城市智能化供水调度系统的研究与应用

戚明杰 赖 华

(昆明理工大学城市学院1，云南 昆明 650051;昆明理工大学信息工程与自动化学院2，云南 昆明 650051)

0 引言

城市供水生产过程由水源地取水、净水厂净水处理、供水管网配水直至用户用水组成，供水系统由水源、净水厂、管网、加压泵站、高位调节水池和供水管网构成。对于缺水型城市，高效节约、合理分配利用有限的水资源是城市国民经济健康协调和可持续发展的保证。利用先进的信息采集技术，基于商业数据库的信息挖掘和钻取技术，结合水力模型系统建立智能化城市供水调度系统，为城市实现安全、科学、经济的供水调度提供有力保障。

1 传统的城市供水调度系统

城市供水调度系统由底层的数据采集监控(supervisory control and data acquisition，SCADA)系统和上层的供水信息管理系统共同组成。SCADA系统实现对供水生产过程数据的采集，供水信息管理系统在SCADA系统基础之上，完成供水生产过程数据的分析，并将分析结果应用于供水调度决策。日供水20万t以上的城市通常都建有供水调度信息管理系统，但随着我国城市化进程的推进，城市的供水调度系统普遍存在以下两方面的问题。

第一，底层SCADA系统的数据协议不统一，造成底层SCADA系统与供水调度系统的数据接口问题［1－3］。由于历史原因，净水厂、加压泵站、高位水池和供水管网远程监测点自动控制系统的软硬件厂家众多，所以采集生产数据需要与不同品牌的自动控制系统通信。通信协议和数据格式不统一，给数据采集造成困难。

第二，目前供水SCADA系统软件主要采用组态软件和高级语言结合编程的方式。这些系统普遍存在运行程序完全封闭的问题，侧重于SCADA系统的实时监控功能，无法满足生产数据统计和智能化分析的需求，如管网工况、压力合格计算、能耗分析预测、用户供水负荷预测等需要。因此，运用各种现代化的管理手段、计算机控制技术、通信技术和人工智能技术对城市供水系统进行管理、监控、预测和优化调度具有重大意义。特别是缺水型城市需要对供水信息进行进一步挖掘分析，以期找出供水系统运行中存在的问题，优化供水调度方案，实现有限供水资源条件下的最优调度。

2 系统架构

本文针对某缺水的省会城市的供水调度系统进行研究。该市供水系统共有6座水源水库，其中最大的水源水库库容4.8亿m3。该水库距离市区水厂86 km。净水厂10座，日供水85万t。加压泵站28个，容量2万t。高位水池3座。该系统属多水源、多水厂、多泵站和复杂管网联合调度的大型供水系统，加之水源分布不均和地域性强，使供水生产调度具有复杂性和变化性。

2.1 系统硬件架构

SCADA系统实现了对供水生产全范围的数据采集，即源水输水系统、净水系统、配水系统这3大系统数据的全面、及时、准确采集。源水输水系统实现了对各水源水量、水质等数据的自动采集。净水系统实现了对各净水厂进水、沉淀、过滤、出水等工艺环节的关键参数，以及流量、水质、压力、液位等数据的自动采集。配水系统实现了对各加压泵站、高位水池、管网监测点、供水区域计量点和用户用水数据、流量、水质、压力、液位等数据的自动采集。对于无法进行自动采集的数据如各水源水库水情等，通过手工采集。系统硬件架构如图1所示。

图1 系统硬件架构Fig.1 Hardware configuration of the system

根据所处位置和所需功能的不同，硬件系统分为若干子系统。其中，底层为各净水厂的自动控制系统、水源数据采集系统、加压泵站数据采集系统、管网数据采集系统、大用户用水计量系统，负责各远端系统数据的采集和信息管理。第二层是生产数据库，系统将根据生产分析和报表的需要，从各数据采集子系统采集数据，存储在实时数据库中。建立在实时数据库之上的是具有商业智能的生产信息管理平台，负责从生产调度到生产分析以及最终的报表和业务智能功能。

系统硬件及网络设备在供水调度系统的SCADA系统层面［4］。水源、净水厂、加压泵站、管网、大用户的数据由各子系统前置数据采集服务器，实现各部分的供水数据采集。中心机房设立4台服务器，第一台服务器是数据采集和处理服务器，安装有工业实时数据库，负责从各子系统采集数据，并进行预处理。经计算和处理的生产事件数据存入第二台服务器，即数据库服务器。数据库服务器上安装有 Microsoft SQL Server 2005，提供长期的生产记录以供分析和报表处理。第三台服务器中安装有商业信息管理平台软件，负责对生产数据和事件进行分析、计算等应用处理工作。第四台服务器则作为面向管理层的信息发布服务器，通过微软的Web服务技术，将生产管理所需的分析和报告信息以及现场的生产情况画面发布到基于浏览器的管理客户。

同时根据系统功能需求，在中央控制室设立了2台工程师站。通过工程师站，用户可以对系统进行组态修改、管理和扩展功能等工作。而中央控制室的另外4台操作员站则可以负责调度、管理分析客户端等操作和监视工作。

2.2 系统软件架构

系统整合各生产单位的信息，从层次上涵盖了现场级生产监控SCADA层、调度管理级的数据库应用层以及商业智能级的生产分析和生产报告层［4］。系统软件架构如图2所示。

图2 系统软件架构Fig.2 Software architecture of the system

软件系统底层采用组态软件和实时数据库，其上是信息集成和管理应用平台。信息集成和管理应用平台通过其应用服务，从生产管理、计划调度、质量和分析、绩效和指标计算发布等多方面提供应用;并通过面向服务的体系结构(service-oriented architecture，SOA)的支持，提供对企业的商业系统的集成支持［5］。

最上层的信息门户功能区，所有的信息将在标准的IE浏览器中展现，其集成展现的信息包括以下几类:来自于SCADA的实时流程画面、来自于实时数据库的趋势和报警信息、通过平台提供的各类分析图表、生产报告和绩效仪表盘。信息门户集成了上述所有的不同类型的数据和信息，并集成显示在标准IE浏览器中。系统软件架构建立在MES架构之上，同时利用了最新的微软.NET技术和SOA架构，使系统功能能够从平台化、开放性、技术先进性等多方面符合现场和今后功能扩展的需求。

3 底层数据接口技术

由于历史原因，10座净水厂的自动控制系统包括5个厂家的软硬件产品、28个加压泵站和3座高位水池(有的有自动控制系统，有的只有现场仪表且是各种国产或进口品牌)。底层的系统、仪表设备对外输出的数据有文件、实时数据库、关系数据库等形式。不同的数据格式、不同的通信协议给底层数据采集带来了困难。

3.1 净水厂数据采集

3.1.1 从净水厂上位机上采集数据

由于目前各净水厂上位机监控软件基本都支持OPC(OLE for process control)标准，所以可采用OPC方式与水厂上位机进行通信。此方法有以下特点:①成本相对较低;②可以在不过多增加原有网络负荷的前提下保证通信质量，使通信基于请求，只读取那些在客户端请求的数据。这就减少了不必要的通信，从而大幅提高通信速度，减轻通信负荷;③中心的远程数据采集处理服务器与水厂数据采集子站可实现OPC通信。

3.1.2 从底层控制PLC网络上采集数据

从底层控制PLC网络上采集数据需购置接口卡，在数据采集子站与底层控制PLC网络连接通信。此方法有以下缺点:①由于需要采购多种接口卡，且每种卡都比较昂贵，成本高;②由于在数据采集子站与底层控制PLC网络连接时，需要将接口卡接入现有网络，这势必在很大程度上增加网络负荷。现有净水厂的网络负荷已经很重，此方法对现有PLC网络构成很大的影响［6］。

通过综合比较上述两种方式，决定采用OPC接口的方式来实现净水厂现场数据的采集。在数据采集系统的构造上，采用中心机房、水厂数据采集中心二级分布式网络结构。此结构具有以下两方面的优点。

①相比较集中式的数据采集和发布，分布式的数据采集发布可有效避免数据的过度集中。采用的二级分布式网络结构可有效减轻系统网络负载，并且二级式分布式结构体系可有效隔离内网和外网，提高系统可靠性。

②分布式体系结构将系统的不同功能模块分布在不同的服务器上，减少系统的单故障节点，有利于系统的扩展。

3.2 远程数据采集

数据库服务器采用开放式关系型标准数据库平台，数据库管理软件采用Microsoft SQL Server 2005，软件可提供开放的接口和标准，支持标准的开放数据库互连(open database connectivity，ODBC)访问和SQL连接［7］。中心的数据采集平台可通过标准的数据库技术，采集以关系数据库形式的远程泵站、高位水池和供水管网的监测数据［8－10］。

数据是以文本文件的方式存储的，因此需要对其进行数据解析才可送入实时数据库。具体工作方式如下:利用中心SCADA平台内置的函数打开文本文件，读取其中的信息;将信息传递给SCADA变量，最终实现实时数据的采集及显示。

4 智能化供水调度模型

随着城市供水管理信息化工作的不断扩展和深入，以往各独立的供水调度信息系统越来越不能满足综合的、复杂的城市供水管理需求。各系统必须打破“信息孤岛”的限制，实现面向应用的信息互联，才能最大程度地发挥各系统的应用价值。

系统可实现与其他业务系统的综合与集成。在SCADA技术基础上，系统集成数据管理、管网水力计算、供水负荷预测与优化调度等多方面功能。系统实现了与地理信息系统(geographic information system，GIS)、水力模型等系统的数据和应用的协作，提高了信息利用的价值，扩展了各系统的应用功能［5－6］。

系统的供水生产数据分析平台采用对象-关系数据库作为系统数据仓库，利用多维度数据分析和数据挖掘管理城市供水生产信息。来自城市水源、净水厂、管网的实时数据不断积累，丰富的生产数据从各个侧面体现了城市供水调度的现状，可以快速找出城市供水调度工作中存在的问题，优化调度过程，从而为城市提供更加安全稳定的供水。系统能够根据城市供水的特点，对海量城市供水数据进行快速分析，以提供供水调度决策支持。系统数据流程如图3所示。

图3 系统数据流程图Fig.3 Flowchart of system data

用户可充分利用SCADA系统、GIS系统、水力模型系统、营业收费系统、客户服务系统来掌握大量实时数据，并通过在线的数据挖掘方法抽取、转换、清洗、集成数据，从而为调度决策提供全面的现场环境。

供水管网中的压力、流量与净水厂出厂流量和压力、加压站的流量和压力之间，以及各水厂的流量和压力之间存在一定的数学关系。将SCADA系统采集的大量实时数据和历史数据，转换应用到供水系统结构模型化的水力模型系统，建立表达供水系统各主要变量之间关系的动态模型，即供水系统的宏观调度模型［5］。系统具有以下特点。

①采用比传统统计方法更有效、更先进的数据挖掘方法，通过合理配置数据维度和挖掘深度来对历史数据进行充分的整理，将数据提升为信息;再将信息提升为知识，使得宏观模型的建立过程更智能、更科学、更快捷。

②运用人工智能的方法，在管网工况系统数据发生较大变化时，进行智能分析处理，自动调整系统的状态与各项参数，加强宏观模型的自适应能力。

5 结束语

通过完全自动的管理，实现了数据采集、过滤、加工、整理、报送和展现整个过程的自动化、智能化，确保了整个数据收集、处理过程的及时性、准确性。利用对象-关系数据库保存大量长期历史数据，为供水调度长期数据分析提供了丰富的数据源;集成了智能化的水力模型系统，使得大量的供水调度历史信息能够有效地转化为企业知识资产。

［1］张生，李大勇，高孟国，等.SCADA系统在城市供水系统中的应用［J］.电气技术，2008，20(12):10 －14.

［2］林龙德.SCADA系统在城市供水调度系统中的组成与应用［J］.中国高新技术企业，2010(10):25－29.

［3］王璐生，郭建珠，张机源.SCADA-zyt100自动化系统在集中供水站的应用［J］.山西水利，2009，25(4):31 －35.

［4］杨忠元.供水调度数据网络发布的设计与实现［J］.工业控制计算机，2006，19(6):67 －68.

［5］鲁旭.给水管网动态水力建模数据分析与管理［D］.上海:同济大学，2006.

［6］王艳.广州市供水系统优化调度研究［D］.广州:广州大学，2007.

［7］宋子健.基于GPRS网络的城市管网SCADA系统的研究［J］.仪器仪表用户，2006(4):17－19.

［8］张春海，孙妍.基于CDMA2000-1X网络的城市供水监测调度系统［J］.吉林大学学报:信息科学版，2005(5):466－473.

［9］张海峰，侯海俊.EP105H-N系列无线智能测控终端在给水自动控制中的应用［J］.测控技术，2005，24(10):15 －17.

［10］阎循忠，刘艳，陈智嘉.RTU系统在城市引水工程中的应用与施工技术［J］.水利水文自动化，2009(2):20－23.