水閘調(diào)度中信息孤島的整合分析

黃 磊，楊士斌，劉 濤，陳琦瑩

（海河水利委員會(huì)海河下游管理局，天津 300061）

近年來，水利行業(yè)以“水利信息化帶動(dòng)水利現(xiàn)代化”速度明顯加快，特別是圍繞防汛抗旱這一中心任務(wù)，在水閘調(diào)度信息化方面取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，部分新建工程已經(jīng)具備了工程集中控制、視頻監(jiān)視、異地會(huì)商、水情遙測(cè)、過流模擬等功能，大大提高了管理人員對(duì)水情、工情的掌握。但由于建設(shè)時(shí)期及所屬項(xiàng)目類別的差異，各系統(tǒng)技術(shù)平臺(tái)不一、通信方式和數(shù)據(jù)組織多種多樣，各系統(tǒng)內(nèi)部功能偶合度高而系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)兼容和可集成度低，由此形成了一個(gè)個(gè)各自為戰(zhàn)的信息孤島。

1 信息孤島的形成與弊端

所謂的“信息孤島”，就是指這些相互之間在功能上不關(guān)聯(lián)互助、信息不共享互換以及信息與業(yè)務(wù)流程和應(yīng)用相互脫節(jié)的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。

信息孤島的存在所帶來的弊端是顯而易見的。信息更新的同步性差，從而影響了數(shù)據(jù)的一致性和正確性，信息使用和管理效率低下，且缺乏業(yè)務(wù)交互功能與信息共享，致使水情、工情等信息多停留在采集、查詢階段，難以形成彼此聯(lián)系的信息流和可供挖掘的信息資源。

這些信息孤島的形成是信息化發(fā)展的必然階段，如何集成利用好這些孤島，將其整合為具有較強(qiáng)信息支撐能力的決策支持平臺(tái)是我們水利信息化亟需深入思考的問題。

2 水閘調(diào)度中信息孤島的存在形式及特點(diǎn)

水閘的調(diào)度，與工程安全、除害興利和水資源綜合利用等方面息息相關(guān)，是涉及多專業(yè)知識(shí)的綜合運(yùn)用過程，應(yīng)根據(jù)水閘所承擔(dān)任務(wù)的主次關(guān)系及相互結(jié)合情況，建立科學(xué)的調(diào)度方案，對(duì)流域水閘的調(diào)度過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控和優(yōu)化管理，處理好防洪與興利的關(guān)系，直至共同達(dá)到整體綜合最優(yōu)效益。

水閘調(diào)度過程中涉及水情信息、工情信息、安全信息、水文學(xué)演算等多類信息，對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、聯(lián)動(dòng)性和安全性要求高。水閘調(diào)度過程遇到常見的信息孤島可以總結(jié)為以下幾類。

2.1 水閘集中控制系統(tǒng)

2.1.1 功能概述

計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由多圈絕對(duì)值編碼器閘門開度儀、Profibus-DP接口、Profibus-DP總線、可編程控制器、監(jiān)控計(jì)算機(jī)等組成。監(jiān)控計(jì)算機(jī)與可編程邏輯控制器之間通過網(wǎng)絡(luò)連接，主要運(yùn)用組態(tài)軟件對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、控制和保護(hù)。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，從管理功能上可劃分為3個(gè)層次，即操作層、控制層和調(diào)度層。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 水閘集中控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

（1）操作層：負(fù)責(zé)采集閘內(nèi)外水位、閘位、電力狀態(tài)、承重荷載、閘門開關(guān)量、水泵開關(guān)量等相關(guān)數(shù)據(jù)（主要依靠各類傳感器實(shí)現(xiàn)），并接受有關(guān)控制信息（電氣開關(guān)量及編碼量）。

（2）控制層：負(fù)責(zé)接收操作層采集的水情工況數(shù)據(jù)，經(jīng)處理（主要依靠PLC）后上傳給調(diào)度層，并在調(diào)度層的授權(quán)下發(fā)出調(diào)度指令。

（3）調(diào)度層：負(fù)責(zé)接收監(jiān)控點(diǎn)傳來的水情工況數(shù)據(jù)，并進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控；備份各監(jiān)測(cè)點(diǎn)水情工況和運(yùn)行記錄等歷史數(shù)據(jù)（多為傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)）；對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，供管理人員決策。

2.1.2 特征分析

水閘集中控制系統(tǒng)屬于工業(yè)控制領(lǐng)域，具有嚴(yán)格的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，同類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相似，對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性、安全性要求高，對(duì)操作層物理量的采樣頻率高，系統(tǒng)可靠性好。但受傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)限制，調(diào)度層的數(shù)據(jù)記錄、分析的實(shí)時(shí)性稍弱。同時(shí)，由于專業(yè)視角的差異，使得該類系統(tǒng)多側(cè)重工業(yè)控制而忽視數(shù)據(jù)分析，造成數(shù)據(jù)資源開發(fā)不足，對(duì)工程和水文管理的決策支持乏力。

2.2 水閘視頻監(jiān)視系統(tǒng)

2.2.1 功能概述

近年來，視頻監(jiān)視技術(shù)大量應(yīng)用于水閘調(diào)度管理，有力地提高了管理人員對(duì)工程的掌握程度。隨著技術(shù)的進(jìn)步，該類系統(tǒng)的新架構(gòu)、新標(biāo)準(zhǔn)也層出不窮、日新月異。這里，我們抽去具體的技術(shù)差別，將目前主流的視頻監(jiān)視系統(tǒng)做一原理性的說明，如圖2所示。

圖2 水閘視頻監(jiān)視系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)前端采用模擬攝像機(jī)，通過視頻編碼器，將模擬視頻經(jīng)過數(shù)字化、壓縮、打包等過程變成基于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的視頻流或采用一體化的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，在視頻監(jiān)控的前端完成網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化，視頻流通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，發(fā)送到視頻需求者。視頻的使用者可利用軟件進(jìn)行解碼，在PC機(jī)上進(jìn)行顯示和處理，利用分布在網(wǎng)絡(luò)上的服務(wù)器或其他類型的網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)設(shè)備根據(jù)需要進(jìn)行錄像。

2.2.2 特征分析

水閘視頻監(jiān)視系統(tǒng)也屬于實(shí)時(shí)系統(tǒng)，就其本身而言技術(shù)已經(jīng)十分成熟，它主要處理現(xiàn)場(chǎng)視頻數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量大，應(yīng)用效果直觀可見。但在水閘調(diào)度中，該類系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)單一，不能反映現(xiàn)場(chǎng)水情、工況詳情（如上下游水位、閘門開度），與水閘監(jiān)控系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)效果不佳。

2.3 水位自測(cè)報(bào)系統(tǒng)

2.3.1 功能概述

水位自測(cè)報(bào)系統(tǒng)屬于水文遙測(cè)系統(tǒng)的一部分，主要包括以下幾個(gè)方面：水文數(shù)據(jù)采集設(shè)備，一般指的是水文遙測(cè)下位機(jī)，可進(jìn)行雨量采集、水位采集、流量采集；數(shù)據(jù)傳輸終端（GPRS或無線短傳），完成遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸；水文信息中心站，包括系統(tǒng)軟件及數(shù)據(jù)庫(kù)，可分析、顯示、存儲(chǔ)、發(fā)布水文信息數(shù)據(jù)以供決策，如圖3所示。

圖3 水位自測(cè)報(bào)系統(tǒng)

2.3.2 特征分析

此系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集及時(shí)準(zhǔn)確，存儲(chǔ)、分析能力較強(qiáng)，但與水閘監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)存在冗余，同時(shí)其部分?jǐn)?shù)據(jù)資源可供水閘過流模擬和水情綜合查詢使用。

2.4 水閘過流曲線模擬系統(tǒng)

2.4.1 功能概述

該系統(tǒng)以多年過閘流量水力計(jì)算成果為基礎(chǔ)，通過水力學(xué)計(jì)算方法對(duì)各種情況下的水閘下泄流量進(jìn)行計(jì)算，對(duì)各種不同情況下的上下游水位進(jìn)行組合，確定水閘的下泄流量，繪制出閘門不同開度下的上下游水位流量關(guān)系曲線，以此為基礎(chǔ)確定各水閘合理的管理調(diào)度運(yùn)用方案，提供各種情況下的過閘流量，滿足水閘管理運(yùn)用要求。系統(tǒng)界面，如圖4所示。

圖4 水閘過流曲線模擬系統(tǒng)運(yùn)行界面

2.4.2 特征分析

對(duì)有閘門或設(shè)置胸墻的水閘而言，一般出現(xiàn)堰流和孔流兩種流態(tài)。隨著閘門運(yùn)用方式的變化，這兩種流態(tài)可以互相轉(zhuǎn)化。上述兩種流態(tài)的轉(zhuǎn)化界限與閘門相對(duì)開度e/H有關(guān)（e為閘門開啟高度，H為堰頂以上的閘前水頭）。同時(shí)，當(dāng)閘下水位較高時(shí)，必將影響水閘的泄流能力，無論是孔流還是堰流都有可能出現(xiàn)淹沒狀態(tài)，因此又有自由堰流與淹沒堰流和自由孔流與淹沒孔流的區(qū)別。綜上所述，此系統(tǒng)需要針對(duì)具體水閘工況設(shè)置計(jì)算方法。

2.5 水情查詢系統(tǒng)

2.5.1 功能概述

該類系統(tǒng)基于電子地圖或GIS技術(shù)，按照《水情信息編碼標(biāo)準(zhǔn)》（SL330—2005）和以《實(shí)時(shí)雨水情數(shù)據(jù)庫(kù)表結(jié)構(gòu)與標(biāo)識(shí)符標(biāo)準(zhǔn)》（SL323—2005）形成的數(shù)據(jù)庫(kù)為依據(jù)，形成B/S結(jié)構(gòu)的水情信息綜合查詢應(yīng)用系統(tǒng)。系統(tǒng)內(nèi)容涵蓋雨水情查詢、平均降水量計(jì)算、GIS查詢、水情預(yù)警顯示、水文過程圖分析、降水量等值線（面）、信息制作與發(fā)布等各種水情業(yè)務(wù)。

2.5.2 特征分析

從嚴(yán)格意義上講，水情查詢系統(tǒng)不應(yīng)歸于信息孤島范疇，因?yàn)榇祟愊到y(tǒng)多與水情自測(cè)報(bào)系統(tǒng)及下位采集設(shè)備存在數(shù)據(jù)交換關(guān)系，數(shù)據(jù)來源多樣，與其他以數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)的信息系統(tǒng)有著良好的兼容性，同時(shí)面向客戶端提供查詢統(tǒng)計(jì)服務(wù)，可以視為通用的數(shù)據(jù)支持平臺(tái)。在本文中，主要關(guān)注該類系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的整合研究，所以也將其列出闡述。

3 系統(tǒng)整合的目標(biāo)和架構(gòu)

3.1 系統(tǒng)整合目標(biāo)

通過信息整合，力求達(dá)到以下目標(biāo)：

（1）規(guī)范信息模型，遵循國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，解決數(shù)據(jù)不規(guī)范、編碼不一致等問題。

（2）消除信息孤島，使水情、工情、視頻信息系統(tǒng)形成互通互聯(lián)的整體。

（3）為上層決策系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。

（4）提供滿足信息安全的統(tǒng)一數(shù)據(jù)發(fā)布平臺(tái)。

3.2 系統(tǒng)整合架構(gòu)

系統(tǒng)整合架構(gòu)，如圖5所示。

4 系統(tǒng)整合的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

4.1 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)

目前，點(diǎn)數(shù)較少的控制系統(tǒng)多用組態(tài)軟件，僅實(shí)現(xiàn)其控制功能，而忽視數(shù)據(jù)反饋和分析。前文已經(jīng)提到，由于工業(yè)控制系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高，因此在整合此類實(shí)時(shí)性要求高的控制系統(tǒng)時(shí)考慮添加實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)更為妥當(dāng)。組態(tài)軟件的核心就是對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，組態(tài)軟件實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)要建立一套完成數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理的功能模塊，為用戶提供接口，使用戶能夠?qū)碜袁F(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)或人工鍵入的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并能對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行反饋控制輸出，為實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的先進(jìn)控制及優(yōu)化或其他應(yīng)用提供數(shù)據(jù)服務(wù)。

圖5 系統(tǒng)整合架構(gòu)

4.2 GIS查詢

以電子地圖為查詢平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電子地圖的放大、縮小、移動(dòng)、導(dǎo)航功能，對(duì)信息進(jìn)行分級(jí)顯示，實(shí)現(xiàn)在電子地圖上對(duì)某一區(qū)域或某一類信息進(jìn)行實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)、分析、對(duì)比。針對(duì)某一工程，可以通過鼠標(biāo)操作查詢相關(guān)信息，如水情、工情、調(diào)度、視頻及預(yù)估流量等綜合信息。聯(lián)系河流上下游關(guān)系，可以對(duì)同類信息進(jìn)行專題顯示，并可結(jié)合工程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，設(shè)置和顯示預(yù)警信息，當(dāng)信息值超過某一事先設(shè)定值時(shí)發(fā)出聲音、色彩等形式的告警，提示工作人員引起警惕。

4.3 數(shù)據(jù)整合

數(shù)據(jù)是組成信息的基本元素，各種原始數(shù)據(jù)的積累與集中是我們分析決策的客觀基礎(chǔ)，而在實(shí)際工作中，這些數(shù)據(jù)大多數(shù)是由多種應(yīng)用系統(tǒng)（如前所述的各類信息孤島）生成的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)存放在各種不同的數(shù)據(jù)庫(kù)中，新增一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)就會(huì)帶來一系列新的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)整合就是對(duì)分散異構(gòu)的多數(shù)據(jù)源實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的訪問，實(shí)時(shí)地、智能地將有價(jià)值的數(shù)據(jù)傳遞給分析系統(tǒng)或其他應(yīng)用系統(tǒng)，進(jìn)行信息的進(jìn)一步加工。數(shù)據(jù)整合的目的就是將不同的數(shù)據(jù)庫(kù)集成起來，提供一種單一的虛擬數(shù)據(jù)庫(kù)，這樣就可以避免出現(xiàn)與主題應(yīng)用不一致的多個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，保持應(yīng)用軟件數(shù)據(jù)的一致性。數(shù)據(jù)流程，如圖6所示。

4.4 WebService

經(jīng)過數(shù)據(jù)整合，新的統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)形成，但還存在與其他應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行通信的問題。如果其他應(yīng)用系統(tǒng)采用非JAVA的面向?qū)ο蟮恼Z(yǔ)言開發(fā)或者處于分布式環(huán)境中，則數(shù)據(jù)庫(kù)會(huì)處于孤立狀態(tài)，無法獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，同時(shí)無法向其他應(yīng)用系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。為此，需要為數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)提供與其他應(yīng)用系統(tǒng)整合的途徑。

圖6 系統(tǒng)整合數(shù)據(jù)流程

WebService的主要目標(biāo)是跨平臺(tái)的可互操作性。為了達(dá)到這一目標(biāo)，WebService是完全基于XML、XSD等獨(dú)立于平臺(tái)、獨(dú)立于軟件供應(yīng)商的標(biāo)準(zhǔn)，創(chuàng)建可互操作的、分布式應(yīng)用程序的新平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)交互的一個(gè)技術(shù)和協(xié)議。在數(shù)據(jù)庫(kù)中將需要與其他應(yīng)用程序通信的接口定義為Web服務(wù)，使其他分布式應(yīng)用能夠遠(yuǎn)程訪問數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)WebService采用XML進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，提高了數(shù)據(jù)庫(kù)的開放性和標(biāo)準(zhǔn)性。

5 結(jié)語(yǔ)

圍繞“水閘工程調(diào)度”這一課題所衍生信息系統(tǒng)多種多樣，同時(shí)受具體的工況影響適用范圍和功能需求又不盡相同，本文中僅以常見的幾類系統(tǒng)作為例子，說明各自特點(diǎn)和實(shí)現(xiàn)這幾類信息系統(tǒng)整合的可能性?？偠灾l調(diào)度中信息孤島的整合，就是要從實(shí)時(shí)性、安全性要求出發(fā)鞏固水閘工程調(diào)度的準(zhǔn)確性、及時(shí)性和可靠性；就是要以數(shù)據(jù)為中心，挖掘原有系統(tǒng)的信息資源，建立起專業(yè)清晰、分工明確、互為補(bǔ)充的數(shù)據(jù)支持環(huán)境；就是要擴(kuò)大信息資源的應(yīng)用范圍，深入挖掘信息資源對(duì)決策分析的支撐能力，為防汛抗旱的科學(xué)調(diào)度當(dāng)好參謀、服好務(wù)。

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