浦江縣西水東調(diào)飲用水源保護管理云技術(shù)研究與實踐

(浦江縣西水東調(diào)管理處，浙江 金華 322200)

引言

近些年以來，我們國家非常重視水源地的生態(tài)保護，尤其是飲用水水源地的保護，一直是國家環(huán)保部門、水利部門、應(yīng)急救援部門的重點工作。為了做好水源地的生態(tài)環(huán)境保護工作，提高應(yīng)對水源地發(fā)生應(yīng)急突發(fā)事件的響應(yīng)能力，能夠快速、高效、有序地組織水源地應(yīng)急突發(fā)事件的反應(yīng)行動，確保人民群眾的飲用水安全，保障社會經(jīng)濟協(xié)調(diào)、全面和可持續(xù)發(fā)展，建立水源地水環(huán)境綜合運行管理平臺或模塊就顯得非常必要。傳統(tǒng)的水源地應(yīng)急處置存在很多不足：①不能達到實時監(jiān)測和科學有效地分析。例如水體受到污染后，只能對水體進行人工采樣，然后送到實驗室進行化驗，將得出的結(jié)論形成報告[1]，時間較長，達不到應(yīng)急處置實時快速的要求；②通信技術(shù)相對落后，實時性比較差。例如有些水源地水庫嘗試安裝了實時水質(zhì)在線監(jiān)測設(shè)備，但是由于地處偏遠，通信技術(shù)未達到要求，影響了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性；③監(jiān)測數(shù)據(jù)保存不夠全面。例如很多地方采用了現(xiàn)地服務(wù)器或主機保存數(shù)據(jù)，導(dǎo)致時常維護不善或產(chǎn)生了病毒感染或使得硬盤燒壞等原因，數(shù)據(jù)保存不全，無法開展綜合分析[2]；④移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、APP等最新技術(shù)尚未使用，導(dǎo)致數(shù)據(jù)、流程或方案無法實時共享[3]。為此，急需研究開發(fā)一款飲用水源保護管理軟件云平臺或嵌入式模塊，以實現(xiàn)實時在線監(jiān)測，通過移動4G通信網(wǎng)絡(luò)的先進傳輸，結(jié)合高端云技術(shù)、移動互聯(lián)技術(shù)與APP開發(fā)技術(shù)實現(xiàn)各項功能，達到既經(jīng)濟實用又簡單可靠，以滿足全國越來越多的飲用水源保護管理的需要。

1 總體框架

作為飲用水水源地的一種新型保護管理軟件設(shè)計模塊，總體框架設(shè)計需體現(xiàn)以下特點：

(1)物聯(lián)網(wǎng)感知設(shè)備優(yōu)化。可從物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備感知層實行突破發(fā)明[4]，針對水質(zhì)的數(shù)據(jù)(水質(zhì)五參數(shù)、CODMn、總磷/總氮、氨氮、葉綠素等數(shù)據(jù))包括在線實時數(shù)據(jù)的采集、監(jiān)控視頻流數(shù)據(jù)的采集、靜態(tài)識別數(shù)據(jù)的采集(經(jīng)過實驗室獲得非常規(guī)必要的參數(shù)等)都需要從感知設(shè)備入手，為了解決該問題，需要發(fā)明一種多樣性采集數(shù)據(jù)的物聯(lián)網(wǎng)集成化設(shè)備[5]；

(2)新能源的應(yīng)用。很多水源地，尤其是水庫的水源地地理位置比較偏遠，采用新能源太陽能+供電系統(tǒng)的蓄電池比較適合；

(3)無線通訊設(shè)備的應(yīng)用。因為水庫的水源地光纖通訊線路比較長，價格比較貴，所以選用4G或者5G無線通訊設(shè)備比較適合；

(4)采用云構(gòu)架設(shè)計。該設(shè)計能節(jié)約購買現(xiàn)地服務(wù)器的成本；

(5)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。采用移動的開發(fā)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，完成手機端APP監(jiān)控的功能，操作方便，很人性化、很先進性、有保障；

(6)聯(lián)合監(jiān)控。若很多個河道和水庫的水源地監(jiān)測點聯(lián)合監(jiān)控，水源地建設(shè)集控中心進行統(tǒng)一的監(jiān)控，管理平臺的研發(fā)是非常必要[6]。

總體框架如圖1所示。

圖1 總體構(gòu)架

從圖1中可以知道，通過4G網(wǎng)絡(luò)視頻流和雙核多功能物聯(lián)網(wǎng)采集裝置的研發(fā)來實現(xiàn)鏈接，在線監(jiān)測數(shù)據(jù)與實驗室分析數(shù)據(jù)融合，通過RS-485串行接口，數(shù)據(jù)可以在觸摸屏中顯示，輸入到PLC裝置中，同時雙核多功能物聯(lián)網(wǎng)采集裝置數(shù)據(jù)通過4G網(wǎng)絡(luò)進行鏈接。閥門開關(guān)量的控制，需要經(jīng)過繼電器的RS-485串行接口輸入到PLC裝置中，通過4G網(wǎng)絡(luò)和雙核多功能物聯(lián)網(wǎng)采集裝置來實現(xiàn)通信。雙核多功能物聯(lián)網(wǎng)采集裝置經(jīng)過云技術(shù)實現(xiàn)和云數(shù)據(jù)中心的通信，經(jīng)過工業(yè)太網(wǎng)和工作站實現(xiàn)對接。

2 雙核多功能物聯(lián)網(wǎng)采集裝置

作為系統(tǒng)的核心節(jié)點裝置——雙核多功能物聯(lián)網(wǎng)采集裝置，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中中央處理器為雙核，即能處理各類在線水質(zhì)及常規(guī)狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)量，又能處理視頻流和語音信號。實驗室數(shù)據(jù)量則由通訊網(wǎng)絡(luò)直接傳輸[7]。I/O模塊包括：

(1)RS串行I/O接口模塊。該模塊支持RS-485和RS-232等串行接口標準，為半雙工或全雙工工作模式，允許電路中有多個發(fā)送器，包含了數(shù)據(jù)采集卡和控制輸出卡，它們是IPC機中特有的板卡，數(shù)據(jù)采集卡有開關(guān)量I/O采集卡、模擬量A/D采樣卡等，控制輸出卡有開關(guān)量輸出控制卡、模擬量D/A輸出控制卡等。

(2)視頻和語音I/O模塊。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和普及，現(xiàn)如今越來越多地采用視頻和語音復(fù)用信道模式。在此種模式下，視頻和語音一起占用通信信道，共享信道資源，提高了通信信道的利用率。多個應(yīng)用使用同一信道，使得信道的帶寬得到了充分的利用，但同時也帶來了各個應(yīng)用之間的相互干擾，例如在進行遠動通信的同時，可能在信道上正在傳送視頻圖像，并且語音也在信道上發(fā)送，存在多個應(yīng)用對信道資源的競爭和搶占。因此，本設(shè)計在采用復(fù)用信道模式時，區(qū)分主次，明確各個應(yīng)用使用信道的優(yōu)先權(quán)：視頻實時數(shù)據(jù)傳送的優(yōu)先權(quán)高，語音等非實時數(shù)據(jù)傳送的優(yōu)先權(quán)低，當出現(xiàn)多個應(yīng)用需同時使用信道資源時，應(yīng)優(yōu)先考慮對實時性要求高的遠動通信。

(3)以太網(wǎng)I/O模塊。本應(yīng)用設(shè)計為工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，即工業(yè)TCP/IP協(xié)議，該協(xié)議與開放互聯(lián)模型ISO相比，采用了更加開放的方式，并被廣泛應(yīng)用于實際工程。TCP/IP協(xié)議可以用在各種各樣的信道和底層協(xié)議(如T1、X.25以及RS-232串行接口)之上。確切地說，TCP/IP協(xié)議是包括TCP協(xié)議、IP協(xié)議、UDP(User Datagram Protocol)協(xié)議、ICMP(Internet Control Message Protocol)協(xié)議和其他一些協(xié)議的協(xié)議組[8]。

(4)4G無線信號I/O模塊。4G無線信號I/O模塊集3G與WLAN于一體，并能夠快速傳輸狀態(tài)數(shù)據(jù)、音頻數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)等。能夠以100Mbps以上的速度上傳或下載，比家用4M寬帶ADSL快25倍，能夠滿足足夠多用戶對無線服務(wù)的需求。另外，4G可以在沒有覆蓋DSL和有線電視調(diào)制解調(diào)器的地方進行部署，有著很大的優(yōu)越性。

經(jīng)過I/O輸入模塊將信號匯進雙核中央處理器CPU，電源模塊為它提供穩(wěn)定的不間斷電源。經(jīng)過I/O模塊的輸出模塊輸出處理后的數(shù)據(jù)。

圖2 雙核多功能物聯(lián)網(wǎng)采集裝置結(jié)構(gòu)

3 云技術(shù)服務(wù)中心

3.1 開辟動態(tài)云空間

水源地保護的特點決定了傳統(tǒng)的技術(shù)模式已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代化發(fā)展的需求，云動態(tài)空間的開辟是一種很好的解決方案。結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)與云技術(shù)構(gòu)架，基于SQL SERVER開辟云動態(tài)空間[9、10]。

因為水源地保護多元化的需求，可采用Namespace指令開辟云動態(tài)空間，如針對處置應(yīng)急采集的數(shù)據(jù)包括：氨氮、總磷/總氮、水質(zhì)五參數(shù)、CODMn、pH值、葉綠素、視頻流、電磁閥控制、語音喊話和預(yù)警、信息發(fā)布等模塊開辟云動態(tài)空間，采用如下舉例語句：

Create Namespace()

Imports System.Web.UI.Web Controls’導(dǎo)入了基于互聯(lián)網(wǎng)的云動態(tài)控件

Imports System.Data’開辟了基于數(shù)據(jù)庫的云動態(tài)空間

Imports hongzhangWater.BusinessFacade’導(dǎo)入了基于私人業(yè)務(wù)的云動態(tài)空間

NamespacehongzhangWater.web’開辟了基于整體網(wǎng)絡(luò)的云動態(tài)空間區(qū)塊

Namespace hongzhangWater.web. hongzhang5constant’開辟了基于五常參數(shù)數(shù)據(jù)的云動態(tài)空間

Namespace hongzhangWater.web. hong zhang ammonia-nitrogen’ 開辟了基于氨氮數(shù)據(jù)的云動態(tài)空間

Namespace hongzhang Water.web. hong zhang P-N’ 開辟了基于總磷/總氮數(shù)據(jù)的云動態(tài)空間

Namespace hongzhang Water.web. hongzhangCODMn’ 開辟了基于CODMn數(shù)據(jù)的云動態(tài)空間

Namespace hongzhangWater.web. hongzhangChlorophyll’ 開辟了基于葉綠素數(shù)據(jù)的云動態(tài)空間

Namespace hongzhangWater.web. hong zhangpH’ 開辟了基于pH值數(shù)據(jù)的云動態(tài)空間

Namespace hongzhangWater.web. hong zhangphoto’ 開辟了基于視頻流數(shù)據(jù)的云動態(tài)空間

Namespace hongzhangWater.web.hong zhangvoice’ 開辟了基于語音數(shù)據(jù)的云動態(tài)空間

Namespace hongzhangWater.web. hong zhangPLC’ 開辟了基于PLC電磁閥控制數(shù)據(jù)的云動態(tài)空間

……

End Namespace

其中，“hongzhangWater”為該水源地的別名。云空間定義好后，針對每個空間，就可以利用SQL SERVER語句存儲動態(tài)數(shù)據(jù)，以滿足用戶的動態(tài)空間功能需求。同時，對于多用戶分析需求，可以定義：“hongzhangWater1”、“hongzhangWater2”… “hongzhangWaterN”等等。

3.2 設(shè)計安全體系

加密設(shè)計對其安全體系設(shè)計是非常重要的環(huán)節(jié)。

(1)需要在水源保護地節(jié)點云空間之間，進行加密程序設(shè)置。首先要在配置段中配置三個鍵：ConnectionString，WebMachine和Laststring、ConnectionString為鏈接字符串，一般采用對稱加密的方式，也可以是其他方式；WebMachine為web服務(wù)器IP地址或名稱；在Laststring配置中，可以增減一些鏈接池的配置或其他配置。其次在中將mode配置為“On”時，則當出現(xiàn)系統(tǒng)錯誤，在errorpage.aspx頁面彈出框中會出現(xiàn)錯誤代碼；當mode配置為“Off”時，則當出現(xiàn)系統(tǒng)錯誤，會反饋具體的錯誤信息，有如“亂碼”一樣的頁面。再次，身份驗證可以采用“Forms” 的窗體驗證模式；驗證窗體為Hongzhanglogon.aspx；最后，就是全軟件工程的全局配置字段，將其中的cookie設(shè)置為sessionState cookieless，拒絕或允許角色訪問應(yīng)用程序源等[11]。

(2)需要在云技術(shù)服務(wù)中心的APP移動終端或電腦端應(yīng)用終端配置安全體系。①配置一組動態(tài)命名空間，如在Crypttography動態(tài)命名空間下，找出AsymmetricAlgorithm，SymmetricAlgorithm和HashAlgorithm三模型類方法。其次，采用與數(shù)據(jù)庫鏈接的對稱加密算法，放在web.config的配置段中加密，其鍵值key為“ConnectionString”的配置

value=

“zSGxYDdfFVVfsafFWEWdsafsafasf2wRpDSAxu5f

Zo8DKNhhfsafasfID61f0b2+fafasfqFy5AcDwWB2ds

+/JsSFrrOuGaffv4DiiafafcQqRMyWHP55MhnfvIlK

0yEsvnP61/e1pavMFfsafdsafxppLisgvzx4ZuhZN5tt

0EWRN7Rt79EtuVWRWQTUUJYYWaffafYGUTEU

2eDC9/REUEfasfdsaQ4d8806HJLHHLI8Utq0fsafE

UEUsafJ5gTgw==”/>，其中value的值為加密過的數(shù)據(jù)庫鏈接字符串；②動態(tài)數(shù)據(jù)存取，采用MD5加密方法，它在MD5CyptoServiceProvider類里，是System.Security.CryptoFgraphy名字空間的一個類，MD5CyptoServicehzProvider類中的主要方法是ComputeHash，它將輸入的明文數(shù)據(jù)數(shù)組使用MD5加密以后輸出加密后的密文數(shù)據(jù)數(shù)組，如“12345”加密后為“e10adc394FAS9ba59FSAFabbe5dfsafF6e057RWQf20f883e”等[12]；③系統(tǒng)驗證。應(yīng)用程序配置成為窗體身份驗證，將 字段配置為 Forms 模式，并且拒絕匿名用戶訪問。主要在Web.config 文件中完成配置如下：

管理員使用基于窗體的身份驗證來配置要使用的保護類型、Cookie 名稱、登錄頁的 URL、生效時間長度Cookie以及Cookie 的已發(fā)布路徑。

3.3 設(shè)計通訊模式

水源地應(yīng)急處置點往往地處偏遠，各種通訊方式都將可能應(yīng)用，尤其是4G無線通訊，為此為了適應(yīng)該通訊模式，在云技術(shù)服務(wù)中心要注重通訊模式的設(shè)計。在數(shù)據(jù)訪問中，我們采用dipose模式的設(shè)計[13]，該設(shè)計強迫數(shù)據(jù)訪問用戶遵循dipose模式的規(guī)則，以適應(yīng)無線4G無線通訊的特殊性，它最大的特點是跨語言的組件可以相互訪問，無論是水質(zhì)五參數(shù)、氨氮、總磷/總氮、CODMn、葉綠素、pH值等狀態(tài)流數(shù)據(jù)，還是視頻流和語音等媒體流，以及閉環(huán)的電磁閥控制程序，都可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的互通。另外，dipose模式在數(shù)據(jù)訪問結(jié)束后將立即釋放鏈接資源，實現(xiàn)訪問空間的實時釋放，例如：視頻流、語音喊話與預(yù)警、電磁閥控制、信息發(fā)布等，訪問鏈接成功后，將釋放鏈路資源，而只僅僅保持通道資源，從而大大節(jié)約了鏈路通訊成本。

Public Sub Dispose()Implements IDisposable.Dispose’數(shù)據(jù)框架中引入Dispose模式

Dispose(True)’開始啟動dipose模式

GC.SuppressFinalize(True)’開始初始化資源鏈路

End Sub

Protected Overridable Sub Dispose(ByVal disposing As Boolean)

If Not disposing Then’判斷是否訪問采用dipose模式，若不是則退出

Exit Sub

End If

If Not dsCommand Is Nothing Then’判斷是否存在數(shù)據(jù)存取命令

If Not dsCommand.SelectCommand Is Nothing Then’判斷是否存在數(shù)據(jù)存取命令的命令體

If Not dsCommand.SelectCommand.Connection Is Nothing Then’判斷是否存在數(shù)據(jù)鏈路

dsCommand.SelectCommand.Connection.Dispose()’數(shù)據(jù)鏈路dipose模式啟動

End If

dsCommand.SelectCommand.Dispose()’數(shù)據(jù)命令體dipose模式啟動

End If

dsCommand.Dispose()’數(shù)據(jù)存取命令dipose模式啟動

dsCommand = Nothing’釋放鏈路資源

End If

End Sub

4 設(shè)計泛在服務(wù)

水源地監(jiān)測的水質(zhì)五參數(shù)、氨氮、CODMn、總磷/總氮、pH值、葉綠素、視頻流、語音、預(yù)警、電磁閥開關(guān)量控制、系統(tǒng)信息發(fā)布等功能模塊屬于常規(guī)功能設(shè)計，本文不作論述。除了這些常規(guī)功能，很多泛在服務(wù)[11]也是水源地保護所需要的，比如公共水質(zhì)情況查詢、地區(qū)水雨情等。

啟用泛在服務(wù)，需要如下步驟：

(1)用戶控件注冊。采用Register命令，如注冊地區(qū)水雨情泛在服務(wù)(HongzhangWEBweather)，語句為：%@Register TagPrefix=“ucl” TagName=“HongzhangWEBweather”SRC=“…/UserControl/Hongzhang WEBweather.ascx” %；

(2)啟用Java函數(shù)腳本，如：function HongzhangtxtKeydown()if (window.event.keyCode == 13) { window.event.keyCode =9; }…；

(3)傳遞數(shù)據(jù)。采用兩種方式，一種為session (“參數(shù)名稱”)，另一種為request；session 定義在Global.asax.vb中，Session.Timeout=？ 為Session 的有效時間。Request 傳遞參數(shù)為×××地址？ID=？的格式，如Response.Redirect(Pagebase.UrlBase & “/Pubgl/Hongzhangxkcx/Hongzhangxkjgkbcjd.aspx?ID=” & e.CommandArgument)等，在另一頁中要得到ID參數(shù)則用request(“ID”)；

圖4 水資源保護模塊

(4)用戶組件的設(shè)計，例如用戶組件的名稱空間為ceis.web，則用戶組件的引用塊可引用以下系統(tǒng)函數(shù)：

Imports System’系統(tǒng)函數(shù)模塊導(dǎo)入

Imports System.Web’互聯(lián)網(wǎng)體系導(dǎo)入

Imports System.Web.UI’互聯(lián)網(wǎng)體系動態(tài)空間導(dǎo)入

Imports System.Web.UI.WebControls’ 動態(tài)空間源控件導(dǎo)入

Imports System.Collections’自定義鏈接集合體導(dǎo)入

……

5 實例分析

金坑嶺水庫是浦江縣水庫型飲用水源一級保護區(qū)，總庫容2160萬m3，肩負全縣城鄉(xiāng)的供水重擔。水質(zhì)好壞是事關(guān)全縣人民身心健康的大事，浦江縣西水東調(diào)管理處一直將保障飲用水安全作為水源保護的重點工作，從嚴執(zhí)行飲用水水源地環(huán)境保護工作，切實加強金坑嶺水庫飲用水源地環(huán)境保護工作。

為確保庫區(qū)生態(tài)環(huán)境平穩(wěn)安全，管理處加大投入巡查和保潔力量，聘請7名管理經(jīng)驗豐富的巡查保潔人員成立水庫巡查小組，落實好“庫區(qū)每日巡查”、“庫區(qū)每日清掃”等管理目標，采用APP進行巡查，并做好每日水質(zhì)巡查臺賬。為確保24h掌握水庫飲用水源安全，管理處投資53.4萬元升級水源水質(zhì)視頻監(jiān)控“千里眼”，委托浙江禹貢信息科技有限公司，開展了金坑嶺水庫標準化管理云平臺建設(shè)。目前已在金坑嶺水庫原水出水口、庫區(qū)重要位置、杭坪引水口等重點區(qū)域安裝視頻監(jiān)控設(shè)備。整個平臺構(gòu)架如圖3所示。

依據(jù)圖3的顯示可以得知，云技術(shù)服務(wù)中心采用的是無線云網(wǎng)，基本實現(xiàn)了與移動用戶的鏈接，采用Dispose模式，在云服務(wù)中，設(shè)計了一系列的安全體系?；谝苿踊ヂ?lián)的遠程集中監(jiān)測系統(tǒng)(含雙核多功能物聯(lián)網(wǎng)采集裝置)與現(xiàn)地控制單元鏈接的基礎(chǔ)，現(xiàn)地控制單元采用西門子PLC-200型智能控制器，帶觸摸屏程序。此外，基于移動互聯(lián)的遠程視頻以及預(yù)警語音監(jiān)管系統(tǒng)的基礎(chǔ)，通過雙核多功能物聯(lián)網(wǎng)采集裝置與云技術(shù)服務(wù)中心鏈接。該系統(tǒng)需要接入智慧集中監(jiān)控中心，因此，通過大數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和云鏈路接口，來實現(xiàn)接口的接入。

圖3 云系統(tǒng)框架

通過水資源管理模塊，實現(xiàn)人員考勤、水資源巡查、船只、水質(zhì)成果、設(shè)備設(shè)施的信息化管理。讓相關(guān)科室人員標準管理、留下痕跡、形成臺賬、可查可溯。模塊主界面如圖4所示，水質(zhì)在線監(jiān)測APP如圖5所示。

圖5 云系統(tǒng)案例界面

圖5中案例界面(a)為水質(zhì)云分析預(yù)警服務(wù)APP界面，(b)為公共發(fā)布平臺APP界面，(c)為移動端水源地水質(zhì)點綜合監(jiān)測界面。

6 結(jié)論

當前，該系統(tǒng)依然進行產(chǎn)業(yè)化和產(chǎn)品化的推廣，系統(tǒng)在應(yīng)用中趨于穩(wěn)定，其性能穩(wěn)定可靠、簡單實用、成本低廉，有效地解決了一系列諸多水庫水源地保護的難點問題。當然，我們下一步研究將重點放在一些大額數(shù)據(jù)的分析之上，比如對水源地保護方案分析提供相對科學的依據(jù)；對多種特性數(shù)據(jù)的采集，建設(shè)經(jīng)驗庫，便于分享；提供更多的基于云數(shù)據(jù)計算的泛在服務(wù)；開辟一系列協(xié)助保護點所發(fā)布的面向公共的商業(yè)云鏈接等等。希望本系統(tǒng)的研究和開發(fā)，能為全國水源地保護點的系統(tǒng)設(shè)計提供借鑒和服務(wù)。