水闸调度中信息孤岛的整合分析

黄 磊，杨士斌，刘 涛，陈琦莹

（海河水利委员会海河下游管理局，天津 300061）

近年来，水利行业以“水利信息化带动水利现代化”速度明显加快，特别是围绕防汛抗旱这一中心任务，在水闸调度信息化方面取得了长足进步，部分新建工程已经具备了工程集中控制、视频监视、异地会商、水情遥测、过流模拟等功能，大大提高了管理人员对水情、工情的掌握。但由于建设时期及所属项目类别的差异，各系统技术平台不一、通信方式和数据组织多种多样，各系统内部功能偶合度高而系统之间的数据兼容和可集成度低，由此形成了一个个各自为战的信息孤岛。

1 信息孤岛的形成与弊端

所谓的“信息孤岛”，就是指这些相互之间在功能上不关联互助、信息不共享互换以及信息与业务流程和应用相互脱节的计算机应用系统。

信息孤岛的存在所带来的弊端是显而易见的。信息更新的同步性差，从而影响了数据的一致性和正确性，信息使用和管理效率低下，且缺乏业务交互功能与信息共享，致使水情、工情等信息多停留在采集、查询阶段，难以形成彼此联系的信息流和可供挖掘的信息资源。

这些信息孤岛的形成是信息化发展的必然阶段，如何集成利用好这些孤岛，将其整合为具有较强信息支撑能力的决策支持平台是我们水利信息化亟需深入思考的问题。

2 水闸调度中信息孤岛的存在形式及特点

水闸的调度，与工程安全、除害兴利和水资源综合利用等方面息息相关，是涉及多专业知识的综合运用过程，应根据水闸所承担任务的主次关系及相互结合情况，建立科学的调度方案，对流域水闸的调度过程进行动态监控和优化管理，处理好防洪与兴利的关系，直至共同达到整体综合最优效益。

水闸调度过程中涉及水情信息、工情信息、安全信息、水文学演算等多类信息，对系统的实时性、联动性和安全性要求高。水闸调度过程遇到常见的信息孤岛可以总结为以下几类。

2.1 水闸集中控制系统

2.1.1 功能概述

计算机监控系统的总体结构设计由多圈绝对值编码器闸门开度仪、Profibus-DP接口、Profibus-DP总线、可编程控制器、监控计算机等组成。监控计算机与可编程逻辑控制器之间通过网络连接，主要运用组态软件对整个系统进行监测、控制和保护。系统的总体结构，从管理功能上可划分为3个层次，即操作层、控制层和调度层。系统结构，如图1所示。

图1 水闸集中控制系统结构

（1）操作层：负责采集闸内外水位、闸位、电力状态、承重荷载、闸门开关量、水泵开关量等相关数据（主要依靠各类传感器实现），并接受有关控制信息（电气开关量及编码量）。

（2）控制层：负责接收操作层采集的水情工况数据，经处理（主要依靠PLC）后上传给调度层，并在调度层的授权下发出调度指令。

（3）调度层：负责接收监控点传来的水情工况数据，并进行远程监控；备份各监测点水情工况和运行记录等历史数据（多为传统数据库）；对接收到的数据进行分析处理，供管理人员决策。

2.1.2 特征分析

水闸集中控制系统属于工业控制领域，具有严格的技术标准，同类系统结构相似，对系统实时性、安全性要求高，对操作层物理量的采样频率高，系统可靠性好。但受传统数据库技术限制，调度层的数据记录、分析的实时性稍弱。同时，由于专业视角的差异，使得该类系统多侧重工业控制而忽视数据分析，造成数据资源开发不足，对工程和水文管理的决策支持乏力。

2.2 水闸视频监视系统

2.2.1 功能概述

近年来，视频监视技术大量应用于水闸调度管理，有力地提高了管理人员对工程的掌握程度。随着技术的进步，该类系统的新架构、新标准也层出不穷、日新月异。这里，我们抽去具体的技术差别，将目前主流的视频监视系统做一原理性的说明，如图2所示。

图2 水闸视频监视系统结构

系统前端采用模拟摄像机，通过视频编码器，将模拟视频经过数字化、压缩、打包等过程变成基于网络协议的视频流或采用一体化的网络摄像机，在视频监控的前端完成网络化、数字化，视频流通过网络进行传输，发送到视频需求者。视频的使用者可利用软件进行解码，在PC机上进行显示和处理，利用分布在网络上的服务器或其他类型的网络存储设备根据需要进行录像。

2.2.2 特征分析

水闸视频监视系统也属于实时系统，就其本身而言技术已经十分成熟，它主要处理现场视频数据，数据量大，应用效果直观可见。但在水闸调度中，该类系统处理数据单一，不能反映现场水情、工况详情（如上下游水位、闸门开度），与水闸监控系统的联动效果不佳。

2.3 水位自测报系统

2.3.1 功能概述

水位自测报系统属于水文遥测系统的一部分，主要包括以下几个方面：水文数据采集设备，一般指的是水文遥测下位机，可进行雨量采集、水位采集、流量采集；数据传输终端（GPRS或无线短传），完成远程数据传输；水文信息中心站，包括系统软件及数据库，可分析、显示、存储、发布水文信息数据以供决策，如图3所示。

图3 水位自测报系统

2.3.2 特征分析

此系统数据采集及时准确，存储、分析能力较强，但与水闸监控系统数据存在冗余，同时其部分数据资源可供水闸过流模拟和水情综合查询使用。

2.4 水闸过流曲线模拟系统

2.4.1 功能概述

该系统以多年过闸流量水力计算成果为基础，通过水力学计算方法对各种情况下的水闸下泄流量进行计算，对各种不同情况下的上下游水位进行组合，确定水闸的下泄流量，绘制出闸门不同开度下的上下游水位流量关系曲线，以此为基础确定各水闸合理的管理调度运用方案，提供各种情况下的过闸流量，满足水闸管理运用要求。系统界面，如图4所示。

图4 水闸过流曲线模拟系统运行界面

2.4.2 特征分析

对有闸门或设置胸墙的水闸而言，一般出现堰流和孔流两种流态。随着闸门运用方式的变化，这两种流态可以互相转化。上述两种流态的转化界限与闸门相对开度e/H有关（e为闸门开启高度，H为堰顶以上的闸前水头）。同时，当闸下水位较高时，必将影响水闸的泄流能力，无论是孔流还是堰流都有可能出现淹没状态，因此又有自由堰流与淹没堰流和自由孔流与淹没孔流的区别。综上所述，此系统需要针对具体水闸工况设置计算方法。

2.5 水情查询系统

2.5.1 功能概述

该类系统基于电子地图或GIS技术，按照《水情信息编码标准》（SL330—2005）和以《实时雨水情数据库表结构与标识符标准》（SL323—2005）形成的数据库为依据，形成B/S结构的水情信息综合查询应用系统。系统内容涵盖雨水情查询、平均降水量计算、GIS查询、水情预警显示、水文过程图分析、降水量等值线（面）、信息制作与发布等各种水情业务。

2.5.2 特征分析

从严格意义上讲，水情查询系统不应归于信息孤岛范畴，因为此类系统多与水情自测报系统及下位采集设备存在数据交换关系，数据来源多样，与其他以数据库为基础的信息系统有着良好的兼容性，同时面向客户端提供查询统计服务，可以视为通用的数据支持平台。在本文中，主要关注该类系统与其他系统的整合研究，所以也将其列出阐述。

3 系统整合的目标和架构

3.1 系统整合目标

通过信息整合，力求达到以下目标：

（1）规范信息模型，遵循国家标准，解决数据不规范、编码不一致等问题。

（2）消除信息孤岛，使水情、工情、视频信息系统形成互通互联的整体。

（3）为上层决策系统提供数据准备。

（4）提供满足信息安全的统一数据发布平台。

3.2 系统整合架构

系统整合架构，如图5所示。

4 系统整合的设计要点

4.1 实时数据库

目前，点数较少的控制系统多用组态软件，仅实现其控制功能，而忽视数据反馈和分析。前文已经提到，由于工业控制系统对实时性要求较高，因此在整合此类实时性要求高的控制系统时考虑添加实时数据库更为妥当。组态软件的核心就是对实时数据进行管理，组态软件实时数据库要建立一套完成数据采集、实时数据、历史数据和统计数据存储管理的功能模块，为用户提供接口，使用户能够对来自现场控制系统或人工键入的数据进行分析处理，并能对控制系统进行反馈控制输出，为实现生产过程的先进控制及优化或其他应用提供数据服务。

图5 系统整合架构

4.2 GIS查询

以电子地图为查询平台，实现对电子地图的放大、缩小、移动、导航功能，对信息进行分级显示，实现在电子地图上对某一区域或某一类信息进行实时统计、分析、对比。针对某一工程，可以通过鼠标操作查询相关信息，如水情、工情、调度、视频及预估流量等综合信息。联系河流上下游关系，可以对同类信息进行专题显示，并可结合工程基础数据，设置和显示预警信息，当信息值超过某一事先设定值时发出声音、色彩等形式的告警，提示工作人员引起警惕。

4.3 数据整合

数据是组成信息的基本元素，各种原始数据的积累与集中是我们分析决策的客观基础，而在实际工作中，这些数据大多数是由多种应用系统（如前所述的各类信息孤岛）生成的结构化数据。这些数据存放在各种不同的数据库中，新增一个应用系统就会带来一系列新的结构化数据。数据整合就是对分散异构的多数据源实现统一的访问，实时地、智能地将有价值的数据传递给分析系统或其他应用系统，进行信息的进一步加工。数据整合的目的就是将不同的数据库集成起来，提供一种单一的虚拟数据库，这样就可以避免出现与主题应用不一致的多个数据库，保持应用软件数据的一致性。数据流程，如图6所示。

4.4 WebService

经过数据整合，新的统一的数据库形成，但还存在与其他应用系统进行通信的问题。如果其他应用系统采用非JAVA的面向对象的语言开发或者处于分布式环境中，则数据库会处于孤立状态，无法获取实时数据，同时无法向其他应用系统提供实时数据。为此，需要为数据库系统提供与其他应用系统整合的途径。

图6 系统整合数据流程

WebService的主要目标是跨平台的可互操作性。为了达到这一目标，WebService是完全基于XML、XSD等独立于平台、独立于软件供应商的标准，创建可互操作的、分布式应用程序的新平台，实现远程数据交互的一个技术和协议。在数据库中将需要与其他应用程序通信的接口定义为Web服务，使其他分布式应用能够远程访问数据库，同时WebService采用XML进行数据传输，提高了数据库的开放性和标准性。

5 结语

围绕“水闸工程调度”这一课题所衍生信息系统多种多样，同时受具体的工况影响适用范围和功能需求又不尽相同，本文中仅以常见的几类系统作为例子，说明各自特点和实现这几类信息系统整合的可能性。总而言之，水闸调度中信息孤岛的整合，就是要从实时性、安全性要求出发巩固水闸工程调度的准确性、及时性和可靠性；就是要以数据为中心，挖掘原有系统的信息资源，建立起专业清晰、分工明确、互为补充的数据支持环境；就是要扩大信息资源的应用范围，深入挖掘信息资源对决策分析的支撑能力，为防汛抗旱的科学调度当好参谋、服好务。

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