江苏省水质自动监测预警系统建设规范

附件：江苏省水质自动监测预警系统建设规范（试行） 为加强我省水环境自动监测预警系统统一管理，更好为水环境保护服务，实现水质自动监测预警系统建设的标准化、规范化和系统化，特制定本规范。规范分为水质自动站房建设规范、水质自动站仪器配置规范和水质自动监测预警系统联网及数据交换协议规范三个部分。第一部分 站房建设规范本部分适用于江苏省域内省建地表水质自动监测预警站的建设及其管理。1、站房总体要求：采用砖混结构，为永久性建筑。站房建为12层建筑物，一层楼内面积布局按站房各功能区面积要求设计。站房采用高雅的格调，红瓦粉墙，围栏采用铸铁栅栏，墙边种常青植物，标志、标牌、取水口警示牌醒目。与室外高压电线保持一定的安全距离。2、标志：站房廊檐醒目位置设立0.51.0米高度绿色横幅，标示中国环保标志（底衬白色，标志绿色），标志后中文、英文同时标示“江苏省环境地表水水质自动监测站”，横幅大小可根据建筑物调整。具体参考附图。3、标牌：站房统一使用铜制标牌，标牌上用黑色字体分别标注：江苏省环境地表水质自动监测站自动站编号：监控河流：来水区域：监测项目：、经纬度：、管理单位：市（县、区）（单位）4、取水口警示牌：白底红字，书写“环境监测设施取水口”，标牌为60cm40cm。5、征地面积：6006000 平方米，不包括出入通道。6、建筑面积：不少于150平方米。除能安装全部监测仪器外，还应留有存放辅助设备、质控室和工作人员活动、休息的空间。建议将站房分为实验区和办公区，按功能区相对集中布设房间。各间使用面积范围如下：仪 器 间：3036 m2采配水间：1012 m2监 控 间：1012 m2质 控 间：1015 m2值 班 间：1215 m2维 修 间：1012 m2休 息 间：1215 m27、仪器间：至少保留8米长的完整墙面（建议为一面），墙内不能埋电线、水管，并且能够承受仪器重量。为提高仪器间的整体性、可观性，在不影响日常操作和维护工作的前提下，建议将分析仪器集中呈一字型排放靠于一侧墙面，如条件有限，也可呈L型排放。仪器间在布设分析仪器时，必须预留日后增配仪器设备的空间。8、实验台：站房内应设计一个工作实验台，同时配套安装一个实验水池，建议尺寸：m，要求在实验台上能同时开展多个监测项目的质控实验。9、窗户：设计上应综合考虑安全、采光和防尘等因素。10、供电：应有三相供电，室内安装电表和配电箱。供电系统应配有电源过压、过载和漏电保护装置。在条件许可的情况下，可安装一个专用变压器，容量应大于总用电量的2倍。11、供水：提供井水/自来水。12、排水：设置排水系统，总排水口设在取水口下游10米以外。应设置废液集中收集装置，有一周废液量的收集容器，定期清运。13、温度和湿度：室内应配有空调设备（能来电自启）、除湿设备。温度控制在1030，相对湿度控制在80以下，同时避免阳光直射仪器。14、避雷（直击雷）：站房应安装避雷设施装置，通过具有资质的专业防雷机构测试，获得测试合格证明文件。15、接地：站房应安装良好的接地装置，仪器控制设备需要单独的接地线，接地电阻4欧姆。16、消防：站房内应配备消防设备，应有针对电器的自动灭火装备。17、站房防护措施：应具备防雨、防虫、防尘、防渗漏和防电磁波干扰的相应措施，周围应有疏通雨水渠道。18、通讯：自动程控电话12门，保证一门通讯专用。19、有出入通道：保障运行维护车辆顺利出入子站。20、视情况清淤和修护坡：要清除岸边的杂物、水草及河底淤泥，修一小段护坡，避免漂浮物堵塞取水口。第二部分 仪器配置规范本部分适用于江苏省境内省建地表水质自动监测预警站的建设及其管理。仪器配置分为仪器配置参数和仪器配置参数测定方法两部分。一、仪器参数配置1、必配参数：五参数（水温、pH、溶解氧、电导率、浊度）、CODmn、氨氮、TP、TN、流量（太湖湖体水站还应配置：叶绿素a、藻类密度）2、选配参数：TOC、总酚、VOC、氟化物、重金属、叶绿素a、藻类密度、生物综合毒性二、配置参数测定方法1、必配参数测定方法，原则上和国标方法一致。2、选配参数测定方法，如果用于区域环境生态补偿和法定目的监控，原则上与国标方法一致；如果用于环境预警，方法由用户确定，原则上能反映监控污染物的变化趋势。配置参数测定方法具体见下表。地表水自动监测参数测定方法参照表序号项 目主要参照“4版水站自动监测系统”方法参 照 标 准1水温温度传感器法GB/T13195-912pH玻璃电极法GB/T6920863电导率电极法、电导池法GB/T6908-20054浊度表面散射法、透过散射法GB/T1320091、ISO 7027-1999 水质.混浊度的测定5溶解氧膜电极法GB/T11913896高锰酸盐指数高锰酸盐氧化还原法GB/T11892-897氨氮电极法、纳氏试剂分光光度法、膜浓缩电导率法GB/T 7479-19878总氮碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法GB/T 11894-19899总磷钼酸铵分光光度法GB/T 11893-198910总有机碳燃烧氧化红外吸收法、紫外催化氧化红外线吸收法HJ/T71-2001、GB/T13193-199111总酚4-氨基安替比林比色法GB/T7490-8712氟化物离子选择电极法GB/T 7484-198713藻类密度荧光法/14叶绿素a荧光法/15流量固定式声学多普勒法SL337-200616VOC气相色谱法/17生物综合毒性/18重金属/其它/备注： *参见水和废水监测分析方法（第四版） 国家环保局（2002年）第三部分 环境自动监测系统联网及数据交换协议规范1 适用范围本规范适用于“江苏省水环境自动监测系统”前端子站与数据中心之间相互数据传输与交换，不限制系统扩展其他的信息内容。本规范明确了江苏省水环境自动监测系统供应厂商在开发前端数据采集、控制系统，与省环境监控中心（数据中心）管理和应用平台进行数据交换时必须遵循的数据交换格式、接口连接方式、数据传递交互格式、通用代码等方面的标准。本规范的作用域为各水质自动站数采仪与监控中心端之间。根据信息技术的发展，本标准将适时修订。本规范由江苏省环境信息中心负责解释。2 规范性引用文件以下标准和规范所含条文，在本规范中被引用即构成本标准的条文，与本规范同效。标 准 号描 述1YD/T1093-2000900/1800MHz TDMA数字蜂窝移动通信网通用分组无线业务（GPRS）隧道协议技术规范2YD/T 1323-2004非对称数字用户环路（ADSL）接入网技术要求3YD/T 1334-2004800MHz CDMA数字蜂窝移动通信网无线智能网（WIN ）阶段2：智能外设（IP）设备技术要求4EIA RS-232C数据终端设备与使用串行二进制数据进行交换的数据通信设备之间的接口5GB/T 7027-2002信息分类的基本原则和方法6HJ/T212-2005污染源在线监控（监测）系统数据传输标准7HJ/T 416-2007环境信息术语8HJ/T 417-2007环境信息分类与代码9HJ/T 418-2007环境信息系统集成技术规范10HJ/T 419-2007环境数据库设计与运行管理规范3 术语和定义3.1 数据传输VPN网VPN（Virtual Private Network）是虚拟专用网的简称，通过特殊加密的通讯协议将连接在Internet上的省环境监测中心、各地市环境监测站和各水质自动站之间建立一条专有的通讯线路，构成一个江苏省环境自动监测数据传输专网，称为数据传输VPN网。3.2 VPN网关VPN网关是实现省环境监测中心局域网（LAN）到前端系统网络连接的设备，部署在省环境监测中心、市县环境监测站、前端系统Internet网络中的安全设备，通过此设备，在Internet网组建数据传输VPN网。3.3 ADSL、光纤接入网ADSL（非对称数字用户线）作为一种传输层的技术，充分利用现有的铜线资源，在一对双绞线上提供上行640kbps下行8Mbps的带宽，实现真正意义上的宽带接入。光纤接入网采用光纤做为主要的传输媒体来取代传统的双绞线，由于光纤上传送的是光信号，因而需要在交换局将电信号进行电光转换变成光信号后再在光纤上进行传输。在用户端则要利用光网路单元（ONU）再进行光电转换恢复成电信号后送至用户设备。3.4 数采仪采集各种类型监控仪器仪表的数据、完成数据存储及与上位机数据通讯传输功能的单片机、工控机、嵌入式计算机、嵌入式可编程自动控制器（PAC）或可编程控制器等。3.5 前端监测子站（前端系统）由水质自动站的现场仪器、数采仪、VPN网关等构成前端监测子站（前端系统）。前端监测子站是分布在各地区的监测子站，每个监测子站有一套或多套监控仪器、仪表，监控仪器、仪表通过模拟或数字输出接口连接到数据采集仪，数据经数据采集仪整合、封装，通过数据传输VPN网传送至上位机。3.6 XMLXML即可扩展标记语言，为Extensible Markup Language的简写。3.7 Web ServiceWebService是一种通过HTTP协议，以Web应用服务器为依托，利用XML平台做交互的方式，实现跨平台的功能。3.8 FTPFTP为（File Transfer Protocol）是用于TCP/IP网络的协议之一。 是Internet文件传送的基础，用于将文件从网络上的一台计算机传送到同一网络上的另一台计算机。3.9 消息队列（Message Queue） 消息队列技术是分布式应用间交换信息的一种技术。消息队列可驻留在内存或磁盘上,队列存储消息直到它们被应用程序读走。通过消息队列，应用程序可独立地执行。它们不需要知道彼此的位置、或在继续执行前不需要等待接收程序接收此消息。3.10 多址传送为满足“一份数据，同传多个地址”的要求，如果对现场端的数据发送采用多址传送的模式，则是同时将一份现场数据发送到省级环境监测中心、中国环境监测总站。3.11 监控中心提供对各个前端系统的集中的监控、数据处理、信息发布的功能，监控中心由VPN网关、数据库服务器、通讯服务器、数据处理服务器、网络设备、信息发布服务器等汇集而成。4 自动监控数据交换总体要求4.1 总体架构根据环境自动监控的需求，在各河流、口门、水源地部署前端监测子站，由水质在线监测仪器通过RJ45，RS-232，RS-485连接数采仪，收集数据并传送到数采仪中；数采仪连接VPN设备，通过光纤专线、ADSL或其它方式将加密后的数据传送至省环境监测中心，实现对水环境质量监控、分析及监测预警。具体网络部署如下图示：图4-1 网络拓扑图所有前端监测子站、省环境监测中心、市环境监测中心站建立水环境监控数据传输VPN网，在保证数据安全性的前提下提供数据的快速交换通道。前端监测子站采用以光纤、ADSL为主的方式接入VPN网络。各前端监测子站、省环境监测中心、各省辖市环境监测中心站均配VPN网关设备。省环境监测中心对有线网络进行接入，满足与各前端监测子站的连接。各VPN设备均配有公网静/动态IP，具体见江苏省环境信息中心的VPN组网方案。自动监测数据采用“省级集中，向下分发”的模式，所有前端监测子站将数据上报到省环境监测中心，由省环境监测中心将数据分发到省辖市级数据分中心。采用多址传送的方式同时向国家发送数据和省级同步发送数据。4.2 系统数据流数据流包括两个方面：前端监测子站向监控中心上报监测的数据，即上行数据。 前端监测子站通过传输网络以HTTP、FTP或MQ等传送方式向监控中心上传数据。监控中心向前端监测子站传送操作指令（如设备操作指令、数据补发指令等），即下行数据。系统数据流如下图所示：图4-2 系统数据流图4.3 系统结构水环境自动监测系统从底层逐级向上可分为前端监测子站、传输网络、上位机三个层次。上位机通过传输网络与前端系统交换数据、发起和应答指令。前端监测子站与上位机之间的数据交换需满足以下交换模式：1）1:1交换模式：一个前端监测子站与一个上位机之间的数据交换。如某个前端监测子站将数据发送到省级上位机或所属市级上位机。2）1:N交换模式：一个前端监测子站与多个上位机之间的数据交换。如按照“多址传送”的要求，某个前端监测子站将其数据同时发送给省级上位机和中国环境监测总站上位机。传输网络上位机前端监测子站图4-3 系统结构图4.4 信息交换方案4.4.1 总体原则数据传输主要是指数采仪和监控中心之间的数据交换。本规范的主要思想是将要交换的数据（如在线监测业务数据、监控命令、仪器状态数据、其他应用级报文数据）以XML方式传输交换，数据交换主要有推送和请求响应两种方式，以下定义了四种可选的传输方式：1. 遵循HJ/T 212-2005标准实现通讯协议2. 基于FTP传输XML文件3. 基于HTTP，以Web Service作为通信方式4. 基于消息队列（Message Queue）进行通讯其中第一种和第二种方式作为硬性要求，为各集成商必须实现的协议。在此基础上，可基于Http、MQ等方式来实现通讯。4.4.2 国家标准定义的通讯协议（HJ/T 212-2005）l 通讯流程请求命令（四步或者三步）上传命令（一步）通知命令（两步）l 通讯协议数据结构一个完整的通讯协议包必须包含包头、数据段长度、数据段、CRC 校验、包尾五个部分，其中任何一部分都不能缺少。包头：2个字节，定义了一个包的起始位置，固定为 “#”数据段长度：4个字节的长度，是后面数据段分的长度，例如，如果数据段分的全部长度是960 字节，此时数据段长度是0960 。数据段：所有本规范定义的指令或数据放在此处CRC 校验：4个字节，是数据段的CRC 校验包尾：2个字节，标识了一个包的结束，固定为回车换行：，十六进制数为0x0D、0x0A具体数据段结构可参照国家环保总局污染源在线自动监控（监测）系统数据传输标准（HJ/T 212-2005）。4.4.3 通过 FTP协议传输基于FTP的XML文件传送要求监控中心和前端系统都开通FTP服务。前端系统在开通FTP服务的基础上建立共享目录，其中一级目录为RECEIVE，该目录用于接收监控中心发送来的命令XML文件。监控中心在开通FTP服务的基础上建立共享目录，共享目录的结构描述如下：1) 一级目录为RECEIVE；2) 在一级目录下建立二级目录：HISTORY、REALDATA、IP、SYSADJUST。其中HISTORY目录用于接收各个前端系统上传的历史数据XML文件；REALDATA目录用于接收各个前端系统上传的实时数据XML文件；IP目录用于接收各个前端系统上传的实时IP链接信息XML文件；SYSADJUST目录用于接收各个前端系统的系统参数调整后的应答XML文件。监控中心的FTP服务目录结构如下图所示：图4-4 FTP目录结构前端系统报送数据到监控中心的流程如下：1) 监控中心每天零点在RECEIVEHISTORY目录下建立当日日期目录，目录名称采用“YYYYMMDD”格式表示；2) 前端系统将历史数据对应的XML文件发送至此；3) 监控中心扫描RECEIVEHISTORY目录下的当日日期目录，将其下的数据XML文件解析并导入历史数据库表。前端系统监控中心图4-5 FTP指令控制流程鉴于历史数据存在进行补调的情景，监控中心针对未能上传数据进行自动补调，每条数据补调不超过三次，每次间隔四到六小时。如果所有的补调请求都未能被执行，此次所需要的数据即无法取得，成为故障数据。通过请求响应方式进行数据交换步骤如下：1）监控中心将请求XML文件发送至前端系统的RECEIVE目录；2）前端系统实时扫描本地RECEIVE目录，若检测到有请求XML文件，则将指定范围内的历史数据结果组装成数据XML文件；3）前端系统将组装成的数据XML文件发送到监控中心RECEIVE HISTORY目录下的当日日期目录（指发送命令的当天，而不是指历史数据的日期）；4）监控中心扫描RECEIVEHISTORY当日日期，如果包含新的数据XML文件，则将其下的数据XML文件解析并导入历史数据库表。前端系统监控中心图4-6 FTP指令控制流程 交换数据文件名由各组成部分之间使用“_”连接，文件后缀为“.XML”，结构如下： l 业务类型：描述该交换数据文件业务类型；l 数据包类型：4个字符；l 交换日期：14个字符，采用：“YYYYMMDDhhmmss”格式表示，其中时间采用24小时制l 顺序号：4个字符，每天零点置零，以0001为始；l 监测点编号：详细情况见编码表。4.4.4 通过HTTP协议传输SOAP提供了标准的RPC方法来调用Web Service。前端系统在收集到数据之后，对数据进行加工，形成符合规范的SOAP报文，调用监控中心提供的Web Service，数据通过此种方式传递到监控中心。另外监控中心需要对前端系统发送仪器控制数据，要求前端系统集成商提供符合Schema的Web Service，接受并解析中心发送的控制指令，指示监控设备执行。前端系统通过Web Service报送数据的步骤包括：1) 前端系统从现场收集数据；2) 前端系统按照统一的接口规范生成SOAP报文；3) 前端系统向数据中心的Web Service发送请求；4) 监控中心点接受并解释报送过来的SOAP消息，生成结果，返回；5) 监控中心接受返回的结果。监控中心图4-7 HTTP报送数据流程以下是一个示例SOAP报文010true位于标签之中的报文是由监测点根据Schema生成的。要求监测点供应厂商能提供根据各种及时数据和历史数据生成符合Schema规范的XML文件（SOAP消息体），并且能通过Http-post方式主动发送SOAP请求。数据中心发送仪器控制指令到监测点的步骤包括：监控中心向前端系统发送仪器控制的指令；前端系统收到监控中心发过来的仪器控制指令以后，需要将其转成响应的格式；发送到相应的现场监测仪器；把仪器控制的结果返回给监控中心。监控中心图4-8 HTTP指令控制流程4.4.5 通过消息队列（MQ）传输基于消息队列的数据传输，需要在通讯的两端中间部署MQ服务。因为使用了符合标准的XML格式文件作为传输介质，所以使用一般的解析XML组件或者中间件即可转化为自己所需的格式数据。省环境监控中心图4-9 基于消息队列的数据传输模型1图4-10 基于消息队列的数据传输模型2数据采集系统向队列2发送一条信息， MQ发现队列2所指向的目的队列上位于系统远端的数据中心，它将信息放到本地的一个特殊队列传输队列 (Transmission Queue)。我们建立一条从前端系统到监控中心的消息通道，消息通道代理将从传输队列中读取消息，并传递这条信息到监控中心，然后等待确认。只有MQ接到监控中心成功收到信息的确认之后，它才从传输队列中真正将该信息删除。如果与监控中心传输不畅，信息会留在传输队列中，直到被成功地传送到目的地。这是MQ最基本而最重要的技术-确保信息传输，并且是一次且仅一次(once-and-only-once)的传递。MQ提供了用于应用集成的松耦合的连接方法，因为共享信息的应用不需要知道彼此物理位置（网络地址）；不需要知道彼此间怎样建立通信；不需要同时处于运行状态；不需要在同样的操作系统或网络环境下运行。在消息队列服务支持下，数据传输步骤如下：1)前端系统从现场收集数据；2)前端系统按照Schema规范生成XML，将消息发送给MQ Server；3)MQ Server将消息转发给监控中心；4)监控中心处理接收到的XML数据，转换后存入数据库。MQ支持下的数据传送流程如下图示：监控中心前端系统图4-11 MQ发送数据流程5 数据采集仪集成要求5.1 访问外部服务要求数据采集仪需要至少满足下列方式之一来向监控中心发送数据：l 能访问监控中心的FTP服务，并能向中心FTP共享目录上传监测数据l 能访问监控中心的Web Service服务，并能以HTTP POST的方式将SOAP报文上传l 能在采集仪内部提供MQ服务，并能将数据发送到MQ消息队列中，再由MQ将消息转发至监测中心。或者采集仪内部不提供MQ服务，但能向外部MQ Server发送消息。5.2 内部数据处理要求l 数据采集仪需要将监测设备上收集到的数据经过一定的程序处理，将其转换成XML格式。l 数据采集仪需要将监控中心发送过来的XML指令数据解析，并转换成控制监测设备的指令。l 数据采集系统需要将监测设备上收集到的非及时性数据以一定的方式中存储在系统中。建议的存储方式是数据库。5.3 对外接口要求数据采集仪需要至少满足下列方式之一来接收监控中心发送的数据： l 能提供FTP服务，并能接收监控中心能向数据采集仪上的FTP共享目录上传的XML文件。l 能提供Web Service服务，并能接收监控中心能以HTTP POST的方式向数采仪上的Web Service 发送SOAP请求。5.4 存储容量要求前端监测系统需要对监测数据现地存储，要求系统存储空间能满足保存12个月的数据。（具体的数据容量大小根据各个设备内部的数据结构、存储方式而定）6 交换数据信息6.1 交换数据分类在数据采集传输仪与监控中心之间，需要交换的数据有如下几种：l 在线业务数据。在线业务数据分为两类，一类是实时数据，另一类是历史数据，这两类数据在报送时都以相同的数据结构进行传输。其中历史数据根据报送方式的不同，又分为补调数据和补报（传）数据。历史数据补报由数据采集传输仪自身发起。由于网络不通或其它设备故障导致数据上报不成功，在网络和设备恢复正常后，数采仪扫描内部数据库，找到未上报成功的历史数据，主动将其报送给监控中心。历史数据补调由监控中心向前端系统发送补调数据的控制命令，前端系统在接收到命令后，将指定时间（时间段）的数据打包后发送给监控中心。l 设备状态数据。设备状态数据在前端系统状态发生改变时主动向监控中心发送。l 控制命令。控制命令由监控中心向前端系统发送，用于远程控制设备，包括历史数据补调命令。以下分别定义这三种数据的XML Schema。6.2 监测数据Schema6.2.1 监测数据结构图图6-1 数据Schema示意图元素名详细说明属性说明EMSiteData表示此XML为一个站点的监测数据SiteID监测站点唯一编号EMGUID序列号UploadData表示一个监测点在一个时间段的全部监测因子数据的集合EMDataRecord代表一个监测因子的数据Code监测因子代码，参考7.4监测项目编码表Value监测因子值Status数据状态标记SamplingTime采样时间EMGUID代表了一个数据包的序列号，为了保证EMGUID的唯一性，建议采用“站点编号+序号计数”，计数可以从零开始编号，超过某一限值复位。6.2.2 监测数据Schema设备状态监测站点唯一编号TimeData类型，表示一个时间的监测数据，可以包括多个项目ItemData类型，表示一个监测因子的监测值状态开始时间监测因子代码状态值仪器状态描述6.2.3 xml文件示例6.3 设备状态Schema6.3.1 数据结构图图6-2 设备Schema示意图元素名详细说明属性说明EMSiteStatus表示此XML为一个站点的状态数据SiteID监测站点唯一编号EMGUID序列号UploadStatus表示一个监测点在一个时间段的设备状态的集合EMStatusRecord代表一个监测因子对应的仪器的状态Code监测因子代码，参考7.4监测项目编码表StatusValue状态值，参考8.1设备状态码Description仪器状态描述StartTime状态开始时间6.3.2 设备状态Schema设备状态监测站点唯一编号TimeData类型，表示一个时间的监测数据，可以包括多个项目ItemData类型，表示一个监测因子的监测值状态开始时间监测因子代码状态值仪器状态描述6.3.3 xml文件示例6.4 控制命令Schema6.4.1 控制命令数据结构图图6-3 控制命令Schema示意图元素名详细说明属性说明EMCommands包含若干个Command数据SiteID监测站点唯一编号EMGUID数据包序列号SendTime发送控制命令的时间SenderID发送方ID（区别省中心、国家），可省略Command代表一个控制命令数据CommandCode控制命令代码，参考8.2控制命令代码Priority命令的优先级ParamValue控制参数的值，参考8.2控制命令代码表中的参数值部分6.4.2 控制命令数据Schema表示对一个仪器的控制指令的类型站点唯一编码发送控制命令方ID发送控制命令的时间表示对一个仪器的控制指令的参数的类型命令的优先