SCADA結(jié)合GIS平臺在城市地下管線信息系統(tǒng)中的應(yīng)用

游建泳，戴黎明，吳 斌

(廈門精圖信息技術(shù)股份有限公司，福建廈門361008)

一、引 言

近年來城市地下管線信息化管理腳步越來越快，以地理信息技術(shù)為核心、以各類城市地下管線空間數(shù)據(jù)為支撐的城市地下管網(wǎng)地理信息系統(tǒng)在地下管線的規(guī)劃、設(shè)計、施工和管理工作中發(fā)揮著重大的作用。一個成熟的地下管網(wǎng)地理信息系統(tǒng)能夠利用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以系統(tǒng)資源數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，以地理信息系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)、監(jiān)視控制系統(tǒng)為手段，對可能出現(xiàn)的事故進行預(yù)警，迅速執(zhí)行已制定的預(yù)警方案以限制事故突發(fā)的可能性，或利用GIS系統(tǒng)來發(fā)現(xiàn)事故突發(fā)地點，為應(yīng)急搶修提供各種有效數(shù)據(jù)，使應(yīng)急計劃者能在最短時間內(nèi)進入應(yīng)急狀態(tài)、到達事故位置，將事故的影響范圍和經(jīng)濟損失控制在最小范圍內(nèi)。

城市下管線種類繁多、分布廣、數(shù)量龐大，涉及許多管線權(quán)屬單位。為了有效提高城市管網(wǎng)系統(tǒng)在突發(fā)事件時的應(yīng)急監(jiān)測和處理的應(yīng)變能力，必須提高相關(guān)信息的收集、處理、分析和發(fā)布工作，在對輸配管網(wǎng)和設(shè)施的實時數(shù)據(jù)的監(jiān)測上，許多管線權(quán)屬單位都紛紛引入、定制與自身管線相關(guān)的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)(SCADA)，以滿足對管網(wǎng)設(shè)施的實時監(jiān)控、事故預(yù)警等應(yīng)急業(yè)務(wù)需求。本文將技術(shù)角度上，從GIS平臺和SCADA系統(tǒng)的應(yīng)用集成上，討論如何在城市綜合管網(wǎng)平臺上將各類管線的實時監(jiān)測信息與管網(wǎng)空間位置信息相結(jié)合，直觀表達管網(wǎng)運行情況，為管網(wǎng)調(diào)度、管理人員提供準(zhǔn)確的地理和管網(wǎng)運行數(shù)據(jù)信息，完成在應(yīng)急事故前的合理調(diào)度，以提高相關(guān)管理部門的管理水平和工作效率。

二、GIS結(jié)合SCADA的理論應(yīng)用研究

1.GIS系統(tǒng)與SCADA系統(tǒng)概況

地理信息系統(tǒng)(GIS)是一種對空間中的有關(guān)地理分布數(shù)據(jù)進行采集、儲存、管理、運算、分析、顯示和描述的空間信息系統(tǒng)，GIS用戶通過部署一個集中式的GIS服務(wù)器，以實現(xiàn)Internet的用戶之間發(fā)布和共享地理信息。城市地下管線管理信息系統(tǒng)是GIS軟件為支持平臺的應(yīng)用型技術(shù)系統(tǒng)。它以電子地圖為基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)、以空間信息數(shù)據(jù)和屬性信息數(shù)據(jù)為資源，通過地下管線信息和城市基礎(chǔ)空間信息的聯(lián)合查詢、統(tǒng)計和分析，從而為城市建設(shè)的規(guī)劃、管理提供技術(shù)決策支持。

數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)(SCADA)系統(tǒng)是以計算機為基礎(chǔ)的生產(chǎn)過程控制與調(diào)度自動化系統(tǒng)。它可以對現(xiàn)場的運行設(shè)備進行監(jiān)視和控制，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、測量、參數(shù)調(diào)節(jié)及各類信號報警等各項功能，有著信息完整、提高效率、正確掌握系統(tǒng)運行狀態(tài)、加快決策、能幫助快速診斷出系統(tǒng)故障狀態(tài)等優(yōu)勢，現(xiàn)已成為各類管網(wǎng)調(diào)度不可缺少的工具。

2.GIS數(shù)據(jù)與SCADA數(shù)據(jù)交互的可行性

實現(xiàn)GIS系統(tǒng)與SCADA系統(tǒng)的集成，在于實現(xiàn)兩個平臺數(shù)據(jù)間的交互和共享。GIS系統(tǒng)和SCADA系統(tǒng)平臺間是相互獨立的，首先要解決兩個平臺間數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一的問題，以實現(xiàn)GIS系統(tǒng)的地理空間數(shù)據(jù)庫和SCADA的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)庫兩個數(shù)據(jù)庫間的數(shù)據(jù)可以自由讀取，進而實現(xiàn)設(shè)備的實時運行數(shù)據(jù)與圖形數(shù)據(jù)的集成應(yīng)用。

在GIS數(shù)據(jù)庫中，綜合管網(wǎng)的各類管線數(shù)據(jù)是分層存儲的，各圖層具有自身對應(yīng)的屬性表，其中包含了詳細(xì)的地下管線地理信息數(shù)據(jù)，如管網(wǎng)節(jié)點(閥門、消防栓、變電站、接線箱等)的空間位置和設(shè)施屬性數(shù)據(jù)等。為了達到與SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)的交互，可在GIS數(shù)據(jù)庫中為不同管類添加相對應(yīng)的動態(tài)圖層，根據(jù)各管類自身SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)的屬性結(jié)構(gòu)來設(shè)置GIS動態(tài)圖層的屬性結(jié)構(gòu)，以便能在GIS數(shù)據(jù)庫中存儲相關(guān)的監(jiān)控設(shè)施所采集的實時動態(tài)數(shù)據(jù)。在動態(tài)圖層的支撐下，GIS系統(tǒng)按一定的時間周期讀取SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中所對應(yīng)的實時監(jiān)控信息，并實時更新GIS數(shù)據(jù)庫中動態(tài)圖層的屬性。最后，通過GIS系統(tǒng)平臺的功能設(shè)計、編程開發(fā)，實現(xiàn)SCADA數(shù)據(jù)和GIS數(shù)據(jù)在GIS平臺上的綜合應(yīng)用、數(shù)據(jù)展示。

3.GIS系統(tǒng)結(jié)合SCADA系統(tǒng)的設(shè)計思路

GIS系統(tǒng)建成后，能將地下管線信息以數(shù)字的形式進行獲取、存儲、管理、分析、查詢、輸出、更新，建立公共數(shù)據(jù)交換服務(wù)平臺，實現(xiàn)地下管線數(shù)據(jù)的動態(tài)管理;在結(jié)合SCADA數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過調(diào)取SCADA系統(tǒng)所提供的實時數(shù)據(jù)，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)在地圖上的動態(tài)顯示，能為城市地下管線應(yīng)急、防災(zāi)減災(zāi)工作等提供全面的管網(wǎng)地理信息數(shù)據(jù)和現(xiàn)場實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，為管網(wǎng)事故的應(yīng)急調(diào)度和管理提供決策支持。如在GIS系統(tǒng)的地圖中，可通過查詢定位到某供水管道，并查看該管道上的實時水流量、水壓等監(jiān)測數(shù)據(jù)，并可對超過警戒水壓值的管道執(zhí)行高亮顯示，為管網(wǎng)預(yù)警提供技術(shù)上的可行性。

三、GIS系統(tǒng)結(jié)合SCADA系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計

目前，SCADA系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于電力、供水、工業(yè)等領(lǐng)域的管網(wǎng)數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視控制的工作。在電力系統(tǒng)中，SCADA系統(tǒng)應(yīng)用最為廣泛。發(fā)電、變電、輸電等環(huán)節(jié)均包含著大量的實時數(shù)據(jù)信息，而電力管網(wǎng)中也包含著龐大數(shù)量的電力設(shè)施、管道，通過GIS技術(shù)來管理其空間數(shù)據(jù)，并將電力管網(wǎng)的空間性與其自動化管理中的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)集成在一起，將為電力企業(yè)在管網(wǎng)的管理、規(guī)劃和應(yīng)急處理上提供一個高效的、先進的技術(shù)手段。以下從電力管線的實際軟件應(yīng)用上探討GIS與SCADA的集成應(yīng)用:

1.電力管網(wǎng)動態(tài)監(jiān)測

配電管網(wǎng)規(guī)模龐大，涵蓋的配電設(shè)備眾多且分布的區(qū)域范圍較廣。在GIS數(shù)據(jù)庫中為管網(wǎng)點、線圖層或單獨的配電設(shè)施監(jiān)測圖層設(shè)置與SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)映射的屬性結(jié)構(gòu)，GIS系統(tǒng)再按一定的周期時間讀取SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫發(fā)來的動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)在GIS系統(tǒng)地圖中作可視化處理，通過配電設(shè)施符號變化、著色變化、標(biāo)注文字動態(tài)變化等手段實時反映管網(wǎng)運行狀態(tài)。

2.管網(wǎng)查詢統(tǒng)計

針對管網(wǎng)配電設(shè)施，提供空間位置、管網(wǎng)屬性、SCADA監(jiān)測屬性相結(jié)合的組合查詢、統(tǒng)計功能，統(tǒng)計結(jié)果并提供直方圖、餅圖、曲線圖等多種形式顯示。

3.預(yù)警定位、發(fā)布

通過對SCADA系統(tǒng)中讀取的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行預(yù)判，或?qū)芫W(wǎng)設(shè)施老化年限的預(yù)警等，對可能發(fā)生的故障位置，GIS系統(tǒng)地圖將自動定位到該區(qū)域，閃爍報警并導(dǎo)出監(jiān)測數(shù)據(jù)信息和當(dāng)前地圖信息。

4.故障定位、分析

當(dāng)接到故障反應(yīng)，可通過系統(tǒng)查詢功能快速定位到故障區(qū)域，查看故障周邊配電管網(wǎng)敷設(shè)情況、SCADA歷史數(shù)據(jù)監(jiān)測記錄，為故障排查和維修提供決策支持;并且，在GIS系統(tǒng)上可直觀查看、分析故障位置周邊環(huán)境，對故障可能造成的損失、影響范圍有所預(yù)判。

當(dāng)需要進行管網(wǎng)維護時，也可在系統(tǒng)中模擬“故障”情況，通過GIS數(shù)據(jù)和SCADA數(shù)據(jù)的分析、判斷，得到“故障”可能產(chǎn)生的影響范圍(如停電用戶數(shù)等)，為事前信息發(fā)布、調(diào)度管理提供信息支撐。

5.設(shè)備設(shè)施管理

通過擴充GIS系統(tǒng)中的屬性數(shù)據(jù)，將編輯、版本管理功能與配電管網(wǎng)設(shè)施的維修、管網(wǎng)改建、人員調(diào)遣記錄等業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)相結(jié)合，為設(shè)備設(shè)施的歷史記錄管理提供依據(jù)。

四、實用案例

在漳州招商局經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)綜合管線管理信息系統(tǒng)的建設(shè)中，將電力、供水系統(tǒng)中的SCADA監(jiān)控數(shù)據(jù)與GIS系統(tǒng)相結(jié)合，通過監(jiān)控圖顯示、表格實時數(shù)據(jù)展示等手段，在綜合管線系統(tǒng)上為管線權(quán)屬單位在管網(wǎng)綜合調(diào)度、實時信息獲取上提供了有效的技術(shù)支撐。該SCADA數(shù)據(jù)應(yīng)用模塊也獲得電力、水務(wù)等單位的一致好評，并在業(yè)主單位的積極推動下，對SCADA與GIS的結(jié)合應(yīng)用作更進一步拓展、深化。以下從技術(shù)設(shè)計角度，對該項目中的SCADA數(shù)據(jù)應(yīng)用模塊做簡要說明:

1.GIS地圖獲取實時監(jiān)測數(shù)據(jù)

通過將電力的變電站、開閉所和供水的凈水廠監(jiān)控等SCADA系統(tǒng)監(jiān)控圖發(fā)布為GIS地圖服務(wù)，在GIS動態(tài)圖層上根據(jù)監(jiān)控圖中監(jiān)控數(shù)據(jù)位置創(chuàng)建點，并將監(jiān)控數(shù)據(jù)存儲于該點的屬性上;再以一定的周期時間讀取SCADA系統(tǒng)傳遞來的監(jiān)控數(shù)據(jù)更新于動態(tài)圖層對應(yīng)點的屬性上，并標(biāo)注在地圖中;最后通過GIS地圖刷新，實現(xiàn)SCADA監(jiān)控數(shù)據(jù)在GIS地圖上的動態(tài)顯示。如圖1所示。

圖1

2.GIS地圖服務(wù)與SCADA數(shù)據(jù)映射

通過為GIS空間數(shù)據(jù)與SCADA監(jiān)控圖制定索引查找關(guān)系，系統(tǒng)用戶在GIS管線系統(tǒng)中，通過查詢定位找到所要查看的監(jiān)控點，并可調(diào)取該監(jiān)控點對應(yīng)的監(jiān)控圖服務(wù)顯示于地圖窗口中。在顯示的監(jiān)控圖中，除動態(tài)顯示監(jiān)控數(shù)據(jù)外，系統(tǒng)用戶還可通過選擇監(jiān)控圖中具體的監(jiān)控點，調(diào)取下一層的監(jiān)控圖顯示。如在顯示的變電站監(jiān)控圖中，通過選取某段線路，調(diào)取該線路映射的另一幅監(jiān)控圖，以查看其詳細(xì)的電壓、電流等具體監(jiān)控屬性數(shù)據(jù)。

五、結(jié)束語

本文主要從地理信息系統(tǒng)平臺上，通過與SCADA數(shù)據(jù)的集成，探索城市地下管線信息系統(tǒng)的預(yù)警、應(yīng)急、綜合管理功能建設(shè)。GIS管網(wǎng)模型結(jié)合SCADA監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時性、可靠性，將大大提高管網(wǎng)綜合管理、安全運行和調(diào)度處理能力，也可為城市地下管線的規(guī)劃、管理和各類服務(wù)工作提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

［1］喬志勇.燃?xì)夤芫W(wǎng)設(shè)備管理系統(tǒng)的應(yīng)用與研究［C］∥第二屆數(shù)字管道信息化(管理)建設(shè)論壇暨油氣集輸與儲運技術(shù)研討會論文集.北京:［s.n.］，2010.

［2］胥莉，周立華.GIS與SCADA系統(tǒng)模型交互的實現(xiàn)［C］∥中南七省(區(qū))電力系統(tǒng)專業(yè)委員會第二十四屆聯(lián)合學(xué)術(shù)年會.井崗山:［s.n.］，2009.