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基于物联网的水环境监测及分析系统梁艳，俞旭东，谢凯（南京南瑞集团公司，江苏南京211106）[摘要]:基于物联网的水环境监测及分析系统集传感器、测控、通信、计算机应用、地理信息系统等技术为一体，实现了“测得准、传得快、说得清、管得好”的总体目标，可为水环境管理、水功能区管理、污染物减排和总量控制提供科学依据。系统可方便接入其他业务系统，实现资源共享，提高环保部门环境监察、管理能力，增强应对突发性污染事故快速反应能力，满足环境监测和环境管理的业务需求。关键词：物联网；水环境监测；水环境分析0引言随着环保产业的发展及物联网概念的兴起，将物联网与环境监测融合已成为环境监测与管理新的发展趋势[1]。环境参数、设备状态、视频监控等信息通过具有定位功能的传感器、智能监测分析仪器等感知设备进行采集后，经由网络设备和通道实时传输至信息平台进行存储和分析，实现环境管理部门对水环境信息的实时监控，同时实现其对监测站点测控、数据传输装置及排污口闸门等设备进行远程控制和工况监测，增加系统运行的稳定性和可靠性，有效防止和应对突发性环境污染事故的发生。物联网技术在环境监测中的应用使得环境监测与管理更加便利和准确[2-3]。传统的水环境监测以实验室监测为主，还包括便携式仪器现场人工取样检测和固定监测站点连续取样监测[4]，各方式分别具有其优缺点。如实验室监测响应时间长，检测频次有限，但监测参数全面且分析结果精确；自动在线监测投资运行成本高，但监测及时，预警能力强等。物联网将3种监测手段结合起来，充分利用传感器技术、射频技术、无线通信技术等，快速有效获取大范围（甚至是整个水域）水质信息并对这些信息进行综合挖掘利用，作出整体有效的评价[5-6]。水质信息的快速准确获取以及数据的高效利用是水环境监测中物联网技术运用的关键。水环境监测及分析系统在物联网先进感知技术的基础上，充分利用网络技术、数据库技术、GIS技术、Web发布技术，以智能传感器为基础，结合自由组网传输方式将采集数据传输至环境业务数据中心。系统对业务应用进行扩展，其业务应用模块依据水质规范，对监测项目各种动态数据进行综合性地分析和评价，实现有效的监控预警；并且根据内置的各种水质模型，为污染物总量控制、水功能区环境治理提供科学依据及技术支持，提高环境管理部门监察监管能力，增强其应对突发性污染事故快速反应能力，实现环境监测管理“测得准、传得快、说得清和管得好”的总体目标。1水环境监测及分析系统结构1.1总体结构水环境监测及分析系统由数据采集层（感知层）、通讯传输网络（数据传输层）、数据存储层、应用支撑层、业务应用层等5层组成，安全与保障环境贯穿各层。数据采集层由现地监测站和数据采集模块组成，承担在线数据的采集、处理和发送。通讯传输网络由公共无线网络和内部的局域网组成，承担数据的传输。数据存储层主要承担数据的接收、转换和存储入库，由环境业务数据中心和支撑硬件系统组成[7-8]。应用服务层主要为各类应用系统提供相应的数据资源和基础服务，主要包括水环境监测、污染源废水监测、污染源管理、水质信息发布、预测预警等功能。安全与保障环境由标准规范体系、安全体系、建设与运行管理体系组成，为系统安全、稳定的运行提供制度保障。1.2总体功能系统功能围绕环保行业对水环境、污染源的监测、管理和预警业务需求设计，分平台基础应用和专业应用两部分。平台基础应用包括环境质量信息的数据采集和处理、数据库管理、视频监视、数据查询、图表展示、GIS查询、GIS空间分析、综合统计、格式化报表等；专业应用功能包括水质评价分析、水质预测预警、水质扩散模拟等。系统框架需要支持的环境监测业务见图1。水质类别评价水环境监测水污染源监测水质达标评价水质查询统计水质扩散预测水质扩散预警企业信息管理基础信息查询纳污容量计算应急处理方案GIS发布空间信息展示水质信息展示达标情况展示污染源排放展示基础信息展示视频监视水质站运行监视污染物排放统计综合应用污染源排放监视水环境监测与分析系统图1系统框架支持的环境监测业务2水环境监测及分析系统技术特点（1）智能化程度高现地设备层的数字化仪器仪表进行现场总线设计，可以实现复杂的远程管理，包括传感器参数设置、通信信道配置、系统工作模式、图像与视频传输协议、应用程序远程更新、自适应补发等功能。（2）可扩展性强采用模块化设计，将采样、监测、通讯等功能单元模块化，串行接口标准采用RS-485，可以联网构成分布式系统。数据采集平台按多线程设计，采用模块化设计方案，可通过DLL（动态链接库）任意扩展信道和协议。（3）自由组网根据测站实际情况，灵活采用通信组网方式（无线网络、广域网、局域网），如大范围密集测站（监测节点）可通过Zigbee+无线网（GPRS、CDMA）方式将采集的水质监测数据传输至数据中心；监控视频可灵活选用3G网络（网络摄像机）或无线网（传统摄像机）传输至数据中心。（4）海量数据的分析和应用环境业务中心的构建，实现完整的数据分析和应用，通过数据的抽取、数据的存储和管理、数据的展现等技术实现海量数据挖掘。（5）标准化设计系统依据Modbus协议、HJ/T212-2005《污染源在线自动监控（监测）系统数据传输标准》通信协议、OPC（用于过程控制的OLE）通信协议等建立软硬件之间的通信，实现智能终端与环境中心的信息交互。系统数据库的设计、通信、接口设计均遵循环保行业统一的规范与标准，便于系统的扩充及与其他行业间的资源整合和信息共享。（6）软件结构系统软件设计和开发基于J2EE的分布式计算技术、中间件技术及WebService的应用系统集成技术，采用B/S与C/S相结合的架构（后台运行或批量处理采用C/S），采用统一的系统接口的数据交换标准（XML），保证配置、数据、应用的充分分离。3水环境监测及分析系统平台功能平台采用基于目前面向网络最新计算机软件技术，具有优良的可扩展性，能与最新的操作系统软件平台、数据库平台、GIS平台等无缝接驳，融合了通用人机界面实时组态软件技术和SCADA专业技术，满足环境监测中心构建分布式实时监控系统的需要。3.1数据采集、交换与通信在水环境监测与分析系统中，数据采集采用物联网的先进技术，所选用的传感器、分析仪器、监视器等均符合采用业内高新技术，关键的视频数字化，压缩、解压、码流、传输均采用国内外工程建设中被广泛采用的技术与产品，从根本上解决“测得准”的问题，做到更智慧的感知。感知层一般由现场仪器、数采仪等构成。每个监测子站有一套或多套监控仪器、仪表，监控仪器、仪表通过模拟或数字输出接口连接到数据采集仪，数据经数据采集仪整合、封装，通过网络层传送至数据中心，用于应用层。需要采集的水质参数包括pH值、水温、浊度、电导、氨氮、溶解氧、化学需氧量、总有机碳、重金属离子浓度等。本系统网络层通信手段采用无线通讯网络（GPRS，CDMA等），解决由于水环境监测站点分散、分布范围广而带来的监测数据发送及时性问题，提高环境管理部门工作效率。数据交换主要实现环境监测与分析系统与异构信息系统之间数据的传输和交换。数据采集通信示意见图2。数据库省环境监测中心内网网闸监测中心外网数据库监测中心内网网闸数据库监控摄像头环境数据采集器监控摄像头传输网络设备各监测因子前端监测子站1监测中心数据摆渡SAN存储感知层网络层（GPRS、CDMA）业务系统业务系统业务系统...业务系统业务系统业务系统...视频控制数据库数据流数据传输图例:中心网络设备监控摄像头环境数据采集器监控摄像头传输网络设备各监测因子前端监测子站2监控摄像头环境数据采集器监控摄像头传输网络设备各监测因子前端监测子站N图2数据采集通信示意3.2在线监控在线监控是水环境监测与分析系统开发和运行的基础，负责为各类应用的开发、运行和系统管理提供技术支撑。在线监控平台围绕数据服务组件部署各应用功能，使各应用系统成为一个整体，将各主要环境业务部门的监测、统计、收费、审批、发布等数据集中管理起来，使数据管理人员、各级领导、业务部门员工通过统一的界面进行管理、查询、分析大量的环境数据，简化环境数据管理的难度，提高环境数据管理的水平，实现对各类数据的动态查询、变化趋势分析、各类数据之间的相关性分析等功能。在线监控应提供数据采集、在线监测、统计分析、GIS展示、综合应用、在线报警、系统管理、接口服务等功能，对自动站、断面进行水质监视和视频监视，对污染源排放企业实现排污监控、工况监控及视频监控，从不同角度把握企业污染治理设施运行及排污情况。3.3环境业务数据中心通过对业务需求、数据流、应用逻辑功能及安全需求的规划，采用标准化的设计方法对存储到环境业务数据中心的各类数据进行海量存储、实时计算和处理进行设计。环境业务数据中心包含基础数据、空间数据、水质监测、污染源监测、环境大气监测、统计分析结果、法律法规、调度方案、视频监测等子数据库系统。物联网数据实时性强、数据量大、数据种类多、并发性大，计算量巨大，因此系统采用负载均衡技术，有效地分配各种数据类型计算处理的负载分配，提高环境数据业务中心数据处理能力。3.4地理信息系统GIS技术为基于物联网的水环境监测及分析系统提供基础地理信息平台，通过GIS技术、空间数据库技术把水环境监测相关的所有物联对象整合到统一的空间平台上，从而可以直观、生动、快速对自动站、排污口、断面等物联对象进行定位、追踪、查找和控制（包括物联对象的属性信息、空间分布状况、实时运行状况及最新实时数据等）；直观显示和分析流域、行政区域内水环境质量状况，追踪污染物来源，并对相同空间范围监测指标与水体质量之间内在关系进行发掘和分析。系统GIS服务选用开源的GeoServer，可连接Oracle，sqlserver等关系型数据库，结合Web应用程序构架和技术，建立高效的B/S架构WebGIS应用程序，实现基于地理信息服务的可视化信息查询和分析，实时为用户提供丰富的地图处理和空间分析服务[9]。4水环境监测及分析系统应用功能基于水环境监测及分析系统平台，开发了包括水质评价与统计、水质预测与预警、应急管理功能在内的水环境监测及分析系统应用功能模块，着重对业务数据进行分析，挖掘数据间的内在联系，为提高环境管理部门监察监管能力提供科学依据。4.1水质评价水质评价模块是基于环境业务数据中心水质数据库产生的应用子系统，针对特定区域的水体质量进行科学定量描述和评定。包括水质类别评价和水质达标评价，即对水质类别和水质达标情况分别进行判定，可细分为测站水质评价、湖库富营养化评价、水功能区水质评价、污染源评价。评价功能是水利/环保行业最基本的应用功能之一，水环境监测及分析系统具备此基本应用功能，并在统计分析的基础上提供各类GIS专题图和统计图表，专题图根据行政区域、流域、行业、时间段、监测指标等选项进行定制，GIS专题图包括“污染物浓度分布专题图”、“测站现状评价专题图”、“水质类别色彩渲染专题图”、“湖库营养评价渲染专题图”、“污染物排放达标专题图”、“污染物排放量专题图”等。4.2水质预测预警水质预测与预警模块主要提供常规预报、突发事件模拟等功能，并借助WebGIS动态可视化展示污染物的影响范围、空间分布特征。即通过内置水质模型，模拟计算河流下游沿程河段各分段（特定步长）的污染物浓度值，并将对应浓度值赋予各分段。在GIS地图上将模拟河段污染物浓度的大小按照一定的业务规则予以渲染，即由颜色变化和深浅直观展示河流沿程水体中污染物变化规律。4.3纳污容量计算根据河流河道的实际情况，系统提供不同类型的水质模型可供选择。纳污容量计算模块通过对水域进行概化，根据该河段水功能区区划和环境管理（不同区域、不同发展期的功能区的类别）的要求，确定水质控制目标，结合河流的相关水文信息、污染物降解特征，调用水质模型，计算特征污染物的水环境容量，作为流域水质目标管理、水环境综合整治规划、节能减排和总量控制的重要依据。4.4应急处理方案应急处理模块提供各风险源的应急预案及各种专项风险应急预案的查询；提供对危险源、危险点、应急处置措施等信息的综合查询。应急流程包括四个阶段，预测预警及报警、预警发布、应急处置及