县级农村饮水安全信息监管平台设计与实现

2019-04-24王维东刘树波涂国庆

长江科学院院报 2019年4期

王维东，刘树波，涂国庆

（1.湖北省利川市水利水电工程质量监督站，湖北利川 445400；2.武汉大学计算机学院，武汉 430072；3.武汉大学国家网络安全学院，武汉 430072）

1 研究背景

农村饮水安全事关农村居民的基本生存权利，农村饮水安全工程是一项惠及民生的重大工程。“十三五”期间，在现有农村饮水安全工作的基础上，实施巩固提升工程［1］，对于逐步提高农村饮水安全标准、改善农村居民健康状况、提高农村生产生活水平、补齐农村基础设施短板具有重要意义，也是全面建成小康社会的重要任务［2］。

信息化建设是促进农村饮水安全巩固提升的重要手段，实施管理现代化战略［3］。以县（市、区）为单元，将先进的信息化技术逐步应用到农村饮水安全工程的取水、制水、用水等环节［4-5］，实现农村饮水安全生产全过程实时监测和行政主管部门的实时监管，加强制水企业主体作用、行政主管部门的监督指导作用，为保证农村饮水安全巩固提升发挥重要作用。

通过“十一五”和“十二五”两期建设，我国农村饮水安全工程建设已经跃上了新台阶，工程现状大为改观，但工程管理措施还跟不上工程运行的需求［6］，除一些规模水厂实施了自动监控和水质监测以外［7-8］，大量的分散式中小规模水厂还没有相应的管理手段［9-10］，造成水质不稳定，集中管理困难，监管不到位。为解决农村饮水安全信息化基础建设比较分散、不成体系，不能进行集中监管，不能适应现代化农饮工程管理需要等问题，本文提出了一种促进县级农村饮水安全巩固提升的监管平台架构和实现方法。

2 系统建设指导思想

（1）利用水厂自动监控系统助推水厂级供水质量持续提高。对水厂取水、生产和管网供水等环节进行监测、监视与控制信息的采集，对实时监测数据进行自动采集、传输、接收、处理、存储，使水厂监控流程可视化；掌握水厂的基础信息和水厂运行的水量、水质、能耗等信息；通过厂区和管网监测数据，对工程运行及时告警预警；为水厂安全生产和供水提供信息化保障，促进供水质量的不断提升。

（2）提升县级行业主管部门对农村供水工程运行管理的监管能力。通过信息化平台将全市各水厂综合监测数据传输到监控中心存储和分析，能够及时掌握各水厂运行状况、水质合格率、供水保证率信息；督促水厂限时解决事故，考评水厂供水的保障率；为管理层全面分析农村供水工程安全运行情况、供水区需水与用水情况、进而作出科学决策，提供强有力的数据支持。

（3）提供省级工程建管支持。系统用户分为水厂级、县级、省（市）级。通过数据分析，统计供水合格率和供水保障率，并按优劣次序奖励、警告、督办；通过各水厂供水质量分析，宏观上指导和督促各水厂制定提升供水质量的措施；通过公共渠道获取流域、水源水库的水质信息，实时掌握水源水质规律性或突发性变化，总体指导水厂运行，监管制定突发事件的处理措施和应急响应方案。

3 系统总体架构

该系统以水厂为接入节点，县级农村饮水行政单位为全县数据汇聚与综合应用中心，实现县域范围内水厂与管网的监控、安全运行、水质管理、运行监管的一体化运行监管平台。系统总体架构如图1所示。

图1 系统总体架构Fig．1 Framework of the platform system

本系统从建设结构上可以分为5层：信息采集与控制层、网络传输层、云存储层、云服务平台层和业务应用平台层，其中后3层都属于县级数据中心建设内容。现对各结构层的功能分述如下。

（1）信息采集与控制层：水源地及厂区水质、液位监测，厂区流量、电量、设备运行状态监测，管线末梢压力、水质、流量监测，视频信息采集，视频、水厂泵组、阀门与加药设备控制。

（2）网络传输层：现场采集与控制数据通过遥测网、监控光缆网络、广域互联网络在监控点、水厂、信息中心和其他相关部门间传输。

（3）云存储层：提供云存储能力，包含基础信息数据库、测控信息数据库、视频数据库、空间数据库。

（4）云服务平台层：提供云服务应用支撑，包含中心开发与运行环境、资源虚拟化、云资源管理、云平台管理及相关云服务支撑；管理下层的网络资源与数据存储资源，为上层业务应用提供云端运行环境。

（5）业务应用平台层：以云服务平台层为基础，利用水厂监测与控制系统数据，开发业务应用软件系统，实现县级监管平台的主要功能。应用系统包含平台软件和移动应用软件2种形式。

水厂现地数据采集与监控（Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA）系统与管网压力遥测等技术比较成熟，本文不再赘述。为保障饮水数据的安全，在县级数据中心配备虚拟化软件和云平台管理软件，对计算资源、网络资源和存储资源进行池化，建设县级水利私有云平台。本文着重论述分布式水厂的异构监控网络数据在数据中心的可靠集成，解决了这个问题，实现了数据共享，监管平台实现的技术难点也就解决了。

4 分布式水厂异构SCADA系统数据集成

4.1 存在的问题

农饮工程的特点是水厂规模比较小、数量多、位置分散，水厂SCADA系统建设标准不统一。监控网络结构形式多样，网络形式上有分散控制系统和集中控制系统，网络结构上有Modbus，CANopen等工业现场总线，也有基于IP的工业以太网现场总线结构。

对于顶层监管系统集成来说，各水厂的异构结构给集成带来了难度，主要体现在：首先，硬件平台、操作系统、并发控制、访问方式和通信能力不同；其次，各分布系统采用的工业现场总线协议不同，也就是命名规则、数值、语义和模式不同。例如，本文的应用背景中涉及5座水厂，具体配置如表1。

表1 某农饮工程各水厂SCADA系统建设情况Table 1 Constructed SCADA systems of water plants in a rural tap water project

4.2 异构SCADA系统数据集成方案

从表1中可以看出，由于各水厂SCADA系统所采用的控制手段和控制技术各不相同，现场总线多样，数据库和运行平台也不相同，意味着变量命名规则、数值定义、语义和模式各不相同。要通过系统集成达到集中管理、信息共享的目的，必须解决2个问题：一是管理中心和各水厂SCADA系统异构网络的集成，二是各水厂不同总线协议的接口集成。

4.2.1 管理中心与各水厂SCADA系统的网络级集成同步

一般农村水厂都比较分散，利用公用网络将管理中心和各水厂联网是网络集成的首选，但这样的集成存在网络不在一个网段，除中心有固定IP外，各水厂网络对外IP是动态的。网络级同步首先要解决设备发现问题，就是中心设备和水厂监控设备之间能够互相通信。以下2种途径可以解决这个问题：一种是通过运营商的管理设备将管理中心和水厂的顶层IP网络规划为同一个虚拟VPN网段，这种方法简单，但运行成本较高；另一种方法是通过自建目录服务动态VPN，将各网段IP在地址目录服务器中注册，某个网段的IP发生变化需要在地址目录服务器上重新注册，地址目录服务器使用固定IP地址。这种方式运行成本低廉，用户掌握网络管理的主动权，因此本文采用地址目录服务器。

地址目录服务器存储了各水厂和管理中心VPN设备的硬件信息、用户信息，当某个水厂VPN设备启动时，首先进行PPPOE拨号，拨号成功后，即可获取当前使用的公网IP，随后自动搜索其内置的目录服务器IP，然后与目录服务器进行数据交换。交换的数据主要包括VPN设备的身份认证、IP地址登记及IP地址下载3个部分。其他水厂的VPN设备也是一样，同时VPN设备会定期将其他成员的IP地址下载到本地，这样就可依据各自当前的公网IP建立VPN，实现无障碍通信。

图2为管理中心与各水厂SCADA系统同步后的网络结构，图中线（1）表示水厂路由向地址目录服务器注册及协商的过程，线（2）表示监控网络与管理网络数据交互的过程。

图2 各水厂网络与管理中心网络级同步示意图Fig．2 Synchronization between water plants network and management center’s network

4.2.2 管理中心与各水厂SCADA系统的接口级互联

网络级同步仅仅是保证了各网段之间的网路是互通的，在IP层可以通信，但在本网络中需要交换的是现场水质、运行工况等数据，这些数据来自于各水厂的SCADA系统。要解决这些数据的共享，还需解决协议转换问题，这是本系统的关键问题，也是技术难点。

同步网络中配置了一台通信服务器，图2中通信服务器上运行负责水厂数据收发和转存的定制软件，该软件的重要功能是负责不同协议的接口数据收发。本应用中包含了2种不同的协议，即EtherNet／IP协议和 OPC（OLE（Object Linking and Embedding）for Process Control）接口协议。Modbus协议是现场设备之间的通信协议，异构接口互联时可以不用考虑。

图3中给出了接口集成中各被集成接口的位置及集成内容，其中，水厂级接口由设备供应商和接口协议服务器（Modbus OPC Server）供应商提供，只需要对系统进行设置即可使用，需要设计的是管理中心通信服务器的定制化中间件。它需要完成2个任务：一是2种协议类型水厂的通信，即图3中的（1）和（2）两路双向通信；另一个是将接收的数据写入到数据库服务器的数据库表中，即图3中（3）的数据入库任务。

图3 各水厂与管理中心协议接口互联图Fig．3 Communication interconnection among water plants and management center

通信服务器中间件要解析和封装2种报文，EtherNet／IP协议中的CIP（控制及信息协议）报文和OPC接口协议报文。

面向EtherNet／IP的SCADA系统的CIP报文中水质、能耗、水量、开关等实时I／O信息采用隐式报文传输，对设备的配置信息等非实时信息采用显式传输。

监管平台主要是从各SCADA系统获取实时信息，不需要对底层设备进行管理，因此设计中间件时主要考虑隐式报文的解析和封装，隐式报文封装成UDP包发送。设备连接等的消息管理采用TCP包以显式报文发送。

中间件设计主要关心报文格式，以浊度报为例，Ethernet／IP协议的报文封装如图4。封装好的信息通过UDP（TCP）0x08ae（0xaf12）端口传送。

图4 CIP报文封装Fig．4 CIP message encapsulation

将CIP报文正确封装好后，通过Socket编程接口发送到某个PLC或智能设备上，设备会返回所询问的浊度ID对应的实时值。OPC技术是一个用于和PLC通讯的基于COM的通讯组件，本系统中OPC组件实现的是Modbus协议。因此，面向采用Modbus协议的水厂SCADA系统，可采用OPC接口协议通信，在管理中心通信服务器中间件上还应设计OPC Client接口，用于与 Modbus OPC Server通信。本系统中Modbus OPC Server就是水厂的监控工作站，它既作为OPC Server，也作为一个OPC Client，即其上运行的组态软件就是OPC Server的一个OPC Client。

5 监管平台设计与实现

在信息中心建设县级农村供水工程监管软件平台，对全县水厂监测的原始数据进行统计、分析，通过数据、图形和三维影像的结合，实现实时查询与展现，直观地反映全县整体农村供水工程基本信息和运行监测信息。

5.1 监管平台功能模块及实现

监管平台主要功能模块包含水源保证监测、生产流程监控、预警与应急处理、巡线管理、信息查询、统计分析、系统管理等模块。部分模块的主要功能实现效果如下：

（1）水厂生产与供水监测。图5为根据水厂与管网监测点的实时信息按时段绘制水质、管压曲线。

图5 胡家畈水厂和管网监测实时数据（2017-11-27）Fig．5 Real-time monitoring data from water plants and water-supply pipe networks（November 27，2017）

（2）水厂工艺流程全程监视。图6显示水厂取水、制水、供水等环节工艺流程。

（3）供水管网监测。图7显示供水区地图、管网监测点位置和实时监测信息。

（4）移动业务应用。水厂工作人员可利用手机端移动应用，查询水厂实时运行情况、管网压力、传送巡查现场图片，在突发情况出现时，可推送报警和应急处置方法，推送响应时间＜1 s。

5.2 系统开发架构

监管平台应用软件系统采用基于J2EE的轻量级多层架构SSM三层架构进行开发，数据库管理系统采用 SQL Server2013。SSM框架是 Spring MVC、Spring和MyBatis框架的整合，是标准的MVC模式，可划分为表现层、控制层、服务层和DAO层共4层。应用系统包括客户端、服务器和数据库，这3个层面构成完整的Web应用平台，其开发架构如图8所示。

一般由浏览器实现客户端功能，客户端通过http、https或者其他协议发送至服务器，由控制器判断用户的请求类型，并根据分析结果调用响应的请求模型即模块来处理请求，再根据处理结果把响应的数据通过DAO持久化到数据库中，最后根据处理结果，由控制器调用相应的视图以响应客户端请求。

图7 基于地图的供水管网监测Fig．7 Map-based monitoring of water-supply pipe networks

5.3 系统实践应用研究

图6 水厂工艺流程Fig．6 Technological processes of water plant

图8 的系统开发架构主要包含了异构网络集成和Web数据访问过程2个方面。

图8 系统开发架构Fig．8 System development framework

采用不同网络协议的2类水厂数据，经过本文所述网络级集成同步与接口级数据互连，都汇聚到中心数据库的实时数据表，并转存入相关历史数据表。其中，2#，3#，5#水厂网络基于 EtherNet／IP协议，1#，4#水厂网络基于Modbus协议。因此，中心通信服务器中间件要解析和封装2种报文，即CIP报文和OPC报文。

用户通过客户端向平台系统请求查询实时或某历史时段的水厂监测数据：原水PH值、原水浊度、压力、出厂余氯、出厂浊度等。中心服务器接收到用户请求后，通过DAO层查询对应数据表，获取相关处理结果数据集，再通过表现层返回给用户。

本系统成功实现了某县的农饮安全监管平台，监管了20万人供水的农村饮水安全工程，接入10座水厂，厂外监测点30点，稳定运行1年的实践表明，供水保证率和保障率两项指标均同比提高了5%以上，故障排查更方便，经济效益得到了提高。