郭 民，高 強，4，韓紅桂

(1.北京工業(yè)大學(xué)信息學(xué)部，北京 100124；2.數(shù)字社區(qū)教育部工程研究中心，北京 100124；3.計算智能與智能系統(tǒng)北京市重點實驗室，北京 100124；4.城市軌道交通北京實驗室，北京 100124)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟迅速發(fā)展，污水排放量逐漸增多，水環(huán)境的保護越來越受到許多監(jiān)管和環(huán)保部門的重視[1-3]?！笆濉币?guī)劃的開局起步期，我國為了加強對水環(huán)境的保護，污染源的監(jiān)管以及污水的治理，開始加快污水處理廠的建設(shè)[4-5]。但污水處理廠普遍分布較廣，位置分散，如何搭建監(jiān)控系統(tǒng)對現(xiàn)有的污水處理廠進行統(tǒng)一、有效的監(jiān)管成為越來越關(guān)注的問題[6-9]。

傳統(tǒng)的污水處理監(jiān)控系統(tǒng)多是面向水廠個體，它們之間既有共性又有個性，既相對獨立又相互耦合。為了對區(qū)域內(nèi)的污水處理廠進行集中監(jiān)控，必須設(shè)計新的系統(tǒng)架構(gòu)方案，但是污水處理監(jiān)控系統(tǒng)規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、目標多樣、影響因素多，一定程度上會帶來系統(tǒng)開發(fā)周期長，效率低，復(fù)用性不高，維護難，擴展性差等問題。針對以上問題，文中結(jié)合Web Service的特點提出了一種基于Web Service技術(shù)的污水處理遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)方法，結(jié)果表明利用Web Service技術(shù)開發(fā)的污水處理遠程監(jiān)控系統(tǒng)為軟件開發(fā)提供了標準，增強了軟件及模塊的復(fù)用性，提高了軟件開發(fā)效率，方便了系統(tǒng)的維護，并為軟件的擴展帶來了便捷性。

1 Web Service技術(shù)特點

Web Service又名擴展型可標記語言(extensible markup language，XML)Web Service[10]。Web Service是一種可自主編寫的服務(wù)程序，任意語言都可以開發(fā)，程序體積小，并且在XML文檔的基礎(chǔ)上，可以保證不同的平臺或操作系統(tǒng)之間自由通信。Web Service通常又被定義為一組模塊化的應(yīng)用程序接口(application programming interface，API)，其顯著特點為高獨立性、高復(fù)用性、高集成性[11]。

Web Service對象具有低耦合和高獨立性。Web Service所采取的通訊協(xié)議為簡單對象訪問協(xié)議(simple object access protocol，SOAP)，SOAP是基于XML和超文本傳輸協(xié)議(hyper text transfer protocol，HTTP)的一種協(xié)議，而HTTP為網(wǎng)絡(luò)間交互的最基本的協(xié)議[12]。

Web Service是一種服務(wù)型的應(yīng)用程序，Web Service使用者在調(diào)用服務(wù)時，只需要了解服務(wù)的功能，以及服務(wù)接口的輸入和輸出參數(shù)，并且不需要考慮服務(wù)內(nèi)部的邏輯實現(xiàn)，所以Web Service具有高復(fù)用性[13]。

Web Service也具有高集成性。由于Web服務(wù)使用了最基本的通用協(xié)議和任何平臺都可解析的XML文檔，完全屏蔽了不同的平臺、不同的組件、不同的軟件、不同語言間的差異，實現(xiàn)了不同環(huán)境下的各個模塊間最高的集成性[14]。

因此，將Web Service技術(shù)應(yīng)用于污水處理遠程監(jiān)控系統(tǒng)中，將充分發(fā)揮Web Service特點，也將有效解決污水處理遠程監(jiān)控系統(tǒng)中軟件及模塊可復(fù)用性低的問題。

2 Web Service接口設(shè)計

Web Service 接口的開發(fā)可以分為服務(wù)器端開發(fā)和客戶端開發(fā)兩個方面：

(1)服務(wù)端開發(fā)：主要是開發(fā)者通過分析各個系統(tǒng)的業(yè)務(wù)模塊間的相通的部分，對相通的部分的邏輯程序進行編寫，并且規(guī)范輸入與輸出的數(shù)據(jù)類型，將輸入與輸出的參數(shù)以及參數(shù)類型寫入WSDL文檔，以便客戶端對服務(wù)進行查詢和了解。

(2)客戶端開發(fā)：客戶端的開發(fā)更多的集中在對服務(wù)的引用中，客戶端根據(jù)所需的服務(wù)來尋找相應(yīng)的WSDL文檔。根據(jù)WSDL文檔，客戶端會發(fā)送一個包含URL地址的SOAP請求到服務(wù)器端，以請求使用該Web Service接口，服務(wù)端在接收到SOAP請求消息后，再通過HTTP請求將應(yīng)答的消息返回客戶端[15]。

2.1 功能和數(shù)據(jù)需求分析

污水處理遠程監(jiān)控系統(tǒng)主要負責收集所有污水處理廠水處理工藝的實時數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理和展示。污水處理遠程監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)對象的不同分為兩大功能：數(shù)據(jù)采集與處理；數(shù)據(jù)顯示與分析。數(shù)據(jù)采集與處理模塊主要包含服務(wù)器采集PLC的信號數(shù)據(jù)，并對電信號進行數(shù)模轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)顯示模塊主要包含流程顯示模塊、報警管理模塊、趨勢分析模塊、報表管理模塊、圖表分析模塊、系統(tǒng)管理模塊等，具體功能模塊如圖1所示。

圖1 污水處理遠程監(jiān)控系統(tǒng)功能模塊

報警管理模塊主要是對水質(zhì)數(shù)據(jù)以及采集設(shè)備的異常進行報警，設(shè)備報警一般包含設(shè)備名稱、設(shè)備編號、報警開始時間、報警解除時間等屬性，水質(zhì)報警一般包含工藝名稱、水質(zhì)參數(shù)名稱、報警開始時間、報警解除時間等屬性。該模塊的總體輸入為設(shè)備名稱、設(shè)備編號、工藝名稱、參數(shù)名稱等。報警發(fā)生時間、報警解除時間以及報警級別既可以作為報警管理模塊的輸入，同時可以作為輸出。

趨勢分析模塊、報表管理模塊、圖表分析模塊等主要根據(jù)不同的條件查詢數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)以表格或折線的形式展現(xiàn)出來。利用工藝名稱、參數(shù)名稱、時間等參數(shù)可以對數(shù)據(jù)庫中的相應(yīng)的水質(zhì)數(shù)據(jù)進行查詢，并將查詢結(jié)果作為返回值返回?？偟膩碚f，這些模塊輸入為工藝名稱、參數(shù)名稱、查詢起止時間，輸出為參數(shù)值、采集時間等。

綜上所述，不同的功能模塊具有不同的功能，需要不同的數(shù)據(jù)，因此輸入與輸出不可能完全相同，從而導(dǎo)致了模塊的復(fù)用性不高。為了增強模塊的復(fù)用性，將所有的輸入與輸出進行整合，接口的輸入與輸出參數(shù)如表1、表2所示。

表1 接口輸入?yún)?shù)

2.2 Web Service接口軟件架構(gòu)設(shè)計

為了提供完整的業(yè)務(wù)功能以及需要的系統(tǒng)功能，Web Service需要為所有的功能模塊提供接口，包括污水處理流程顯示模塊、報警管理模塊、趨勢分析模塊、報表管理模塊、圖表分析模塊、系統(tǒng)安全管理模塊等。結(jié)合面向功能的思路，污水處理遠程監(jiān)控系統(tǒng)的各個

表2 接口輸出參數(shù)

功能模塊向Web Service服務(wù)器發(fā)出請求服務(wù)的SOAP協(xié)議指令，UDDI服務(wù)器接收請求的信息，接著UDDI服務(wù)器再將用戶的請求信息返回給Web Service服務(wù)端，Web Service服務(wù)端接收該請求，并通過接收到的WSDL文檔中工藝名稱、參數(shù)名稱、時間等參數(shù)調(diào)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，并把結(jié)果轉(zhuǎn)化為XML數(shù)據(jù)形式發(fā)送到客戶端，通過URL地址便可以觀察到污水處理過程數(shù)據(jù)，具體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 Web Service接口軟件架構(gòu)

2.3 接口參數(shù)定義

根據(jù)污水處理監(jiān)控系統(tǒng)的接口需求分析，系統(tǒng)的Web Service接口提供包括獲取水質(zhì)參數(shù)值、采集時間、報警級別、設(shè)備狀態(tài)、報警發(fā)生時間、報警解除時間等接口功能。詳細接口參數(shù)定義如下：

參數(shù)1：獲取某工藝水質(zhì)參數(shù)值

定義：public String getVal(String strInputXML)

輸入：字符串

輸入：返回水質(zhì)參數(shù)值字符串

參數(shù)2：獲取水質(zhì)參數(shù)的采集時間

定義：public String getValtime(String strInput XML)

輸入：字符串

輸出：返回水質(zhì)參數(shù)的采集時間字符串

接口3：獲取某工藝設(shè)備狀態(tài)

定義：public String getState(String strInputXML)

輸入：字符串

輸出：返回工藝設(shè)備狀態(tài)布爾變量

參數(shù)4：獲取報警發(fā)生時間

定義：public String getReporterHTime(String str InputXML)

輸入：字符串

輸出：返回報警發(fā)生時間字符串

參數(shù)5：獲取報警解除時間

定義：public String getReportETime(String str InputXML)

輸入：字符串

輸出：返回報警解除時間字符串

參數(shù)6：獲取報警級別

定義：public String getReportLevel(String str InputXML)

輸入：字符串

輸出：返回報警級別字符串

由上述內(nèi)容可知，系統(tǒng)提供的Web Service服務(wù)所提供的參數(shù)大致分為2種：獲取實時數(shù)據(jù)；獲取數(shù)據(jù)庫中的歷史數(shù)據(jù)。獲取數(shù)據(jù)庫的實時數(shù)據(jù)類型的輸入數(shù)據(jù)類型是string，返回值的數(shù)據(jù)類型是string，獲取歷史數(shù)據(jù)類型的輸入數(shù)據(jù)類型是bool、string、time，返回值的數(shù)據(jù)類型是string。

3 Web Service接口實現(xiàn)

根據(jù)上述對污水處理遠程監(jiān)控系統(tǒng)的Web Service接口參數(shù)的分析，采用C#語言編寫Web Service服務(wù)，使用Visual Studio 2010進行開發(fā)，在此以獲取水質(zhì)參數(shù)溶解氧(dissolved oxygen，DO)為例進行說明，部分實現(xiàn)代碼如下：

public class WebService

{

public string getVal(string getval，Dictionary DO)

{

//通過getval方法獲取DO數(shù)據(jù)

byte[]data = getRequestData(getval，DO);

string mSoapAction =″http://tempuri.org/″+ getval;

request.Headers.Add(″SOAPAction″,mSoapAction);

request.ContentLength = data.Length;

Stream rStream = request.GetRequest Stream();

rStream.Write(data，0，data.Length);

rStream.Close();

WebResponse response = request.Get Response();

Stream dataStream = response.Get ResponseStream();

StreamReader reader = new Stream Reader

(dataStream);

string result = reader.ReadToEnd();

dataStream.Close();

response.Close();

return result;

}

}

根據(jù)上述編寫的Web Service，定義getval為接口的方法名稱，并將方法對應(yīng)的URL地址封裝到mSoapAction字符串中，并通過SOAP協(xié)議將字符串發(fā)送給UDDI服務(wù)器，尋找到getval方法。對于DO用response實體化以數(shù)據(jù)流的形式讀取，在讀取完后，對數(shù)據(jù)流和請求進行關(guān)閉，避免線程等待，占用CUP。相對應(yīng)的接口文檔部分如下：

maxOccurs=″1″name=″i″

type=″s:string″/>

以上XML定義該接口的名字為getval，并利用complexType標簽對復(fù)雜接口進行描述，內(nèi)容包含接口中參數(shù)的順序，該部分包含一個元素，通過字符串變量i獲取DO的值，i代表參數(shù)名稱。

對編寫的Web Service接口進行發(fā)布，生成相應(yīng)的WSDL文檔，根據(jù)Web Service文檔中的getval方法中的SOAPAction內(nèi)容發(fā)送POST請求，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞。

4 結(jié)論

針對污水處理遠程監(jiān)控系統(tǒng)中存在系統(tǒng)開發(fā)周期長、效率低、復(fù)用性不高等問題，文中提出了一種基于Web Service技術(shù)設(shè)計開發(fā)污水處理遠程監(jiān)控系統(tǒng)的方法，增強了軟件及模塊的復(fù)用性。對污水處理遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計了規(guī)范性的Web Service接口，方便了系統(tǒng)的功能擴展。

該接口的設(shè)計和實現(xiàn)，立足于污水處理監(jiān)管的需要，它能大幅度減少系統(tǒng)開發(fā)與維護周期，增強軟件和模塊復(fù)用性，成倍地提高系統(tǒng)開發(fā)效率，方便系統(tǒng)功能擴展。