水利枢纽综合运行管理系统的设计与关键技术研究

张 煦,肖晓春,吴志明,连雪广,邓小刚

(北京中水科水电科技开发有限公司,北京 100038)

水利枢纽综合运行管理系统的设计与关键技术研究

张 煦,肖晓春,吴志明,连雪广,邓小刚

(北京中水科水电科技开发有限公司,北京 100038)

根据我国水利枢纽工程运行管理需要,提出水利枢纽综合运行管理系统的设计方案,论述了平台体系架构、硬件架构和功能布局,并对系统特点、关键技术进行了研究和总结,对系统应用进行了展望。

水利枢纽;运行管理;信息系统;数据分析;iP9000

0 引言

近年来,我国水利建设进度持续加快,2014年5月,国务院常务会议要求,2020年前,建设172项重大水利工程,其中大量工程为枢纽性工程。在加快建设的同时,水利枢纽运行管理逐步成为水利行业下一步面临的重要课题。本文重点针对水利枢纽综合信息化建设和管理中存在的问题,以提高各系统数据共享程度,实现对数据融合、综合利用和深度挖掘为目的,开展水利枢纽综合运行管理系统的关键技术研究,研究内容包括平台的设计思路、软件框架、网络布局等。

1 水利枢纽信息化业务现状

相比以发电为主业的水电站,水利管理单位负责运行的综合性水利枢纽兼具防洪、蓄水、输水、发电、航运、水政监督等管理职能。以蚌埠闸枢纽为例,从功能需求来看,信息化建设包含电站计算机监控、闸门计算机监控、船闸计算机监控、工程安全监测、气象水文测报、河道广播告警、视频监控、区域安防(电子围栏等)监控、工程资料管理、日常办公、远程会商等若干功能。一些引调水工程枢纽,还可能包含综合展示、水量调度、水质监测等功能需求。

以往综合性水利枢纽的信息系统建设,往往按照专业,单独开展建设。这种信息系统建设模式尽管一定程度满足了专业管理的要求,但系统数据共享困难,功能相互独立,协调性差,不利于信息资源的整合和开发利用,对综合决策管理的支撑作用不足。同时,由于缺乏统一规划,服务器、存储设备等资源无法共享,资源利用率低下,建设和维护投资成本高。

2 综合运行管理系统的设计思路

基于上述现状,新一轮的枢纽工程信息系统建设应尽可能结合数据仓库、云服务等技术,进行统一规划,采用一体化的技术平台框架,在规范数据库标准和接口标准的基础上,各子系统按专业管理需要进行设计开发。对于改扩建系统,可考虑建立统一的数据中心和统一的展示平台,采用多种方式逐步接入子系统。总之,综合运行管理系统按照“一个数据中心、一个系统平台、一个系统架构”进行总体设计,实现数据共享和功能协调,同时满足管理者综合决策、日常业务管理和专业监测监控任务。

按照上述思路,北京中水科水电科技开发有限公司水利枢纽综合运行管理系统设计遵循下述原则:①针对不同的业务,统一规划网络和存储设备资源,优先确定数据模型结构;②采用面向服务的体系架构,对各业务涉及的信息安全、用户管理等应用支撑进行统一提炼和开发,按照服务组件的要求配置各项业务应用,并按照业务的耦合性分步实施;③按照安全管理的要求分层分区布置不同业务模块,在最外层设置数据中心,协调和汇集数据;④保持系统的开放性和兼用性,以利业务功能的扩展,各类应用人机界面风格应有一致性;⑤结合大数据分析等技术,深度利用数据资源,提供支撑决策的数据产品。

3 平台体系架构

按照水利枢纽管理特点,水利枢纽综合运行管理系统以中水科技IP9000平台为基础进行设计开发,采用面向服务的SOA体系架构,综合数据分析、决策支撑、调度会商、综合展示方面的需求完成框架设计,突出数据服务的特点,具有很强的适应性和灵活性。平台通过ESB(企业服务总线),利用一致的可共享的数据模型,按照多层技术体系设计,对各应用进行集成,实现智慧平台各应用能够在企业内协同工作。平台业务逻辑架构如图1所示,分为运行采集层、基础设施层、数据资源层、应用支撑层、业务应用层、服务展示层。

图1 平台业务逻辑架构

运行采集层。即系统基础数据来源,包括各类现地采集设备,如MCU控制终端、闸门开度监测、视频摄像头等,站控级以下的计算机监控系统、水雨情系统、水质监测系统作为平台数据来源,也整体纳入。基础设施层提供包括服务器、存储设备、基础网络设施、操作系统、数据库管理系统在内的各种基础软硬件设施,提供系统开发与运行的基础环境。数据资源层对系统所有类型数据进行集中存储与管理,为上层应用提供数据的存储、访问、备份等服务,根据服务要求,系统数据库由GIS数据库、业务数据库、BI数据库、系统管理数据库构成。应用支撑层集成了基础平台所需的通用服务,为各类业务应用提供数据交换、统一身份认证、用户管理、地图服务、消息服务、日志服务、报表服务等基础支撑服务,保证应用的可扩展性。业务应用层集成了工程相关的各类应用系统,主要由业务应用、办公应用、移动应用和综合应用4部分组成。业务应用包括计算机监控实时发布、水情水调、洪水预报调度、水质监测、视频分析等;办公应用包括公文、财务、人力、任务等管理应用;综合应用包括综合决策、培训仿真、会商管理等;移动应用包括消息查看、资料查询、巡检记录等功能。综合展示层以工程区域大数据可视化系统、二三维GIS沙盘、工程三维模型为载体,为用户提供良好的系统功能展现,支撑枢纽管理综合决策。

按照应用要求,运行采集层采用IP9000/H9000系统功能模块,即开发基于C或C++语言,实时性、安全性、可靠性好。业务应用层、综合展示层,考虑到业务的复杂性、多样性及以后程序的可靠性、互用性、可扩展性等方面因素,采用使用Java成熟的JSF+SPRING+HIBERNATE框架进行开发。

4 硬件架构与功能布局

对于有水力发电设施的水利枢纽,其电力生产相关系统部署,须按国家电力系统二次安全防护有关规定执行,划分为3个安全区。

对于其他水利枢纽,虽不严格执行电力系统安全防护规定,但也需建立不同等级的网络区域,并综合考虑实时性、安全性、共享性等各方面要求,合理对功能模块进行分类,确定其硬件、网络部署要求,以及功能之间的数据共享要求。一般划分为生产控制区、生产信息区、综合业务区、公网信息区。各区功能部署如图2所示。

图2 系统硬件架构与功能布局

生产控制区部署安全等级要求最高的计算机监控系统。

生产信息区部署各类监测系统及安防、视频监视系统,接收生产控制区通过防火墙传送的监控系统数据,提供生产信息分析、生产报表制作和自动化调度高级应用等。

综合业务区接收生产控制区、生产信息区数据,纳入工程数据中心集中管理。工程数据中心是综合管理的基础和核心,根据枢纽管理决策需求和数据间逻辑关系,将分属不同专业、源自不同运行采集单元、结构各异的数据进行结构重组。在此基础上,对采集数据进行深度挖掘,智能地从数据中提取有价值的信息,满足决策分析与信息展示需求。

公共信息区是将综合业务区安全性、保密性要求适宜的业务和数据,基于互联网进行发布和组织,提供PC端或移动终端访问服务。

5 系统功能特点

(1)基于“一张图”的业务门户。系统从数据中心获取各类监控监测信息,通过数据分析、数据处理、数据共享和空间计算功能,将工程布局、基本信息、实时运行统计信息、实时水雨工情、水质监测、视频点位和重点工程三维模型等,发布在统一的GIS地图上,形成“一张基础图”的多源数据集成,为用户提供基于地图的业务门户和概要信息查询界面。

(2)业务信息与视频信息的同页面展示。在计算机监控系统Web发布页面、重要水文水质站点页面,嵌入视频厂商提供的视频Web控件,当查看设备或切换页面时,向流媒体服务器发送请求,切换至与设备相对应的摄像头信号,业务信息与视频信号在同一页面展示,为用户提供更加多源、可信的信息服务。

图3 业务信息与视频信息的同页面展示

(3)可配置的综合展示系统。依据实际展示需求,在智能平台上可将文字、图片、图表、电子地图、自动化监控信息、水雨情监测信息、视频监控画面、卫星云图等各种信息通过配置化操作,生成适用于移动终端、PC、监控大屏等不同屏幕的综合展示信息。

(4)微信与Web APP相结合的移动应用功能。利用微信与Web APP各自特点,提供结构清晰、功能实用的业务界面。其中,微信提供概要信息查询、消息推送、智能应答、运行简报推送等功能;Web APP提供更加详细的查询统计信息,以及更丰富的图、文、地图、多媒体展示功能。微信作为移动端业务唯一入口,用户权限、微信账号、手机号码相关联,具有用户认证、权限管理便捷的特点,而业务逻辑、应用数据均由企业端控制,保障了信息的安全性。

(5)丰富多样的数据分析展示功能。针对枢纽工程综合决策管理需要,提供灵活的统计分析模块,结合数据多维分析技术、空间分析等技术,实现适用不同业务的各类专题图功能,包括单值专题图、范围分段专题图、统计专题图、空间专题图等。通过地图服务聚合,通过地图整合统计表格、统计图、专题报告等各类资料,并可实现统计表格、统计图、专题图3种表现形式的任意切换。

(6)基于安全分区的IT设备运维管理。水利枢纽综合运行管理系统功能庞杂,需要相应规模的网络、计算、存储硬件环境和应用支撑软件,运行管理任务繁重,对有限的维护人员提出了极高的要求。针对这一情况,在生产控制区、生产信息区、综合业务区分别部署IT设备采集设备,将采集到的IT设备信息统一汇总至综合业务区进行数据分析,实现逐级及网络设备管理、数据库监控、应用系统故障管理、设备故障管理、设备日志管理等功能。

6 关键技术研究

水利枢纽综合运行管理系统涉及数据采集、数据存储、系统集成、大数据分析、地理信息、数据可视化以及各水利专业应用的前沿技术,本文仅根据作者本人研究方向对多维数据分析、GIS二三维一体化技术等2项技术进行论述。

(1)多维数据分析技术。将水利枢纽综合运行管理中的高层决策分析需求和重要分析事项(如:发电机组健康状况、工程安全评价、人才技术结构等),作为数据分析主题,抽取与主题相关的特征数据进行集成化处理,建立数据立方体,采用多数据分析中的OLAP(Online Analytical Processing,即联机分析处理技术),对分析主题进行钻取、切片、旋转等分析操作,将数据转换为辅助决策的知识。以此为基础,形成各类专题图,为用户提供决策分析依据。

以机组健康状况诊断主题为例,抽取机组序号、振摆幅度、轴瓦温度(为便于论述简化为三维,实际有很多维度),以一段时间内出现特殊值的日期进行统计,分别划分子集(如振摆幅度可划分为:最高振摆幅度50μm以下的日期、最高振摆幅度50～70μm的日期、最高振幅70μm以上的日期等),并对各类数据进行统计和集成,建立数据立方体。如图5。

图5 机组非优良状态运行数据立方体

通过不同维度的组合,并旋转维度位置(如图6),可以从不同角度观察数据,进行更加详细的数据分析。实际应用中,可选取更多维度,基于日常非故障数据的综合统计分析,对机组健康状况的判断,指导检修维护工作。

图6

(2)GIS二三维一体化技术。为更好的体现枢纽工程流域、区域范围内的地形、水文特征,更加形象直观的展现水利工程特点,对国内主流GIS平台软件二三维一体化技术进行了研究,并应用枢纽综合管理系统实现。

GIS二三维一体化平台,在二维GIS方面,采用了标准的OGC服务协议,提供标准的网络地图服务(WMS)、网络切片地图服务(WMTS)、网络空间处理服务(WPS);三维地图服务方面,由于目前国内外还尚未形成标准,因此采用商业GIS软件自定义的三维REST服务。GIS二三维一体化技术,同时具备二维GIS软件的实用性和三维GIS软件的表现力,体现在:

1)二维与三维在数据模型和数据结构上保持一体化。通过对二维数据结构进行调整,使三维GIS兼容二维的数据结构,所有的二维数据无需任何转换处理,可直接将经纬度数据加载到三维球面上显示。

2)二维三维分析一体化,所有的二维GIS分析和处理功能,均可以在三维场景中直接操作和使用,突破了单纯的三维可视化软件无法深度应用的瓶颈。

3)三维显示/服务发布一体化,通过LOD技术,可将中水科技OTS2000仿真系统中的三维精细模型,转换发布至GIS平台,应用流畅。

图7中,河道口表现上运用了GIS二三维一体化技术,二维GIS对于河流水系、道路、水文站点的位置关系表现更简洁、清晰,三维GIS对于地形地貌、流速流向的展示更加真实。

图7 GIS二三维一体化

7 结语

本系统是在统一设计的基础上,将水利枢纽综合运行管理涉及的各类应用及数据资源进行集成,针对高层综合应用的需求,对业务进行重新规划、梳理,通过资源协调、数据共享、数据挖掘等手段,提供功能完整、应用便捷、服务智能、展示度高的应用平台,满足用户更高的使用要求。

中水科技水利枢纽综合运行管理系统已在淮河蚌埠闸水利枢纽工程等项目应用,取得了良好的应用效果,运行稳定可靠,得到用户的肯定。当然,由于系统涉及专业领域较多,各项应用需逐步完善和协调,仍需要通过进一步开发和应用的累积使其逐步成为通用、开放、兼容的系统产品。随着系统的不断完善和我国水利建设的持续推进,该系统必将广泛服务于水利枢纽的运行管理。

TP311

B

1672-5387(2017)07-0052-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.07.017

2017-04-27

张 煦(1982-),男,高级工程师,从事水利信息化、自动化技术研究工作。