城市供水网管信息查询系统方案

城市供水管网信息查询系统
解
决
方
案
2010-2
一、应用需求
随着我国经济的发展、城市规模的扩大和现代化程度的不断提高，城市的供水管网系统也越来越庞大，且许多供水管线的填埋情况复杂、资料不清，有些管线甚至仅凭当时施工工人的记忆去寻找，造成诸多设计上的失误和施工中的事故。

采用人工方法，借助图纸、各类卡片来管理城市供水管网系统，已越来越难以满足实际需要。

所以实现对供水管网管理系统的需求是相当迫切的。

业内众多有识之士已达成共识：使用计算机，借助无线网络系统技术来进行供水管网的管理、管网设计及数据采集，已是势在必行。

城市供水管网信息查询系统的主要目标是利用GIS的空间管理和分析技术，结合供水管理的业务，使业务数据可视化，使管理工作融入空间域的管理理念，使业务数据的统计分析上升到更易被人们接受的空间分析层次，从中挖掘出普通文字表格无法得到的数据信息，为供水的管理和决策提供更有价值的科学依据，使供水业务的管理、规划上升到一个更高的层次。

二、系统概述
城市供水管网信息查询系统是供水企业的基础生产管理信息平台，其面向各个应用层次的软件模块保证了在供水企业中设备、业务、实时信息的闭环共享；形成了各个业务部门围绕管网模型的协同作业；系统分布式的多服务器结构可将业务处理流程和管网信息的及时更新联系在一起，从而保证了系统不再需要专门的维护人员，系统也成为真正的活的工具。

城市供水管网信息查询系统由调度中心、无线GPRS 网络、远程终端单元（RTU）几个部分组成：
2.1远程终端单元（RTU）
远程终端单元RTU 分散的分布在供水管网的遥测点上，主要由GPRS模块、电源、天线、PLC 的CPU 及各种I/O 模板及后备电池、机箱等几部分组成。

远程终端单元RTU与现场设备的开关量、模拟量信号相连，进行数据采集、处理、存储并通过GPRS 网络与调度中心传送数据，接收并执行上位机的命令。

具体功能如下：
RTU 机箱：安装于遥测点现场，为壁挂式，具有防盗功能（包括GPRS 模块天线），其固定螺丝置于箱体内，设置门锁，箱体内具有220V 交流电（如井下无条件具备220V电压，可考虑蓄电池、锂电池等能满足终端产品电压需求的供电装置），信号输入输出接线端子，设置交流进线空气开关，如有条件可配备一220V 交流电插座（检修时方便使用）；
PLC：使用西门子、三菱、欧姆龙等知名品牌
提供4 路4-20mA 模拟输入、6 路开关量输入、4 路开关量输出，无需监控中
心控制，可自行进行测量，并保存累积数据系统；
具有实时时钟功能（可通过监控中心设定校准），采集到的数据以时间为顺序，以5分钟/每次的密度，能在RTU 端存储一天的历史数据，程序、参数、历史数据具有掉电保护功能；
定时上报：把从仪表采集到的数据，以定时（整5 分钟报一次）方式上报；
实现数据点播：可以响应各监控中心发出的查询请求，将实时时刻或历史时刻的数据发给监控中心，数据可发给多个监控中心；
输入信号损坏时发出报警信息；
当系统上电复位，或系统运行、通信发生异常死机复位（看门狗复位）时，系统根据复位类型不同进行复位处理，保证系统正常工作。

可为一次仪表（两线制，三线制）提供24V 电源，具有一次表供电功能。

GPRS模块：其核心使用SIMEMS MC39I无线模块，内嵌TCP/IP协议，
支持900/1800 MHz系统，提供RS-232或RS-485自选接口，支持各种非TCP/IP 终端设备数据的透明传输，可上电即自动拨号上网，一直在线，自检测假拨号现象，掉线可自动重拨。

带自主开发的主控电路和硬件看门狗，保证电路的可靠工作，并可根据用户需要进行远程在线维护。

（可选的备用冗余功能）调度中心可以设一主一备两个中心（即有一主一备两个IP地址），平时RTU端的GPRS模块只与调度中心主中心（主IP地址）联系，当主IP地址联系不上时，RTU端的GPRS模块能自动与备用IP地址联系，切换到备用系统进行工作，当主IP地址系统恢复正常，关闭备用IP地址系统时，能恢复到主IP地址系统进行工作（最多可以和5个中心同时通信）。

通信工作原理：
首先对DTU进行设置，设置要连接的中心IP和端口及其它必要性的设置，设置好之后PLC通过RS232或RS485接口和DTU相连，DTU上电之后根据事先设置好的中心IP和端口进行连接，成功连接到中心软件后即可双向传输数据。

终端流量传感器、水压传感器工作时所产生的数据通过串口往无线模块串口送，无线模块检测到串口的数据后最终数据信息发送到中心去。

2.2 调度中心
2.2.1 GIS图形操作功能
◆提供地形简图，通过对简图内取景框移动、放大、缩小操作，主视窗内
将显示相应部分的系统地形图，系统将给出坐标和比例尺；
◆用户界面全部采用菜单形式、鼠标操作；
◆图形可以实时地缩放、开窗、旋转、漫游；
◆具有局部放大功能,可同时显示全景视窗和局部区域视窗,在全景图上可
移动当前视窗所处的位置，在局部区域图上进行缩放及移动又可在全景
视窗得以反映，可方便用户了解全部和局部的关系；
◆具有放大镜等功能，使用户在全局图形时，可查看某一局部详细信息；
◆提供量度尺功能，可对任意两点进行测距；
◆提供沿路跟踪功能，可对街道和线路进行全程浏览；
◆可按管线等级、拓扑连接关系进行管线追踪和管线供水区域的动态着色；
◆可以设置动态图层，利用图符、颜色或字符的改变来表示供水设备的运
行状态；
◆图层定义功能，可根据用户需要，灵活定义不涉及电网拓扑结构的图层，
并且图层的颜色、字体、线型等属性可以自由选择；字体、线型也提供
多种选择；地形图有：测量点、道路、建筑物、河流湖泊、绿地、地界、独立物等，供水图形有：管线、人井、阀门、表计及其他设备等；
◆支持图形、图像分层显示功能，可对元素分类显示或隐藏，可进行每一
图层的可见性以及与地图比例相关的动态可见性设置。

背景地图分区装
载、清除功能。

2.2.2编辑修改功能
◆由于供水网络经常面临旧城改造、新城区扩建等工作，本系统提供丰富
的支持软件，提供简便的数据、供水网图形的录入、修改、编辑界面，
并支持设备集编辑，使图形、数据等新增、修改工作仅通过用户界面而
无需修改程序即可完成；
◆可直接在地理图上增加和删除建筑物及街道等基础地理信息图形；
◆提供人井、水阀、表计及其他设备等图形模块，无须绘制，直接调用；
◆可对供水网中备位置信息、逻辑关系、台帐资料直接编辑修改；
◆图像资料的查询、录入、修改、删除功能；
◆可以在数据库里直接修改资料，再在GIS界面定位；
◆能实现不同比例图形的平滑、无缝连接；
2.2.3输入输出功能
◆支持对AUTOCAD等系统提供图形文件、数据文件的直接读取输入。

◆图幅定义及栅格图配准功能，可把扫描得到的所有地理栅格图按所处的
位置拼接成几张无缝的栅格图，使得数字化非常便捷、准确；
◆图纸输出功能：
支持图形、数据库复合打印工程图，并支持图、表混合打印输出；
支持单幅按比例、按范围打印预览和成图；
支持多图幅自动分割连续打印输出；
具有按所需图层、范围、比例要求输出的功能；
提供高质量的硬拷贝和软拷贝工具，包括灵活的页输出，扩充的显示方
式选择。

支持图、表混合输出，提供面向对象的打印预览，支持打印机
和绘图仪等输出设备。

2.2.4 综合查询功能
通过关系数据库将地理图、供电系统图及属性数据库信息联系起来，以任意入口、深度、方向完成“图-数”“数-图”查询、管理，使图形管理与数据、档案管理融为一体。

并且能对多种数据进行分析和可视化操作，数据可以通过直读、转换的方式纳入系统数据库。

具体查询方式有：
⏹可在地形图上根据对象的任意属性条件进行各类供水网设备的模糊查询，并
在地图上定位；也可根据供水网的拓扑连接结构，进行各种连接关系的查询；
⏹可以开窗、开圆形、开不规则多边形查询某一窗口内的供水网设备信息、容
量信息等；
⏹输入建筑物、道路名或供水网设备的名称或编码（由于使用模糊查询技术、
名称或编码不一定完整），及可显示出它们的地理位置及数据库信息，并用特别颜色表示，也可输入一定的逻辑条件，进行逻辑查询，同时支持SQL 语言直接输入查询，显示符合逻辑条件的供水网设备的地理位置及数据库信息；
⏹通过管线的连接关系，将该管线某一（设备）以下（以上）连接的管线及设
备显示出来，方便查询供水点及供水范围。

2.2.5图形信息统计功能
仅对图形和数据进行查询是不能满足现代化管理的需要，只有对地理信息、供水网数据库信息进行综合统计处理，才能为科学决策、管理提供重要信息。

图形信息统计功能包括：
⏹可用鼠标器在屏幕上圈定区域并统计出该区域内各种供水网设备数量、位
置；
⏹可以通过开窗或任意围成的多边形对相关设备进行统计；
⏹计算任意两点间管线长度及所带设备数量的统计，方便预算与维护；
⏹可按时间和类型对各种供水网设备的缺陷进行管理；
⏹可根据设施的属性信息，进行任意组合，查询并统计出符合条件的设施。

⏹提供完备的报表生成工具，自动建立与数据库之间自动建立与数据库之间的
相关性，支持向EXCEL和WORD的自动转换。

2.2.6 用户管理
系统可设系统管理员，可设置增加删除用户，设置用户权限（编辑权或只读权）及操作菜单，从而以不同帐户和口令管理编辑和查询用户，保证系统运行安全可靠。

2.2.7 供水专业功能
⏹分层管理：允许用户管理多层地理信息并按需要将供水管网数据进行分层
（管段、阀门、水表等）。

⏹符合行业规范：按供水行业日常管理模式组织管理流程，遵循行业习惯进行
数据分类及缺省数据库设计。

⏹事故处理：爆管发生后可迅速制定关阀及扩大关阀方案，查找需关阀门和受
影响用户，查询及打印阀门、用户报表，打印抢修单、闸阀卡片及停水通知单。

⏹设计任务管理：将设计管线和现状管线分开，根据现状设计任务，竣工后
可无缝回贴，有效管理各类设计图件。

⏹管线设计模块：可使用多种解析方式录入管线，如参照红线、马路边线、马
路中心线以一定距离和角度铺设管线，设备库管理可自行定义多种管网设备，可管理输出设计图、竣工图、桩号图、轴测图，生成配件统计表。

⏹检查与监理：按国家规范实施检查，判断数据完备与否，检查管线平面间
距、垂直净距等指标是否合格。

⏹专业量算工具：可量算底图上和管网中点与点、线与线、点与线间的平面
距离。

管网平差计算：自动简化管网，分配流量，计算水头损失，计算各节点水压，生成等水压线图。

⏹综合检索：用户可用多种方法指定检索区域、属性条件（使用条件表达式）、
图形条件，检索结果可以表格、统计图（折线图、直方图、立体直方图、饼图、立体饼图等）、分幅图、文字等多种方式输出。

⏹设备维修记录：随时记录设备维修情况，由设备号、时间等查询维修记录。

可根据记录及相关规范自动提出更换设备建议。

⏹流量、压力检测
⏹查询（对于瞬时值，如压力，能形成曲线图；对于统计值，如流量，能按日、
周、月查询）、删除、统计（对于统计值，如流量，能按日、周、月查询）.
2.3 GPRS网络
GPRS是目前解决移动通信信息服务的一种较完美的业务，它是以数据流量计费、或大数据的包月包年计费。

覆盖范围广泛、数据传输速度更快。

GPRS的推出，为行业和企业用户开展无线数据传输提供了基础设施平台，为推动移动办
公的应用和发展创造了有利条件。

与有线网络相比，GPRS网络具有租用费用低、移动办公，不受地域制约等优点。

GPRS的出现为企业和行业用户开展无线办公提供了一种新的选择。

GPRS通信方式更适合于各类数据采集业务，目前城市供水管网系统与各采用有线交互传输或电台方式，甚至有些偏远井道要有线网络接入成了不可能。

月租费太高，用电话线传送数据按时间计费，带来诸多不便，费用也不便宜。

、
GPRS网络优点：
1、覆盖范围。

构建城市供水管网系统要求数据通信覆盖范围广，扩容无限制，接入地点无限制，能满足城区、乡镇和跨地区的接入需求。

由于管网检测点数量众多，分布在地区的各个角落，而且地理位置分散。

另外，还必须考虑今后系统扩充的可能，必须具有良好的可扩展性。

由于目前GPRS已覆盖省内绝大部分地区，能够满足城市供水管网系统对覆盖范围的要求。

2、数据传输速率高。

目前GPRS实际数据传输速率在40Kbps左右，完全能满足供水管网系统数据传输速率的需求。

3、系统的传输容量大。

城市供水管网系统要和每一个监测点实现实时连接。

由于监测点数量众多，系统要求能满足突发性数据传输的需要，而GPRS技术能很好地满足传输突发性数据的需要。

4、通信费用控制灵活。

采用传统的有线方式建立供水管网系统，必须租用专线或电话线进行连接。

由于管网监测点必须与中心随时保持连线状态，而每次数据发送的数据量很小，线路资源利用率很低，平均每一个监测点每月的线路费用为800～1200元。

而如果采用GPRS通信方式，由于GPRS采用按数据流量计费的方式，资源利用率高，月通信费用将在200元之内，如果数据量很大的情况下也可按包月或包年计费。

5、良好的实时响应与处理能力。

与短消息服务比较，由于GPRS具有实时在线特性，系统无时延，可很好的满足系统对数据采集和传输实时性的要求。

三、GPRS DTU介绍
GPRS DTU采用高性能嵌入式处理器，以实时操作系统为软件支撑平台，内嵌自主知识产权的TCP/IP协议栈。

为用户提供高速，稳定可靠，数据终端永远
在线，多种协议转换的虚拟专用网络。

针对网络流量控制的用户，产品支持语音，短信，数据触发上线以及超时自动断线的功能。

同时也支持双数据中心备份，以及多数据中心同步接收数据等功能。

公司产品已广泛应用于金融，水利，环保，电力，邮政，气象等行业。

技术特点：
1. 智能防掉线，支持在线检测，在线维持，掉线自动重拨，确保设备永远在线
2. 支持RSA，RC4加密算法
3. 支持虚拟数据专用网（APN）
4. 透明数据传输与协议转换，支持多种工作模式
5. 支持数据中心动态域名和IP地址访问
6. 支持双数据中心备份
7. 支持多数据中心
8. 支持短信、语音、数据等唤醒方式以及超时断开网络连接。

9. 支持短消息备份及告警。

10.多重软硬件看门狗
11.数据包传输状态报告。

12.标准的AT命令界面
13.可以用做普通拨号MODEM
14.支持telnet功能。

15.支持远程配置，远程控制
16.通过串口软件升级
17.同时支持LINUX和WINDOWS操作系统
四、组网实施
方案一：中心采用ADSL等INTELNET公网连接，采用公网固定IP服务的。

此种方案向先INTERNET运营商申请ADSL等宽带业务，中心有公网固定IP的。

DTU直接向中心发起连接。

运行可靠稳定，推荐此种方案。

方案二：中心采用ADSL等INTELNET公网连接，采用公网动态IP+DNS
解析服务的。

客户先与DNS服务商联系开通动态域名，DTU先采用域名寻址方式连接DNS服务器，再由DNS服务器找到中心公网动态IP，建立连接。

此种方式可以大大节约公网固定IP的费用，但稳定性受制于DNS服务器的稳定，所以要寻找可靠的DNS服务商。

此种方案适合小规模应用。

方案三：中心采用APN专线，所有点都采用内网固定IP
客户中心通过一条2M APN专线接入移动公司GPRS网络，双方互联路由器之间采用私有固定IP地址进行广域连接，在GGSN与移动公司互联路由器之间采用GRE隧道。

为客户分配专用的APN，普通用户不得申请该APN。

用于GPRS 专网的SIM卡才能进入专网APN，防止其他非法用户的进入。

用户在内部建立RADIUS服务器，作为内部用户接入的远程认证服务器（或在APN路由器内，启用路由器本地认证功能）。

只有通过认证的用户才允许接入，用以保证用户内部安全。

用户在内部建立DHCP服务器（或在APN路由器内，启用DHCP功能），为通过认证的用户分配用户内部地址。

移动终端和服务器平台之间采用端到端加密，避免信息在整个传输过程中可能的泄漏。

双方采用防火墙进行隔离，并在防火墙上进行IP地址和端口过滤。

此种方案无论实时性，安全性和稳定性较前一种方案都有大大提高，适合于安全性要求较高、数据点比较多、实时性要求较高的应用环境。

在资金允许的情况下之最佳组网方式。

业务流程
GPRS专网系统终端上网登录服务器平台的流程为：
1）用户发出GPRS登录请求，请求中包括由移动公司为GPRS专网系统专门分配的专网APN；
2）根据请求中的APN，SGSN向DNS服务器发出查询请求，找到与企业服务器平台连接的GGSN，并将用户请求通过GTP隧道封装送给GGSN；
3）GGSN将用户认证信息（包括手机号码、用户账号、密码等）通过专线送至Radius进行认证；
4）Radius认证服务器看到手机号等认证信息，确认是合法用户发来的请求，向DHCP服务器请求分配用户地址；
5）Radius认证通过后，由Radius向GGSN发送携带用户地址的确认信息；
6）用户得到了IP地址，就可以携带数据包，对GPRS专网系统信息查询和业务处理平台进行访问。