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【打印】【设置】【返回】【关闭】研究生文献综述及学位论文选题报告学院：自动化学院专业：模式识别与智能系统研究生：金闯学位类别：学历硕士指导教师：段其昌入学年月：2004-09-10重庆大学研究生院年月日一、论文选题报告（申请时间： 2006年04月21日）论文题目：基于GPRS/WEBGIS/INTERNET的三峡库区水环境安全监测系统 研究方向：GPRS数据无线传输技术、WEBGIS的编程开发、数据库编程、数据采集分析课题来源：合同编号：经费数（万元）：0.0题目类型：应用研究自选报告内容：1.文献综述国内外现状 水质监测自动化是包含了化学分析技术、计算机技术、通信技术和检测技术等多学科的综合技术。通过水质自动监测系统，对于定点水域的水样采集，多项水质参数的测定以及数据的处理和传送都可以自动的进行。19世纪80年代末,美国有关专家认识到水的分析方法需要统一化，1899 年美国公共卫生协会(APHA) 成立了“水的标准分析方法委员会”负责这项工作。1905 年,该委员会发表了一份研究报告-水的标准分析方法,它就是现在已出版到第18 版的那套著名的水和废水的标准检验法(简称标准检验法) 的第1 版。水和废水的标准检验法的发展史就是美国水质监测的发展过程。目前，世界上很多国家都建立了以监测水质污染综合指标及某些特定项目为基础的水质污染自动监测系统。如日本东京的水质自动监测系统，监测中心可以对各个监测站的采样进行控制，控制的内容包括接通或断开电源，切换采样泵，反向洗涤过滤网等。各监测站每十分钟向监测中心传送一次数据，然后由位于监测中心的计算机对数据进行处理。而在泰晤士河流域水质自动监测系统中，计算机利用无线电技术控制着各水质自动监测站，每隔一段预先设定好的时间，就向各处监测站发出采集数据或执行其他任务的命令。发生污染事件期间，还可在控制室内用人工启动的办法增加数据采集的次数。该系统在治理污染水道、防止污染事故和保护鱼群方面发挥了重要的作用。我国对水质自动监测系统的研究始于八十年代；水质监测工作是水资源管理与保护的一项重要的基础性工作。它在水资源的管理、开发方面发挥了重大的作用。由于投资庞大，因此主要由政府兴建，用于重点水域的监测和管理，或者在大型的水利工程中作为配套系统进行建设。对于前者，如中国环境监测总站根据国家环保总局的要求，在松花江、辽河、海河、淮河、黄河、长江、珠江、太湖、巢湖和滇池等主要江河流域、湖泊建成的73个水质自动监测站。这些监测站主要对水温、pH和浊度等八项指标实施监测，并提供水质自动监测周报。对于后者，如东深供水工程和南水北调工程中兴建的水质自动监测系统。东深供水工程水质自动监测系统设两个中心站，三个子站。中心站包括计算机及系统软件、避雷器和供电电源等。子站则配备远程有线数据终端、多参数水质监测仪、避雷装置及供电系统。通信使用东深供水局的微波网络。而南水北调工程配套的水质自动监测系统目前仍处于建设阶段。其中，位于河南省淅川县的陶岔水质监测站是南水北调中线工程上建成的第一座自动水质监测站。该监测站配有先进的水质自动在线监测设备，可以24小时不间断实施水质自动监测，监测数据通过卫星同步传送到国家环境监测总站，从而实现对引水水质的实时连续监测和远程同步监控。目前，水利系统已建成由水利部、流域、省及其地（市）水环境监测中心、分中心，共251个监测机构组成的四级水质监测体系；水质监测站点3240处，基本覆盖了全国主要江河湖库；专职人员2218人，技术力量较强，实现了对水质的有效监测。监测数据为了解河流水质现状, 监测工厂达标排污, 预测污染趋势等方面提供了重要信息, 但也应看到现今的水质监测网络越来越不能满足水质管理和制定水政策的需要, 水质管理者在建立水质模型时面对的是数据多、信息少的局面,现今的水质监测网络存在诸多弊端。课题学术和实用意义 水是人类社会的宝贵资源, 是人类赖以生存的主要物质,但随着人口的增长, 工业化进程的加速, 水资源相对越来越匮乏, 而流域环境污染使缺水现象雪上加霜, 流域水污染相当严重, 已直接制约经济发展和改革开放, 影响人民身体健康和社会安定, 流域水环境的管理已成为环境管理的重要部分, 此外，根据专家的预测，如果仍不采取有效的措施对水资源进行综合治理与规划，那么到2010年，中国将成为一个严重缺水的国家。事实上，北方的很多省份目前已经出现了缺水的现象。水资源的短缺正在给国民经济的发展带来消极的影响。因此建立一个高效的监测网络对于流域水质管理有重要意义, 而网络作为一种组织管理形式, 由于它充分考虑各种复杂因素的综合作用,因此在流域监测中有重要意义。科学监测是科学地反映水质信息的重要组成部分。一个监测网络的核心部分为:站点、水质参数、监测频率。 虽然我国的水质监测体系和能力都有了一定的基础，但面对新时期水利发展的形势和要求，还存在一些急待解决的问题。从技术层面上来讲，主要集中在自动化程度低，以及信息处理的及时性与管理工作的需要不相适应两个方面。首先，测定各种水质参数是水质监测工作的重要内容。在测定的过程中，虽然有些参数是由仪器完成的，但大部分的测定工作（包括取样和化验），都是由人工完成的。不仅工作量大，监测效率低，而且很难在短时间内提供水质参数的信息，实时掌握水质的变化情况。其次，水质监测网络的信息化程度偏低，使得众多的监测部门各行其是，既浪费了人力、物力，又因时间、指标上的差异而导致监测数据客观上无法共享。通过邮政信件完成一个监测周期需要20天的时间；数据的整编则在每年年底或者第二年的年初进行。而在监测频次上，仅能做到枯、平、丰水期各两次，这对于水量、水质变化较大的河流来说，远不能满足管理的需要。因此，传统的监测模式已经不能适应和满足当前信息化管理工作的需求。 为了提高水质监测系统的机动能力、快速反应能力和自动测报能力，以及对突发性水污染事故的预测、预报能力，有必要进行水质自动监测技术的研究。基于WEB的水质监测系统的提出正是一种水质监测自动化的解决方案，它能大大节约成本，并相对于传统监测方式提供更快的实时响应，缩短信息传播周期，实现数据的共享。2.课题研究目的、内容、技术路线研究目的 本课题的目的是利用Internet这个目前全球最大的、开放的由众多网络互连而成的计算机网络，实现远程的数据监测控制，利用中国移动GPRS数据无线传输技术实现三峡库区水质监测数据的实时传输，汇总和查询。研究内容是通过WEB开发技术，整合现场总线技术，将工业控制网络和Ineternet连在一起，利用.net作为开发平台，实现WEB数据库和计算机的串口通信，从而能够对水质数据实时监测、发布、分析和预警。并结合Internet和GIS两方面的优点，实现在Web上利用Internet/GIS发布空间数据,为用户提供空间数据浏览、查询和分析的功能，实现远程的数据监测控制。 研究内容 本项目拟用GPRS网和Internet取代专用线路，通过GPRS终端连接现场水质检测分析仪器与远方服务器，实现在大范围内对水质信息进行实时同步的收集、分析和处理，再通过远程服务器向公众及有关部门发布水质信息，实现水质信息的共享。为此，本项目确定以下主要研究内容： (1) 数据处理终端(GPRS终端)的嵌入式技术研究，包括中央处理模块、GPRS通信模块等的研究与设计，从而实现对所采集数据的适时分析、处理和发送。在此，根据对各种水质信息实时度的不同要求设置其传输优先级。在嵌入式软件设计中，对污染源定位和突发性水污染报警算法进行研究，这些算法的实现主要依赖于大范围内水质信息的实时同步收集、分析和处理。 (2) 数据传输终端(GPRS终端)与远程控制中心(远程服务器)之间的通信协议的研究和通信协议栈的构建，以实现监测终端与远程控制中心之间的数据交互。 (3) 在远程服务器端，完成中心软件平台设计，该平台一方面实现接受和发送UDP 或TCP 协议的IP包,以实现与GPRS 终端的IP协议通信，实现系统的远程数据监控和大范围水质信息的定时收集，并能根据GPRS终端的水质数据处理算法，第一时间对突发性水污染事件发出报警；另一方面，在该平台上建立Web服务器，定时向公众及有关部门发布最新水质信息。技术路线本课题研究的是利用先进的Internet网络技术，建立广域水质自动监测系统。针对水质监测的特殊性，采用client/server进行模型优化设计，对现场设备与Internet的硬件连接和软件支撑进行研究。水质监测设备拟引进日本岛津公司的总有机碳分析仪。总有机碳（TOC）分析仪的关键技术是不仅对低分子、易分解的有机物，而且是对具有不溶解性或含有高分子状的难分解有机物也可高效率的进行氧化。岛津采用独自开发且在世界广泛应用的680燃烧氧化法，可高效率的测定所有有机成分。获得ISO认证的岛津TOC分析仪，可同时测定TOC和TN，适用于河流、湖泊、水库等环境水的有机污染物的分析与监测。产品配备功能齐全的计算机软件，可在计算机上方便的进行TOC仪的操作、控制和数据处理。选用GPRS的实现数据的无线传输，通过水质检测仪器与GPRS网络的嵌入式接口，GPRS与Internet接口，将实时数据传输回中心服务器，同时研究水质监测点的科学布局方案,实现对三峡库区水质进行远距离、大范围、低成本的在线监测平台。选用Supermap IS 2003作为WebGIS Server，Microsoft IIS作为Web服务平台，Microsoft SQL Server 2000作为空间信息和属性信息数据库，Server API构造方法中的JSP语言，并结合Javascript、XML等语言进行系统开发，实现三峡库区地理信息的查询、图形、属性结合在一起，在可视环境下解决与三峡库区水环境信息有关的信息查询、信息发布、空间规划、信息管理等实际问题。 开发基于INTERNET三峡库区水环境监测平台,采用B/S结构，.net开发WEB应用程序，SQL Sever作为后台数据库，实现实时监测数据的显示和查询，随机数据的显示和查询（结合WEBGIS实现），紧急事件处理机制（水质的污染超标中断、报警、跟踪处理），移动的水质监测。 用模糊控制 、最优控制及专家系统的思想对模型进行设计、仿真和论证。研究初期，将首先在重庆大学罗克韦尔实验室建立系统模型。该实验室拥有与Internet相连的局域网，可模拟监测数据的传输过程。取得成果后，再建立小规模系统试运行，待进一步论证后，投入正式运行。3.创新之处与拟解决的关键问题创新之处(1)运用GPRS无线传输技术，实现库区水质实时信息的传输和查询；(2)使用专业的WebGIS Server，将数据库与用户界面分离，可移植性强，降低了二次开发费用低；(3)将Web技术和GIS技术同时运用到三峡库区水环境安全监测系统中，有效提高管理水平与效率；(4)简单的Web操作，方便非专业人员的信息查询使用。拟解决的关键问题1. 水质检测仪器与GPRS网络的嵌入式接口技术问题，GPRS与Internet接入技术问题。2. 基于IE的WEBGIS的开发问题，以及数据的实时显示，查询，自动报警问题。3. 实现实时监测数据的显示和查询，随机数据的显示和查询（结合WEBGIS实现），紧急事件处理机制（水质的污染超标中断、报警、跟踪处理），移动的水质监测等的算法设计问题。4.预期目标 在三峡库区建立一个基于GPRS/GIS/Internet的实时在线水质监测平台。该平台的主要功能是对库区大范围内的水质信息进行实时同步收集、分析与处理，实现库区大范围内水质信息的定时收集，为水资源开发、保护、治理和合理利用提供可靠、翔实的数据；并在对大范围内水质信息进行动态分析、处理基础上，在突发性水污染事件发生后的第一时间内，实现水污染的动态定位和突发性水污染报警技术，为决策部门处理突发性水污染提供可靠的参考，并把污染事件造成的危害降到最低点；对主要入河排污口、取水退水口、污染源点、水利工程等涉水水域的水质进行远程实时监测，从源头上解决水污染问题。并通过该平台，定时向公众及有关部门发布最新水质信息，实现水质信息共享。 5.可行性论证 当前，我国主要江河、湖泊水体的水质总体上呈恶化趋势。水质监测是管理水资源重要的基本手段。水质动态信息是政府控制水污染实施监督管理的依据，为了适应水资源管理与保护工作发展的需求，亟须提高水质监测技术的现代化和标准化以及管理制度化的水平。虽然水利系统的水质监测体系和能力已经有了一定的基础，但面对新时期水利发展的形势与要求，还存在着一些急待解决的问题。为加强水资源的管理与保护工作，水利部组织编制水资源综合规划、水功能区划及水资源保护规划等。编制和实施这些区划、规划，都需要通过水质监测提供准确及时的水质动态信息。因此，水质监测工作需要在现有基础上进一步发展和提高，需要有一种自动化的方式完成监测工作，降低过去监测系统的成本，并能更加及时、准确实现。技术层面： 1.B/S模式的WEB开发技术已经相当成熟 2.组件式开发技术也已经形成相当优厚的环境 3.WEBGIS开发虽然处于初级阶段，但是有很多成型的示例可供参考 4.DDE和OPC通信方式都有可以参考，应用的资料 5.实验室的计算机局域网以及Rockwell公司的PLC可提供测试，仿真支持 6.老师指导和同学的帮助6.参考文献1 李怡庭，全国水质监测规划概述，中国水利，2003（14）：11142王红峡，王强，三峡工程库区水质污染现状及保护对策，三峡大学学报，24卷第5期，2002.103贾国珍，曲锦艳，高峰，关于加强水质检测工作的探讨，东北水利水电，20卷总211期，4 谢希仁，计算机网络，电子工业出版社，2001，15 裴有福，Web技术大全，中国水利水电出版社，19986 朱文兴，贾磊，刘美玉，基于Web的在线水质自动监测系统，机电一体化Mechacronics 2004年1期7刘献忠，杨莹，基于Internet的地理信息系统的研究和开发，计算机工程与应用，2003.11 1298袁国斌，刑延炎，张志刚，基于WEBGIS的电力信息系统，科技进步与对策，2003年增刊9 李东红，董春丽，林红军，李涛，多层次Client/Server结构及其应用，信息工程大学学报，2000（4）：737610 陈旭，刘加伶，Client/Server与Browser/Server结构的分析与比较，重庆工学院学报，2000（2）：10010311 朱光，季晓燕，戎兵，地理信息系统基本原理及应用，测绘出版社，199712 陈俊，宫鹏，实用地理信息系统成功地理信息系统的建设与管理，科学出版社，199813 SuperMap 2000开发教程，北京超图地理信息技术有限公司14 宋关福，钟耳顺，王尔琪，WebGIS基于Internet的地理信息系统，中国图像图形学报，1998（3）：25125415 钟耳顺，宋关福，王尔琪，吴秋华，GIS组件化与组件式GIS研究，超图文集16 理解SuperMap GIS，北京超图地理信息技术有限公司17 陈季卿，杨涛，贾斌，基于Web的远程工业现场数据采集技术，计算机应用，2001（6）：798118 黄天戍，汤滢，陈健，DDE技术在LON总线中的应用，电子技术，2001（10）242519 王路，童朝南，彭开香，基于DDE和SOCKET协议的快速控制系统，计算机应用2002（9）：878620 OPC技术介绍（一），自动化博览，2002，321 石林锁，王涛，刘顺波，基于OPC规范的客户应用程序的实现，微计算机信息，2003，19（5）：687022 OPC Common Definitions and Interfaces, Version 1.0, October 27, 199823 陈帅，林明秀，一种基于Web和OPC技术的分布式远程控制系统的实现，长春理工大学学报，2003（2）：656724 杨静，冷杉，基于OPC规范和ActiveX技术的Web实时监控，工业控制计算机，2003（5）：192125 维尔德穆特，周靖，ADO.NET实用指南，清华大学出版社，200326张志学，.NET框架程序开发指南，清华大学出版社，2002.727巴克，VB.NET与ADO.NET数据库编程，机械工业出版社，2003.428霍利斯，康博，VB.NET程序设计教程，清华大学出版社，2001.1029考夫曼，张哲峰，ASP.NET数据库入门经典，清华大学出版社，2003.130莱尔，何长松，张俊，ASP.NET开发人员手册，电子工业出版社，2002.431兰金斯，邱仲潘，SQL Server2000实用全书，电子工业出版社，2002.932 林富尧; 林汉威，ActiveX/VBScript使用手册，清华大学出版社，1998.2 选题报告论证记录（含时间、地点、参加人，提问及回答要点等）：时间：2006 年4 月20 日地点：主教楼2110参加人：段其昌、张从力、赖俊峰、张昆、何国胜、金洪波、吴冠霖、毛丽、金闯、唐毅、吴正东、陈国靖提问及回答要点：1问题： 该项目为什么要选用GPRS无线数据传输？ 答：基于中国移动的GPRS 的数据传输方式投资、运行成本低，它可以在不铺设线路的情况下实现大量数据采集点联网，数据采集点可以任意移动，投资成本随监测点的增多而明显降低，特别适合于多点采集、数据传输量少的野外自动水质分析仪器的数据传输及监测，基于三峡库区的地理环境等因素，我选用GPRS结合Internet作为本课题的数据传输技术。2问题：该课题的主要创新点是那些？ 答： 该课题主要创新地方有：运用GPRS无线传输技术，实现库区水质实时信息的传输和查询；(3)将Web技术和GIS技术同时运用到三峡库区水环境安全监测系统中，有效提高管理水平与效率。3问题：请问WEBGIS在本项目你准备如何开发？ 答： WebGIS与其它采用B/S结构的信息系统类似，一般采用由数据库、应用服务器和客户端组成的三层体系结构，客户端一般为Web浏览器。WebGIS的计算模式主要包括以下三种：胖客户模式、瘦客户模式和混合模式。这三种计算模式各具有优缺点。从总体来看，本系统采用混合模式。因为它既不是把全部的空间处理功能模块和数据下载到本地，再在客户端进行所有的空间操作；也不是把全部的空间处理功能放置在服务器端，在服务器进行所有的空间操作；而是根据