質和相關水文信息；四是各地管理維護隊伍對配套供水管線建筑物的巡查，利用移動設備現場記錄的文字、表單、圖片和視頻音頻資料等；五是自動化系統本身的設備運行狀態和特性見圖1。

3 數據交換、數據抽取以及可視化的展示

通過自動化系統數據的組成，初步了解到自動化系統可以獲取到哪些原始數據，但是怎么樣采集、傳輸、存儲以及應用系統怎么樣利用這些數據做控制、統計、告警、預測和輸出報表，才是整個自動化系統運行的任務所在，為了達到這些目標，我們通過以下幾個步驟完成各應用系統之間的數據交換、數據抽取，以及各自的系統展示。

圖1 自動化數據分類圖

3.1 建立統一的系統集成數據平臺、數據編碼交換體系

上面提到，數據分為基礎數據和運行數據，基礎數據可以認為只有一套，但是能夠產生原始數據的系統有好幾個，比如水量調度系統、泵閥監控系統等，每個系統除了使用基礎數據，也需要使用運行數據。在全省11個管理處，43個管理所，以及143個現地管理房都有自動化設備，那么就需要有統一的編碼格式，有了統一的編碼格式，我們才能完整的表達出它與上下游管理房的位置關系，以及隸屬的管理所，管理處之間的關系。這樣我們才能夠清晰的獲取到特定管線上流量計的統計數據，計算管道輸水的損耗，從而預警和防范問題發生。因此，在整個配套設施管網建立統一的數據編碼格式。

圖2簡要描述了系統內部分組織機構，管理設施，水文建筑，以及下屬的設備，這樣諸如流量計的讀數，閥門的開度，我們都可以使用一個唯一性編碼來表達，方便各個應用系統之間的數據共享。同時，利用關系數據庫的特性，描述各級組織機構，管理設施和水文建筑、設備之間的隸屬關系及上下游關系，并形象的在GIS平臺上使用點、線圖例表達出來。

圖2 部分組織機構圖

3.2 各應用系統按照數據交換格式共享出自己系統獨有的數據到集成數據平臺

每個系統，都會產生特定的數據，這些數據需要依照第一步建立的編碼格式上傳到集成數據平臺，那么就需要建立完善的數據交換格式用來消除各應用系統之間的數據異構，每個系統可以選擇不同的交換通訊方式，可以是數據庫復制，可以是TCP/IP協議下的HTTP協議、Webservice協議、ETL方案等。

網絡層次分為控制專網和業務內網，依據政務網絡的慣例，兩個網絡之間需要通過網閘進行數據交換，以確保控制專網數據的安全性。網閘提供完全復制、增量同步、發送后刪除、發送后備份等多種同步策略，也支持oracle、Sql Server、DB2、Sybase等主流數據庫間的同種或異種數據庫同步，支持單向和雙向同步。

圖3簡要顯示了目前自動化系統元數據的來源，分別是從泵閥監控系統，視頻安防系統，和工程安全系統實時讀取的數據，以及通過水利外網定時交換的數據。

圖3 自動化系統元數據來源圖

3.3 各應用系統按照數據交換格式獲取自己系統需要的數據集

應用系統，可能需要從集成數據平臺抽取自己需要的數據，并進行統計，分析，然后通過第二步再將中間數據或結果數據傳送回平臺，這里是一個動態抽取和傳送的過程，也是所有應用系統與整個自動化系統數據交換和雜糅的過程。

對于一部分數據的統計路徑應該唯一，比如水量調度系統和綜合信息服務系統都需要計算和展示各節點的流量數據、損耗數據等，那么必須有一個特定的系統通過完善準確的模型計算這些數據，并共享這些數據。

圖4可以認為是各個系統從自動化數據平臺獲取自己想要的數據，包括基礎數據和其他系統產生的公共數據，然后和自己產生的實時數據共同組成系統的數據庫。

3.4 應用系統按照原有功能需求實現數據展示

每個應用系統都有自己展現層的側重點，泵閥控制、安全監測、視頻監控、視頻會議、綜合信息服務、決策會商等，各自系統通過數據平臺得到自己需要的數據，依照自身設計的功能特點，通過可視化，動態化，集中化，利用WEB界面、GIS平臺、智能關聯查詢等，完成整個自動化調度需要實現的目標。

圖4 各子系統與數據平臺實現數據交換圖

4 充分協作，數據共享，有機統一的展望

系統關于數據的處理，第一個階段是采集，整理，分析和展示，目前這個階段還在建設當中，但是我們不妨展望一下，數據第二個階段就是更加完善的傳感器部署體系以及更加完善的數據協作共享平臺，以此為基礎建立水利大數據，并充分整合空間地理數據，利用當下發展迅速的大數據思維理念，能夠做到智能調度、智能預測、智能告警、實現更少的人工參與及時消除隱患。

5 結語

河南南水北調配套工程是河南省重要的民生工程，而自動化工程就是為了讓分布在全省境內的配套管網供水設施可以“長治久安”的高效運行，而“數據流”正好是整套系統體系的“血液”。它可以讓系統自身更加健壯，它可以讓系統接受調度中心的指揮和監控，它可以反饋指導各級管理機構讓他們統一步調，它還可以讓我們不斷審視創新，自我改進和完善。