面向世界，在我国城市排水体系中重点推广基于Web及“Infranet+Intranet+Internet”一体化技术的S

北京市城市排水公司北京市高碑店污水处理厂
李德清

　　一 我国城市排水发展现状及仪表自动化市场

　　现代化城市排水体系包括市政排水管网、泵站、水质监测站、工业废水处理站、城市污水处理厂等，是保障城市经济活动、居民生活和健康的重要基础设施之一。截止1997年，全国共有建制市668个，建制镇18316个，城市年排污总量约351亿方。我国城市水短缺和水污染问题自60年代从北方及沿海少数城市开始暴露，70年代进一步恶化，80年代日趋尖锐和普遍，现已面临严峻形势；1978年我国提出“环境保护是我国的基本国策”，并主要针对“环境保护”制定了城市社会经济可持续发展战略，各主要城市陆续新建了一批废水处理设施和城市污水处理厂，截止2000年，城市年排污总量约402亿方，城市污水处理率达25%，城市污水处理厂180余座，投资约360亿元RMB。根据国民经济发展“九五”规划和建设部制定的《建设事业“九五”计划和2010年远景目标》，到2000年，城市污水集中处理率达到25%，其中百万人口以上城市和重点旅游城市不低于40%；到2010年，城市污水集中处理率不低于40%。1998年，我国政府决定在两年内拨款1000亿元人民币，各级政府向国内外金融机构贷款和自筹资金，其比例按1：2：3，最终形成6000亿元建设资金，主要用于城市给排水基本建设。根据对最近几年已建成的城市排水项目投资分析，仪表自动化投资所占比例为5～10%。根据这一比例，在“九五”期间，用于城市给排水建设的仪表自动化市场投资每年将达10～20亿元人民币——这对于我国当前不景气的仪表自动化行业来说无疑是一个潜力巨大的市场机遇，但也是一个直接面向国外先进自动化技术装备的挑战。
　　我国目前还有600多个城市没有城市污水处理厂，18300多个建制镇基本上还没有污水处理的观念，依据《中华人民共和国水法》、《中华人民共和国环境保护法》、《中华人民共和国水污染防治法》，这些市、镇将形成我国随后几十年基于城市给排水行业的可持续发展的潜力巨大的环保产业市场。目前国内仪表自动化行业在这一市场的占有率极低，主要原因是还没有形成产品质量过得硬的、有一定生产规模的专业从事水处理仪表自动化的生产厂家。如何在基于城市给排水行业的环保产业市场占一席之地，是国内仪表自动化行业值得深思的战略性课题，要从自身体制、市场、现代自动化技术发展水平和趋势、以及国家政策等等多方面进行综合研究。

　　二　引入Web及“Infranet+Intranet+Internet”一体化技术是当前SCADA发展趋势

　　(一)技术特点：现代化城市排水体系的仪表自动化系统基本上都是以SCADA(Supervisory Control and Data Acquisition，“计算机监控和过程数据采集系统”)来概述的——SCADA不仅代表了现代城市排水体系的仪表自动化系统应用的必然趋势，同时也表示了比仪表自动化行业传统的DCS(Distributed Control System，“集散控制系统”)技术水平更先进的概念。仪表自动化系统经历了从组合仪表、模拟监控(SCC)、直接数字控制(DDC)、集散控制(DCS)，到现在以现场总线为基础的SCADA的漫长的发展过程。进入90年代以来，基于Internet(国际互联网)的Web应用技术爆炸性发展，同样也引发了工业控制领域深刻的技术变革——这一领域的专家们长期追求的以实现“企业综合自动化”为目标的“管控一体化”工业流程生产集成解决方案所面临的各种所谓技术标准化问题、用户程序可移植性问题、系统功能可伸缩性问题、控制设备互操作性问题等等，似乎都已找到了一个已成既成事实的解决方法——这就是在全球范围内得到广泛而深层次成功应用的基于TCP/IP协议的网络技术和基于WWW协议的Web技术——也就是说，组成“企业综合自动化”的企业MIS(管理信息系统)和企业生产过程SCADA都以TCP/IP和Web技术为基础，实现了企业“管”、“控”数据流之间无缝连接，“管控一体化”解决方案变得简捷和现实可行，产生了以开放性、网络化为特征的立足于Web和“Infranet+Intranet+Internet”一体化技术的应用可靠成熟的SCADA系列产品，其主要特点表现在如下几个方面：
　　1.微电子集成技术的进一步发展促使微机、工作站、服务器等计算机设备以及PLC、智能仅表等控制器设备在硬件上相互兼容，在性能上完全可以满足Web技术应用的条件；
　　2.网络技术：基于TCP/IP协议实现现场总线、非标准控制网络和信息网络的透明互连，并最终形成“Infranet+Intranet+Internet”一体化；
　　3.操作系统：主要由Unix、Windows-NT及Linux构成相互透明的大系统操作平台；
　　4.数据库：企业MIS数据库和生产过程实时数据库无缝互连，并成为SCADA的核心功能之一；
　　5.基于Web技术的分布式人机界面(HMI)功能：
　　·在Infranet层——由实时数据库、Web服务器、操作台浏览器等组成，主要完成生产过程的实时监控功能；如果实时数据库、Web服务器、操作台例览器等都基于同一台计算机设备，则可称为Web嵌入式控制系统——这也是当前机电一体化设备控制系统的发展模式；
　　·在Intranet层——由数据库服务器、Web服务器、办公用户浏览器等组成，主要完成生产过程的实时监视功能和企业数据管理功能；
　　·在Internet层——由企业Internet网站和用户浏览器(如家用微机等)组成，主要完成远程数据交互功能和向城市居民公布排水工况及处理结果；
　　6.编程软件：控制系统的编程软件同样经历了从最初的语句系列、面向对象的结构化程序，到工业控制组态软件的发展过程；随着Internet的发展，由Microsoft公司基于Windows操作系统所提出的COMComponent Object Model)、 DCOM(Distributed Coponent Object Model)、ActiveX等概念事实上引导着世界计算机软件产业界的编程思想和方法，在工控领域这种概念的一个重要成果就是OPC(OLE for Process Control，过程控制中的对象嵌入技术)技术规范。基于OPC技术，从传统的“组态软件”概念，发展到了已有成熟产品的“组件软件”概念；
　　7.与地理信息管理系统GIS(Geographic Information System)的接口：鉴于GIS在市政管理中日益重要的作用，作为市政系统一部分的城市排水体系，通过Internet，实现其SCADA与市政GIS的在线连接具有重要的意义。
　　(二)系统模型结构：基于TCP/IP网络协议和Web应用技术的SCADA结构模型及实例如下两页图，可从三个方面描述：
　　1.网络拓扑结构：Infranet+Intranet+Internet：
　　·面向工厂控制设备的现场总线及工业控制网络层——
　　Infranet(Infrastructure Networks)；
　　·以“实时数据库管理”和“人机操作界面”为主要内容的企业内部互联网层——Intranet(Intra-Networks)；
　　·以实现“远程人机交互”为主要内容的国际互联网层——Internet(International Networks)；
　　2.数据库分布结构：企业管理数据库+生产实时数据库；
　　3.HMI(Human-Machine Interface：人—机界面)分布结构：
　　生产工况监控+数据库管理。
　　支持TCP/IP协议以实现三层网络无缝互联，应用Web技术实现“企业综合自动化”，是当前SCADA发展的主要方向，国际上一些著名的工控领域软硬件制造商、系统集成商如：Rockwell、Siemens、Foxbro、Fisher-Rosemount、Schneider、Intellution、Wanderware、PC-Soft等等最近2、3年中所推出的基于“整体自动化”和“工厂自动化”概念的各种系列产品基本上都是这种结构的典型范例和事实“标准”，并且在发达国家城市排水体系中得到了广泛应用。

　　三　顺应科技发展潮流，坚持全开放性原则，充分利用各种社会资源选择系统软硬件设备

　　从工程控制的角度看，城市排水体系是一个直接由城市人群生产生活过程产生的、物理位置分散、分布时变参数多、生产过程及结果透明度高的开放型大系统。系统设计、软硬件设备选型都要坚持开放性原则——在目前以“信息化、全球化、以人为本”为标志的知识经济时代，这不仅是当前仪表自动化产业的发展规范，也是降低综合成本(主要是设备成本和人成本)的有效措施——只有坚持全开放性原则，才能充分利用各种社会资源(通讯资源、人力资源、技术服务资源等等)，才能节省投资和及时获得相应的维护人才。

　　四　站在国家政策和执法的高度在发展建设现代城市排水体系的过程中将SCADA作为重点技术推广引用具有重要的意义

　　毫无疑问，对于现代城市排水体系的运营者来说，SCADA不仅是准确监测排水工况、保证污水处理质量、方便生产管理、提高生产效率，减轻劳动强度，节能降耗、减员增效的必不可少的技术设备和措施；另一方面，如果站在国家政策和执法的高度来看，正确地应用好SCADA同样将取得非常重要的社会效益，主要表现在如下几点：
　　1.正如前述，城市排水体系是一个开放型大系统，对其系统模型(如：排水量、排水水质变化规律等)的准确识别无疑对城市排水体系规划、工艺线路选择、工程设计、污水处理成本预测等等都具有重要的指导意义——这是一项系统工程；另一方面，勿容质疑，在市场经济体制下城市排水体系必须按企业机制进行经营管理才能步入滚动发展、良性循环的发展轨道。但是，象所有其它城市公益事业一样，从过去计划经济体制下走出来的城市排水体系管理模式必然带有很多具有城市公益事业色彩的不适应市场经济体制的管理方式和习惯，同时还要根据现代城市排水行业的特点，探索出适合我国国情的能够在市场经济体制下按企业机制进行运作的经营模式，这是一个艰巨而复杂的过程。如果能够对这个过程进行科学的评估，将非常有利于这个过程的良性发展，加快我国城市排水事业的建设——这也是一项系统工程；它们都需要大量的及时而准确的基础性实际工况数据(如：排水量、耗气量、耗电量、出水水质等等)以及能够对这些数据进行科学处理的各相应的城市排水行业信息管理部门。随着城市排水事业建设的迅速发展，以政府各相应主管部门为主体的城市排水行业信息管理工作将愈来愈艰巨而复杂，如何提高这项管理工作效率是当务之急。一般来说，影响这项管理工作效率的主要因素是数据采集的准确性、及时性、处理数据的方法和所使用的工具。自然，要提高其数据采集的准确性、及时性，无疑应用Web技术的SCADA是目前最为理想的现代高科技手段。
　　2.既然城市排水体系的全部费用均来自于城市居民，自然，城市居民依法拥有各种相应的“知情权”(如：污水处理量及处理结果等等)。一般来说，居民的这种“知情权”都是通过政府各主管部门、社会舆论机构、行业协会等各社会部门利用行政手段来实现的，但往往因为中间环节过多或运营者缺乏主动性、自觉性而使这种“知情权”难以及时实现——这实际上是在损害广大消费者的利益。SCADA应用Web技术(如：企业Internet网站)为上述各社会部门提供了一整套科学的观测手段和监督窗口——Web技术应用也是目前浩浩荡荡的世界发展潮流。
　　因此，在城市排水体系中，推广基于Web和“Infranet+Intranet+Internet”技术的SCADA具有非常重要的社会意义。但同时也应该考虑到，SCADA目前还是一个高科技领域，在我国目前的科普面有限、技术装备相对落后、各地经济发展不均衡、排水管理体制改革进度不一致的国情下如果不因地制宜盲目推广应用往往会得到适得其反的结果——SCADA不但不能发挥其应有的作用，反而每年还需要一大笔维护费用。所以，在城市排水建设中，政府各相应的主管部门还应该积极为正确引导SCADA能够在城市排水体系中发挥其应有作用制定一些必要的政策：
　　·为保证国家《水法》、《环境保护法》、《水污染防治法》能够得到严格遵守，各种相应的政策、技术规范和标准等应实时更新，不断发展，因地制宜，保持可操作性；
　　·强化监督职能——一不仅要有科学的适合我国国情的监督管理方法，还要充分利用现代高科技舆论工具，逐步引导和落实居民的“知情权”；
　　·城市排水事业应直接面向市场，按企业机制自主经营，从而为维护SCADA营造一个良好的技术和人才市场。

　　五　以高度的社会责任感来设计城市排水体系SCADA的Web功能

　　如前所述，在市场经济体制下城市排水体系必须按企业机制进行经营管理，这就要求整个经营过程都必须严格遵守国家有关企业经营的一系列政策和法规，其中保护消费者的权益是其核心内容之一；同时，城市排水体系又是一项城市公益性事业，消费者往往是被动接受，没有选择产品的余地，这又非常不利于市场经济体制下的遵循“自由竞争”市场经济规律的企业化改制——这是一个很棘手的问题，解决好这个问题将有利于整个城市排水事业的发展——解决这个问题的一个有效方法就是对城市排水体系整个运营过程进行强制性全面监督——首先作为企业，责无旁贷应该主动如实向消费者宣传说明产品质量(即污水处理结果)；其次相应的各社会部门应以高度的社会责任感来主动监督。在设计SCADA特别是其中的Web应用功能时，一个基本立足点就是为了解决这一问题。
　　城市排水体系SCADA实际上可以准确在线采集到三大类数据，并形成实时数据库，由这个实时数据库可以统计各种数据，包括需要和不能公开对外发布的数据：
　　·所有物流量——排水量、处理量、耗电量、产泥量等等；
　　·所有物流质——排水水质、出水水质、出泥质等等；
　　·所有设备运行工况——运行、停车、故障、修理等等；
　　Web功能基本上可分为三大类：
　　.对外公开发布城市排水工况——排水量、排水水质、排水分布情况等等；
　　·对外公开发布城市排水处理结果——处理水量、出水水质、出水分布情况等等；
　　·对外公开发布城市排水运营经济状况——总产值、总成本、利税、固定资产等等。