基于SCADA 和GIS技術的供水管網調度系統

時間：2007-03-06 來源： 作者：

一、前言

       隨著近年來我國城市發展建設速度的加快,即有和新建供水管網也越來越龐大、分散。供水管網作為城市極為重要的基礎設施和經濟與社會發展的源泉，加強對供水管網調度的信息化建設具有相當重要意義。利用計算機信息技術、通信技術和自動控制技術對整個供水管網運行過程的主要參數、管網信息、設備運狀況進行動態監測、實時調度和自動化控制，實現自動化信息管理，并將監測點信息與管網空間位置相結合，以地形圖為基礎，直觀表達管網運行狀況和監控點狀態，結合預測、統計、數學模型、空間分析等手段，根據經濟、技術指標和實際情況，進行優化控制反饋，完成對供水管網調度各個環節的合理配置，即供水管網調度與輔助決策問題,成為保障供水管網經濟、可靠運行關鍵所在。尤其體現在對管網的快速、準確監控、安全維護、管網合理設計、搶修施工等方面.本文將討論如何利用GIS和SCADA系統技術實現對供水管網調度的有效管理,這將極大提高有關部門的管理水平和工作效率。

二、SCADA與GIS 系統介紹

2.1 SCADA 系統[1,2]

       SCADA是用于現場監測和自動化管理技術。以該技術建立的系統能夠收集現場數據并通過有線或者無線信道傳輸到監控中心，由控制中心根據預先設定的程序控制遠程的設備。在需要監控的地點或者控制范圍很大的場合下使用該系統是非常經濟有效的。國內從20世紀 80年代開始,SCADA系統在供水行業得到了廣泛的應用。它可以實時采集現場數據,對現場進行本地或遠程的自動控制,對供水過程進行全面、實時監視,并為生產、調度和管理提供必要的參考數據。

       SCADA系統由遠程終端(RTU),一級或數級控制站點以及相應的通訊設備和外部設備所組成。RTU是整個SCADA系統的重要部分,擔負者監控設備本地數據讀取、檢測，并接受遠程遙測命令等重要任務。RTU的作用是對監控設備本地的數據采集及發送,接受并完成來自遠程控制命令，完成本地的控制。RTU主要配置有CPU模塊、模擬量I/O模塊、數字量I/O模塊、通信模塊、電源、通信設備、機箱、測量儀表及相應物理執行機構�？刂浦行恼军c是系統的控制中心，通過控制中心安裝的相關軟件，工作人員可以對SCADA系統進行各種直觀的操作�？刂浦行恼镜淖饔檬菍崟r采集RTU運行參數,從而進行負荷分析、優化調度、狀態評估、故障預報與分析、綜合管理,向RTU下達遙控指令,并完成統計報表等功能。其主要配置有中心控制計算機（服務器）、通信機、工作站、大屏幕投影儀、打印機等輸出設備。復雜的SCADA系統中可以設置多級控制中心站點。目前SCADA系統的通訊方式主要有兩種 :有線和無線。無線方式主要通過無線電臺構成專用通信網,但存在著電臺設備的更新和傳輸協議中數據傳輸檢錯、糾錯能力等問題,其可靠性和有效性有待提高。而有線網通訊技術的研究目前有了突破性進展,特別是互聯網技術的發展使有線網的應用走向更深層次,可利用率更高,發展前景較好。

2.2 GIS系統[3,4]

       計算機管理作為信息管理的重要硬件工具,它的優越性已經取得了業界廣泛的認同,在計算機管理的模式中,管網信息和與管網相關的設備、地形、環境信息從根本上講是地理信息，傳統的數據庫管理技術不能很好地管理這些信息,而GIS作為集計算機科學、地理學、測繪遙感學、環境科學、城市科學、空間科學和管理科學及相關學科等為一體的新興學科，將與地理信息相關的空間位置、屬性特征及時域特征進行統一的管理，按一種新的方式組織和使用地理信息，以便更有效地分析和生產新的地理信息。GIS并非僅僅在所管理的數據內容方面與眾不同，在理論和方法上也有很多特色，相應地許多新的重要功能也是傳統方法無法提供的。地理信息系統能夠對海量空間數據、拓撲結構、拓撲關系進行有效管理，能夠進行與空間相關的查詢統計、空間分析（多邊形迭置、緩沖分析、網絡分析等）和三維模型分析，提供多種空間數據錄入和輸出手段，等等。而這些功能正是一個完備的供水管網調度信息系統所應具備的基礎平臺。GIS系統已經在全球建立起來，并且很多已經建立起來的數據集合都是可用的。
2.3 SCADA和GIS系統的技術互補
      總體上說，SCADA系統記錄的數據是隨時間變化的，系統接受和顯示實時監測數據并根據事先的制定的規則決定是否報警. SCADA系統只能給出網絡中正在發生的事件，無法預測接下了來將發生事情，因此不能告訴操作人員在不同的運行參數下網絡運行的情況,沒有分析和輔助決策功能。RTU單元只可能安裝在監測網絡上一些關鍵地位置上，不可能不經濟地安裝在網絡上的所有位置上。在上個世紀90年代，國內外的GIS軟件廠商都在它們的GIS系統內集成了進了SCADA系統功能模塊。但這樣系統強迫GIS系統改變原來系統設計特性, GIS的設計目標從來就不是實時處理工具，GIS平臺不能保證不間斷的穩定運行。開發這樣的系統的難度要比較想象的高,系統處理動態的數據是困難的。另一方面，在SCADA系統集成GIS功能的嘗試也是不成功的�？臻g數據的顯示需要考慮不同的因素而不是像SCADA系統簡單的曲線圖。這樣的系統只能是具有中等規模的數據庫和具有非常高速的數據事件處理能力，但這是以簡化網絡模型與圖形顯示功能為代價的。
       SCADA系統最大的局限性在于它缺乏顯示空間數據能力，而GIS具有顯示復雜空間數據能力確不能很好管理實時數據的問題。SCADA與GIS系統集成可以增加現場實時監測數據的可視化能力。本文在綜合分析SCADA和GIS系統特點的基礎上，詳細討論了供水管網調度系統的設計與實現。

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