（环境工程专业论文）基于cs三层体系结构的远程水质在线监测管理系统的研究和实现.pdf

摘要 水质污染是环境污染中最主要的方面之一，这使保护水资源显得更加重要。利用先进帕 科技手段对水资源进行实时监控和优化调度是当今世界发达国家水资源管理的新思潮。我国 水质远程自动监测系统的建设已经初见成效，但是我国仍然有许多流域水质监测采取手工操 作的方法，监测的数据代表性很差，不能真实地反映出水质污染的变化情况，满足不了环境 管理的要求。水质自动监测数据通过拨号上网和卫星地面接收两种方式进行传输，监测成本 高，管理范围有限。因此开发监测成本低，监测范围广，可扩展性强的水质远程在线监测管 理系统是我国水质监测发展的迫切要求。在i a t m m t 的环境下实现数据的c s 多层分布式计 算模型正是目前的流行趋势。c s 三层结构具有硬件系统构成灵活、程序可维护性高、利于 变更和维护应用技术规范以及管理简单等优点同时，通过先进的计算机软件技术优化设计， 可以为实现污染源企业排污监测的自动化、信息化、现代化，为排污收费系统、污染源监督 管理系统等系统的实施作好基础。本课题正是基于c s 三层结构来实现远程水质在线监测管 理系统的。 本课题研究内容表现为以下三点： 一、以企业排放废水为监测对象，根据我国环境监测技术规范和标准分析方法选取 代表行业和代表监铡项目，制定水污染源监测方案，对整个系统的构想、预期可实现的功能， 着重提出了总体方案的设计框架。总体设计框架从结构上可以分为管理监测层、过程控制层 和现场控制层。本课题主要涉及管理监测层和过程控制层的研究，即着重研究水质监测数据 的传输处理及综合评价的研究。系统的主要包括对所有排污单位进行监测的管理软件p m 监 测管理端、附应用服务器、雕后台数据库服务器以及蹦企业客户端的开发。雕系统采用 了c s 三层结构模式进行开发。 二、采用模糊综合评价模型，选用s s 、b o d 、c o d 作为影响因子，求出对于同一水体， 各个企业的主要水污染物排放总量所占比重，将各企业的污染贡献比重按照最大隶属原则， 划归不同的污染贡献等级，并加以比较，做出分析和评价。这个方法解决了不同企业对同一 水体污染贡献程度进行量化的问题，对于评价企业的排污水平，对监测水体进行总量控制等 都有非常重要的意义。 三、主要是对基于i n t e m e t 的水环境监测系统进行设计和分析，并且研究可能会遇到的 问题以及尝试开发监测管理软件，实现对监测数据的分析并做出评价，能够对其他类似性质 的远程监测系统的研究提供一定的理论和实际应用的借鉴和帮助。 【关键词】综合评价污染因子环境管理环境监测c si n t e r n e t r e s e a r c ho fw a t e rp o l l u t i o nm o n i t o rm a n a g e m e n t s y s t e mb a s e do nc st h r e el a y e r s a bs t r a c t w a t e rp o l l u t i o ni so n eo ft h em o s ti m p o r t a n ta s p e c ti ne n v i r o n m e n tp o l l u t i o n ，w h i c hm a k e s p r o t e c tw a t e rr e s o u l es e e mt o b em o r ei m p o r t a n t a u t o m a t i cm o n i t o rs y s t e mi sa l r e a d yu s i n g w i d e l ya tw o r l di s o u r c e sm a n a g e m e n tn o w a d a y s ，b u to u rc o u n t r ys t i l la d o p t st h eh a n d i c r a f t o p e r a t i o nm e t h o di nm a n yr i v e rm o n i t o r t h er e p r e s e n t a t i v em o n i t o r d a t ai sn o te x a c te n o u g ha n d c a n 。tr e f l e c tv a r i e t yo fw a t e rp o l l u t i o n ，a n dc a n ts a t i s f yt h er e q u e s to ft h ee n v i r o n m e n t m a n a g e m e n t t h ea u t o m a t i cm o n i t o rd a t ao fw a t e rp o l l u t a n tt r a n s m i t st w ok i n d so fm e t h o d s ，t h e m o n i t o rc o s ti sh i g l la n dt h em a n a g e m e n ts c o p ei sl i m i t e d s ot od e v e l o pa u t o m a t i cw a t e rp o l l u t a n t o n - l i n em o n i t o rm a n a g e m e n ts y s t e mw h i c hc o s ti sl o w , m o n i t o rs c o p ei sw i d e ，i st h er e q u e s to f o u r c o u n t r ym o n i t o rd e v e l o p m e n t ，a tt h es a m et i m e ，d e s i g n i n gt e c h n i q u es o f t w a r e , c a nr e a l i z e e n t e r p r i s e sm o n i t o ra u t o m a t i c ，i n f o r m a t i o n - b a s e d ，m o d e r n i z a t i o n t h i sp ms y s t e mi sb a s eo n i n t e r n e t t h i st o p i ct a k et h eb u s i n e s se n t e r p r i s ew a s t ew a t e rt ob et h em o n i t o ro b j e c t ，a c c o r d i n gt ot h e o u rc o u n t r ye n v i r o n m e n tm o n i t o rt e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o na n ds t a n d a r da n a l y s i sm e t h o d ，s e l e c tt h e p r o f e s s i o na n dr e p r e s e n t a t i v em o n i t o ri t e m s ，e s t a b l i s ht h ew a t e rp o l l u t i o nm o n i t o rp r o j e c to ft h e s y s t e m e m p h a s i z et h ed e s i g nf l a l l l eo f t h et o t a lp r o j e c t t h et o t a ld e s i g nf r a 1 n ec a nb ed i v i d e di n t o t h em a n a g e m e n tm o n i t o rl a y e r , t h ep r o c e s sc o n t r o ll a y e ra n dt h es c e n ec o n t r o ll a y e ri nt h e s t r u c t u r e t h i st o p i ce m p h a s i z et h er e s e a r c ht h a tt h em a n a g e m e n tm o n i t o rl a y e ra n dt h ep r o c e s s c o n t r o ll a y e r , w h i c hm a i n l yi n v o l v e st h ep r o c e s s i n go fs t u d yt h ew a t e rp o l l u t a n tm o n i t o rd a t aa n d c o m p r e h e n s i v er e s e a r c ho fe v a l u a t i o n s ，t h ed a t ad y n a m i ce x c h a n g i n g ，e t c t h em a n a g e m e n t m o n i t o r l a y e rist h em o s ti m p o r t a n tp a r to f t h i ss y s t e md e v e l o p m e n li n c l u d i n gp r o v i d i n g t h ew e bs e r v e ra n dt h ed a t a b a s e s e r v e r , a d o p t i n gt h ec s t h r e e l a y e r sa r c h i t e c t u r eo n t h e d e v e l o p m e n to f t h es o f t w a r e t l l i st o p i ca d o p t sc o m p r e h e n s i v ef u z z ye v a l u a t i o nm o d e l ，a n dc h o o s e st h es s ，b o d ，c o da s i n f l u e n c ef a c t o r s ，r e c e i v e st h ep r o p o r t i o no fm a i nw a t e rp o l l u t a n t se x h a u s t e db ye a c he n t e r p r i s ei n t o t a li nt h es a n l ew a t e rb o d y a c c o r d i n gt ot h eb i g g e s tp r i n c i p l e ，w ea l l o tt h ed i f f e r e n tp o l l u t i o n c o n l r i b u t i o n g r a d e ， a n dt a k ei n t ot h ec o m p a r i s o n ， a n a l y s i sa n de v a l u a t i o n st h ep o l l u t i o n c o n t r i b u t i o np r o p o r t i o no fe a c he n t e r p r i s e t h i sm e t h o dr e s o l v e st h ep r o b l e mh o wt oq u a n t i t a t i v e a n a l y z et h ec o n t r i b u t i o no fd i f f e r e n te n t e r p r i s e st ot h es a m ew a t e rb o d yp o l l u t i o n ，w h i c hi s s i g n i f i c a n tt ot h et o t a la m o u n tc o n t r o lo f t h em o n i t o r e dw a t e rb o d y t h i st o p i ci sm a i n l ya b o u tt h er e s e a r c ha n dt h ea n a l y s i so fw a t e rm o n i t o rm a n a g e m e n ts y s t e m b a s e do nc st h r e el a y e r sa r c h i t e c t u r e a n ds t u d yt h ep r o b l e mt h a tm a y b em e e ta n dt r yt od e v e l o p m o n i t o rm a n a g e m e n ts o f t w a r e ，r e a l i z et h ea n a l y s i sa n de v a l u a t i o no fm o n i t o rd a t a ，c a nb eu s e df o r r e f e r e n c et ot h es i m i l a rr e s e a r c hi nt h e o r i e sa n d p r a c t i c e s y a n x i ak e ( m a j o ri ne n v i r o n m e n te n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rh u i r a nw a n g k e y w o r d s p o l l u t i o nf a c t o r , e n v i r o n m e n tm o n i t o r , e n v i r o n m e mm a n a g e m e n t ，c s ，i n t e m e t 一一，。薹二耋塑造 一一 第一章绪论 基于c s 三层结构的远程水质在线监测管理系统的研究和实现，这一课题得到陕西省自 然科学基金( n o 2 0 0 0 x 1 6 ) 、陕西省教委研究计划( n o 0 1 j k l 8 5 ) 项目资助。本文详细论 述该课题的理论基础及具体实现。本章着重就本课题的提出原因、课题的目的和意义进行论 述。 1 1 课题的提出原因 水是人类重要资源及一切生物赖以生存的基本物质之一，除供饮用外，更大量的用于生 活和工农业生产。随着世界人口的增长及工农业生产的发展，用水量也在日益增加。同时， 由于人类的生产和生活活动，将大量工业废水、生活污水、农用回流水及其他废弃物束经处 理直接排入水体，造成水源污染，引起水质恶化，使水质污染成为环境污染中最主要的方面 之一，也使水资源显得更加紧张，保护水资源显得更加重要【1 捌。 环境监测是运用现代科学技术方法定量地测定环境因子及其他有害于人体健康的环境 变化，分析其环境影响过程与程度的科学活动。但是由于环境污染物处于痕量级( p p m 、p p b ) 甚至更低，并且基体复杂，流动性交异性大，又涉及空间分布及变化，同时环境中各种污染 物之间、污染物与其他物质、其他因素之间还存在着相加和拮抗作用，因此不断提高和改进 监测分析方法的灵敏度、准确度、分析速度，及时地监视环境质量变化，预测变化趋势，是 环境监测的内在要求。 早在8 0 年代初，发达国家相继建立了自动连续监测系统，并使用了遥感、遥测手段。 监测仪器用电子计算机遥控，数据用有线或无线传输的方式送到监测中心控制室，经电子计 算机处理，可自动打印成指定的表格，绘制污染态势、浓度分布。可以在极短时间内观察到 水体污染浓度变化、预测预报未来环境质量。当污染程度接近或超过环境标准时，可发布指 令、通告并采取保护措施。环境监测从污染监测和目的监测阶段发展到自动监测阶段“1 是其 发展的必然趋势。 利用先进的科技手段对水资源进行实时监控和优化调度是当今世界发达国家水资源管 理的新思潮。但是现有的网络监测技术基本上是局限于通过电话线的点对点式的通讯，地区 之间缺少通过i n t e m e t 实现企业之间及企业与环保局之间的纵、横向联系。因此，开发基于 i n t e r n e t 的c s 三层分布式的水质监测管理技术，使系统具有自动化程度高，实时性好，监 测结果的代表性高，操作直观等优点的研究势在必行。同时，通过先进的计算机软件技术优 化设计，可以为实现污染源企业排污监测的自动化、信息化、现代化，为排污收费系统、污 第一章绪论 染源监督管理系统等系统的实施作好基础。 1 2 本课题的实现的目的及意义 随着i n t e m e t 的广泛应用，信息技术革命强烈地改变着世界。覆盖全世界的i n t e m e t 和 日臻成熟的网络技术，给人们提供的数据共享、信息传递快捷可靠、不受时空限制和交互性 等优点，使因特网已经成为信息时代的主要信息载体，在线的即时监测成为现实社会中获得 高效率的基本手段 3 1 。对事物发展状况的及时了解是即时控制的前提，利用目前的网络来了 解现场是最好的方法：同时，监测技术在包括环境保护在内的工业领域中已经存在许久，技 术己基本成熟，能满足监测目标复杂化、多样化，同步的要求，再加上计算机硬件成本不断 降低，功能不断增强，采用各个工业及事业单位现有的局域网络系统可以方便的实现计算机 的网络监测。在i n t e m e t 的环境下实现数据的c s 多层分布式计算模型正是目前的流行趋势。 c s 三层结构具有硬件系统构成灵活、程序可维护性高、利于变更和维护应用技术规范以及 管理简单等优点，本课题正是基于c s 三层结构来实现远程水质在线监测管理系统的。 水环境中污染物中的浓度和分布是随时间、空间、气象条件及污染源排放情况等因素的 变化而不断改变的，故定点、定时人工采样从时间和空间分辨率上不能适应这种要求，同时 其测定结果也不能确切反映污染物质的动态变化，并及时提供污染现状和预测发展趋势。因 此，为了及时获得污染物质在环境中的动态变化信息，正确评价污染状况，并为研究污染物 扩散、转移和转化规律提供依据，必须采用和发展连续和自动监测技术。自动监测是一天 2 4 小时对某断面进行连续在线监测，自动采样，自动分析，并自动将数据传输到环境监测 总站。由于是不间断的监测，所获得的数据能够真实地反映出水体质量和污染变化趋势，为 环境管理提供了可靠的依据。同时，由于实现了监测数据的远距离传输，为各级环境管理部 门及时掌握流域的水质情况提供了保证。 网络监测是在计算机监测系统与通信网络的基础上发展起来的，具有监测的地域不受限 制的优点；专业人员能够监管更多的设各，从而提高工作效率和经济效益；此外，网络监测 还可以方便的实现在工作或生活上更经济、方便、和快捷的信息交换【4 l 。针对水质监测，可 以实现水质的实时连续监测和远程监控，水质自动站的建设和水质周报的发布，使各级环境 保护部门能够更好地掌握重点流域省界断面污染物排放总量的变化趋势、预警预报重大或流 域性水质污染事故、解决跨行政区域的水污染事故纠纷、监督总量控制制度落实情况、排放 达标情况等目的【5 1 。对提高我国水质监测技术的现代化、水质监测信息管理的科学化、重大 水质污染事故预报预警的自动化水平，对国家环境保护决策部门及时做出有效的水污染防治 第一章绪论 和管理对策等方面均具有重要的意义。 1 3 国内外的研究现状 1 3 1 国外研究现状1 6 , 7 1 美国早在1 9 5 9 年就开始在俄亥俄河设立水质自动监测站，后来发展到对其他水体和湖 泊的监测。监测参数也因不同的需要由几个发展到十几个。1 9 6 0 年纽约州环保局开始着手 对本州的水系建立自动监测系统；1 9 6 6 年安装了第一个水质监测自动电化学监测器；1 9 7 3 年全国水质监测系统分为1 2 个自动监测网，每个自动监测网由4 1 5 个自动监测站组成； 1 9 7 5 年在全国各州共有1 3 0 0 0 个监测站建成为水质自动监测网。在这些流域和各州( 地区) 分布设置的监测网中，由1 5 0 个站组成联邦水质监测站网即国家水质监测网叫w m s ) 。 日本1 9 6 7 年开始考虑在公共水域设立水质自动监测器：1 9 7 1 年以后，由环境厅支持， 开始在东京、大阪等地建立水质自动监测系统；到1 9 9 2 年3 月，已在3 4 个都道府县及市设 置了1 6 9 个永质自动监测站。除此之外，建设省在全国一级河流的主要水域也设置了1 3 0 个 水质自动监测站。 英国伦敦城市供水实时监控调度系统，通过利用g i s 技术、计算机网络技术等，对伦敦 地区6 0 0 万人1 ：1 自来水供给中的水量、水质实行实时监控调度，监控范围包括供水水库、地 下水源、自来水厂、8 0 k r n 长的环城供水隧道干线、1 1 个小区供水泵站及总长度为3 1 5 2 6 k r a 的新老供水管网系统，实现了全面数字化管理。1 9 7 5 年建成泰晤士河流域自动水环境监测 系统。该系统由一个数据处理中心( 监控中心站) 和2 5 0 个子站组成。 ，2 0 0 1 年9 月，加拿大的g r l 弛n 等人申请了专利：“i n t e g r a l e d w a t e r q u a l i t y m o n i t o r i n gs y s t e m ( 集成水质监测系统) ”。该系统把传感器监测数据、实验分析数据、用户输入数据等分布 信息通过i n t e r n e t 传向中央数据库系统。包括提交数据的用户在内的所有用户可远程、交互 式获取中央数据库中的信息。系统可提供字符或图形数据，也可给用户提供其他信息。如采 样参数、水质超标警告、操作处理建议；f t o r a n 等人提出了一种v i r t u a l i n s t r u m e n t f o r w a t e r q u a l i t ym o n i t o r i n ga c r o s st h ei n t e m e t ( 基于i n t e m e t 的虚拟水质监测仪器) 。该仪器是一种分 布式、多平台系统，具有强大的i n t e m e t 功能。可监测的水质参数有温度、浊度、p h 、溶解 氧、电导率等。远程计算机中存储的监测数据通过f t p 、动态h t m l 等方法获取。由于系 统能自动进行水质监测，因此大大减少了现场操作人员【8 ，9 1 。 单项污染物浓度自动监测系统还处于研究试验阶段，挪威科技大学( n t n u ) 开发出了 重金属连续远程监控技术。该技术使用以牙汞合剂为电极材料的阳极脉冲溶出伏安法，监测 第一章绪论 重金属含量，测定灵敏度可达到p p b ( j j t g l ) 级。 1 3 2 国内研究现状 我国在水质自动监测方面起步较晚。作为试点，于1 9 8 8 年在天津设立了第一个水质连 续自动监测系统，该系统包括一个中心站和4 个子站。八十年代后在黄浦江、引滦济律段及 吉化、宝钢、武钢等大型企业的工排水系统建立了水质连续自动监测系统。 1 9 9 5 年以后，上海、北京等地也先后建立了水质连续自动监测站。 1 9 9 8 年以来，中国环境监测总站已在长江、黄河、淮河、松花江、辽河、珠江、海河、 太湖、巢湖、滇池等十大重点流域建立了4 3 个水质自动监测站，黑龙江、广东、江苏和山 东等省也相继建成了1 0 个地表水水质自动监测系统。 从1 9 9 9 年9 月开始至2 0 0 3 年1 2 月，国家环保总局在松花江、辽河、海河、黄河、淮 河、长江、珠江、太湖、巢湖、滇池等流域建设了水质自动监测站。根据全国水环境监测能 力建设的总体规划，在“十五”期间，国家环保总局已在全国主要流域分批建设了5 6 个自动 站，我国主要流域上的水质自动监测站达到9 8 个，基本上可以全面反映我国主要流域重点 监测断面水体的水质状况 l o 】。 陕西省渭河流域排污口流量自动监控体系，依托广域网络，对渭河全流域主要排污口的 污水流量进行2 4 小时全自动监测。工程内容包括：在渭河干流两岸直接排入渭河的污水口 处建设5 7 个流量实时自动监控系统：在一级支流( 含灌溉区) 入渭口上溯5 公里范围内排 污口处和工业企业排入5 个市区城市下水管网的排污口处，建设9 9 个流量实时监控系统； 在西安、宝鸡、咸阳、渭南、杨凌5 市区建设5 个无距离监控系统网站；在省环境监测中心 站建设1 个远距离自动监控系统中心站。 综上所述，我国水质远程自动监测系统的建设已经初见成效。但是我国仍然有许多流域 水质监测采取手工操作的方法，一个断面每季度监测一次，每年监测4 次，监测的数据代表 性很差，不能真实地反映出水质污染的变化情况，满足不了环境管理的要求。水质自动监测 数据通过拨号上网和卫星地面接收两种方式进行传输，监测成本高，管理范围有限【“。因此 开发监测成本低，监测范围广，可扩展性强的基于i n t e r n e tc s 三层机构的水质远程在线监 测管理系统是我国水质监测发展的迫切要求。 1 4 论文的主要内容 本课题的工作重心是结合计算机技术、网络应用技术、水质监测技术，提出基于c s 三 层结构的水质监测管理系统的整体设计方案和技术研究，并尝试在w i n d o w s 环境下以d e l p h i 第一章绪论 为程序设计平台，开发基于c s 三层结构的远程水质在线监测管理系统( p o l l u t a n tm o n i t o r s y s t e m ，以后简称p m 系统) 。 本课题主要完成工作安排如下： 一、以企业生产过程排放的工业废水为监测对象，根据我国环境监测技术规范和标 准分析方法选取三个行业：造纸工业、磷肥工业和合成氨工业；六个监测项目：排水量( 0 ) 、 p h 、化学需氧量( c o d ) 、生物需氧量( b o d ) 和悬浮物( s s ) ，并且确定各监测项目的 采样时间和采样口位置。 二、确定p m 系统设计方案。包括对整个系统的构想、预期可实现的功能等。着重提出 了总体方案的设计框架，从结构上可以分为管理监测层、过程控制层和现场控制层。本课题 主要针对管理监测层和过程控制层的研究，即主要是数据网络的研究。 三、基于c s 三层结构实现p m 系统的远程监测数据传输和交换，研究水质监测数据的 传输和处理，并提出对排入同水体各个企业的污染贡献程度的综合评价方法。 5 第二章水质监测理论基础 第二章水质监测理论基础 进行水质监测，判断水环境质量或污染程度，不能仅对某一污染物进行某一地点、某一 时刻的分析测定，必须对各种有关污染因素、水环境因素在一定范围、时间、空间内进行测 定，分析其综合测定数据，才能对水环境质量做出确切评价【1 。本章根据我国环境监测技 术规范，主要就p m 系统水污染源监测的基本理论进行论述。 2 1 工业废水污染源采样点布置 1 1 , 1 2 , 1 3 1 水污染源包括工业废水源、生活污水源、医院污水源等。在制定监测方案时，首先要进 行调查研究，收集有关资料，查清用水情况、废水或污水的类型、主要污染物及排污去向和 排放量，车间、工厂或地区排污口数量及位置，废水处理情况，是否排入江、河、湖、海， 流经区域是否有渗坑等。然后进行综合分析，确定监测项目、监测点位，选定采样时间和频 率、采样和监测方法及技术，制订质量保证程序、措施和实施计划等。本课题主要以工业废 水源监测为研究对象。工业废水污染源采样点布置原则如下： ( 1 ) 在车间或车间设备废水排放口设置采样点监测一类污染物。这类污染物主要有汞、 镉、砷、铅的无机化合物，六价铬的无机化合物及有机氯化合物和强致癌物质等。 ( 2 ) 在工厂废水总排放口布设采样点监n - - 类污染物。这类污染物主要有悬浮物、硫化 物、挥发酚、氰化物、有机磷化合物、时有镭、铜、锌、氟的无机化合物、硝基苯类、苯胺 类等。 ( 3 ) 已有废水处理设施的工厂，在处理设施的排放1 ：3 布设采样点。为了解废水处理效果， 可在进出口分别设置采样点。 ( 4 ) 在排污渠道上，采样点应设在渠道较直、水量稳定、上游无污水汇入的地方。 ( 5 ) 对于污水处理厂，应在进、出1 2 1 分别设置采样点采样监测。 2 2 工业废水源采样时间和频率 工业废水源的污染物含量和排放量常随工艺条件及开工率的不同而有很大的差异，故采 样时间、周期和频率的选择是一个较复杂的问题。 一般情况下，可在一个生产周期内每隔半小时或一小时采样一次。将其混合后测定污染 物的平均值。如果选取几个工作周期( 如3 - 5 个周期) 的废水样监测，可每隔两小时取样一 次。 对于排污情况复杂，浓度变化的的废水，采样时间间隔要缩短。有时需要5 1 0 分钟采 6 第二。章水质监铡理论基础 样一次，这种情况最好使用连续自动采样装置。 对于水质和水量变化比较稳定或排放规律性较好的废水，待找出污染物浓度在生产周期 内的变化规律后，采样频率可大大降低，如每月采样测定两次。 城市排污管道大多数受纳1 0 个以上工厂排放的废水，由于在管道内废水已经进行了混 合，故在管道出水口，可每隔一小时采样一次，连续采集八小时，也可以连续采集2 4 小时， 然后将其混合制成混合样，测定各污染组分的平均浓度。 我国环境监测技术规范中向国家直接报送数据的废水排放源规定：工业废水每年采 样检测2 4 次。 2 3 水污染连续自动监测参数的选择 水质自动监测参数的选择一方面要能满足水环境监测规范的要求，使其所选择的参数尽 可能反映比较多的水质特征，另一方面要根据国内外市场上是否有可靠的产品而定，保证参 数测定结果酌可靠性【墁”l 。表2 1 列出了目前己被水质自动监测系统所采用或可能被采用的 监铡项目及有关自动检测方法。 表2 1 水污染可连续自动监测的项目及方法 项目监测方法 水温铂电极法或热敏电阻法 p h 值电位法( p h 玻璃电极法) 般电导率电导法 指 浊度 光散射法 标 溶解氧隔膜电极法( 电位法或极谱法) 氧化还原电位复合电极法 高锰酸钾指数电位滴定法 综 总需氧量( t o d )电位法 合 总有机碳( t o c )非色散红外吸收或紫外催化氧化吸收法 指 生化需氧量微生物膜电极法( 用于污水) 标 重铬酸钾或高锰酸钾湿化学法、流动池紫外线吸收 化学需氧量 光度法或高锰酸钾反滴定法 苣 氟离子氟离子选择电极法 项 氯离子氯离子选择电极法 污 氰离子 氰离子选择电极法 染 氨氮 氨离子选择电极法 指 六价铬湿化学自动比色法 标 苯酚湿化学自动比色法或紫外吸收光度法 磷酸盐钼锑抗分光光度法 总磷铝锑抗分光光度法 总氮 紫外分光光度法 硝酸盐离子选择电极法 水质自动监测仪器仍在发展之中，欧、美、日本、澳大利亚等国均有一些专业厂商生产。 我国国家环保总局于2 0 0 3 年3 月2 8 日发布了环保行业标准水质自动分析仪技术要求 ( h j t9 6 1 0 4 2 0 0 3 ) ，并于2 0 0 3 年7 月1 日实施。该标准共包括9 个水质参数的自动分 析仪技术要求，即p h 、电导率、浊度、溶解氧( d o ) 、高锰酸盐指数、氨氮、总氮、总磷 和总有机碳( t o c ) 【”j 。 本课题拟选择自动监测仪器比较成熟的自动监测参数：q 、p h 、b o d 、s s 和c o d 。选 取原则是中华人民共和国环境保护行业标准中监测项目的确定原则，即选择国家水污染 排放标准中要求控制的监测项目；所选的监测项目有标准分析方法；各地区可根据本地区污 染源特征和水环境保护功能的划分，酌情增加某些选测项目。p h 、s s ，c o d ，q ，b o d 都已 经有各自的标准分析方法，其自动监测仪器比较成熟，适合向现场控制层的扩展，因此适用 在系统测试阶段。系统的目标是包含所有能够自动监测的监测项目，有关于这些项目相应的 完备的国家地方污染物排放标准。各个企业的监测项目可以在企业端自行选择。这样可以满 足必测项目的通用性和各个行业监测项目的差异性。 其中除q 外，都属于第二类污染物。q 的选择是体现总量控制的特点。各污染因子的 采样时问根据现有在线监测仪器的性能指标，给出作者认为较合理的范围。 表2 2 各污染因子的采样时间 q 1 s e e 2 4 h 不间断采样 p h l m i n 2 4 h 不问断采样 b o d 3 m m 2 4 h 不间断采样 c o d3 m i n 2 4 h 不间断采样 s s1 s e c2 4 h 不间断采样 根据污水综合排放标准( g b 8 9 8 7 8 8 ) 和各行业工业水污染排放标准( 造纸工业 g b 3 5 4 4 2 0 0 1 、磷肥工业g b l 5 5 8 0 9 5 、合成氨工业g b l 3 4 5 8 9 2 等) ，工业废水水质监测项 目最高允许排放限值与废水排放企业所在行业、生产的主要产品、企业总排放口排入水体的 类型以及企业成立时间有关。 本课题是环境自动监测技术的扩展和延伸，因此，自动在线监测仪器的选用是必不可少 的部分。但需要说明的是，本课题的侧重点不在这里，因此关于设备选型就不再详述。 第三章p m 系统设计 第三章p m 系统设计 3 1p m 系统的结构设计 3 1 1 系统的结构设想 p m 系统是在一个水系或一个地区设置若干个有连续自动监测仪器的监测站，由一个中 心站控制若干个固定监测子站，随时对该区的水质污染状况进行连续自动监测。 在每个企业排污口建一座监测子站( p m 企业客户端) ，子站设有实验台，站内安装在 线流量计、水质自动采样器、污染物在线监测仪以及计算机控制系统。子站计算机系统能完 成检测仪表输出信号的采集、简单数据处理、存储、显示、记录等功能；能满足各个排污口 对监测数据的要求，并实现与计算机控制中心的实时远距离数据传输。 监测中心站( p m 监测管理端) 能够实现对各予站的实时监视、数据传输功能。它是各 个子站的网络监测中心，又是信息数据管理中心。它配有功能齐全、存贮容量大的计算机系 统，由数据显示、分析、传输和接收的管理软件构成。监测中心站的主要功能是数据通信、 实时数据库、报警、安全管理、数据打印。 监测中心站可随时取得各子站的实时监测数据，统计、处理监测数据，可打印输出日、 周、月、季、年平均数据以及日、周、月、季、年最大值、最小值等各种监测、统计报告及 图表( 棒状图、曲线图、多轨迹图、对比图等) ，并可输入中心数据库。收集并可长期存储 指定的监澳4 数据及各种运行资料、环境资料备检索，同时允许普通用户对监测中心站数据进 行访问。 蹦预计可实现的功能包括以下几个方面： ( 1 ) 提高监测效率 蹦系统具有最佳现场使用效果，可以对水质进行自动、连续监测，数据远程自动传输， 随时可以查询到所设站点的水质数据。这对于解决现行的水质监测周期长，劳动强度大，数 据采集、传输速度慢等问题，具有深远的社会效益和经济效益。 ( 2 ) 实现水污染的预警预报 p m 系统能够一改过去总在事后才能向有关部门提供水污染信息的被动局面，实现了在 水质发生恶化时，监测管理系统报警或响应，对排污企业发出水质污染的预警预报，充分体 现了水污染综合管理的优越性。 ( 3 ) 实现水质信息的在线查询和互访共享 9 第三章p m 系统设计 p ”系统能够实现水质信息的在线查询、分析、计算、图表显示、打印等，随时实现各 单位之间包括监测数据、环保法规、排污收费、环境标准等信息的互访共享。 ( 4 )实现对水质监测数据的综合评价 p m 系统对同一水体，根据各个企业的主要水污染物排放总量所占比重，将各企业的污 染贡献比重按照最大隶属原则，划归不同的污染贡献等级，并加以比较，做出分析和评价。 同时，考虑预留接口以添加其他评价模型。 3 1 2 系统的结构设计 基于上述考虑，p m 系统的组成主要分为以下三个部分，即包括监测管理软件、应用服 务器和数据库服务器等在内的管理监测层、包括各监测子站在内的过程监控层以及包括各种 现场监测设备在内的现场控制层。系统的总体框架组成如图3 1 所示： 管理监测层 ( 数据两络) 丌 且 过程监控层 ( 数据网络) 丌 现场控制层 ( 控制网络) 境均监莉设备 图3 1p m 系统总体框架 ( 1 )管理监测层( 监测中心站) 管理监测层即监测中心站的软件开发，它是本系统的主要开发部分。主要包括对所有排 污单位进行监测的监测管理软件、应用服务器和后台数据库服务器。监测管理软件采用c s 三层分布式模型进行开发，充分考虑管理软件用户群相对固定、安全性要求较高等特点。应 用服务器为监测管理软件和客户端软件提供业务逻辑接口，并与数据库进行交互。数据库服 务器用于存储企业信息、用户信息、排污标准等基本数据和在线监测数据和超标监测数据等， 为其它软件提供数据支持。 第三章p m 系统设计 ( 2 )过程控制层( 监测子站) 过程控制层即监测子站的软件开发，负责将由现场控制层采集的现场数据上传至管理监 测层。监测子站的软件不直接与远程的数据库服务器交互，而是通过应用服务器提供的接口 间接访问数据库服务器。从软件开发体系上讲，监测子站一监测中心站应用服务器监测中 心站数据库服务器同样属于c s 三层结构。 ( 3 )现场控制层( 现场监测设备) 现场控制层主要涉及到各种现场监测设备，现场控制层一方面将现场设备互连为通信网 络，实现不同现场通信设备间的数据共享，同时又将现场各种信息数据传送到监控工作站， 实现与过程控制层、管理监测层的数据共享。 其中，管理监测层和过程监控层构成数据监测、传输、处理、浏览等在内的数据网络， 丽现场监控层构成现场设备的控制网络。本课题主要针对管理监测层和过程控制层，即对数 据网络进行研究。 3 2p m 系统软件组成 图3 2 p m 系统总体结构图 图3 2 为p m 系统的总体结构图。p m 系统的构建模型是基于c s 多层体系结构。包括 p m 数据库服务器、p m 应用服务器( p m a p p s e r v e r ) ，局域网内的p m 监测管理软件 ( p o l l u t a n t m o n i t o r ) 和通过i n t e r n e t 连接的企业p m 客户应用程序( p m c l i e n t ) 。 3 3 数据库设计 数据库设计是建立数据库及其应用系统的核心和基础，它要求对于指定的应用环境，构 造出较优的数据库模式，建立起数据库应用系统，并使系统能有效地存储数据，满足用户的 1 l 第三章p m 系统设计 各种应用需求。p m 系统的数据库分为监测中心和监测工作站两级存放。 1 各监钡i 工作站 监测数据库为m i c r o s o f ts q ls e r v e r2 0 0 0 格式单机存放，站内备份的方式有单机硬盘自 动各份、异机备份和介质备份，监测工作站的软件将实时监测数据上传至监测中心站。 2 监测中心站 监测中心站的数据库也是m i c r o s o f ts q ls e r v e r2 0 0 0 格式，需要人工定期向备份服务器 进行备份。监测数据库的录入、修改、校对和审核等操作分别授权于不同级别的用户，管理 软件有数据检查模块对入库数据进行控制和历史同期数据检验，能保证数据的完整性、一致 性和安全性。本系统用户级别分为两类：普通用户可以进行在线数据和超标数据的监测，修 改监测企业的附加信息，查询水污染排放标准，浏览政策法规以及进行综合评价等；超级用 户则还可以修改管理用户的信息及权限，添加监测企业的基本信息，更新排污标准和备份数 据库等。本系统的基本数据流程如下图3 3 3 4 所示。 兰兰! 一 图3 3 普通用户数据流程图 图3 4 高级用户数据流程图 第三章p m 系统设计 由数据流程，系统中所需的数据表包括用户信息表( u s e r i r 正o ) ，用户角色表( u s e r a c t i o n ) ， 在线监测表( o n l i n e m o n i t o r ) ，企业信息表( e n t e r i n f o ) ，企业规模表( e n t e r s i z e ) ，行芈誊 ( i n d u s l n f o ) ，超标数据表( e x t r a s t a n d ) ，监测因子表( m o n i t o r f a c t o r ) ，排污标准表 ( s t a n d p a i s h u i 、s t a n d b o d 、s t a n d c o d 、s t a n d s s 、s t a n d p h ) ，水体类别表( w a t e r s o r t ) 等。 以下是数据库系统中主要数据表的结构图 图3 5 一图3 9 ) 。 图3 5 用户信息表结构图 用户信息表中记录用户的名称、密码、用户角色等级以及真实名称等基本信息。 图3 6 企业信息表结构图 企业信息表中记录被监测企业的代码、名称、所属行业编号、企业规模、排放口位置以 及建厂时间等基本信息，是否登录标识位以及联系地址、环保负责人等附加信息。 图3 7 行业信息表结构图 第三章p m 系统设计 行业信息表中记录了行业编号、行业名称、产品名称、污染标准实施的时间区间以及详 细情况备注等信息。 图3 8 在线监测信息表结构图 在线监测信息表中记录在线监测的数据所属企业编号、数据所属因子编号、在线监测数 值以及监测具体时间等基本信息。 图3 9 超标表结构图 超标表中记录了超标数据所属企业编号、数据所属因子编号、超标数据值以及超标具体 时间等基本信息。 数据库各个数据表的存储采用自定义统一编码规则。具体编码规则如下： 企业编码：h a a b b c d e f f f 排污标准编码：a 从一b b c d e g 一唧 其中，a 表示行业编号；b 表示主要产品编号；c 表示企业由建厂时间决定的标准执行 区间编号：d 表示企业的规模编号；e 表示污水排入水体类别编号；f 表示具有相同信息的 企业区别码；g 表示标准级别编号：h 表示监测因子编号。上述各字母的位数表示各个编码 在实际编码过程中数字的位数。行业编号、产品编号以及标准执行区