水閘調度中信息孤島的整合分析

黃 磊，楊士斌，劉 濤，陳琦瑩

（海河水利委員會海河下游管理局，天津 300061）

近年來，水利行業以“水利信息化帶動水利現代化”速度明顯加快，特別是圍繞防汛抗旱這一中心任務，在水閘調度信息化方面取得了長足進步，部分新建工程已經具備了工程集中控制、視頻監視、異地會商、水情遙測、過流模擬等功能，大大提高了管理人員對水情、工情的掌握。但由于建設時期及所屬項目類別的差異，各系統技術平臺不一、通信方式和數據組織多種多樣，各系統內部功能偶合度高而系統之間的數據兼容和可集成度低，由此形成了一個個各自為戰的信息孤島。

1 信息孤島的形成與弊端

所謂的“信息孤島”，就是指這些相互之間在功能上不關聯互助、信息不共享互換以及信息與業務流程和應用相互脫節的計算機應用系統。

信息孤島的存在所帶來的弊端是顯而易見的。信息更新的同步性差，從而影響了數據的一致性和正確性，信息使用和管理效率低下，且缺乏業務交互功能與信息共享，致使水情、工情等信息多停留在采集、查詢階段，難以形成彼此聯系的信息流和可供挖掘的信息資源。

這些信息孤島的形成是信息化發展的必然階段，如何集成利用好這些孤島，將其整合為具有較強信息支撐能力的決策支持平臺是我們水利信息化亟需深入思考的問題。

2 水閘調度中信息孤島的存在形式及特點

水閘的調度，與工程安全、除害興利和水資源綜合利用等方面息息相關，是涉及多專業知識的綜合運用過程，應根據水閘所承擔任務的主次關系及相互結合情況，建立科學的調度方案，對流域水閘的調度過程進行動態監控和優化管理，處理好防洪與興利的關系，直至共同達到整體綜合最優效益。

水閘調度過程中涉及水情信息、工情信息、安全信息、水文學演算等多類信息，對系統的實時性、聯動性和安全性要求高。水閘調度過程遇到常見的信息孤島可以總結為以下幾類。

2.1 水閘集中控制系統

2.1.1 功能概述

計算機監控系統的總體結構設計由多圈絕對值編碼器閘門開度儀、Profibus-DP接口、Profibus-DP總線、可編程控制器、監控計算機等組成。監控計算機與可編程邏輯控制器之間通過網絡連接，主要運用組態軟件對整個系統進行監測、控制和保護。系統的總體結構，從管理功能上可劃分為3個層次，即操作層、控制層和調度層。系統結構，如圖1所示。

圖1 水閘集中控制系統結構

（1）操作層：負責采集閘內外水位、閘位、電力狀態、承重荷載、閘門開關量、水泵開關量等相關數據（主要依靠各類傳感器實現），并接受有關控制信息（電氣開關量及編碼量）。

（2）控制層：負責接收操作層采集的水情工況數據，經處理（主要依靠PLC）后上傳給調度層，并在調度層的授權下發出調度指令。

（3）調度層：負責接收監控點傳來的水情工況數據，并進行遠程監控；備份各監測點水情工況和運行記錄等歷史數據（多為傳統數據庫）；對接收到的數據進行分析處理，供管理人員決策。

2.1.2 特征分析

水閘集中控制系統屬于工業控制領域，具有嚴格的技術標準，同類系統結構相似，對系統實時性、安全性要求高，對操作層物理量的采樣頻率高，系統可靠性好。但受傳統數據庫技術限制，調度層的數據記錄、分析的實時性稍弱。同時，由于專業視角的差異，使得該類系統多側重工業控制而忽視數據分析，造成數據資源開發不足，對工程和水文管理的決策支持乏力。

2.2 水閘視頻監視系統

2.2.1 功能概述

近年來，視頻監視技術大量應用于水閘調度管理，有力地提高了管理人員對工程的掌握程度。隨著技術的進步，該類系統的新架構、新標準也層出不窮、日新月異。這里，我們抽去具體的技術差別，將目前主流的視頻監視系統做一原理性的說明，如圖2所示。

圖2 水閘視頻監視系統結構

系統前端采用模擬攝像機，通過視頻編碼器，將模擬視頻經過數字化、壓縮、打包等過程變成基于網絡協議的視頻流或采用一體化的網絡攝像機，在視頻監控的前端完成網絡化、數字化，視頻流通過網絡進行傳輸，發送到視頻需求者。視頻的使用者可利用軟件進行解碼，在PC機上進行顯示和處理，利用分布在網絡上的服務器或其他類型的網絡存儲設備根據需要進行錄像。

2.2.2 特征分析

水閘視頻監視系統也屬于實時系統，就其本身而言技術已經十分成熟，它主要處理現場視頻數據，數據量大，應用效果直觀可見。但在水閘調度中，該類系統處理數據單一，不能反映現場水情、工況詳情（如上下游水位、閘門開度），與水閘監控系統的聯動效果不佳。

2.3 水位自測報系統

2.3.1 功能概述

水位自測報系統屬于水文遙測系統的一部分，主要包括以下幾個方面：水文數據采集設備，一般指的是水文遙測下位機，可進行雨量采集、水位采集、流量采集；數據傳輸終端（GPRS或無線短傳），完成遠程數據傳輸；水文信息中心站，包括系統軟件及數據庫，可分析、顯示、存儲、發布水文信息數據以供決策，如圖3所示。

圖3 水位自測報系統

2.3.2 特征分析

此系統數據采集及時準確，存儲、分析能力較強，但與水閘監控系統數據存在冗余，同時其部分數據資源可供水閘過流模擬和水情綜合查詢使用。

2.4 水閘過流曲線模擬系統

2.4.1 功能概述

該系統以多年過閘流量水力計算成果為基礎，通過水力學計算方法對各種情況下的水閘下泄流量進行計算，對各種不同情況下的上下游水位進行組合，確定水閘的下泄流量，繪制出閘門不同開度下的上下游水位流量關系曲線，以此為基礎確定各水閘合理的管理調度運用方案，提供各種情況下的過閘流量，滿足水閘管理運用要求。系統界面，如圖4所示。

圖4 水閘過流曲線模擬系統運行界面

2.4.2 特征分析

對有閘門或設置胸墻的水閘而言，一般出現堰流和孔流兩種流態。隨著閘門運用方式的變化，這兩種流態可以互相轉化。上述兩種流態的轉化界限與閘門相對開度e/H有關（e為閘門開啟高度，H為堰頂以上的閘前水頭）。同時，當閘下水位較高時，必將影響水閘的泄流能力，無論是孔流還是堰流都有可能出現淹沒狀態，因此又有自由堰流與淹沒堰流和自由孔流與淹沒孔流的區別。綜上所述，此系統需要針對具體水閘工況設置計算方法。

2.5 水情查詢系統

2.5.1 功能概述

該類系統基于電子地圖或GIS技術，按照《水情信息編碼標準》（SL330—2005）和以《實時雨水情數據庫表結構與標識符標準》（SL323—2005）形成的數據庫為依據，形成B/S結構的水情信息綜合查詢應用系統。系統內容涵蓋雨水情查詢、平均降水量計算、GIS查詢、水情預警顯示、水文過程圖分析、降水量等值線（面）、信息制作與發布等各種水情業務。

2.5.2 特征分析

從嚴格意義上講，水情查詢系統不應歸于信息孤島范疇，因為此類系統多與水情自測報系統及下位采集設備存在數據交換關系，數據來源多樣，與其他以數據庫為基礎的信息系統有著良好的兼容性，同時面向客戶端提供查詢統計服務，可以視為通用的數據支持平臺。在本文中，主要關注該類系統與其他系統的整合研究，所以也將其列出闡述。

3 系統整合的目標和架構

3.1 系統整合目標

通過信息整合，力求達到以下目標：

（1）規范信息模型，遵循國家標準，解決數據不規范、編碼不一致等問題。

（2）消除信息孤島，使水情、工情、視頻信息系統形成互通互聯的整體。

（3）為上層決策系統提供數據準備。

（4）提供滿足信息安全的統一數據發布平臺。

3.2 系統整合架構

系統整合架構，如圖5所示。

4 系統整合的設計要點

4.1 實時數據庫

目前，點數較少的控制系統多用組態軟件，僅實現其控制功能，而忽視數據反饋和分析。前文已經提到，由于工業控制系統對實時性要求較高，因此在整合此類實時性要求高的控制系統時考慮添加實時數據庫更為妥當。組態軟件的核心就是對實時數據進行管理，組態軟件實時數據庫要建立一套完成數據采集、實時數據、歷史數據和統計數據存儲管理的功能模塊，為用戶提供接口，使用戶能夠對來自現場控制系統或人工鍵入的數據進行分析處理，并能對控制系統進行反饋控制輸出，為實現生產過程的先進控制及優化或其他應用提供數據服務。

圖5 系統整合架構

4.2 GIS查詢

以電子地圖為查詢平臺，實現對電子地圖的放大、縮小、移動、導航功能，對信息進行分級顯示，實現在電子地圖上對某一區域或某一類信息進行實時統計、分析、對比。針對某一工程，可以通過鼠標操作查詢相關信息，如水情、工情、調度、視頻及預估流量等綜合信息。聯系河流上下游關系，可以對同類信息進行專題顯示，并可結合工程基礎數據，設置和顯示預警信息，當信息值超過某一事先設定值時發出聲音、色彩等形式的告警，提示工作人員引起警惕。

4.3 數據整合

數據是組成信息的基本元素，各種原始數據的積累與集中是我們分析決策的客觀基礎，而在實際工作中，這些數據大多數是由多種應用系統（如前所述的各類信息孤島）生成的結構化數據。這些數據存放在各種不同的數據庫中，新增一個應用系統就會帶來一系列新的結構化數據。數據整合就是對分散異構的多數據源實現統一的訪問，實時地、智能地將有價值的數據傳遞給分析系統或其他應用系統，進行信息的進一步加工。數據整合的目的就是將不同的數據庫集成起來，提供一種單一的虛擬數據庫，這樣就可以避免出現與主題應用不一致的多個數據庫，保持應用軟件數據的一致性。數據流程，如圖6所示。

4.4 WebService

經過數據整合，新的統一的數據庫形成，但還存在與其他應用系統進行通信的問題。如果其他應用系統采用非JAVA的面向對象的語言開發或者處于分布式環境中，則數據庫會處于孤立狀態，無法獲取實時數據，同時無法向其他應用系統提供實時數據。為此，需要為數據庫系統提供與其他應用系統整合的途徑。

圖6 系統整合數據流程

WebService的主要目標是跨平臺的可互操作性。為了達到這一目標，WebService是完全基于XML、XSD等獨立于平臺、獨立于軟件供應商的標準，創建可互操作的、分布式應用程序的新平臺，實現遠程數據交互的一個技術和協議。在數據庫中將需要與其他應用程序通信的接口定義為Web服務，使其他分布式應用能夠遠程訪問數據庫，同時WebService采用XML進行數據傳輸，提高了數據庫的開放性和標準性。

5 結語

圍繞“水閘工程調度”這一課題所衍生信息系統多種多樣，同時受具體的工況影響適用范圍和功能需求又不盡相同，本文中僅以常見的幾類系統作為例子，說明各自特點和實現這幾類信息系統整合的可能性。總而言之，水閘調度中信息孤島的整合，就是要從實時性、安全性要求出發鞏固水閘工程調度的準確性、及時性和可靠性；就是要以數據為中心，挖掘原有系統的信息資源，建立起專業清晰、分工明確、互為補充的數據支持環境；就是要擴大信息資源的應用范圍，深入挖掘信息資源對決策分析的支撐能力，為防汛抗旱的科學調度當好參謀、服好務。

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