南水北調(diào)中線工程跨越長江、黃河、淮河、海河四大流域，是解決京、津、華北地區(qū)缺水問題的重大戰(zhàn)略基礎(chǔ)設(shè)施，擔負著北京、天津、石家莊、鄭州等數(shù)十座城市供水任務(wù)[1]。水量調(diào)度系統(tǒng)是南水北調(diào)中線工程自動化調(diào)度系統(tǒng)的核心組成部分，是實現(xiàn)統(tǒng)一調(diào)度、集中控制的基礎(chǔ)[2]。

　　摘要：水量調(diào)度系統(tǒng)是南水北調(diào)中線工程自動化調(diào)度系統(tǒng)的核心組成部分，由閘站監(jiān)控系統(tǒng)采集的水位、流量、閘門開度等監(jiān)測數(shù)據(jù)反映了輸水干渠水量調(diào)度控制的實時狀態(tài)，是水量調(diào)度系統(tǒng)中控制指令生成必不可少的輸入?yún)��?shù)。因此，需要建立水量調(diào)度系統(tǒng)與閘站監(jiān)控系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信。根據(jù)OPC基本原理和數(shù)據(jù)訪問規(guī)范，提出了基于OPC技術(shù)的系統(tǒng)集成方案，即在水量調(diào)度系統(tǒng)中開發(fā)OPC客戶端應(yīng)用程序，用于實時獲取閘站監(jiān)控系統(tǒng)采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并將指令發(fā)送到閘站監(jiān)控系統(tǒng)。實踐表明，基于OPC技術(shù)的集成方案能夠很好地實現(xiàn)兩個應(yīng)用系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳遞，降低了系統(tǒng)集成的成本，增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和靈活性。

　　關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究投稿,OPC,南水北調(diào)中線,自動化調(diào)度,水量調(diào)度,閘站監(jiān)控,數(shù)據(jù),系統(tǒng)集成

　　水量調(diào)度系統(tǒng)的重要任務(wù)之一，就是利用各節(jié)制閘、分水口、退水閘實時的監(jiān)測數(shù)據(jù)，計算出正常運行狀態(tài)、冰期運行以及應(yīng)急狀態(tài)下的閘門控制指令[3-6]。閘站監(jiān)控系統(tǒng)則負責采集并為水量調(diào)度系統(tǒng)提供監(jiān)測數(shù)據(jù)，再根據(jù)接收到的控制指令，對節(jié)制閘、分水口、退水閘等進行遠程控制[7]。因此，需要在水量調(diào)度系統(tǒng)與閘站監(jiān)控系統(tǒng)之間建立數(shù)據(jù)通信，完成大量的實時數(shù)據(jù)傳遞任務(wù)�；�于OPC技術(shù)可以建立彼此獨立的應(yīng)用系統(tǒng)之間實時數(shù)據(jù)通信的橋梁，能有效克服應(yīng)用系統(tǒng)之間的不兼容問題，實現(xiàn)系統(tǒng)集成應(yīng)用。

　　1OPC簡介

　　OPC（OLEforProcessControl，過程控制對象連接與嵌入技術(shù)）是OPC基金會組織推廣的工業(yè)控制和生產(chǎn)自動化領(lǐng)域中的硬件和軟件之間的標準接口[8-9]。OPC以組件對象模型為基礎(chǔ)，采用客戶端/服務(wù)器模式，允許各種不同設(shè)備之間以相同的方式進行通信。OPC是應(yīng)用程序之間交換實時數(shù)據(jù)的一種方法，既可以應(yīng)用于軟件系統(tǒng)之間的集成，也可以應(yīng)用于軟件系統(tǒng)與硬件系統(tǒng)之間的集成[10-15]。

　　1.1OPC的組成

　　OPC服務(wù)器由三類對象構(gòu)成[8]：OPC服務(wù)器（OPCServer）、OPC組（OPCGroup）和OPC項（OPCItem）。OPC服務(wù)器提供數(shù)據(jù)源以及數(shù)據(jù)訪問接口，并負責維護有關(guān)OPC服務(wù)器的相關(guān)信息，OPC服務(wù)器是組對象的容器，可以包含一個或多個組對象；OPC組提供了一種容納和組織OPC數(shù)據(jù)項的機制，從邏輯上完成對數(shù)據(jù)項的管理，組可以包含一個或多個數(shù)據(jù)項；項是最小的對象單元，由數(shù)據(jù)值（Value）、數(shù)據(jù)質(zhì)量（Quality）、時間戳（TimeStamp）等構(gòu)成，代表著與OPC服務(wù)器的數(shù)據(jù)連接。OPC包含兩種標準接口：自定義接口和自動化接口，自定義接口是一組COM接口，由OPCServer服務(wù)商提供；自動化接口是一組OLE接口，主要用于OPC客戶端應(yīng)用程序開發(fā)。OPC體系結(jié)構(gòu)見圖1。

　　1.2OPC數(shù)據(jù)存取方式

　　OPC服務(wù)器與OPC客戶端之間數(shù)據(jù)交互包括兩個方面：OPC客戶端從OPC服務(wù)器端讀取數(shù)據(jù)和OPC客戶端向OPC服務(wù)器端寫入數(shù)據(jù)。OPC客戶端數(shù)據(jù)讀取有三種方式：同步、異步、訂閱[11]，而OPC客戶端向OPC服務(wù)器寫數(shù)據(jù)只有兩種方式：同步寫和異步寫。

　　同步數(shù)據(jù)存取包括同步讀和同步寫。OPC客戶端通過接口函數(shù)向OPC服務(wù)器發(fā)出數(shù)據(jù)存取請求，OPC服務(wù)器執(zhí)行相應(yīng)的請求操作，當OPC服務(wù)器對應(yīng)的響應(yīng)全部完成后才能返回，在此期間，OPC客戶程序一直處于等待狀態(tài)。同步數(shù)據(jù)存取時，如果有大量數(shù)據(jù)進行操作或有很多OPC客戶程序?qū)�OPC服務(wù)器進行讀操作時，必然造成OPC客戶程序的阻塞現(xiàn)象。因此，同步數(shù)據(jù)存取適用于OPC客戶程序較少，數(shù)據(jù)量較小的場合。

　　異步數(shù)據(jù)存取包括異步讀和異步寫。OPC客戶端程序向OPC服務(wù)器端發(fā)出請求后立刻返回，不用等待OPC服務(wù)器的響應(yīng)，即可進行其它操作。OPC服務(wù)器完成響應(yīng)后再通知OPC客戶程序。相對于同步數(shù)據(jù)存取，異步數(shù)據(jù)存取的效率更高。

　　訂閱式數(shù)據(jù)讀取是指OPC客戶程序?qū)�OPC服務(wù)器發(fā)送請求后立刻返回，不用等待OPC服務(wù)器的操作，即可進行其它操作。OPC服務(wù)器在數(shù)據(jù)發(fā)生改變時，會自動根據(jù)更新周期刷新相應(yīng)的客戶端數(shù)據(jù)�？蛻舳酥幌騉PC服務(wù)發(fā)送一次請求，之后不再對服務(wù)器請求。相比于同步數(shù)據(jù)存取和異步數(shù)據(jù)存取，訂閱式數(shù)據(jù)訪問方式可以有效降低客戶端訪問服務(wù)器的次數(shù)，最大程度地避免網(wǎng)絡(luò)阻塞。

　　OPC客戶端利用數(shù)據(jù)訪問接口，以統(tǒng)一的方式訪問OPC服務(wù)器，無需了解服務(wù)器端的底層細節(jié)及硬件設(shè)備驅(qū)動，易于實現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)之間或軟硬件系統(tǒng)之間的集成。OPC實現(xiàn)了遠程調(diào)用，使得應(yīng)用程序與系統(tǒng)硬件的分布無關(guān)，便于系統(tǒng)硬件配置。OPC降低了系統(tǒng)集成的成本，基于COM規(guī)范的語言無關(guān)性簡化了OPC客戶端系統(tǒng)開發(fā)，用戶可以選擇熟悉的二次開發(fā)語言，以及各種商業(yè)開發(fā)軟件包，OPC客戶端不必考慮硬件設(shè)備驅(qū)動的問題。基于OPC的上述優(yōu)點，本文采用OPC技術(shù)實現(xiàn)水量調(diào)度系統(tǒng)與閘站監(jiān)控系統(tǒng)之間的集成。

　　2南水北調(diào)中線工程自動化系統(tǒng)

　　2.1南水北調(diào)中線工程自動化調(diào)度系統(tǒng)簡介

　　南水北調(diào)中線工程自動化系統(tǒng)包括六大應(yīng)用系統(tǒng)，分別是：水量調(diào)度系統(tǒng)、閘站監(jiān)控系統(tǒng)、閘站視頻監(jiān)視系統(tǒng)、工程安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)、水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)、三維仿真系統(tǒng)。

　　水量調(diào)度系統(tǒng)是整個自動化調(diào)度系統(tǒng)的大腦，是實現(xiàn)統(tǒng)一調(diào)度、集中控制的基礎(chǔ)。通過該系統(tǒng)，實現(xiàn)正常調(diào)度、應(yīng)急調(diào)度、冰期運行等不同工況下水量調(diào)度計劃制定、閘門控制指令制定及發(fā)送等功能。閘站監(jiān)控系統(tǒng)是全線集中控制方式的執(zhí)行系統(tǒng)，可以在調(diào)度中心對全線所有節(jié)制閘、分水口、退水閘、工作閘等進行遠程自動控制，系統(tǒng)主要功能包括閘站控制、運行狀態(tài)實時監(jiān)測、告警、模擬、趨勢分析、查詢統(tǒng)計、系統(tǒng)管理等。

　　閘站視頻監(jiān)視系統(tǒng)主要用于監(jiān)視閘門及啟閉機運行狀態(tài)、水流狀態(tài)、機房設(shè)備運行狀態(tài)、園區(qū)安防等情況，同時可進行遠程操作維護指導(dǎo)，能夠起到“事前發(fā)現(xiàn)、事中處理、事后取證”的作用。

　　工程安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)將預(yù)埋在渡槽、隧洞、倒虹吸等建筑物及特殊渠段的監(jiān)測儀器數(shù)據(jù)自動采集，上傳至調(diào)度中心，在調(diào)度中心能夠針對異常情況進行報警，主要功能包括監(jiān)測信息管理、在線綜合分析、離線綜合分析、綜合查詢、報表制作等。

　　水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)通過固定、移動、自動等監(jiān)測手段實現(xiàn)水質(zhì)信息的采集并上傳至調(diào)度中心，水質(zhì)不達標或發(fā)生污染時及時報警，并針對異常情況指揮現(xiàn)場進行處理。主要功能包括水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集與管理、水質(zhì)站網(wǎng)管理、水質(zhì)分析評價、水質(zhì)監(jiān)測資料整理匯編、水質(zhì)預(yù)測預(yù)報、水質(zhì)信息查詢、水質(zhì)會商支持、水質(zhì)信息發(fā)布等。

　　三維仿真系統(tǒng)通過數(shù)字化手段把中線干線工程裝進計算機，能夠形象地展示工程全貌，同時可展示工程沿線社會經(jīng)濟環(huán)境。三維仿真系統(tǒng)是實現(xiàn)“數(shù)字中線”的基礎(chǔ)。

　　2.2水量調(diào)度系統(tǒng)與閘站監(jiān)控系統(tǒng)的集成

　　水量調(diào)度系統(tǒng)集成了供水計劃生成模型、總干渠水力學模型、冰期輸水控制模型、應(yīng)急預(yù)案模型。為了提高數(shù)據(jù)共享，保證數(shù)據(jù)一致性，系統(tǒng)構(gòu)建統(tǒng)一的模型參數(shù)數(shù)據(jù)庫，閘門控制指令計算模型的輸入包括兩類參數(shù)：一類是模型參數(shù)，包括水工建筑物的設(shè)計參數(shù)，如渠段長度、底寬、設(shè)計水位、設(shè)計流量，以及模型自身的參數(shù)，如水位最大降速、閘門開度步長等；另一類參數(shù)是反映供水調(diào)度實時狀態(tài)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，如閘前閘后水位、閘門開度、過閘流量等。模型參數(shù)從本地模型數(shù)據(jù)庫中獲取，監(jiān)測數(shù)據(jù)則利用OPC技術(shù)從閘站監(jiān)控系統(tǒng)獲取，同時，生成的控制指令也通過OPCClient發(fā)送到閘站監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)見圖2。

　　3OPC技術(shù)在水量調(diào)度系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　3.1南水北調(diào)中線水量調(diào)度規(guī)則

　　水量調(diào)度就是根據(jù)各用水戶的用水需求，通過改變一系列控制閘門的啟閉狀態(tài)，適時、適量地將水送到用水戶的過程。南水北調(diào)中線水量調(diào)度以總干渠水力學模擬模型為基礎(chǔ)，采用前饋加反饋的控制策略[16]。根據(jù)渠道初始及目標狀態(tài)的流量、水位、渠道水體體積等參數(shù)指標，初步制定節(jié)制閘流量變化過程及閘門開度變化過程，稱為前饋控制策略；根據(jù)渠道水力響應(yīng)的實測數(shù)據(jù)，對過閘流量及閘門開度進行修正，以保證節(jié)制閘流量變化過程與前饋控制策略制定的流量過程一致，稱為反饋控制策略。典型的控制指令生成流程見圖3。

　　3.2基于OPC技術(shù)的閘站監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取與控制指令發(fā)送

　　反映渠道輸水控制狀態(tài)的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)是閘門控制指令修正計算的重要依據(jù)�？紤]到監(jiān)測數(shù)據(jù)量大，采集頻率高等特點，水量調(diào)度系統(tǒng)只在計算控制指令時才建立與OPCServer端的連接，一旦獲取到數(shù)據(jù)后即斷開與OPCServer端的連接。同樣，系統(tǒng)在每一個設(shè)定的時間間隔都會生成控制指令，但只是在需要調(diào)整閘門時才將相應(yīng)的控制指令發(fā)送到閘站監(jiān)控系統(tǒng)執(zhí)行。本文采用C#語言開發(fā)OPCClient端應(yīng)用程序，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取與控制指令發(fā)送。數(shù)據(jù)獲取與指令發(fā)送的基本步驟如下。

　　3.2.1連接OPCServer

　　OPCServer由閘站監(jiān)控系統(tǒng)提供，負責提供數(shù)據(jù)源。在OPCClient端建立與OPCServer的連接時，需要提供OPCServer的名稱與IP地址。服務(wù)器端的OPCServer可能有多個，在具體實現(xiàn)時，采用OPCServer枚舉算法，根據(jù)提供的OPCServer名稱和IP地址，找到指定的OPCServer，使用OPCServer對象提供的Connect方法建立連接。

　　3.2.2創(chuàng)建OPCGroup和添加OPCItem

　　OPCServer作為OPCGroup對象的容器，提供了創(chuàng)建和添加組的方法，使用OPCServer對象提供的CreateSubscription可創(chuàng)建OPCGroup對象。需要注意的是，使用該方法創(chuàng)建的對象，本身已經(jīng)添加到OPCServer對象中，不需要使用AddGroup方法添加。在創(chuàng)建OPC組對象時，需要設(shè)置組對象的更新頻率（UpdateRate）、更新死區(qū)（Deadband）、是否激活（Active）等屬性，這些屬性涉及到數(shù)據(jù)更新方式，應(yīng)根據(jù)數(shù)據(jù)訪問的實際需要設(shè)置。OPCItem由OPCGroup管理，創(chuàng)建OPCItem時需要指定ItemName、ClientHandle等屬性，其中ItemName必須與OPC服務(wù)器端的Item項名稱一致，這樣在客戶端進行請求時，才能獲取服務(wù)器端對應(yīng)的數(shù)據(jù)項的值。

　　3.2.3異步方式讀取監(jiān)測數(shù)據(jù)

　　數(shù)據(jù)訪問是OPCClient端程序?qū)崿F(xiàn)的一個重要環(huán)節(jié)，鑒于南水北調(diào)中線工程干線供水調(diào)度實測數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)種類多，系統(tǒng)采用訂閱的方式，當監(jiān)控設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)有變化時，自動觸發(fā)數(shù)據(jù)變化事件函數(shù)，通知客戶端。

　　3.2.4向閘站監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送控制指令

　　發(fā)送控制指令是OPCClient端向OPCServer端寫入數(shù)據(jù)的過程。在水量調(diào)度系統(tǒng)中，向閘站監(jiān)控系統(tǒng)寫入的開度指令遠比獲取的監(jiān)測數(shù)據(jù)少，另外，根據(jù)南水北調(diào)中線水量調(diào)度的業(yè)務(wù)要求，在每次對閘門進行控制時，應(yīng)保證閘門控制操作的同時性。因此，在OPCClient端開發(fā)過程中，采用同步寫的方式，利用OPCServer對象提供的Write方法，實現(xiàn)向閘站監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送控制指令。

　　3.2.5斷開OPCServer

　　OPC的連接資源有限，在使用完成后，需要及時斷開與OPCServer的連接，使用OPCServer對象提供的Disconnect方法可斷開連接并釋放資源。4實例

　　南水北調(diào)中線一期工程京石段水量調(diào)度系統(tǒng)部署在總調(diào)中心，通過控制專網(wǎng)與閘站監(jiān)控系統(tǒng)連接，OPCServer端部署在閘站監(jiān)控系統(tǒng)，負責提供數(shù)據(jù)源供OPCClient端訪問。OPCClient端應(yīng)用程序部署在水量調(diào)度系統(tǒng)，負責從閘站監(jiān)控系統(tǒng)讀取水位、流量、開度等監(jiān)測數(shù)據(jù)，保存到內(nèi)存表，作為控制指令計算的輸入項，生成的指令也是通過OPC發(fā)送到閘站監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)見圖2。

　　南水北調(diào)中線一期工程京石段水量調(diào)度系統(tǒng)運行總界面見圖4。系統(tǒng)提供了統(tǒng)一的水量調(diào)度操作界面，實現(xiàn)模型參數(shù)維護、模型計算軟件集成調(diào)用、成果管理、數(shù)據(jù)查詢與統(tǒng)計等功能�？刂浦噶畎l(fā)送界面見圖5，采用顏色高亮顯示、閃爍等方式突出顯示開度發(fā)生變化的閘門，提醒運行調(diào)度操作人員需要執(zhí)行相應(yīng)的控制指令。

　　京石段自動化調(diào)度系統(tǒng)目前尚處于試運行階段，軟硬件設(shè)備均處于調(diào)試狀態(tài)。系統(tǒng)與OPCServer端采取短連接的方式，即：在每次閘門控制指令計算時進行連接，獲取數(shù)據(jù)后立即斷開與OPCServer的連接，并釋放資源；在需要發(fā)送控制指令時，建立與OPCServer連接，指令發(fā)送完畢后斷開連接。短連接方式能有效降低閘站監(jiān)控系統(tǒng)OPCServer端軟件運行不穩(wěn)定對水量調(diào)度系統(tǒng)的影響，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

　　5結(jié)語

　　作為南水北調(diào)中線工程自動化系統(tǒng)的大腦，水量調(diào)度系統(tǒng)負責實現(xiàn)正常調(diào)度、應(yīng)急調(diào)度、冰期運行等不同工況下水量調(diào)度計劃制定、閘門控制指令生成等功能，是多個專題模型的集成系統(tǒng)。本文介紹了OPC技術(shù)的原理與數(shù)據(jù)訪問規(guī)范，并開發(fā)了OPCClient端應(yīng)用程序，實現(xiàn)了南水北調(diào)中線工程京石段水量調(diào)度系統(tǒng)與閘站監(jiān)控系統(tǒng)之間的集成。實踐表明，采用OPC技術(shù)很好地實現(xiàn)了水量調(diào)度系統(tǒng)與閘站監(jiān)控硬件系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信，而無需了解閘站監(jiān)控數(shù)據(jù)采集設(shè)備底層的細節(jié)，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，開發(fā)相對簡單高效，集成成本低。

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