一、項(xiàng)目背景

      臺灣省臺北縣新荘市中港地區(qū)由于地勢低洼，貴子坑溪和中港大排兩大排水干線的大水都流向這里，導(dǎo)致附近民眾長期以來深受水患，尤其是當(dāng)臺風(fēng)來襲會在短時(shí)間內(nèi)帶來大量降水，由于排水能力不夠更會造成該地區(qū)大范圍淹水，災(zāi)情相當(dāng)嚴(yán)重。  

       上世紀(jì)80年代初，臺北縣政府為了解決這一問題，修建了中港西抽水站，用以收集新莊、泰山、五股地區(qū)流經(jīng)的雨水，包括臺一線公路以北，中山高速公路以南之低洼平地，集流面積廣達(dá)1,660公頃。主要以新荘市區(qū)及五股工業(yè)區(qū)為主，將新荘市中港、輔仁、泰山及及五股低洼地，經(jīng)中港及貴子坑溪兩大排水干線匯集于五股工業(yè)區(qū)西北角，排至大窠坑溪，平時(shí)雨水少的季節(jié)，均以重力自然排水；并于出口處設(shè)立中港西抽水站，當(dāng)雨季尤其是臺風(fēng)季節(jié)來臨，大窠坑溪水位高漲后比排水干道的集水區(qū)水位高時(shí)，重力閘門關(guān)閉并及時(shí)通過中港東西兩個(gè)抽水站進(jìn)行排水，以達(dá)到快速排除市區(qū)水澇的問題。  

       第一次新建的中港西抽水站設(shè)置了8個(gè)抽水機(jī)組，總抽水量達(dá)64CMS；但歷經(jīng)近年來多次臺風(fēng)后，發(fā)現(xiàn)還會常發(fā)生各集水區(qū)內(nèi)遭到淹水的情形，臺北縣政府經(jīng)過仔細(xì)調(diào)研和檢討，發(fā)現(xiàn)為現(xiàn)有抽水機(jī)組容量不足所致；為徹底解決淹水問題，臺北縣政府決定擴(kuò)建中港抽水站的抽水容量，但由于原有站房面積有限及貴子坑溪與中港大排兩個(gè)區(qū)域的地勢有較大差別，常造成地勢較低的中港大排集水區(qū)的排水干線受地勢較高的貴子坑溪集水區(qū)排水干線的排擠，而導(dǎo)致低洼地區(qū)排水較慢而導(dǎo)致淹水時(shí)間較長。  

      為徹底解決新荘市區(qū)的淹水問題，臺北縣政府于04年陸續(xù)擴(kuò)建了中港西抽水站，并增建了中港東抽水站，并制定了以下目標(biāo)：

1、擴(kuò)大中港東、西兩個(gè)抽水站的抽水容量，以徹底避免集水區(qū)內(nèi)的淹水情形；  

2、收集并整合中港東、西兩個(gè)抽水站的實(shí)時(shí)監(jiān)測信息，并實(shí)時(shí)顯示于中港東站內(nèi)設(shè)立的馬賽克流程圖板中，以達(dá)到重要實(shí)時(shí)信息現(xiàn)場操作人員清晰觀測到的效果；

 

3、構(gòu)建中港東、西兩個(gè)抽水站水位流量預(yù)測系統(tǒng)，提供未來5分鐘、10分鐘及30分鐘的水情預(yù)測，警示功能。  

二、項(xiàng)目規(guī)模

1、擴(kuò)建后的中港東、西抽水站其抽水機(jī)及附屬設(shè)備類型及數(shù)量如下表：  

 

       除上述設(shè)備之外，中港東及中港西上游增設(shè)了6個(gè)流量站、6個(gè)水位站、4個(gè)雨量站，并且配備類神經(jīng)水情預(yù)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，用來預(yù)測未來一段時(shí)間內(nèi)上游水情變化趨勢。

        擴(kuò)建后的中港抽水站，總抽水容量達(dá)142CMS（遠(yuǎn)高于目前所需求的134CMS），也就是511200噸/小時(shí)，抽水能力非常之大，完全可以達(dá)到快速排澇的效果。

2、擴(kuò)建后的中港東平面圖如下：

 

3、擴(kuò)建后的中港西平面圖如下：

 

三、項(xiàng)目業(yè)主、集成商、設(shè)計(jì)院

1、業(yè)主：臺北縣政府
2、監(jiān)造單位：萬銘工程科技股份有限公司
3、承攬商：臺灣鼎磊企業(yè)股份有限公司  

四、項(xiàng)目主要軟硬件產(chǎn)品  

1、主要硬件產(chǎn)品：
-PLC：貝加萊B&R
-工控機(jī)：研華工控機(jī)
-服務(wù)器：IBM服務(wù)器

 -網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)：MOXA網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)

2、主要軟件產(chǎn)品：
-SCADA軟件：北京亞控KingView繁體中文版
-工業(yè)庫軟件：北京亞控KingHistorian英文版
-水情預(yù)測軟件：德凌資訊

五、項(xiàng)目挑戰(zhàn)

本項(xiàng)目基于上位機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)主要遇到兩大方面的挑戰(zhàn)：

 1、水情預(yù)測方面

 本次項(xiàng)目擴(kuò)建后，基于過去的經(jīng)驗(yàn)，臺北縣政府深刻感受到監(jiān)控系統(tǒng)缺乏水情預(yù)測是一個(gè)很大的缺失！因此本次擴(kuò)建目標(biāo)中明確提出要增加水情，即水位流量預(yù)測分析系統(tǒng)，以做到防患于未然。

水情預(yù)測系統(tǒng)要求必須有一個(gè)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫支撐，用來快速存儲大量的水情數(shù)據(jù)用以分析和預(yù)測，同時(shí)，要求數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)具有高度的穩(wěn)定性、極強(qiáng)的數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)以保證數(shù)據(jù)庫能長期存儲實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并且以后能正常查詢歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。而抽水站擴(kuò)建前使用的只是關(guān)系數(shù)據(jù)庫，顯然達(dá)不到長期快速存儲大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的效果，更不能實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的合理壓縮以實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)空間的合理占用。過去幾年使用關(guān)系數(shù)據(jù)庫的實(shí)踐表明：關(guān)系數(shù)據(jù)庫在長期存儲大量歷史數(shù)據(jù)后，查詢性能明顯下降。

 2、實(shí)時(shí)監(jiān)控方面

本項(xiàng)目擴(kuò)建后，在這種設(shè)備種類和數(shù)量繁多、設(shè)備控制流程復(fù)雜、實(shí)時(shí)采集監(jiān)控點(diǎn)數(shù)達(dá)3000多點(diǎn)的情況下，必須采取可靠的監(jiān)控設(shè)備和技術(shù)，才能確保抽水機(jī)組在惡劣的臺風(fēng)天氣能夠正常連續(xù)運(yùn)行，確保當(dāng)?shù)鼐用竦纳?cái)產(chǎn)安全。

本項(xiàng)目明確要求：上位監(jiān)控系統(tǒng)必須能夠即時(shí)顯示各個(gè)設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況、即時(shí)記錄所有設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)信息、即時(shí)記錄各設(shè)備故障信息和產(chǎn)生的報(bào)警信息；并可隨時(shí)查詢某一段時(shí)間內(nèi)各抽水機(jī)組中關(guān)鍵點(diǎn)的工作情況，需提供基于水位等的各種重要監(jiān)測信息的分析統(tǒng)計(jì)報(bào)表。

為了實(shí)現(xiàn)上述功能，該系統(tǒng)對數(shù)據(jù)存儲和的查詢功能、性能要求都極高，要求有方便的報(bào)表查詢系統(tǒng)的支持。而該抽水站原有的軟件監(jiān)控系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)對歷史報(bào)警和歷史數(shù)據(jù)的報(bào)表查詢。  

 六、解決方案

為實(shí)現(xiàn)擴(kuò)建后的中港抽水站達(dá)到想要的實(shí)時(shí)信息監(jiān)測目標(biāo)和及時(shí)提供水位流量的預(yù)測結(jié)果，臺灣英碩系統(tǒng)股份有限公司作為本項(xiàng)目實(shí)施的承接商，決定選用北京亞控科技KingView6.53和工業(yè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫Kinghistorian軟件，以此來構(gòu)建整個(gè)抽水站的監(jiān)控系統(tǒng)；同時(shí)和臺北大學(xué)水工研究所合作完成水情預(yù)測系統(tǒng)的構(gòu)建和結(jié)果預(yù)告。該系統(tǒng)解決方案融合了現(xiàn)場通信技術(shù)，數(shù)據(jù)庫技術(shù)，SCADA/HMI技術(shù)，C/S技術(shù)等的一體化的數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)整體解決方案：

1、完整的解決方案架構(gòu)圖如下：

 

 

 

 

 2、項(xiàng)目解決方案說明和功能特點(diǎn)：

#為保障項(xiàng)目安全可靠，本監(jiān)控系統(tǒng)全部采取冗余配置體系：

所有PLC跟上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)均采用雙網(wǎng)絡(luò)連接通訊；這種連接方式避免了單一網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障后現(xiàn)場實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)不能及時(shí)傳到監(jiān)控中心的弊端。當(dāng)主網(wǎng)絡(luò)通訊中斷時(shí)，通過PLC自動切換到從網(wǎng)，保證通訊鏈路不中斷，為系統(tǒng)不間斷采集提供了可靠性保障。

上位監(jiān)控軟件組態(tài)王也采用了雙機(jī)熱備配置；其構(gòu)造思想是主機(jī)和從機(jī)通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)連接，正常情況下主機(jī)處于工作狀態(tài)，實(shí)時(shí)跟IO設(shè)備通訊完成對實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的監(jiān)控；從機(jī)處于監(jiān)視狀態(tài)，一旦從機(jī)發(fā)現(xiàn)主機(jī)異常，從機(jī)將會在很短的時(shí)間之內(nèi)代替主機(jī)，完全實(shí)現(xiàn)主機(jī)的功能。

 #Kinghistorian和水情分析預(yù)測系統(tǒng)充分結(jié)合，是水位預(yù)測高準(zhǔn)確性的關(guān)鍵措施：

 KingHistorian是北京亞控科技發(fā)展有限公司面向現(xiàn)代化制造型企業(yè)推出的工業(yè)數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品，具有以下突出特點(diǎn)：

-它能夠以毫秒級分辨率高速存儲整個(gè)企業(yè)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，存儲速度：每秒超過20，000點(diǎn)；

-具有超強(qiáng)的歷史數(shù)據(jù)檢索速度，任意變量任意一天的歷史數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)量為10，000條記錄）不超過5秒；
 
-支持對大規(guī)模監(jiān)控系統(tǒng)的變量定義和存儲。單個(gè)服務(wù)器100，000點(diǎn)；

-具有超大的數(shù)據(jù)存儲容量。長達(dá)數(shù)年的歷史數(shù)據(jù)保存和歸檔；

-高可用性、高容錯(cuò)性（健壯性）和高可靠性，支持雙機(jī)冗余配置；

-支持開放的數(shù)據(jù)訪問接口OLEDB（ADO）、SQL-92（99）、XML、OPC標(biāo)準(zhǔn)，可與其他系統(tǒng)方便交互實(shí)時(shí)、歷史數(shù)據(jù)；
 
-整型變量：64位；模擬變量：雙精度（64位），可充分滿足不同數(shù)據(jù)精度的需要。
 
類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是臺灣大學(xué)水工所推出的一款基于水位預(yù)測分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要原理是模仿人類神經(jīng)系統(tǒng)(能夠大量且平行式處理各種數(shù)據(jù)信息)，而設(shè)計(jì)出了一套水位分析預(yù)測模型。其建構(gòu)模式就是建構(gòu)過程中需對輸入資料信息做相關(guān)性分析，以確認(rèn)各監(jiān)測點(diǎn)水位與流量、水位與雨量間的相互關(guān)系，以此來預(yù)測下一時(shí)刻下游關(guān)鍵地區(qū)水位的情況。該系統(tǒng)經(jīng)過多年的項(xiàng)目運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)和不斷修正，目前水位預(yù)測準(zhǔn)確度得到業(yè)內(nèi)的高度認(rèn)可。
 
水位分析預(yù)測項(xiàng)目運(yùn)用類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)一般通過以下3個(gè)階段來實(shí)現(xiàn)：
 
第一階段：收集類神經(jīng)系統(tǒng)所需要的訓(xùn)練信息：
 
一般會提前1年開始收集各水位站、流量站、雨量站的資料信息；

第二階段：利用類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)驗(yàn)證信息：

 通過過去收集的信息，以驗(yàn)證類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有預(yù)報(bào)中港東、西抽水站未來5分鐘、10分鐘、30分鐘水位的能力；

第三階段：測試資料，試運(yùn)行幾個(gè)月的歷史資料，以檢查其水位是否合理

透過以上三個(gè)階段，確保類伸進(jìn)網(wǎng)絡(luò)的水位預(yù)測效果在合理和可接受的范圍之內(nèi)，該系統(tǒng)并能隨時(shí)根據(jù)現(xiàn)場收集信息進(jìn)行修正，以不斷提高水位預(yù)測的準(zhǔn)確度。

本項(xiàng)目中，類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)從08年3月份就開始啟動收集現(xiàn)場雨量、水位、流量等訓(xùn)練信息,相關(guān)工作已經(jīng)由類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)獨(dú)自完成；08年11月份開始類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和KingHistorian的配合使用：兩個(gè)系統(tǒng)軟件之間通過KingHistorian提供的開放API接口進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，一方面通過KingHistorian收集現(xiàn)場各雨量站、水位站、流量站監(jiān)測到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息，另一方面類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)不斷將未來5分鐘、10分鐘、30分鐘等的水位預(yù)測結(jié)果存儲到KingHistorian中。09年2月份整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)完成交付后，KingHistorian又實(shí)現(xiàn)了將實(shí)時(shí)水位預(yù)測結(jié)果通過局域網(wǎng)傳給組態(tài)王。目前現(xiàn)場值班人員可以通過組態(tài)王快速了解到水位的預(yù)測結(jié)果，并以此來做下一步的抽水站工作安排。       

3、使用完善、強(qiáng)大的歷史庫存取服務(wù)器—KingHistorian：

為了監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行情況，本項(xiàng)目使用了17個(gè)貝加萊PLC，監(jiān)控點(diǎn)達(dá)到3000多個(gè)，為了達(dá)到臺北縣政府要求長期、高效存儲和查詢歷史數(shù)據(jù)的要求，決定選擇使用KingHistorian軟件作為組態(tài)王的歷史庫服務(wù)器。

4、完善的基于分布式網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)，可隨時(shí)隨地了解抽水站情況：

本項(xiàng)目采用C/S結(jié)構(gòu)，除了現(xiàn)場配置兩個(gè)基于冗余的監(jiān)控系統(tǒng)外，還在其他辦公室配備了15個(gè)客戶端，各負(fù)責(zé)人可以隨時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場信息；

七、項(xiàng)目運(yùn)行界面展示

 

 

 

 

 

 

八、運(yùn)行效果

中港抽水站自動化系統(tǒng)于2009年2月開始進(jìn)入運(yùn)行測試，2009年3月正式啟用。北京亞控組態(tài)王和kinghistorian軟件在中港東、西抽水站成功應(yīng)用以后，成功實(shí)現(xiàn)了對抽水站所有設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并能實(shí)時(shí)顯示水情信息及完成水情預(yù)測和通知，方便了抽水站人員對設(shè)備的操作和維護(hù)，更為臺北縣政府解決當(dāng)?shù)孛癖姷难退畣栴}提供了可靠的保證。

臺灣內(nèi)政部長李逸洋指出，中港東抽水站的及監(jiān)控系統(tǒng)的全面啟用，是新莊市民一大福音，中港大排東西抽水站的總抽水量，僅次于臺北市的玉成抽水站，抽水防洪系統(tǒng)相當(dāng)完善。