CN103399538A - 基于异网通讯的供水管网监控与信息服务系统及监控方法 - Google Patents

基于异网通讯的供水管网监控与信息服务系统及监控方法 Download PDF

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姜涛
朱世泰
何嘉莉
林雨阳
李小坤
谭奇峰
李冬平
孙国胜
王晶惠
阮婷
高金良
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Harbin Institute of Technology
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Abstract

本发明公开了一种基于异网通讯的供水管网监控与信息服务系统,其特征在于:包括设备层、控制层、调度层和信息层;本发明还公开了一种监控基于异网通讯的供水管网监控与信息服务系统的监控方法该方法:首先通过流量传感器和压力等传感器、泵/阀工况传感器测量供水管网参数和设备工况参数,测控模块采集上述参数,并传送到无线通讯网关;再传送到管理中心服务器处理,管理中心服务器根据处理结果发布控制指令,控制指令先传送至无线通讯网关最后经ZigBee短程通讯网络到测控模块,控制相应的控制设备;同时,管理中心服务器还将服务信息传送到信息服务终端。具有能保证供水管网在安全、可靠的状态下运行等优点。

Description

基于异网通讯的供水管网监控与信息服务系统及监控方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种供水系统的监控技术,特别涉及一种基于异网通讯的供水管网监控与信息服务系统及监控方法。
背景技术
[0002] 随着现代城市规模的日益扩大,城市供水区域和供水管网规模也随之急剧增加。过去采取的人工抄表、电话报数、现场手动操作的调度方法由于存在数据少、反应慢、操作复杂等问题已经不适用于现今的城市供水系统。这一问题的提出,使得数据采集与监测系统(Supervisory Control And Data Acquisition,即 SCADA系统)越来越多地应用于城市供水领域。SCADA系统是集计算机技术、网络技术、通讯技术、传感技术于一体的工业自动控制系统,它综合了 PLC的现场测控能力和DCS系统的信息共享及组网能力,能够支持基于各种通讯介质的通讯组网方式,特别是在无线通讯方面更加表现突出。国外于20世纪60年代开始对SCADA系统进行研究,到90年代,在工业发达国家,SCADA系统已在电力、电信、燃气、供水、供热系统中普遍应用,并且涌现出了像美国摩托罗拉、澳大利亚ACTION和德国西门子等名牌SCADA系统成套产品。国内SCADA系统的应用始于80年代初期,采用数字式分散型远动设备,功能单一。80年代中期以后,随着计算机和通信技术的发展,以及国产设备性能和国内软件开发水平的提高,国内多家供水企业开发了新一代分布式SCADA系统。它对供水管网中的水压、流量、水质数据以及水泵等的工况情况进行自动监测并采集数据,通过有线或无线方式将监测点的数据实时地传回控制调度中心,从而实现对供水管网运行情况的监控。
[0003] 然而由于理论不成熟和本身使用的软硬件技术的限制,国内的SCADA系统还存在以下关出问题:
[0004] (I)供水行业中管网监控点分布范围广、数量多、距离远造成现场测控设备供电困难的问题。维护现场设备的人力和物力耗费大。
[0005] (2)通讯方式落后、通讯质量差、响应速度慢,数据以及指令的传递易受天气、地形、发射功率等客观因素的影响。
[0006] (3)智能化服务水平不高,只有少数系统具有数据统计分析、辅助决策、以及自动调度功能。
发明内容
[0007] 本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足,提供一种基于异网通讯的供水管网监控与信息服务系统,该系统实现了对供水管网运行工况的数据采集、远程调度、数据分析、设备控制、自动报警、信息发布等功能。
[0008] 本发明的另一目的在于克服现有技术的缺点与不足,提供一种监控基于异网通讯的供水管网监控与信息服务系统的监控方法,该方法保证了供水管网在安全、可靠的状态下运行。[0009] 本发明的首要目的通过下述技术方案实现:一种基于异网通讯的供水管网监控与信息服务系统,该系统是设备层、控制层、调度层和信息层的多层次体系结构,设备层由测控设备组成,控制层由远程测控智能终端组成,调度层由管理中心服务器组成,信息层由信息服务终端组成。用于城市供水管网的数据采集、监控、调度和信息服务。
[0010] 其中,测控设备包括传感器、控制执行设备,远程测控智能终端包括测控模块、无线通讯网关,管理中心服务器包括数据采集服务器、数据库服务器、调度决策服务器、输出控制服务器、信息发布服务器,信息服务终端包括计算机、PDA和智能手机。
[0011] 系统采用异网通讯网络通讯,包括互联网Internet、手机短信GSM、电话网络PSTN、ZigBee短程通讯网络、GPRS远程通讯网络、计算机局域网LAN。其中,设备层与控制层之间采用ZigBee短程通讯网络,控制层与调度层之间采用GPRS远程通讯网络,调度层与信息层之间采用互联网、手机短信GSM、电话PSTN网络,调度层内部服务器之间采用TCP/IP局域网通讯。
[0012] (I)所述测控设备包括传感器、控制执行设备,所述传感器包括流量传感器、压力等传感器、管网运行数据采集传感器、泵/阀工况采集传感器和水泵、减压阀。用于采集供水管网的流量、压力以及水泵的开关和减压阀的开启数据,并发送至测控模块。所述控制执行设备包括水泵、减压阀,接收测控模块控制指令控制水泵和减压阀等。
[0013] (2)所述测控模块向下连接传感器和控制设备,采集流量、压力传感器等的运行参数和设备工况数据;向上连接无线通讯网关,控制泵/阀等现场控制设备。
[0014] 测控模块的输入输出电路具有两路模拟输入、两路模拟输出、两路数字输入和两路数字输出共八路的测控端口。模拟输入的端口为电流输入型,连接模拟输出传感器;数字输入的端口可测量电平或脉冲两种不同信号,并能计算脉冲频率或累加脉冲数,连接数字输出传感器;用于采集压力、流量传感器等的运行参数和设备工况数据,控制水泵、减压阀等现场测控设备。
[0015] 模拟输出和数字输出端口均为隔离输出,连接模拟或数字输出控制设备需要外部提供电源接入。用于输出控制泵/阀等现场控制设备。
[0016] 同时,测控模块的ZigBee通讯电路通过ZigBee短程通讯网络与无线通讯网关连接,交换动态运行数据。现场测控模块具有大数据量、远程、持续、可靠的测控与传输性能,并具有灵活的多种通讯方式。
[0017] (3)所述无线通讯网关向下连接测控模块,通过ZigBee短程通讯网络与现场测控模块连接,实现交换现场测控动态数据;向上连接管理中心服务器,通过GPRS远程通讯网络交换实时动态数据。
[0018] (4)所述管理中心服务器包括数据采集服务器、数据库服务器、调度决策服务器、输出控制服务器、信息发布服务器。采用统一的数据协议与共享数据库,结合计算机软件进行数据的处理和管理。
[0019] 所述数据采集服务器安装数据采集软件,用于与无线通讯网关通讯,接收管网运行数据、泵/阀工况数据,实现输出控制。
[0020] 所述数据库服务器安装数据库软件,用于贮存供水管网的基础数据和运行数据,分别涉及供水管网模型、地理信息、供水管网实时状态与调度决策等数据。
[0021] 所述调度决策服务器安装调度决策软件。可以实现对采集到的数据进行各种运算处理,查询历史数据;自动生成报表和曲线,显示实时趋势和历史趋势;信息发布,自定义报警。
[0022] 所述输出控制服务器安装输出控制软件。通过无线通讯网关和测控模块,控制执行设备。
[0023] 所述信息发布服务器包括网站信息发布服务器、短信信息发布服务器、语音电话信息发布服务器,分别通过因特网、手机短信GSM网络、电话PSTN网络进行报警转发和事务通知。
[0024] (5)所述信息服务终端包括计算机、PDA和智能手机。通过互联网、手机短信GSM、电话PSTN网络与管理中心服务器连接,接收信息发布服务数据。供水相关单位的人员通过B/S或C/S模式登陆系统软件后,实现对城市供水管网的在线监控和调度决策,并接收报警转发和事务通知。
[0025] (6)所述异网通讯网络包括互联网Internet、手机短信GSM、电话网络PSTN、ZigBee短程通讯网络、GPRS远程通讯网络、计算机局域网LAN。其中,设备层与控制层之间采用ZigBee短程通讯网络,控制层与调度层之间采用GPRS无线通讯网络,调度层与信息层之间采用异网(互联网、手机短信GSM、电话PSTN网络),调度层内部服务器之间采用TCP/IP局域网通讯。
[0026] 本发明的另一目的通过以下技术方案实现:一种监控基于异网通讯的供水管网监控与信息服务系统的监控方法,包括以下步骤:
[0027] 步骤1:首先通过流量、压力等传感器、泵/阀工况采集传感器等测量供水管网参数和设备工况参数,测控模块采集上述参数,并通过ZigBee短程通讯网络传送到无线通讯网关;
[0028] 步骤2:再通过GPRS远程通讯网络传送到管理中心服务器处理,根据相应的软件处理结果由管理中心服务器发布控制指令,控制指令通过与采集信息相应的路径经GPRS远程通讯网络至无线通讯网关;
[0029] 步骤:3:最后,经ZigBee短程通讯网络到测控模块,控制相应的水泵、减压阀等控制设备做出相应的动作;
[0030] 步骤:4:同时,管理中心服务器还将相关服务信息通过异网通讯网络传送到信息服务终端;实现城市供水管网的数据采集、监控、调度和信息服务。
[0031] 本发明的工作原理:首先通过流量、压力等传感器、泵/阀工况采集传感器等测量供水管网参数和设备工况参数,测控模块采集上述参数,并通过ZigBee短程通讯网络传送到无线通讯网关;再通过GPRS远程通讯网络传送到管理中心服务器处理,根据相应的软件处理结果由管理中心服务器发布控制指令,控制指令通过GPRS远程通讯网络至无线通讯网关;最后,经ZigBee短程通讯网络到测控模块,控制相应的水泵、水阀等控制设备做出相应的动作;同时,管理中心服务器还将相关服务信息通过异网通讯网络传送到信息服务终端。实现城市供水管网的数据采集、监控、调度和信息服务。
[0032] 本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果:
[0033] 系统采用异网通讯网络通讯,包括互联网Internet、手机短信GSM、电话网络PSTN.ZigBee短程通讯网络、GPRS远程通讯网络、计算机局域网LAN。由于设备层、控制层、调度层与信息层之间的广泛互联,实现了充分的信息感知、智慧的高度融合,从而实现人性化的服务。保证了供水管网在安全、可靠的状态下运行。
[0034] (I)监控范围广=ZigBee短程通讯网络具有低功耗、低成本、低速率、支持大量节点、快速、可靠、安全的特点。当测控模块与无线通讯网关采用Zigbee短程通讯网络自主发送通讯方式时,测控模块采用休眠方式,最低限度降低功耗,大幅地提高为测控模块供电的电池寿命;同时一个现场无线通讯网关最多能管理99个测控模块,这极大地扩大了本系统的监控范围,克服了供水行业中管网监控点分布范围广、数量多、距离远、设备供电困难的问题。节省巨大的人力和物力,具有良好的经济价值。
[0035] (2)数据分析功能强大:本系统提供多种手段对供水管网中的水位、压力、流量等数据进行交互查询。同时通过系统自动生成的多种报表和曲线图了解供水管网运行的实时状况、分析未来的趋势。
[0036] (3)报警服务及时:供水行业具有在紧急情况下迅速做出反应、采取行动的特点。当从监控点采集到的实时数据超出预设的范围时,本系统能实现自动报警。管理中心自动向相关负责人发送信息:通过互联网发送电子邮件、通过GSM短信网向手机发送短信或者通过电话PSTN网络进行电话通知。而调度中心的决策人员根据情况,也可以手动地以电子邮件或短信、电话的方式向相关人员发送通知。
附图说明
[0037] 图1是基于异网通讯的城市供水管网在线监控与信息服务系统硬件结构图。
[0038] 图2是系统工作控制流程图。
[0039] 图3是测控模块结构原理框图。
[0040] 图4是无线通讯网关结构原理框图。
具体实施方式
[0041] 下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述,但本发明的实施方式不限于此。
[0042] 实施例
[0043] 一种基于异网通讯的城市供水管网在线监控与信息服务系统,系统结构如图1所示;系统包括设备层一控制层一调度层一信息层的多层次体系结构,数据采集层由测控设备组成,控制层由远程测控智能终端组成,调度层由管理中心服务器组成,信息层由信息服务终端组成。用于城市供水管网的数据采集、监控、调度和信息服务。
[0044] 其中,测控设备包括传感器、控制执行设备,远程测控智能终端包括测控模块、无线通讯网关,管理中心服务器包括数据采集服务器、数据库服务器、调度决策服务器、输出控制服务器、信息发布服务器,信息服务终端包括计算机、PDA和智能手机。
[0045] 系统采用异网通讯网络通讯,包括互联网Internet、手机短信GSM、电话网络PSTN、ZigBee短程通讯网络、GPRS远程通讯网络、计算机局域网LAN。其中,设备层与控制层之间采用ZigBee短程通讯网络,控制层与调度管之间采用GPRS无线通讯网络,调度层与信息层之间采用互联网、手机短信GSM、电话PSTN网络,调度层内部服务器之间采用TCP/IP局域网通讯。
[0046] 一种监控基于异网通讯的供水管网监控与信息服务系统的监控方法,其监控方法的工作流程如图2所示;基于异网通讯,首先通过流量、压力等传感器、泵/阀工况传感器等测量供水管网参数和设备工况参数,测控模块采集上述参数,并通过ZigBee短程网络传送到无线通讯网关;再通过GPRS远程通讯网络传送到管理中心服务器处理,根据处理结果由管理中心服务器发布控制指令,控制指令通过GPRS远程通讯网络至无线通讯网关;最后,经ZigBee短程通讯网络到测控模块,控制相应的水泵、减压阀等控制设备;同时,管理中心服务器还将服务信息通过互联网、手机短信GSM传送到信息服务终端。实现城市供水管网的数据采集、监控、调度和信息服务。
[0047] (I)所述测控设备包括传感器、控制执行设备,所述传感器包括流量、压力等传感器、泵/阀工况采集传感器。用于采集供水管网监测点的流量、压力以及水泵的开关和减压阀的开启数据,并发送至测控模块。所述控制执行设备包括水泵、减压阀,接收测控模块控制指令控制水泵和减压阀等。
[0048] (2)所述测控模块的结构原理框图如图3所示;包括输入输出电路和ZigBee通讯电路。输入输出电路向下连接传感器和控制设备,采集流量、压力传感器等的运行参数和设备工况数据;ZigBee通讯电路向上连接无线通讯网关,控制泵/阀等现场控制设备。
[0049] 测控模块的输入输出电路具有两路模拟输入、两路模拟输出、两路数字输入和两路数字输出共八路的测控端口。模拟输入的端口为电流输入型,连接模拟输出传感器;数字输入的端口可测量电平或脉冲两种不同信号,并能计算脉冲频率或累加脉冲数,连接数字输出传感器;用于采集流量、压力传感器等的运行参数和设备工况数据。
[0050] 模拟输出和数字输出端口均为隔离输出,连接模拟或数字输出控制设备需要外部提供电源接入。用于输出控制泵/阀等现场控制设备。
[0051] 同时,测控模块的ZigBee通讯电路通过ZigBee短程通讯网络与无线通讯网关连接,交换动态运行数据。现场测控模块具有大数据量、远程、持续、可靠的测控与传输性能,并具有灵活的多种通讯方式:
[0052] RS-485主从轮询通讯方式:当测控模块与与无线通讯网关之间采用RS-485主从轮询通讯方式时,测控模块不主动发起通讯,由无线通讯网关轮询测控模块,上传数据。
[0053] Zigbee自主发送通讯方式:当测控模块与无线通讯网关采用Zigbee短程通讯网络自主发送通讯方式,无线通讯网关和测控模块均可主动发起通讯。自主发送方式有定时发送和定量发送两种方式;并且选择自主发送方式时测控模块采用休眠方式,最低限度降低功耗。定时发送可以通过软件设置采集周期和发送周期;定量发送方式则是当采集到的数据与之前采集的数据变化程度达到或超出设定门限的时候上传数据,该方式下的数据采集周期可通过设置软件进行设置。可以根据监测点离市区的远近自由选择测控模块的通讯方式。
[0054] (3)所述无线通讯网关结构原理框图如图4所示;包括GPRS通讯电路和ZigBee通讯电路。ZigBee通讯电路向下连接测控模块,通过ZigBee短程通讯网络与现场测控模块连接,实现交换现场测控动态数据;GPRS通讯电路向上连接管理中心服务器,通过移动无线GPRS远程通讯网络交换实时动态数据。现场无线通讯网关具有大数据量、远程、持续、可靠的传输与协议转换性能。
[0055] 无线通讯网关内存储有管理中心的IP地址,远程测控智能终端一旦通电,一方面就会自动运行并搜索GPRS远程通讯网络,与调度中心建立连接。另一方面通过RS485接口或者Zigbee短程通讯网络与测控模块进行连接。无线通讯网关会定时向管理中心发送心跳包,监测远程测控智能终端的在线状态,并可以实现掉线自动重连,重拨时间能根据需要自行设定。
[0056] (4)所述管理中心服务器结构如图1所示;包括数据采集服务器、数据库服务器、调度决策服务器、输出控制服务器、信息发布服务器。采用统一的数据协议与共享数据库,结合计算机软件进行数据的处理和管理。
[0057] 所述数据采集服务器安装数据采集软件,用于与无线通讯网关通讯,接收管网运行数据、泵/阀工况数据,实现输出控制。
[0058] 所述数据库服务器安装数据库软件,用于贮存城市内涝的基础数据和运行数据,分别涉及供水管网模型、地理信息、供水管网实时状态与调度决策等数据。
[0059] 所述调度决策服务器安装调度决策软件。可以实现对采集到的数据进行各种运算处理,查询历史数据;自动生成报表和曲线,显示实时趋势和历史趋势;信息发布,自定义报警。
[0060] 所述输出控制服务器安装输出控制软件。通过无线通讯网关和测控模块,控制执行设备。
[0061] 所述信息发布服务器包括网站信息发布服务器、短信信息发布服务器、语音电话信息发布服务器,分别通过因特网、手机短信GSM网络、电话PSTN网络进行报警转发和事务通知。
[0062] (5)所述信息服务终端如图1所示;包括计算机、PDA和智能手机。通过互联网、手机短信GSM、电话PSTN网络与管理中心服务器连接,接收信息发布服务数据。供水相关单位的人员通过B/S或C/S模式登陆系统软件后,实现对城市供水管网的在线监控和调度决策,并接收报警转发和事务通知。
[0063] (6)所述异网通讯网络如图1所示;包括互联网Internet、手机短信GSM、电话网络PSTN、ZigBee短程通讯网络、GPRS远程通讯网络、计算机局域网LAN。其中,设备层与控制层之间采用ZigBee短程通讯网络,控制层与调度层之间采用GPRS远程通讯网络,调度层与信息层之间采用互联网、手机短信GSM、电话PSTN网络,调度层内部服务器之间采用TCP/IP局域网通讯。
[0064] 上述实施例为本发明较佳的实施方式,但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制,其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.基于异网通讯的供水管网监控与信息服务系统,其特征在于:包括设备层、控制层、调度层和信息层,所述设备层包括测控设备,所述控制层包括远程测控智能终端,所述调度层包括管理中心服务器,所述信息层包括信息服务终端; 所述测控设备包括传感器和控制执行设备,所述远程测控智能终端包括测控模块和无线通讯网关,所述管理中心服务器包括数据采集服务器、数据库服务器、调度决策服务器、输出控制服务器和信息发布服务器,所述信息服务终端包括计算机、PDA和手机; 所述设备层、控制层、调度层和信息层之间采用异网通讯网络进行通讯,所述异网通讯网络包括互联网Internet、手机短信GSM、电话网络PSTN、ZigBee短程通讯网络、GPRS远程通讯网络、计算机局域网LAN和TCP/IP局域网;所述设备层与控制层之间采用ZigBee短程通讯网络进行通讯,所述控制层与调度层之间采用GPRS远程通讯网络进行通讯,所述调度层与信息层之间采用互联网、手机短信GSM或电话PSTN网络进行通讯,调度层的管理中心服务器之间采用TCP/IP局域网进行通讯。
2.如权利要求1所述的基于异网通讯的供水管网监控与信息服务系统,其特征在于:所述测控设备包括流量传感器传感器、压力传感器、管网运行数据采集传感器、泵/阀工况采集传感器和水泵/减压阀。
3.如权利要求1所述的基于异网通讯的供水管网监控与信息服务系统,其特征在于:所述测控模块具有第一路模拟输入、第二路模拟输入、第一路模拟输出、第二路模拟输出、第一路数字输入、第二路数字输入、第一路数字输出和第二路数字输出;第一路模拟输入的端口为电流输入型,第二路模拟输入用于测量系统供电电压;第一路数字输入、第二路数字输入端口测量电平和脉冲这两种信号,并计算脉冲频率和累加脉冲数;第一路模拟输出、第二路模拟输出、第一路数字输出和第二路数字输出均为隔离输出,由外部提供电源接入,其中,第一路模拟输出和第二路模拟输出为电流输出型,第一路数字输出和第二路数字输出为开关输出型;所述第一路模拟输出、第二路模拟输出、第一路数字输出和第二路数字输出均用于采集压力传感器、流量传感器的运行参数和设备工况数据,以控制现场测控设备; 所述无线通讯网关与管理中心服务器通过GPRS远程通讯网络交换实时动态数据;所述无线通讯网关通过ZigBee短程通讯网络与测控模块连接,实时交换现场测控动态数据。
4.如权利要求1所述的基于异网通讯的供水管网监控与信息服务系统,其特征在于:所述信息服务终端通过互联网、手机短信GSM或电话PSTN网络接收信息和发布服务信息。
5.监控权利要求1所述的基于异网通讯的供水管网监控与信息服务系统的监控方法,其特征在于,包括以下步骤: 步骤1:通过流量传感器、压力传感器、泵/阀工况采集传感器测量供水管网参数和设备工况参数; 步骤2:测控模块采集测量供水管网参数和设备工况参数,并通过ZigBee短程通讯网络传送到无线通讯网关,再通过GPRS远程通讯网络传送到管理中心服务器处理,管理中心服务器进行处理后发出相应的处理结果; 步骤3:管理中心服务器根据相应的处理结果发布控制指令,所述控制指令通过GPRS远程通讯网络至无线通讯网关,再经ZigBee短程通讯网络到测控模块,以控制相应的控制设备做出相应的动作; 步骤4:管理中心服务器将相关服务信息通过异网通讯网络传送到信息服务终端。
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