（通信与信息系统专业论文）排水管理系统中gis与scada的集成研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 基于g i s 的远程设备监视是g i s 走向数字工程的发展趋势在工业生产领域 的具体应用以及集中体现。在以空间分析及图形显示为特色的g i s 技术环境下 融入非空间的设备设施实时采集指标数据，不仅可以在空间数据的可视化背景 下实时监视采集指标数据的变化，弥补传统设备监视技术的不足，同时还可以 回溯模拟、预估工业生产中的动态发展趋势，为工业生产的管理者提供决策支 持。 因为g i s 的设计目标不是实时数据获取工具，无法利用g i s 来获得设备的 实时运行数据。s c a d a 系统是实时数据采集和监测系统，s c a d a 可以利用p l c 获得实时监测数据。那么，要利用g i s 实现设备的远程监视，就必须让g i s 与 s c a d a 系统集成起来。 本文介绍了g i s 系统和s c a d a 系统各自的概况以及开发和应用情况，简 单概述了两者集成一体化的技术、方式等内容。重点部分是，利用实时s c a d a 系统采集实时数据，利用g i s 的强大数据组织能力将这些实时数据与设备、设 施的空间数据及属性数据有机地组织起来。g i s 系统与s c a d a 系统的一体化的 实现最重要的一点就在于数据的共享，就是要超越g i s 的数据格式和s c a d a 所采用平台的数据格式之间的不统一所带来的屏障，一体化带来的好处就是两 个系统可以在一个可以相互转换的数据之间自由地提取本身感兴趣的信息，并 可以使得用户只需要维护一次数据，就可以使得数据得到充分的共享，这样既 可以充分保证数据的一致性，又可以极大降低用户工作量，不必重复录入数据。 g i s 系统和s c a d a 系统集成一体化的关键技术，数据获取和传输的过程、 空间数据和s c a d a 数据的组织和管理。重点介绍了实时信息监视中地图监视、 图形转换等过程，以及指标过程线、统计、报警等与设备管理的结合。本文对 整个实际应用案例的分析，通过从系统背景、总体结构、运行环境、功能与子 系统划分、数据库设计等几个方面做了全方位具体的分析。最后演示了系统运 行的结果，展示了相应的效果。我希望通过对本课题的研究，能为g i s 和s c a d a 的研究起到一点作用。 关键字：g i s ，s c a d a ，数据采集，集成一体化 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h er e m o t ef a c i l i t ys u r v e i l l a n c eb a s e do ng i s ，i st h ec o n c r e t e l ya p p l i c a t i o na n d u t i l i z a t i o ni nt h ef i e l do fi n d u s t r yp r o d u c t i o nt h a tt h eg i sh e a d sf o rt h ed a t a e n g i n e e r i n g a n di nt h ee n v i r o n m e n to ft h eg i s ，w h i c hi sf e a t u r e da ss p a c ea n a l y s i s a n dg r a p h i c sd e m o n s t r a t i o n s ，t o g e t h e rw i t hn o n s p a c ee q u i p m e n ts e t u pi n s t a n t c o l l e c t i o ni n d i c a t o rd a t a , t o g e t h e rw i t hn o n s p a c ee q u i p m e n ts e t u pi n s t a n tc o l l e c t i o n i n d i c a t o rd a t a , n o to n l yc o u l da c h i e v et h ec h a n g eo fi n s t a n tm o n i t o rc o l l e ： t i o n i n d i c a t o rd a t au n d e rt h es p a c ed a t av i s i b l eb a c k g r o u n d , w h i c hi sm a k i n gu pf o rt h e d e f i c i e n c yo ft h et r a d i t i o n a le q u i p m e n tm o n i t o r , b u ta l s oc o u l db a c k d a t es i m u l a t i n g , p r e d i c t i n g t h e d y n a m i cd e v e l o p i n g t r e n di ni n d u s t r i a lp r o d u c t i o n ，s u p p o r t i n g a d m i n i s t r a t o ra sw e l l i ti sp o s s i b l et h a tg e te q u i p m e n t si n s t a n td a t at h r o u g hg i ss i n c et h a ti sn o tt h e g o a l s c a d as y s t e mi st oi n s t a n td a t ac o l l e c t i o na n ds y s t e mm o n i t o r ；i tc o u l db e u s e dt og e ti n s t a n tm o n i t o rd a t at h r o u g hp l c t h e r e f o r e ，t ou t i l i z ee q u i p m e n tr e m o t e m o n i t o r , g i sa n ds c a d as y s t e mn e e d st ob ep u tt o g e t h e l t h i sp a p e ri n t r o d u c e sr e s e a r c h sb a c k g r o u n d , m e a n i n g , c u r r e n ts i t u a t i o na n dt h e f o r e c a s t i n gi nt h ef u t u r e ，d e m o n s t r a t et h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t ，a n di n t r o d u c e sg i s s y s t e ma n ds c a d as y s t e m sg e n e r a ls i t u a t i o na n dd e v e l o p m e n t ，a p p l i c a t i o n r e s p e c t i v e l y ，s i m p l yt e l lt h et e c h n o l o g y , m e t h o d sw h e nt h e s et w o m e e tt o g e t h e r t h ee m p h a s i so ft h ec o n t e n ta r e ，h o wt ou s et h ei n s t a n ts c a d as y s t e mt o c o l l e c ti n s t a n td a t a , h o wt ou s et h es t r o n gd a t ao r g a n i z a t i o na b i l i t yo fg 1 st oo r g a n i z e t h e s ei n s t a n td a t a , e q u i p m e n t ，f a c i l i t y ss p a c ed a t aa n dp r o p r i e t yd a t ao r g a n i c a l l y t h e m o s ti m p o r t a n tf e a t u r eo fi n t e g r a t i o no fg i ss y s t e ma n ds c a d as y s t e mi sd a t a s h a r i n g , w h i c hi sp l a n n e dt ob ee x c e e d i n gt h ed i f f i c u l t i e so fs k i m b l e - s c a m b l e o f g i s sd a t af o r m a ta n ds c a d a sp l a t f o r md a t af o r m a t t h ea d v a n t a g eo fi n t e g r a t i o n i st om u t u a lt r a n s f e rd a t aa n di n f o r m a t i o nf r e e l yw i t h i nt w os y s t e m s m e a n w h i l e ，o n l y d e m a n d sd a t am a i n t a i n so n c ef o rt h eu s e r , w h i c hc o u l dg r a n t e et h ec o n s i s t e n c yo f d a t a , b u ta l s od o w n s i z eu s e r s w o r k ，n on e e dt oi n p u td a t ar e p e a t e d l y 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 l ep a p e rb a s i c a l l yi n t r o d u c e st h ek e yt e c h n o l o g yo fg i ss y s t e ma n ds c a d a s y s t e ma tf i r s t ，t h e nt e l l st h ep r o c e s so fa c h i e v i n gd a t aa n dt r a n s f e r , s p a c ed a t aa n d s c a d a sd a t ao r g a n i z a t i o na n da d m i n i s t r a t i o n i ti n t r o d u c e si n s t a n ti n f o r m a t i o n m o n i t o rg r a p h i c , g r a p h i ct r a n s f e rp r o c e s s i n ga n di n d i c a t o rl i n e ，s t a t i s t i c s ，a l e r t i n 吕 t o g e t h e rw i t he q u i p m e n to p e r a t i o n s 1 1 i ep a p e ra n a l y z e st h ee n t i r ea p p l i c a t i o nc a s e 1 n h ec o n t e n ta n a l y z e ss y s t e mb a c k g r o u n d ，s t r u c t u r e ，o p e r a t i o ne n v i r o n m e n t ，f u n c t i o n s ， a f f i l i a t e ds y s t e m ，a n dd a t a b a s ed e s i g n a tt h ee n d ，i ts h o w st h er e s u l to ft h eo p e r a t i o n o fs y s t e m ih o p em yr e s e a r c hh a v eal i t t l ee f f e c t i v et ot h er e s e a r c ho ft h eg i sa n d s c a d 九 k e yw o r d s ：g i s ，s c a d a , d a t aa c q u i s i t i o n , i n t e g r a t i o n i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本入在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：朱熟日期：丝2 1 墨丝 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期：翌z ：苎和 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景及意义 第1 章绪论 武汉市建城历史悠久，排水管道发展历程较长。目前武汉虽已建成排水系 统的骨干网，但是在管理和维护方面却依然存在许多问题，很多管网是根据过 去的降雨情况来设计的，标准低、管径小、排水能力差。由于历史的原因，所 有的雨水和污水都是直接排入到河道和湖泊，新旧管道加上雨污混流、雨污分 流兼蓄，管理和维护非常困难，管道和其他排水设施不能有效地协调发挥作用， 造成一些地区的涝滞【仆1 3 1 。 随着科学技术进步和工业生产水平的提高，污水处理的生产设备不断向大 型化、系统化和自动化方向发展，生产设备相互间的关联程度越来越密切，实时 监视设备运行状态信息对污水处理行业生产非常重要。目前，因为污水处理厂 的地域相关性，同一城市的污水处理厂大多由一个部门统一管理，主管部门需 要了解各个污水处理厂的生产设备的运行状态信息、监测采集指标信息及各设 备在整个城市的污水处理系统中的运行功能、所处的地理方位，以实现设备管 理的高效性和安全性。 在污水处理行业应用较普遍的是短距离设备信息监视，管理部门无法实时 了解大范围的设备监测信息及设备的运行情况。污水处理行业也曾试验利用监 视摄像机实现污水处理设备的远程监视，但管理部门又无法掌握设备、设施的 空间位置，从整体上宏观上了解同行业各设备的配合情况。 为了有效地运用现有的排水系统，建立一个综合排水信息系统是非常重要 和必要的，系统的开发将利用现代的信息技术、现代数据通信技术和g i s 应用 技术，更好地为武汉市的排水建设服务。将地理信息系统用于排水g i s 系统采 用现代化的手段，利用计算机的数据库管理和数字图形显示技术，能对排水网 进行先进科学的管理，从而提高排水管网管理的水平 4 h 7 1 。 1 2 国内外研究现状 地理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m 。简称g i s ) 作为获取、处理、 武汉理t 大学硕士学位论文 管理和分析地理空间数据的重要工具、技术和学科，近年来得到了广泛关注和 迅猛发展。 随着信息技术、软件开发技术、通信技术、嵌入式技术的飞速发展，在早 期被称为第三代地学语言的g i s 技术，已超越了单纯的地学领域范畴，正在从 技术、方法、组织、管理、数据共享、应用、表现形式等多形式多方面同其他 的信息系统结合，逐步扩展并形成服务于不同领域不同区域的数字工型8 】 1 0 1 。 g i s 作为一门边缘科学，能把我们日常生活中的各种信息同地理位置和其它 有关的视图结合起来。这样，就可以根据用户的需求，将这些信息图文并茂地 输送给每个用户，也可以按照目标对这些信息进行分析，以满足决策管理的要 求【1 1 】 1 5 1 。 国外的电力、环境城市规划等行业技术部门早在2 0 世纪8 0 年代，就采用 计算机图形技术来改善这些行业的生产管理工作。地理信息系统在我国各个行 业的应用虽然起步较晚，但发展速度较快，目前，很多大中型城市都在建设( 有 的已经投入运行) 相应的地理信息系统。 远程信息监视可以让人们摆脱地域的限制，目前在我国与生产相关的各个 领域已进行了远程设备监视的尝试，也取得了不小的进步和发展，但是对于工 业生产领域的设备远程监视来说，都有局限性，主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 无法可视化表现位于一个城市的不同设备设施的空间分布特性，以及 它们在功能上的依赖性与内部相关性； ( 2 ) 生产指标信息虽不属于设备信息，但是却与设备生产效率息息相关， 也是工业生产领域决策人员需要监视的重要指标之一，不易获得该类信息； ( 3 ) 无法表现指标的历史变化及预测分析。 污水处理领域的管理决策人员面对着各种实时运行数据如温度、液位、流 量、压力、p h 值、溶氧、泵、阀门、鼓风机和供电系统的电压、电流、功率等 工况参数数据。基于g i s 技术及地图技术可以把这些实时运行数据与设备、设 施的空间数据、属性数据进行合理统一的组织、管理、显示给污水处理行业的 管理决策人员，并对这些数据进行综合分析，得出预测数据以更好的管理设备、 设施。 城市排水系统是影响城市正常运转和生态环境的重要基础设施，是城市的 主要脉搏之一，有“生命工程”之称。它与城市的水环境状况、居民的财产生 命安全直接密切相关。随着城市经济文化的快速发展，城市环境变化已经超乎 2 武汉理工大学硕士学位论文 想象的程度，尤其是水环境恶化、积水等洪灾频频发生，使得城市排水问题日 益突出。而与城市供水、供电、道路等系统相比，排水系统的建设与管理则显 得相对滞后。面对大量浩繁的地下排水管网，需要采用现代化计算机科学与技 术建立一个城市信息系统。现代的g i s 技术非常适宜于解决这个问题。 1 3 本文研究内容 利用地理信息系统( g i s ) 、数据库以及网络工程等计算机应用技术，在数 字地图基础上，建立排水地理信息系统，将已经和正在建设的城市排水管道、 提升泵站和污水处理厂的有关数据，纳入到这套地理信息系统中，实现现有排 水设施基础资料和相关运行管理数据从采集、处理、计算、分析、输出、共享 等全过程的数字化管理，以信息化推动排水公司的管理现代化，全面提升排水 行业的管理水平。同时，就城市部分城区暴雨期间和暴雨后的积水问题进行模 型分析，找出问题所在，并对解决积水和污水冒溢问题的各种方案给出评价意 见，为排水设施的进一步发展提供辅助决策【1 6 1 - 【堋。 基于g i s 的远程设备监视是g i s 走向数字工程的发展趋势在工业生产领域 的具体应用以及集中体现。在以空间分析及图形显示为特色的g i s 技术环境下 融入非空间的设备设施实时采集指标数据，不仅可以在空间数据的可视化背景 下实时监视采集指标数据的变化，弥补传统设备监视技术的不足，同时还可以 回溯模拟、预估工业生产中的动态发展趋势，为工业生产的管理者提供决策支 持。 因为g i s 的设计目标不是实时数据获取工具，无法利用g i s 来获得设备的 实时运行数据。s c a d a 系统是实时数据采集和监测系统，s c a d a 可以利用p l c 获得实时监测数据。那么，要利用g i s 实现设备的远程监视，就必须让g i s 与 s c a d a 系统集成起来。利用实时s c a d a 系统采集实时数据，利用g i s 的强大 数据组织能力将这些实时数据与设备、设施的空间数据及属性数据有机地组织 起来。除此之外，g i s 在理论与方法上的许多特色也可以用于设备监视中，用户 不仅可以监视设备的实时运行信息还可以获取预测数据等具有重大决策意义的 信息。 g i s 系统在实际的应用中要跟s c a d a 系统结合，方可满足要求。因此，就 涉及到“无缝集成”的问题。对“无缝集成”的追求其实是因为以往许多软件 在与外部系统连接时是“有缝”的，甚至是“两层皮”，无法很好地集成和融合。 3 武汉理工大学硕士学位论文 本文的重点内容即就排水g i s 系统与s c a d a 系统的无缝集成做了阐述。 1 4 本文组织结构 第一章介绍了研究的背景及意义，g i s 的发展现状及未来前景，提出了本文 主要研究的内容，概括了全文的组织结构。 第二章主要介绍了g i s 系统和s c a d a 系统的概况以及开发和应用情况， 简单概述了两者集成一体化的技术、方式等内容。 第三章是本文的重点，首先简要介绍g i s 系统和s c a d a 系统集成一体化 的关键技术，随后叙述了数据获取和传输的过程、空间数据和s c a d a 数据的组 织和管理。重点介绍了实时信息监视中地图监视、图形转换等过程，以及指标 过程线、统计、报警等与设备管理的结合。 第四章是对整个实际应用案例的分析。本文通过从系统背景、总体结构、 运行环境、功能与子系统划分、数据库设计等几个方面做了全方位具体的分析。 最后演示了系统运行的结果，展示了相应的效果。 第五章对本文工作进行总结，并对未来的发展前景做出展望。 4 武汉理工大学硕士学位论文 2 1g i s 系统 第2 章g i s 和s c a d a 系统 简单的说，g i s 系统将描述位置或地方的层信息结合在一起，通过这些信息 可以使你更好地认识这个位置或地方。 同纸质地图一样，g i s 产生的数字地图也是用象素或点表示诸如城市这样的 信息，用线表示道路这样的信息、小块表示湖泊等信息。 但是不同的是，这些信息都来自数据库，并且只在用户选择显示它们的时 候才被显示。数据库中存储着诸如这个点的位置、道路的长度、甚至湖泊的面 积等信息。数字地图上的每一条信息都位于一个层上，用户可以根据需要打开或 关闭这些层。一个层也许构成了一个地区所有的道路信息，另外的层也许表现了 同一个地区所有湖泊的信息。当然，也许还会有一个层描述所有的城市信息。 地理信息系统g i s 同纸质地图相比，强大之处就是运用g i s 你可以根据你 行动的目的去选择你想看的信息，正如：商人们为某一个特定城市绘制客户地 图所显示的信息当然与市政工程师希望看到的同一城市自来水管线信息非常不 同。这两幅地图都是以相同的街道和街区地图为基础的，但是他们在这张地图 上添加了不同的信息【1 9 1 【捌。 2 1 1g i s 系统开发 一个完整的g i s 和地理信息系统，包括：硬件( 计算机和外设) 、软件( 链 接到“g i s 软件”) 、数据( 链接到“数据”) 、人、培训、解译g i s 分析结 果的有效的分析方法。 g i s 软件提供了存储、分析和显示位置信息的功能和工具。g i s 软件的主要 组件包括：可以输入和操作诸如地址和行政区划等地理信息的工具集、数据库 管理系统( 关系性数据管理系统) 、使你建立分析、查询更多信息或打印发布的 智能数字地图的工具集、一个简单易用的图形用户界面g u i 。g i s 软件可以是低 端的商业制图软件简单显示销售区域，也可以是对复杂的自然保护区进行管理 和研究的高端软件【2 3 l 。【2 剐。 武汉理工大学硕士学位论文 如何做g i s 分析，步骤如下： ( 1 ) 设计问题。g i s 分析通常是从明确你需要哪些信息开始的。比如：“在 每个分水岭上有多少森林? ”、“哪些地块离这个溶剂仓库5 0 0 英尺? ”，这些问 题越细越好，它们可以帮助你决定如何进行分析，用何种手段去分析，以及如 何显示结果。 ( 2 ) 选择数据。你应用的数据和特征的类型决定着用何种方法进行分析。 也就是说：如果您知道你需要用特殊的手段回答问题，那么你就需要找到所需 的额外的数据。数据可以有多种来源：组织内部的数据库、相关管理器、c a d 文件、互联网、商业数据提供商、政府组织等等。你的需求和预算决定了你使 用何种数据以及如何得到它们。许多分析需要十分高质量和精确的数据。 ( 3 ) 选择分析方法。需要解决的问题和如何运用分析结果决定了你用哪些 。方法进行分析。举例说明：如果你仅仅想大致了解城市入室抢劫的情况，那么 你只需要将个别案例显示在地图上。但是如果这些信息将被用作审判的证据， 那么你就希望能够对给定时间段内的犯罪行为的位置信息和数量做更详细的分 析。 ( 4 ) 处理数据。一旦选择了分析方法，你就要按照你的需求处理数据。如 果你想对某个事件的位置绘制地图，那么你需要对你的数据赋予地理特征( 比 如经纬度或地址信息) 以及对你的数据赋予属性值。如果你希望对数量绘图， 比如在公园中的植被数量，就需要选择一个分类办法，并决定将用多少种类划 分你的数据。如果你想找出里面有什么，你需要测量一个区域或将一些不同的 层信息关联在一起。 ( 5 ) 查看结果。最后一个步骤就是查看分析结果并且根据这个结果指导行 为。这些结果可以通过数字地图显示，并且打印成纸质地图，也可以结合电子 表格或图表显示。虽然许多g i s 系统都强调制图功能，但是软件可以灵活地按 照你的需要以最佳的方式显示分析结果。 2 1 2g i s 系统应用 g i si 业正面临显著的快速变化。今天，g i s 工业的增长是由于代表新工业， 新市场和新应用的客户对地图使用和空间数据分析技术的全新驱动。同时，传 统g i s 用户正在调整投资，希望通过对g i s 和企业部门级的信息系统进行集成。 6 武汉理工大学硕士学位论文 凡是和空间位置有关的应用都可以采用g i s 技术，各个行业涉及的信息都 和地理空间位置有着或多或少的联系，当行业应用和地理空间位置结合时，都 可以采用g i s 技术【2 9 1 。【3 2 】，如图2 - 1 所示： 鬈筋矬公安精劳l 农韭衣翻 i 监控翻 道路交通 房产规翔 电信电力 设施管理 敦字城市 城市绿化 图2 - 1 g i s 相关应用领域 如银行系统办理的很多业务和空间位置关系不大，但当我们对一定区域范 围的所有银行进行各种业务的对比分析，或者考虑新的银行点的增加选址，或 者需要查询距指定地点最近的银行以及其到达路线时，需要考虑现有各银行点 的空间分布，选址还要分析其他相关因素的空间分布，到达指定银行还需要考 虑道路的空间分布。在这种情况下，需要采用g i s 技术。 再比如，土地管理部门的业务办公是按一定流程进行的，和空间位置没有 直接联系。但业务内容需要涉及到被管理的土地的空间位置、形状、面积等空 间特征，为了提高业务办理效率，可以采用g i s 技术进行图文一体化管理。 g i s 还可和多种技术和系统进行集成应用，如图2 - 2 所示： 图2 - 2g i s 与其他系统的集成 武汉理工大学硕士学位论文 同时，许多大的用户组织如市政政府和公用事业正在平衡有实际价值的g i s 投资，把现有的和将来的应用都集成到他们的数据库中去。就煤气和电力公用 事业为例，他们希望扩展g i s 的用途，除了自动制图和设施管理a m f m 管理之 外，还能进行客户信息系统、工程设计、工作管理、输电管理、s c a d a 、市场 和销售等等工作1 3 3 1 - ! 矧。 市场前景：全球g i s 软件、相关硬件和服务( 培训、技术支持) 将达到每 年几百亿美元，以后会更多。推动g i s 工业增长的重要趋势是日益增长的未接 触过g i s 的企业对g i s 的应用。这些企业欢迎新技术，经常会对传统的g i s 进 行一些改装。事实上，这些新客户市场和应用正在重塑和扩大g i s 的定义，把 g i s 扩大为地图分析和嵌入到数据库、表单、企业i n t r a n e t 和企业信息系统中去 的可视化技术。所有这些空间数据分析和地理相关信息技术可带来成百上千的 新用户。 2 1 3g i s 用于监视系统的技术优势 污水处理领域的管理决策人员面对着各种实时运行数据如温度、液位、流 量、压力、p h 值、溶氧、泵、阀门、鼓风机和供电系统的电压、电流、功率等 工况参数数据。基于g i s 技术及地图技术可以把这些实时运行数据与设备、设 施的空间数据、属性数据进行合理统一的组织、管理、显示给污水处理行业的 管理决策人员，并对这些数据进行综合分析，得出预测数据以更好的管理设备、 设施。利用g i s 实现设备的远程信息监视的技术优势具体表现在： ( 1 ) 面向对象的数据管理方式 利用g i s 强大的数据管理能力，以面向对象的数据组织方式采集、更新及 统一管理空间数据和属性数据。异类对象间利用包含关系关联起来，对象的属 性数据包括污水处理设备、设施不变的静态属性数据( 如编号，所属单位以及 各种多媒体图形资料) 和变化的属性数据( 如各种实时监测指标值) 。这种数据 管理方式可以增强系统的扩展性，符合人们看待客观世界的思维方式，便于监 视后台维护。 ( 2 ) 监视对象的多样性 在多尺度的空间数据及g i s 强大的图形显示和空间分析功能的支持下，基 于g i s 的设备远程监视对象可以分为4 类：对采集指标值的监视；对设备运行 台时数的监视；设备预警监视；采集指标变化监视。 8 武汉理工大学硕士学位论文 在监视过程中，可以根据用户的实际需要及用户权限选择监视对象，同时， 为明确分工及方便快捷操作，可设定特定用户或特定用户角色的日常监视对象。 ( 3 ) 提供决策支持 利用g i s 强大的查询、统计分析能力，污水处理领域的决策人员在了解设 备实时运行信息的基础上，还可以了解各种统计数据，过程线数据及预测数据， 为污水处理领域的决策人员提供决策支持。 ( 4 ) 从生产需要确定系统监视对象 污水处理领域的决策人员可以从生产的需要出发，选择系统的监视对象， 以免系统显示区上显示的监视指标过多、图面杂乱、无主次之分，不利于用户 对生产的管理。 2 2 s c a d a 系统 s c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n d d a t aa c q u i s i t i o n ) 系统，即数据采集与监 视控制系统。s c a d a 系统的应用领域很广，它可以应用于电力系统、给水系统、 石油、化工等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域。在电力系 统以及电气化铁道上又称远动系统。 s c a d a 系统是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统。它可以 对现场的运行设备进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、参数 调节以及各类信号报警等各项功能。由于各个应用领域对s c a d a 的要求不同， 所以不同应用领域的s c a d a 系统发展也不完全相同。 在电力系统中，s c a d a 系统应用最为广泛，技术发展也最为成熟。它作为 能量管理系统( e m s 系统) 的一个最主要的子系统，有着信息完整、提高效率、 正确掌握系统运行状态、加快决策、能帮助快速诊断出系统故障状态等优势， 现已经成为电力调度不可缺少的工具。它对提高电网运行的可靠性、安全性与 经济效益，减轻调度员的负担，实现电力调度自动化与现代化，提高调度的效 率和水平中方面有着不可替代的作用。 s c a d a 在铁道电气化远动系统上的应用较早，在保证电气化铁路的安全可 靠供电，提高铁路运输的调度管理水平起到了很大的作用。在铁道电气化 s c a d a 系统的发展过程中，随着计算机的发展，不同时期有不同的产品，同时 我国也从国外引进了大量的s c a d a 产品与设备，这些都带动了铁道电气化远动 系统向更高的目标发展【3 3 9 1 。 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 1s g u ) a 系统开发 s c a d a 系统可以实时采集现场数据，对工业现场进行本地或远程的自动控 制，对工艺流程进行全面、实时的监视，并为生产、调度和管理提供必要的数 据。s c a d a 系统主要应用于水利、石油、供电等行业中，用于地理环境恶劣无 人值守的环境下进行远程控制。它的主要结构包括远程控制单元r t u ( r e m o t e t e r m i n a lu n i t ) 、通讯网络及中心站。 ( 1 ) r t u 主要作用是进行数据采集及本地控制，进行本地控制时作为系统中一个独 立的工作站，这时r t o 可以独立的完成连锁控制、前馈控制、反馈控制、p i d 等工业上常用的控制调节功能；进行数据采集时作为一个远程数据通讯单元， 完成或响应本站与中心站或其它站的通讯和遥控任务。它的主要配置有c p u 模 板、输入输出模板、通讯接口单元，以及通讯机r a d i o 、天线、电源、机 箱等辅助设备。r t u 能执行的任务流程取决于下载到c p u 中的程序，c p u 的程 序可用工程中常用的编程语言编写，如梯形图、c 语言等。 i o 模板上的i o 通道是r t u 与现场信号的接口，这些接口在符合工业标准 的基础上有多种样式，满足多种信号类型。f o 模板一般都插接在r t u 的总线 板槽上，通过总线与c p u 相连。这种结构易于f o 模板的更换和扩展。除f o 通道外，r t u 的另一个重要的接口是r t u 的通讯端口，r t u 具有多个通讯端口， 以便支持多个通讯链路。 ( 2 ) 系统的通讯网络 + 主要用于r t u 与中心站通讯及与其它r t u 通讯。链路种类有无线、有线、 微波、光纤。r t u 可支持的通讯方式有中心站触发的通讯方式和唧触发的通 讯方式。 中心站触发的通讯方式包括：轮询方式，由系统设置一个时间周期，每隔 一个时间段，系统就进行一次查询，收中心站所需要的现场数据。广播方式， 由中心站向所有r t u 或某分组内的r t u 下发命令。控制命令下发方式，如下发 开、关控制命令，修改报警及控制权限，在通讯上有较高的优先级。 r t u 触发的通讯方式，包括事件触发方式、突发传输方式、r t u 对r t u 的 通讯。r t u 可以在程序中根据现场情况设置条件，以便在非常情况下中心站突 发数据，这种突发方式在通讯中有较高的传输优先级。r t u 与r t u 之间也可以 进行数据传输，这种数据传输要靠编程来实现。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 中心站 它是一个局域网，可包含多个工作站和支持网络功能的设备，以完成不同 的工作。它通过中心站软件管理系统数据库，每个工作站通过组态画面监测现 场站点，下发控制命令进行控制，并完成工况图、统计曲线、报表等功能。s c a d a 系统的主要功能包括数据采集、本地和远程控制、多种通讯介质联接、易于重 新配置及本地和远程诊断。 s c a d a 系统的工作过程是：中心站通过组态软件( 如t 况图、趋势图等) 监视现场的工作情况，监控数据来源于中心站定期轮询和r t u 的主动突发。而 且中心站可以下发控制命令，这时r t u 响应中心站的控制命令，其它时候r t u 独立的按照自己的程序流程进行数据i o 、发出和响应通讯任务、完成逻辑和控 制功能。如果中心站和下位机的协议不相同时，前端接口单元f l u ( f r o n t e n d i n t e r f a c eu n i t ) 用来进行协议转换，如果协议相同，则不需要f l u 。 2 2 2s c a d a 系统应用 s c a d a 系统在不断完善，不断发展，其技术进步一刻也没有停止过。当今， 随着电力系统以及铁道电气化系统对s c a d a 系统需求的提高以及计算机技术 的发展，为s c a d a 系统提出新的要求，概括地说有以下几点： ( 1 ) s c a d a e m s 系统与其它系统的广泛集成 s c a d a 系统是电力系统自动化的实时数据源，为e m s 系统提供大量的实 时数据，同时在模拟培训系统，m i s 系统等系统中都需要用到电网实时数据， 而没有这个电网实时数据信息，所有其它系统都成为“无源之水”。所以在这十 年来，s c a d a 系统如何与其它非实时系统的连接成为s c a d a 研究的重要课题； 现在s c a d a 系统已经成功地实现与d t s ( 调度员模拟培训系统) 、企业m i s 系统的连接。现今s c a d a 系统与电能量计量、地理信息、水调度自动化、调度 生产自动化以及办公自动化等系统的集成，成为s c a d a 系统的一个发展方向。 ( 2 ) 变电所综合自动化 以r t u 、微机保护装置为核心，将变电所的控制、信号、测量、计费等回 路纳入计算机系统，取代传统的控制保护屏，能够降低变电所的占地面积和设 备投资，提高二次系统的可靠性。变电所的综合自动化已经成为有关方面的研 究课题，我国的东方电子等公司已推出相应的产品，但在铁道电气化上还处于 研究阶段。 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 专家系统、模糊决策、神经网络等新技术研究与应用 利用这些新技术模拟电网的各种运行状态，并开发出调度辅助软件和管理 决策软件，由专家系统根据不同的实际情况推理出最优化的运行方式或处理故 障的方法，以达到合理、经济地进行电网电力调度，提高运输效率的目的。 ( 4 ) 面向对象技术、i n t e r n e t 技术、及j a v a 技术的应用 面向对象技术o o t 是网络数据库设计、市场模型设计和电力系统分析软件 设计的合适工具，将面向对象技术0 0 t 运用于s a d a e m s 系统是发展趋势。 2 2 3 、i n c c w i n c c 是w i n d o w sc o n t r o lc e n t e r 视窗控制中心的简称。它集成了s c a d a 、 组态、脚本s c r i p t 语言和o p c 等先进技术，为用户提供了w i n d o w s 操作系统 ( w i n d o w s2 0 0 0 或w i n d o w sx p ) 环境下使用各种通用软件的功能。w i n c c 继 承了西门子公司的全集成自动化t i a 产品的技术先进和无缝集成的特点。 w i n c c 运行于个人计算机环境，可以与多种自动化设备及控制软件集成， 具有丰富的设置项目、可视窗口和菜单选项，使用方式灵活，功能齐全。用户 在其友好的界面下进行组态、编程和数据管理，可形成所需的操作画面、监视 画面、控制画面、报警画面、实时趋势曲线、历史趋势曲线和打印报表等。它 为操作者提供了图文并茂、形象直观的操作环境，不仅缩短了软件设计周期， 而且提高了工作效率。w i n c c 的另一个特点在于其整体开放性，它可以方便地 与各种软件和用户程序组合在一起，建立友好的人机界面，满足实际需要。用 户也可将w i n c c 作为系统扩展的基础，通过开放式接口，开发其自身需要的应 用系统。 w 协c c 因其具有独特的设计思想而具有广阔的应用前景。借助于模块化的 设计，能以灵活的方式对其加以扩展。它不仅能用于单用户系统，而且能构成 多用户系统，甚至包括多个服务器和客户机在内的分布式系统。w i n c c 集生产 过程和自动化于一体，实现了相互间的集成。 坚持开放性和先进性高于一切的理念开放性和标准化是软件系统的生命 线。当w i n c c 作为与技术和行业无关的通用自动化系统信息软件平台时，这一 点就显得更为突出了。而w i n c c ，正是从以下三个方面体现出了其开放的特性： ( 1 ) 整个系统通过完整和丰富的编程系统实现了双向的开放性。 借助c 脚本，w i n c c 几乎可以通过w i n 3 2 a p i 无限制地访问到w i n d o w s 操 武汉理工大学硕士学位论文 作系统及该平台上各种应用的功能，这正是现代s c a d a 系统的魅力所在；而 v b 脚本则从易用性和开发的快速性上相得益彰。反过来，通过o d k ，w i n c c 的整个组态和运行系统又完全呈现给任何用户自行开发的系统，为希望以 w i n c c 作为平台软件进行工厂管理和信息系统开发的用户提供了绝佳的平台。 ( 2 ) 数据库系统全面开放。数据库是s c a d a 系统的灵魂。 从最基本的单用户系统开始，w i n c c 就内景了高效的数据库系统。它既可 以与操作站部署在同一台p c 上，又可以紧耦合( 中央归档服务器) 或松耦合( 长 期归档服务器) 的方式独立于操作站的配置。通过a d o 、o i 、e d b 、s o l 等， w i n c c 的数据库系统完全开放，这就为构成灵活而高效的r r 和商务系统做好了 充分的准备。 ( 3 ) 广泛采用最新的开放性软件技术和标准，面向多种操作系统平台。 w i n c c 是第一个完全基于3 2 位内核的h m i s c a d a 软件，因而，各种开放 和最新的软件技术就成为w i n c c 的代名词。西门予公司作为o p c 规范的五个发 起公司之一，在各类产品中广泛支持o p c ，w i n c c 更是囊括了o p c d a 、 o p c h d a 、o p c a s l e 和o p c x m l 等多种规范。与此同时，w i n c c 支持包括 w i n d o w s c 正在内的多种w i n d o w s 平台，能满足用户从移动式设备( 如p d a ) 到远程客户机等各种应用需求。 2 3g i s 和s c a d a 集成概述 排水g i s 系统不是单纯的地理信息系统，它需要与企业内部现在已经存在 的和潜在的其他信息系统融合，例如s c a d a 、m i s 等，即“无缝连接”。a r c g i s 设计并实现运用了面向对象的、全新的空间数据模型：g c o d a t a b a s c ( 地理数据 库) ，使得空间数据对象及其相互之间的关系、使用和连接规则等均可以方便地 表示、存储、管理和扩展。数据模型的定义和框架生成可以采用工业标准的c a s e ( 计算机辅助软件工程) 工具完成，方便、准确、快捷并易于维护，可以实现 真正意义上的无缝连接或集成1 4 0 + 【4 ”。 g i