某海綿城市排水系統(tǒng)SCADA優(yōu)化設(shè)計(jì)

鄭瑞琦 王根喜

摘要：本文簡(jiǎn)要介紹了常規(guī)城市排水系統(tǒng)SCADA的架構(gòu)，從其單一的遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的集中性風(fēng)險(xiǎn)，服務(wù)器負(fù)載均衡性，SCADA運(yùn)行的操作系統(tǒng)環(huán)境等角度分析了常規(guī)城市排水系統(tǒng)SCADA的缺點(diǎn)，并結(jié)合某中型城市海綿城市建設(shè)的特點(diǎn)，在SCADA架構(gòu)、服務(wù)器負(fù)載均衡策略、服務(wù)器操作系統(tǒng)選型等方面提出了常規(guī)城市排水系統(tǒng)SCADA的優(yōu)化設(shè)計(jì)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(guān)鍵詞：SCADA;主監(jiān)控中心;區(qū)域控制中心;實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)

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

中圖分類號(hào)：TU991.02? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2019）36-0278-03

1? 海綿城市排水系統(tǒng)SCADA主要特點(diǎn)

近年來，為解決城市內(nèi)澇和水資源綜合利用問題，國(guó)家在多個(gè)城市進(jìn)行海綿城市建設(shè)試點(diǎn)，明確以生態(tài)優(yōu)先為原則，統(tǒng)籌降水、地表徑流、地下水的整體性，化害為利，促進(jìn)安全、生態(tài)雙保護(hù)。其中城市排水系統(tǒng)的可靠性、可用性、及時(shí)性對(duì)城區(qū)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全起到關(guān)鍵保障作用，通常設(shè)置SCADA實(shí)現(xiàn)對(duì)城市排水系統(tǒng)的監(jiān)控管理。

海綿城市排水系統(tǒng)SCADA以數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲(chǔ)和管理為基礎(chǔ)，通過運(yùn)用通信及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、信息采集與處理等技術(shù)，建設(shè)以閘站監(jiān)控、工情監(jiān)測(cè)、水情監(jiān)測(cè)等為核心業(yè)務(wù)的監(jiān)控作業(yè)平臺(tái)，其主要特點(diǎn)如下：

1.1 信息采集站點(diǎn)分布地域廣

城市排水系統(tǒng)SCADA的信息采集站點(diǎn)分布于城市各個(gè)角落，包括低洼易澇區(qū)、重點(diǎn)企業(yè)保護(hù)區(qū)、文物保護(hù)區(qū)、水閘、泵站等，SCADA的網(wǎng)絡(luò)需做到全覆蓋。

1.2 閘站PLC系統(tǒng)較多

城市排水系統(tǒng)中的閘站PLC系統(tǒng)因建設(shè)時(shí)間跨度較大，存在較多的PLC品牌，衍生出多種通訊協(xié)議，要求SCADA的兼容性強(qiáng)。

1.3 數(shù)據(jù)量大，實(shí)時(shí)性要求高

城市規(guī)模越大，排水系統(tǒng)站點(diǎn)相對(duì)越多，對(duì)SCADA的容量要求就越大，對(duì)于大中型城市而言，SACDA實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)容量基本都在5萬點(diǎn)以上。在汛期，SCADA對(duì)城市排水系統(tǒng)閘站的控制需保證秒級(jí)刷新，秒級(jí)控制，這對(duì)SCADA平臺(tái)的性能與架構(gòu)提出了更高的要求。

2? 常規(guī)城市排水系統(tǒng)SCADA架構(gòu)及存在問題

常規(guī)城市排水系統(tǒng)SCADA架構(gòu)一般包含現(xiàn)場(chǎng)儀表、PLC系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，監(jiān)控中心服務(wù)器系統(tǒng)等幾大部分，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1。

2.1 硬件配置

監(jiān)控中心配置兩臺(tái)互為冗余的實(shí)時(shí)/歷史數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，數(shù)據(jù)庫(kù)運(yùn)行環(huán)境為Windows Server操作系統(tǒng)，主要進(jìn)行監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、報(bào)警、事件等監(jiān)控系統(tǒng)相關(guān)進(jìn)程工作。工程師站、操作員站組態(tài)軟件運(yùn)行環(huán)境為Windows操作系統(tǒng)，為工程師組態(tài)開發(fā)和操作員進(jìn)行監(jiān)控操作提供友好界面。

2.2 系統(tǒng)軟件配置

SCADA軟件采用C/S架構(gòu)，監(jiān)控中心配置不小于5萬點(diǎn)容量的實(shí)時(shí)/歷史數(shù)據(jù)庫(kù)兩套，操作員站2套，工程師站1套。監(jiān)控中心的實(shí)時(shí)/歷史數(shù)據(jù)庫(kù)用于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集與通訊，歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。

2.3 主要存在問題

2.3.1 遠(yuǎn)程監(jiān)控中心容易出現(xiàn)對(duì)全局失去監(jiān)控的風(fēng)險(xiǎn)? 當(dāng)遠(yuǎn)程監(jiān)控中心發(fā)生大面積停電，或者監(jiān)控中心網(wǎng)絡(luò)崩潰等情況下，將失去對(duì)城市排水系統(tǒng)實(shí)時(shí)狀況的全面掌控。

2.3.2 大容量實(shí)時(shí)點(diǎn)數(shù)下服務(wù)器負(fù)荷過高? 對(duì)于I/O點(diǎn)數(shù)5萬點(diǎn)以上的大容量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)場(chǎng)景，常規(guī)的C/S架構(gòu)SCADA平臺(tái)采用一主一備方式，主服務(wù)器處于高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，備用服務(wù)器低負(fù)荷運(yùn)行。盡管服務(wù)器性能越來越高，但主服務(wù)器仍易出現(xiàn)數(shù)據(jù)卡頓，刷新慢，硬件老化快等問題。

另外，常規(guī)SCADA軟件對(duì)實(shí)時(shí)大數(shù)據(jù)量的秒級(jí)處理能力仍是一個(gè)技術(shù)瓶頸，常規(guī)解決方案多采用數(shù)對(duì)冗余I/O服務(wù)器，把數(shù)萬點(diǎn)的系統(tǒng)分?jǐn)偝啥鄠€(gè)1萬點(diǎn)左右的系統(tǒng)，這導(dǎo)致服務(wù)器和SCADA冗余軟件成本、開發(fā)成本等均大大增加，同時(shí)，客戶端和操作站需面向多套系統(tǒng)數(shù)據(jù)，對(duì)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)刷新速率，CPU負(fù)荷都會(huì)有較大拖累，難以滿足監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性要求。

2.3.3 服務(wù)器操作系統(tǒng)安全性差? 鑒于Windows漏洞較多，網(wǎng)絡(luò)功能較差，源代碼不開放無法進(jìn)行開發(fā)完善等固有缺點(diǎn)，很容易受到攻擊，在SCADA內(nèi)任何主機(jī)染毒后，都會(huì)影響到服務(wù)器的數(shù)據(jù)安全問題。

3? 常規(guī)城市排水系統(tǒng)SCADA在海綿城市建設(shè)中的優(yōu)化改進(jìn)

3.1 監(jiān)控中心對(duì)全局失去監(jiān)控的風(fēng)險(xiǎn)防控

3.1.1 容災(zāi)備份中心思路? 容災(zāi)備份中心是防范災(zāi)難、降低損失的重要手段，其主要功能是當(dāng)主監(jiān)控中心出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)崩潰、硬件故障、火災(zāi)等各種意外狀況，主監(jiān)控中心失去與現(xiàn)場(chǎng)控制站的通訊時(shí)，容災(zāi)備份中心可接管主監(jiān)控中心所有的通訊、調(diào)度和控制等任務(wù)。在軟硬件配置方面，容災(zāi)備份中心可按照和主監(jiān)控中心1：1配置建設(shè)，也可進(jìn)行精簡(jiǎn)配置，以實(shí)現(xiàn)與主監(jiān)控中心軟硬件的同步冗余備份，充分保障系統(tǒng)安全，該方案總體架構(gòu)如圖2所示。

3.1.2 設(shè)置分布式區(qū)域控制中心思路? 為分?jǐn)傊鞅O(jiān)控中心的集中性風(fēng)險(xiǎn)，可根據(jù)現(xiàn)地PLC站的數(shù)量和地理分布，以及網(wǎng)絡(luò)資源狀況，結(jié)合行政區(qū)劃，按片區(qū)設(shè)置區(qū)域控制中心，主監(jiān)控中心作為各區(qū)域控制中心的容災(zāi)備份中心。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，以各區(qū)域控制中心為主，主監(jiān)控中心采集處理并存儲(chǔ)各區(qū)域控制中心的實(shí)時(shí)/歷史數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控各區(qū)域控制中心的狀態(tài)，一旦檢測(cè)到某一區(qū)域控制中心崩潰，主監(jiān)控中心立即接管該區(qū)域控制中心的所有通訊、調(diào)度和控制等任務(wù)，當(dāng)該區(qū)域控制中心恢復(fù)正常后，主監(jiān)控中心將相關(guān)通訊、調(diào)度和控制等任務(wù)切換到該區(qū)域控制中心。該方案總體架構(gòu)如圖3所示。

該優(yōu)化設(shè)計(jì)思路采用分布式數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)呈現(xiàn)物理上是分散的，邏輯上是統(tǒng)一的，其特點(diǎn)如下：

①數(shù)據(jù)共享性與自我管理。

用戶針對(duì)分布式數(shù)據(jù)庫(kù)操作同集中式數(shù)據(jù)庫(kù)，用戶不必關(guān)心數(shù)據(jù)的位置，只要有相應(yīng)的操作權(quán)限，就可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行增、刪、改、查等操作，分布在各結(jié)點(diǎn)上的所有數(shù)據(jù)都是共享的。每個(gè)結(jié)點(diǎn)的管理人員可根據(jù)實(shí)際情況，選擇本節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)是否作為全局的數(shù)據(jù)共享，對(duì)不參與共享的數(shù)據(jù)，分布式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)將其只保留在相關(guān)節(jié)點(diǎn)的某類數(shù)據(jù)庫(kù)中。

②冗余的可管理性。

針對(duì)集中式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，冗余數(shù)據(jù)量的大小是衡量其是否最優(yōu)的關(guān)鍵指標(biāo)，而對(duì)于分布式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，適當(dāng)?shù)娜哂鄶?shù)據(jù)能提高其查詢速度，安全性得到增強(qiáng)。不同節(jié)點(diǎn)用戶操作相同的數(shù)據(jù)時(shí)，在本節(jié)點(diǎn)上各自存放一份，提高了本地訪問速度，減少了網(wǎng)絡(luò)間通信帶寬需求，提高了數(shù)據(jù)操作的效率。

③分布式事務(wù)管理。

分布式數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)在邏輯結(jié)構(gòu)和物理結(jié)構(gòu)的組織方面，可擴(kuò)展為全局邏輯、局部邏輯和局部物理等結(jié)構(gòu)方式。針對(duì)全局?jǐn)?shù)據(jù)的管理通過分布式事務(wù)管理方式實(shí)現(xiàn)，全局事務(wù)由局部子事務(wù)構(gòu)成，與集中式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的事務(wù)管理策略有本質(zhì)區(qū)別。

④高效率應(yīng)用及可用性。

分布式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存放于不同節(jié)點(diǎn)，用戶在訪問某類數(shù)據(jù)時(shí)，可從最合適的節(jié)點(diǎn)副本進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問，相對(duì)集中式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，該訪問方式效率更高，數(shù)據(jù)的可用性更好，對(duì)帶寬需求降低，節(jié)約通信成本。

3.2 實(shí)時(shí)大容量點(diǎn)數(shù)條件下服務(wù)器的負(fù)載均衡控制

為避免實(shí)時(shí)大容量點(diǎn)數(shù)下服務(wù)器間的負(fù)載不均衡，在不同的服務(wù)器上，SCADA軟件可部署相異的應(yīng)用數(shù)據(jù)進(jìn)程，保證各服務(wù)器運(yùn)行負(fù)載比較均衡。對(duì)于大中型城市排水系統(tǒng)SCADA，可采用集群方式，無需再拆分不同的IO系統(tǒng)，根據(jù)工藝或者地理區(qū)域，劃分不同的集群，用2到3臺(tái)服務(wù)器把整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行起來。

SCADA軟件應(yīng)用任務(wù)可包括遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)集中管理，以及相應(yīng)類服務(wù)器管理等。在任務(wù)可分布前提下，軟件系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)相關(guān)應(yīng)用進(jìn)程的備用模式，即某一應(yīng)用進(jìn)程既可以配置在一個(gè)服務(wù)器上運(yùn)行，同時(shí)可配置在多服務(wù)器上備用運(yùn)行，此情形下的其它服務(wù)器變成了備用服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)1∶N冗余模式，大大提高系統(tǒng)資源的利用效率。實(shí)踐中多臺(tái)服務(wù)器上分別為某一任務(wù)設(shè)置優(yōu)先級(jí)，若正常運(yùn)行的該任務(wù)中斷時(shí)，擁有最高優(yōu)先級(jí)的服務(wù)器接管該任務(wù);當(dāng)多臺(tái)服務(wù)器同時(shí)運(yùn)行時(shí)，對(duì)該任務(wù)擁有最高優(yōu)先級(jí)的服務(wù)器將運(yùn)行該任務(wù)，這時(shí)正在運(yùn)行該任務(wù)的服務(wù)器則為主服務(wù)器，其它服務(wù)器仍為備用服務(wù)器。

圖4以A、B、C三個(gè)系統(tǒng)為例，配置三臺(tái)服務(wù)器，說明負(fù)載均衡和1∶N冗余的原理：對(duì)于每一個(gè)集群數(shù)據(jù)庫(kù)，1、2、3、4、5、6進(jìn)程可以是軟件的一些典型應(yīng)用進(jìn)程。在正常工作時(shí)，A、B、C三個(gè)系統(tǒng)的服務(wù)器相互獨(dú)立，不間斷彼此偵聽，若某臺(tái)服務(wù)器發(fā)生故障，則該服務(wù)器上的任務(wù)進(jìn)程可按配置策略，自動(dòng)切換到備用服務(wù)器上運(yùn)行，保證系統(tǒng)的可靠性。例如定義了A系統(tǒng)的權(quán)限認(rèn)證進(jìn)程1，2首選在Server1服務(wù)器上運(yùn)行，當(dāng)Server1發(fā)生故障時(shí)，進(jìn)程1自動(dòng)切換到Server2上運(yùn)行，進(jìn)程2自動(dòng)切換到Server3上運(yùn)行;如果Server2也發(fā)生故障，而Server1還沒有恢復(fù)，則該1，2，3，4進(jìn)程均將切換到Server3上運(yùn)行。

圖5中，當(dāng)所有故障服務(wù)器恢復(fù)后，系統(tǒng)的進(jìn)程根據(jù)規(guī)劃的負(fù)載均衡配置，把整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)程均衡的分?jǐn)偟皆仍O(shè)定的服務(wù)器上，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定與可靠。

3.3 操作系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)防控

目前，對(duì)規(guī)模較大SCADA的工控安全越來越重視，而以Windows操作系統(tǒng)為運(yùn)行環(huán)境的SCADA平臺(tái)軟件，受Windows操作系統(tǒng)固有缺陷影響，在工程實(shí)踐中出現(xiàn)過多起安全事故。鑒于開源的UNIX/Linunx操作系統(tǒng)在可靠性、安全性、開放性、網(wǎng)絡(luò)功能、多類型數(shù)據(jù)庫(kù)支撐、多任務(wù)多用戶支持等方面均優(yōu)于Windows，近年來，在大型工程中采用基于Unix/Linux運(yùn)行環(huán)境的SCADA平臺(tái)軟件越來越多，如石油石化、天然氣領(lǐng)域，以及南水北調(diào)中線和東線等大型工程均采用了基于Unix系統(tǒng)的SCADA軟件平臺(tái)，因此，大中型城市排水系統(tǒng)SCADA運(yùn)行環(huán)境宜優(yōu)先采用UNIX/Linunx操作系統(tǒng)。

4? 結(jié)語

針對(duì)常規(guī)城市排水系統(tǒng)SCADA存在的突出問題，本文提出了改進(jìn)措施，但仍需結(jié)合城市排水系統(tǒng)的規(guī)模、地理分布、應(yīng)急響應(yīng)能力等諸多客觀條件，因地制宜，在保證安全、可靠、可用、可擴(kuò)展等前提下，尚需考慮經(jīng)濟(jì)性，選用成熟的模塊化的系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]李迺員.基于海綿城市的城市道路排水系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[J].居舍，2019（24）：107.

[2]張爽.海綿城市透水鋪裝道路排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化及調(diào)控效果模擬研究[D]長(zhǎng)安大學(xué)，2019.

[3]王少冰.海綿城市排水系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].南昌工程學(xué)院，2017.