關鍵詞：力控,實時歷史數據庫,pSpace,水網調度,污水處理,給排水,水質檢測,GIS,OPC,管控一體化
第1章.項目概述
1.1背景
近年來隨著中國經濟的繁榮，水工業，包括工業制水、工業污水處理、市政給排水、建筑給排水、水文水利、農村直飲水、節水灌溉、水質檢測等領域工程及配套設施的建設蓬勃發展，新技術的不斷涌現推動著中國水工業自動化、信息化的不斷深入。
城市水務集團公司主要負責城市制水、供水、排水、污水處理、中水回用、水質檢測等業務，可以說城市水務集團公司掌握著一個城市用水的“生命線”。想要實現城市水業“資源統一配置，供水統一調度，運行統一管理”這一目標，需要在水務集團建設完善智能的自動化信息平臺。
1.2現狀
目前某水務集團公司擁有超過4家供水廠，日制水能力約35萬立方米；6家供水公司，800多公里的供水管線，日均供水約40萬立方米；同時擁有排水公司，600多公里的排水管線；污水處理廠日污水處理能力為7萬立方米；并且擁有水質檢測中心及水務應急搶修中心。
當前水務集團公司在信息化建設過程中主要有以下幾個問題：
1）水廠的自來水生產監控系統的自動化程度較低，水處理系統的可靠性較差，外輸供水采用落后的人工控制方式，浪費了大量的人力和物力。數據平臺集成性、實時性不高，導致供水公司無法及時瀏覽水廠的生產數據。
2）供水管網壓力不穩定、通訊方式落后、系統相對封閉、沒有建立有效的企業信息共享系統，不利于水務集團的集中管理和優化調度以及水廠之間的信息共享。
3）部分水廠的供水監控系統的冗余性不高，操作模式過于單一，經常由于一臺設備的故障，而導致整個水廠供水監控系統的癱瘓，造成嚴重的經濟損失。
4）傳統的水廠泵站間相互獨立的管理模式已無法滿足日益復雜的供水要求，迫切需要建立水系城市集控中心，實現統一供水管理。
5）缺少完善的遠程設備管理及污染事件告警平臺，無法及時反饋設備故障。當污染情況發生時，無法迅速做出應對找到污染源。
1.3需求
根據上述問題，城市水務集團公司信息化平臺可分為實時運營管理系統、歷史數據存儲系統、工藝流程監控系統、管網調度管理系統、視頻系統、GIS地理信息系統、遠程設備管理系統等。
調度中心信息化平臺需要實時采集各地污水分控中心、城市管網、供水公司、水質監測中心的實時數據，完成實時數據的匯總，分類，存儲，以及統計分析。數據實現與關系數據庫的無縫轉儲，可為運營管理部門提供準確完整的真實數據支撐。調度中心工作人員可通過大屏幕隨時了解現場工藝流程，設備運行狀況，數據報表和曲線趨勢，同時可結合視頻系統及GIS地理信息系統及時了解故障及報警信息。信息化平臺具備遠程設備管理功能，可對遠程設備運行進行監控，及時發現故障并排除、遠程更新設備配置、共享傳輸資料、安裝部署應用軟件等。
采用實時數據庫平臺構建的該信息化平臺可以構建企業生產運營調度管理系統，構建企業信息門戶。主要特點如下：
基于Internet進行管理和查看；
Intranet的應用和集成，使信息在企業內部共享和應用更便捷充分，易于升級和維護；
模塊化結構，靈活組合，伸縮性強；
圖形化界面，易于掌握使用；
開放式系統，滿足一系列國際標準和事實標準；
系統可靠性高。完全基于瀏覽器方式，管理維護方便。
第2章.信息化平臺建設方案總體概述
2.1平臺建設意義
管控一體化是指管理與控制一體化，就是利用各種技術，把生產現場的各種數據通過信息網絡系統進行系統集成、技術融合，為企業全面實現信息自動化管理奠定基礎。水務集團管控一體化系統的目標是利用先進的計算機自動化技術，實現運營管理系統與實時工藝系統的數據有機融合與共享，建立城市制水、供水、排水、污水處理、中水回用、水質檢測等系統的一體化信息集成平臺。同時通過對城市水網運行狀況的快速響應與優化控制，在確保安全優質高效供水和污水處理達標排放的同時，進一步提高社會效益和經濟效益。
2.2平臺建設目標
城市水務集團公司信息化平臺主要完成如下功能：
●各子系統所有參數的采集與存儲。
●各子系統主要參數，主要工藝畫面的監視。
●各子系統主要參數的統計及分析。
●各子系統主要參數的趨勢圖，餅圖，棒圖展示。
●各子系統主要參數的日報，月報，季報，年報。
●整個系統的WEB發布，滿足用戶在任何時間，任何地點都可通過用戶認證方式訪問此系統。
●視頻系統與GIS地理信息系統接入。
●調度中心可對重點遠程設備實現監控管理。
●整個系統具有很好的擴展性，伸縮性。使得后期新增站庫可以低成本無縫接入。
整個信息化平臺結合先進的計算機技術、自動化技術、通信技術、物聯網技術等搭建形成統一的城市水務管控一體化平臺。監測管網的實時運行狀態，對管網運行工況進行仿真和評估，生成調度策略和緊急搶修策略，保障供水管網安全、連續、穩定運行。
2.3平臺建設內容
城市水務集團信息化平臺是以計算機為核心的分布式控制系統，由它完成對管網的監控與運營維護。包括水務集團調度中心、污水處理廠分控中心、供水管網分控中心、水質監測中心，具體建設內容如下：
●信息平臺數據庫建設：包括制水、供水、排水、污水、城市管網、水質監測等子系統基礎數據庫及水務調度中心核心數據庫兩部分。分別存儲和管理運行實時歷史數據和水務決策支持系統應用數據。實時數據庫提供實時數據的管理、存儲、檢索，通過實時數據庫來分析生產情況、匯總和統計生產數據，作為指揮、決策的依據。將實時數據庫和管理數據庫進行集成和整合，建立實時數據與管理數據之間的關系，實現數據的安全共享和利用。
●水務公共信息平臺建設：建立公共信息平臺，實現信息的無縫連接與共享；建立統一的數據傳輸協議標準，保證數據的準確性與統一性；建立相應的接口標準和數據交換機制，實現不同系統和公共信息平臺之間的數據交互，保證數據的完整性與及時性。隨著公共信息平臺的建立，為輔助決策支持和各個應用的整合提供了堅實的基礎，并且為完善水務GIS地理信息系統和提高水務管理打下良好基礎。
●水務GIS地理信息系統與視頻系統接入：主要圍繞水安全、水資源、水環境三方面的應用系統建設。當污染事件等報警情況發生時，系統彈窗、聲光報警的同時可通過GIS地理信息系統迅速定位，并且可通過視頻視頻的接入及時反饋現場情況。GIS與視頻的接入對應急聯動業務起到了很好的輔助作用。
●網絡信息安全系統建設：為了防止黑客及網絡病毒對系統的攻擊，保證調度中心信息化平臺系統的安全運行，建立網絡信息安全系統，配備防火墻、工業安全隔離網關等裝置，實現內網與外網的全面隔離。
第3章.信息化平臺整體架構設計
3.1系統整體拓撲結構
如上圖所示水務集團公司調度中心信息化平臺由實時數據庫系統服務器、歷史數據庫系統服務器、報表服務器、報警服務器、GIS地理信息系統服務器、視頻服務器、WEB服務器、工程師站、操作員站以及各種輔助系統組成。
●實時、歷史數據服務器
此服務器的功能是將控制系統的數據進行接收、壓縮、計算、分析后存入數據庫，向管理層的其他用戶提供歷史數據及實時數據的查詢功能。系統不但要能滿足現階段的業務要求，而且要能滿足將來業務的增長和新技術發展的要求，要在原有設備繼續發揮作用的基礎上，保證用戶能方便地增加或調整設備，改善系統功能和性能，支持將來系統不斷更新和便于升級，從而保護原有投資。主機系統應具有良好的可擴展能力，滿足不同規模計算環境的要求，并且能提供多種升級途徑，給業務的不斷發展創造條件。
實時數據庫服務器配備力控科技pSpace Server軟件平臺采取冗余架構，兩臺服務器互為熱備，通過實時心跳檢測監控服務器的運行狀態，一旦主機發生問題從機可在最短時間內切換。
歷史數據服務器作為應用統計分析的數據支撐，對其運行的安全穩定性有較高的要求，因此采用磁盤陣列硬冗余架構。同樣配備力控科技pSpace Server軟件平臺。
水務集團公司調度中心信息化平臺的搭建需要有大量數據作為支撐，力控科技企業級實時歷史數據庫pSpace V6.0是一個高性能、高速度、高吞吐能力、可靠性強、跨網絡系統的開放式實時數據庫系統。可以將各級供水公司數據，污水處理分控中心數據，管網運行數據，水質監測平臺等數據匯總到一個平臺，為調度中心信息化平臺提供全面真實可靠的數據支撐。
產品為完全的分布式結構，可任意組建應用模式；支持C/S和B/S應用；它可以提供豐富的企業級信息系統客戶端應用和工具；大容量支持企業級應用，內部實現高數據壓縮率，可實現歷史數據的海量存儲，靈活的擴展結構可滿足各種需求，具備廣泛的安全性和可跟蹤性。
pSpace產品架構如下圖所示。pSpace的核心是工業實時/歷史數據庫引擎——pSpace Server。pSpace Server通過API接口以及基于API的各種接口與外圍組件和第三方系統進行交互，如各種現場子系統/設備、關系數據庫、應用客戶端和其他第三方系統。
●網絡系統
考慮到城市水網、各個水廠分控中心及各個監測點的地理分布情況，本系統采用VPN的網絡模式或者集團專用網絡，組建大型網絡的應用。虛擬私有網絡VPN(Virtual Private Network)出現于Internet盛行的今天,它使企業網絡幾乎可以無限延伸到地球的每個角落,從而以安全、低廉的網絡互聯模式為包羅萬象的應用服務提供了發展的舞臺。
當分控中心與調度中心出現通信故障時，為保證數據完整性，分控中心數據平臺加裝力控科技通信組件CommServer，該組件可實現斷線緩存功能。通信恢復后可將故障時段緩存的數據繼續上傳至調度中心信息平臺，從而避免了數據流失。
●安全系統
為提高系統的穩定性，可靠性，可用性，在中心系統的建設中，構建雙重網絡冗余提高底層通訊的穩定性。同時考慮網絡安全性，配備工業隔離安全網關pSafetylink，所有子系統數據均通過安全隔離裝置進入到調度中心平臺。pSafetylink以OPC標準進行數據交換，把數據送入中心冗余數據庫服務器，信息網絡與控制網絡實現互聯時，如何保證過程控制網絡的安全就變成了一個嚴峻的問題。一旦實現了信息網絡與控制網絡之間的互聯，就相當于將控制網絡直接暴露給外網而面臨被攻擊的可能。pSafetylink是種專為工業網絡應用設計的防護設施，用于解決工業SCADA控制網絡如何安全接入信息網絡（外網）的問題。它與防火墻等網絡安全設備本質不同的地方是它阻斷網絡的直接連接，只完成特定工業應用數據的交換。由于沒有了網絡的連接，攻擊就沒有了載體，如同網絡的“物理隔離”。由于目前的安全技術，無論防火墻、UTM等防護系統都不能保證攻擊的一定阻斷，入侵檢測等監控系統也不能保證入侵行為完全捕獲，所以最安全的方式就是物理的分開。對于有些工程師站不能授權OPC Server的，采用力控數據采集網關通過協議轉換，把采集數據主動送往相應的實時數據庫。
●第三方系統接入
調度中心信息平臺具有良好的開放性，對于新增的力控分控中心平臺可無縫直接接入，對于已有的第三方軟件分控中心系統同樣可輕松接入，調度中心信息平臺提供多種數據接口可供客戶選擇。
第4章.信息化平臺系統功能設計
4.1現場實時監控與調度管理
4.1.1工藝流程動態監控
本系統可通過直觀的動態畫面表達實時供水動態、設備運行狀況、水處理工藝流程畫面、顯示供水公司水流方向等流程畫面。通過分布廣泛的壓力監測點可在現場工藝流程動態監控畫面中全面反映出城市水網的壓力分布，和因需水量變化等多種擾動因素造成的官網壓力變動，通過實時畫面能及時準確的掌握城市供水狀態。
逼真的3D圖形顯示功能以及畫面渲染效果，以美觀、友好的界面顯示設備運行狀態、流量、水位、COD等數據，并以仿真圖、直方圖和曲線圖、棒圖等多種方式清晰直觀的顯示各個敏感數據，方便用戶對各敏感數據進行歷史查詢和對比分析。
4.1.2趨勢顯示與查詢
實時趨勢：系統可以生成實時趨勢圖，用于分析模擬量參數（如流量、溫度、壓力等）的變化趨勢，以更好地讓操作人員掌握系統參數的變化趨勢，使系統保持最佳運行。
歷史趨勢：根據用戶的需要我們可以將相關的監控點數據生成歷史趨勢圖。通過歷史趨勢，用戶可以查看以前特定某段（點）時間的歷史圖形記錄，可以查找故障發生的時間，變化趨勢，從而找出系統的故障原因。這些信息還可通過WEB服務器發布，供聯網的客戶端瀏覽。
4.1.3生產報表管理
系統可自動采集，統計分析報表自動生成，預置流程數據報送，同時可根據使用者要求進行生產報表報送流程自定義，可根據用戶權限隨時進行任意格式數據報表導出，為管理決策隨時提供第一手資料，同時極大緩解人力勞動，減少企業人力成本。
報表格式可以根據生產的實際要求，通過監控軟件與EXCEL電子表格的動態鏈接，任意定義各類表格及其格式，如班報表、日報表、月統計表，甚至年統計表等等。并且可以統計每一個報表的最大、最小值，做出相應的棒圖、趨勢圖、X-bar圖等數據分析方案，使整個管網運行、設備優化和企業管理進入全面量化控制過程。利用定時打印設置功能，可以設置定時自動打印各類報表，也可以根據需要人工干預，隨時打印所需報表。
4.1.4報警與事件管理
對于監控站的設備或系統部件故障報警、診斷報警等，管理軟件能自動處理。對工藝過程報警管理軟件進行報警組態后自動處理。系統對任一報警可以用監控站內置喇叭發出聲報警，也可以用將重要參數報警組態為報警出現時輸出到某個數字量輸出點，以驅動外接音響。對于每個報警可以組態為報警發生時系統自動切換至報警參數所在畫面，同時在報警提示行以醒目的顏色顯示報警信息。
每個報警可以組態是否需要打印及打印風格，工作站上顯示的報警處均帶有日期和時間，同時對報警參數恢復的日期和時間同樣進行顯示和記錄。
4.1.5用戶權限管理
系統提供了完備的安全保護機制，以保證生產過程的安全可靠，力控的用戶管理具備多個級別，并可根據級別限制對重要工藝參數的修改，以有效避免生產過程中的誤操作；力控提供了安全區的概念，同級別，不同安全區的數據不可以互相操作，保證了數據的分布式的管理。提供基于遠程的用戶管理，增加更多的用戶級別及安全區，管理所有用戶的遠程登陸信息。
系統運行過程中，常會提出在遠程對整個系統的用戶進行管理的需求，并且要求可以隨時增加和刪除用戶，對此信息平臺軟件提供了遠程用戶登陸和管理功能。
4.2生產調度管理與遠程監控
4.2.1生產調度管理
水務集團公司信息化平臺系統的建設要滿足企業運營優化管理，節能降耗的要求，因此提供了生產調度管理功能。該功能可在調度中心實現一級調度，在各個分控中心實現二級調度。
●一級調度
調度中心信息化平臺以數據服務器為核心，通過每日廠級數據匯總，及時下達次日的指標，保證總供水需求平衡，避免浪費或者不足。通過各種圖例分析廠級設備耗電與原水消耗的比率，得出綜合能耗指標。依靠這些參數生成調度方案，輔助企業對所屬區域的供水、水網運行優化調度管理，同時通過網絡實現數據共享，將生產調度數據直接用于辦公自動化系統，實現”監測、控制、調度、管理”一體化，提高生產效率，提升經濟效益。
●二級調度
為實現二級調度，在各個制水廠，供水公司，污水廠，加壓站構建廠內監控系統，實現廠級調度。實時采集現場各種生產、設備數據，通過可編程控制器設置優化的控制策略，并且將數據匯總到廠級監控平臺上位軟件。通過實時工藝畫面、各種數據報表統計、趨勢匯總、系統報警信息等信息，可隨時對控制策略做出優化調整，實現設備運行的分廠級管理。并且通過遠程網絡將數據上傳至水務集團調度中心信息化平臺系統，為調度中心一級調度提供數據支撐，從而達到全市供水管網平穩運行。
4.2.2遠程設備管理
遠程設備管理顧名思義就是對設備進行異地管理，包括：對設備運行進行監控，及時發現故障并排除、遠程更新設備配置、共享傳輸資料、安裝部署應用軟件等內容。
通過遠程設備管理功能，用戶可以在線查看、查詢、獲取各種模擬設備和開關的最新數據、狀況。并可以實現定時監測（水源井數據、管網壓力、TOC、COD、PH、流量等一次性儀表在一段時間內，按照固定的周期進行數據采集）。中心控制室可以實時城市水網的瞬時流量和累積流量等數據, 通過遠程部署功能可以對監測現場設備進行遠程啟動、設定工作時間、調整工作周期、數據二次查詢等遠程操作，并將分析結果和設備運行日志記錄于水務集團調度中心信息化平臺數據中。
可以實時監測到遠程設備的啟停、工作狀態，遠程設備的報警信息可迅速的反饋到中心控制室。報警分為四種方式：斷線報警（包括設備故障報警）、超標報警、開關設備報警和異常情況報警。可以靈活設定報警條件，并和現場人員的手機、短信綁定，在滿足報警條件時，自動發送報警信息。
4.2.3廣域網遠程監控
力控軟件平臺基于.NET的開發平臺的網絡構架分為服務器和客戶端模式，保證在廣域網上進行穩定，可靠，迅速的雙向實時數據傳輸和控制。力控監控組態軟件結合其相應的組件可以通過ADSL、VPN、GPRS/CDMA等鏈路實現在廣域網的應用。
信息化平臺中的WEB服務器實現了服務器端與客戶端畫面的高度同步, 在瀏覽器上可以同時瀏覽多個過程畫面, 數據采用變化傳輸的方式，與其它采用JAVA虛擬機進行通信的方式相比，由于減少了解釋運行的環節，因而具有更快的運行與數據更新速度。 集團領導可在任何能上網的地方通過瀏覽器即可登錄到調度中心平臺，實時掌控城市各水廠，水網的運營狀況，實時了解排污情況，各種報表曲線均可通過遠程客戶端查看。同時支持智能手機，PDA等智能移動終端瀏覽現場實時數據。
4.3污染事件預警與應急管理
水務集團信息化平臺具備完善的污染事件預警與應急管理機制，結合水網GIS地理信息管理系統，以供水管網，排放流域的空間數據和屬性數據為核心，配合先進的計算機軟件技術、通信技術、圖形處理技術等建立起及時穩定的報警應急管理系統。當某流域發生排放污染事件時，通過大屏幕顯示、聲光信號等方式及時將污染事件第一時間展現，并且可通過GIS地理信息系統，給出具體污染地段區域畫面，及時通告相關部門采取措施。
并且通過與調度系統的接口，以大量數據為基礎，對水質數據進行統計分析，為水污染事件提供處理決策支持，保障市民的用水安全。
GIS系統設計采用以Client/Server方式為主，Browser/Server方式為輔的混合體系結構。此體系結構能很好地滿足用戶的需求，符合可持續發展的原則，使系統有較好的開放性和易擴展性。
B/S方式用于管網數據的顯示、查詢、統計， B/S方式的特點在于具有廣泛的信息發布能力。客戶端只需要普通的瀏覽器即可，不需要其他任何特殊軟件，另外對網絡也沒有特殊要求，主要適用對象為公司管理、決策層。
C/S 方式用于用于管網數據維護、高級網絡分析及系統管理，C/S方式針對海量GIS數據可提供更快的訪問速度及高安全性，同時B/S方式相同的查詢、統計功能，主要適用對象為管網空間、屬性數據的維護人員。
水污染應急與預警系統中視頻系統與GIS地理信息系統深度結合，空間定位利用GIS的管理空間數據的功能，將分布在不同監測河流上的監測斷面監測點或采樣點在系統上進行空間顯示定位。同時會通過視頻畫面將污染監測點的實時視頻畫面顯示在調度中心大屏幕上。
數據實時顯示實現對河流水質監測數據（氨氮、COD、BOD、SS、Cu2+等）的實時顯示，采用動態折線圖或實時數據的形式展示，可以對監測參數進行選擇，在系統空間監測相應點位上顯示當前的監測數據，同時，系統根據用戶設定相應得河流水質標準，將所獲的水質監測數據與該環境質量標準進行比對，進行超標實時顯示。
