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摘 要：本文地下供水管线是石化企业基础设施的重要组成部分，担负着输送新鲜水、循环水等能源的任务。地下三维管线监控预警系统在SCADA系统提供实时数据的基础上，应用三维GIS技术，管理和分析地下管线空间特征和运行状态，实现地下管网的动态信息化管理。
关键词：地下管线 监控预警 信息化管理 GIS系统 SCADA系统集
1、概述
地下三维管线监控预警系统是将“监控与数据采集系统（Supervisory Control And Data Acquisition，简称SCADA系统）”和地理信息系统（Geographical Information System，GIS系统）结合，通过管网压力、流量等参数的集中管理分析，实现地下供水管线运行状态的实时监控和突发泄漏事故的预警。
目前，SCADA系统在管道输送领域已得到广泛的应用，是实时监控和控制管道运行的有效手段。由于地下管线具有高密集的空间分布特性，在空间定位、现场环境模拟方面SCADA系统存在严重的不足。介于此，运用具有强大空间分析能力的GIS系统，在SCADA提供数据采集的基础上，基于Visual C# 2010和ArcEngine10.0构建了地下三维管线监控预警系统。该系统在短信息报警、查看终端分布、定位监控终端、爆管关阀分析等方面实现数据可视化，为管理人员提供生产部署、物资调配等决策依据。
2、系统设计
2.1系统结构设计
结合地下管线隐蔽性、复杂性、监控数据实时性等特点，地下三维管线监控预警系统采用模块化的结构模式，即：SCADA系统采集管线实时数据，如温度、压力、流量等；数据服务中心软件收集各个SCADA系统的实时数据，经过处理后，通过TCP协议发给多个在线的客户端软件，若发现异常数据给出短信预警和错误处理；客户端软件接收到数据后，在三维地下管线分布图中实时刷新显示，遇到异常情况进行窗口预警提示，通过提供的三维空间分析功能即可迅速定位预警终端。如图1所示。
图1 系统结构图
这样的结构设计最大程度的降低了各个部分的耦合度，突出了对现有数据的充分管理和使用，实现了组件式开发的思想，加强了对地下管线监控与空间信息的关联，增强了管线数据的动态管理。
2.2系统数据库设计
数据库是构建该系统的核心。在本系统数据库设计过程中，遵循数据和应用分离的基本原则，即所有数据资源集中管理、集中维护、分布使用。系统利用ESRI公司的Geodatabase模型对空间数据进行集成管理与维护，在SQL Server数据库平台下将提高数据集成管理能力。系统数据库的结构设计如图2所示。
2.3系统主要功能模块设计
系统基于ArcEngine组件利用Visual C# 2010实现了地理信息系统与监控系统的完美结合。由于系统运行于部门间的局域网，因此采用Client/Server开发模式。系统服务器端的数据服务中心软件主要完成配置数据源、配置终端信息、终端实时数据的接收，存储和发送、配置短信联系人、异常数据发送短信、远程数据连接参数、服务器配置参数等一些重要参数的设定。客户端软件主要负责对地形地貌的三维模拟，同时对地下管线进行三维的重建，并且将数据服务中心传输的数据在三维管线上实时显示，并提供查看终端分布、数据图形化显示、监控预警、查看异常数据、爆管分析、空间定位等功能。
数据服务中心软件主要功能模块如图3所示。
（1）数据源配置
由于系统采用ODBC技术采集SCADA系统的实时数据，故首先在Windows管理工具中配置数据源，然后利用该功能管理这些数据源，以方便系统采集分布在不同SCADA系统中的实时数据。
（2）启动、终止服务
配置各终端的预警参数并启动服务后，系统便可实时采集和存储各终端数据，以及异常数据。终止服务，即停止对实时数据的采集，断开与客户端软件的链接。
（3）内存数据库表配置
内存数据库表是地图图元与SCADA系统设备之间的一张映射关系表，通过对该表的配置，可以知道在哪个图元上实时显示哪个设备的数据。
（4）短信息管理
包括维护短信联系人信息，维护监控终端与短信联系人之间的映射关系，以方便发生异常后，可以迅速通知与之关联的联系人。为了避免频繁短信骚扰，还可针对每个监控终端设置发送短信的条数与发送时间间隔。
（5）远程数据库配置
用于配置连接远程数据库的连接信息，以便存储采集到的实时数据、终端数据以及异常数据等。
（6）系统参数配置
用于配置数据服务中心的服务参数，包括服务IP地址，数据采集频率等。
客户端软件如图4所示：
图4 监控客户端软件功能结构
3、系统功能的实现
3.1爆管关阀分析的实现
功能实现逻辑如下：
（1）根据预警终端的坐标，通过点搜索，找到预警终端所在的管段。
（2）将该管段的起始点号、终止点号添加到待搜索链表中。
（3）分别以这两个点为起点搜索与该管点相连的管点：如果开始结点就是阀门，便终止搜索，并把它加入应该关闭的阀门集合中，如果不是则把该点加入到已访问管点的集合中，然后在搜索到与该管点相邻的管点，加入待搜索的链表中；在链表中取出一个管点，把它加入到已访问管点的集合中，如果是阀门就不用再搜索与之连接的管点了，并把该阀门加入到要关闭的阀门集中，如果不是则在地图中找寻与它连接的管点中，并把这些管点中没有被访问到的管点加入到带搜索的链表中。重复以上取出管点的步骤，直至链表的长度为零为止。管阀分析结果如图5所示。
3.2火灾抢险分析
功能实现逻辑如下：
（1）由用户输入火灾事故点和事故点搜索范围，并以事故点为圆点，搜索范围为半径，构造搜索圆。
（2）利用查询函数，搜索条件为“搜索管点并且附属物为消防栓”，得到满足条件的管点集合。
（3）对搜索到的管点集合以特殊符号表现，显示在地图上，并将各管点属性显示在列表中，功能结束。火灾抢险分析结果如图6所示：
图5 爆管管阀分析
图6 火灾抢险分析
4、结论
地下三维管线监控预警系统是SCADA系统和GIS系统的良好结合，其成功应用于地下供水管网的数字化管理，实现了地下供水管线的空间特征模拟可视化和运行状态的实时监控分析，能够及时准确的为管理人员提供生产部署、物资调配等决策依据，达到地下管网的动态信息化管理的目的。同时，该系统的成功应用，为我们提供了更直观、更高效的地下管线管理平台，为维护地下供水管网的安稳运行提供有力保障。
关键词：地下管线 监控预警 信息化管理 GIS系统 SCADA系统集
1、概述
地下三维管线监控预警系统是将“监控与数据采集系统（Supervisory Control And Data Acquisition，简称SCADA系统）”和地理信息系统（Geographical Information System，GIS系统）结合，通过管网压力、流量等参数的集中管理分析，实现地下供水管线运行状态的实时监控和突发泄漏事故的预警。
目前，SCADA系统在管道输送领域已得到广泛的应用，是实时监控和控制管道运行的有效手段。由于地下管线具有高密集的空间分布特性，在空间定位、现场环境模拟方面SCADA系统存在严重的不足。介于此，运用具有强大空间分析能力的GIS系统，在SCADA提供数据采集的基础上，基于Visual C# 2010和ArcEngine10.0构建了地下三维管线监控预警系统。该系统在短信息报警、查看终端分布、定位监控终端、爆管关阀分析等方面实现数据可视化，为管理人员提供生产部署、物资调配等决策依据。
2、系统设计
2.1系统结构设计
结合地下管线隐蔽性、复杂性、监控数据实时性等特点，地下三维管线监控预警系统采用模块化的结构模式，即：SCADA系统采集管线实时数据，如温度、压力、流量等；数据服务中心软件收集各个SCADA系统的实时数据，经过处理后，通过TCP协议发给多个在线的客户端软件，若发现异常数据给出短信预警和错误处理；客户端软件接收到数据后，在三维地下管线分布图中实时刷新显示，遇到异常情况进行窗口预警提示，通过提供的三维空间分析功能即可迅速定位预警终端。如图1所示。
图1 系统结构图
这样的结构设计最大程度的降低了各个部分的耦合度，突出了对现有数据的充分管理和使用，实现了组件式开发的思想，加强了对地下管线监控与空间信息的关联，增强了管线数据的动态管理。
2.2系统数据库设计
数据库是构建该系统的核心。在本系统数据库设计过程中，遵循数据和应用分离的基本原则，即所有数据资源集中管理、集中维护、分布使用。系统利用ESRI公司的Geodatabase模型对空间数据进行集成管理与维护，在SQL Server数据库平台下将提高数据集成管理能力。系统数据库的结构设计如图2所示。
2.3系统主要功能模块设计
系统基于ArcEngine组件利用Visual C# 2010实现了地理信息系统与监控系统的完美结合。由于系统运行于部门间的局域网，因此采用Client/Server开发模式。系统服务器端的数据服务中心软件主要完成配置数据源、配置终端信息、终端实时数据的接收，存储和发送、配置短信联系人、异常数据发送短信、远程数据连接参数、服务器配置参数等一些重要参数的设定。客户端软件主要负责对地形地貌的三维模拟，同时对地下管线进行三维的重建，并且将数据服务中心传输的数据在三维管线上实时显示，并提供查看终端分布、数据图形化显示、监控预警、查看异常数据、爆管分析、空间定位等功能。
数据服务中心软件主要功能模块如图3所示。
（1）数据源配置
由于系统采用ODBC技术采集SCADA系统的实时数据，故首先在Windows管理工具中配置数据源，然后利用该功能管理这些数据源，以方便系统采集分布在不同SCADA系统中的实时数据。
（2）启动、终止服务
配置各终端的预警参数并启动服务后，系统便可实时采集和存储各终端数据，以及异常数据。终止服务，即停止对实时数据的采集，断开与客户端软件的链接。
（3）内存数据库表配置
内存数据库表是地图图元与SCADA系统设备之间的一张映射关系表，通过对该表的配置，可以知道在哪个图元上实时显示哪个设备的数据。
（4）短信息管理
包括维护短信联系人信息，维护监控终端与短信联系人之间的映射关系，以方便发生异常后，可以迅速通知与之关联的联系人。为了避免频繁短信骚扰，还可针对每个监控终端设置发送短信的条数与发送时间间隔。
（5）远程数据库配置
用于配置连接远程数据库的连接信息，以便存储采集到的实时数据、终端数据以及异常数据等。
（6）系统参数配置
用于配置数据服务中心的服务参数，包括服务IP地址，数据采集频率等。
客户端软件如图4所示：
图4 监控客户端软件功能结构
3、系统功能的实现
3.1爆管关阀分析的实现
功能实现逻辑如下：
（1）根据预警终端的坐标，通过点搜索，找到预警终端所在的管段。
（2）将该管段的起始点号、终止点号添加到待搜索链表中。
（3）分别以这两个点为起点搜索与该管点相连的管点：如果开始结点就是阀门，便终止搜索，并把它加入应该关闭的阀门集合中，如果不是则把该点加入到已访问管点的集合中，然后在搜索到与该管点相邻的管点，加入待搜索的链表中；在链表中取出一个管点，把它加入到已访问管点的集合中，如果是阀门就不用再搜索与之连接的管点了，并把该阀门加入到要关闭的阀门集中，如果不是则在地图中找寻与它连接的管点中，并把这些管点中没有被访问到的管点加入到带搜索的链表中。重复以上取出管点的步骤，直至链表的长度为零为止。管阀分析结果如图5所示。
3.2火灾抢险分析
功能实现逻辑如下：
（1）由用户输入火灾事故点和事故点搜索范围，并以事故点为圆点，搜索范围为半径，构造搜索圆。
（2）利用查询函数，搜索条件为“搜索管点并且附属物为消防栓”，得到满足条件的管点集合。
（3）对搜索到的管点集合以特殊符号表现，显示在地图上，并将各管点属性显示在列表中，功能结束。火灾抢险分析结果如图6所示：
图5 爆管管阀分析
图6 火灾抢险分析
4、结论
地下三维管线监控预警系统是SCADA系统和GIS系统的良好结合，其成功应用于地下供水管网的数字化管理，实现了地下供水管线的空间特征模拟可视化和运行状态的实时监控分析，能够及时准确的为管理人员提供生产部署、物资调配等决策依据，达到地下管网的动态信息化管理的目的。同时，该系统的成功应用，为我们提供了更直观、更高效的地下管线管理平台，为维护地下供水管网的安稳运行提供有力保障。