曹軼男，張仁貢

(1.江西省吉安縣水利局，江西 吉安 343100；2.浙江禹貢信息科技有限公司，浙江 杭州 310009)

0 引 言

近年來我國十分重視水體的環(huán)境保護(hù)，特別是飲用水體的保護(hù)，加強飲用水源地環(huán)境保護(hù)工作取得積極進(jìn)展，但全國水體污染突發(fā)事件時有發(fā)生。為了做好水污染突發(fā)事件的防范，提高應(yīng)對水污染突發(fā)事件的能力，迅速、有序、高效地組織水污染突發(fā)事件的應(yīng)急反應(yīng)行動，確保人民群眾用水安全，保障經(jīng)濟社會全面、協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展，建立區(qū)域性水環(huán)境實時監(jiān)測平臺尤為緊迫和十分必要。傳統(tǒng)的水體污染應(yīng)急處置存在很多不足：①不能達(dá)到實時監(jiān)測和分析的目的。水體污染后，通常的做法是進(jìn)行水體采樣，送到實驗室進(jìn)行化驗并得出結(jié)論，時間長，往往達(dá)不到應(yīng)急處置的要求。②通訊技術(shù)落后，實時性差。有些地方嘗試安裝了實時水質(zhì)在線監(jiān)測設(shè)備，但是由于通訊技術(shù)落后，影響了實時性。③數(shù)據(jù)保存不全。采用現(xiàn)地服務(wù)器或主機保存數(shù)據(jù)，時常維護(hù)不善或病毒感染或硬盤燒壞等原因，數(shù)據(jù)保存不全，無法開展大數(shù)據(jù)分析。④未采用移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、APP等最新技術(shù)，導(dǎo)致實時數(shù)據(jù)和應(yīng)急處置方案無法共享[1]。為此，急需研究開發(fā)一款水體污染應(yīng)急處置實時監(jiān)測云平臺，該系統(tǒng)能實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)實時在線監(jiān)測，通過4G網(wǎng)絡(luò)的傳輸，結(jié)合云技術(shù)、移動互聯(lián)技術(shù)與APP開發(fā)技術(shù)實現(xiàn)各項功能，且既經(jīng)濟實用又簡單可靠?？梢詽M足全國越來越多的水體污染應(yīng)急處置的需要。

1 總體框架

作為一種新型的應(yīng)急處置平臺的設(shè)計，①要從感知層即物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的發(fā)明和突破[2]。本系統(tǒng)設(shè)計水質(zhì)在線數(shù)據(jù)采集(水質(zhì)五參數(shù)、氨氮、總磷/總氮、CODMn、葉綠素等)、視頻流數(shù)據(jù)采集(視頻監(jiān)控)、實驗室分析數(shù)據(jù)采集(涉及水質(zhì)的非常規(guī)必要參數(shù)等)，數(shù)據(jù)采集的多樣性，必然需要發(fā)明一種物聯(lián)網(wǎng)集成化一體化設(shè)備，以解決該問題[3]。為此，筆者經(jīng)過努力，設(shè)計和開發(fā)了雙核多功能物聯(lián)網(wǎng)采集裝置。②由于很多水源地應(yīng)急處置點發(fā)生在河道、水庫等山區(qū)偏僻之地，采用新能源的太陽能+蓄電池的供電系統(tǒng)比較合適。③由于河道、水庫等水源地地處偏遠(yuǎn)，光纖通訊線路長價格貴，因此采用4G無線通訊技術(shù)比較合適。④采用云構(gòu)架的設(shè)計，節(jié)約了購買現(xiàn)地服務(wù)器的投資成本；⑤同時采用移動互聯(lián)網(wǎng)開發(fā)技術(shù)，實現(xiàn)了手機端APP的監(jiān)控功能。⑥若多個河道及水庫水源地監(jiān)測點的聯(lián)合監(jiān)控，建設(shè)水源地集控中心進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)控管理平臺可以節(jié)約投資?？傮w框架如圖1所示。

參考圖中設(shè)計，水質(zhì)在線監(jiān)測數(shù)據(jù)和實驗室采集數(shù)據(jù)采用不同的信號采集儀器或輸入式數(shù)據(jù)采集軟件模塊，信號采集儀器通過485串型接口，在雷多發(fā)地區(qū)，可采用光纖工業(yè)以太網(wǎng)通訊(但成本會增加)，經(jīng)小型PLC或單片機處理，通過4G無線網(wǎng)絡(luò)鏈接到雙核多功能物聯(lián)網(wǎng)采集裝置，PLC處設(shè)計觸摸屏，有觸摸屏程序可以單一對該采集部分進(jìn)行操作。實驗室采集數(shù)據(jù)可以通過輸入式數(shù)據(jù)采集軟件模塊，在實驗室安裝采集工作站，實現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)的方便輸入。視頻流數(shù)據(jù)通過編解碼器，也通過4G無線網(wǎng)絡(luò)鏈接到雙核多功能物聯(lián)網(wǎng)采集裝置。所有數(shù)據(jù)經(jīng)過云服務(wù)器進(jìn)行處理，通過云服務(wù)到移動APP及電腦端應(yīng)用程序，同時可以通過令牌網(wǎng)，實現(xiàn)集控中心的互聯(lián)，實現(xiàn)應(yīng)急處置實時監(jiān)控、方案及結(jié)果的對外發(fā)布。

圖1 總體構(gòu)架

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)量則可由通訊網(wǎng)絡(luò)直接傳輸[4]。I/O模塊包括：

(1)串行口I/O模塊。該模塊支持RS-485和RS-232等串行接口標(biāo)準(zhǔn)，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，在現(xiàn)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(jìn)行遠(yuǎn)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(dāng)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(yuǎn)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。[5]。

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

(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100 Mbps以上的速度下載或上傳，比目前的家用寬帶ADSL(4兆)快25倍，并能夠滿足幾乎所有用戶對于無線服務(wù)的要求。此外，4G可以在DSL和有線電視調(diào)制解調(diào)器沒有覆蓋的地方部署，然后再擴展到整個地區(qū)。很明顯，4G有著不可比擬的優(yōu)越性。

信號經(jīng)過I/O模塊的輸入模塊匯入雙核中央處理器進(jìn)行處理，它由電源模塊提供不間斷穩(wěn)定的電源。處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)過I/O模塊的輸出模塊輸出。

3 云技術(shù)服務(wù)中心

3.1 開辟動態(tài)云空間

水源地應(yīng)急處置的特點，決定了采用傳統(tǒng)的技術(shù)模式已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代化發(fā)展的需求，必須結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)和云技術(shù)的構(gòu)架，開辟動態(tài)云空間。本系統(tǒng)采用阿里云的構(gòu)架，基于SQL SERVER的動態(tài)云空間開辟[6-8]。

由于水源地應(yīng)急處置需求的多元化，可以采用Namespace指令開辟動態(tài)云空間，如針對應(yīng)急處置的采集數(shù)據(jù)包括：水質(zhì)五參數(shù)、氨氮、總磷/總氮、CODMn、葉綠素、pH值、視頻流、語音喊話與預(yù)警、電磁閥控制、信息發(fā)布等模塊開辟動態(tài)云空間，采用如下舉例語句：

Create Namespace()

Imports System.Web.UI.WebControls’導(dǎo)入互聯(lián)網(wǎng)控件

Imports System.Data’導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫

Imports Water.BusinessFacade’導(dǎo)入私人業(yè)務(wù)空間

Namespace Water.web’開辟整體網(wǎng)絡(luò)空間區(qū)塊

Namespace Water.web.5constant’開辟五常參數(shù)數(shù)據(jù)空間

Namespace Water.web.ammonia-nitrogen’ 開辟氨氮數(shù)據(jù)空間

Namespace Water.web.P-N’ 開辟總磷/總氮數(shù)據(jù)空間

Namespace Water.web.CODMn’ 開辟CODMn數(shù)據(jù)空間

Namespace Water.web.Chlorophyll’ 開辟葉綠素數(shù)據(jù)空間

Namespace Water.web.PH’ 開辟PH值數(shù)據(jù)空間

Namespace Water.web.photo’ 開辟視頻流數(shù)據(jù)空間

Namespace Water.web.voice’ 開辟語音數(shù)據(jù)空間

Namespace Water.web.PLC’ 開辟PLC電磁閥控制數(shù)據(jù)空間

…….

End Namespace

其中，“Water”為該水源地應(yīng)急處置點的別名。云空間定義好后，就可以針對每個空間，利用SQLSERVER語句動態(tài)存儲數(shù)據(jù)，以滿足應(yīng)急處置點用戶的動態(tài)空間的功能需求。同時，對于多應(yīng)急處置點用戶的大應(yīng)急處置分析的需求，可以定義：“Water1”、 “Water2”… “WaterN”等等，對應(yīng)多應(yīng)急處置點用戶的數(shù)目。

3.2 設(shè)計安全體系

采用云框架的技術(shù)服務(wù)，其安全體系的加密設(shè)計將非常重要。

(1)需要在應(yīng)急處置點云空間之間，設(shè)置加密程序。首先在配置段配置三個鍵：ConnectionString，Laststring和WebMachine，ConnectionString為對稱加密后的鏈接字符串，Laststring包含了連接池的一些配置，可以增減其他的一些配置，WebMachine為web服務(wù)器名稱或IP地址。其次中的mode設(shè)為“On”時，則當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)錯誤，errorpage.aspx頁面會出現(xiàn)，mode設(shè)為“Off”時，則當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)錯誤，會反饋具體的錯誤信息，如“亂碼”一樣的頁面。再次，身份驗證采用“Forms”方式，即窗體驗證；驗證窗體logon.aspx；最后，全球化設(shè)置，cookie設(shè)置sessionState cookieless，允許或拒絕用戶或角色訪問應(yīng)用程序資源等[12]。

(2)需要在云技術(shù)服務(wù)中心與互聯(lián)網(wǎng)訪問用戶，包括移動端APP、電腦端應(yīng)用等，設(shè)計安全體系。①配置一組命名空間，如在Crypttography命名空間下，找出AsymmetricAlgorithm，SymmetricAlgorithm和HashAlgorithm三類方法。其次，與數(shù)據(jù)庫鏈接采用對稱加密方法，加密后放在web.config的配置段里，其鍵值key為"ConnectionString"的配置，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.Cryptography名字空間的一個類，MD5CyptoServiceProvider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“e10adc3949ba59abbe56e057f20f883e”等[10]。③系統(tǒng)的驗證。應(yīng)用程序必須被配置成使用基于窗體的身份驗證，將 設(shè)置為 Forms 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 Cookie 名稱、保護(hù)類型、用于登錄頁的 URL、Cookie 生效的時間長度以及用于已發(fā)布 Cookie 的路徑。

3.3 設(shè)計通訊模式

水源地應(yīng)急處置點往往地處偏遠(yuǎn)，各種通訊方式都將可能應(yīng)用，尤其是4G無線通訊，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[11]，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’引入數(shù)據(jù)框架中的Dispose模式

Dispose(True)’開啟dipose模式

GC.SuppressFinalize(True)’初始化鏈路資源

End Sub

Protected Overridable Sub Dispose(ByVal disposing As Boolean)

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

Exit Sub

End If

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

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

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

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

End If

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

End If

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

dsCommand = Nothing’釋放鏈路資源

End If

End Sub

4 設(shè)計泛在服務(wù)

水源地應(yīng)急處置點的水質(zhì)五參數(shù)、氨氮、總磷/總氮、CODMn、葉綠素、pH值、視頻流、語音喊話與預(yù)警、電磁閥控制、信息發(fā)布等功能模塊的移動端和電腦端的開發(fā)，屬于水源地應(yīng)急處置點常規(guī)功能設(shè)計，限于篇幅，本文不作累述。除了這些常規(guī)功能，很多泛在服務(wù)[12]也是水源地應(yīng)急處置點用戶所需要的，比如水質(zhì)情況公共查詢、該地域的水雨情情況等。

啟動泛在服務(wù)，需要安裝如下步驟：①需要注冊用戶控件，采用Register命令進(jìn)行注冊，例如注冊天氣預(yù)報泛在服務(wù)(WEBweather)，語句為：%@ Register TagPrefix=“ucl” TagName=“WEBweather”SRC=“…/UserControl/ WEBweather.ascx” %。②啟用Java腳本函數(shù)，例如：function txtKeydown()if(window.event.keyCode == 13){ window.event.keyCode =9；}…。③數(shù)據(jù)傳遞：本系統(tǒng)的中頁的參數(shù)傳遞采用兩種方式，一種是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/xkcx/xkjgkbcjd.aspx?ID=" & e.CommandArgument)等，在另一頁中要得到ID參數(shù)則用request(“ID”)。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’導(dǎo)入系統(tǒng)函數(shù)模塊

Imports System.Web’導(dǎo)入互聯(lián)網(wǎng)體系

Imports System.Web.UI’導(dǎo)入互聯(lián)網(wǎng)體系鏈接空間

Imports System.Web.UI.WebControls’導(dǎo)入空間源控件

Imports System.Collections’導(dǎo)入自定義鏈接集合體

……

5 實例分析

為了及時掌握江西省吉安市各縣(市、區(qū))界水體、主要城鎮(zhèn)飲用水源地、大中型水庫的水質(zhì)水量動態(tài)，對全市縣界水體及供水水源地進(jìn)行水質(zhì)水量動態(tài)監(jiān)測及《界河、供水水源地水質(zhì)信息公報》的編制工作。監(jiān)測范圍為區(qū)市和各縣(市、區(qū))主要河流行政區(qū)界水體、主要城鎮(zhèn)飲用水源地，涉及贛江、遂川江、蜀水、孤江、禾水、牛吼江、瀘水、烏江等8條河流，47座大中型水庫。界河、飲用水源地水質(zhì)監(jiān)測站共33個，其中，市界水質(zhì)監(jiān)測站3個，縣(市、區(qū))界水質(zhì)監(jiān)測站15個，飲用水源地水質(zhì)監(jiān)測站17個。根據(jù)所檢項目，按照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)及《地表水資源質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)程》(GB395-2007)采用單因子評價方法，對主要供水水源地、界河交接斷面和水庫水質(zhì)進(jìn)行評價；采用湖泊(水庫)營養(yǎng)狀態(tài)評價標(biāo)準(zhǔn)及分級方法，對水庫營養(yǎng)狀態(tài)進(jìn)行評價，數(shù)據(jù)通過云平臺進(jìn)行發(fā)布。

從圖3可知，云技術(shù)服務(wù)中采用無線云網(wǎng)，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)計了安全體系?；谝苿踊ヂ?lián)的遠(yuǎn)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，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?；谝苿踊ヂ?lián)的遠(yuǎn)程視頻及預(yù)警語音監(jiān)管系統(tǒng)，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。本系統(tǒng)需要接入智慧集中監(jiān)控中心，故通過大數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，通過云鏈路接口，實現(xiàn)接口的接入。圖4為案例界面(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。

圖3 云系統(tǒng)框架

圖4 云系統(tǒng)案例界面

6 結(jié) 論

目前，本系統(tǒng)已經(jīng)產(chǎn)品化和產(chǎn)業(yè)化推廣，已經(jīng)應(yīng)用到全國多個水源地保護(hù)點，系統(tǒng)也趨于穩(wěn)定，性能可靠，操作簡單，成本低廉，有效解決了水源地保護(hù)點的諸多問題。我們的下一步研究將把重心放在大數(shù)據(jù)分析上，如對水源地保護(hù)點的應(yīng)急處置方案分析提供科學(xué)的依據(jù)；通過多種應(yīng)急特性數(shù)據(jù)的采集，建設(shè)經(jīng)驗庫，以便分享；提供更多的基于云數(shù)據(jù)計算的泛在服務(wù)；開辟協(xié)助應(yīng)急處置點發(fā)布的面向公眾的商業(yè)云鏈接等。希望通過本系統(tǒng)的研究和開發(fā)，能為全國水源地保護(hù)點的應(yīng)急處置系統(tǒng)設(shè)計提供借鑒。