洪水灾害是各种自然灾害中最严重的灾害之一，特别是在城市环境中，由于居住人口众多、设施密集昂贵，使得洪水灾害的后果尤为严重。城市防洪系统建设的成功与否直接关系着城市经济发展和人民人身安全，所以各级政府都非常重视防洪系统的建设。3S以其对地理空间信息的实时定位、获取和分析管理等方面的优势在城市防洪中能够发挥重要的作用。
深圳市防洪管理支持系统建设
深圳市位于广东省中部沿海，西濒珠江口伶仃洋，与中山市、珠海市相望，南临深圳河，与香港“新界”接壤，东傍大亚湾，与惠东县平海半岛相眺，北与东莞市、惠阳市接壤。深圳濒临南海，属台风、洪涝灾害多发地区。深圳市的洪水主要由暴雨形成。全市地貌主要以丘陵为主，有62%面积的地面坡度大于3度，各主要河流较小，流域面积均小于400平方公里。深圳市属于南方湿润地区，产流量较大。此外，河道平均坡降相对较大，属山溪性中小河流。这种流域特性使得流域平均汇流时间较短，洪峰流量模数大，洪水过程尖而瘦，一般为几个小时，表现为山溪性河流暴涨暴落的特性。上世纪90年代，深圳市发生过两次洪水，每次造成经济损失就达十多亿元。基于3S技术的城市防洪管理支持系统将已有的水利工程措施和非工程措施有机集成在一起，形成了一体化深圳市防洪管理支持系统。（图1）
系统有如下几个方面的特色:
（1) 将防洪设施自动化监控、洪水预报、洪水调度、防洪信息服务和防汛会商几个模块有机地整合在一起，实现了满足领导决策层、业务处理层、技术维护层等不同用户群体的业务化流程的信息集成体系。
(2) 探索了城市防洪管理支持信息系统建设所涉及到的空间数据库、综合数据库的建设流程规范、改造标准、技术开发标准和数据标准的应用模式。
(3) 探索出了城市建筑、居民地、商业密集区防洪管理支持系统建设以大比例尺地形图为基础，集成高分辨率遥感影像基础空间数据库的建设模式。
(4) 将水库放水、重点防洪区的排涝、河道水闸的开合、河道入海处的潮位、滞洪区的滞洪能力等多种因素统筹考虑，实现了城市防洪管理的可视化、交互式的实时或准实时辅助决策能力。
(5) 以GIS为主线将GPS定位、掌上电脑无线通信、无线视频传输、远程自动化控制等相关技术有机结合起来，增强了系统的实时性、安全性和实用性。
总体设计
防洪管理支持系统是一个包括通信与信息技术、防洪救灾管理与决策、洪水预报与科学调度专业原理及方法的复杂性系统工程，内容涉及防洪水利工程、实时监控通信系统、地理信息系统、遥感系统、网络分布式信息处理系统、大型数据库、专业模型、计算分析、可视化模拟、决策支持媒介与环境等要素。
系统按照层状结构划分为决策层、业务层、管理维护层和技术支撑层（图3），与网络环境下（B/A/S）三层结构相对应，直接面对不同用户群体对系统的需求问题，实现防洪业务处理和管理决策的功能。
图2 深圳市防洪管理支持系统相关界面
图3 系统设计的总体思路
在防洪管理支持系统的建设中，重点以“数据库＋管理维护层 / 技术层 / 业务层＋决策层”的三层结构为基础框架，以地理信息系统为核心平台，开展综合数据库与空间数据库、应用系统整合和会商决策支持系统等的设计与建设。
系统结构设计
1．功能结构设计
这是一个较复杂的专业化的地理信息系统，由外部环境、防汛管理支持数据仓库、系统技术管理平台和应用系统等几大部分构成。其中，应用系统又由两大功能模块组成: 防洪业务管理功能块和防洪决策支持功能块，分别针对防洪业务 *** 作人员和防汛会商与决策用户。
● 外部环境包括计算机网络系统（由防洪专用网络、水务局网络和社会公众网络构成）和通信基础设施（由有线通信、移动/无线通信和卫星通信三种手段组成）。
● 防汛管理支持数据仓库包括遥感图像库、基础地理数据库、社会经济数据库和防洪综合数据库等部分。
● 系统技术管理平台主要针对维护、开发系统运行的技术人员，由数据库管理、系统管理、水利专业应用模型接口管理、与网络和通信的接口管理、三维建模工具、信息采集和数据转换工具组成，对应系统的技术支撑层和管理维护层。
● 防洪业务管理功能模块主要面向日常防洪业务处理，主要包括: 信息服务子系统、实时监控子系统、日常事务网上办公子系统、远程集中监控子系统和防汛车辆监控调度子系统。
● 防洪决策支持功能块面向更高的决策层用户，主要包括洪水预测预报、洪水演进模拟、洪水调度、管网分析、预案演播、防汛部署和灾情评估。
2．软件体系结构
城市防洪管理支持系统是一个综合性的应用系统，既要满足一般的防洪管理信息服务，又要支持防洪的会商和决策; 既有简单数据的提取，又有水利行业模型的运算; 既有桌面计算机的应用，又有移动设备的应用。因此，在体系结构的设计上，要保证层次之间的相对独立性和接口的规范性，使得核心服务模块能最大限度的共享。
因此按照（B/A/S）体系结构进行设计，总体上分为三层，即表达层、应用层和数据层（图4）。
图4 城市防汛管理支持系统的三层休系结构
Browser浏览器是系统的人机界面，运行在Microsoft Windows IE上。人机界面的主要元素是图标、按钮、表格、过程线等。对于复杂的人机界面和人机交互过程，如绘制过程线、防汛指挥调度方案标绘、专题地图等，则采用Java applet嵌入到网页中，系统业务层和决策层的流程都是基于浏览器实现的。
Web服务器用于接收browser发送过来的请求，并将请求发送到应用服务器中处理，然后将结果返回到browser中。
应用服务器起到处理调度和负载均衡的作用，所有web服务器接收到的请求都首先发送到应用服务器进行任务分派，应用服务器根据不同的请求类型将实际的信息读取、信息处理、模型计算等分配到不同的信息服务与模型运算服务器中处理，应用服务器实现业务层和技术层的主要功能。
信息服务与模型运算服务器是系统技术支撑层的核心处理部分，它是一个逻辑上的概念，在物理上可以表现为多台服务器，也可以部署在同一台服务器上。运行在该逻辑服务器上的模型运算包括: 洪水预报模型、洪水调度模型、洪水演进模型、GIS的空间分析模型以及基于空间叠置分析模型的洪水淹没损失评估模型。信息服务主要是从综合数据库中提取实时雨水情、工情数据、历史数据及防汛业务数据发布到网络上，同时从空间数据库读取GIS数据，作为地理地图或者专题地图与综合数据结合在一起提供给应用服务器，并通过应用服务器发布到浏览器端。
综合数据库存储所有非空间型数据，如水文遥测数据、洪水预报数据、防洪调度决策支持数据、泵站自动化数据、办公自动化数据、基础水利工程数据、防洪业务数据以及社会经济数据等。综合数据库存放在关系型数据库SQL Server中。上层服务器在访问数据库时，通过一个数据库连接池来实现。数据库连接池是一个存放数据库连接对象的缓冲区，它可以起到加强数据库访问速度和效率的作用，因为创建数据库连接需要耗时，而且频繁创建和销毁数据库连接将占用很大的计算机资源。 空间数据库是存放数字地形图、数字地面模型DEM和流域三维模型的数据库。空间数据与其他数据的区别在于它既包含属性数据，又包含几何数据，如点、线、面、几何体等。传统的空间数据存储方式是基于文件的，在多用户并发访问、数据更新、数据访问效率方面存在一定的缺陷，为了使用成熟的关系型数据库管理系统（如ORACLE、SQL SERVER），空间数据库引擎（SDE）技术将空间数据存放在关系型数据库中，并且可以象访问普通数据一样采用SQL语句进行数据的查询、删除和修改。
应用层的各逻辑服务器之间均采用XML进行数据交换和通信。XML是一种可扩展的标记语言，它具有结构性好、便于解析等优点，通过定义其结构，制定各种数据接口标准，可以使通信双方遵循相同的语法，从而实现互连互通。
考虑到防汛管理是一项复杂的系统工程，除了需要借助现代先进的网络技术、计算机技术、GIS技术等之外，还借助GPS、无线通信、个人数字助理（PDA）等技术，拓宽信息沟通的渠道，提高应急指挥的能力。为此，在应用层增加了通信服务器和语音服务器，在表达层增加了对手机、PDA等移动终端的支持。
通信服务器用于处理手机、PDA、GPS等移动终端发送过来的请求或者回报的信息，比如防汛现场的信息、防汛指挥车的位置等，这些请求或者回报的信息通常按照一定的格式编码，通信服务器对其进行解码后，将其转发给应用服务器进行处理。通信服务器还负责将指挥中心的各种指令或者信息无线发送到各移动终端。通信服务器与移动终端之间通过GSM的短消息或者GPRS的数据服务来进行通信。
语音服务器用于处理通过电话来查询信息的请求，它通过语音卡与计算机集成在一起，建立一个呼叫中心（call center）来实现。
GPS车载终端是安装在防汛指挥、运输车上的车载设备，它由一个GPS模块、一个GSM/GPRS无线通信模块、一个GPS天线以及一个带单片机的集成处理模块组成，用户实时回报车辆的准确位置以及其他状态信息，比如交通路况、满载、空载等，其配备的液晶显示屏上还可以显示指挥中心的指挥调度信息。应用GPS车载终端可以实现对防汛车辆的实时监控和指挥调度，使得指挥人员能尽可能多地掌握防汛动态。
（池天河、张新、骆剑承、龚建华:中国科学院遥感应用研究所; 胡凯: 深圳市防洪设施管理处）
作者简介
张 新: 中国科学院遥感应用研究所，博士后, 主要从事数字城市、电子政务、区域性重大防灾减灾信息服务体系、数字海洋等相关领域的理论和技术研究。先后发表论文30多篇。图1显示了该算法的工作环境，在负载调度器上运行Monitor Daemon进程，Monitor Daemon来监视和收集各个服务器的负载信息。Monitor Daemon可根据多个负载信息算出一个综合负载值。Monitor Daemon将各个服务器的综合负载值和当前权值算出一组新的权值，若新权值和当前权值的差值大于设定的阀值，Monitor Daemon将该服务器的权值设置到内核中的IPVS调度中，而在内核中连接调度一般采用加权轮叫调度算法或者加权最小连接调度算法。图1:动态反馈负载均衡算法的工作环境连接调度当客户通过TCP连接访问网络访问时，服务所需的时间和所要消耗的计算资源是千差万别的，它依赖于很多因素。例如，它依赖于请求的服务类型、当前网络带宽的情况、以及当前服务器资源利用的情况。一些负载比较重的请求需要进行计算密集的查询、数据库访问、很长响应数据流;而负载比较轻的请求往往只需要读一个HTML页面或者进行很简单的计算。请求处理时间的千差万别可能会导致服务器利用的倾斜(Skew)，即服务器间的负载不平衡。例如，有一个WEB页面有A、B、C和D文件，其中D是大图像文件，浏览器需要建立四个连接来取这些文件。当多个用户通过浏览器同时访问该页面时，最极端的情况是所有D文件的请求被发到同一台服务器。所以说，有可能存在这样情况，有些服务器已经超负荷运行，而其他服务器基本是闲置着。同时，有些服务器已经忙不过来，有很长的请求队列，还不断地收到新的请求。反过来说，这会导致客户长时间的等待，觉得系统的服务质量差。简单连接调度简单连接调度可能会使得服务器倾斜的发生。在上面的例子中，若采用轮叫调度算法，且集群中正好有四台服务器，必有一台服务器总是收到D文件的请求。这种调度策略会导致整个系统资源的低利用率，因为有些资源被用尽导致客户的长时间等待，而其他资源空闲着。实际TCP/IP流量的特征文献说明网络流量是呈波浪型发生的，在一段较长时间的小流量后，会有一段大流量的访问，然后是小流量，这样跟波浪一样周期性地发生。文献揭示在WAN和LAN上网络流量存在自相似的特征，在WEB访问流也存在自相似性。摘 要文章介绍了电力调度自动化主站系统组成部分的主要功能，及其在实际应用过程中存在的问题，并提出未来发展的趋势。关键词调度自动化；主站端；系统分析；发展趋势
电力调度自动化系统是整个电网的主要控制的核心部分，它是保障电力系统安全、稳定、及经济运行的重要组成手段之一。而调度自动化的主站端系统也成为电力企业的“心脏”，它为当前电力企业注入了新的技术活力，一方面使得变电站实现了无人值班，改善了调度运行人员的工作条件；另一方面也极大地提高了调度运行人员对电网安全经济运行的分析能力和负荷预测的准确度，为未来的数字化电网打下了坚实的基础。
1 电力调度自动化主站系统的主要功能
电力调度自动化主站系统主要功能是SCADA系统（数据采集与监视控制系统）功能及WEB 浏览功能。其中 SCADA 主站系统实现的功能主要包括：数据采集与处理、系统控制功能、人机界面功能、事件及报警处理、系统安全及防误 *** 作等。
11 数据采集与处理
该系统能够采集分析、处理多种类型的数据，包括模拟量、状态量、脉冲量、保护信息、来自 RTU的复位信号、其他非遥控数据、SOE等。这些数据可能是来自于变电站、开关、环网柜等的实时数据，也可能是来自于其他系统的数据。
12 系统控制功能
该系统的控制功能强大，可以对所有可遥控设备进行远方 *** 作控制。主要包括分、合闸控制及控制闭锁、保护定值的调整与投退等。有批次及单点遥控、遥调功能， *** 作后将过程及 *** 作员姓名，时间记录存档并打印出来，同时具有 *** 作权限设置，防止非法 *** 作。
13 系统人机界面功能
该系统的人机界面设计非常人性化，易 *** 作、功能强大。主要有窗口显示、画面编辑、趋势曲线、画面拷贝等。在进行画面编辑时，可在线编辑、修改、拷贝、存储。所有图符都可与实时数据连接，实现图符的动态显示。能够导出趋势曲线包括有历史曲线、实时曲线及计划曲线。并且所有屏幕上显示的画面全部可以在打印机上打印出来。
14 事件及事故报警处理
事件及事故报警的内容包括：系统报警信息和电力系统报警信息。所有报警均登录于报警表中，可即时在报警行中显示，根据信息的不同可分为一般报警和事故报警。
15 系统安全及防误 *** 作
系统主备机都有启动、故障切换和监视其他计算机运行的功能。当主备计算机故障停运时，所有实时数据/历史数据能够自动拷贝到后备机，保证数据不丢失。主站系统的各个节点可设置不同的功能，对应于不同的 *** 作权限，实现权职分明。同时系统采用智能 *** 作票系统，具备模拟防误、调令票防误 *** 作功能。当系统内发生硬件损坏和软件故障时，均不得出现控制命令误出口。
16 强大的 WEB 浏览功能
系统采用三层结构的设计思想，支持多客户端，通过WEB服务器，公司的各级管理部门都可以查看本公司调度自动化的系统信息，及时了解运行状况，包括浏览实时数据、静态数据、图形、曲线、报表、报警事项等。
2 应用中存在的问题
（1）通道不可靠。有统计指出，通道故障约占县级电网调度自动化主站系统故障的50%～60%，其主要原因在于通道的抗干扰能力薄弱，误码率、失码率、故障率高，特别是在恶劣气候条件下，难以保证信息传输的要求。具体表现在当主通道故障，自动切换到备用通道时，下行通道不能自动切换。目前，各县级电网调度自动化系统基本都具备主、备二套独立通信手段，上行通道从厂站端发出信息，经过主备链路，传送到主站，主站通过程序自动接收其中一路信号（主优先）。下行通道：主站向厂站长发 3 000 Hz 的基带信号，当主站端发出信息，经过主备二路通道板同时向厂站端发出信息，由于厂站只有一个通道接收，信号产生了叠加，造成了误码。因此，我们只有在主站下行出口处人为将备用通道中断；当主通道故障时，必须人工切换成备用通道，这样就延误了调度员的遥控 *** 作时间，影响了遥控返校成功率。由于这种原因，在建设现代化电力企业标准中，要求建立双信道，互为备用，以保证实时信息的传输。
（2）系统的可用率。在《县级调度自动化功能规范》中，规定系统的可用率应大于98％。假设在系统停运时间之内正好发生了电力系统故障，这意味着整个电网失去了监视及控制能力，会带来极其严重的后果。近年来，随着科技的不断进步和新技术的不断应用，现在调度自动化主站系统的可用率能达到 9998%，遥信动作正确率为 9999%，遥控动作正确率为 100%，系统的平均无故障时间，对主站而言，可高达 25 000 h。简单来说，就是系统全年停用时间只有18 h。同时，若从系统可靠性的角度来看，可用率的概念应包含系统故障后经过修复再投运的时间。因此，应力求调度自动化主站系统在发生故障时要具有良好的自检和自恢复功能，以缩短故障的恢复时间，提高系统的可用率。
（3）远动装置数据不稳定。在《县级调度自动化功能规范》中，要求调度自动化系统遥测合格率不小于98%，但却没有对遥测值的误差范围给出具体规范。由于测量信号存在零漂值，一般情况下要求零漂值在±01（1 A 额定值时）或±02（5 A 额定值时）范围内。但是在调度自动化主站系统长期运行过程中，往往达不到上述要求，甚至在线路停电时，在系统的画面上会出现较大零漂值的现象。这种较大零漂值的出现给系统的管理和维护人员造成了较大的困扰。
3 电力调度自动化主站系统的未来发展趋势
31 网络化方向
在因特网技术发展的影响下，电网各层之间的信息交换可以通过广域网进行，加强各级调度部门的分工合作能力，协同调度，保证电网安全经济的运行。网络化有两个概念：（1）不同层次的调度中心主站间的连接；（2）主站与直属电厂和变电站群控中心间的远程通信。在交换信息的基础上，上一层的主站可以从全网的角度，将下层主站需要而又无法采集的信息送给下层主站，以帮助下层主站了解全系统以及相邻系统的情况，便于运行和事故处理。
32 信息化方向
电力调度自动化系统不仅是电力系统的信息收集工具，而且是信息加工处理甚至是信息再创造的工具。电网实时运行的信息数据（如电流、电压、有功、无功、频率等）是调度管理、EMS/ DMS分析计算和能量交易的基础。因此，为了使信息数据更加安全可靠地在各部门之间达到有效利用和高度共享，县级电力调度自动化主站系统的信息化进程必须加快。
33 一体化方向
县级电力调度自动化主站系统的一体化就是电力调度自动化系统的子功能一体化，实现各子功能之间的功能互补。在传统概念上，电力调度自动化系统是面向调度员的，SCADA/ EMS 的各种功能都是为调度员提供方便的，而近年来的发展则是以系统为基础，走出调度室，面向调度所的各业务部门，并面向全电力公司，由此形成一体化系统，也称作集成化支持系统。这样，系统采集的实时数据可为级电力公司各相关部门使用，其他业务部门的决策也为调度部门提供参考，各部门数据共享，提高县级电力公司的整体管理水平。
4 结束语
一体化调度自动化主站系统由于其具有的各种优越性,目前在国家电网和南方电网都得到了高度重视。尤其对于自动化维护力量相对薄弱的县局,一体化系统的建设将会迅速提升其生产调度的自动化水平;对于日益城市化的珠三角、长三角等发达地区,由于其管理职能的逐步一体化,调度自动化系统的一体化也顺应了其管理需求,提高了整个地区的电力调度水平。
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