浦江縣西水東調飲用水源保護管理云技術研究與實踐

(浦江縣西水東調管理處，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保護，尤其是飲用水水源地的保護，一直是國家環保部門、水利部門、應急救援部門的重點工作。為了做好水源地的生態環境保護工作，提高應對水源地發生應急突發事件的響應能力，能夠快速、高效、有序地組織水源地應急突發事件的反應行動，確保人民群眾的飲用水安全，保障社會經濟協調、全面和可持續發展，建立水源地水環境綜合運行管理平臺或模塊就顯得非常必要。傳統的水源地應急處置存在很多不足：①不能達到實時監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，將得出的結論形成報告[1]，時間較長，達不到應急處置實時快速的要求；②通信技術相對落后，實時性比較差。例如有些水源地水庫嘗試安裝了實時水質在線監測設備，但是由于地處偏遠，通信技術未達到要求，影響了數據傳輸的實時性；③監測數據保存不夠全面。例如很多地方采用了現地服務器或主機保存數據，導致時常維護不善或產生了病毒感染或使得硬盤燒壞等原因，數據保存不全，無法開展綜合分析[2]；④移動互聯網、物聯網、APP等最新技術尚未使用，導致數據、流程或方案無法實時共享[3]。為此，急需研究開發一款飲用水源保護管理軟件云平臺或嵌入式模塊，以實現實時在線監測，通過移動4G通信網絡的先進傳輸，結合高端云技術、移動互聯技術與APP開發技術實現各項功能，達到既經濟實用又簡單可靠，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計模塊，總體框架設計需體現以下特點：

(1)物聯網感知設備優化?？蓮奈锫摼W的設備感知層實行突破發明[4]，針對水質的數據(水質五參數、CODMn、總磷/總氮、氨氮、葉綠素等數據)包括在線實時數據的采集、監控視頻流數據的采集、靜態識別數據的采集(經過實驗室獲得非常規必要的參數等)都需要從感知設備入手，為了解決該問題，需要發明一種多樣性采集數據的物聯網集成化設備[5]；

(2)新能源的應用。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+供電系統的蓄電池比較適合；

(3)無線通訊設備的應用。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無線通訊設備比較適合；

(4)采用云構架設計。該設計能節約購買現地服務器的成本；

(5)互聯網技術。采用移動的開發互聯網技術，完成手機端APP監控的功能，操作方便，很人性化、很先進性、有保障；

(6)聯合監控。若很多個河道和水庫的水源地監測點聯合監控，水源地建設集控中心進行統一的監控，管理平臺的研發是非常必要[6]。

總體框架如圖1所示。

圖1 總體構架

從圖1中可以知道，通過4G網絡視頻流和雙核多功能物聯網采集裝置的研發來實現鏈接，在線監測數據與實驗室分析數據融合，通過RS-485串行接口，數據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網采集裝置數據通過4G網絡進行鏈接。閥門開關量的控制，需要經過繼電器的RS-485串行接口輸入到PLC裝置中，通過4G網絡和雙核多功能物聯網采集裝置來實現通信。雙核多功能物聯網采集裝置經過云技術實現和云數據中心的通信，經過工業太網和工作站實現對接。

2 雙核多功能物聯網采集裝置

作為系統的核心節點裝置——雙核多功能物聯網采集裝置，其結構如圖2所示。其中中央處理器為雙核，即能處理各類在線水質及常規狀態監測數據量，又能處理視頻流和語音信號。實驗室數據量則由通訊網絡直接傳輸[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送器，包含了數據采集卡和控制輸出卡，它們是IPC機中特有的板卡，數據采集卡有開關量I/O采集卡、模擬量A/D采樣卡等，控制輸出卡有開關量輸出控制卡、模擬量D/A輸出控制卡等。

(2)視頻和語音I/O模塊。隨著網絡技術的發展和普及，現如今越來越多地采用視頻和語音復用信道模式。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送，存在多個應用對信道資源的競爭和搶占。因此，本設計在采用復用信道模式時，區分主次，明確各個應用使用信道的優先權：視頻實時數據傳送的優先權高，語音等非實時數據傳送的優先權低，當出現多個應用需同時使用信道資源時，應優先考慮對實時性要求高的遠動通信。

(3)以太網I/O模塊。本應用設計為工業以太網協議，即工業TCP/IP協議，該協議與開放互聯模型ISO相比，采用了更加開放的方式，并被廣泛應用于實際工程。TCP/IP協議可以用在各種各樣的信道和底層協議(如T1、X.25以及RS-232串行接口)之上。確切地說，TCP/IP協議是包括TCP協議、IP協議、UDP(User Datagram Protocol)協議、ICMP(Internet Control Message Protocol)協議和其他一些協議的協議組[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數據、音頻數據和視頻數據等。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的需求。另外，4G可以在沒有覆蓋DSL和有線電視調制解調器的地方進行部署，有著很大的優越性。

經過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定的不間斷電源。經過I/O模塊的輸出模塊輸出處理后的數據。

圖2 雙核多功能物聯網采集裝置結構

3 云技術服務中心

3.1 開辟動態云空間

水源地保護的特點決定了傳統的技術模式已經不能滿足現代化發展的需求，云動態空間的開辟是一種很好的解決方案。結合互聯網與云技術構架，基于SQL SERVER開辟云動態空間[9、10]。

因為水源地保護多元化的需求，可采用Namespace指令開辟云動態空間，如針對處置應急采集的數據包括：氨氮、總磷/總氮、水質五參數、CODMn、pH值、葉綠素、視頻流、電磁閥控制、語音喊話和預警、信息發布等模塊開辟云動態空間，采用如下舉例語句：

Create Namespace()

Imports System.Web.UI.Web Controls’導入了基于互聯網的云動態控件

Imports System.Data’開辟了基于數據庫的云動態空間

Imports hongzhangWater.BusinessFacade’導入了基于私人業務的云動態空間

NamespacehongzhangWater.web’開辟了基于整體網絡的云動態空間區塊

Namespace hongzhangWater.web. hongzhang5constant’開辟了基于五常參數數據的云動態空間

Namespace hongzhangWater.web. hong zhang ammonia-nitrogen’ 開辟了基于氨氮數據的云動態空間

Namespace hongzhang Water.web. hong zhang P-N’ 開辟了基于總磷/總氮數據的云動態空間

Namespace hongzhang Water.web. hongzhangCODMn’ 開辟了基于CODMn數據的云動態空間

Namespace hongzhangWater.web. hongzhangChlorophyll’ 開辟了基于葉綠素數據的云動態空間

Namespace hongzhangWater.web. hong zhangpH’ 開辟了基于pH值數據的云動態空間

Namespace hongzhangWater.web. hong zhangphoto’ 開辟了基于視頻流數據的云動態空間

Namespace hongzhangWater.web.hong zhangvoice’ 開辟了基于語音數據的云動態空間

Namespace hongzhangWater.web. hong zhangPLC’ 開辟了基于PLC電磁閥控制數據的云動態空間

……

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語句存儲動態數據，以滿足用戶的動態空間功能需求。同時，對于多用戶分析需求，可以定義：“hongzhangWater1”、“hongzhangWater2”… “hongzhangWaterN”等等。

3.2 設計安全體系

加密設計對其安全體系設計是非常重要的環節。

(1)需要在水源保護地節點云空間之間，進行加密程序設置。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，則當出現系統錯誤，在errorpage.aspx頁面彈出框中會出現錯誤代碼；當mode配置為“Off”時，則當出現系統錯誤，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設置為sessionState cookieless，拒絕或允許角色訪問應用程序源等[11]。

(2)需要在云技術服務中心的APP移動終端或電腦端應用終端配置安全體系。①配置一組動態命名空間，如在Crypttography動態命名空間下，找出AsymmetricAlgorithm，SymmetricAlgorithm和HashAlgorithm三模型類方法。其次，采用與數據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的值為加密過的數據庫鏈接字符串；②動態數據存取，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，它將輸入的明文數據數組使用MD5加密以后輸出加密后的密文數據數組，如“12345”加密后為“e10adc394FAS9ba59FSAFabbe5dfsafF6e057RWQf20f883e”等[12]；③系統驗證。應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 的已發布路徑。

3.3 設計通訊模式

水源地應急處置點往往地處偏遠，各種通訊方式都將可能應用，尤其是4G無線通訊，為此為了適應該通訊模式，在云技術服務中心要注重通訊模式的設計。在數據訪問中，我們采用dipose模式的設計[13]，該設計強迫數據訪問用戶遵循dipose模式的規則，以適應無線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，無論是水質五參數、氨氮、總磷/總氮、CODMn、葉綠素、pH值等狀態流數據，還是視頻流和語音等媒體流，以及閉環的電磁閥控制程序，都可以實現數據的互通。另外，dipose模式在數據訪問結束后將立即釋放鏈接資源，實現訪問空間的實時釋放，例如：視頻流、語音喊話與預警、電磁閥控制、信息發布等，訪問鏈接成功后，將釋放鏈路資源，而只僅僅保持通道資源，從而大大節約了鏈路通訊成本。

Public Sub Dispose()Implements IDisposable.Dispose’數據框架中引入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’判斷是否存在數據存取命令

If Not dsCommand.SelectCommand Is Nothing Then’判斷是否存在數據存取命令的命令體

If Not dsCommand.SelectCommand.Connection Is Nothing Then’判斷是否存在數據鏈路

dsCommand.SelectCommand.Connection.Dispose()’數據鏈路dipose模式啟動

End If

dsCommand.SelectCommand.Dispose()’數據命令體dipose模式啟動

End If

dsCommand.Dispose()’數據存取命令dipose模式啟動

dsCommand = Nothing’釋放鏈路資源

End If

End Sub

4 設計泛在服務

水源地監測的水質五參數、氨氮、CODMn、總磷/總氮、pH值、葉綠素、視頻流、語音、預警、電磁閥開關量控制、系統信息發布等功能模塊屬于常規功能設計，本文不作論述。除了這些常規功能，很多泛在服務[11]也是水源地保護所需要的，比如公共水質情況查詢、地區水雨情等。

啟用泛在服務，需要如下步驟：

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

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

(3)傳遞數據。采用兩種方式，一種為session (“參數名稱”)，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參數則用request(“ID”)；

圖4 水資源保護模塊

(4)用戶組件的設計，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函數：

Imports System’系統函數模塊導入

Imports System.Web’互聯網體系導入

Imports System.Web.UI’互聯網體系動態空間導入

Imports System.Web.UI.WebControls’ 動態空間源控件導入

Imports System.Collections’自定義鏈接集合體導入

……

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，總庫容2160萬m3，肩負全縣城鄉的供水重擔。水質好壞是事關全縣人民身心健康的大事，浦江縣西水東調管理處一直將保障飲用水安全作為水源保護的重點工作，從嚴執行飲用水水源地環境保護工作，切實加強金坑嶺水庫飲用水源地環境保護工作。

為確保庫區生態環境平穩安全，管理處加大投入巡查和保潔力量，聘請7名管理經驗豐富的巡查保潔人員成立水庫巡查小組，落實好“庫區每日巡查”、“庫區每日清掃”等管理目標，采用APP進行巡查，并做好每日水質巡查臺賬。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視頻監控“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。目前已在金坑嶺水庫原水出水口、庫區重要位置、杭坪引水口等重點區域安裝視頻監控設備。整個平臺構架如圖3所示。

依據圖3的顯示可以得知，云技術服務中心采用的是無線云網，基本實現了與移動用戶的鏈接，采用Dispose模式，在云服務中，設計了一系列的安全體系?；谝苿踊ヂ摰倪h程集中監測系統(含雙核多功能物聯網采集裝置)與現地控制單元鏈接的基礎，現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，基于移動互聯的遠程視頻以及預警語音監管系統的基礎，通過雙核多功能物聯網采集裝置與云技術服務中心鏈接。該系統需要接入智慧集中監控中心，因此，通過大數據庫系統和云鏈路接口，來實現接口的接入。

圖3 云系統框架

通過水資源管理模塊，實現人員考勤、水資源巡查、船只、水質成果、設備設施的信息化管理。讓相關科室人員標準管理、留下痕跡、形成臺賬、可查可溯。模塊主界面如圖4所示，水質在線監測APP如圖5所示。

圖5 云系統案例界面

圖5中案例界面(a)為水質云分析預警服務APP界面，(b)為公共發布平臺APP界面，(c)為移動端水源地水質點綜合監測界面。

6 結論

當前，該系統依然進行產業化和產品化的推廣，系統在應用中趨于穩定，其性能穩定可靠、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據的分析之上，比如對水源地保護方案分析提供相對科學的依據；對多種特性數據的采集，建設經驗庫，便于分享；提供更多的基于云數據計算的泛在服務；開辟一系列協助保護點所發布的面向公共的商業云鏈接等等。希望本系統的研究和開發，能為全國水源地保護點的系統設計提供借鑒和服務。