基于pSpace数据库平台的省市级水网调度系统解决方案

关键词：力控,实时历史数据库,pSpace,水网调度,污水处理,给排水,水质检测,GIS,OPC,管控一体化

第1章.项目概述
1.1背景
　　近年来随着中国经济的繁荣，水工业，包括工业制水、工业污水处理、市政给排水、建筑给排水、水文水利、农村直饮水、节水灌溉、水质检测等领域工程及配套设施的建设蓬勃发展，新技术的不断涌现推动着中国水工业自动化、信息化的不断深入。
　　城市水务集团公司主要负责城市制水、供水、排水、污水处理、中水回用、水质检测等业务，可以说城市水务集团公司掌握着一个城市用水的“生命线”。想要实现城市水业“资源统一配置，供水统一调度，运行统一管理”这一目标，需要在水务集团建设完善智能的自动化信息平台。
1.2现状
　　目前某水务集团公司拥有超过4家供水厂，日制水能力约35万立方米；6家供水公司，800多公里的供水管线，日均供水约40万立方米；同时拥有排水公司，600多公里的排水管线；污水处理厂日污水处理能力为7万立方米；并且拥有水质检测中心及水务应急抢修中心。
　　当前水务集团公司在信息化建设过程中主要有以下几个问题：
　　1）水厂的自来水生产监控系统的自动化程度较低，水处理系统的可靠性较差，外输供水采用落后的人工控制方式，浪费了大量的人力和物力。数据平台集成性、实时性不高，导致供水公司无法及时浏览水厂的生产数据。
　　2）供水管网压力不稳定、通讯方式落后、系统相对封闭、没有建立有效的企业信息共享系统，不利于水务集团的集中管理和优化调度以及水厂之间的信息共享。
　　3）部分水厂的供水监控系统的冗余性不高，操作模式过于单一，经常由于一台设备的故障，而导致整个水厂供水监控系统的瘫痪，造成严重的经济损失。
　　4）传统的水厂泵站间相互独立的管理模式已无法满足日益复杂的供水要求，迫切需要建立水系城市集控中心，实现统一供水管理。
　　5）缺少完善的远程设备管理及污染事件告警平台，无法及时反馈设备故障。当污染情况发生时，无法迅速做出应对找到污染源。
1.3需求
　　根据上述问题，城市水务集团公司信息化平台可分为实时运营管理系统、历史数据存储系统、工艺流程监控系统、管网调度管理系统、视频系统、GIS地理信息系统、远程设备管理系统等。

　　调度中心信息化平台需要实时采集各地污水分控中心、城市管网、供水公司、水质监测中心的实时数据，完成实时数据的汇总，分类，存储，以及统计分析。数据实现与关系数据库的无缝转储，可为运营管理部门提供准确完整的真实数据支撑。调度中心工作人员可通过大屏幕随时了解现场工艺流程，设备运行状况，数据报表和曲线趋势，同时可结合视频系统及GIS地理信息系统及时了解故障及报警信息。信息化平台具备远程设备管理功能，可对远程设备运行进行监控，及时发现故障并排除、远程更新设备配置、共享传输资料、安装部署应用软件等。
　　采用实时数据库平台构建的该信息化平台可以构建企业生产运营调度管理系统，构建企业信息门户。主要特点如下：
　　基于Internet进行管理和查看；
　　Intranet的应用和集成，使信息在企业内部共享和应用更便捷充分，易于升级和维护；
　　模块化结构，灵活组合，伸缩性强；
　　图形化界面，易于掌握使用；
　　开放式系统，满足一系列国际标准和事实标准；
　　系统可靠性高。完全基于浏览器方式，管理维护方便。
第2章.信息化平台建设方案总体概述
2.1平台建设意义
　　管控一体化是指管理与控制一体化，就是利用各种技术，把生产现场的各种数据通过信息网络系统进行系统集成、技术融合，为企业全面实现信息自动化管理奠定基础。水务集团管控一体化系统的目标是利用先进的计算机自动化技术，实现运营管理系统与实时工艺系统的数据有机融合与共享，建立城市制水、供水、排水、污水处理、中水回用、水质检测等系统的一体化信息集成平台。同时通过对城市水网运行状况的快速响应与优化控制，在确保安全优质高效供水和污水处理达标排放的同时，进一步提高社会效益和经济效益。
2.2平台建设目标
　　城市水务集团公司信息化平台主要完成如下功能：
　　●各子系统所有参数的采集与存储。
　　●各子系统主要参数，主要工艺画面的监视。
　　●各子系统主要参数的统计及分析。
　　●各子系统主要参数的趋势图，饼图，棒图展示。
　　●各子系统主要参数的日报，月报，季报，年报。
　　●整个系统的WEB发布，满足用户在任何时间，任何地点都可通过用户认证方式访问此系统。
　　●视频系统与GIS地理信息系统接入。
　　●调度中心可对重点远程设备实现监控管理。
　　●整个系统具有很好的扩展性，伸缩性。使得后期新增站库可以低成本无缝接入。
　　整个信息化平台结合先进的计算机技术、自动化技术、通信技术、物联网技术等搭建形成统一的城市水务管控一体化平台。监测管网的实时运行状态，对管网运行工况进行仿真和评估，生成调度策略和紧急抢修策略，保障供水管网安全、连续、稳定运行。
2.3平台建设内容
　　城市水务集团信息化平台是以计算机为核心的分布式控制系统，由它完成对管网的监控与运营维护。包括水务集团调度中心、污水处理厂分控中心、供水管网分控中心、水质监测中心，具体建设内容如下：
　　●信息平台数据库建设：包括制水、供水、排水、污水、城市管网、水质监测等子系统基础数据库及水务调度中心核心数据库两部分。分别存储和管理运行实时历史数据和水务决策支持系统应用数据。实时数据库提供实时数据的管理、存储、检索，通过实时数据库来分析生产情况、汇总和统计生产数据，作为指挥、决策的依据。将实时数据库和管理数据库进行集成和整合，建立实时数据与管理数据之间的关系，实现数据的安全共享和利用。
　　●水务公共信息平台建设：建立公共信息平台，实现信息的无缝连接与共享；建立统一的数据传输协议标准，保证数据的准确性与统一性；建立相应的接口标准和数据交换机制，实现不同系统和公共信息平台之间的数据交互，保证数据的完整性与及时性。随着公共信息平台的建立，为辅助决策支持和各个应用的整合提供了坚实的基础，并且为完善水务GIS地理信息系统和提高水务管理打下良好基础。
　　●水务GIS地理信息系统与视频系统接入：主要围绕水安全、水资源、水环境三方面的应用系统建设。当污染事件等报警情况发生时，系统弹窗、声光报警的同时可通过GIS地理信息系统迅速定位，并且可通过视频视频的接入及时反馈现场情况。GIS与视频的接入对应急联动业务起到了很好的辅助作用。
　　●网络信息安全系统建设：为了防止黑客及网络病毒对系统的攻击，保证调度中心信息化平台系统的安全运行，建立网络信息安全系统，配备防火墙、工业安全隔离网关等装置，实现内网与外网的全面隔离。
第3章.信息化平台整体架构设计
3.1系统整体拓扑结构

　　如上图所示水务集团公司调度中心信息化平台由实时数据库系统服务器、历史数据库系统服务器、报表服务器、报警服务器、GIS地理信息系统服务器、视频服务器、WEB服务器、工程师站、操作员站以及各种辅助系统组成。
　　●实时、历史数据服务器
　　此服务器的功能是将控制系统的数据进行接收、压缩、计算、分析后存入数据库，向管理层的其他用户提供历史数据及实时数据的查询功能。系统不但要能满足现阶段的业务要求，而且要能满足将来业务的增长和新技术发展的要求，要在原有设备继续发挥作用的基础上，保证用户能方便地增加或调整设备，改善系统功能和性能，支持将来系统不断更新和便于升级，从而保护原有投资。主机系统应具有良好的可扩展能力，满足不同规模计算环境的要求，并且能提供多种升级途径，给业务的不断发展创造条件。
　　实时数据库服务器配备力控科技pSpace Server软件平台采取冗余架构，两台服务器互为热备，通过实时心跳检测监控服务器的运行状态，一旦主机发生问题从机可在最短时间内切换。
　　历史数据服务器作为应用统计分析的数据支撑，对其运行的安全稳定性有较高的要求，因此采用磁盘阵列硬冗余架构。同样配备力控科技pSpace Server软件平台。
　　水务集团公司调度中心信息化平台的搭建需要有大量数据作为支撑，力控科技企业级实时历史数据库pSpace V6.0是一个高性能、高速度、高吞吐能力、可靠性强、跨网络系统的开放式实时数据库系统。可以将各级供水公司数据，污水处理分控中心数据，管网运行数据，水质监测平台等数据汇总到一个平台，为调度中心信息化平台提供全面真实可靠的数据支撑。
　　产品为完全的分布式结构，可任意组建应用模式；支持C/S和B/S应用；它可以提供丰富的企业级信息系统客户端应用和工具；大容量支持企业级应用，内部实现高数据压缩率，可实现历史数据的海量存储，灵活的扩展结构可满足各种需求，具备广泛的安全性和可跟踪性。
　　pSpace产品架构如下图所示。pSpace的核心是工业实时/历史数据库引擎——pSpace Server。pSpace Server通过API接口以及基于API的各种接口与外围组件和第三方系统进行交互，如各种现场子系统/设备、关系数据库、应用客户端和其他第三方系统。

　　●网络系统
　　考虑到城市水网、各个水厂分控中心及各个监测点的地理分布情况，本系统采用VPN的网络模式或者集团专用网络，组建大型网络的应用。虚拟私有网络VPN(Virtual Private Network)出现于Internet盛行的今天,它使企业网络几乎可以无限延伸到地球的每个角落,从而以安全、低廉的网络互联模式为包罗万象的应用服务提供了发展的舞台。
　　当分控中心与调度中心出现通信故障时，为保证数据完整性，分控中心数据平台加装力控科技通信组件CommServer，该组件可实现断线缓存功能。通信恢复后可将故障时段缓存的数据继续上传至调度中心信息平台，从而避免了数据流失。
　　●安全系统
　　为提高系统的稳定性，可靠性，可用性，在中心系统的建设中，构建双重网络冗余提高底层通讯的稳定性。同时考虑网络安全性，配备工业隔离安全网关pSafetyLink，所有子系统数据均通过安全隔离装置进入到调度中心平台。pSafetylink以OPC标准进行数据交换，把数据送入中心冗余数据库服务器，信息网络与控制网络实现互联时，如何保证过程控制网络的安全就变成了一个严峻的问题。一旦实现了信息网络与控制网络之间的互联，就相当于将控制网络直接暴露给外网而面临被攻击的可能。pSafetyLink是种专为工业网络应用设计的防护设施，用于解决工业SCADA控制网络如何安全接入信息网络（外网）的问题。它与防火墙等网络安全设备本质不同的地方是它阻断网络的直接连接，只完成特定工业应用数据的交换。由于没有了网络的连接，攻击就没有了载体，如同网络的“物理隔离”。由于目前的安全技术，无论防火墙、UTM等防护系统都不能保证攻击的一定阻断，入侵检测等监控系统也不能保证入侵行为完全捕获，所以最安全的方式就是物理的分开。对于有些工程师站不能授权OPC Server的，采用力控数据采集网关通过协议转换，把采集数据主动送往相应的实时数据库。
　　●第三方系统接入
　　调度中心信息平台具有良好的开放性，对于新增的力控分控中心平台可无缝直接接入，对于已有的第三方软件分控中心系统同样可轻松接入，调度中心信息平台提供多种数据接口可供客户选择。
第4章.信息化平台系统功能设计
4.1现场实时监控与调度管理
4.1.1工艺流程动态监控
　　本系统可通过直观的动态画面表达实时供水动态、设备运行状况、水处理工艺流程画面、显示供水公司水流方向等流程画面。通过分布广泛的压力监测点可在现场工艺流程动态监控画面中全面反映出城市水网的压力分布，和因需水量变化等多种扰动因素造成的官网压力变动，通过实时画面能及时准确的掌握城市供水状态。

　　逼真的3D图形显示功能以及画面渲染效果，以美观、友好的界面显示设备运行状态、流量、水位、COD等数据，并以仿真图、直方图和曲线图、棒图等多种方式清晰直观的显示各个敏感数据，方便用户对各敏感数据进行历史查询和对比分析。

4.1.2趋势显示与查询
　　实时趋势：系统可以生成实时趋势图，用于分析模拟量参数（如流量、温度、压力等）的变化趋势，以更好地让操作人员掌握系统参数的变化趋势，使系统保持最佳运行。
　　历史趋势：根据用户的需要我们可以将相关的监控点数据生成历史趋势图。通过历史趋势，用户可以查看以前特定某段（点）时间的历史图形记录，可以查找故障发生的时间，变化趋势，从而找出系统的故障原因。这些信息还可通过WEB服务器发布，供联网的客户端浏览。

4.1.3生产报表管理
　　系统可自动采集，统计分析报表自动生成，预置流程数据报送，同时可根据使用者要求进行生产报表报送流程自定义，可根据用户权限随时进行任意格式数据报表导出，为管理决策随时提供第一手资料，同时极大缓解人力劳动，减少企业人力成本。
　　报表格式可以根据生产的实际要求，通过监控软件与EXCEL电子表格的动态链接，任意定义各类表格及其格式，如班报表、日报表、月统计表，甚至年统计表等等。并且可以统计每一个报表的最大、最小值，做出相应的棒图、趋势图、X-bar图等数据分析方案，使整个管网运行、设备优化和企业管理进入全面量化控制过程。利用定时打印设置功能，可以设置定时自动打印各类报表，也可以根据需要人工干预，随时打印所需报表。

4.1.4报警与事件管理
　　对于监控站的设备或系统部件故障报警、诊断报警等，管理软件能自动处理。对工艺过程报警管理软件进行报警组态后自动处理。系统对任一报警可以用监控站内置喇叭发出声报警，也可以用将重要参数报警组态为报警出现时输出到某个数字量输出点，以驱动外接音响。对于每个报警可以组态为报警发生时系统自动切换至报警参数所在画面，同时在报警提示行以醒目的颜色显示报警信息。
　　每个报警可以组态是否需要打印及打印风格，工作站上显示的报警处均带有日期和时间，同时对报警参数恢复的日期和时间同样进行显示和记录。

4.1.5用户权限管理
　　系统提供了完备的安全保护机制，以保证生产过程的安全可靠，力控的用户管理具备多个级别，并可根据级别限制对重要工艺参数的修改，以有效避免生产过程中的误操作；力控提供了安全区的概念，同级别，不同安全区的数据不可以互相操作，保证了数据的分布式的管理。提供基于远程的用户管理，增加更多的用户级别及安全区，管理所有用户的远程登陆信息。
　　系统运行过程中，常会提出在远程对整个系统的用户进行管理的需求，并且要求可以随时增加和删除用户，对此信息平台软件提供了远程用户登陆和管理功能。

4.2生产调度管理与远程监控
4.2.1生产调度管理
　　水务集团公司信息化平台系统的建设要满足企业运营优化管理，节能降耗的要求，因此提供了生产调度管理功能。该功能可在调度中心实现一级调度，在各个分控中心实现二级调度。
　　●一级调度
　　调度中心信息化平台以数据服务器为核心，通过每日厂级数据汇总，及时下达次日的指标，保证总供水需求平衡，避免浪费或者不足。通过各种图例分析厂级设备耗电与原水消耗的比率，得出综合能耗指标。依靠这些参数生成调度方案，辅助企业对所属区域的供水、水网运行优化调度管理，同时通过网络实现数据共享，将生产调度数据直接用于办公自动化系统，实现”监测、控制、调度、管理”一体化，提高生产效率，提升经济效益。

　　●二级调度
　　为实现二级调度，在各个制水厂，供水公司，污水厂，加压站构建厂内监控系统，实现厂级调度。实时采集现场各种生产、设备数据，通过可编程控制器设置优化的控制策略，并且将数据汇总到厂级监控平台上位软件。通过实时工艺画面、各种数据报表统计、趋势汇总、系统报警信息等信息，可随时对控制策略做出优化调整，实现设备运行的分厂级管理。并且通过远程网络将数据上传至水务集团调度中心信息化平台系统，为调度中心一级调度提供数据支撑，从而达到全市供水管网平稳运行。
4.2.2远程设备管理
　　远程设备管理顾名思义就是对设备进行异地管理，包括：对设备运行进行监控，及时发现故障并排除、远程更新设备配置、共享传输资料、安装部署应用软件等内容。

　　通过远程设备管理功能，用户可以在线查看、查询、获取各种模拟设备和开关的最新数据、状况。并可以实现定时监测（水源井数据、管网压力、TOC、COD、PH、流量等一次性仪表在一段时间内，按照固定的周期进行数据采集）。中心控制室可以实时城市水网的瞬时流量和累积流量等数据, 通过远程部署功能可以对监测现场设备进行远程启动、设定工作时间、调整工作周期、数据二次查询等远程操作，并将分析结果和设备运行日志记录于水务集团调度中心信息化平台数据中。
　　可以实时监测到远程设备的启停、工作状态，远程设备的报警信息可迅速的反馈到中心控制室。报警分为四种方式：断线报警（包括设备故障报警）、超标报警、开关设备报警和异常情况报警。可以灵活设定报警条件，并和现场人员的手机、短信绑定，在满足报警条件时，自动发送报警信息。
4.2.3广域网远程监控
　　力控软件平台基于.NET的开发平台的网络构架分为服务器和客户端模式，保证在广域网上进行稳定，可靠，迅速的双向实时数据传输和控制。力控监控组态软件结合其相应的组件可以通过ADSL、VPN、GPRS/CDMA等链路实现在广域网的应用。
　　信息化平台中的WEB服务器实现了服务器端与客户端画面的高度同步, 在浏览器上可以同时浏览多个过程画面, 数据采用变化传输的方式，与其它采用JAVA虚拟机进行通信的方式相比，由于减少了解释运行的环节，因而具有更快的运行与数据更新速度。 集团领导可在任何能上网的地方通过浏览器即可登录到调度中心平台，实时掌控城市各水厂，水网的运营状况，实时了解排污情况，各种报表曲线均可通过远程客户端查看。同时支持智能手机，PDA等智能移动终端浏览现场实时数据。
4.3污染事件预警与应急管理
　　水务集团信息化平台具备完善的污染事件预警与应急管理机制，结合水网GIS地理信息管理系统，以供水管网，排放流域的空间数据和属性数据为核心，配合先进的计算机软件技术、通信技术、图形处理技术等建立起及时稳定的报警应急管理系统。当某流域发生排放污染事件时，通过大屏幕显示、声光信号等方式及时将污染事件第一时间展现，并且可通过GIS地理信息系统，给出具体污染地段区域画面，及时通告相关部门采取措施。
　　并且通过与调度系统的接口，以大量数据为基础，对水质数据进行统计分析，为水污染事件提供处理决策支持，保障市民的用水安全。
　　GIS系统设计采用以Client/Server方式为主，Browser/Server方式为辅的混合体系结构。此体系结构能很好地满足用户的需求，符合可持续发展的原则，使系统有较好的开放性和易扩展性。
　　B/S方式用于管网数据的显示、查询、统计， B/S方式的特点在于具有广泛的信息发布能力。客户端只需要普通的浏览器即可，不需要其他任何特殊软件，另外对网络也没有特殊要求，主要适用对象为公司管理、决策层。
　　C/S 方式用于用于管网数据维护、高级网络分析及系统管理，C/S方式针对海量GIS数据可提供更快的访问速度及高安全性，同时B/S方式相同的查询、统计功能，主要适用对象为管网空间、属性数据的维护人员。

　　水污染应急与预警系统中视频系统与GIS地理信息系统深度结合，空间定位利用GIS的管理空间数据的功能，将分布在不同监测河流上的监测断面监测点或采样点在系统上进行空间显示定位。同时会通过视频画面将污染监测点的实时视频画面显示在调度中心大屏幕上。

　　数据实时显示实现对河流水质监测数据（氨氮、COD、BOD、SS、Cu2+等）的实时显示，采用动态折线图或实时数据的形式展示，可以对监测参数进行选择，在系统空间监测相应点位上显示当前的监测数据，同时，系统根据用户设定相应得河流水质标准，将所获的水质监测数据与该环境质量标准进行比对，进行超标实时显示。