邳州市農(nóng)村飲用水安全信息化建設(shè)方案研究

舒持愷 ，張 超 ，余海龍

（1.南瑞集團(tuán)（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院）有限公司，江蘇 南京 211106；2.南京南瑞水利水電科技有限公司，江蘇 南京 211106；3.邳州市水務(wù)局，江蘇 邳州 221300）

0 引言

農(nóng)村飲用水安全問題直接關(guān)系到數(shù)百萬農(nóng)村居民的身體健康和生命安全，提高農(nóng)村飲用水質(zhì)量是保障農(nóng)村居民生活和健康的重要手段[1]。當(dāng)前，在基本解決農(nóng)村飲用水安全問題的基礎(chǔ)上，農(nóng)村飲用水工作確立了鞏固和改善的總體方向。提高農(nóng)村飲用水安全信息化管理水平，實施基層水安全保障，是今后鞏固和改善農(nóng)村居民生活水平的重要建設(shè)任務(wù)[2–4]。

江蘇省農(nóng)村集中式供水廠小而多，管理水平落后，水安全保障存在許多不足[5]。邳州市實施農(nóng)村飲用水安全工程建設(shè)以來，做了大量扎實有效的工作，截至 2015 年底，邳州市農(nóng)村飲用水安全基本得到保障，安全狀況取得顯著改善，但邳州市尚有17 個鎮(zhèn)，121 個村，30 萬人飲用水不安全，自籌資金和愛國衛(wèi)生運(yùn)動委員會（以下簡稱愛衛(wèi)會）改水工程存在問題，部分地區(qū)農(nóng)村飲用水安全工程建設(shè)成果還不夠牢固，存在水量不能自動控制，水質(zhì)不能有效保障，水費(fèi)不能精確收取等問題，長效運(yùn)行等方面還存在一些薄弱環(huán)節(jié)。為解決農(nóng)村飲用水安全管理問題，邳州市開展了農(nóng)村飲用水安全信息化建設(shè)工程的研究，建設(shè)了農(nóng)村飲用水安全信息化系統(tǒng)（以下簡稱信息化系統(tǒng)），通過信息化手段，提高對農(nóng)村飲用水安全的管理水平。

1 信息化系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)

根據(jù)《邳州市農(nóng)村飲用水安全鞏固提升工程“十三五”規(guī)劃》，將對自籌資金和愛衛(wèi)會改水的33 處小型水廠進(jìn)行整合改造，納入飲用水安全工程建設(shè)和管理范圍。在同一個鄉(xiāng)鎮(zhèn)中，將對有 2 處以上飲用水安全工程建造的水廠進(jìn)行串聯(lián)，實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)供水，利用信息化自動化等先進(jìn)技術(shù)建設(shè)全覆蓋農(nóng)村飲用水管理系統(tǒng)，實現(xiàn)水量自動控制，水質(zhì)有效保障，水費(fèi)精確收取。規(guī)劃至 2020 年末區(qū)域供水范圍達(dá)到 25 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)（街），鄉(xiāng)鎮(zhèn)覆蓋率達(dá)到 100%，區(qū)域供水農(nóng)村入戶率達(dá)到 95% 以上。

2 信息化系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1 設(shè)計原則

信息化系統(tǒng)安全對農(nóng)村飲用水工程生產(chǎn)運(yùn)行非常重要，應(yīng)遵循實用、先進(jìn)、高效、可靠的原則，采用安全可靠的系統(tǒng)架構(gòu)，從環(huán)境、設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、應(yīng)用及系統(tǒng)管理等多個方面設(shè)計信息化系統(tǒng)的安全體系，實施完整的安全策略以有效確保信息化系統(tǒng)的安全性。按照國際國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與代碼，使信息化系統(tǒng)具備良好的擴(kuò)展性。未來隨著信息技術(shù)的發(fā)展與工程規(guī)模的擴(kuò)大，可以平滑地對信息化系統(tǒng)進(jìn)行升級擴(kuò)展，最大限度地減少對已有平臺數(shù)據(jù)與代碼的改動，使符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的軟硬件設(shè)施都可以靈活接入信息化系統(tǒng)。同時信息化系統(tǒng)提供友好的交互界面（GUI），操作靈活，易學(xué)易用，用戶通過簡單的培訓(xùn)就能進(jìn)行系統(tǒng)日常運(yùn)維[6]。

2.2 設(shè)計思路

根據(jù)農(nóng)村飲用水基本功能要求，信息化系統(tǒng)設(shè)計時需考慮到輸水監(jiān)控、水質(zhì)保障、水費(fèi)收取等多方面：泵站輸水動態(tài)通過水壓自動控制，確保整個供水管網(wǎng)壓力穩(wěn)定；消毒裝置匹配水量大小，自動調(diào)整添加消毒液量；飲用水水質(zhì)重要參數(shù)定時采集監(jiān)測；用水終端裝配遠(yuǎn)傳水表實現(xiàn)精準(zhǔn)計量與收費(fèi)。在農(nóng)村飲用水工程重要節(jié)點安裝視頻監(jiān)控攝像頭，可視化監(jiān)控供水設(shè)備運(yùn)行工況。信息化系統(tǒng)包括：泵站監(jiān)控、視頻監(jiān)視系統(tǒng)，水量水質(zhì)、管網(wǎng)運(yùn)行、工程管理等數(shù)據(jù)的現(xiàn)地信息采集與監(jiān)控系統(tǒng)，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信傳輸系統(tǒng)，供電、防雷與接地等系統(tǒng)，用水統(tǒng)計、系統(tǒng)告警等綜合監(jiān)控監(jiān)測應(yīng)用系統(tǒng)，用戶信息、巡檢養(yǎng)護(hù)、數(shù)據(jù)查詢等管理決策支持應(yīng)用系統(tǒng)，手機(jī) App 及水費(fèi)計收系統(tǒng)。

信息化系統(tǒng)為“五層三體系”結(jié)構(gòu)，采用一體化平臺進(jìn)行建設(shè)，對各類信息（數(shù)據(jù)）進(jìn)行規(guī)范、整合，對各類業(yè)務(wù)應(yīng)用進(jìn)行統(tǒng)一化管理，具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。一體化平臺系統(tǒng)可實現(xiàn)泵站監(jiān)控、視頻監(jiān)視等系統(tǒng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一采集與交互，各業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲、備份與維護(hù)管理，以及在一個平臺上實現(xiàn)多種業(yè)務(wù)的統(tǒng)一應(yīng)用，使信息化系統(tǒng)的資料數(shù)據(jù)更好地實現(xiàn)資源共享及得到綜合應(yīng)用，避免信息資源的浪費(fèi)，減少運(yùn)維人員的投入。一體化平臺系統(tǒng)與傳統(tǒng)信息化系統(tǒng)的對比如圖2 所示。一體化平臺中需要傳輸?shù)男畔ㄋ俊⒈谜具\(yùn)行、管網(wǎng)監(jiān)測、視頻等數(shù)據(jù)，具體業(yè)務(wù)流程如圖3 所示。

一體化平臺中，不需要像傳統(tǒng)自動化監(jiān)控系統(tǒng)那樣采用各自獨立的軟件平臺。各種監(jiān)控業(yè)務(wù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)只是數(shù)據(jù)類型、應(yīng)用功能不同的業(yè)務(wù)模塊，各業(yè)務(wù)模塊既可在同一計算機(jī)上實現(xiàn)，也可分布在不同計算機(jī)上，使用集成的管理和控制平臺，可以最大程度地共享數(shù)據(jù)，減少運(yùn)維人員的工作量[7]。

圖1 信息化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 傳統(tǒng)信息化系統(tǒng)（左）與一體化平臺系統(tǒng)（右）架構(gòu)對比

圖3 一體化平臺業(yè)務(wù)流程圖

整個信息化系統(tǒng)的建設(shè)內(nèi)容眾多，包括全景監(jiān)控、抄表匯總、水費(fèi)管理、工程管理、移動應(yīng)用及手機(jī)支付等，通過有效整合所有子系統(tǒng)并形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)中心和應(yīng)用軟件平臺，高效服務(wù)于水政管理部門，信息化系統(tǒng)建設(shè)效果得以最大發(fā)揮。

3 信息化系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)特點

信息化系統(tǒng)建設(shè)采用一體化平臺設(shè)計，綜合集成現(xiàn)有各類信息化系統(tǒng)，打通信息孤島，建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)中心和一體化應(yīng)用系統(tǒng)，并提供統(tǒng)一的訪問機(jī)制，實現(xiàn)不同權(quán)限用戶的數(shù)據(jù)訪問和業(yè)務(wù)應(yīng)用，達(dá)到信息資源共享和業(yè)務(wù)協(xié)同的目標(biāo)。

對于網(wǎng)絡(luò)安全及用戶權(quán)限要求，信息化系統(tǒng)具有分區(qū)設(shè)計、分層控制等特點，具體設(shè)計如下：

1）橫向分區(qū)。橫向上，考慮到信息化系統(tǒng)涉及的業(yè)務(wù)應(yīng)用復(fù)雜，為保障信息安全，在橫向結(jié)構(gòu)上分為生產(chǎn)管理區(qū)（控制區(qū)）、辦公信息區(qū)（管理區(qū)）和外網(wǎng)。在控制區(qū)設(shè)置 VLAN，用于支撐綜合監(jiān)控、抄表匯總等不同業(yè)務(wù)；管理區(qū)支撐視頻系統(tǒng)、工程管理，并對外進(jìn)行信息發(fā)布。控制區(qū)與管理區(qū)均屬于內(nèi)網(wǎng)，互聯(lián)網(wǎng)屬于外網(wǎng)。由于控制區(qū)與管理區(qū)之間存在數(shù)據(jù)交互，為保證控制區(qū)的信息安全，通過單向隔離設(shè)備進(jìn)行聯(lián)通，嚴(yán)格控制區(qū)間流量的信息交換，保證控制區(qū)安全；管理區(qū)存在連接外網(wǎng)的需求，管理區(qū)與外網(wǎng)通過防火墻等安全設(shè)備進(jìn)行連通。

2）縱向分層?？紤]到調(diào)度中心和管理站及現(xiàn)地層設(shè)備在計算機(jī)控制、工程管理和運(yùn)行等方面不同的應(yīng)用需求，信息化系統(tǒng)在縱向結(jié)構(gòu)上分為以下3 層：a.第1 層是調(diào)度中心層（邳州市級），部署綜合監(jiān)控、水量調(diào)度、工程管理、信息發(fā)布等功能；b.第2 層是管理站層（鎮(zhèn)級），部署綜合監(jiān)控、工程管理、信息發(fā)布等相關(guān)業(yè)務(wù)；c.第3 層是現(xiàn)地層，布設(shè)泵站現(xiàn)地監(jiān)控、視頻監(jiān)視等現(xiàn)地自動化系統(tǒng)。

為適應(yīng)水利信息化的管理需要，信息化系統(tǒng)支撐平臺采用 Oracle 軟件，具有靈活的企業(yè)應(yīng)用架構(gòu)，同時服務(wù) SOA 規(guī)范，滿足未來業(yè)務(wù)擴(kuò)展需求。

應(yīng)用支撐平臺設(shè)計上采取松耦合結(jié)構(gòu)，應(yīng)用系統(tǒng)之間要求相對獨立，通過總線進(jìn)行基于 Web Services 的調(diào)用，進(jìn)行服務(wù)的屏蔽和隔離，其中任何系統(tǒng)出現(xiàn)故障，都不會對其他系統(tǒng)造成直接的危害和影響。應(yīng)用支撐平臺落地采用基于 J2EE 的架構(gòu)實現(xiàn)，符合 SOA 體系結(jié)構(gòu)。采用符合 J2EE 規(guī)范的主流的 J2EE 應(yīng)用服務(wù)器 WebLogic Server，具有天然的跨平臺性，能部署在多種操作系統(tǒng)平臺上，如Linux，Windows，AIX，Solaris 等。

4 信息化系統(tǒng)業(yè)務(wù)應(yīng)用設(shè)計

4.1 GIS 全景信息展示

利用地圖進(jìn)行邳州市農(nóng)村飲用水安全信息的全景監(jiān)控，在地圖服務(wù)基礎(chǔ)上疊加農(nóng)村飲用水管網(wǎng)圖層，實現(xiàn)一張圖展示邳州市農(nóng)村飲用水的水表、泵站、管網(wǎng)及視頻等信息，并預(yù)留水質(zhì)及農(nóng)村飲用水安全所需要的其他監(jiān)測信息接口。

4.2 泵站監(jiān)控

泵站監(jiān)控應(yīng)用模塊應(yīng)能迅速可靠、準(zhǔn)確有效地完成對各泵站的安全監(jiān)視和控制，包括歷史數(shù)據(jù)存檔、檢索，運(yùn)行報表生成與打印，遠(yuǎn)程監(jiān)測進(jìn)出站管網(wǎng)壓力、流量、水位等。若設(shè)備工作狀態(tài)發(fā)生異常，應(yīng)能主動告警上報。

4.3 視頻監(jiān)視

視頻監(jiān)視可以在 GIS 上進(jìn)行單點查詢，也可以列表及窗口的形式進(jìn)行集中展示。對于農(nóng)村飲用水工程運(yùn)行關(guān)鍵部位，開發(fā)圖像識別技術(shù)，可視化智能告警設(shè)備工況異常。

4.4 管網(wǎng)運(yùn)行

地圖上直觀展示的農(nóng)村飲用水管網(wǎng)信息，包括管線運(yùn)行數(shù)據(jù)、水表數(shù)據(jù)、單元劃分及各單元信息、人員信息及聯(lián)系方式等，將數(shù)據(jù)信息與地圖節(jié)點進(jìn)行關(guān)聯(lián)，通過鼠標(biāo)點擊就能掌握管網(wǎng)全過程輸水動態(tài)，獲取用戶所需的數(shù)據(jù)并以圖表等形式直觀展示。

4.5 水費(fèi)計收

水費(fèi)計收系統(tǒng)對用水戶水費(fèi)結(jié)算和統(tǒng)計的整個業(yè)務(wù)流程進(jìn)行信息化管理，包括新裝水表開戶，以及用戶繳費(fèi)管理、信息更新、欠費(fèi)通知等功能。在構(gòu)建水費(fèi)計收系統(tǒng)時，根據(jù)具體收費(fèi)業(yè)務(wù)流程和不同結(jié)算管理對象，使用組件設(shè)計、模塊開發(fā)及事務(wù)處理等先進(jìn)軟件開發(fā)技術(shù)構(gòu)建，以適應(yīng)不同的業(yè)務(wù)處理模式，滿足需求的變化及適應(yīng)現(xiàn)有投資的需要。

4.6 管網(wǎng)巡視

通過管網(wǎng)巡視系統(tǒng)進(jìn)行輸水管網(wǎng)的巡檢養(yǎng)護(hù)，包括日常巡檢，隱患上報，巡檢的路線管理、人員安排、計劃編制，以及隱患處理情況登記等，支持GIS 展示巡檢過程路線，標(biāo)記隱患點。

4.7 移動應(yīng)用服務(wù)

移動應(yīng)用作為信息化平臺的補(bǔ)充，將農(nóng)村飲用水工程重要信息查詢展示等功能遷移到移動平臺上，使用戶隨時隨地掌握工程動態(tài)，查詢和獲取各類監(jiān)測信息。在發(fā)生預(yù)警情況時，通過移動端第一時間通知相關(guān)負(fù)責(zé)人進(jìn)行處理。

4.8 支付功能開發(fā)

隨著城鄉(xiāng)居民生活水平不斷提高，“互聯(lián)網(wǎng) +”、移動支付等業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，民眾對服務(wù)方式的需求呈現(xiàn)多元化。為滿足這一需求，拓寬繳費(fèi)渠道，開發(fā)支付寶、微信等移動支付手段繳納水費(fèi)功能。

4.9 綜合門戶管理

對不同用戶賦予不同的權(quán)限，專職專責(zé)，權(quán)限可控，對工程運(yùn)行狀況監(jiān)視和操作實現(xiàn)窗口化，用戶通過鼠標(biāo)和鍵盤就能快捷操作。不同的用戶登錄具有不同權(quán)限，防止誤操作，確保系統(tǒng)運(yùn)行安全。

5 結(jié)語

信息化系統(tǒng)可實現(xiàn)對農(nóng)村飲用水安全工程 24 h不間斷監(jiān)測，有效減少管理人員的工作量。工程試運(yùn)行以來，基本實現(xiàn)水源井泵站無人值守；管理中心通過視頻監(jiān)控可實時查看泵房現(xiàn)場情況及水質(zhì)定時監(jiān)測報告；自動化改造實現(xiàn)水泵遠(yuǎn)程開機(jī)；根據(jù)管網(wǎng)水壓自動調(diào)節(jié)水泵運(yùn)行頻率，不再出現(xiàn)以往因水壓過大、頻率過高而導(dǎo)致水泵燒壞的現(xiàn)象；水費(fèi)計收系統(tǒng)可以讓用水戶通過手機(jī)支付方便快捷繳費(fèi)；通過報表可以實現(xiàn)日、月、年及自定義時段水量統(tǒng)計，為上級水政部門制定用水計劃及分析用水情況提供數(shù)據(jù)支撐。隨著信息化系統(tǒng)的長期使用，信息化系統(tǒng)難免會暴露出初期設(shè)計時的缺陷，需要健全配套系統(tǒng)完善制度，提高運(yùn)維水平，才能真正達(dá)到農(nóng)村飲用水安全工程的目標(biāo)要求。

要切實保障農(nóng)村飲用水安全，不僅要建立完善的工程措施，更要建立有效、先進(jìn)、科學(xué)的管理體系，提高管理水平。通過信息化手段，建設(shè)從現(xiàn)地到管理部門的全覆蓋測控體系，開發(fā)農(nóng)村飲用水安全管理業(yè)務(wù)應(yīng)用軟件，將有助于實現(xiàn)農(nóng)村飲用水安全數(shù)據(jù)采集、傳輸、分析、評估、預(yù)警和處理的現(xiàn)代化管理目標(biāo)，讓日常用水信息采集和管理等繁雜的工作變得高效便捷，使信息化系統(tǒng)發(fā)揮長效作用，不僅在飲用水項目的日常管理中發(fā)揮巨大作用，更在飲用水安全管理的多維可視化，區(qū)域飲用水量的預(yù)測與分析，以及水安全應(yīng)急管理等多方面都具有廣闊的應(yīng)用前景。