（环境工程专业论文）环境在线监测信息系统的研究与开发.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 环境监测作为环保各项工作的数据来源、污染度量、环境决策与管理的 依据以及环境执法体系的组成部分，在我国环保工作中具有重要作用。基于 化学分析测试的环境监测科学也随着全球环境问题的日益突出和环保事业 的兴起，英监测手段、监溺方法、管理水平隧着科学技术豹避步不断地得到 改善和提高。目前最行之有效的途径和发展趋势就是应用信息技术对监测目 标的各项业务进行在线管理和处理。 本文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，通过对广州市污染源在线监测系统开发方案的设计与研究，探讨在环境 监测中结合信息技本特别是自动控巷技术、数据库技术、g i s 技术、网络通 信技术，设计一套技术先进又切实可行的环境在线监测信息系统的方案。 在本系统的设计过程中，以数据采集器为核心，通过现场数据自动收集 上传、自动报警、中心站远程控制，实现对污染源等环境要素监测数据采集 和远程监控；采用成熟的无线数传通信，突破了传统的有线通信方式，传输 数据量大、安全高效且成本低廉：利用o r a c l e 软件作为系统数掘库管理平台， 以监测工作流程为主线来进行系统应用软件的开发，基本覆盖了污染源监测 的各项业务，功能完善、适用性强；探讨地理信息系统在环境在线监测信息 系统中的应用，研究基于地理信息基础上的数据查询、统计、环境制图、显 示等功能实现以及其对环境评价、预测预报、应急减灾、规划管理的深度支 持。该系统不仅仅适用于污染源的在线监测，还适用于水质监测、水文监测、 生态监测等所有无人值守的远程实时监控系统。 通过本系统的研究开发和实际运用，将提高广州市以及我国环境在线监 测理论研究与应用水平，为环境在线监测系统在我国的推广建设提供一定的 理论与实践参考。 关涟词：环境污染源在线监、狈4地理信息系统 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t a st h er e s o u r c eo fd a t e ，m e a s u r e m e mo fp o l l u t i o n ，f o u n d a t i o no f e n v i r o n m e n t a ld e c i s i o na n dm a n a g e m e n t ，a sw e l l 船t h ec o m p o n e n to f e n v i r o n m e n t a le n f o r c i n gl a w , e n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n gp l a y sa l li m p o r t a n tr o l ei n e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t w i t ht h ep r o g r e s so fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，t h em e a n s ， m e t h o d sa n dm a n a g e m e n tl e v e lo fe n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n gh a si m p r o v e d c o n t i n u a l l yw h i l et h eg l o b a le n v i r o n m e n t a lp r o b l e mh a si n c r e a s i n g l yo u t s t o o da n d e n v i r o n m e n t a lp r o t e c th a sf l o u r i s h e d t h em o s te f f e c t i v ew a ya n di t st e n d e n c yt a r eo n - l i n e m a n a g e m e ma n dt r e a t m e n t t o m o n i t o r i n g b u s i n e s s a p p l y i n g i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya tp r e s e m b a s e do nt h es u m m a r i z e dl a t e re x p e r i e n c ea n dt h ed e v e l o p i n gt e n d e n c yo f o n l i n ee n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n gh o m ea n da b r o a d ，i ti sd i s c u s s e dt h a t e n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n gc o m b i n e sw i mi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yi n c l u d i n gt o a m o m a f i cc o n t r o l ，d a t ab a s e ，g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e ma n dn e t w o r k c o m m u n i c a t i o n ，a ts a r n et i m e a na d v a n c e da n df e a s i b l eo n - l i n ep o l l u t i o n r e s o u r c em o n i t o r i n gi n f o r m a t i o ns y s t e mi ng u a n g z h o uh a sd e s i g n e di nt h i s p a p e r t h ed a t ac o l l e c t i n gm a c h i n ei sk e yp a r to ft h es y s t e m , a n di tc a l la c c o m p l i s h t h ed 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 nt oe n v i r o n m e n t a le l e m e n t ss u c h a s p o l l u t i o nr e s o u r c ea c c o r d i n gt o f i e l dd a t e sa u t o m a t i c c o l l e c t i n ga n d t r a n s m i s s i o n ，a u t o m a t i ca l a r ma n dl o n g - d i s t a n c ec o n t r o lo fc e m e rs t a t i o n ；t h e u p - t o d a t ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ni sa d o p t e di nt h es y s t e m ，i tb r e a k st h r o u g h t r a d i t i o n a lw i r ec o m m u n i c a t i o na n dh a st h ea d v a n t a g e so f l a r g e q u a n t i t y t r a n s m i s s i o n ，s g e t y ，h i g l le f f i c i e n c ya n ds m a l lc o s t ；t h ep e r f e c ta n da d o p t a b l e a p p l i c a t i o ns o f t w a r e o ft h e s y s t e mi sd e v e l o p e du t i l i z i n g d a t em a n a g e m e m s o f w a r eo fo r a c l e ，i tt a k e sm o n i t o r i n gp r o c e s sf l o wa sm a i nl i n ea n da l m o s t c o n t a i n sa l lb u s i n e s so fp o l l u t i o nr e s o u r c em o n i t o r i n g ；i ti sd i s c u s s e dt h a t g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e ma p p l i e st oo n l i n ee n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n g s y s t e m s o m ef u n c t i o n ss u c ha sd a t ai n q u i r i n g ，s t a t i s t i c s ，e n v i r o n m e n t a lc h a r t i n g 亟墨堡三奎堂堡主望堡笙苎 a n ds h o w i n ga sw e l la se n v i r o n m e n t a la s s e s s ，p r e d i c t i o n , d i s a s t e rr e l i e f , s c h e m e a n dm a n a g e m e n to nb a s eo f g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o nc a nb ea c c o m p l i s h e di na i do f t h es y s t e m t h es y s t e mi ss u i t a b l ef o rn o to n l yo n - l i n ep o l l u t i o nr e s o u r c e m o n i t o r i n gb u ta l s oa l ll o n g d i s t a n c er e a lt i m ei m p e r s o n a lm o n i t o r i n gs y s t e m i tw i l li m p r o v et h et h e o r e t i c a lr e s e a r c ha n dp r a c t i c a lc o n s t r u c t i o nl e v e lo f o n l i n ee n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n gs y s t e mi ng u a n g z h o ua sw e l la so u rc o u n t r y a c c o r d i n gt ot h i ss y s t e m , a n di tw i l la l s op r o v i d ec e r t a i nt h e o r e t i c a la n d p r a c t i c a l r e f e r e n c et oa p p l i c a t i o na n dp o p u l a r i z a t i o no fo n l i n ee n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n gi n c h i n a k e yw o r d s ：e n v i r o n m e n tp o l l u t i o nr e s o u r c e o n - l i n em o n i t o r i n g g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章前言 环境保护作为我国的一项基本国策，是实施我国可持续发展战略的 重要内容。而环境监测是环保各项工作的数据来源、污染度量、环境决 策与管理的依据以及环境执法体系的组成部分，在我国环保工作中具有 重要作用和地位。 1 1 环境在线监测信息系统的概念 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”u j 。 从1 9 世纪下半叶起，随着经济社会的发展，各类工业污染事件不断 发生，直接影响了人类的生活，环境问题逐渐得到社会的重视。基于化 学分析测试的环境监测科学也随着全球环境问题的日益突出和环保事业 的兴起逐步发展成为一项多学科相互渗透的综合性学科，其监测手段、 监测方法、管理水平随着科学技术的进步不断地得到改善和提高。目前 最行之有效的途径和发展趋势就是应用信息技术( i t ) 来协助监测业务 的处理和管理。 从宏观上来讲，环境在线监测信息系统就是为了适应新形式下环境 监测_ i 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 ) 、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 1 2 1 。 武汉理工大学硕士学位论文 从微观上来讲，环境在线监测信息系统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 环境在线监测信息系统的分类 环境在线监测信息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、水质在线监测系统和污染源在线监测 系统( 见图1 - 1 ) 。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，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 3 】。 广_ 1 广空气质量自动监测系统 i = 二二= | 环境在线监测信息系统广1 _ 1 水质自动监测系统 j = 二二三 1污染源在线监测系统 i一 图l l 环境在线监测信息系统组成 目前空气质量在线( 自动) 监测系统和水质在线( 自动) 监测系统 在我国起步较早，其相关技术研究开发及实际应用比较成熟，确立了部 分相关技术规范和标准，并在全国形成了一定范围内的空气质量自动监 测和水质自动监测网络【4 ；而污染源在线监测系统在我国近几年才开始 起步，与此相关的监测设备、系统开发等技术则相对滞后。 1 3 国外环境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， 武汉理工大学硕士学位论文 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。主要西方发达国家和日本等都纷 纷投入巨资，研究和发展在线式、不间断测量的环境监测设备并采用先 进的计算机软件技术以求大大提高监测仪器的自动化水平和数据处理能 力，建立了以监测空气、水质环境综合指标以及某些特定项目为基础的 在线监测系统【5 】。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、城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。 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。 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，仅俄亥俄河流域就设置了个1 4 个监测点，而 且建立了国家水质警戒系统：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；d i v j + l 质控区设置了3 4 个监测站，自动监测n o ；等 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旷”。 7 0 年代末，日本也出现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。 3 武汉理工大学硕士学位论文 在水质在线监测方面，目前日本的技术水平处于国际领先，典型的 有日本大阪水质在线监测系统等。日本大阪水质在线监测系统是将大阪 所管辖区域内的河川湖泊、下水道、工厂废水排水口设置水质监测设备 并联网，使政府环保部门能实时掌握所管辖地方所有水源和排污口的水 质状况，同时向所管辖地区的居民提供实时水质数据。如果一旦发生水 质污染事故等异常情况，则事故的种类、影响区域等信息通过系统的通 信网络传到中央控制室，为有关部门把握污染的性质状态、制定灾害对 策提供依据。 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 环境在线监测信息系统。欧美等许多经济发达国家，经过近2 0 年的大力 发展，环境在线监测信息系统基本普及。 1 4 我国环境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，主要是设置菜些断面或测 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；在后继的环境评估和决策 支援中，用有限的监测数据来评价整个区域的环境质量以及污染源的排 放情况也是不完全的，这对于尽早发现污染事故，及时预报区域环境质 量等均有很大限制驿】。同时，我国还有大量的监测数据仍以纸制文档形 式保存，几乎不能进行大批量的查询和统计工作；而部分已经建立电子 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。 武汉理工大学硕士学位论文 近2 0 年来，随着经济的飞速发展，面对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，首先在北京、上海、 青岛等1 5 个重点城市建立空气质量自动监测系统，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。】9 9 9 年起，国家环保总局在淮河、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 到国家环保总局中心控制室，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空气质量自动监测及预报系统和全国重点流域水 质在线监测系统一j 。 我国从八十年代中期也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，国家环保总 局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各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。在环境监测软件系统上出现了一 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i io j 。同时水污染在线监测以规范排污1 ：2 1 、安装污水流 量计、c o d 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；数据传输方式落后( 多采用电话线拨 号的方式) ，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 l 】。 5 武汉理工大学硕士学位论文 1 5 环境在线监测信息系统的应用价值 1 5 1 获取和存储大量环境数据 环境监测数据是环境决策和管理的基础和依据，因此环境数据的获 取和存储是环境保护工作的一项基础内容【l ”，依靠传统的手工取样、实 验室分析、手工数据处理及编写报告流程，获取大量有效数据难以实现， 而且通过手工采样与分析，不仅频次有限，而且数据的代表性难以保证。 通过实时在线监测，数据量可以是传统方式数酉乃至数万倍，数据船f 效性和代表性也大大提高。经过一定时间的积累，大量的历史数剪声环 境变化趋势分析以及预测预报提供丰富、可靠的素材。 1 5 2 改进环境监测手段 自环境监测部门独立存在以来，2 0 多年来一直沿用传统的兵验室分 析方法。随着社会和经济的不断发展和进步，传统的监测技j 、已经无法 满足现代环境监测与管理的需求。应用环境自动或在线监厕玻术建立各 环境要素及污染源在线监测( 控) 信息系统，使现有的环j i 监测与管理 手段得到有效改进和提高。利用在线监测( 控) 信息系纩，能改变过去 环境数据在时间分布上的离散状态，并易于建立中j 鼍支的环境监测网 络。同时引入现代网络信息技术，还可以大大提高, 4 - 。监测与管理的自 动化、信息化水平，提升环境监测和管理的工作 享。 1 5 3 解决环境纠纷仲裁和应急 随着中国工业化的迅速发展，由工业污染 起的区域环境纠纷不断 增加。对于特定的污染事件，纠纷双方往往由于从各自的利益的角度出 发各执一词，出具的环保监测数据差距很大，上级环保管理部门很难确 定事故的责任，难以做出科学的仲裁，引入环境在线监测系统可以有效 解决这一问题。例如在排污口敏感水域或厅政交界处建立水质自动监测 子站，实时在线监测水质变化情况，可l 提供较为完整、准确和中立的 数据；对于突发的重大污染事故预防乖应急处理，环境在线信息系统的 6 武汉理工大学硕士学位论文 优势更加明显。通过在线监测的自动报警功能，可以及时发现污染事故 隐患；污染事故发生后，可根据短期数据对污染事故原因进行快速分析， 及时制定应急对策，最大限度减少污染造成的损失。 1 5 4 支持环境管理部门决策和管理 目前环境决策作为一项重要内容被纳入到政府各项重大决策中，制 定和实施重大环境决策成为各级政府工作的一项重要内容。这要求政府 需要全面掌握环境质量现状及变化趋势，并做出科学预测，同时从经济 发展的角度跟踪本区域内企业减污治污进程。环境自动或在线监测( 控) 系统的建立将及时提供政府所需数据资料，提供更加准确、完备的技术 支持和技术服务，并对企业实簏更加有效的环境监督。 1 5 5 满足公众环境知情要求 中华人民共和国环境保护法规定：各省、自治区、市人民政府 的环境保护行政主管部门应依法定期发布环境状况公报。这也表明公众 对环境现状及政府的环境保护工作享有知隋的权利。现在，除了一年一 度的环境质量公报，全国4 6 个重点城市每日发布环境空气质量日报外， 公众获取环境信息的渠道和数量仍然很有限。随着公众环境意识的逐步 提高，环境知情权逐步为公众和法律所认可，在日益强调环境信息公开 和环境管理应加强公众和企业参与的背景下 i3 1 ，利用环境在线( 自动) 监测信息系统的数据发布系统，可以大大满足公众的环境知情要求，有 利于普及和提高公众的环保意识。 1 6 本课题研究的内容、目的和意义 1 6 1 研究内容 本课题通过对广州市污染源在线监测系统方案的设计与研究，建设 形成一个覆盖全广州市的污染源监测信息自动采集网络，对重点排污单 武汉理工大学硕士学位论文 位污染防治设备运行状况、主要污染物排放监铡数据的自动传输和异常 报警 同时在广州环境监测中心站建立以污染源在线监测数据为主的环 境信息数据库，实现各污染源自动监测设备的联网、数据自动收集、处 理、监控，并在此数据基础上开发基于地理信息系统的环境分析、预测 预报系统和一个交互式的环境监测信息的动态信息发布平台。 具体内容包括以下方面： 系统硬件和软件环境与平台的选择； 系统数据采集、现场控制模块的设计； 通信系统的研究和开发； 中心站数据库的设计； 系统应用软件的功能设计与开发； g i s 在环境在线监测信息系统中应用研究与探讨。 1 6 2 目的和意义 本课题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，通过对广州市污染源在线监溺系统开发方案的设计与研究，探 讨在环境监测中结合信息技术特别是自动控制技术、数据库技术、g i s 技术、网络通信技术，设计一套技术先进又切实可行的环境在线监测系 统，提高广州市以及我国环境监测的信息化水平，增强环境管理与决策 能力；同时为我国的环境在线监测信息系统理论研究和实践建设一定的 借鉴。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章广州市污染源在线监测系统简介 2 1 项目背景 广州市作为我国工业发展最为迅速的中心城市，近年来在经济上取 得迅速增长和突出的成绩。但是伴随着社会经济的飞速发展，工业生产 中所产生的废气、废水污染也越来越严重，已经直接威胁到人民的身体 健康，产生了巨大的经济损失和不良的社会影响。作为广州市各级环保 部门的工作重点，对广州市重点污染源企业进行全面连续的不间断监测， 动态掌握重点污染源企业的排污及超标情况，把握排污企业的排污总量， 以便于为总量控制和排污费的征收提供准确韵基础数据。并为今后政府 的工业布局，市政建设等方面提供科学的决策支持，显得非常紧迫。 国家环保总局在环境保护“十五”计划中把实现污染源在线监测作 为工作重点，要求全国重点城市实现占区域污染负荷6 5 以上的企业安 装烟气和水质监测设备，并全面实现联网管理；其次，“十五”期间， 城市环境综合整治定量考核指标和建设项县验收技术规范也都把实现污 染源在线监测的状况与水平纳入其中【l ，这些都加大了实施污染源在线 监测系统建设的必要性。 目前广州市污染源监测主要是选取了占广州市污染物排放总量大部 分以上的电力、钢铁、石化和轻工等行业1 2 家大型企业，在其污染物排 放口安装现场监测仪器、二次仪表、设备运行记录仪等设备，监测人员 定期到现场查看记录数据，时效性差，工作效率低，监测方式十分落后。 为贯彻落实国家环保总局提出的“十五”期间全恧开展在线监测的 要求，贯彻执行国家对污染源环境管理的有关法律、法规；为加强广州 市环境污染源的监督管理，对污染源排污状况进行实时、高效、准确、 全面的监控，确保污染治理设施的正常运罩亍和排污总量控制目标的落实， 防止污染事故的发生实现环境管理工作的科学化、现代化和自动化的 工作目标。2 0 0 2 年底，广州市环境保护局全面开展以污染源在线监测为 突破口的环境在线监测信息系统的项目建设工作。 武汉理工大学硕士学位论文 2 、2 项目的意义 项目的开发和相关示范工程的建设完成，将大大促进广州市环境监 测的自动化、网络化和信息化进程，项目的建设对提高广州市以及我国 环境监测的能力和技术水平，防止重大污染事故的发生，对实现重点企 业、流域污染物排放约监督、总量控茜l 和数费管理具有重要作用，同时 项目所涉及的示范工程建设对促进环保部门工作的科学化、决策的定量 化、管理的现代化，对改善广州市环境、保障市民身体健康，完成广州 市政府提出的把广州建设成现代化花园城市的战略目标具有积极而深远 的意义。 2 3 监控指标 根据各种污染源排放污染物的特征，系统确定不同的监控指标。目 前，水污染源主要监控有四项指标：p h 、c o d 、污水流量、治理设施运 转率；烟气污染源的主要监控指标是s q 、n o 。和烟尘。 同时，系统软件对监测数据加工处理后提供8 项统计指标：平均值、 最大值、最小值、单位时间内( 时、日、月、年) 累计排放量、超标率 和处理设施的运行率。 此外，根据监控指标的扩展需要，系统还可以方便增加其他的监控 指标或者变更现有的监控指标。 2 ，4 系统的功能需求 本系统面向全市主要1 0 个重点污染源排放企业，实施远程在线管 理，由现场监测设备、采集设备和通信设备自动采集污染源数据信息， 通过无线传输至i 市环保部门监测盔控中心，进行数据的汇慧、整理、分 析，处理和实现远程控制及设置，并根据不同的管理权限对监测数据进 行共享和发布1 5 1 。 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 1 数据采集功能 中心站可以设定数据采集的频率，实现2 4 小时不问断地向子站采集 监测的数据并自动入库。 中心站可以随机调用和查询当前即时或者当天任意整点时监测数据 和设施运行状况。 2 4 2 监控管理功能 监视报警功能：中心站能定时或即时获取子站监测的信息，主动监 视子站的异常情况，查询在线监测仪器和运行设施的运行信息，并提供 自动报警。 远程控制和维护；中心站可远程控制予站数据采集控制器和监测设 备的开关和各参数设定，对子站的出现的故障能进行简单的维护。 2 4 3 数据处理和表示功能 根据环境管理与决策的要求，建立污染源监测数据库，开发基于地 理信息系统( g i s ) 的数掘库管理系统；在广州市电子地图的基础上，利 用相关的地理信息系统软件，显示出污染源在线监测终端的属性数据和 监测信息；提供对处理数据的查询、统计管理，能以各种统计方式对原 始数据进行查询、统计对比和汇总，并以图形和报表的形式打印、绘图 和输出；同时可以配合排污申报、环境统计等污染源信息管理，提供污 染源的分布及污染物排放的信息。 2 4 4 其他功能 系统管理：污染源和监测设备信息等系统管理。 信息共享：系统与环保部门局域网联网，实现污染源的点位信息、 监测数据的共享。 信息发布：将部分污染源统计的信息通过i n t e m e t 向公众发布。 武汉理工大学硕士学位论文 2 5 性能需求 2 5 1 监测数据准确性和完整性 采集、传输、处理的数据应准确可靠完整：对传输的数据应有差错 控制措施，数据( 包括指令) 传输、处理和统计出现错误的数据个数应 小于十万分之一；在通信线路正常时，通信失败出现的几率应小于1 ， 对远程数据采集的数据捕获率大于9 9 9 。 2 5 2 稳定性 系统须在正常情况下运行稳定、可靠，具有很好的容错机制； 在非正常情况下具有一定的坚固性，保证系统事务以及数据的完整； 具有完整的数据备份能力； 具有能够从崩溃的系统中较完整的恢复数据的能力； 不因系统管理人员的变动而产生运行问题。 2 5 3 扩展性 系统能够适应发展的需要，方便软件、硬件的升级和扩充：软件可 进行二次组态，可由授权操作者对设备以及各种参数进行设置和选择。 2 5 4 兼容性 能与系统有关的污染源数据库、环境质量数据库、其他相关资料数 据库信息系统进行数据共享。在各有关部门之间提供协作服务、消息服 务。 2 5 5 安全性 系统必须能够防篡改、防泄密、数据通信应加密；同时系统应该能 防止数据毁灭性丢失；能对用户权限进行严格的动态管理。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 2 5 6 灵活性 工作人员变更、机构改革不影响系统的正常运行；系统能允许用户 按需自定义统计和查询条件，能够自定义报表输出模板，以实现报表的 灵活、高效。 2 6 项目进展 本系统以广州市环境监测中心站为具体实施单位，联合广州市环境 保护研究所和广东鹰赛信息技术有限公司等协作单位，依据国家环保总 局所发布的相应监测项目和标准，参照国际上环保在线监测系统的先进 设计经验，结合中国实际国情和广州市的具体环境现状、地理情况，按 照技术先进、经济合理的设计思想和“统筹规划、分布实施”的操作原 则积极展开。该项目与2 0 0 2 年底正式立项，目前，该项目已经完成前期 调研、需求分析、初步和详细设计。正进入硬件招标和软件开发建设实 施阶段。整个项目按计划今年6 月完成调试运行，年底通过验收。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章广州市污染源在线监测系统设计 系统设计是在系统需求分析的基础上，综合考虑各种约束，利用可 行、可用的技术手段和方法，确定系统的实施方案的过程。它也是系统 物理模型建立的过程和系统实施的重要依据1 5 】。 3 1 系统平台 3 1 1 平台选择的原则 系统平台的选择主要考虑本系统的应用环境和功能需求、监测机构 的投入的保证能力和应用水平以及作为平台的软硬件产品的功能与性能 指标等。主要遵循原则有：标准性和主流性；成熟性和先进性；实用性 和经济性；易用性和可扩展性等。 3 1 2 硬件平台 根据系统的结构设计，该系统的硬件也包括两大部分：监测中心站 系统硬件和监测子站系统硬件( 见图3 1 ) 。 3 ，1 2 1 监测中心站系统硬件 服务器：包括数据处理服务器、数据库服务器、应用服务器、数据备份 服务器各一台。 c p u ：p i v2 6 g z 以上； 内存：5 1 2 m b 或更多，支持p c 4 0 0e c c ； 主板：采用8 6 5 p e 芯片组或更高，带有u l t r a - 2s c s i 接口，能 扩充多c p u ； 硬盘：s c s i 硬盘，容量在6 0 g b 以上，支持磁盘冗余阵列； 显示器：1 7 寸c r t ( 台式彩显) 或者l c d ( 液晶显示器) ； 网卡：1 0 1 0 0 m 服务器网卡； 武汉理工大学硕士学位论文 支持w i n d o w s2 0 0 0s e r v e r 、l i n u x 等多种网络操作系统、数据库 系统、各种流行的w e b 服务程序和远程管理软件。 客户机：主要用于数据的查询、统计、分析等应用工作。采用目前市场 上流行的标准p c 机即可满足要求。 c p u ：p v1 7 g h z 以上： 内存：2 5 6 m b 以上： 硬盘：4 0 g ，7 2 0 0 转，高速和高性能硬盘； 显示适配嚣：a g p 显卡及显存 3 2 m b ，支持3 d 效果： 显示器：1 7 寸c r t ( 台式彩显) 或者l c d ( 液晶显示器) ： 网卡：1 0 1 1 0 0 m 网卡； 支持w i n d o w s2 0 0 0p r o f e s s i o n a l 网络操作系统和g i s 平台软件。 数据备份设备：磁带机、刻录机、光盘等。 输入输出设备：数字化仪、扫描仪、彩色喷墨绘图仪、激光打印机等。 网络设备：包括交换机( 路由器) 、集线器、网络适配器、网络线缆等。 通信设备：调制解调器( m o d e m ) 、无线数传电台及天线等。 其他设备：u p s 、视频接收卡、大型屏幕投影仪、蜂鸣器等。 3 ，1 2 2 监测子站系统硬件 监测予站系统硬件主要由现场监控设备、数据采集器、看门狗电路、 通信设备组成。 现场监测设备指的是安装在各个企、事业单位的排污口断面上现场 的各种监测仪器以及污染治理设施上的各种监测仪器等0 1 6 1 。包括在线流 量计、在线p h 计、c o d 在线监测仪、摄像枪、烟气在线监测仪、处理 设施运行记录仪等。 在本系统中，现场监测仪器按照本系统中的监测指标的要求，由各 个排污单位在国家环保总局认可的在线监测仪器目录上自行选择采购和 安装，不列入此次系统硬件设备集中采购中。 数据采集器可以是单片机、p l c ( 可编程逻辑控制器) 、工控机等， 集成a d 转换器、时钟电路、看门狗电路和电源及监视电路。 通信设备包括m o d e m 、数传电台和天线等。其中电台要求频率范围 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 0 - - 2 3 8 m h z 、信道数1 6 个、信道间隔2 5 k h z 、能够实现不少于6 0 公 里的距离的通信、数据传输和图像传送。根据广州市的地形特点，还需 要在广j - i 1 市区地势比较高的地方( 如白云山顶、中信广场顶部等) 设一 个中继站。 监测子站监测中心站 r 。- - ! ! 一一一一! 现 无 场 数调 线 监一 据 制 电 测 采一解 厶 口 设 集调 及 器器 天 备 线 u p s 、备份设备等 无 t 线 调 中 电 制 心 冒 坦 厶站 口 解 服 及 调 务 天 器 器 一 线 t 图形输入输出设备等 图3 - 1 系统硬件组成结构图 3 1 3 软件平台( 见表3 1 ) 表3 - 1 平台软件表 平台分类软件选型 服务器w i n d o w s2 0 0 0s e r v e r 、l i n u x 系统软件 工作站w i n d o w s2 0 0 0p r o f e s si o n a l 中文版 数据库管理软件 0 r a c l e g if o rw i n d o w sn t 2 0 0 0 g i s 分析软件 a r c l n f 0 8 3 、a r c v i e w 8 3 g i s 软件 g i s 数据引擎 a r c s d e 8 3 g i s 显示发布软件m a p o b j e c t 2 2 广州市电子地图 开发软件v i s u a lb a s i c6 0 其他软件o f f i c e2 0 0 0 等 武汉理工大学硕士学位论文 3 2 总体结构设计 广州市污染源在线监测系统由一个中心站( 中央控制室) 系统和若 干个子站( 监测终端) 系统组成。中心站设在广州市环境监测中心站内， 子站分设在各监控企、事业单位污染物的排放口。中心站和子站之间用 无线的方式进行通信和控制。 中心站( 中央控制室) 系统主要由计算机机组、通信设备和应用 软件组成。中心站的计算机组采用客户n 务器( c s ) 体系结构，在c ，s 结构下，若干个客户机和多个服务器以及网络设备、通信设备及其应用 软件组成一个支持分布式监测数据获取、计算、分析和表示的系统。在 该模式下，设有前台机和后台机，分别运行相应的软件。前台机负责对 子站进行监控管理。如子站的运行状态显示与控制、数据远程传输接收 等：后台机主要对前台机采集的数据进行分类统计、查询、分析、数据 存储与输出等管理，同时通过局域网和i n t e m e t 网，供环境管理部门查询 共享和对外发布。 予站( 监测终端) 系统由通信设备、数据采集器、现场在线监控 仪器或设备等组成。通信设备通过无线的方式与中心站保持通信，向中 心站上传数据并传达给数据采集控制器来自中心站的指令；数据采集器 与现场在线监测仪器或设备相连，自动收集、预处理和存储各种在线监 测仪器的采样数据和运行参数，按照中心站的指令定时或即时上传数据 和对监测设备进行监控；监控现场根据监控的指标安装相应的在线监测 仪器和设备。 本系统中，。一个中心站系统接受来自若干个监测子站系统的数据， 并对其进行监控，从而组成一个完整的污染源在线监测信息系统( 见图 3 2 ) 。 武汉理工大学硕士学位论文 图3 - 2 系统拓扑结构图 3 3 数据采集器的设计 本系统中关键和核心设备为监测子站系统中的现场在线监测仪器设 备和数据采集器，它们的性能决定了系统的可靠稳定性。现场监测仪器 一般由专业厂家生产并由他们提供售后服务，这里主要介绍数据采集器 的没计。 3 3 1 数据采集器的作用 一般对污染源的监测存在多个监测项目或者指标，可能在同一地域 内存在多台监测设备。例如一个工厂内可能有污水、烟气等多台监测仪， 如果中心站的中心服务器分别与每台监测设备直接相连，则消耗大量网 络资源；每台监测设备都必需有一套通信设备：中心服务器必须不间断 地查询监测设备。这些不足之处使得一般远程监控系统中不会使用这样 的结构。目前常用的方法是在距离相近的设备间使用数据采集设备，它 不断轮询或者“巡检”监测设备，并按时将查询结果发送给中心站的中 心服务器，同时接受中央控制室的指令，实现中央控制室对现场监测的 远程监控。同时，一般现场监测设备数据存储空间有限，很多设备还是 1r 武汉理工大学硕士学位论文 直接输出模拟