基于GIS和SCADA集成的智慧供水在线监测系统的设计

苏志刚，周 文，李进强

(1.山东省地理信息系统工程技术研究中心，山东济南250101;2.山东正元地理信息工程有限责任公司，山东济南250101)

一、引 言

目前，我国城市的供水管网设施错综复杂，涉及人口和覆盖面积庞大，存在检测结果严重滞后，远程监控操作困难，无法完整再现水质、流量、压力等指标的时空连续动态变化的问题，严重降低了城市供水的质量。而管网老化现象严重、安全系数降低和布局欠妥的问题，不仅给管理工作带来了巨大的困难，而且还可能发生供水受到污染的情况，给城市居民的生命健康带来威胁。

在我国的供水行业中，GIS和SCADA软件的应用都比较成熟，但在很多实际供水系统管理应用中，GIS和SCADA软件基本都是作为单独的软件平台参与供水管理，无法发挥两者功能互补的优势。随着供水管理对信息化水平要求的提高，结合GIS静态数据和SCADA动态数据的管理平台成为供水管理软件平台发展的趋势，如何有效地将两种数据相融合，通过GIS技术和SCADA技术的功能互补更加有效地提高供水管理系统的信息化水平是关键。结合实际应用，本文探讨了如何通过GIS和SCADA系统技术的集成实现对供水管网的在线监测。该研究对结合GIS和SCADA技术进行供水管理系统开发有一定的参考意义。

二、概 述

供水管网(supervisory control and data acquisition，SCADA)系统，即数据采集与监视控制系统，是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统［1］。它的主要功能是对供水的运行设备进行实时的监控，该系统具备对供水装备实时数据采集、各种参数测量和调节、设备控制和设备运行状态预警等功能。作为供水管网实时监控的基本手段，它主要通过实时提供供水设备的压力、流量状态等信息实现对供水设备运行情况的实时监管。该系统是基于地理信息系统开发实现的，通过GIS技术，将管网空间分布信息、空间拓扑结构及关系集成为一个一体化的计算机管理系统，实现了供水管网的信息化管理。该系统支持静态信息管理、动态数据更新，能够为用户输出必要的图、表等数据［2］。

GIS和SCADA系统的功能互补性是对这两种系统进行集成的主要原因。通过这两种系统数据的交互，可以实现业务数据和地图数据的一体化管理，为供水调度等决策提供更准确的信息支持，有效提高管理效率及科学管理水平。

三、供水管网SACDA和GIS系统的集成

1.供水管网SACDA和GIS系统集成目的

城市供水管网GIS和SCADA系统的功能各有特点，将这两个系统进行集成，能够实现二者的优势互补，具体体现在［3］:

1)管网GIS能够向SCADA系统提供地理空间信息及空间表达手段，SCADA系统能够向GIS系统提供管网设备运行的实时业务数据。结合两者的功能，可以实现数据的实时更新及管理，并且通过GIS数据强大的地理信息管理、表达手段，使信息管理更加高效、科学。

2)SCADA系统提供的实时监测数据与管网GIS提供的空间地理信息，能够准确掌握管网中各设备的分布及运行情况。

3)集成后的系统可以实现数据交换和共享，大大减少单独运行过程中数据传输和维护的工作量，保证了数据的完整性、一致性、可靠性。

2.供水管网SACDA和GIS系统集成原则

系统集成原则［4］即是做到GIS系统与SCADA系统底层数据设计一体化、功能分布一体化和界面一体化。集成后的系统要保证SCADA平台和GIS平台相对独立运行，分别建立3个数据库:实时数据库、历史数据库和空间数据库，并保证其唯一性。系统客户端图形界面及管理基于GIS平台开发实现。结合GIS与SCADA系统的一体化设计可以实现空间地理信息和实时业务信息的无缝连接，充分应用两者的各自优点，可以使供水管网管理系统的信息化水平更高，极大地提高系统的管理效率及系统的性价比。系统集成原则的科学性主要体现在如下两个方面:

1)保证SCADA与GIS系统的相对独立能够有效地保证这两个系统安全、稳定、可靠和高效的运行。

2)数据信息的一体化管理与使用，是系统无缝连接的主要目标。供水管网系统的人机交互界面、数据可视化管理与分析都通过GIS平台开发实现。SCADA作为实时业务数据接收及管理的主要支撑平台，为GIS系统实时提供数据。首先，SCADA主接线由GIS生成，网络结构的变动与GIS同步;其次，GIS系统通过标准数据库接口，使用TCP报文方式从SCADA系统中读取实时业务数据，通过ODBC从关系数据库中读取历史业务数据，利用两个系统的通信连接，在GIS系统上实时显示SCADA系统提供的数据(包括高级应用软件计算的结果)，实现供水网实时监控和管理。

3.供水管网SACDA和GIS系统集成方式

目前，管网GIS与SCADA系统集成的主要方式包括以下 3 种［4－6］:

1)在SCADA系统中集成 GIS的功能。在SCADA系统中加载GIS数据，在充分发挥SCADA处理事件高速、可靠等特点的同时，利用GIS可视化管理及分析的手段，使数据管理更加科学。但是由于管网GIS具有海量数据和复杂图形显示的应用需求，因此，SCADA系统必须为其提供一个强大的地理数据显示环境，从而增加了系统运行的负担。

2)在GIS中集成SCADA系统的功能。这种集成方式主要通过数据共享方式实现，即两个系统相互独立运行，系统之间通过数据共享建立连接。这种方式保证了每个系统的运行稳定性、可靠性，开发成本较低，但系统时效性受数据共享过程中数据库传输和交换速率的影响较大。

3)在GIS和SCADA系统的基础上构建集成平台。与上述两种简单的数据集成方式相比，通过开发一个独立的平台将两个系统同时集成在这个平台下能解决上述两种集成方式的局限性。这种集成方式从底层设计就将GIS和SCADA数据的管理及共享考虑进去，旨在开发一个同时具备GIS和SCADA系统功能的集成系统，但这种集成方式需要从底层开发，增加了系统开发的成本及风险。

本文出于实际条件及应用的考虑，结合我国大多数城市现有供水管网系统的应用现状，采用第二种集成方式，实现了GIS和SCADA系统的集成。基于GIS开发用户界面，通过数据共享连接，SCADA系统为GIS系统提供实时业务数据。GIS系统通过其特有的可视化及其他管理分析手段，实现供水管网运行数据的实时动态显示和监控。系统开发采用C/S、B/S双重结构，供水调度中心只需通过浏览器就可以实时监控管网内设备的地理空间及业务信息，为部门之间的协同工作提供了一个统一的监控平台。

4.供水管网SACDA和GIS系统集成模型

该供水管网GIS和SCADA系统的集成，主要依靠数据库复制链接技术来实现。为了保证管网GIS和SCADA系统各自原有的性能，GIS数据库和SCADA系统实时数据库在物理上相互独立，他们之间的逻辑关系通过数据表链接来实现关联。首先，在GIS数据库中建立唯一索引使其与其他数据表相关联;当SCADA系统采用到实时数据时，SCADA实时数据库利用数据库复制技术将更新的数据复制到GIS的实时数据库中，包括数据标识、获取数据的时间和实时数据的值;最后，在 GIS中对获取的SCADA系统实时数据进行解析，分析出实时数据的表征意义，并加以显示［7］。

可以看出，管网GIS数据库与SCADA系统数据库之间通过建立数据库链接实现了逻辑上的一体化。数据库链接保证GIS和SCADA系统以“紧密耦合”的方式运行，提高了二者的一体化程度，优化了集成系统的性能。整个系统集成方案如图1所示。

图1 供水管网GIS和SCADA系统集成模型

5.供水管网SACDA和GIS系统集成关键技术

(1)GIS与SCADA的集成

实现GIS与SCADA无缝集成，是利用GIS实现远程设备监视的一个关键技术，是GIS获得实时设备信息的前提。GIS与SCADA的集成方式一般有界面的集成、数据的集成和应用的集成。为了更好地在功能层次上实现GIS与SCADA互补，推荐采用GIS与 SCADA的数据集成。在此基础上，通过SCADA的实时数据采集和监控能力，采集、监控动态数据，负责存储、更新动态属性数据等问题;利用GIS的数据管理功能进行静态属性数据的采集、存储，进而提供查询分析预测算法等。

(2)监视指标数据和实时采集技术

SCADA系统中采集的实时数据存储样式多样化，而且绝大多数存储在SCADA系统数据库中的数据组织方式并不一定符合设备监视需要的数据组织结构;SCADA系统设备一般是分散在各生产单位，如分布的各个供水厂。因此，为了更好地实现设备远程监视，需要将各个SCADA系统中的数据库采集到一个统一的SCADA系统数据库中。在实时采集监视指标数据过程中，应运用先进的网络技术保证采集数据的准确性、灵活性与实时性;同时还应采用先进的数据库技术确保数据的安全性。

(3)数据处理技术

供水设备远程监视的最终目标是及时发现供水处理生产过程中的设备隐患，分析隐患原因，从而保证生产的安全性。因此，对数据作适当的筛选、分类、统计等处理，以实现设备运行时态监视、采集指标过程线监视及设备预警监视。因此，数据处理也是实现基于GIS与SCADA集成的远程设备监视的关键技术之一，可以利用GIS的分析功能，允许工作人员在监视设备运行状态的同时查看某些统计信息，通过比较分析监测指标的历史数据，或可视化表现不同指标在同一时间的差异，为管理人员的决策工作提供支持。同时，还应采用数据抽取和校验技术，通过增加数据甄别来提高数据提取正确性和高效性并维护数据集成。

四、供水管网SACDA和GIS系统集成体系结构

系统后台逻辑上一体化的数据库是供水管网SACDA和GIS系统集成体系的底层架构，集成系统议从下位机系统通过PROFIBUS—DP通信协议实时获取管网流量、水质和压力参数信息，并更新到SCADA实时数据库;同时将获取的数据复制、传输到管网GIS数据库，GIS系统通过 ArcObject、ADO和ArcSDE访问所有的数据库，完成相应的功能。管网GIS和SCADA系统集成的体系结构如图2所示。

图2 供水管网SACDA和GIS系统结构

五、系统功能设计

系统的总体功能模块如图3所示。

图3 系统功能结构

1.地图管理

地图管理模块是该系统的基本功能模块，除了实现对地图基本操作、鹰眼图显示、图层控制外，该模块还实现了地图背景色设置、管网标注、地图符号配置等功能。系统支持管线数据和现状数据底图矢量数据与影像数据的空间叠加显示，并可根据需求定义地图加载显示比例尺、标注和符号化等信息。可以方便地从服务器提取部分数据并进行数据转换，具有供水管网空间数据库的自动备份和恢复功能。

2.管网编辑

管网数据编辑不仅能够对系统中的数据表文件录入新增记录，修改、删除记录，而且能够按照一定的逻辑规则检查新增记录或修改记录的合法性。系统提供丰富的数据入库工具，支持多种数据格式的空间数据和非空间数据的入库，并提供管网局部和全部数据更新支持。入库数据必须经过严格的数据监理系统，空间和属性合格后方可入库，从而保证管网数据的质量，并能出具相关的监理报告供工作人员参照修改数据。

3.查询分析

查询模块包括地图查询、设备查询等，分析模块包括连通性分析、管阀分析、流向分析等功能操作。可根据输入的查询分析条件，统计、汇总从数据表中整理出的相关记录，然后以报表和图形的形式显示或打印。系统提供行政区、特征点、单位、图幅、自定义范围等多种查询统计方式，可进行单向和双向的属性查询、属性组合查询、空间属性组合查询、复杂自定义查询公式查询等，也可由属性或SQL语句查询满足条件的图形对象，并高亮显示，以及导出查询和统计的相关报告和图表。如图4所示。

图4 供水管线的查询和关阀分析

4.SCADA监控

通过该功能模块，可以在地图上的压力/流量检测仪器旁将SCADA的历史和即时数据内容实时显示，从而可以直观地在地图上查看SCADA数据的实时变化。并可结合预测分析模块，根据历史数据推测并显示趋势曲线，可详细地显示泵站或水厂的动态数据变化趋势，为系统的正常运行提供保障。如图5所示。

图5 供水监测实时曲线

5.爆管监察

通过监察分析模块，结合SCADA实时检测数据，一旦从SCADA获取的监测值在某个时间段内变化范围超过参数设置的容限，系统会自动报警，可以在地图上高亮显示有爆管或严重漏水的区域，结合本系统的关阀分析，统计显示需要关闭对应的阀门列表，找到受影响的用户，为及时并准确地实现爆管通知和抢修赢得时间。本系统同样也可以根据SCADA实时数据和历史数据分析得出可能将发生爆管的区域，如图6所示。

6.系统管理

系统管理功能主要是设置服务器的参数、登录的权限限制，同时建立日志管理和数据备份与恢复等管理功能。

六、结束语

基于GIS及SCADA集成的智慧供水管网在线监测系统不仅增加了目前供水管网系统辅助决策的理论基础，也提高了供水检测信息的质量。纵观整个系统，它使城市供水系统管理工作向现代化、科学化迈进了一大步，增加了供水管网运行的安全性，大大提高了工作效率，并提高了调度水平，切实地提高了供水企业的经济利益，使供水企业的生产费用下降。同时促进了生态建设，保障了居民用水安全，具有良好的应用的前景。

图6 爆管分析

［1］BORZO P.SCADA Network Riding the Tides to Information Integration and Improved Performance［J］.Water Engineering＆ Management，2001，19(3):214-216.

［2］粟小荣.城市自来水供水管网地理信息系统的设计［J］.电脑与信息技术，2005，13(2):63-66.

［3］窦华成，王力，邓世军.GIS和SCADA系统数据一体化模型及其应用初探［J］.工程勘察，2007(5):48-50，57.

［4］朱毅，周君.GIS与SCADA集成中数据一体化技术的研究［J］.计算机与数字工程，2007，35(3):22-23.

［5］黄志龙，邱家驹.配网SCADA和GIS功能的集成［J］.电力系统及其自动化学报，2000，12(4):36-41.

［6］SINGH U，CAEERESD.An Integrated Approach for Implementing a Distribution Automation System［C］∥Proceedings of Transmission and Distribution Conference and Exposition.Latin America:［s.n.］，2004.

［7］张卉，何文杰，李冠民，等.天津市供水管网 GIS与SCADA系统的集成技术研究［J］.给水排水，2010，9(4):36-41.