某海綿城市排水系統SCADA優化設計

鄭瑞琦 王根喜

摘要：本文簡要介紹了常規城市排水系統SCADA的架構，從其單一的遠程監控中心的集中性風險，服務器負載均衡性，SCADA運行的操作系統環境等角度分析了常規城市排水系統SCADA的缺點，并結合某中型城市海綿城市建設的特點，在SCADA架構、服務器負載均衡策略、服務器操作系統選型等方面提出了常規城市排水系統SCADA的優化設計思路。

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.

關鍵詞：SCADA;主監控中心;區域控制中心;實時數據庫

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

中圖分類號：TU991.02? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）36-0278-03

1? 海綿城市排水系統SCADA主要特點

近年來，為解決城市內澇和水資源綜合利用問題，國家在多個城市進行海綿城市建設試點，明確以生態優先為原則，統籌降水、地表徑流、地下水的整體性，化害為利，促進安全、生態雙保護。其中城市排水系統的可靠性、可用性、及時性對城區人民的生命財產安全起到關鍵保障作用，通常設置SCADA實現對城市排水系統的監控管理。

海綿城市排水系統SCADA以數據采集、傳輸、存儲和管理為基礎，通過運用通信及計算機網絡、信息采集與處理等技術，建設以閘站監控、工情監測、水情監測等為核心業務的監控作業平臺，其主要特點如下：

1.1 信息采集站點分布地域廣

城市排水系統SCADA的信息采集站點分布于城市各個角落，包括低洼易澇區、重點企業保護區、文物保護區、水閘、泵站等，SCADA的網絡需做到全覆蓋。

1.2 閘站PLC系統較多

城市排水系統中的閘站PLC系統因建設時間跨度較大，存在較多的PLC品牌，衍生出多種通訊協議，要求SCADA的兼容性強。

1.3 數據量大，實時性要求高

城市規模越大，排水系統站點相對越多，對SCADA的容量要求就越大，對于大中型城市而言，SACDA實時數據庫容量基本都在5萬點以上。在汛期，SCADA對城市排水系統閘站的控制需保證秒級刷新，秒級控制，這對SCADA平臺的性能與架構提出了更高的要求。

2? 常規城市排水系統SCADA架構及存在問題

常規城市排水系統SCADA架構一般包含現場儀表、PLC系統，網絡系統，監控中心服務器系統等幾大部分，系統架構如圖1。

2.1 硬件配置

監控中心配置兩臺互為冗余的實時/歷史數據庫服務器，數據庫運行環境為Windows Server操作系統，主要進行監控系統的數據采集、報警、事件等監控系統相關進程工作。工程師站、操作員站組態軟件運行環境為Windows操作系統，為工程師組態開發和操作員進行監控操作提供友好界面。

2.2 系統軟件配置

SCADA軟件采用C/S架構，監控中心配置不小于5萬點容量的實時/歷史數據庫兩套，操作員站2套，工程師站1套。監控中心的實時/歷史數據庫用于實時數據的采集與通訊，歷史數據存儲等功能。

2.3 主要存在問題

2.3.1 遠程監控中心容易出現對全局失去監控的風險? 當遠程監控中心發生大面積停電，或者監控中心網絡崩潰等情況下，將失去對城市排水系統實時狀況的全面掌控。

2.3.2 大容量實時點數下服務器負荷過高? 對于I/O點數5萬點以上的大容量實時數據點數場景，常規的C/S架構SCADA平臺采用一主一備方式，主服務器處于高負荷運轉，備用服務器低負荷運行。盡管服務器性能越來越高，但主服務器仍易出現數據卡頓，刷新慢，硬件老化快等問題。

另外，常規SCADA軟件對實時大數據量的秒級處理能力仍是一個技術瓶頸，常規解決方案多采用數對冗余I/O服務器，把數萬點的系統分攤成多個1萬點左右的系統，這導致服務器和SCADA冗余軟件成本、開發成本等均大大增加，同時，客戶端和操作站需面向多套系統數據，對系統的數據刷新速率，CPU負荷都會有較大拖累，難以滿足監控數據的實時性要求。

2.3.3 服務器操作系統安全性差? 鑒于Windows漏洞較多，網絡功能較差，源代碼不開放無法進行開發完善等固有缺點，很容易受到攻擊，在SCADA內任何主機染毒后，都會影響到服務器的數據安全問題。

3? 常規城市排水系統SCADA在海綿城市建設中的優化改進

3.1 監控中心對全局失去監控的風險防控

3.1.1 容災備份中心思路? 容災備份中心是防范災難、降低損失的重要手段，其主要功能是當主監控中心出現網絡崩潰、硬件故障、火災等各種意外狀況，主監控中心失去與現場控制站的通訊時，容災備份中心可接管主監控中心所有的通訊、調度和控制等任務。在軟硬件配置方面，容災備份中心可按照和主監控中心1：1配置建設，也可進行精簡配置，以實現與主監控中心軟硬件的同步冗余備份，充分保障系統安全，該方案總體架構如圖2所示。

3.1.2 設置分布式區域控制中心思路? 為分攤主監控中心的集中性風險，可根據現地PLC站的數量和地理分布，以及網絡資源狀況，結合行政區劃，按片區設置區域控制中心，主監控中心作為各區域控制中心的容災備份中心。系統正常運行時，以各區域控制中心為主，主監控中心采集處理并存儲各區域控制中心的實時/歷史數據，實時監控各區域控制中心的狀態，一旦檢測到某一區域控制中心崩潰，主監控中心立即接管該區域控制中心的所有通訊、調度和控制等任務，當該區域控制中心恢復正常后，主監控中心將相關通訊、調度和控制等任務切換到該區域控制中心。該方案總體架構如圖3所示。

該優化設計思路采用分布式數據庫管理系統，數據呈現物理上是分散的，邏輯上是統一的，其特點如下：

①數據共享性與自我管理。

用戶針對分布式數據庫操作同集中式數據庫，用戶不必關心數據的位置，只要有相應的操作權限，就可以對數據進行增、刪、改、查等操作，分布在各結點上的所有數據都是共享的。每個結點的管理人員可根據實際情況，選擇本節點數據庫的數據是否作為全局的數據共享，對不參與共享的數據，分布式數據庫系統將其只保留在相關節點的某類數據庫中。

②冗余的可管理性。

針對集中式數據庫系統，冗余數據量的大小是衡量其是否最優的關鍵指標，而對于分布式數據庫系統，適當的冗余數據能提高其查詢速度，安全性得到增強。不同節點用戶操作相同的數據時，在本節點上各自存放一份，提高了本地訪問速度，減少了網絡間通信帶寬需求，提高了數據操作的效率。

③分布式事務管理。

分布式數據庫結構在邏輯結構和物理結構的組織方面，可擴展為全局邏輯、局部邏輯和局部物理等結構方式。針對全局數據的管理通過分布式事務管理方式實現，全局事務由局部子事務構成，與集中式數據庫系統的事務管理策略有本質區別。

④高效率應用及可用性。

分布式數據庫系統的數據存放于不同節點，用戶在訪問某類數據時，可從最合適的節點副本進行數據訪問，相對集中式數據庫系統，該訪問方式效率更高，數據的可用性更好，對帶寬需求降低，節約通信成本。

3.2 實時大容量點數條件下服務器的負載均衡控制

為避免實時大容量點數下服務器間的負載不均衡，在不同的服務器上，SCADA軟件可部署相異的應用數據進程，保證各服務器運行負載比較均衡。對于大中型城市排水系統SCADA，可采用集群方式，無需再拆分不同的IO系統，根據工藝或者地理區域，劃分不同的集群，用2到3臺服務器把整個系統穩定運行起來。

SCADA軟件應用任務可包括遠端數據采集、數據集中管理，以及相應類服務器管理等。在任務可分布前提下，軟件系統能實現相關應用進程的備用模式，即某一應用進程既可以配置在一個服務器上運行，同時可配置在多服務器上備用運行，此情形下的其它服務器變成了備用服務器，實現1∶N冗余模式，大大提高系統資源的利用效率。實踐中多臺服務器上分別為某一任務設置優先級，若正常運行的該任務中斷時，擁有最高優先級的服務器接管該任務;當多臺服務器同時運行時，對該任務擁有最高優先級的服務器將運行該任務，這時正在運行該任務的服務器則為主服務器，其它服務器仍為備用服務器。

圖4以A、B、C三個系統為例，配置三臺服務器，說明負載均衡和1∶N冗余的原理：對于每一個集群數據庫，1、2、3、4、5、6進程可以是軟件的一些典型應用進程。在正常工作時，A、B、C三個系統的服務器相互獨立，不間斷彼此偵聽，若某臺服務器發生故障，則該服務器上的任務進程可按配置策略，自動切換到備用服務器上運行，保證系統的可靠性。例如定義了A系統的權限認證進程1，2首選在Server1服務器上運行，當Server1發生故障時，進程1自動切換到Server2上運行，進程2自動切換到Server3上運行;如果Server2也發生故障，而Server1還沒有恢復，則該1，2，3，4進程均將切換到Server3上運行。

圖5中，當所有故障服務器恢復后，系統的進程根據規劃的負載均衡配置，把整個系統進程均衡的分攤到原先設定的服務器上，保證系統的穩定與可靠。

3.3 操作系統風險防控

目前，對規模較大SCADA的工控安全越來越重視，而以Windows操作系統為運行環境的SCADA平臺軟件，受Windows操作系統固有缺陷影響，在工程實踐中出現過多起安全事故。鑒于開源的UNIX/Linunx操作系統在可靠性、安全性、開放性、網絡功能、多類型數據庫支撐、多任務多用戶支持等方面均優于Windows，近年來，在大型工程中采用基于Unix/Linux運行環境的SCADA平臺軟件越來越多，如石油石化、天然氣領域，以及南水北調中線和東線等大型工程均采用了基于Unix系統的SCADA軟件平臺，因此，大中型城市排水系統SCADA運行環境宜優先采用UNIX/Linunx操作系統。

4? 結語

針對常規城市排水系統SCADA存在的突出問題，本文提出了改進措施，但仍需結合城市排水系統的規模、地理分布、應急響應能力等諸多客觀條件，因地制宜，在保證安全、可靠、可用、可擴展等前提下，尚需考慮經濟性，選用成熟的模塊化的系統平臺進行應用。

參考文獻：

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