某海绵城市排水系统SCADA优化设计

郑瑞琦 王根喜

摘要：本文简要介绍了常规城市排水系统SCADA的架构，从其单一的远程监控中心的集中性风险，服务器负载均衡性，SCADA运行的操作系统环境等角度分析了常规城市排水系统SCADA的缺点，并结合某中型城市海绵城市建设的特点，在SCADA架构、服务器负载均衡策略、服务器操作系统选型等方面提出了常规城市排水系统SCADA的优化设计思路。

Abstract： This article briefly introduces the architecture of conventional urban drainage system SCADA. It analyzes the shortcomings of conventional urban drainage system SCADA from the perspectives of centralized risk of its single remote monitoring center， server load balancing， and the operating system environment in which SCADA runs. Combining the characteristics of the construction of a medium-sized city sponge city， the optimization design ideas of conventional urban drainage system SCADA are proposed in terms of SCADA architecture， server load balancing strategy， and server operating system selection.

關键词：SCADA;主监控中心;区域控制中心;实时数据库

Key words： SCADA;main monitoring center;regional control center;real-time database

中图分类号：TU991.02                                 文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）36-0278-03

1  海绵城市排水系统SCADA主要特点

近年来，为解决城市内涝和水资源综合利用问题，国家在多个城市进行海绵城市建设试点，明确以生态优先为原则，统筹降水、地表径流、地下水的整体性，化害为利，促进安全、生态双保护。其中城市排水系统的可靠性、可用性、及时性对城区人民的生命财产安全起到关键保障作用，通常设置SCADA实现对城市排水系统的监控管理。

海绵城市排水系统SCADA以数据采集、传输、存储和管理为基础，通过运用通信及计算机网络、信息采集与处理等技术，建设以闸站监控、工情监测、水情监测等为核心业务的监控作业平台，其主要特点如下：

1.1 信息采集站点分布地域广

城市排水系统SCADA的信息采集站点分布于城市各个角落，包括低洼易涝区、重点企业保护区、文物保护区、水闸、泵站等，SCADA的网络需做到全覆盖。

1.2 闸站PLC系统较多

城市排水系统中的闸站PLC系统因建设时间跨度较大，存在较多的PLC品牌，衍生出多种通讯协议，要求SCADA的兼容性强。

1.3 数据量大，实时性要求高

城市规模越大，排水系统站点相对越多，对SCADA的容量要求就越大，对于大中型城市而言，SACDA实时数据库容量基本都在5万点以上。在汛期，SCADA对城市排水系统闸站的控制需保证秒级刷新，秒级控制，这对SCADA平台的性能与架构提出了更高的要求。

2  常规城市排水系统SCADA架构及存在问题

常规城市排水系统SCADA架构一般包含现场仪表、PLC系统，网络系统，监控中心服务器系统等几大部分，系统架构如图1。

2.1 硬件配置

监控中心配置两台互为冗余的实时/历史数据库服务器，数据库运行环境为Windows Server操作系统，主要进行监控系统的数据采集、报警、事件等监控系统相关进程工作。工程师站、操作员站组态软件运行环境为Windows操作系统，为工程师组态开发和操作员进行监控操作提供友好界面。

2.2 系统软件配置

SCADA软件采用C/S架构，监控中心配置不小于5万点容量的实时/历史数据库两套，操作员站2套，工程师站1套。监控中心的实时/历史数据库用于实时数据的采集与通讯，历史数据存储等功能。

2.3 主要存在问题

2.3.1 远程监控中心容易出现对全局失去监控的风险  当远程监控中心发生大面积停电，或者监控中心网络崩溃等情况下，将失去对城市排水系统实时状况的全面掌控。

2.3.2 大容量实时点数下服务器负荷过高  对于I/O点数5万点以上的大容量实时数据点数场景，常规的C/S架构SCADA平台采用一主一备方式，主服务器处于高负荷运转，备用服务器低负荷运行。尽管服务器性能越来越高，但主服务器仍易出现数据卡顿，刷新慢，硬件老化快等问题。

另外，常规SCADA软件对实时大数据量的秒级处理能力仍是一个技术瓶颈，常规解决方案多采用数对冗余I/O服务器，把数万点的系统分摊成多个1万点左右的系统，这导致服务器和SCADA冗余软件成本、开发成本等均大大增加，同时，客户端和操作站需面向多套系统数据，对系统的数据刷新速率，CPU负荷都会有较大拖累，难以满足监控数据的实时性要求。

2.3.3 服务器操作系统安全性差  鉴于Windows漏洞较多，网络功能较差，源代码不开放无法进行开发完善等固有缺点，很容易受到攻击，在SCADA内任何主机染毒后，都会影响到服务器的数据安全问题。

3  常规城市排水系统SCADA在海绵城市建设中的优化改进

3.1 监控中心对全局失去监控的风险防控

3.1.1 容灾备份中心思路  容灾备份中心是防范灾难、降低损失的重要手段，其主要功能是当主监控中心出现网络崩溃、硬件故障、火灾等各种意外状况，主监控中心失去与现场控制站的通讯时，容灾备份中心可接管主监控中心所有的通讯、调度和控制等任务。在软硬件配置方面，容灾备份中心可按照和主监控中心1：1配置建设，也可进行精简配置，以实现与主监控中心软硬件的同步冗余备份，充分保障系统安全，该方案总体架构如图2所示。

3.1.2 设置分布式区域控制中心思路  为分摊主监控中心的集中性风险，可根据现地PLC站的数量和地理分布，以及网络资源状况，结合行政区划，按片区设置区域控制中心，主监控中心作为各区域控制中心的容灾备份中心。系统正常运行时，以各区域控制中心为主，主监控中心采集处理并存储各区域控制中心的实时/历史数据，实时监控各区域控制中心的状态，一旦检测到某一区域控制中心崩溃，主监控中心立即接管该区域控制中心的所有通讯、调度和控制等任务，当该区域控制中心恢复正常后，主监控中心将相关通讯、调度和控制等任务切换到该区域控制中心。该方案总体架构如图3所示。

该优化设计思路采用分布式数据库管理系统，数据呈现物理上是分散的，逻辑上是统一的，其特点如下：

①数据共享性与自我管理。

用户针对分布式数据库操作同集中式数据库，用户不必关心数据的位置，只要有相应的操作权限，就可以对数据进行增、删、改、查等操作，分布在各结点上的所有数据都是共享的。每个结点的管理人员可根据实际情况，选择本节点数据库的数据是否作为全局的数据共享，对不参与共享的数据，分布式数据库系统将其只保留在相关节点的某类数据库中。

②冗余的可管理性。

针对集中式数据库系统，冗余数据量的大小是衡量其是否最优的关键指标，而对于分布式数据库系统，适当的冗余数据能提高其查询速度，安全性得到增强。不同节点用户操作相同的数据时，在本节点上各自存放一份，提高了本地访问速度，减少了网络间通信带宽需求，提高了数据操作的效率。

③分布式事务管理。

分布式数据库结构在逻辑结构和物理结构的组织方面，可扩展为全局逻辑、局部逻辑和局部物理等结构方式。针对全局数据的管理通过分布式事务管理方式实现，全局事务由局部子事务构成，与集中式数据库系统的事务管理策略有本质区别。

④高效率应用及可用性。

分布式数据库系统的数据存放于不同节点，用户在访问某类数据时，可从最合适的节点副本进行数据访问，相对集中式数据库系统，该访问方式效率更高，数据的可用性更好，对带宽需求降低，节约通信成本。

3.2 实时大容量点数条件下服务器的负载均衡控制

为避免实时大容量点数下服务器间的负载不均衡，在不同的服务器上，SCADA软件可部署相异的应用数据进程，保证各服务器运行负载比较均衡。对于大中型城市排水系统SCADA，可采用集群方式，无需再拆分不同的IO系统，根据工艺或者地理区域，划分不同的集群，用2到3台服务器把整个系统稳定运行起来。

SCADA软件应用任务可包括远端数据采集、数据集中管理，以及相应类服务器管理等。在任务可分布前提下，软件系统能实现相关应用进程的备用模式，即某一应用进程既可以配置在一个服务器上运行，同时可配置在多服务器上备用运行，此情形下的其它服务器变成了备用服务器，实现1∶N冗余模式，大大提高系统资源的利用效率。实践中多台服务器上分别为某一任务设置优先级，若正常运行的该任务中断时，拥有最高优先级的服务器接管该任务;当多台服务器同时运行时，对该任务拥有最高优先级的服务器将运行该任务，这时正在运行该任务的服务器则为主服务器，其它服务器仍为备用服务器。

图4以A、B、C三个系统为例，配置三台服务器，说明负载均衡和1∶N冗余的原理：对于每一个集群数据库，1、2、3、4、5、6进程可以是软件的一些典型应用进程。在正常工作时，A、B、C三个系统的服务器相互独立，不间断彼此侦听，若某台服务器发生故障，则该服务器上的任务进程可按配置策略，自动切换到备用服务器上运行，保证系统的可靠性。例如定义了A系统的权限认证进程1，2首选在Server1服务器上运行，当Server1发生故障时，进程1自动切换到Server2上运行，进程2自动切换到Server3上运行;如果Server2也发生故障，而Server1还没有恢复，则该1，2，3，4进程均将切换到Server3上运行。

图5中，当所有故障服务器恢复后，系统的进程根据规划的负载均衡配置，把整个系统进程均衡的分摊到原先设定的服务器上，保证系统的稳定与可靠。

3.3 操作系统风险防控

目前，对规模较大SCADA的工控安全越来越重视，而以Windows操作系统为运行环境的SCADA平台软件，受Windows操作系统固有缺陷影响，在工程实践中出现过多起安全事故。鉴于开源的UNIX/Linunx操作系统在可靠性、安全性、开放性、网络功能、多类型数据库支撑、多任务多用户支持等方面均优于Windows，近年来，在大型工程中采用基于Unix/Linux运行环境的SCADA平台软件越来越多，如石油石化、天然气领域，以及南水北調中线和东线等大型工程均采用了基于Unix系统的SCADA软件平台，因此，大中型城市排水系统SCADA运行环境宜优先采用UNIX/Linunx操作系统。

4  结语

针对常规城市排水系统SCADA存在的突出问题，本文提出了改进措施，但仍需结合城市排水系统的规模、地理分布、应急响应能力等诸多客观条件，因地制宜，在保证安全、可靠、可用、可扩展等前提下，尚需考虑经济性，选用成熟的模块化的系统平台进行应用。

参考文献：

[1]李迺员.基于海绵城市的城市道路排水系统优化设计研究[J].居舍，2019（24）：107.

[2]张爽.海绵城市透水铺装道路排水系统设计优化及调控效果模拟研究[D]长安大学，2019.

[3]王少冰.海绵城市排水系统优化设计[D].南昌工程学院，2017.