農(nóng)村供水監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)共享交互方法研究

李曉琴，孫 毅，梁 玉，孫 穎，李 珊

(1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100048； 2.國(guó)家節(jié)水灌溉北京工程技術(shù)研究中心，北京 100048；3.遼寧省水利事務(wù)服務(wù)中心， 遼寧 沈陽(yáng) 110003； 4.盤(pán)錦市水利服務(wù)中心， 遼寧 盤(pán)錦 124000；5.北京市門(mén)頭溝區(qū)水務(wù)建設(shè)項(xiàng)目事務(wù)中心，北京 102302)

農(nóng)村供水監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)缺乏共享交互，各個(gè)企業(yè)建成的不同水廠農(nóng)村供水自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)往往各自為戰(zhàn)，獨(dú)立的系統(tǒng)、分散的數(shù)據(jù)很難向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的方向轉(zhuǎn)變，需要花費(fèi)較大的代價(jià)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享交互。本研究主要服務(wù)于水廠中心上位機(jī)系統(tǒng)、云端農(nóng)村供水自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)、上級(jí)農(nóng)村供水相關(guān)業(yè)務(wù)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)共享交互，在農(nóng)村供水水廠自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)、農(nóng)村供水業(yè)務(wù)系統(tǒng)建設(shè)之初，明確數(shù)據(jù)共享交互方法，提前定義好數(shù)據(jù)指標(biāo)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，方便農(nóng)村供水監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)共享交互。

世界各地通信設(shè)備有提前約定好的通信協(xié)議，遵循這些協(xié)議實(shí)現(xiàn)設(shè)備層面控制器之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)和其他設(shè)備之間的數(shù)據(jù)共享交互[1]。國(guó)際電工組織(IEC)選定和規(guī)定了一些應(yīng)用廣泛、通用安全高效的工業(yè)通信協(xié)議，作為全球通信器材制造和各類通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)[2]。如目前應(yīng)用最廣泛的Modbus RTU協(xié)議，轉(zhuǎn)換接口便宜、實(shí)施簡(jiǎn)單方便、性價(jià)比較高[3]，也是《村鎮(zhèn)供水工程自動(dòng)化監(jiān)控技術(shù)規(guī)程》[4](T/CECS 493—2017)規(guī)定的設(shè)備層面的接口[5]。還有開(kāi)放式的Profibus協(xié)議，不依賴于設(shè)備生產(chǎn)商的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)[6]。明確了通信協(xié)議，針對(duì)具體的業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)，需要進(jìn)一步定義好數(shù)據(jù)規(guī)約，才能真正實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互共享。國(guó)內(nèi)水文或水資源部門(mén)，發(fā)布了《水資源監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約》[7](SZY206—2012)、《水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通信規(guī)約》[8](SL651—2014)，約定了傳感器與遙測(cè)終端、各測(cè)站與中心站之間的報(bào)文數(shù)據(jù)通信協(xié)議和規(guī)約。通過(guò)約定的報(bào)文和協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享交互，有效避免工程項(xiàng)目的重復(fù)建設(shè)。

然而，在設(shè)備層之上，PLC主站與水廠中心上位系統(tǒng)、水廠中心上位系統(tǒng)與供水管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)或區(qū)域上級(jí)信息化監(jiān)管系統(tǒng)之間，要使其能協(xié)同工作、實(shí)現(xiàn)信息交互和資源共享，更需要制定互相接受的信息規(guī)則。國(guó)內(nèi)外常用的數(shù)據(jù)共享交互方式有數(shù)據(jù)交互軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)交互[9]、標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)交互方法等多種方式實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)交互軟件方式，花費(fèi)代價(jià)比較大，一般普通的PLC都需要配備一臺(tái)特定的前置機(jī)設(shè)備才能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享交互，而近期新式的一些PLC能夠提供諸如OPC UA等標(biāo)準(zhǔn)接口，使得數(shù)據(jù)對(duì)接變得很方便，但這些設(shè)備價(jià)格一般都比較昂貴，并且設(shè)備上的資源對(duì)于一般自動(dòng)化場(chǎng)合顯得過(guò)多。中間數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，重要的數(shù)據(jù)信息資源通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)交互實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理[10]。中間數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)共享有很大的方便，但其缺點(diǎn)也突出，一是當(dāng)數(shù)據(jù)共享對(duì)接的系統(tǒng)較多的時(shí)候，由于數(shù)據(jù)庫(kù)連接池的限制，許多系統(tǒng)無(wú)可用的連接或者需要依托龐大的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)；二是數(shù)據(jù)庫(kù)暴露在多個(gè)系統(tǒng)的公共區(qū)域，每個(gè)系統(tǒng)都有特定的訪問(wèn)權(quán)限，數(shù)據(jù)庫(kù)容易受到攻擊，安全隱患比較大。

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和通信網(wǎng)絡(luò)的普遍應(yīng)用，采用Http、消息隊(duì)列等進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的方法應(yīng)用廣泛[11]。這種方式下，采用Xml、Protocol Buffer、Json等數(shù)據(jù)交互技術(shù)實(shí)現(xiàn)[12]，是簡(jiǎn)單快捷、實(shí)施方便、運(yùn)維代價(jià)最小的一種數(shù)據(jù)交互方式。有了數(shù)據(jù)交互技術(shù)的支持，還需要研究制定跟業(yè)務(wù)匹配的數(shù)據(jù)共享交互方法，約定相關(guān)業(yè)務(wù)的指標(biāo)定義、統(tǒng)一的信息編碼規(guī)則、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等內(nèi)容，才能實(shí)現(xiàn)信息的唯一性和同一性，避免信息的多源、失真和缺失。

農(nóng)村供水管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)由于農(nóng)村供水工程點(diǎn)多、面廣、運(yùn)行管理單位多樣等特點(diǎn)，系統(tǒng)建設(shè)水平參差不齊，不同單位建設(shè)系統(tǒng)、不同層級(jí)的系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議、共享數(shù)據(jù)內(nèi)容、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不明確，缺少數(shù)據(jù)共享交互方法，兼容性和數(shù)據(jù)交互共享不足，信息利用率低、系統(tǒng)之間共享度較差[13]。因此，本研究在對(duì)比分析目前數(shù)據(jù)交互方法基礎(chǔ)上，選擇Json格式，分別從數(shù)據(jù)指標(biāo)定義、Json數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)兩方面，構(gòu)建農(nóng)村供水監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)交互方法，并結(jié)合實(shí)際案例對(duì)交互效果進(jìn)行對(duì)比分析。

1 數(shù)據(jù)交互方法選擇

1.1 數(shù)據(jù)交互方法對(duì)比

當(dāng)前的數(shù)據(jù)交互技術(shù)主要包含Xml、Protocol Buffer、Json等，但是未針對(duì)農(nóng)村供水業(yè)務(wù)開(kāi)展標(biāo)準(zhǔn)化定義，需要選用一種成熟的數(shù)據(jù)交互技術(shù)，根據(jù)農(nóng)村供水業(yè)務(wù)定義數(shù)據(jù)指標(biāo)、數(shù)據(jù)格式、安全機(jī)制，保證數(shù)據(jù)高質(zhì)量低代價(jià)快速度地交互共享。

(1) Xml(Extensible Markup Language，可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言)是常用的、也是較早出現(xiàn)的一種數(shù)據(jù)交換格式[14]，能對(duì)文檔和數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化處理，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)性文件的標(biāo)記實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。Xml語(yǔ)言以樹(shù)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行描述，或者，主要用于數(shù)據(jù)共享、數(shù)據(jù)傳輸和平臺(tái)兼容，由于規(guī)范的標(biāo)記使得不同系統(tǒng)之間能更好地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、存儲(chǔ)、搜索和描述，具有描述性強(qiáng)、規(guī)范完整、擴(kuò)展方便的特點(diǎn)[15]。數(shù)據(jù)共享更容易：Xml數(shù)據(jù)純文本的存儲(chǔ)形式，與硬件或者軟件獨(dú)立；數(shù)據(jù)傳輸簡(jiǎn)單：不受操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序的限制，在不同的操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序之間，通過(guò)Xml可以很容易地交換數(shù)據(jù)，降低數(shù)據(jù)交換復(fù)雜性；平臺(tái)兼容性更好：一般平臺(tái)升級(jí)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過(guò)程會(huì)丟失一些不兼容的數(shù)據(jù)，而Xml數(shù)據(jù)不會(huì)丟失，不受平臺(tái)升級(jí)改造影響，更容易擴(kuò)展升級(jí)。

(2) Protocol Buffer，以二進(jìn)制格式存儲(chǔ)，支持?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的自定義，還有專門(mén)的工具，Protobu編譯器能轉(zhuǎn)換為C++、Java、Python等語(yǔ)言的源代碼，是一種效率高、兼容性好的二進(jìn)制數(shù)據(jù)傳輸格式。由于二進(jìn)制的格式是最直白的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，所以Protocol Buffer比Xml數(shù)據(jù)體積小、傳輸速度快、更容易擴(kuò)展。但正是由于二進(jìn)制語(yǔ)言，沒(méi)有文本語(yǔ)言直接和形象，對(duì)于程序員來(lái)說(shuō)，編寫(xiě)起來(lái)比Xml復(fù)雜，轉(zhuǎn)換時(shí)間較長(zhǎng)。

(3) Json(JavaScript Object Notation，對(duì)象簡(jiǎn)譜)，也是一種文本方式的數(shù)據(jù)交換格式，它源自于JavaScript，以{Key：Value}鍵值的形式描述對(duì)象[16]。Json是歐洲計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì)(European Computer Manufacturers Association)腳本程序(ECMA Script)制定的一個(gè)子集，它的層次簡(jiǎn)潔清晰，閱讀和編寫(xiě)容易，機(jī)器解析與生成方便，任何JavaScript對(duì)象都可以轉(zhuǎn)換為Json，然后將Json發(fā)送到服務(wù)器。同樣，從服務(wù)器接收的任何Json也可以轉(zhuǎn)換為JavaScript對(duì)象[17]。它是一種簡(jiǎn)潔、容易、快速、理想的數(shù)據(jù)交換語(yǔ)言，能有效地提升網(wǎng)絡(luò)傳輸效率。

三種數(shù)據(jù)交互格式從可讀性、通用性、便捷性方面的區(qū)別和特點(diǎn)分析如下：

(1) 可讀性方面：Xml和Json都是文本語(yǔ)言，序列化后的內(nèi)容可讀性都非常好，排查錯(cuò)誤和糾錯(cuò)容易。當(dāng)出現(xiàn)數(shù)據(jù)交互錯(cuò)誤時(shí)，可以用模擬數(shù)據(jù)測(cè)試[18]。Protocol Buffer是二進(jìn)制格式，序列化以后的內(nèi)容不可讀，它的可讀性最差，容易出現(xiàn)錯(cuò)誤且排查糾錯(cuò)困難。

(2) 通用性方面：Xml和Json都比較成熟，是目前比較常用的數(shù)據(jù)交互格式，Protocol Buffer的應(yīng)用相對(duì)較少，不適于廣大業(yè)務(wù)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用。

(3) 便捷性方面：Json數(shù)據(jù)格式相對(duì)于Xml來(lái)說(shuō)更加簡(jiǎn)單、易于讀寫(xiě)，且數(shù)據(jù)格式經(jīng)過(guò)壓縮，所以占用帶寬小、傳輸速度快，更適于不同層級(jí)供水監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的交互；Json數(shù)據(jù)格式的序列化和反序列化便于服務(wù)器端的解析[19]，服務(wù)器端代碼能直接使用，這樣也簡(jiǎn)化了服務(wù)器和客戶端的代碼開(kāi)發(fā)量，易于維護(hù)[20-22]。表1為Xml和Json描述相同管網(wǎng)數(shù)據(jù)的更新。

由表1可以看出，相同的數(shù)據(jù)，Xml的冗余信息遠(yuǎn)多于Json，特別是對(duì)于數(shù)組，Json格式只需要一個(gè)標(biāo)記即可描述整個(gè)數(shù)組，而Xml格式需要對(duì)數(shù)組的每個(gè)元素添加一對(duì)標(biāo)簽，因此數(shù)組元素越多，冗余越多。Xml與Json的冗余信息對(duì)比見(jiàn)表2。

表1 相同管網(wǎng)數(shù)據(jù)Xml和Json封裝對(duì)比

表2 Xml與Json冗余信息對(duì)比

通過(guò)綜合比選，選定Json格式進(jìn)行不同層級(jí)農(nóng)村供水監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的交互。

1.2 Json數(shù)據(jù)交互方法/理論

在當(dāng)前的數(shù)據(jù)交互技術(shù)Xml、Protocol Buffer、Json中，選擇了書(shū)寫(xiě)簡(jiǎn)單、易于讀寫(xiě)、解析速度快、占用帶寬小的Json交互方法。Json主要有兩種表示結(jié)構(gòu)：一是“key:value”鍵值對(duì)的集合，不同的語(yǔ)言中，它被理解為對(duì)象、記錄、結(jié)構(gòu)、字典、哈希表等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；二是值的有序列表(An Ordered List of Values)，也可以理解為數(shù)組，這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是Json節(jié)省冗余的關(guān)鍵所在。

方式1：

[

{"name":"流量1", "value":"1.1"},

{"name":"流量2", "value":"1.2"},

{"name":"流量3", "value":"1.3"},

{"name":"流量4", "value":"1.4"},

{"name":"流量5", "value":"1.5"},

]

方式2：

{

"name":["流量1","流量2","流量3","流量4","流量5"],

"value":[1.1,1.2,1.3,1.4,1.5]

}

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和Json字符串之間，通過(guò)Json序列化和反序列化實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換。在數(shù)據(jù)交互的兩端，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以完全不同，傳輸過(guò)程中的Json字符串能被正確的生成和解析，則整個(gè)過(guò)程是有效的。所以在序列化和反序列化的兩端，可以用不同的語(yǔ)言、架構(gòu)、方法，為不同系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互提供了可能。Json數(shù)據(jù)序列化和反序列化過(guò)程如圖1。

序列化(Serialization)是將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換為Json字符串的過(guò)程。具體執(zhí)行步驟如下：(1) 上位機(jī)定時(shí)采集供水監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)對(duì)象匯總；(2) 上位機(jī)將數(shù)據(jù)對(duì)象序列化為Json數(shù)據(jù)包；(3) 上位機(jī)發(fā)送Json數(shù)據(jù)包給服務(wù)器接口；(4) 服務(wù)器接收J(rèn)son數(shù)據(jù)包；(5) 服務(wù)器執(zhí)行Json反序列化，解析出具體的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)對(duì)象；(6) 服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將處理結(jié)果歸入中心數(shù)據(jù)庫(kù)。

反序列化(Deserialization)是將Json字符串重新轉(zhuǎn)換為監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)信息的過(guò)程。具體執(zhí)行步驟如下：(1) 服務(wù)器接收客戶指令，轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)對(duì)象；(2) 服務(wù)器將數(shù)據(jù)對(duì)象序列化為Json數(shù)據(jù)包；(3) 服務(wù)器將Json數(shù)據(jù)包發(fā)送給上位機(jī)；(4) 上位機(jī)接收到服務(wù)器推送的Json數(shù)據(jù)包；(5) 上位機(jī)執(zhí)行Json反序列化，解析出具體的控制指令；(6) 上位機(jī)將控制指令發(fā)送給具體的監(jiān)控設(shè)備。

圖1 Json數(shù)據(jù)序列化和反序列化過(guò)程

2 數(shù)據(jù)指標(biāo)定義

選擇Json數(shù)據(jù)交互格式，需要按照一定規(guī)則對(duì)農(nóng)村供水監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行指標(biāo)定義，以期快速、高效、低成本實(shí)現(xiàn)不同廠家、不同設(shè)備的數(shù)據(jù)共享交互。

根據(jù)傳感器指標(biāo)監(jiān)控的不同環(huán)節(jié)，分三級(jí)定義監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)指標(biāo)，包括傳感器指標(biāo)——設(shè)備設(shè)施所屬——分類屬性，明確每個(gè)傳感器所處的供水環(huán)節(jié)、具體位置和類型。傳感器指標(biāo)定義最底層傳感器監(jiān)控的指標(biāo)名稱、標(biāo)識(shí)符、數(shù)值類型和數(shù)值單位。設(shè)備設(shè)施所屬規(guī)定了設(shè)備設(shè)施所屬的供水環(huán)節(jié)，包括水源、輸水管網(wǎng)、水廠、配水管網(wǎng)、管網(wǎng)末梢、用水戶6個(gè)供水環(huán)節(jié)。分類屬性是針對(duì)同一個(gè)供水環(huán)節(jié)不同位置或者不同類型進(jìn)行的定義，如水廠環(huán)節(jié)的水處理、調(diào)節(jié)構(gòu)筑物、泵站位置的區(qū)分，如水源環(huán)節(jié)是地表水還是地下水的區(qū)分。數(shù)據(jù)指標(biāo)劃分和定義層級(jí)如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)指標(biāo)劃分和定義層級(jí)

2.1 傳感器指標(biāo)(indicator)

傳感器指標(biāo)是不同傳感器采集的指標(biāo)。每個(gè)傳感器指標(biāo)有唯一的標(biāo)識(shí)符，該標(biāo)識(shí)符為字符串類型，且不區(qū)分大小寫(xiě)。在數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)過(guò)程中，可通過(guò)該標(biāo)識(shí)符對(duì)傳感器指標(biāo)進(jìn)行引用。每個(gè)傳感器指標(biāo)還有對(duì)應(yīng)的中英文術(shù)語(yǔ)名稱、中英文單位、數(shù)據(jù)類型、單位等信息，傳感器指標(biāo)定義見(jiàn)表3所示。

表3 常見(jiàn)傳感器指標(biāo)定義

2.2 設(shè)備設(shè)施所屬(part_of)

農(nóng)村供水工程從取輸凈配四個(gè)工藝環(huán)節(jié)分解出水源、輸水管網(wǎng)、水廠、配水管網(wǎng)、管網(wǎng)末梢、用水戶等6個(gè)供水環(huán)節(jié)，每種設(shè)備設(shè)施都從屬于這6個(gè)供水環(huán)節(jié)其中之一，所從屬的環(huán)節(jié)就是設(shè)備設(shè)施(device)的所屬(part_of)，表4為設(shè)備設(shè)施所屬part_of屬性定義。

2.3 分類屬性(props)

水廠供水不同環(huán)節(jié)的傳感器或設(shè)備設(shè)施還可能有多種分類方式，如水源類型有地表水、地下水；構(gòu)筑物有水處理、排泥、調(diào)節(jié)構(gòu)筑物等；為滿足這種更細(xì)致的分類劃分，這里對(duì)設(shè)備設(shè)施的定義進(jìn)行了擴(kuò)展，即分類屬性props定義。

表4 設(shè)備設(shè)施part_of定義

引入分類屬性定義props，為設(shè)備設(shè)施和傳感器定義提供更好的靈活性和兼容性。props屬性為數(shù)組格式，可以對(duì)當(dāng)前設(shè)備設(shè)施定義多個(gè)附加屬性，用于兼容更細(xì)致的分類。如某工程水源為地表水，且為水庫(kù)水，則其part_of定義為wss，同時(shí)可以定義props為sw-re，表示水源為地表水-水庫(kù)水。再如水源取水泵站的定義，其part_of為wss，可以添加props定義ips。設(shè)備設(shè)施的props屬性及其part_of限定值見(jiàn)表5。

表5 設(shè)備設(shè)施device的props屬性及其part_of限定

(1) props針對(duì)泵站的特殊設(shè)定。所有泵站的設(shè)備設(shè)施必須有props屬性。如下所示泵站定義：

"id":"pump_out",//設(shè)備設(shè)施標(biāo)識(shí)

"name":"配水泵房"

"part_of":"wsp",//設(shè)施所屬

"props":["dps"],//表明當(dāng)前泵站的類型為配水泵站，必須包含該屬性

(2) 兼容不同位置安裝。監(jiān)測(cè)環(huán)節(jié)和安裝位置不一致時(shí)，可在“props”中增加安裝位置指標(biāo)，且可以設(shè)置多個(gè)。

如某個(gè)設(shè)備設(shè)施監(jiān)測(cè)水源濁度指標(biāo)，安裝在水廠，水源為地表水，且為水庫(kù)水，則part_of定義為wss，props定義為["sw-re","wsp"]。表明該設(shè)備安裝于水廠，且為地表水-水庫(kù)水。

3 Json數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

定義好數(shù)據(jù)指標(biāo)后，本章明確了設(shè)備設(shè)施定義、新增或更新傳感器數(shù)據(jù)、視頻安防監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和消息類型。

3.1 消息類型定義

基本數(shù)據(jù)格式包括唯一標(biāo)識(shí)id，版本號(hào)ver，類型type三個(gè)屬性，且均為必填屬性，對(duì)應(yīng)的json格式為：

{

"id":"xxx", //消息唯一標(biāo)識(shí)id

"ver":"1.0",

"type":"def",//消息類型

//根據(jù)不同類型，消息其他部分

}

針對(duì)不同的type類型，消息定義的具體內(nèi)容不同。消息類型定義如表6。

表6 消息類型定義

3.2 設(shè)備設(shè)施定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

設(shè)備設(shè)施定義消息格式，類型為def，具體消息內(nèi)容按照供水工程(fields)→設(shè)備設(shè)施(devices)→傳感器(sensors)三級(jí)定義。一個(gè)消息數(shù)據(jù)可包含多個(gè)供水工程，一個(gè)供水工程可包含多個(gè)設(shè)備設(shè)施，一個(gè)設(shè)備設(shè)施可包含多個(gè)傳感器。fields字段為水廠或者供水工程列表，可以包含多個(gè)水廠或者供水工程的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。單個(gè)工程標(biāo)識(shí)為field。devices字段為單個(gè)供水工程所包含的監(jiān)控設(shè)備設(shè)施，可以是一個(gè)監(jiān)控柜、控制箱或者監(jiān)控點(diǎn)。sensors字段為單個(gè)設(shè)備設(shè)施所包含的多個(gè)監(jiān)控傳感器，如流量計(jì)、壓力表等。

(1) fields。fileds包含唯一標(biāo)識(shí)id，供水工程名稱name，工程編號(hào)prj_id，經(jīng)緯度lng，lat四個(gè)屬性。

id，每個(gè)field對(duì)應(yīng)一個(gè)唯一水廠標(biāo)識(shí)。規(guī)則是：省_市_縣_水廠字母進(jìn)行組合。如： ln_pj_ps_ds遼寧盤(pán)錦盤(pán)山縣東升水廠。name，供水工程名稱，與全國(guó)農(nóng)村供水信息管理系統(tǒng)名稱必須一致。prj_id，部級(jí)系統(tǒng)對(duì)供水工程統(tǒng)一標(biāo)識(shí)，由全國(guó)農(nóng)村供水信息管理系統(tǒng)統(tǒng)一分配。lng，lat經(jīng)緯度，水廠經(jīng)緯度浮點(diǎn)數(shù)。

(2) devices。devices包括唯一標(biāo)識(shí)id，設(shè)備設(shè)施名稱name，part_of，props，經(jīng)緯度lng，lat五個(gè)屬性。

id，每個(gè)device id在field下面必須唯一，可以以a-z字母開(kāi)頭，后續(xù)可以是a-z，0-9，_等字符組成，盡可能簡(jiǎn)短，如：sor1，fac等。name，設(shè)備設(shè)施名稱。part_of，定義設(shè)備設(shè)施的供水環(huán)節(jié)，包括水源，輸水管網(wǎng)，水廠，配水管網(wǎng)，管網(wǎng)末梢，用水戶六部分，如：{"part of":"wss"}，由供水工程不同環(huán)節(jié)定義的所屬，唯一。props，當(dāng)供水環(huán)節(jié)part_of的描述不能準(zhǔn)確定義設(shè)備設(shè)施時(shí)，需要增加props屬性，如：{"props":"sw-re"}，水源屬于地表水水庫(kù)，可以是數(shù)組。lng，lat經(jīng)緯度，使用浮點(diǎn)數(shù)值表達(dá)。

(3) sensors。sensors包括id，name，iid，indicator，props五個(gè)屬性。

id，每個(gè)sensor id在device下面必須唯一，可以a-z字母開(kāi)頭，后續(xù)可以是a-z，0-9，_等字符組成，盡可能簡(jiǎn)短，如：flow1 lvl1等。name，指標(biāo)名稱。iid，定義內(nèi)部唯一id，是整數(shù)，內(nèi)部定位指標(biāo)。Indicator，傳感器sensor的indicator屬性。Props，分類屬性定義，如：indicator是水質(zhì)可以增加方向?qū)傩詉n/out。

3.3 新增或更新傳感器數(shù)據(jù)

自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)格式類型以mdata消息類型為基礎(chǔ)，每個(gè)消息數(shù)據(jù)可以包含多個(gè)供水工程，每個(gè)供水工程內(nèi)部的多個(gè)傳感器指標(biāo)在某個(gè)時(shí)間的監(jiān)測(cè)值更新。

(1)數(shù)據(jù)格式允許多個(gè)field的更新數(shù)據(jù)，每個(gè)field只需要id屬性區(qū)分即可，此id在def中被定義。在每個(gè)field對(duì)象中，有一個(gè)updates屬性，值為Json對(duì)象數(shù)組，數(shù)組中每個(gè)對(duì)象都是一個(gè)指標(biāo)在某個(gè)時(shí)間的值。

(2)每個(gè)監(jiān)控指標(biāo)對(duì)象，都有一個(gè)id或iid。其中，id是在def中定義的fieldid_deviceid_sensorid組合而成的全路徑唯一標(biāo)識(shí)，而iid是def內(nèi)部定義的唯一整數(shù)壓縮標(biāo)識(shí)，如：{"id":"sor1.p1_st","dt":345234524,"v":0.5}。

(3)每個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)都有時(shí)間dt屬性，是long值，起始1970.1.1到現(xiàn)在的毫秒數(shù)，如：{"iid":11,"dt":345234524,"v":0.5}。

(4)如果某個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)是無(wú)效的，則有valid:false的屬性，如：{"iid":14,"dt":345234524,valid:false}。

(5)如果某個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)是有效的，則有數(shù)據(jù)值屬性v。其中值的類型由sensor中的indicator限定。

3.4 視頻安防監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)

視頻安防監(jiān)控消息格式，類型為video，具體消息內(nèi)容按照供水工程(fields)→視頻監(jiān)控點(diǎn)(monitorpoints)→監(jiān)控?cái)z像頭(cameras)三級(jí)設(shè)定。一個(gè)供水工程可包含多個(gè)視頻監(jiān)控點(diǎn)；一個(gè)視頻監(jiān)控點(diǎn)可包含多個(gè)監(jiān)控?cái)z像頭；每個(gè)消息數(shù)據(jù)可包含多個(gè)供水工程的視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。

fields字段為水廠或者供水工程列表，可以包含多個(gè)水廠或者供水工程的視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，單個(gè)工程標(biāo)識(shí)為field。monitorpoints字段為單個(gè)水廠或者供水工程所包含的所有視頻監(jiān)控點(diǎn)。cameras字段為單個(gè)視頻監(jiān)控點(diǎn)所包含的所有監(jiān)控?cái)z像頭信息。

(1) fields。fields包括prj_id，monitorpoints兩個(gè)屬性，且均為必填屬性。

prj_id，必傳，用于區(qū)別監(jiān)控設(shè)備屬于哪個(gè)水廠或供水工程。該id由系統(tǒng)下發(fā)，不能自定義。Monitorpoints，必傳，用于定義或者更新視頻監(jiān)控點(diǎn)。

(2) monitorPoints，monitorpoints包括id，name，lng lat，part_of，props，cameras六個(gè)屬性。

id，視頻監(jiān)控點(diǎn)id，必傳，自定義，在水廠或供水工程范圍內(nèi)不重復(fù)，如：{"id":"bengfang01"}。name，視頻監(jiān)控點(diǎn)名稱，非必傳，自定義，在水廠或供水工程范圍內(nèi)不可重復(fù)，如：{"name": "一號(hào)泵房"}。lng，lat：視頻監(jiān)控點(diǎn)位置信息，包含經(jīng)度和緯度，經(jīng)緯度應(yīng)盡量精確，支持小數(shù)點(diǎn)后6-8位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，如：{"lng":120.455675, "lat":37.854796}。part_of，視頻監(jiān)控點(diǎn)的設(shè)備設(shè)施所屬，必傳，用標(biāo)識(shí)符來(lái)標(biāo)識(shí)，如：{"part_of":"wsp"}。props，細(xì)化的設(shè)備設(shè)施所屬，非必傳，如：{"props": "wss"}。cameras，監(jiān)控?cái)z像頭列表，必傳，給定所有攝像頭。

(3) cameras。cameras包括id，name，live，brand，model，sn六個(gè)屬性，可自定義。

id，視頻攝像頭id，必傳，在所屬視頻監(jiān)測(cè)點(diǎn)范圍內(nèi)不可重復(fù)，如：{"id":"01"}。name，視頻攝像頭名稱，必傳，在所屬視頻監(jiān)測(cè)點(diǎn)范圍內(nèi)不可重復(fù)，如：{"name":"東南"}，第一次必傳，后續(xù)有變化時(shí)再傳。live，視頻攝像頭名稱，必傳，如：{"流暢":"https://open.ys7.com/ "}。brand，攝像頭品牌，非必傳，如：{"brand":"?？低?}。model，攝像頭型號(hào)，非必傳，如：{"model":"iDS-7816NX-Z2/X"}。sn，攝像頭序列號(hào)，非必傳，如：{"sn":"F72305733"}。

4 與之前交互方式對(duì)比分析

農(nóng)村供水Json數(shù)據(jù)共享交互方法，支持多個(gè)水廠供水管網(wǎng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的交互共享，已在遼寧、重慶、寧夏等多處水廠監(jiān)控系統(tǒng)中應(yīng)用，對(duì)接傳感器設(shè)備數(shù)量100個(gè)左右。系統(tǒng)運(yùn)行后，數(shù)據(jù)對(duì)接過(guò)程中，不同水廠，不同設(shè)備廠商，只需在上位機(jī)按照標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議進(jìn)行監(jiān)測(cè)設(shè)備的定義，并配置數(shù)據(jù)的定時(shí)上傳即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，無(wú)需額外的開(kāi)發(fā)工作，節(jié)省了開(kāi)發(fā)時(shí)間和成本。同時(shí)，基于Json的交互方式，相同信息量傳輸?shù)淖止?jié)更少，與之前的數(shù)據(jù)共享措施相比，系統(tǒng)響應(yīng)的速度更快。

圖3 遼寧東港供水管網(wǎng)監(jiān)控

表7是基于Json的數(shù)據(jù)交互與之前的數(shù)據(jù)共享措施的對(duì)比。結(jié)果表明，單個(gè)供水工程布設(shè)周期縮短50%以上，平均上行數(shù)據(jù)包大小縮小33%。

表7 兩種交互方式對(duì)比

5 結(jié) 論

本研究創(chuàng)建了一套農(nóng)村供水Json數(shù)據(jù)共享交互標(biāo)準(zhǔn)格式?；贘son交互技術(shù)，定義了傳感器指標(biāo)、設(shè)備設(shè)施所屬及其分類屬性，構(gòu)建了自動(dòng)化監(jiān)控設(shè)備設(shè)施定義、新增或更新傳感器數(shù)據(jù)、視頻安防監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)類型，數(shù)據(jù)采集與應(yīng)用體系使用相同的數(shù)據(jù)接口，無(wú)需重復(fù)開(kāi)發(fā)，可統(tǒng)一維護(hù)，大幅降低了開(kāi)發(fā)和維護(hù)成本。該數(shù)據(jù)共享交互方法與傳統(tǒng)方法相比，單個(gè)供水工程布設(shè)周期縮短50%以上，平均上行數(shù)據(jù)包大小縮小33%，破解了農(nóng)村供水監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)缺乏共享交互方法、已建系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享費(fèi)用高、維護(hù)成本高的難題。