（计算机应用技术专业论文）污染源水质在线监测系统研究与应用.pdf

摘要 随着工业技术的不断发展，新的水环境污染不断涌现出来，水环 境问题成为一个不可忽视的社会问题，水环境可持续发展已经成为一 个国家发展的重要基础。水环境监测作为环保各项工作的数据来源、 污染度量及环境决策与管理的依据，在环保工作中具有重要作用。因 此，研究水质在线监测具有重要的意义和实用价值。 论文首先通过对我国污染源水质在线监测研究与应用现状的分 析，找出存在的问题，根据我国水质监测的实际情况，提出一种新型 的污染源水质在线监测系统方案，使得系统能满足恶劣工作环境、稳 定性、健壮性等要求，并通过互联网对污染源水质进行可靠的远程监 测。详细介绍了系统的组成与优点。整个系统分成三个部分：基站系 统、数据通信系统以及中心管理系统。 然后重点介绍基站控制系统的设计与实现。基站控制系统承担从 现场监测仪器采集数据向中心管理系统传输和基站在线运行控制的 任务。工控机和现场监测仪器组成仪器局域网，采用m o d b u s 协议 作为现场网络的数据传输协议，实现基站系统对监测仪器的数据采集 和各种控制。 其次研究数据通信系统通信原理并设计应用层协议。根据污染源 水质监测的实际情况，采用g p r s 无线数据传输方式，实现中心管理 系统和基站系统之间高速、稳定的无线数据传输。 最后介绍中心管理系统的设计与开发。中心管理系统设计的核心 就是应用软件的编写，主要包括软件功能模块的设计及实现技术和数 据库系统设计两大部分。同时利用n e t 技术以及s q ls e r v e r 开发了 一个完整的中心管理系统。 关键词污染源，在线监测，通信服务器，s o c k e t ，m o d b u s 协议 a b s t i 认c t w a t e re n v i r o n m e n tp r o t e c t i o nh a sb e c o m eas o c i a lp r o b l e mf o rt h e e m e r g i n go fn e wp o l l u t i o nr e s o u r c e sr e s u l t i n gf r o mt h ed e v e l o p m e n to f i n d u s t r i a lt e c h n o l o g y a sar e s u l t ，t h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to fw a t e r e n v i r o n m e n ti sp l a y i n ga l le s s e n t i a lp a r ti nt h ee c o n o m i cg r o w t ho fa c o u n t r y s oi ti sn e c e s s a r yt os t u d yt h ek e yi m p l e m e n t a t i o nt e c h n o l o g yo f p o l l u t a n tw a t e rq u a l i t yo n l i n em o n i t o r i n gs y s t e ma n di ti ss i g n i f i c a n tt o d e v e l o pe c o n o m y f i r s t l y , b ya n a l y z i n g t h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o ns i t u a t i o no f p o l l u t a n tw a t e rq u a l i t yo n - l i n em o n i t o r i n go fo u rc o u n t r y , t h e i rf a u l t sa r e o u t l i n e d t h e n ，a c c o r d i n g t ot h ea c t u a ls i t u a t i o no fw a t e r q u a l i t y m o n i t o r i n gi no u rc o u n t r y , an e ws y s t e mi sp r e s e n t e d ，w h i c hc o u l dm e e t t h ed e m a n d so fh a r dw o r ke n v i r o n m e n t ，s t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t ya n dc o u l d d or e l i a b l yr e m o t em o n i t o r i n go np o l l u t a n tw a t e rq u a l i t yv i ai n t e m e t i t s s t r u c t u r e sa n da d v a n t a g e sa r ei n t r o d u c e di nd e t a i l t h ew h o l es y s t e m c o n s i s t so ft h r e ep a r t s ：t h eb a s es t a t i o ns y s t e m ，t h ed a t ac o m m u n i c a t i o n s y s t e ma n dt h ec e n t e rm a n a g e m e n ts y s t e m s e c o n d l y , t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h eb a s es t a t i o nc o n t r o l s y s t e mi si n t r o d u c e di nd e t a i l t h eb a s es t a t i o nc o n t r o ls y s t e mc o l l e c t st h e d a t af r o mo n l i n em o n i t o r i n gi n s t r u m e n t sa n dt r a n s p o r t st h e mt ot h e c e n t e rm a n a g e m e n ts y s t e ma n dc o n t r o l st h eb a s es t a t i o no n - l i n er u n n i n g t h ei n d u s t r i a lc o m p u t e ra n dm o n i t o r i n gi n s t r u m e n t sc o m p o s eo fl o c a l a r e an e t w o r k s ，a tt h es a m et i m em o d b u sp r o t o c o li ss e l e c t e da s n e t w o r kd a t at r a n s f e rp r o t o c o l ，t h eb a s es t a t i o ns y s t e mc a na c c o m p l i s ht h e d a t ac o l l e c t i n ga n dl o n g d i s t a n c es u p e r v i s i o n t h i r d l y , t h et h e o r yo fd a t ac o m m u n i c a t i o ns y s t e mi ss t u d i e d ，a n dt h e a p p l i c a t i o nl a y e rp r o t o c o l i s d e s i g n e d i na c c o r d a n c ew i t ht h ea c t u a l s i t u a t i o no fp o l l u t a n tw a t e rq u a l i t ym o n i t o r i n g ，u s i n gt h eg p r sw i r e l e s s d a t at r a n s m i s s i o n ，t h eh i g h s p e e d ，s t a b l ew i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o n b e t w e e nt h ec e n t e r m a n a g e m e n ts y s t e m a n db a s es t a t i o ns y s t e mi s i m p l e m e n t e d i nt h el a s tp a r to ft h i st h e s i s ，t h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n to ft h e c e n t e rm a n a g e m e n ts y s t e mi si n t r o d u c e d t h ea p p l i c a t i o ns o f t w a r e c o n s i s t so ft w op a r t s ，t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ff u n c t i o nm o d e l a n dt h ed a t a b a s ep a r t a n dac o m p r e h e n s i v ed a t a b a s ei se s t a b l i s h e d w i t h n e ta n ds q ls e r v e rt e c h n o l o g y k e yw o r d s p o l l u t a n ts o u r c e s ，o n - l i n em o n i t o r i n g ，c o m m u n i c a t i o n s e r v e r , s o c k e t ，m o d b u sp r o t o c o l i i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：盘造亟日期：22 年上月旦日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：遣坚导师签名盥日期：丑年上月卫日 硕士学位论文第一章绪论 1 1 课题来源及其意义 第一章绪论 本课题来自于湖南某公司污染源水质在线监测研究项目，目的是在总结和借 鉴国内外环境监测信息化的先进经验和发展趋势基础上，设计一套技术先进又切 实可行的污染源水质在线监测系统。通过对水环境全天候，全方位的实时监控， 借助完整可靠的通讯协议，利用实时的数据传输网络系统，准确及时地反映污染 因子的变化状态，为环境管理和环境执法提供依据，提高水环境监测的效率，提 升环保监控的现代化水平。 随着我国工业技术的发展，企业排放污水对环境水体的影响越来越严重，已 经到了刻不容缓的地步。根据国家对“七大水系”、“三湖 、“南水北调工程及 4 7 个环保重点城市集中式饮用水源地水质监测结果表明：水质情况不容乐观、 污染日趋严重，特别是重金属污染严重。我国受重金属污染的土壤面积达2 0 0 0 万公顷，占总耕地面积的1 6 ，因工业“三废”污染的农田近7 0 0 万公顷，使粮 食每年减产1 0 0 亿公斤，有资料显示，华南地区有的城市有5 0 耕地遭受镉、砷、 汞等有毒重金属和石油类的污染，长江三角洲地区有的城市连片农田受镉、铅、 砷、铜、锌等多种重金属污染，致使l o 土壤基本丧失生产力。 因此，国家环保部门积极探索污染监控与治理的有效手段，提出了“达标排 放，总量控制”的总指导原则。虽然水环境保护的大量工作在治理，各地也在进 行污水处理厂等设施的建设，但根本在对排污企业的管理及对已经建成的治理措 施的有效利用与运行，所有这些工作的基础就是对水体污染状况的了解即水质监 测数据的取得。传统的水质监测方法需要环保部门将大量的人力物力投入到现场 的数据采集工作中。但是随着污染源的增加，传统的监测方式，已经无法起到实 时监控污染的目的。利用现代化的电子技术，通讯技术，软件技术，建立一套环 境水质在线监测系统，实现监控系统的自动化，从更高的层次上对工业污染进行 有效的管理，体现了环保作为一个新兴行业的发展方向，有利于监控污染企业， 增加企业的自律，促进他们履行自己的环境义务，帮助企业提高治理设施的水平， 可以大大降低环境污染，提高企业经济效益的同时，也提高了环保投资的社会效 益。因此，污染源水质在线监测，尤其是国家规定的多污染因子的在线监测，是 水环境保护的关键环节，是一切后续措施的前提。 硕士学位论文 第一章绪论 1 2 环境在线监测系统简介 作为我国基本国策之一的环境保护，是我国实施可持续发展战略的重要内 容。环境监测的主要任务是及时、准确地提供各种污染源排放的污染物总量和各 种污染物排放浓度的时空分布数据。其目的是为环境管理、环境法规的实施、全 面科学的掌握环境质量状况及控制污染物排放量提供科学的依据，并且为环境规 划、环境科研、环境决策提供技术支持和服务。在环保工作中具有重要作用。 1 2 1 环境在线监测系统的概念 目前环境监测一般被定义为：“是为了保障民众的身心健康和保护人类所居 住的生存环境，运用化学、物理学、生物学、生态学和公共卫生学等方法和手段， 对直接和间接影响人类健康和生存繁衍的诸种环境要素进行调查、测定和分析的 过程”。【1 】 从宏观上来讲，环境在线监测系统【2 】就是为了适应新形式下环境监测工作的 具体要求，将传统手段与现代信息技术相结合，综合应用全球定位系统( g p s ) 、 地理信息系统( g i s ) 【3 】、自动控制技术、网络与通信技术、数据库技术、管理信息 系统( m i s ) 技术等先进手段和方法，对环境监测目标进行实时动态、多维变频、 总量控制、应急响应等科学的管理和分析，实现水、气、噪声及生态等环境要素 的实时、多维、高精度的在线监测和数据分析与管理，实现对监测业务和环境管 理决策的深度支持，从而最大程度地提高环境监测信息化水平，增强环境决策与 管理的能力。 从微观上来讲，环境在线监测信息系统【4 1 就是利用在线式监测仪器及设备对 其监测指标进行连续监测，并通过网络传输和数据处理设备对监测信息进行分 析、处理与管理，实现环境要素实时、动态监控的系统。 1 2 2 环境在线监测系统的分类 环境在线监测系统按照监测对象和监测目的不同，主要分为三种类型：空气 质量在线监测系统、地表水在线监测系统和污染源水质在线监测系统【5 】。前两者 通常也分别叫做空气质量自动监测系统和水质自动监测系统【6 】，它们都是为政府 提供及时、准确的环境质量数据，作为制定、采取环境控制措施以及环境统计的 依据，同时满足公众对环境质量现状和变化的知情要求。而第三种类型主要是为 环境执法机构提供数据依据，对企业等排污单位的排污状况进行有效跟踪、监控 和管理。 2 硕士学位论文 第一章绪论 1 3 环境水质在线监测的发展状况 1 3 1 国外环境水质在线监测的发展和现状 传统的环境监测主要基于单台仪器的间断方法，甚至是人工取样实验室分析 的非在线式监测，无法实现数据共享、在线测量和远程控制，对环境质量的突然 恶化以及污染源污染物的突发超标排放无法掌握，常常引起重大污染事故和经济 纠纷，具有明显的缺点。正是由于此，世界各国近2 0 年来均把先进的自动控制 技术、化学分析手段和计算机测控技术作为发展环境监测技术的重要手段。近 1 0 年来，随着信息技术、网络技术的飞速发展，环境监测仪器的计算机化、网 络化也成为不可逆转的潮流，包括空气质量、水质以及污染源监测在内的各种广 域环境在线监测系统也因此迅速得到发展，网络技术、工业测控总线技术、面向 对象的软件开发技术等均在环境在线监测方面得到了良好的应用 7 1 。 美国、日本、德国以及西欧等主要经济发达国家在环境在线监测技术研究和 应用方面一直走在前面，他们自2 0 世纪7 0 年代起相继建立了各种类型的环境在 线监测( 控) 系统1 8 j 。 美国是最早开展水质保护立法和管理的国家之一【9 】。美国水质立法可追溯到 1 8 9 9 年的河流和港口法。所以对于大气和水质污染源的监测监控研究工作起 步较早，技术比较先进，研究成果在空气质量监控和水质监测中应用广泛。美国 的空气质量自动监测系统在全国设立6 0 0 0 个监测点，包含2 5 0 个国家级监测点； 从1 9 7 5 年起美国建立国家水质监测网，进行污水、地下水、地表水的自动监测。 例如美国南加州主要的大气污染源为汽车尾气，为此，有关部门在南加州质控区 设置了3 4 个监测站，自动监测相关大气污染物的数据资料，按照一定的频率每 隔一段时间通过网络传输把数据上传到南加州空气质量控制局以及加州的信息 数据中心，南加州空气质量控制局利用g i s 处理监测数据，生成诸如n o 浓度分 布等g i s 专题图，分析汽车保有数量与空气污染程度以及民众健康情况的关系 【1 0 】 o 7 0 年代末，日本展开了针对大气和水质污染源监控监测技术研究，丌发出 了大气和水质的在线监测系统。他们具体做法是把大气与水质同时放在一个中央 控制室里，在中央控制室里，不仅要按照专家系统对实时数据进行处理、汇总、 打印报表和曲线图形，还要进行大气质量的预测，更重要的是在监测和预测基础 上为政府决策部门的管理和立法提供科学、可靠的依据，充分体现了政府的一元 化管理功能【l 。 德国主要是通过发布一系列法津规程和管理案例的形式来实现【l2 1 。德国政府 在废水监测过程中，十分重视取样的重要性。德国的水污染源监测的方法标准统 3 硕士学位论文第一章绪论 一，定义明确，试样的运输方法，预处理方法，监测方法，数据处理方法都有明 确的规定。德国的环保技术同样领先于世界，其废水污染源监测大多数项目己经 采用了自动监测仪器和在线监测仪器，对于一些无法实现自动监测的项目，采用 标准方法采样、标准方法监测。目前，德国己实现以自动监测仪器自动在线监测 为主，实验室监测为辅的水质监测体系。 目前，世界上越来越多国家和地区都将遥感遥测技术、地理信息系统( g i s ) ， 网络通信技术、数据库技术和管理信息系统( m i s ) 应用其环境监测中，建立了以 大气、水质环境综合指标及其特定项目为基础的环境在线监测系统【l3 1 。欧美等许 多经济发达国家，经过近2 0 年的大力发展，环境在线监测系统基本普及。 1 3 2 我国环境水质在线监测的现状和存在的问题 我国传统的环境监测方法多是人工操作，主要是设置某些断面或测站定时定 点瞬时取样，然后将样品带回实验室分析或者野外进行现场测定。由于人力和物 力的限制，监测工作仅限于几个断面和点，监测频率也是每月数次，不能保证所 测数据的准确性和时效性，难以实现对环境要素全时段、全方位的动态监测。 近些年来，尽管部分城市采用并安装了一些自动或在线监测设备，大大提高 了监测的频率和监测数据的准确时效性，但是这些监测设备大多没有与环境监测 部门联网，监测得到的数据不能及时有效地被环境监测部门所掌握。而部分己经 建立电子文档入库的数据，也只停留在简单查询检索和统计功能上，并未转化为 环保工作人员和管理人员所需要的具有分析和决策帮助功能的数据【1 4 】。 近2 0 年来，随着经济的飞速发展，面对水环境保护的严峻形式，我国的环 境监测也相继经历了被动监测、主动监测和自动( 在线) 监测三个阶段。我国在8 0 年代初开始通过引进和消化吸收，首先在黄浦江、天津引滦入津河段以及吉林化 工、宝钢等大型排污企业的排水系统建立了水质自动监测系统。1 9 9 9 年起，国 家环境保护部在淮河、长江、黄河、松花江和太湖流域开始建设水质自动监测站， 监测的数据通过卫星通信直接传输到国家环境保护部中心控制室，并实现全国的 联网。迄今为止，我国已经基本建立全国主要城市和全国重点流域水质在线监测 系统【15 1 。 我国从八十年代中期开始了污染源在线监测方面的研究和探索，但是真正在 全国范围内开展此项工作则始于“九五”期间，国家环境保护部在全国选择了一 些省、市作为试点，对污染源在线监测进行了管理和技术方面的有益探索，污染 源在线监测相关设备和软件的研究开发也不断扩大和成熟，国内许多高校和科研 院所如西安交通大学、哈尔滨工业大学、中国环境科学研究院、南京大学、华南 理工大学以及一些高新技术企业如西安长天、哈工大比奥公司、湖南力合科技等 企业相继研制环境在线监测系统，取得了一定的成果【1 6 1 。在环境监测软件系统上 4 硕士学位论文第一章绪论 出现了一些单元化产品，有关广域环境在线监测多层次大系统的研制也逐步展 开。 但从全国来看，我国大部分省市开展在线监测的水平不一，全国仅有北京、 上海、苏州、哈尔滨、大连等城市率先出台了污染源在线监测管理的措施和办法。 同时水污染在线监测以规范排污口、安装流量计、c o d 在线监测仪居多，大气 则以安装烟尘在线监测设备为主，南方城市安装c o d 在线监测设备的企业较多， 北方城市安装烟气在线监测设施的较多，仅在部分城市实现了监测设备的联网和 集中控制管理。部分联网的系统存在的问题也较多，主要表现在：现有系统运行 不稳定，故障率高，无法满足高性能、稳定性的要求【1 7 】；数据传输方式落后，成 本较高；在监测数据采集与监控模式、广域接入远程通信、系统容错、系统长期 稳定性、数据处理分析与管理、环境决策支持等方面还存在诸多缺陷和不足( 1 8 】。 1 4 本论文研究内容与组织结构 本文主要做了以下研究和开发工作。 污染源水质在线监测系统的模型研究。进行系统需求分析、系统架构设计、 系统模块功能设计。 基站数据采集和现场控制技术研究。引入m o d b u s 协议作为在线监测仪 器数据采集传输协议，提高了水质在线监测系统现场数据采集的效率和规范性。 对现场设备控制和流程控制技术设计与实现。 通信技术及应用层通信协议的研究。采用g p r s 作为水质在线监测系统中 传输网络的通信方式，使得中心平台与基站之间的数据传输更加便利可靠。研究 开发了应用层通信协议，并实现了国家环境保护部最新出台的污染源在线自动 监控( 监测) 系统数据传输标准通信协议，使得系统在通信上具有更强的规范 性和灵活性。 基站管理控制系统软件开发。作为水质在线监测的基础和核心功能软件， 实现对现场的集成控制及完成数据采集，远程传输，响应中心平台的控制应答等 功能。 通信服务器软件开发。完成中心平台与基站数据通信的存储转发功能。 中心管理平台软件开发。主要包含数据处理功能的设计和数据库的设计， 该软件具有通信管理、数据管理、用户管理、报表管理、数据专家的功能。 本文的内容分为六个章节。 第一章绪论。首先简要介绍了课题来源及环境在线监测系统概念，然后对水 质在线监测的国内外发展现状作了概述，最后介绍了本文的研究内容与组织结 构。 硕士学位论文第一章绪论 第二章系统整体设计。提出了水质在线监测系统模型并论述了系统实现关键 技术。 第三章基站系统。本章详细阐述了基站子系统的功能结构及实现关键技术。 第四章数据通信系统。本章详细阐述了通信系统功能结构，通信协议的设计 与实现。 第五章中心管理平台。本章详细阐述了中心管理平台功能设计与开发，并提 出数据标识，数据专家概念以保证监测数据在环保执法中的可靠性。 第六章总结和展望。对全文和笔者在硕士阶段所作的工作进行了总结，并指 出了本研究工作的不足和对未来工作的展望。 6 硕士学位论文第二章系统整体设计 2 1 系统架构模型 第二章系统整体设计 水环境保护是我国可持续发展战略中的一项基本方针。因此，我国研究人员 对污染源水质在线监测进行了大量研究并开发出来一些产品，但是从目前污染源 水质在线监测系统的运行情况来看，效果并不理想，主要存在以下问题：监测 基站系统长期运行的稳定性、健壮性、可扩展性不好，运营人员现场维护的工作 量很大。基站自动控制系统主要采用工控机+ p l c ( p r o g r a m m a b l el o 百c c o n t r o l l e r ) 模式，软件运行于基于w i n d o w s 平台上，使得开发和应用成本很高， 影响了水质在线监测系统的广泛推广和应用。远程数据传输大多采用基站数据 采集系统作为客户端，监测中心管理系统作为服务器端的c s 模式。这种模式下 监测中心管理系统只能固定在监控中心，不能实现环境监察人员移动办公。目 前监测中心所获得的监测数据只能作为一种执法的参考而不能作为执法的量化 手段，其中一个主要问题是数据的可靠性和准确性得不到保障，缺少监测数据有 效性判断和质量控制方面的功能【l9 1 。在此背景之下，我们提出了新型污染源水质 在线监测系统模型。 本文基于互联网和嵌入式技术提出了一种新型的水质在线监测系统的设计 方案，系统集自动控制技术、通信技术、计算机应用技术为一体，并应用于污染 源水质在线自动监测中。本方案提出的污染源水质在线监测系统由监测基站层、 监测中心层和通信层组成，如图2 1 所示。中心站系统接受来自若干个监测基站 系统的数据，并对其进行监控，从而组成一个完整的污染源水质在线监测信息系 统【2 0 。2 1 1 。 监测基站层。设有水质在线监测仪、水样采集设备及负责取样、预处理过 程控制，采集水质数据和设备状态的远程测控单元。整个基站层由基站控制系统 协调控制工作，控制基站在线运行，将监测数据实时传输到中心层。 监测中心层。数据处理发布中心和基站监控中心。中心层将收到的监测数 据进行分析处理，按照设定的标准对原始数据作相关处理后存入数据库，然后根 据各种业务需求对数掘进行存取访问。 通信层。监测基站与监测中心进行数据交换以及实现对监测基站系统远程 控制的通道。以通信服务器为核心，通过数据通信服务程序进行数据的转发。 7 硕十学位论文第一i 章系统整体设计 监测中心层 ，嗣猫攀 一乱镧“” 队| ；? ：鬻 国黔嚣2 ；赋 通信层 ，一- ，i 、。： ，：! ! 乏 监测基站层 2 2 系统结构划分 , o p r sg 国“a d s l 姆蠲黼蝓囤燃噤嚣； 图2 - 1 污染源水盾在线监刹系统蛄构图 2 21 监测基站系统结构 本方案监测基站采用基于嵌入式l i n u x 和a r m 体系结构的专用测控单元， 它以自动监测技术为基础，以在线分析仪器为核心，综合运用自动控制、嵌入式 等先进技术，结合控制软件，实现了采样、计算和存储模块的集成【丑l 。其结构如 图2 - 2 所示。本方案的主要优点如下： 采用嵌入式a r m 作为硬件平台和嵌入式l i n u x 作为系统平台，系统整体 具有高度的可靠性和健壮性，提供可靠的连续在线无人值守的运行能力。采用嵌 入式数据库s q l i t e 作为数据库平台删，提供高度的数据安全性和大容量数据的存 储【洲。 采用工业总线的r s - 2 3 2 r s - 4 8 5 数字信号和4 - - 2 0 m a 模拟信号通信，采用 工业现场控制中m o d b u s 协议主从工作模式，实现对多台在线分析仪器的同时 控制。通过a d 转换和i o 接口，提供了广泛的兼容性皑i 。 嚣。腻 荔零黧一 q 淼 ，的一 硕士学位论文第二章系统整体设计 系统充分考虑防腐蚀，防雷电，抗干扰。 兰望竺竺竺竺竺 j l 水质在线检测摹站控制系统lh 液位系统 l 一一_ j o 一 璺雩孽、訾篙 运摹嚣窭l 1 囊萌丽 嘶莉订厂确参门 c o d 、n h 等；i 温度、浊度、p h 图2 - 2 基站系统结构图 采用分布式的系统设计，可以对采集的数据进行预处理，有效地减轻了监 测中心的负担，提高了系统性价比【2 6 1 。 系统集设备控制、数据采集、数据上报等功能于一体，实现基站系统运行 高度自动化，提高了系统的运行效率和实用性。 系统提供了丰富的日志功能，包括系统日志和仪器日志，系统维护方便。 系统提供了数据标识功能，用于对各种情况下产生的数据进行标记，并传 输到监测中心，为监测数据的可靠性和准确性提供了保障，实现了监测数据有效 性判断和质量控制方面的功能。 采用自动上报和数据采集两种通信模式，提供了完整的通信功能。 整套系统完全自动进行，无须人工干预，实现了系统的自动化。 提供了等时、等比等工作模式，用户可以根据具体应用改变监测仪器的监 测频率。工作人员在上级监控中心就可直接远程操作进行基站系统的日常维护和 管理。通过多级数据备份，保证了数据的冗余性。系统具备掉电后数据保护、数 据永不丢失和上电后的数据自动准确的恢复功能。 2 2 2 通信系统结构 本方案中通信系统的体系结构采用“客户端一服务器一客户端”的通信模式 【2 7 】，如图2 3 所示。客户端与客户端通过通信服务器交换数据，服务器与客户端 采用长连接的通信方式。通信服务器是在线监测系统的通信核心，安装其上的通 信服务程序负责监测基站与监测中心管理平台通信链路的建立，是整个通信系统 的核心【2 引。相对于“服务器一客户端 的通信模式，本结构的主要优点有： 可实现多对多的通信； 可实现移动办公，上层的管理平台并不需要安装在服务器上； 系统的可扩充性非常高； 适用于组建广域污染源水质在线监测网络【2 9 】； 9 硕士学位论文 第二章系统整体设计 可节省用户申请固定口地址及购置通信服务器【3 0 】的费用，同时可缓和固 定m 地址面临枯竭的矛盾； 数据通信的安全性较高； 传输协议符合国家标准，系统兼容性好。 局域网因特网 图2 - 3 远程通信系统结构图 2 2 3 中心管理平台 水质在线监测中心管理系统【3 l 】是水质在线监测系统的上层管理系统，它通过 运用先进的通讯技术，高速强大的计算机网络技术，可以准确、实时、快速的与 远程基站进行通讯，是整个系统实现管理、控制、分析、远程维护等的指挥中心 【3 2 1 。其系统结构图如图2 - 4 所示。本系统具有如下优点： 二| j 两磊画i 甄 监测中心应用服务器 监测中心数据服务器1 卜 = ，基站管理模块 叫 监测中心w e b 服务器l = 、j 数据处理模块 监测中心报警服务器 j 二，w e b 查询模块 ：7 一一 图2 - 4中心管理平台系统结构图 能监控所有污染类型的排放物且易于扩充； 支持国标污染源在线自动监控( 监测) 系统数据传输标准，方便数据互联 互通； 能支持多种现场数据传输协议，方便已有系统的移植； 可视化分析【3 3 】和计算功能强大且允许用户扩充； 提供强大的数据访问引擎和通讯接口，方便数据共享和系统扩充； 系统监控数据丰富且采集策略【划可灵活定义； 即时报警通知； 智能化自动和人工差数补齐； 上下级环保局之间的数据同步和共享； 支持多种现场数据传输方式。 1 0 一 讯路 一 一 通网 一 硕士学位论文第二章系统整体设计 2 3 系统实现关键技术 2 3 1 中间件技术 中间件是一种独立的系统软件或服务程序，分布式应用软件借助这种软件在 不同的技术之间共享资源。中间件在客户机服务器的操作系统之上，管理计算 资源和网络通讯。中间件技术可以满足大量应用的需要，运行于多种硬件和操作 系统平台，支持分布式计算，提供跨网络、硬件和操作系统平台的透明的应用或 服务的交互功能，支持标准的协议，支持标准的接口。中间件一般可以分为数据 访问中间件、远程过程调用中间件、消息中间件、交易中间件、对象中间件等。 在污染源水质在线监测系统中，中间件服务器充当着逻辑业务层的应用。中 间件服务器以中间件技术为核心，以统一的通讯及目录服务平台为底层接口，实 现了集数据通讯、目录查询、数据处理、数据存储于一体的中间件系统，各个模 块之问通过标准接口规范定义实现松散耦合，支持模块动态加载、负载均衡， f a i l r e c o v e r 具有很高的兼容性、扩展性。 中间件服务器层主要有两部分组成：数据库服务器和中间件平台。该层实现 了多点数据库的融合，构建了以多台现场数据库服务器为基础的数据中心，并以 此数据中心为基础，提供了数据的通信、数据智能存储、逻辑业务支持等功能。 根据实现功能的不同分为以下几个模块：数据通信模块；数据库控制模块； 数据处理模块；系统级业务逻辑处理模块。 2 3 2 多线程技术 基站控制系统与中心管理系统的实现，考虑到辅助线程与主要线程对共享缓 冲区的读写控制，采用多线程同步技术。对于对单个共享缓冲区资源的访问进行 的同步协调，采用同步访问对象c s i n g l e l o c k 对共享区域进行同步操作，通过该 方法，在线监测系统可以实现底层数据调用和表现层数据调用的分离，解决了数 据冲突访问问题。 2 3 3s o c k e t 通信技术 s o c k e t 是网络通信的基本构件，一个s o c k e t 对应于通信的一端，网络通信 的s o c k e t 接口模型将通信主机或者进程当作端点。每个网络对话包括两个端点： 本地主机( 或进程) 和远地主机( 或进程) 【3 5 】，s o c k e t 接口将网络对话的每个端点称 为一个s o c k e t ，对应的就有两个s o c k e t ，且这两个s o c k e t 在客户和服务器之间 建立了双向数据传送的连接。在网络应用中，多数网络应用程序是使用客户r j 臣 务器模型设计的，客户向服务器提出请求，服务器收到请求后，提供相应的服务。 污染源水质在线监测系统中的通信子系统利用s o c k e t 通信技术实现了基站系统， 硕士学位论文 第二章系统整体设计 中心管理平台与通信服务器之间稳定、高速、有效的通信。 2 4 本章小结 本章首先分析了我国污染源水质在线监测系统研究与应用现状，重点分析目 前存在的问题，提出一种新型的污染源水质在线监测系统方案。从系统架构模型、 结构划分、实现关键技术三方面详细介绍系统的组成与优点。污染源水质在线监 测模型将整个系统划分为基站系统、中心管理系统、数据通信系统三部分，将在 接下来的几章中进行详细介绍。 1 2 硕士学位论文第三章基站系统 第三章基站系统 3 1 基站控制系统功能与工作模式 基站控制管理系统是现场基站的管理核心，负责对基站所有设备仪器运行管 理，接受基站各台监测仪器的数据井控制其运行，是一个小型的计算机管理控制 网络系统，是一个实时在线系统。系统主界面如图3 1 所示，它是以现场p l c 为控制中枢，运行在基站a r m 工控扳上，配阻所需单元组成，是基站的管理核 心h ”。为保证系统的稳定运行和状态反馈，设计在各单元管路的关键部位加装压 力、流量传感器、液位开关等组成一个带反馈信息的控制系统。控制指令根据 现场情况或中心站命令发出，控制指令分为两种一种是为了各在线监测仪器能 采到满足要求的水样及保证整个监测基站能稳定、可靠的在线运行的p l c 控制 指令，这些指令由工控机发给p l c 系统，p l c 系统根据接收的指令进行相应操 作：另一种是仪器控制指令，通过r s - 4 8 5 总线对仪器进行控制，仪器根据收到 的指令进行相应的操作。负责现场控制与信息收集并与中心站进行通讯。 匿司茜习箧祜 l 厂i 订i 厂i 订i 厂i 订i _ _ 刚i r 画 吣荨对# d * # 图3 - 1 基站控制系统主界面 1 # # l r 8 a t t 口) l m e a 臼i h 镕r 蜀m # 镕* 帅，l 口i 硕士学位论文 第三章基站系统 3 1 1 系统功能 基站系统是整个污染源水质在线监测系统中的一个极其重要的环节，其主要 功能如下： ( 1 ) 与仪器通讯。控制所有仪器的运行，查询各台仪器的状态数据等，另外 也负责与流量计的通讯。具体实现的功能如下：实时显示各仪器的运行状态； 校准仪器时间、复位仪器、远程校准仪器；整理所有仪器的监测数据；单 独控制仪器。 ( 2 ) 与p l c 通讯。控制基站的其它运行设施，如空压机，抽水泵等，保证系 统正常、持续的进行【3 7 】。具体实现的功能如下：发送自动进样命令；完成液 位监测功能：对清洗过程进行监视并记录管路工作状态；对所有受控设备进 行单独控制；启停单个清洗操作；管路清洗时间设置；及时关闭所有操 作和所有设备。 ( 3 ) 数据采集。具体包括如下功能：采集常规参数：电压、湿度、室温； 采集瞬时流量、累积流量；采集五参数和仪器测量值。 ( 4 ) 与远程通讯。通过选择的通讯方式，实时的与远程中心管理端进行通讯， 让系统的状态实时的反馈到管理人员手中。具体实现的功能如下：自动上报数 据；自动上报状态；自动上报日志；远程控制；网络断开后自动连接。 ( 5 ) 系统管理。自动维护系统的运行，完成数据的整理等。具体包括如下功 能：修改管理员密码；处理掉电等异常情况；具有系统报警功能；具有 数据库自动备份功能、能对处理监测数据；查询历史数据、查询运行同志、参 数信息配置。 3 1 2 系统的工作模式 目前国内的污染源在线监测基站系统一般采用的瞬时采样的方式，即采取某 个时问点的水样进行监测的方式，这种方式采取的水样明显不能真实反映水体的 实际情况【3 8 】。因此我们采用了等比例采样，包括等时采样和等流量采样两种方式 和瞬时采样相结合的采样方式。等时采样方式一般用于2 4 小时不问断排水的企 业，如系统设置2 个小时测试一个数据的话，系统将自动将时间间隔分为1 0 等 分，即每隔1 2 分钟采样一次，采取的水样在混样池中不断的均匀搅拌混样，到 时间后仪器检测的将是这个时间段内的平均样品，其结果更接近实际排污情况； 等流量采样一般用于间断性排水的企业，它必须结合流量计共同使用，即在排水 达到一定的量时采样装置取样一次并不断进行均匀搅拌混样，仪器每次测量的也 是平均样品。瞬时采样一般用于应急监测中，基站系统在接受上位管理平台的指 令后，立即中断其它操作进行瞬时采样，测量的结果也就是接受指令的时间点的 数据。采用这种采样方式的最大的作用就是整个基站系统得到的监测结果更能满 1 4 硕士学位论文第三章基站系统 足污染总量控制的要求，为实行总量收费提供了真实的数据依据。 企业排放污水的方式多种多样，如何适应企业排放污水方式从而有效取得被 测水样，是污染源排放监测需要解决的一个基础技术。为此，我们通过多方面调 查和分析，我们可以针对以下四种排水方式取水监测：对连续平稳排放废水的企 业采取等时间比例取水监测按照要求规定固定时间分1 0 次取混合水监测； 对于连续不平稳排水情况采取等流量比例取水监测按照排放污水到一定量 等量分1 0 次取混合水监测一次：对于某些场合采取瞬时取水测试，而对于完全 没有规律且瞬时排放量很大的情况采取即时取水监测模式。瞬时取水与即时取水 的区别是前者有周期，后者无周期。这样可以很好满足监测现场的需要。 多种取水监测模式真正实现了符合现场实际的污水排放监测【3 6 1 ，本系统实现 如下三种工作模式： 等时采样模式【3 8 】。根据设定的时间间隔控制监测仪器采样。 等比采样模式【3 9 】。等比例采样概念与方法的提出，是基于必须取得具有代 表性的水样进行监测的目的要求。由于企业排放污水形式的多样性，测试结果是 否能够真正代表排放污水的真实污染浓度，取决于所取得的水样的真实代表性。 但目前普遍建成的污染源在线监测基站中基本采用瞬时采样模式，即被测水样均 为某个时间点的水样，不能代表某个时间段或流量段的整体水质情况，由此产生 的监测结果误差引起的监督部门与被监督者的矛盾也日益突出。为了解决这一问 题，国家提出了等比例采样的方式。根据国家标准方法我们设计了等比例采样单 元，实现了将监测周期( 时间周期或排量周期) 内的排放污水平均分点取水( 等 分为1 0 次) ，然后仪器测试的结果是本监测周期内所排放污水的平均排放浓度， 从而避免了瞬时取水存在的水代表性问趔3 7 】。 紧急采样模式。接受上级系统或者本机操作的临时采样指令控制监测仪器 采样。 3 2 基站系统软件构成 我们采用功能强大、稳定性高、抗干扰能力强的嵌入式工控机为基站系统的 控制中心。它除了能方便的完成采样、进样、测量、反冲洗、远程传输等各种基 本功能外，它还提供多种接口，能接入多种不同的仪器和设备并完成对他们的控 制，使整个基站具有良好的可扩展性。 在系统集成时，通过在系统的各个部分安装传感装置，把系统各部分的实时 工作状态形成日志文件上报到基站管理系统中。当系统出现异常数据时，管理者 能有效地通过日志文件中的状态信息对监测数据进行分析并找到异常原因，为进 一步处理问题提供依据。基站管理软件除了能向上位管理平台传送数据和状态信 硕士学位论文 第三章基站系统 息外还能接受上位管理平台的各种指令，帮助管理者完成远程控制。 根据基站系统要实现的