南水北調(diào)配套工程自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集、交換及展示

□劉豪祎（河南省南水北調(diào)中線工程建設(shè)管理局）

1 概述

南水北調(diào)中線工程是解決京津華北地區(qū)缺水的根本措施，是保證受水區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展、實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)的重大基礎(chǔ)設(shè)施。河南省南水北調(diào)中線工程主要由總干渠主體工程、分水口門以下至城市水廠以前供水配套工程、城市水廠及管網(wǎng)工程三部分組成。河南省南水北調(diào)受水區(qū)供水配套工程上接總干渠，下連城市水廠，擔(dān)負(fù)著承上啟下的輸水任務(wù)，是南水北調(diào)工程在河南省發(fā)揮效益的關(guān)鍵。

河南省南水北調(diào)配套工程自動(dòng)化調(diào)度與運(yùn)行管理決策支持系統(tǒng)（以下簡稱自動(dòng)化系統(tǒng)）是河南省南水北調(diào)配套工程建成后的調(diào)度運(yùn)行管理系統(tǒng)，對配套工程的科學(xué)調(diào)度、高效運(yùn)行和安全管理起著至關(guān)重要的作用。

工程建成后，將向河南省11個(gè)省轄市和32個(gè)縣（市）的城市水廠供水，極大改善河南省受水城市水資源緊缺狀況，為城市經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展提供供水安全保障，對全省經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展特別是中原城市群的經(jīng)濟(jì)發(fā)展發(fā)揮著重要作用，具有深遠(yuǎn)的影響。

自動(dòng)化系統(tǒng)包括建設(shè)綜合辦公支撐系統(tǒng)、通信傳輸系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)存儲與安全管理、調(diào)度會(huì)商實(shí)體環(huán)境工程等。自動(dòng)化系統(tǒng)利用現(xiàn)代通信、計(jì)算機(jī)、信息管理等技術(shù)，建成先進(jìn)實(shí)用、安全可靠，集基礎(chǔ)性、全局性的水利信息資源存儲管理、共享與交換、發(fā)布、應(yīng)用服務(wù)、托管、標(biāo)準(zhǔn)制訂、技術(shù)支持等功能為一體的水利數(shù)據(jù)中心，逐步形成標(biāo)準(zhǔn)、開放的水利信息信息化基礎(chǔ)設(shè)施體系和水利信息資源的服務(wù)窗口，建設(shè)資源共享平臺，全面提高水量調(diào)度等各項(xiàng)業(yè)務(wù)的處理能力，充分發(fā)揮工程效益。

文章主要從數(shù)據(jù)出發(fā)，重點(diǎn)介紹自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)產(chǎn)生、數(shù)據(jù)組成、數(shù)據(jù)統(tǒng)一平臺的建立、數(shù)據(jù)交換、數(shù)據(jù)抽取和數(shù)據(jù)展示。抓住數(shù)據(jù)這條主線，分析整個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)的“數(shù)據(jù)流”，配套工程自上而下將水源供給各個(gè)地市，沿著輸水管網(wǎng)自下而上產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流匯聚、統(tǒng)計(jì)后促進(jìn)著整個(gè)供水管網(wǎng)的運(yùn)行。

2 自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)組成

自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流，可以說就是收集各類系統(tǒng)生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)期產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)，在原有配套工程三級管理機(jī)構(gòu)和空間地理位置以及各種管網(wǎng)、設(shè)備、元器件的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)、設(shè)備規(guī)格參數(shù)的基礎(chǔ)上,為了保證系統(tǒng)安全、高效、有序的運(yùn)行而構(gòu)成的一個(gè)數(shù)據(jù)流體。簡單的說，分為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和運(yùn)行數(shù)據(jù)。

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要就是在原有配套系統(tǒng)建設(shè)過程中的兩類數(shù)據(jù)：第一類是組織機(jī)構(gòu)和對應(yīng)的管理設(shè)施，水文建筑及他們之間的隸屬關(guān)系、空間位置關(guān)系；第二類是水文建筑內(nèi)管線、泵閥、流量計(jì)等設(shè)備傳感器的特性參數(shù)和實(shí)際運(yùn)行參數(shù)。

運(yùn)行數(shù)據(jù)又可分為以下幾類：一是在已經(jīng)完工的配套管網(wǎng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，利用預(yù)先埋設(shè)在供水管線各類建筑物上的傳感器和監(jiān)測設(shè)施，比如流量計(jì)、壓力計(jì)等，通過完善科學(xué)的自動(dòng)化設(shè)備，采集狀態(tài)變量、業(yè)務(wù)變量和統(tǒng)計(jì)變量，這類數(shù)據(jù)也是運(yùn)行數(shù)據(jù)的核心；二是視頻、安防監(jiān)控系統(tǒng)，遠(yuǎn)程會(huì)議系統(tǒng)，可以隨時(shí)獲得管理站點(diǎn)的視頻影像資料；三是通過與水利外網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，獲得配套工程范圍內(nèi)的水情、水質(zhì)和相關(guān)水文信息；四是各地管理維護(hù)隊(duì)伍對配套供水管線建筑物的巡查，利用移動(dòng)設(shè)備現(xiàn)場記錄的文字、表單、圖片和視頻音頻資料等；五是自動(dòng)化系統(tǒng)本身的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和特性見圖1。

3 數(shù)據(jù)交換、數(shù)據(jù)抽取以及可視化的展示

通過自動(dòng)化系統(tǒng)數(shù)據(jù)的組成，初步了解到自動(dòng)化系統(tǒng)可以獲取到哪些原始數(shù)據(jù)，但是怎么樣采集、傳輸、存儲以及應(yīng)用系統(tǒng)怎么樣利用這些數(shù)據(jù)做控制、統(tǒng)計(jì)、告警、預(yù)測和輸出報(bào)表，才是整個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)行的任務(wù)所在，為了達(dá)到這些目標(biāo)，我們通過以下幾個(gè)步驟完成各應(yīng)用系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換、數(shù)據(jù)抽取，以及各自的系統(tǒng)展示。

圖1 自動(dòng)化數(shù)據(jù)分類圖

3.1 建立統(tǒng)一的系統(tǒng)集成數(shù)據(jù)平臺、數(shù)據(jù)編碼交換體系

上面提到，數(shù)據(jù)分為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和運(yùn)行數(shù)據(jù)，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)可以認(rèn)為只有一套，但是能夠產(chǎn)生原始數(shù)據(jù)的系統(tǒng)有好幾個(gè)，比如水量調(diào)度系統(tǒng)、泵閥監(jiān)控系統(tǒng)等，每個(gè)系統(tǒng)除了使用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，也需要使用運(yùn)行數(shù)據(jù)。在全省11個(gè)管理處，43個(gè)管理所，以及143個(gè)現(xiàn)地管理房都有自動(dòng)化設(shè)備，那么就需要有統(tǒng)一的編碼格式，有了統(tǒng)一的編碼格式，我們才能完整的表達(dá)出它與上下游管理房的位置關(guān)系，以及隸屬的管理所，管理處之間的關(guān)系。這樣我們才能夠清晰的獲取到特定管線上流量計(jì)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，計(jì)算管道輸水的損耗，從而預(yù)警和防范問題發(fā)生。因此，在整個(gè)配套設(shè)施管網(wǎng)建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)編碼格式。

圖2簡要描述了系統(tǒng)內(nèi)部分組織機(jī)構(gòu)，管理設(shè)施，水文建筑，以及下屬的設(shè)備，這樣諸如流量計(jì)的讀數(shù)，閥門的開度，我們都可以使用一個(gè)唯一性編碼來表達(dá)，方便各個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)共享。同時(shí)，利用關(guān)系數(shù)據(jù)庫的特性，描述各級組織機(jī)構(gòu)，管理設(shè)施和水文建筑、設(shè)備之間的隸屬關(guān)系及上下游關(guān)系，并形象的在GIS平臺上使用點(diǎn)、線圖例表達(dá)出來。

圖2 部分組織機(jī)構(gòu)圖

3.2 各應(yīng)用系統(tǒng)按照數(shù)據(jù)交換格式共享出自己系統(tǒng)獨(dú)有的數(shù)據(jù)到集成數(shù)據(jù)平臺

每個(gè)系統(tǒng)，都會(huì)產(chǎn)生特定的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)需要依照第一步建立的編碼格式上傳到集成數(shù)據(jù)平臺，那么就需要建立完善的數(shù)據(jù)交換格式用來消除各應(yīng)用系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)異構(gòu)，每個(gè)系統(tǒng)可以選擇不同的交換通訊方式，可以是數(shù)據(jù)庫復(fù)制，可以是TCP/IP協(xié)議下的HTTP協(xié)議、Webservice協(xié)議、ETL方案等。

網(wǎng)絡(luò)層次分為控制專網(wǎng)和業(yè)務(wù)內(nèi)網(wǎng)，依據(jù)政務(wù)網(wǎng)絡(luò)的慣例，兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間需要通過網(wǎng)閘進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，以確?？刂茖＞W(wǎng)數(shù)據(jù)的安全性。網(wǎng)閘提供完全復(fù)制、增量同步、發(fā)送后刪除、發(fā)送后備份等多種同步策略，也支持oracle、Sql Server、DB2、Sybase等主流數(shù)據(jù)庫間的同種或異種數(shù)據(jù)庫同步，支持單向和雙向同步。

圖3簡要顯示了目前自動(dòng)化系統(tǒng)元數(shù)據(jù)的來源，分別是從泵閥監(jiān)控系統(tǒng)，視頻安防系統(tǒng)，和工程安全系統(tǒng)實(shí)時(shí)讀取的數(shù)據(jù)，以及通過水利外網(wǎng)定時(shí)交換的數(shù)據(jù)。

圖3 自動(dòng)化系統(tǒng)元數(shù)據(jù)來源圖

3.3 各應(yīng)用系統(tǒng)按照數(shù)據(jù)交換格式獲取自己系統(tǒng)需要的數(shù)據(jù)集

應(yīng)用系統(tǒng)，可能需要從集成數(shù)據(jù)平臺抽取自己需要的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析，然后通過第二步再將中間數(shù)據(jù)或結(jié)果數(shù)據(jù)傳送回平臺，這里是一個(gè)動(dòng)態(tài)抽取和傳送的過程，也是所有應(yīng)用系統(tǒng)與整個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換和雜糅的過程。

對于一部分?jǐn)?shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)路徑應(yīng)該唯一，比如水量調(diào)度系統(tǒng)和綜合信息服務(wù)系統(tǒng)都需要計(jì)算和展示各節(jié)點(diǎn)的流量數(shù)據(jù)、損耗數(shù)據(jù)等，那么必須有一個(gè)特定的系統(tǒng)通過完善準(zhǔn)確的模型計(jì)算這些數(shù)據(jù)，并共享這些數(shù)據(jù)。

圖4可以認(rèn)為是各個(gè)系統(tǒng)從自動(dòng)化數(shù)據(jù)平臺獲取自己想要的數(shù)據(jù)，包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和其他系統(tǒng)產(chǎn)生的公共數(shù)據(jù)，然后和自己產(chǎn)生的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)共同組成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫。

3.4 應(yīng)用系統(tǒng)按照原有功能需求實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)展示

每個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)都有自己展現(xiàn)層的側(cè)重點(diǎn)，泵閥控制、安全監(jiān)測、視頻監(jiān)控、視頻會(huì)議、綜合信息服務(wù)、決策會(huì)商等，各自系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)平臺得到自己需要的數(shù)據(jù)，依照自身設(shè)計(jì)的功能特點(diǎn)，通過可視化，動(dòng)態(tài)化，集中化，利用WEB界面、GIS平臺、智能關(guān)聯(lián)查詢等，完成整個(gè)自動(dòng)化調(diào)度需要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。

圖4 各子系統(tǒng)與數(shù)據(jù)平臺實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換圖

4 充分協(xié)作，數(shù)據(jù)共享，有機(jī)統(tǒng)一的展望

系統(tǒng)關(guān)于數(shù)據(jù)的處理，第一個(gè)階段是采集，整理，分析和展示，目前這個(gè)階段還在建設(shè)當(dāng)中，但是我們不妨展望一下，數(shù)據(jù)第二個(gè)階段就是更加完善的傳感器部署體系以及更加完善的數(shù)據(jù)協(xié)作共享平臺，以此為基礎(chǔ)建立水利大數(shù)據(jù)，并充分整合空間地理數(shù)據(jù)，利用當(dāng)下發(fā)展迅速的大數(shù)據(jù)思維理念，能夠做到智能調(diào)度、智能預(yù)測、智能告警、實(shí)現(xiàn)更少的人工參與及時(shí)消除隱患。

5 結(jié)語

河南南水北調(diào)配套工程是河南省重要的民生工程，而自動(dòng)化工程就是為了讓分布在全省境內(nèi)的配套管網(wǎng)供水設(shè)施可以“長治久安”的高效運(yùn)行，而“數(shù)據(jù)流”正好是整套系統(tǒng)體系的“血液”。它可以讓系統(tǒng)自身更加健壯，它可以讓系統(tǒng)接受調(diào)度中心的指揮和監(jiān)控，它可以反饋指導(dǎo)各級管理機(jī)構(gòu)讓他們統(tǒng)一步調(diào)，它還可以讓我們不斷審視創(chuàng)新，自我改進(jìn)和完善。