喻 龍，劉棟梁，張 征

（華中科技大學(xué)自動化學(xué)院，湖北武漢430074）

0 引 言

本文建立在較為先進(jìn)的電子流量計和軟件開發(fā)工具的基礎(chǔ)上，旨在為供水管網(wǎng)的數(shù)字化提供一整套的解決方案，提高供水管網(wǎng)的管理水平［1，2］。該系統(tǒng)在進(jìn)行業(yè)務(wù)管理的同時，通過對管網(wǎng)進(jìn)行建模，還可以反映管網(wǎng)中流量計的運行狀態(tài)，并通過分析流量和壓力數(shù)據(jù)來進(jìn)行漏損定位和控制。

1 系統(tǒng)需求分析

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展和Internet的發(fā)展，管理信息系統(tǒng)迅猛發(fā)展，廣泛并且成功地運用于企業(yè)管理、系統(tǒng)開發(fā)、經(jīng)濟分析與規(guī)劃、決策與支持等各種方面［3－6］。

硬件上，傳感器技術(shù)也愈來愈趨于成熟，用于供水的自來水流量計不僅在精度上有很大提高，更重要的是流量計在嵌入式電路的基礎(chǔ)上有了更多新功能，比如數(shù)據(jù)的處理及存儲、數(shù)據(jù)的無線傳輸?shù)鹊龋?－9］。同時，軟件上的革新也給信息管理提供了更多可以選擇的方案，對于數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)挖掘有了更深的突破。這些技術(shù)的發(fā)展也促進(jìn)了供水系統(tǒng)向著更高的自動化、智能化方向進(jìn)步［10，11］。

企業(yè)安裝的數(shù)字化流量計需要有一個穩(wěn)定的平臺來對數(shù)字流量計進(jìn)行管理，這就要求該系統(tǒng)必須提供至少3個方面的功能:

（1）能夠自動獲取數(shù)字流量計數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析；

（2）能夠監(jiān)測數(shù)據(jù)的異常并自動報警，同時分析管道的漏損并對其進(jìn)行監(jiān)測；

（3）提供對供水管網(wǎng)管理及用戶業(yè)務(wù)管理的平臺。在該平臺上，供水公司職員能夠?qū)┧芫W(wǎng)進(jìn)行日常管理，并且能夠?qū)ι婕暗母鞣N業(yè)務(wù)進(jìn)行管理，比如對用水客戶管理、打印統(tǒng)計報表等。

同時在系統(tǒng)構(gòu)建時應(yīng)該注意以下問題:

（1）能夠兼顧管道升級過程。供水管網(wǎng)數(shù)字流量計的全部更替往往需要一個較長的周期，該過程要求能夠?qū)鹘y(tǒng)流量計進(jìn)行部分管理，同時，在系統(tǒng)開發(fā)時為將來系統(tǒng)升級留下足夠空間；

（2）保證數(shù)據(jù)的實時性和完備性。異常監(jiān)測和檢測功能需求，對數(shù)據(jù)的實時性和完備性提出了要求；

（3）保證系統(tǒng)的數(shù)據(jù)安全性。安全性上，必須保證數(shù)據(jù)不被隨意更改；并保證非公開數(shù)據(jù)不被隨意泄露；因此必須設(shè)置一套權(quán)限管理模式，使得只有取得相應(yīng)級別權(quán)限的人才能進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的瀏覽和編輯。

2 系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)擬從以下功能模塊進(jìn)行開發(fā):區(qū)域管理、數(shù)據(jù)獲取模塊、監(jiān)測及異常處理模塊、流量計管理模塊、流量統(tǒng)計分析模塊、用戶管理模塊。系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架

2.1 數(shù)據(jù)獲取模塊

數(shù)據(jù)是系統(tǒng)的基礎(chǔ)，為了實現(xiàn)供水管網(wǎng)的數(shù)字化，獲取流量計數(shù)據(jù)是首位。一般供水管網(wǎng)需要數(shù)字化必須選用具有自動發(fā)送數(shù)據(jù)功能的電子流量計，但為了兼容某些尚未改造的傳統(tǒng)流量計以及電子流量計數(shù)據(jù)意外缺失狀況，需要設(shè)置手動輸入方式和自動接收數(shù)據(jù)兩種方式。數(shù)據(jù)應(yīng)該包括流量數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)（主電源和通信電源電量、信號強度等）。

（1）支持多協(xié)議的自動數(shù)據(jù)接收

目前實際應(yīng)用中的數(shù)字流量計一般都是通過GPRS網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)到因特網(wǎng)與服務(wù)器進(jìn)行連接發(fā)送數(shù)據(jù)，不同廠家的流量計涉及不同的通信協(xié)議，我們設(shè)計了兩種最常見的模式，如圖2所示。

圖2 支持多協(xié)議自動數(shù)據(jù)接收

第一種模式利用Socket套接字直接與流量計建立TCP連接。服務(wù)器在某一設(shè)定端口監(jiān)聽，收到一個連接請求，就開一個新線程進(jìn)行通信，并設(shè)置斷線重連機制。

第二種模式通過郵件形式進(jìn)行數(shù)據(jù)接收。流量計將數(shù)據(jù)以郵件文件形式發(fā)送到郵件服務(wù)器上，我們的數(shù)據(jù)接收程序通過POP3協(xié)議不斷從郵件服務(wù)器上收取數(shù)據(jù)，然后解析存入數(shù)據(jù)庫。

上述模塊擬采用Windows服務(wù)（Windows Service）進(jìn)行實現(xiàn)。其優(yōu)點是將該服務(wù)設(shè)置為自啟動方式，一是可以避免程序因誤操作被關(guān)閉，二是能夠保證在機器重新啟動后，服務(wù)自動開啟運行，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時性和完備性。

（2）手動數(shù)據(jù)錄入

手動數(shù)據(jù)的錄入就是允許工作人員通過手動方式輸入某個流量計某時刻的累計流量與瞬時流量，這樣可以將傳統(tǒng)非自動發(fā)送數(shù)據(jù)的流量計納入管理平臺，提高其在改造過程中的兼容性。手動輸入過程不可避免地存在人工輸入錯誤，于是需要在數(shù)據(jù)存儲之前增加判斷功能。

2.2 監(jiān)測及異常處理模塊

異常監(jiān)測在實現(xiàn)形式上也可以采用Windows Service在后臺進(jìn)行定時不間斷計算檢測，并將相應(yīng)的異常信息提交給異常處理模塊進(jìn)行處理。

（1）簡單異常監(jiān)測

簡單異常主要包括以下方面:①瞬時流量超過報警閾值；②各流量計處的管道壓力不在正常值之內(nèi)；③設(shè)備主電源和通訊電源的剩余電量低于報警閾值，通訊信號強度小于信號強度報警閾值；④數(shù)據(jù)接收超時。

（2）分級漏損監(jiān)測

這里的漏損監(jiān)測主要是指暗漏，并非指爆管引起的瞬時流量達(dá)到報警閾值。漏損監(jiān)測主要是通過流量計的上下級關(guān)系，計算出上下級流量計之間的差值來判斷該上下級管道之間是否有漏損。

傳統(tǒng)的漏損監(jiān)測主要根據(jù)壓力、管徑等參數(shù)進(jìn)行建模來確定的，方法較為復(fù)雜，本系統(tǒng)首次嘗試?yán)矛F(xiàn)有的管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和流量、壓力來進(jìn)行漏損的分級檢測［12］。

目前供水管網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一般有樹狀結(jié)構(gòu)和環(huán)狀結(jié)構(gòu)，如圖3所示，我們用帶有編號的圓黑點表示該支路上的流量計，箭頭表示水流方向。樹狀結(jié)構(gòu)一般存在于主干道上，對于這種簡單的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)很容易建立流量計之間的上下級關(guān)系，從而構(gòu)建多叉樹。而對于拓?fù)鋸?fù)雜的環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)可以進(jìn)行將環(huán)拆分為樹的方法構(gòu)建擴展多叉樹［13］。

圖3 供水管網(wǎng)常見拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在圖3的環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)中，我們可以看到某些節(jié)點處父節(jié)點有多個，并非真正意義上的多叉樹，而是一種多父節(jié)點、多子節(jié)點的擴展多叉樹。針對多個父節(jié)點的情況，我們按以下方式處理:將其中一個節(jié)點作為主父節(jié)點，剩下的作為其α型兄弟節(jié)點，用αBrother來表示，如圖3中虛線區(qū)域處為有兩父節(jié)點的分支，則可以將1號節(jié)點作為主節(jié)點，6號節(jié)點作為1號節(jié)點的αBrother；進(jìn)而用以下含有4個域的新的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表示這種擴展多叉樹節(jié)點:

其中，數(shù)據(jù)域為流量計相關(guān)信息的一個實體，Next＿αBrother＿Ptr表示指向下一個αBrother的指針，同樣FirstChild＿Ptr、NextBrother＿Ptr分別表示指向第一個子節(jié)點的指針和指向下一個兄弟節(jié)點的指針。這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)擴展性較好，不必考慮父節(jié)點或者子節(jié)點的個數(shù)。

那么上面的環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)對應(yīng)的樹表示如圖4所示，有了這種擴展多叉樹，我們先通過一個流量計的Next＿αBrother＿Ptr指針一步步找到該節(jié)點所有的αBrother，然后根據(jù)FirstChild＿Ptr指針找到第一個子節(jié)點，并根據(jù)該子節(jié)點的NextBrother＿Ptr指針一步步找到所有的子節(jié)點。例如圖4中的1號流量計根據(jù)Next＿αBrother＿Ptr指針一步步得到所有的αBrother:6號流量計，根據(jù)FirstChild＿Ptr指針找到第一個子節(jié)點4號流量計，然后根據(jù)4號流量計的NextBrother＿Ptr指針得到所有的1號流量計子節(jié)點:4號和5號流量計，與圖3中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一致。

圖4 圖3中的環(huán)狀管道的多叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

某時間段，以Flow表示本身累計流量，αBrother＿Flow表示αBrother類型的累計流量，Children＿Flow表示子流量計累積流量，最后按下式進(jìn)行計算

上式用來判斷計算上下級流量計之間的漏損，若漏損達(dá)到一定的閾值（式中的threshold），則進(jìn)行異常處理；然后分析該漏損分支中涉及到的各流量計的流量和壓力與平時平均值的變化度，來判斷最有可能發(fā)生漏損的線路，將分析結(jié)果交付給異常處理模塊進(jìn)行相關(guān)操作。這樣，就實現(xiàn)了流量計按照樹狀結(jié)構(gòu)的上下級關(guān)系進(jìn)行分級檢測漏損，縮小了漏損區(qū)域的判斷。

（3）實時監(jiān)控信息顯示

實時信息主要包括當(dāng)前流量信息、壓力信息、設(shè)備狀態(tài)信息、異常信息等，這些重要的實時信息必須在監(jiān)控界面上不斷刷新。

因為系統(tǒng)是B/S模式，HTTP協(xié)議是請求——應(yīng)答模式，用戶不請求頁面不更新，而監(jiān)控信息恰恰是服務(wù)器主動傳給瀏覽器的信息；傳統(tǒng)監(jiān)控頁面都是基于組態(tài)軟件的。

在該系統(tǒng)中，我們首次嘗試使用Web推送技術(shù)來實現(xiàn)監(jiān)控頁面的不刷新而數(shù)據(jù)動態(tài)實時更新，實現(xiàn)方式更加簡單，而且滿足不限地點不限時間直接利用瀏覽器對管網(wǎng)實時監(jiān)控。

為了實現(xiàn)監(jiān)控畫面的實時性，我們對于流量及狀態(tài)信息在給定定時器頻率下進(jìn)行實時推送更新，異常信息則通過異常處理模塊推送給實時顯示頁面。

（4）異常處理

異常處理是在異常發(fā)生時，向數(shù)據(jù)庫寫入異常，并實時將異常信息推送到監(jiān)控頁面，然后根據(jù)異常流量計的相關(guān)報警電話號碼，發(fā)送短信給相關(guān)負(fù)責(zé)人予以通知異常。然后線下處理異常，處理成功后返回系統(tǒng)平臺對異常狀態(tài)做“已解除”更新。

報警短信通知主要采用“短信Modem＋二次開發(fā)包”的方式，即購買短信Modem硬件設(shè)備和二次開發(fā)DLL動態(tài)鏈接庫，在我們的系統(tǒng)中直接調(diào)用短信開發(fā)包中的API接口。

2.3 流量計管理模塊

（1）添加流量計

添加流量計時，要添加流量計的以下信息:①基本信息:編號、備注信息、類型等；②地理信息:經(jīng)度、緯度、所屬區(qū)域；③報警相關(guān)信息:流量報警閾值、報警號碼、報警模式、電源電量報警閾值、通訊手機號碼、數(shù)據(jù)超時閾值；④級別:上一級流量計、級別。

（2）流量計管理

流量計管理主要是針對添加流量計時的各種參數(shù)進(jìn)行修改，以及流量計的刪除。流量計存在上下級之間的關(guān)系，所以刪除流量計就會面臨兩個選擇:①刪除該流量計及下級所有的流量計；②刪除該流量計，并對下級流量計進(jìn)行父節(jié)點調(diào)整。因此，需要設(shè)計兩種流量計的刪除方式以便操作者選擇。

（3）地圖顯示

為了方便管理者更加清晰地看到流量計在供水管道中的分布情況，必須提供一個類似地圖的可視化界面來顯示布局；為此，可以利用Google地圖API進(jìn)行開發(fā)或者購買相關(guān)GIS模塊進(jìn)行二次開發(fā)。

Google地圖API是開源形式，可以通過在Google地圖上制作出自己管道的實際鋪設(shè)線路，并根據(jù)所安裝的流量計的經(jīng)緯度來標(biāo)注流量計在地圖上的位置。該方式雖然經(jīng)濟實惠，但開發(fā)起來并不方便，而且精準(zhǔn)度也不高。

采用購買GIS模塊進(jìn)行二次開發(fā)的方式，可以得到更好的瀏覽效果，并且在圖形交互方面更加方便。

2.4 流量統(tǒng)計分析模塊

（1）單個流量計流量統(tǒng)計

在數(shù)據(jù)庫中按照時間間隔進(jìn)行查詢，實現(xiàn)單臺流量計按小時、按天、按月流量統(tǒng)計，包括最小瞬時流量、最大瞬時流量、平均流量、時間段內(nèi)的區(qū)間流量。

（2）按區(qū)域流量統(tǒng)計

在按區(qū)域流量統(tǒng)計功能里，根據(jù)供水管網(wǎng)布局圖，通過觀察某個區(qū)域邊沿所有流量計，規(guī)定這些流量計哪些為流入哪些為流出來計算該區(qū)域的凈流入量。區(qū)域流量統(tǒng)計數(shù)據(jù)主要是提供給領(lǐng)導(dǎo)層在決策時作參考，比如水量分配調(diào)度、加壓站配置點選址等。

（3）按營業(yè)所流量統(tǒng)計

按營業(yè)所流量統(tǒng)計，就是統(tǒng)計營業(yè)所管轄范圍內(nèi)，對所有客戶流量計的進(jìn)行統(tǒng)計，并且應(yīng)該包括該營業(yè)所的大用水客戶排名等相關(guān)信息。

（4）大用水客戶流量統(tǒng)計

該模塊中，提供一個界面顯示排名前N位的用水客戶及其用戶量，該排名設(shè)置按月排名和按年排名；讓管理者清楚地知道自己的大用戶客戶，為更好提供服務(wù)作參考。

（5）漏損統(tǒng)計

漏損統(tǒng)計分為以下幾個方面進(jìn)行統(tǒng)計分析:①某時間段內(nèi)，所有上下級流量計漏損量統(tǒng)計，并按漏失嚴(yán)重程度排名；②某時間段內(nèi)，按某些區(qū)域統(tǒng)計漏失情況，包括總量及漏失率；③某時間段內(nèi)，各營業(yè)所管轄范圍內(nèi)的漏失量及漏失率。

（6）報表生成

報表生成主要是對各種統(tǒng)計數(shù)據(jù)進(jìn)行Excel表格生成，提供紙質(zhì)文檔；例如大用戶客戶月排名表、各個用戶的用水量及水費單的生成。

2.5 用戶及權(quán)限管理模塊

用戶管理——角色管理——權(quán)限管理是本系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全的重要組成部分，它是以RBAC（role based access control）模型為基礎(chǔ)的，用來為系統(tǒng)提供權(quán)限驗證支持［14，15］。傳統(tǒng)的RBAC模型主要是通過權(quán)限跟角色綁定，用戶通過承擔(dān)某種角色來獲得相應(yīng)的權(quán)限。但是該模型在處理涉及結(jié)構(gòu)復(fù)雜、人員眾多的系統(tǒng)的時候，由于該模型的細(xì)粒度過小，導(dǎo)致衍生的角色數(shù)量越來越多，權(quán)限和角色呈指數(shù)關(guān)系。并且，該模型不能附加其它的驗證信息。

本系統(tǒng)涉及到眾多角色和權(quán)限，并且擁有較多的流量計，固在此采用分層角色和帶地理驗證信息的擴展RBAC模型來實現(xiàn)“分區(qū)分權(quán)”的管理思想。

（1）分層角色擴展

采用如圖5的分層角色就能避免為所有的角色分別賦予權(quán)限，以圖5中的客戶經(jīng)理為例，只需要獲取其下級角色（流量統(tǒng)計查看員和客戶信息管理員）擁有的權(quán)限，它們并起來就客戶經(jīng)理擁有的權(quán)限；并且客戶經(jīng)理下的流量統(tǒng)計查看員也可以被業(yè)務(wù)經(jīng)理使用，這就使權(quán)限分配更加有條理，并且降低了冗余。

圖5 分層角色

（2）區(qū)域樹

區(qū)域管理是整個系統(tǒng)中至關(guān)重要的一個環(huán)節(jié)。首先，必須建立區(qū)域與區(qū)域之間的上下級關(guān)系，形成區(qū)域樹；前面流量計地理信息中有所屬區(qū)域，為每個用戶設(shè)置一個管轄區(qū)域，根據(jù)這兩個區(qū)域的匹配來完成地理信息的驗證。用戶訪問某個流量計數(shù)據(jù)的時候要判斷該流量計是否在該用戶的管轄范圍內(nèi)，從而實現(xiàn)了分區(qū)管理。例如管轄范圍為洪山區(qū)的用戶，能訪問的流量計必須是洪山區(qū)或其下屬區(qū)域。

（3）擴展后RBAC模型

整個擴展后的RBAC模型示意圖如圖6所示。

從圖6中可以看到用戶要訪問業(yè)務(wù)對象，必須通過分層角色得到其擁有的權(quán)限進(jìn)行驗證和管轄區(qū)域進(jìn)行匹配。

1）添加一個用戶的具體流程為:①添加若干角色，并建立上下級關(guān)系；②為上下級中最底層角色綁定權(quán)限，即將該角色能夠訪問的頁面函數(shù)寫入數(shù)據(jù)庫；③管理員添加一個用戶賬號，為該用戶賬號附加一個角色，并添加其管轄區(qū)域，至此，該賬號具備了在該區(qū)域管理某些業(yè)務(wù)的權(quán)限。

2）用戶登錄系統(tǒng)后的具體驗證過程:①獲取用戶的角色，若角色為最底層角色，則進(jìn)入（c），否則進(jìn)入②；②根據(jù)角色獲取該角色下的所有最底層角色；③根據(jù)用戶擁有的所有最底層角色，獲取所有的權(quán)限；④訪問某個流量計的某種權(quán)限的數(shù)據(jù)，先判斷是否擁有該權(quán)限，再判斷該流量計是否在該用戶的管轄范圍內(nèi)，二者同時滿足則允許訪問，否則拒絕訪問。

3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

數(shù)據(jù)庫主要的數(shù)據(jù)表包括以下實體:用戶（操作員）、角色、權(quán)限、流量計、流量、客戶。其中，權(quán)限實體主要作用是提供訪問的URL，從而控制對頁面或者方法的訪問；角色與權(quán)限為多對多的關(guān)系，為一個角色分配多個權(quán)限，并決定該角色能夠訪問哪些頁面，能夠進(jìn)行哪些操作；同時，同一個權(quán)限也可以賦予不同的角色。用戶與角色也是多對多的關(guān)系。一個用戶對應(yīng)多個角色，即一個操作員可以擁有多重身份。同理，一個角色也可以分配給多個用戶。同時，用戶與區(qū)域的關(guān)系也是多對多關(guān)系，即一個用戶可以管理多個區(qū)域，一個區(qū)域也可以分配給多個用戶進(jìn)行管理。此外，用戶還有一個特殊的用戶類型字段，該字段內(nèi)包括普通用戶和管理員兩項內(nèi)容，而管理員擁有最高權(quán)限。數(shù)據(jù)庫ER圖設(shè)計如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)庫ER圖設(shè)計

在流量計管理方面，有相應(yīng)的漏損報警相關(guān)信息和地理位置信息，此外，還設(shè)有“FirstChild”和αBrother的字段，專門用來存儲該流量計的第一個子流量計的標(biāo)識符和αBrother流量的標(biāo)識符，建立2.2節(jié)中的擴展多叉樹結(jié)構(gòu)。流量計與流量為一對多的關(guān)系，用流量實體來描述流量計在不同時刻的流量信息。此外，還有狀態(tài)信息表沒有列出，其用來描述不同時刻流量計的狀態(tài)。

從圖7可以清晰地看到設(shè)計的主要指導(dǎo)思想和幾個重要模塊的脈絡(luò)，為進(jìn)一步軟件實現(xiàn)指明了方向。

4 結(jié)束語

本文針對傳統(tǒng)城市供水管網(wǎng)管理落后的問題，提出了新的高效率、低成本的科學(xué)管理方案。通過對客戶需求的深入分析，首先提出系統(tǒng)整體設(shè)計思路，再根據(jù)具體的功能要求，分別設(shè)計了區(qū)域管理模塊、數(shù)據(jù)獲取模塊、監(jiān)測及異常處理模塊、流量計管理模塊、流量統(tǒng)計分析模塊、用戶管理模塊，并在不同的模塊中給出了具體的設(shè)計方案。其中，文章主要的創(chuàng)新點在于:①提出了基于Windows Service的支持多協(xié)議的數(shù)據(jù)獲取方式；②在監(jiān)測與報警模塊中，對環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了拆分，并提出了一種適合表示樹狀管道和環(huán)狀管道的擴展的多叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，最終在該基礎(chǔ)上實現(xiàn)了分級漏損監(jiān)測；在監(jiān)控頁面上，利用Web推送技術(shù)來實現(xiàn)B/S模式下方便的實時監(jiān)控頁面實。③在保障數(shù)據(jù)安全的權(quán)限管理模塊中，對傳統(tǒng)的RBAC模型加入地理信息進(jìn)行擴展，實現(xiàn)了“分區(qū)分權(quán)”的管理思想。

在后期的開發(fā)工作中，要充分考慮供水管網(wǎng)的升級改造，在軟件中留下足夠的擴展接口。

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