（光学工程专业论文）地表水水质自动监控系统设计.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 应用网络技术、环境监测技术、自动控制技术和计算机技术，设计开发先 进的“地表水水质自动监控系统”是现代环境信息管理的需要，也是实现“数字 浙江环保”的一个重要组成部分。本论文以浙江省环境监测中心站的“地表水水 质自动监测监控系统设计”项目为依托，进行了“地表水水质自动监控系统”_ 自勺 分析研究和设计开发。 论文在描述水质监测现状及实现水质自动监测重要性的基础上，结合我省 “环境监测信息管理系统”的实际需求和省环境监测中心站“地表水自动水质监 测监控系统设计”项目的研究内容，运用系统化、网络化、智能化和标准化于一 体的先进的设计方法，完成了地表水水质自动监控系统的集成和现场自动监控系 统与远程管理中心监控系统的软件设计，并成功地应用于钱塘江等重要流域行政 交界断面的水质自动监测站中。本研究设计开发的水质自动监控软件系统在正确 性、功能性、可靠性、安全性、易用性和效率等方面，通过了中国软件评测中心 浙江分中心浙江省电子产品检验所软件评测中心的评测。 论文系统地介绍了水质参数的检测原理，水质自动监控系统的设计思想和 结构体系，详细讨论了现场自动监控软件与远程管理中心监控软件的功能、实现 方法和测试过程；为了研究水质指标变化的可预测性以及建立水质指标的预测模 型，论文在分析比较时间序列预测法、灰色系统预测法、人工神经网络预测法的 基础上，运用人工神经网络b p 模型中的l e v e n b e r g m a r g u a r d t 优化算法，对水质 指标的变化趋势进行了预测研究。论文以实测的水质指标捧度时间序列为学习样 本，以总磷( t p ) 、总氮( i n ) 、化学需氧量( c o d ) 等九项指标为预测参数，对学习 样本进行优化建模和预测分析，结果表明运用b p 神经网络的预测精度较高、速 度快，能够有效地运用于水质指标浓度的预测和水质趋势的预警预报系统中。 关键字：环境监测、水质监控系统、软件设计、水质预测、神经网络 塑望查兰堡主兰竺望苎 a b s t r a c t d e s i g n i n ga na d v a n c e d “s u r f a c ew a t e rq u a l i t ya u t o m a t i cm o n i t o r i n gs y s t e m w i t l lt e c h n o l o g yo fn e t w o r k 、e n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n g 、a u t o m a t i cc o n t r o la n dc o m p u t e ri s d e m a n do fm o d e r ne n v i r o n m e n t a li n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t , a n d i ti sa l s oa r ti m p o r t a n tc o m p o n e n t p a r to ft h e “d i g i t a lz h e j i a n ge n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ”t h i sp a p e rr e s e a r c h e da n dd e s i g n e d “s u r f a c ew a t e r q u a l i t y a u t o m a t i cm o n i t o r i n gs y s t e m ”b a s e d o np r o j e c to f e n v i r o n m e n t a lm e n i t 耐n gc e n t r a la a t i o no f z h e j i a n gp r o v i n c e n l i sp a p e rs t a r t sw i t hd e s c r i b i n gt h ep r e s e n ts i t u a t i o no fw a t e rm o n i t o r i n ga n d i m p o r t a n c eo fw a t e ra u t o m a t i cm o n i t o r i n g ，a n dt h e nf i s h e dt h es u r f a c ew a t e rq u a l i t y a u t o m a t i cm o n i t o r i n gs y s t e mi n t e g r a t i o na n ds o f t w a r ed e s i g n t h i ss y s t e mi sb a s & lo n a c t u a ld e m a n do f “e n v i r o n m e n t a li n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e m a n d s u r f a c ew a t e r q u a l i t ya u t o m a t i cm o n i t o r i n gs y s t e md e s i g n w h i c hi sz h e j i a n gp r o v i n e e sp r o j e c t n 坨p a p e rd e s i g n e dt h es y s t e mw i t hn e wf e a t u r e s o fs y s t e m a t i s m ，n e t w o r k i n g ， i n t e l l i g e n t i z a t i o na n ds t a n d a r d i z a t i o n ，a n dt h i sp r o j e c ti sw e l la p p l i e di ns o m ei m p o r t a n t d i s t r i c tb o r d e rr e a c h e so fw a t e ra u t o m a t i cm o n i t o r i n gs t a t i o ns u c ha sq i a n t s n gr i v e r s t a t i o n i nc o l l 七c t n e s s 、f u n c t i o n a l i t y 、d e p e n d a b i l i t y 、s e c u r i t ya n de f f i c i e n c y ，t h ew a t e r a u t o m a t i cm o n i t o r i n gs o f t w a r ew ed e s i g n e di nt h i sp a p e rp a s s e ds o f t w a r ee v a l u a t i o n b ye l e c t r o n i cp r o d u c t si n s p e c t i o no f f i c e so fz h e j i a n gp r o v i n c e t h i sp a p e rs y s t e m a t i c a l l yi n t r o d u c e sp r i n c i p l e so fw a t e ri n d e x e sd e t e c t i o n 、 d e s i g np h i l o s o p h ya n d s t r u c t u r eo fs u r f a c ew a t e rq u a l i t ya u t o m a t i cm o n i t o r i n gs y s t e m w ed e s c r i b e si nd e t a l lf u n c t i o n 、m e t h o da n dt e s tc 0 1 珊o f l o c a lw o r k s t a t i o ns o f t w a r e a n dl o n g - r a n g ec i t yw o r k s t a t i o ns o f t w a r e f o rt h ep u r p o s eo fh a v i n gac l e a rk n o w l e d g eo ft h e 瞒c 1 g 魄赫0 f - 矗e r 叩磷哆甜l dm 涮吨w a t e r q u a l i t yi n d e x e sp r e d i c t i o n ， a f t e ra n a l y z i n ga n dc o m p a r i n gp r e d i c t i o nm e t h o d si n c l u d i n gt i m es e r i e s 、g r e ys y s t e mt h e o r ya n d n e u t r a ln e t w o r k ，t h i sp a p e rc h o o s e db pn e u t r a ln e t w o r ko p t i m i z e dw i t hl e v e n b e r g - m a r g u a r d t a l g o r i t h mt op r e d i c t i o nw a t e rq u a l i t y w a t e rq u a l i t yi n d e xo f t i m es e r i e s i st a k e n a l li n s t r u c t i v e s a m p l e t a k i n gn i n ei n d e x e ss u c ha st o t a lp h o s p h o r ( t p ) , t o t a ln i t r o g e n ( t n ) ，c h e m i c a lo x y g e n d e m d ( c o d ) a st h ep r e d i c t e di n d e x e s ，s a m p l e s 、m o d e l e da n do p t i m i z e dw i t hb p n e t w o r k t h eo m d i e t e dr e s u l t si n d i c a t e st h a tp r e d i c t i o no fw a t e rq u a l i t y i sp r e c i s ea n df a s t ，a n dt h eb p i i 浙江大学硕士学位论文 n e t w o r kc a nb es a t i s f a c t o r i l ya p p l i e dt op r e d i c tw a t e rq u a l i t yi n d e xa n df i tf o rp r e - a l a r mo fw a t e r q u a l i t yn e n d k e yw o r d s ：e n v i r o n m e n td e t e c t i o n ，w a t e rm o n i t o r i n gs y s t e m ，s o f t w a r ed e s i g n ，w a t e rq u a l i t y p r e d i c t i o n ，n e u t r a ln e t w o r k i l l 浙江大学硕士学位论文 1 1 水质监测的意义 第一章绪论 1 1 1 中国水环境的现状 水资源是基础自然资源，是生态环境的控制性因素之一，同时又是战略性经济资源， 是一个国家综合国力的有机组成部分。水资源的可持续利用是实现经济社会发展目标、 实现经济社会可持续发展的基础性、全局性和战略性问题。随着社会经济的持续快速发 展、城市化进程的加快和人民生活水平的不断提高，水资源短缺、洪涝灾害频繁、水环 境恶化等问题日益突出。有限水资源的社会特性得不到充分发挥，水越来越成为可持续 发展的制约因素。我国江河流域普遍遭到污染，全国河川的生态功能已严重衰退，且呈 发展趋势。资料表明【1 】，水质劣于v 类标准河段占4 8 o ；不能满足i i i 类水质标准，不 能做集中水源的河段占7 3 5 。近3 0 年来我国淡水湖泊水质污染现象呈迅速增长之势。 全国大型淡水湖泊均达到中度和重度污染，其污染程度由重到弱依次为滇池、巢湖、南 四湖、洪泽湖、太湖、洞庭湖、镜泊湖，其中滇池和巢湖全湖水质劣于v 类【2 】。 我国城市供水水源有3 0 源于地下水，近2 0 年来地下水水质也普遍呈恶化趋势。 根据对全国8 4 6 个具有较长水质监测资料的水质站1 9 9 3 2 0 0 0 年间水质变化趋势的分 丰斤【引，全国约四分之一的测站水质呈恶化态势，约1 1 0 的测站水质状况有明显改善。水 质状况恶化的百分比大于改善的百分比，水资源质量仍在下降，水污染呈加重态势。水 资源一级区中，辽河区水质污染仍较严重，但有改善势头，其它水资源一级区呈恶化趋 势，其中东南诸河和松花江区最为明显。 从中国水环境的污染状况可以看到，保护水环境、治理水污染已经到了刻不容缓的 地步。 1 。1 2 水质监测的意义 随着流域人口的增加，社会经济的发展和城市化进程的加快，在诸多自然和人为因 素影响下，水文条件、资源与生态环境特征发生不断变化，流域水资源与水环境安全受 到威胁，面临着水质性缺水、工程型缺水和区域资源性缺水三大问题。我国水资源一直 浙江大学硕士学位论文 处于紧缺状态，两水环境质量却逐年恶化，水生态环境脆弱，富营养化日趋严重，水安 全受到严重威胁。与此同时我们国家进入了加快工业化、城市化、信息化、市场化和国 际化的小康型社会，提前基本实现了现代化。随着经济体制改革的深入，新一轮经济发 展扩张也必将随之到来，由此带来能源、资源消耗的增加和污染物排放增加，对资源环 境提出了更高的要求。今后，经济发展对环境资源产生的压力和环境问题对经济发展的 制约将是我们建设小康社会、促进社会全面发展的主要困难和突出矛盾之一。如何保持 经济与环境、资源之间的相互协调发展，实现区域经济的可持续发屣 目成为社会各界 普遍关注的问题。要获得经济发展与环境保护的双赢就必须正视与解决这些问题。 因此加强水资源管理，保护水环境，实现水质在线自动监测已经成为是关系国计民 生的大事。我国的环境保护政策是预防先于治理，水质监测是保护水环境、治理水污染 所需要迈出的第一步，是有效治理和控制水污染的技术支持和保耐”。 水质监测的内容和目的主要包括： l 、对进入江、河、湖、库等地表水体的污染物进行经常性的监测，以掌握水质现状和 发展趋势。 2 、对生产、生活设施及其它排放源排放的各类废水进行监视性监测，为污染源管翠和 排污收费提供依据。 3 、对水环境污染事故进行应急监测，为分析判断事故起因、危害及采取对策提供依据。 利用水质在线连续自动监测系统，能够及时准确地了解突发性环境污染事故的情况， 快速得出污染物的种类、浓度、污染范围和可能的危害，为有关部门的决策提供准 确可靠的科学依据。 4 、为水环境污染事件的进行预报预判工作，以便对可能产生的环境污染状况提早的进 行处理。 5 、为国家政府部门制订各类法规和规划、全面开展保护管理工作提供依据。 6 、为开展水环境质量评价、预测及进行环境科学研究提供基础资料。 为了改变中国水环境的严峻现状，保护地表水环境，建立一个完善的地表水水质自 动监测系统成为了一项刻不容缓急需完成的工作。 浙江大学碰士学位论文 1 2 水质监测的现状 1 2 1 水环境监测的现状 为了保护我们日益严峻的生存环境，国家正不断加大环境保护的力度，并把环保产 业作为优先发展的基础产业之一。我国新时期的治水方针是把永资源可持续 用提升为 我国社会发展的战略问题，强调水资源短缺已成为我国经济社会发展的严重制约因素， 提出要强化水资源的规划与统一管理，加强水资源的合理开发、科学配置、全面节约、 高教和用、有效保护、综合治理，促进人口、资源、环境和经济的协调发展。 多年以来，我国的环境监理工作一直采用人工采集、分析数掘、手工汇总制表等工 作手段，庙于采样间隔时间长，数据分析汇总慢，传递不及时，难以对当地的环境现状 正确、及时地进行整体把握，因此水质在线分析技术应运而生1 5 】。与经典的化学分析、 实验室仪器分析相比，在线分析具有分析速度快，操作简单，自动化程度高，节省试剂 与人力，可进行连续监测等优点。 近年来，各种水质的在线分析已引起政府部门和企业的极大兴趣，因此出现了许多 水质在线分析仪器及有关技术。 目前水质在线分析仪主要有如下特点： 1 、能完全自动地完成分析测定任务。只要有水样连续输入，仪器就能自动连续地输出 测量信号。 2 、在线分析仪器的精度可能低些，但是长期稳定性能要好。在线分析仪器不必像实 验室仪器那样频繁地去校准零点与量程，否则就失去了在线分析的意义。 3 、在线分析仪器的使用通常必须配有自动取样和样品预处理系统。 随着在线分析仪器技术的发展，地表水水质在线监测已经成为环境管理、保护的一 个必然趋势，国家环保总局于2 0 0 1 年开始在全国重点流域干支流及重点湖泊建设3 0 个 地表水水质自动监测站。每个站投资约2 0 0 万元，可对地表水中主要污染物进行2 4 小 时自动监测并可通过电话和卫星线路实时传输监测数据。 虽然国家己经加大地表水水质自动监测站的投入，但是总体上，国家级监测站数目 较少，无法满足各地环境监测的要求。近年来，各地环保部门从业务发展需要出发，自 行建设了一些环境监测系统。浙江省也于2 0 0 2 年建成首个地表水水质监测站建德 ( 兰江) 将军岩水质自动监测站。 ( 兰江) 将军岩水质自动监测站。 3 塑坚查兰堡主兰垡笙塞 由于各省各地区的独立开发建设，在全国范围内没有形成统的环保软件开发规范 和标准，开发平台及数据库的选择也多种多样，且对环保信息的采集能力不强，信息封 闭，数据库规模小，无法实现资源共享，导致信息资源十分有限，不能满足环保部门的 决策需求，因而与整个环保部门的管理要求相比还有较大的差距。 1 2 2 水环境监测的发展趋势 环境监测的主要作用是监测环境现状，评价环境质量，为管理和决簧提供科学依据。 随着环境保护工作力度的不断加强和自动监测站的增多，如何有效充分地利用现代计算 机技术、网络技术和通信技术，高效率处理监测数据，提高信息传递、统计、报告的效 率和监测数据的综合利用率，是新一代环境自动监测系统追求的目标和要实现的功能。 在没有环境自动监测数据传输规范等国家标准的情况下，浙江省环保管理部门结合 省环境信息管理系统的功能需求，制订了环境自动监测系统技术规范和监测数据数据传 输规约。全省环境自动监测信息管理系统包括：省和地市环境监测中心站的监测数据管 理软件、各城市大气自动监测系统、主要流域重点断面的水质自动监测系统、重点污染 源排放口自动监测系统等部分。此系统要求各个子系统采用统一的数据传输协议，构建 一个环境信息监测数据网络和分级管理的数据库平台，实现全省地表水水质、空气质量 和污染源监测信息的联网，达到全省环境信息的统一管理和资源的共享。 地表水水质监控系统作为环境自动监测信息系统的重要组成部分，根据浙江省环境 保护工作的发展需要，按照“统一规划、统一标准、共建共享”的原则，建立集现代化 管理思想与先进的计算机数据库技术为一体的完整的信息管理系统，实现环境监测信息 的全方位管理和信息资源的共享，提高工作效率，以满足当今环境监测信号化、网络化 建设及环境管理的要求。这也是环境监测系统的发展趋势。 1 3 论文研究的内容和目标 1 3 1 论文研究的内容 论文研究的主要内容是地表水水质自动监控系统的智能化集成( 即现场监测站集 成) 和现场自动监控系统与远程管理中心自动监控系统的软件设计，以及对地表水水质 指标变化趋势进行预测研究。 塑坚查堂堡主兰堡鎏兰 本文研究设计的地表水水质自动监控系统是根据我省水环境自动监测的实际情况， 依托先进的网络技术，借鉴国内外其他行业在资源共享建设方面的先进经验，结合环境 监测技术、仪器测量技术、自动控制技术和计算机网络技术，按照浙江省环境监测中心 站制定的环境自动监测系统技术规范和监测数据传输规约来规划、建设的。它是浙江省 环境自动监测信息系统的重要组成部分，也是实现“数字浙江环保”的一个极其董要内 容和支撑条件，它能为全省环境管理和环境决策提供高水平和高效率的技术支持，是我 省环境保护工作可持续发展的技术支撑保障。 1 3 2 论文研究的目标 论文研究的目标是根据自动监测系统技术规范和数据传输协议，建设高标准的地表 水水质自动监测站，并将各自动监测站构建成环境信息网中的网络节点：形成浙江省水 质自动监测数据库，实现全省环境监测信息的统一管理、统一利用和资源共享；对监测 数据进行统计和分析，获取具有价值的统计和预测数据，及时、准确、直接地为环境管 理与决策提供技术支持，进而实现环境监测管理的科学化、规范化、标准化和网络化。 为了实现研究目标，要求运用系统化、网络化、智能化和标准化于一体的设计思想 和方法进行水质自动监控系统的研究开发。 1 、系统化 水质监控系统不只是一个独立的监测系统，而是环境监测系统的重要有机组成部 分。从现场的仪器集成到网络构建都要符合浙江省环境监测系统整体的系统规划与设计 要求。 2 、月络化 水质实时数据及各种历史数据能够通过多种网络进行传输，实现水质监测数据与省 环境监测信息系统联网，实现数据共享。自动监控系统能够选择不同的网络传输方式 ( a d s l 、m o d e m 拨号上网、c d m a 、g p r s 等) 。各自动监测站内部各水质监测仪器通 过现场总线与计算机监控系统构成现场总线网络。 3 、智能化 水质自动监控系统能够在无人看守的环境下长期可靠运行，这就要求一套智能化的 水质监控软件对其进行控制管理，自动实现仪器的数据采集、控制、数据处理、报警、 浙江大学硕士学位论文 现场断电保护、远程通讯、自动生成报表等多项功能。 4 、标准化 各种水质监测仪器的连接和数据传输均采用标准的通讯协议。各种水质监测仪器通 过现场总线r s 4 8 5 与现场工控机连接构成现场网络，并采用国际标准的m o d b u s 通信 协议；通过拨号网络或i n t e m e t 网络与远程计算机联网，通过t c p i p 标准协议实现双向 数据传输；对于数据的具体格式，字段的定义等，均采用省环保部门制定的标准定义。 一塑坚查兰璺主堂些丝奎 第二章水质自动监控系统结构设计 2 1 水质自动监控系统设计规划 2 1 1 系统化的设计思想 水质监控系统是环境监测系统的重要有机组成部分。环境自动监测信息系统是应用 于环境监测与信息管理领域的一个课题，目的是实现全省环境水质和大气、污染源自动 监测网的联网。整个系统包括：省、地市监测中心站的环境信息管理系统、各城市大气 自动监测系统、省内主要流域重点断面的水质自动监测系统、重点污染源排放口自动蠊 测系统以及各子系统相应的软件。 鉴于以往的水质监控系统信息封闭，开发平台及数据库的选择多样，对环保信息的 采集能力不强，数据库规模小，无法实现资源共享等缺点，我们首先做了充分的系统化 设计。在宏观上，水质自动监测系统要求采用系统化、标准化设计思想，制订标准的监 测数据通信协议，并且在全省范围内能将各大气自动监测系统、水质自动监测系统和污 染源监测系统等子系统联网构成了完整的自动环境监测信息系统，实现了全省环境监测 数据的统一管理和信息共享。在微观上，即各子系统采用网络化、标准化、模块化的设 计思想，系统中的仪器、工控机等构成现场总线网络，并采用基于国际标准通信协议的 现场总线，实现了数字化的传输。在网络结构上，有省级中心站、县市中心站、现场自 动站组成的多级结构。 我们设计研究的地表水水质监控系统采用分布式网络结构的数据采集和监控系统 忙l ，其总体结构如图2 - 1 所示。它是在开放系统结构( o p e n s y s t e m s a r c h i t e c t u r e ) 设计思想 指导下开发的新一代环境监测系统。地表水水质监控系统的主要构成部分可分为四大 类。 一类属于现场基础设备，包括现场仪器、仪表，采水系统，电源控制系统等； 一类属于计算机基本软硬件平台支持，包括计算机，操作系统，网络系统，数 据库系统等； 一类是与应用系统直接有关的产品，如应用软件等； 一类是介于计算机平台和应用系统之间，就是通用数据采集和监控软件。 浙江大学硕士学位论文 在水质监测现场站中具备了上述四层的所有设备，它是整个监测系统的核心部分； 而远程中心站只具有四层中的上三层，它利用网络技术虚拟了一个现场环境，从而实现 了与现场完全相同的监测和控制功能。 图2 - 1 水质自动监测系统结构 本文设计的地表水水质监控系统在系统总体设计阶段就追求功能完善、稳定可靠、 配置灵活、适应性强和便于扩充的等特性，设计严格遵循了“开放”的原则，计算机硬 件的升级换代不会影响系统的基本结构和已实现的功能，系统中可以不断的加入新的高 性能的硬件设备，而已有的设备和己实现的功能仍能够继续使用。 网络化的结构体系设计是本文研究设计的地表水水质自动监测系统鉴于传统水质监 测系统信息共享能力差的缺点所迸行的改进设计。系统建立在以现场总线、i n t e m e t 和 拨号网络等多种网络传输形式上【7 】，网络层次分为成省级中心站、县市中心站、现场自 动站多级网络结构。现场自动站实现与仪器的通信和水质数据的采集，泵阀的控制，实 现自动站可靠的运行；县市监测站只能监控其管辖范围内的一个和多个自动站，包括实 时监测、仪器的远程控制、数据备份等功能；省监测站，需要控制和管理所有现场站， 并收集所有监测的数据。从管理结构上分，各个监测子站( 现场站) 为网络系统的第一 浙江大学硕士学位论文 层，市级中心站( 托管站) 为网络的第二层，省级中心站( 省级站) 为网络的第三层。 从拓扑结构上分，现场站为网络系统的第一层，中心站和省级站的拨号通讯部分为网络 的第二层，而省级站维护的f t p 服务器为网络的第三层。 图2 2 为按照系统的拓扑结构划分的地表水水质监控系统的三层网络结构。 图2 - 2 地表水水质监控系统的三层网络结构 1 、现场站、中心站之间的通信 第一层( 现场站) 是建在重点流域断面地表水监测点的自动监测站，一般处于无人 值守的长期运行状态。第二层( 中心站) 是现场站运行维护的管理部门，通常是当地县 市的环境监测站，需要监测一个或者多个现场监测站点。 一二层之间的通讯，主要实现的功能有： 1 ) 数据的实时监测 中心站的管理人员需要在本地就能了解到监测点水质数据的实时 变化情况。如果出现严重污染等突发情况，能够及时地得到信息，做出快速的反应处理。 2 ) 监测数据的获取和保存现场站建有数据库，长期保存监测数据。同样中心站也建 有数据库，对其管理的站点进行数据备份，也为中心站生成报表提供数据。 3 ) 远程控制和维护由于地表水监测现场站一般建在偏僻的行政交界断面，工作在无 9 浙旺大学硕士学位论文 人值守状态。一些简单的控制和维护工作，需要能够在中心站远程完成。 一二层之间的通讯方式主要有四种：m o d e m 对m o d e m 拨号的通信方式( 本地电话 拨号) ；通过1 6 3 拨号，接入公共i n t e m e t 连接方式：a d s l 接入i n t e m e t 方式；无线c d m a 或g p r s 接入i m e m e 方式。根据现场站的具体情况选择通讯方式。 2 、现场站、省中心站之间的通信方式 拓扑结构中的第三层是架设在省中心站中的个f t p 服务器。该服务器除了接受各 地表水自动监测站主动上传的监测数据，还保存大气、污染源的监测数据。 现场站与省中心站之间由各现场站主动上传数据，通过拨号1 6 3 0 0 或a d s l 接入 i n t e r n e t 后，现场与f t p 服务器利用s o c k e t 编程实现通信。根据数据的通讯过程，分 为两种情况： 1 ) 数据上传在每天的固定时刻( 选择网络较空闲时刻，一般为0 ：0 0 以后) 发送当日 的监测数据，也可以设置为多次上传。如果数次连接不成功，在下个发送周期会自动再 次发送未成功上传的数据。 2 ) 数据下询f t p 服务器可以通过m o d e m 对拨连接现场站，按照规定的格式下发查询命 令。查询的内容可以是历史数据，也可以是实时数据。现场站系统收到命令后，将做出 不同的响应即根据命令上传不同类型的数据。 2 1 3 智能化的监控系统 地表水水质监控系统由监测仪器、采水系统、配电控制系统和监控软件( 上位工控 机) 等四部分组成，其中监测仪器、控制系统的p l c 和上位机通过m o d b u s 协议连接。 现场监测系统需要智能化设计，达到能够长期在无人值守的状态下自动运行。 现场站采用一台工控机作为运行监控软件的平台，它与p l c 、监控仪表构成了一 个现场网络。 现场网络的物理层采用r s 4 8 5 协议。相对于r s 2 3 2 协议，r s 4 8 5 协议更适合工业 控制环境。它采用差分信号传输，无公共地，具有传输距离远( 最大传输距离1 0 0 0 米) 、 抗干扰能力强的特点。 现场网络的数据链路层在上位机与p l c 的通信中采用西门子( s i e m e n s ) 公司提供的 p p i 协议来实现；在上位机与监控仪器的通信中采用莫迪康( m o d i c o n ) 公司的m o d b u s 协议。各水质监测仪器、p l c 控制器和工控机构成的现场总线网络图2 3 所示。 1 0 浙江大学硕士学位论文 圈2 - 3 现场总线网络的构成 2 1 4 标准化方法的运用 标准化设计是本文研究设计的地表水水质自动监控系统实现系统集成和信息共享 的重要前提。系统按照浙江省环境自动监测信息系统的要求，运用标准的通信协议和通 信标准以及标准的数据库等，主要体现为以下几点： l 、现场网络的数据链路层在上位机与p l c 的通信中采用西门予( s i e m e n s ) 公司提供的 p p i 协议来实现； 2 、在上位机与监测仪器的通信中采用m o d b u s 协议f 9 1 伽，根据m o d b u s 协议实现上 位机和监测仪器之间的双向通信： 3 、网络连接通过标准t c p i p 协议实现双向数据传输； 4 、统的数据库构建； 5 、协助省中心站编写了浙江省环境监测数据规约】，所有上传数据必须符合规约 中规定的格式。这样所有的数据可以存放在一个数据库中，提高了省中心站的环保 信息的采集能力，便于实现监测数据的统一管理和信息资源共享。 浙江大学硕士学位论文 2 2 水质检测指标与检测原理 2 2 1 水质常规检测指标 根据国家地表水环境质量标准e n v i r o n m e n t a lq u a l i t ys t a n d a r d sf o rs u r f a c ew a t e r ( g b 3 8 3 8 - - 2 0 0 2 ) 1 2 】的规定，地表水环境质量标准基本指标为2 4 项。本文研究设计的水质 在线监测系统主要监测以下1 0 个水质常规检测指标和3 个流域状态指标。 1 、水质检测指标：水温、p h 、溶解氧( d o ) 、电导率( e c ) 、浊度( t u ) 、氨氮( n h 3 一n ) 、 化学耗氧量( c o d ) 、总磷( t p ) 、总氮( t n ) 、总有机碳( t o c ) 。 2 、流域状态指标：水位( w l ) 、流速( w s ) 、流向( w d ) 。 2 2 2 水质常规检测指标舳检测原理 为了保证监测项目的检测精度和系统长期可靠的运行，本系统采用了一些新型的水 质监测仪器，下面对部分仪器的监测原理进行介绍。 1 、c o d 测量仪 目前c o d 在线自动监测仪的主要技术原理有以下六种： 重铬酸钾消解一光度测量 法；重铬酸钾消解一库仑滴定法；重铬酸钾消解氧化还原滴定法；可见或紫外分光光 度法( 2 5 4 n m ) ；羟基自由基( o h ) 氧化一电化学涮量法；臭氧氧化一电化学测量法。考虑 到仪器的可靠稳定性和方便日常的维护，有些自动监测站选择羟基自由基( o h ) 氧化一电 化学涮量法的测量仪【1 3 】。测量仪原理图如2 4 所示。 图2 - 4c o d 在线自动测量仪原理图 a 、测量池b 、参比电极c 、工作电极d 、辅助电极 一一一 塑望查兰堕圭兰垡婆墨 e 、参比电极隔离转换器f 、精密电压源g 、电流放大器h 、磁力搅拌器 仪器采用三电极系统。工作电极采用铂金丝，涂上一层p h o 金属材料：参比电极采 用h g h 9 2 s 0 4 电极。参比液是饱和k 2 s 0 4 溶液。参比电极向工作电极提供一个稳定的参 比电位；辅助电极采用铂电极。当向工作电极施加一定电压时，工作电极上的p b 涂层 表面将产生大量的羟基自由基( o h ) 。羟基自由基具有很高的氧化电位，能迅速氧化水中 的有机物0 u ，反应方程式如下： 0 h + r = o h 一+ r + 水中有机物在工作电极表面被o h 氧化的同时，工作电极上将有电流变化。当工作电极 的电位恒定时，电流的变化与水中c o d 值成比例关系，通过计算电流的变化，便可测 出水中c o d 的含量。在实际应用过程中，只需将实验室所测得的c o d 值与仪器所测得的 电流密度输入器测量参数屏j仪器就会自动建立一条线性回归直线。测量值与标准化 学需氧量c o d 值比较具有较好的一致性。 2 、t o 3 测量仪 总有机碳t o c 是水中有机物所含碳的总量，所以能完全反映有机物对水体的污染水 平。t o c 分析仪，是将水溶液中的总有机碳氧化为二氧化碳，并且测定其含量。利用二 氧化碳与总有机碳之间碳含量的对应关系，从而对水溶液中总有机碳进行定量测定。其 主要技术原理有4 种j 4 】：( 1 ) c 篷化) 燃烧氧化一非分散红外光度法( n d i r 法) ：( 2 ) u v 催化一 过硫酸盐氧化( n d i r 法) ；( 3 ) u v 一过硫酸盐氧化一离子选择电极( i s e ) 法；( 4 ) 加热_ 过 硫酸盐氧化( n d i r 法) 。 目前通常有2 种方法来测量t o c ：( 1 ) 差减法：t c ( 总碳) 是f l j t o c ( 总有机碳) 和i c ( 无 机碳) 组成的，利用t c 与i c 浓度之差，就可得至i j t o c 浓度，i 那t o c = t c - i c 。( 2 ) 加和法： 试样酸化后进行通气吹出( 曝气) 处理，产生的挥发性有机物经过燃烧后被氧化成c 0 2 ，再 用n d l r 检测，进行数据处理，从而渭得挥发性有机碳( p c c ) 值；试样中剩下的有机物也 被氧化成c 0 2 从而测得非挥发性有机碳( n p o c ) 值；而t o c 是p o c 和n p o c 的总和，即 t o c = p o c + n p o c 。我们采用法国s e r e s 公司的s e r e s 2 0 0 0 总有机碳( t o c ) 测试仪，主要采 用第二种原理方法。仪器由内外两部分组成，外部主要是八头泵( 由它的转动来决定样 品或其他药品的去向) 、曝气管和缓冲管等部件组成。内部是高温氧化管和非色散红外 检测器。样品经进样管进入八头泵，分别进行清洗取样管、曝气管等步骤后，将l o m l 样品注入曝气管，八头泵再将磷酸注入曝气管，进行耗时3 m i n 的充分曝气，曝气后的栲 浙江大学硕士学位论文 品再经清洗高温氧化管等步骤进入高温氧化管，在持续过量的氧气中经6 8 0 。c 高温氧 化，几乎所有的有机物可在6 8 0 c 被分解，生成的二氧化碳通过非色散红外检测器在操 作屏幕界面上显示峰形，由邻苯二甲酸氢钾配置的工作曲线上计算得出样品的总有机碳 含量。 3 、t p 测量仪 水中磷的含量是评价水体富营养化程度的重要指标之一。目前，对水体中总磷含量 的测定，主要仍采用国家标准方法( g b l l 8 9 3 - - 8 9 ) ，钼酸铵分光光度法。但国家标准方 法中所采用的高压蒸汽消解过程，存在操作繁琐、热效率低、耗时长等缺点。我们采用 的总磷测量仪基于微波消解的特点，采用微波消解方法对测定水中总磷含量的不同类型 水样，改仪器采用的方法与传统消解法相比，具有操作简便、高效快速的特点，测定结 果无显著性差异，具有良好的精密度和准确度。 该仪器利用强氧化剂过硫酸钾加热消解水样，将水样各种形式的磷全部氧化为正磷 酸盐【1 5 】。在酸性条件下，正磷酸盐和钼酸铵、酒石酸镝钾反应，生成磷钼杂多酸，被还 原剂抗坏血酸还原成蓝色络含物，用分光光度计比色测定。微波消解水样的工作原理和 传统的加热方法不同，它不是利用热传到使外部水样加热分解，而是利用微波辐射，从 样品内部加热，在不改变化学反应机理的基础上，达到快速高效的消解目的。由于在加 热过程中，热量几乎不向外部传导，所以热效率非常高。而且利用微波能将试样充分混 合，激励撞击，促进消解液与样品的较好接触，具有消解快，节省能源等优点。 2 3 水质自动监控系统功能分析 地表水水质监控系统软件包括现场站软件和远程中心站软件两大部分。现场站软件 是安装在监测现场，完成仪器数据的采集、系统的控制、数据的处理保存与通讯等一系 列工作。远程中心站软件安装在各县市环境监测站的计算机上，来实现远程的数据监控 和简单的远程操作。 2 3 1 现场自动监控系统功能 1 、实时监测 在线水质监测的主要功能之一就是实时掌握水质参数变化情况。地表水水质监测软 1 4 浙江大学硕士学位论文 件需要2 4 小时不问断地监测出水质参数，以及反应整个系统的运行情况。实时监测需 要完成以下功能： 1 ) 监测水质参数数据包括：温度、p h 、d o 、e c 、t u 、n h 3 一n 、c o d 、t p 、t n 、t o c ， 如果有新的监测参数，按情况增加： 2 ) 监测水质状态数据 3 ) 监测环境状态信息包括：室温、电压i 4 ) 监测仪器状态信息包括：仪器故障信息、仪器的工作信息、泵阀开关状态。 2 、报警功能 报警功能主要包括水质参数超标报警功能和现场异常状态报警功能。 1 ) 水质参数超标报警：当发生突发性环境污染事故的情况，水质指标异常时需要进行 两方面工作，一是及时通知监测管理人员，以便能采取及时有效的措施；二是记录 报警的具体各项信息，为查询分析提供有效的数据。不同的站点需要不同的报警标 准，软件设计中需要提供动态修改报警限的功能。 2 ) 现场异常状态报警：当系统发生报警、停电、设备故障等事件时，要求通过 g s m p s d n 以短信的方式通知有关人员，并同时记录下发生时间、具体状况等相应 信息。 3 、历史数据压缩和长期保存 通过实时监测得到的数据，只反应当前的时刻水质状况。对于环境保护部门还需要 一段时间内的平均数据。水质监测站需要压缩得到：五分钟数据、小时数据和天数据。 其中五分钟数据要求保存一周时间、小时数据和天数据需要长期保存在数据库中，该数 据是开展水环境质量评价、预测及进行环境科学研究的基础资料，也为国家政府部门制 订各类法规和规划、全面开展保护管理工作提供依据。 4 、数据查询分析功能 1 ) 实时变化趋势的对比分析根据监测到的水质参数实时数据描绘出水质参数的短期 内的变化趋势，可以进行多个参数的对比分析，以分析其相关性。 2 ) 历史水质数据的对比分析对保存在数据库中的水质历史数据进行查询分析，以及 多个参数的对比分析。 3 ) 报警数据的查询能够查询所有任意时间段内的发生超限的参数数据，及发生超限 浙江大学硕士学位论文 报警时其他环境参数的信息。 4 ) 日志数据查询 “日志”是记录下地表水水质监控系统的运行信息的数据，主要包 括以下信息：记录本地站点对各泵、阀等部件的操作；对工作参数和报警参数的修 改；对p l c 校准时间；远程中心站对现场站的各种远程查询、控制和参数修改等； 记录工控机与仪器的r s 4 8 5 通信情况；记录工控机发送g s m 短信的情况；仪器清洗。 5 ) 事件数据查询“事件”主要记录下系统运行时出现的一些非正常状况，主要包括： 系统发生故障；现场停电；烟雾防盗报警；通讯故障。 5 、报表功能 报表是各地市、县级中心站上交给省环保部门，反应水质状况的主要书面形式。报 表有形式日表报、月报表、周报表和年报表四种报表。内容包括各水质参数在指定时间 段内的平均值、最大值和最小值，以及根据这些数据判断得出的首要污染物、水质厦量 评价。报表要求实现以下功能： 1 ) 能够选择w o r d 和e x c e l 两种方式进行报表生成 2 ) 预览生成报表采用的数据 3 ) 数据筛选与修改，从数据库取出的原始数据并不是都是有效数据，有些不能参与报 表的生成，需要按定的规则进行筛选，有些数据可能要进行人工的修正。筛选或 修正后的数据不能覆盖原始数据库，以免破坏原始数据，需要另外进行保存。 4 ) 保存报表，报表的具体格式省环保部门有详细统一的规定，需要按照这个格式规定， 制作报表 5 ) 打印报表。 6 、仪器控锚功能 系统软件需要有对所有监测仪器的控制功能，其功能主要包括： 1 ) 自动功能和手动功能的切换，当在自动功能状态时。仪器所有的反冲、清洗等维护 过程安预设参数自动定期完成；当在手动功能状态时，需要系统软件发出控制命令， 才开始上述操； 2 ) 清洗管路功能： 3 ) 管路反冲操作； 4 ) 对具体某个泵、阀的控制操作； 5 ) 即时测量，水质参数按一定周期定时测量，接受此命令进行一次即时测量： 6 浙江大学硕士学位论文 6 ) 即时采样，采样器定时采样水质标本，接受此命令进行一次即时采样： 7 ) p l c 校时，p l c 时钟长期运行可能会和工控机时钟发生偏差，需要向p l c 模块进行 校时； 7 、g s m 报警功能 当水质