南水北调配套工程自动化数据采集、交换及展示

□刘豪祎（河南省南水北调中线工程建设管理局）

1 概述

南水北调中线工程是解决京津华北地区缺水的根本措施，是保证受水区经济社会可持续发展、实现生态环境良性循环的重大基础设施。河南省南水北调中线工程主要由总干渠主体工程、分水口门以下至城市水厂以前供水配套工程、城市水厂及管网工程三部分组成。河南省南水北调受水区供水配套工程上接总干渠，下连城市水厂，担负着承上启下的输水任务，是南水北调工程在河南省发挥效益的关键。

河南省南水北调配套工程自动化调度与运行管理决策支持系统（以下简称自动化系统）是河南省南水北调配套工程建成后的调度运行管理系统，对配套工程的科学调度、高效运行和安全管理起着至关重要的作用。

工程建成后，将向河南省11个省辖市和32个县（市）的城市水厂供水，极大改善河南省受水城市水资源紧缺状况，为城市经济社会可持续发展提供供水安全保障，对全省经济社会发展特别是中原城市群的经济发展发挥着重要作用，具有深远的影响。

自动化系统包括建设综合办公支撑系统、通信传输系统、网络数据存储与安全管理、调度会商实体环境工程等。自动化系统利用现代通信、计算机、信息管理等技术，建成先进实用、安全可靠，集基础性、全局性的水利信息资源存储管理、共享与交换、发布、应用服务、托管、标准制订、技术支持等功能为一体的水利数据中心，逐步形成标准、开放的水利信息信息化基础设施体系和水利信息资源的服务窗口，建设资源共享平台，全面提高水量调度等各项业务的处理能力，充分发挥工程效益。

文章主要从数据出发，重点介绍自动化系统的数据产生、数据组成、数据统一平台的建立、数据交换、数据抽取和数据展示。抓住数据这条主线，分析整个自动化系统的“数据流”，配套工程自上而下将水源供给各个地市，沿着输水管网自下而上产生的数据流汇聚、统计后促进着整个供水管网的运行。

2 自动化系统的数据组成

自动化系统的数据流，可以说就是收集各类系统生产运行时期产生的各种数据，在原有配套工程三级管理机构和空间地理位置以及各种管网、设备、元器件的相关设计参数、设备规格参数的基础上,为了保证系统安全、高效、有序的运行而构成的一个数据流体。简单的说，分为基础数据和运行数据。

基础数据主要就是在原有配套系统建设过程中的两类数据：第一类是组织机构和对应的管理设施，水文建筑及他们之间的隶属关系、空间位置关系；第二类是水文建筑内管线、泵阀、流量计等设备传感器的特性参数和实际运行参数。

运行数据又可分为以下几类：一是在已经完工的配套管网系统的基础上，利用预先埋设在供水管线各类建筑物上的传感器和监测设施，比如流量计、压力计等，通过完善科学的自动化设备，采集状态变量、业务变量和统计变量，这类数据也是运行数据的核心；二是视频、安防监控系统，远程会议系统，可以随时获得管理站点的视频影像资料；三是通过与水利外网进行数据交换，获得配套工程范围内的水情、水质和相关水文信息；四是各地管理维护队伍对配套供水管线建筑物的巡查，利用移动设备现场记录的文字、表单、图片和视频音频资料等；五是自动化系统本身的设备运行状态和特性见图1。

3 数据交换、数据抽取以及可视化的展示

通过自动化系统数据的组成，初步了解到自动化系统可以获取到哪些原始数据，但是怎么样采集、传输、存储以及应用系统怎么样利用这些数据做控制、统计、告警、预测和输出报表，才是整个自动化系统运行的任务所在，为了达到这些目标，我们通过以下几个步骤完成各应用系统之间的数据交换、数据抽取，以及各自的系统展示。

图1 自动化数据分类图

3.1 建立统一的系统集成数据平台、数据编码交换体系

上面提到，数据分为基础数据和运行数据，基础数据可以认为只有一套，但是能够产生原始数据的系统有好几个，比如水量调度系统、泵阀监控系统等，每个系统除了使用基础数据，也需要使用运行数据。在全省11个管理处，43个管理所，以及143个现地管理房都有自动化设备，那么就需要有统一的编码格式，有了统一的编码格式，我们才能完整的表达出它与上下游管理房的位置关系，以及隶属的管理所，管理处之间的关系。这样我们才能够清晰的获取到特定管线上流量计的统计数据，计算管道输水的损耗，从而预警和防范问题发生。因此，在整个配套设施管网建立统一的数据编码格式。

图2简要描述了系统内部分组织机构，管理设施，水文建筑，以及下属的设备，这样诸如流量计的读数，阀门的开度，我们都可以使用一个唯一性编码来表达，方便各个应用系统之间的数据共享。同时，利用关系数据库的特性，描述各级组织机构，管理设施和水文建筑、设备之间的隶属关系及上下游关系，并形象的在GIS平台上使用点、线图例表达出来。

图2 部分组织机构图

3.2 各应用系统按照数据交换格式共享出自己系统独有的数据到集成数据平台

每个系统，都会产生特定的数据，这些数据需要依照第一步建立的编码格式上传到集成数据平台，那么就需要建立完善的数据交换格式用来消除各应用系统之间的数据异构，每个系统可以选择不同的交换通讯方式，可以是数据库复制，可以是TCP/IP协议下的HTTP协议、Webservice协议、ETL方案等。

网络层次分为控制专网和业务内网，依据政务网络的惯例，两个网络之间需要通过网闸进行数据交换，以确保控制专网数据的安全性。网闸提供完全复制、增量同步、发送后删除、发送后备份等多种同步策略，也支持oracle、Sql Server、DB2、Sybase等主流数据库间的同种或异种数据库同步，支持单向和双向同步。

图3简要显示了目前自动化系统元数据的来源，分别是从泵阀监控系统，视频安防系统，和工程安全系统实时读取的数据，以及通过水利外网定时交换的数据。

图3 自动化系统元数据来源图

3.3 各应用系统按照数据交换格式获取自己系统需要的数据集

应用系统，可能需要从集成数据平台抽取自己需要的数据，并进行统计，分析，然后通过第二步再将中间数据或结果数据传送回平台，这里是一个动态抽取和传送的过程，也是所有应用系统与整个自动化系统数据交换和杂糅的过程。

对于一部分数据的统计路径应该唯一，比如水量调度系统和综合信息服务系统都需要计算和展示各节点的流量数据、损耗数据等，那么必须有一个特定的系统通过完善准确的模型计算这些数据，并共享这些数据。

图4可以认为是各个系统从自动化数据平台获取自己想要的数据，包括基础数据和其他系统产生的公共数据，然后和自己产生的实时数据共同组成系统的数据库。

3.4 应用系统按照原有功能需求实现数据展示

每个应用系统都有自己展现层的侧重点，泵阀控制、安全监测、视频监控、视频会议、综合信息服务、决策会商等，各自系统通过数据平台得到自己需要的数据，依照自身设计的功能特点，通过可视化，动态化，集中化，利用WEB界面、GIS平台、智能关联查询等，完成整个自动化调度需要实现的目标。

图4 各子系统与数据平台实现数据交换图

4 充分协作，数据共享，有机统一的展望

系统关于数据的处理，第一个阶段是采集，整理，分析和展示，目前这个阶段还在建设当中，但是我们不妨展望一下，数据第二个阶段就是更加完善的传感器部署体系以及更加完善的数据协作共享平台，以此为基础建立水利大数据，并充分整合空间地理数据，利用当下发展迅速的大数据思维理念，能够做到智能调度、智能预测、智能告警、实现更少的人工参与及时消除隐患。

5 结语

河南南水北调配套工程是河南省重要的民生工程，而自动化工程就是为了让分布在全省境内的配套管网供水设施可以“长治久安”的高效运行，而“数据流”正好是整套系统体系的“血液”。它可以让系统自身更加健壮，它可以让系统接受调度中心的指挥和监控，它可以反馈指导各级管理机构让他们统一步调，它还可以让我们不断审视创新，自我改进和完善。