山東省轄城市空氣自動(dòng)監(jiān)測網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)控及信息管理系統(tǒng)

許 楊，萬 黎，李 彥，崔志偉，杜曉蘭

（山東省環(huán)境信息與監(jiān)控中心，山東 濟(jì)南 250014）

Xu Yang， Wan Li， Li Yan， Cui Zhiwei， Du Xiaolan

（Environmental Information and Monitoring Center of Shandong Province，Jinan Shandong 250012，China）

山東省轄城市空氣自動(dòng)監(jiān)測網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)控及信息管理系統(tǒng)

許 楊，萬 黎，李 彥，崔志偉，杜曉蘭

（山東省環(huán)境信息與監(jiān)控中心，山東 濟(jì)南 250014）

研制了山東省環(huán)境空氣自動(dòng)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行監(jiān)控及信息管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了山東省全部省轄市所有點(diǎn)位環(huán)境空氣自動(dòng)監(jiān)測統(tǒng)一數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集與多級多目標(biāo)傳輸，全過程跟蹤的質(zhì)量控制與保證，全省統(tǒng)一數(shù)據(jù)確認(rèn)、在線信息化管理。

空氣監(jiān)測；運(yùn)行監(jiān)控；信息管理

Xu Yang， Wan Li， Li Yan， Cui Zhiwei， Du Xiaolan

（Environmental Information and Monitoring Center of Shandong Province，Jinan Shandong 250012，China）

為了保證環(huán)境空氣監(jiān)測數(shù)據(jù)的代表性、可比性、準(zhǔn)確性，山東省環(huán)保廳提出了建立省轄城市所有站點(diǎn)環(huán)境空氣自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，統(tǒng)一監(jiān)測指標(biāo)，統(tǒng)一監(jiān)測設(shè)備調(diào)試和校正標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)一監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸方式，統(tǒng)一監(jiān)測數(shù)據(jù)確認(rèn)的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。本項(xiàng)目為山東省空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)研發(fā)數(shù)據(jù)采集傳輸儀及配套軟件，面臨的關(guān)鍵問題是:（1） 傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集儀在設(shè)計(jì)方面通常具有很強(qiáng)的目標(biāo)針對性，很難做到跨設(shè)備型號、跨廠家使用。要完成多級、多目標(biāo)的數(shù)據(jù)直傳，必須實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集直接面向任務(wù)，與監(jiān)測儀器型號種類無關(guān)。（2）實(shí)現(xiàn)全省數(shù)據(jù)統(tǒng)一傳輸，必須滿足多種通訊方式的要求，實(shí)現(xiàn)國家、省、市、縣4級中心互不干擾地同步信息傳輸。（3）要確保多目標(biāo)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)無差異上傳，必須實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)自動(dòng)補(bǔ)傳、設(shè)備故障自動(dòng)判別、數(shù)據(jù)有效性檢查自動(dòng)實(shí)現(xiàn)和離群數(shù)據(jù)的自動(dòng)處理。（4）山東省空氣質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)由17個(gè)城市的144個(gè)站位組成，共監(jiān)測12個(gè)項(xiàng)目，網(wǎng)絡(luò)信息量大，對象復(fù)雜。實(shí)現(xiàn)全省空氣監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)一確認(rèn)，必須解決全省各子站儀器運(yùn)行參數(shù)在線遠(yuǎn)程診斷、狀態(tài)反控的難題，將相關(guān)的質(zhì)量保證和控制的測試過程納入到統(tǒng)一的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，對所有站點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行自動(dòng)跟蹤和評估。（5）國內(nèi)已有的環(huán)境空氣信息管理系統(tǒng)僅局限于單個(gè)城市的信息管理[3]，目標(biāo)單一。而山東省空氣自動(dòng)監(jiān)測信息管理系統(tǒng)需要進(jìn)行全部省轄市所有站點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)信息管理，需求多，目標(biāo)復(fù)雜。必須研究全部站點(diǎn)運(yùn)行情況特征指標(biāo)判別方法，解決各子站監(jiān)測信息準(zhǔn)確程度的自動(dòng)判別問題，所設(shè)計(jì)的信息管理系統(tǒng)要求功能強(qiáng)大、圖文可視，實(shí)現(xiàn)全省環(huán)境管理和決策的動(dòng)態(tài)管理。

1 總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由信息采集-傳輸系統(tǒng)、運(yùn)行監(jiān)控-反控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析-信息管理系統(tǒng)組成，總體設(shè)計(jì)如圖1:

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)技術(shù)路線

無線數(shù)據(jù)采集控制裝置（簡稱數(shù)采儀）直接與各市空氣站自動(dòng)監(jiān)測設(shè)備的傳感器連接，獲取監(jiān)測信息（包括所測定的污染物濃度信息及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息），通過GPRS/CDMA1X將信息實(shí)時(shí)傳輸至各級監(jiān)控中心。省監(jiān)控中心在線調(diào)取儀器設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)，判定子站儀器的運(yùn)行狀況，對狀態(tài)參數(shù)設(shè)置錯(cuò)誤的直接進(jìn)行修改，定點(diǎn)定時(shí)對儀器進(jìn)行零點(diǎn)校準(zhǔn)和跨度校準(zhǔn)。后臺數(shù)據(jù)庫軟件支持系統(tǒng)對接收到的信息進(jìn)行存貯，異常數(shù)據(jù)判別、剔除，自動(dòng)和人工審核、分析處理。根據(jù)環(huán)境管理和決策的需求，生成各類圖表報(bào)告。

2 技術(shù)方案

2.1 信息采集-傳輸系統(tǒng)

2.1.1 直接面向任務(wù)的智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

城市空氣自動(dòng)監(jiān)測儀器品牌多樣，不同類型的監(jiān)測設(shè)備在數(shù)據(jù)采集接口類型、數(shù)據(jù)獲取方式、通訊協(xié)議等方面存在巨大差別，這就對現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提出了很高的兼容性要求，要做到與設(shè)備廠家、設(shè)備型號無關(guān)。

本項(xiàng)目為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開發(fā)了一套獨(dú)立的指令腳本語言編輯系統(tǒng)，用戶可在現(xiàn)場完成對不同通訊協(xié)議和不同數(shù)據(jù)采集的指令封裝和指令解析，而無需對分析設(shè)備廠家和型號進(jìn)行識別和綁定，因而從根本上解決了對不同廠家、不同型號分析儀器的兼容性，并且使通用性強(qiáng)和靈活性更好，保證了今后與其它品牌、其它型號的分析監(jiān)控設(shè)備的兼容性。

2.1.2 多中心同步傳輸?shù)闹悄芡ㄓ嵪到y(tǒng)

數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想是，能夠使用當(dāng)前常用的不同類型通訊方式，以便在不同區(qū)域進(jìn)行系統(tǒng)建設(shè)時(shí)可以靈活地使用當(dāng)?shù)噩F(xiàn)有的通訊線路，而且能夠滿足對今后通訊方式的設(shè)計(jì)。

為了滿足上述要求，將通訊系統(tǒng)作為獨(dú)立的單元進(jìn)行考慮和設(shè)計(jì)，與數(shù)據(jù)采集和現(xiàn)場控制系統(tǒng)在功能上實(shí)現(xiàn)隔離。在通訊方式上，考慮到目前電話線通訊的局限性，首選GPRS/CDMA1X作為主要通訊方式，將ADSL和電話線作為備用通訊方式，當(dāng)條件滿足時(shí)可將ADSL切換為主要通訊手段，并且系統(tǒng)可自動(dòng)對上述通訊方式進(jìn)行診斷并切換。為了實(shí)現(xiàn)4級中心同步通訊和保證通訊的實(shí)時(shí)性，系統(tǒng)采用TCP/IP通訊協(xié)議完成數(shù)據(jù)的封包和傳輸。

2.1.3 保證數(shù)據(jù)質(zhì)量，傳輸安全的智能保障系統(tǒng)

為了確保環(huán)境數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)質(zhì)量，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)指定了一整套數(shù)據(jù)質(zhì)量評估標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，通過控制軟件自動(dòng)完成數(shù)據(jù)質(zhì)量的全程跟蹤。

為了保證數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的安全性，對監(jiān)控現(xiàn)場、中心控制室、數(shù)據(jù)通訊過程均實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)備份和加密處理，在通訊開始時(shí)進(jìn)行必要的身份認(rèn)證。

2.2 運(yùn)行監(jiān)控-反控系統(tǒng)

山東省空氣質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)由17個(gè)城市的144個(gè)站位組成，共監(jiān)測12個(gè)項(xiàng)目（7個(gè)污染因子，5個(gè)氣象參數(shù)，網(wǎng)絡(luò)信息量大，對象復(fù)雜。實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)全過程的質(zhì)量保證和質(zhì)量控制是網(wǎng)絡(luò)成功運(yùn)行的關(guān)鍵。而要一對一地執(zhí)行質(zhì)控任務(wù)，特別是檢查、校準(zhǔn)、準(zhǔn)確性判斷等工作，需要消耗大量的時(shí)間和精力。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程在線診斷、狀態(tài)監(jiān)控、定時(shí)自動(dòng)遠(yuǎn)程校準(zhǔn)的系統(tǒng)功能，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程自動(dòng)診斷、監(jiān)控和反控。省監(jiān)控中心可隨時(shí)查看每臺分析儀器的運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)設(shè)置指標(biāo)偏離正常值時(shí)可對相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行修改，解決了全省空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)“四統(tǒng)一”的關(guān)鍵技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)了空氣自動(dòng)監(jiān)測質(zhì)量保證和質(zhì)量控制工作的全過程跟蹤。

2.2.1 遠(yuǎn)程在線診斷

遠(yuǎn)程在線診斷功能是本系統(tǒng)獨(dú)有的監(jiān)控功能。通過系統(tǒng)的遠(yuǎn)程診斷，可隨時(shí)查看144個(gè)站點(diǎn)每臺分析儀器的運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)，并可以對相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行修改。本系統(tǒng)能夠做到監(jiān)控、反控本省空氣監(jiān)測網(wǎng)內(nèi)全部廠家、所有型號的分析儀器，隨時(shí)掌控各子站環(huán)境條件、儀器設(shè)置參數(shù)、工作狀態(tài)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)輸出值、數(shù)采儀參數(shù)和瞬時(shí)出入值等信息，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處理。同時(shí)防止監(jiān)測儀器運(yùn)行參數(shù)和數(shù)采儀參數(shù)的人為調(diào)整。

參數(shù)設(shè)置是否合理及瞬時(shí)值是否一致，直接影響到監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性。以美國Met One PM10監(jiān)測儀為例，其重要參數(shù)包括:斜率、截距、背景濃度、吸收系數(shù)、參考膜片平均質(zhì)量密度、量程、流量斜率、流量截距、氣體流量、采樣時(shí)間等。其中1項(xiàng)參數(shù)不正常就會(huì)影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。數(shù)采儀參數(shù)也直接影響到監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。如量程的設(shè)置和監(jiān)測儀不一致，則會(huì)直接導(dǎo)致上傳到上端服務(wù)器的數(shù)據(jù)和現(xiàn)場實(shí)際監(jiān)測值有倍級數(shù)量的誤差。

為了實(shí)現(xiàn)空氣監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量保證的全過程跟蹤，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了定時(shí)自動(dòng)遠(yuǎn)程診斷與狀態(tài)監(jiān)控，將診斷結(jié)果用兩個(gè)表體現(xiàn):一個(gè)是調(diào)取參數(shù)比對表，將調(diào)取結(jié)果同預(yù)先存儲(chǔ)的該儀器正常工作狀態(tài)參數(shù)的允許范圍進(jìn)行比較，將調(diào)取的數(shù)采儀參數(shù)同原始標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置進(jìn)行比對，將監(jiān)測儀器輸出瞬時(shí)值同數(shù)采儀瞬時(shí)輸入值相比較；另一個(gè)是調(diào)取情況清單，記錄本次調(diào)取不成功的子站和儀器名稱。管理人員根據(jù)這兩張報(bào)告表進(jìn)行分析，將異?，F(xiàn)象及時(shí)通知當(dāng)?shù)乇O(jiān)控人員，讓其查找原因及時(shí)調(diào)整；并可通過軟件給數(shù)采儀發(fā)送指令，遠(yuǎn)程進(jìn)行參數(shù)設(shè)定、調(diào)整。系統(tǒng)每月自動(dòng)匯總調(diào)取結(jié)果。

2.2.2 定時(shí)自動(dòng)遠(yuǎn)程校準(zhǔn)

確保網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、可靠性、穩(wěn)定性、可比性，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的同質(zhì)化是系統(tǒng)運(yùn)行成功的關(guān)鍵，遠(yuǎn)程對分析儀器進(jìn)行校準(zhǔn)和標(biāo)定是系統(tǒng)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制的重要管理措施。山東省各城市現(xiàn)場分析儀器涉及到多個(gè)廠家、多種型號，要求系統(tǒng)的遠(yuǎn)程校準(zhǔn)功能具有良好的兼容性。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了16個(gè)自動(dòng)校準(zhǔn)程序，每個(gè)校準(zhǔn)程序可配置8個(gè)校準(zhǔn)（檢查）點(diǎn)，并生成詳細(xì)的校準(zhǔn)（檢查）報(bào)告。

根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（HJ/T193-2005）[1，4～5]（簡稱國家規(guī)范） 質(zhì)量控制的規(guī)定，對漂移控制限內(nèi)的儀器零點(diǎn)和跨度漂移自動(dòng)進(jìn)行修正；對漂移控制限外的數(shù)據(jù)判斷為無效，同時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)將校準(zhǔn)結(jié)果發(fā)送給當(dāng)?shù)毓芾砣藛T，使其及時(shí)進(jìn)行現(xiàn)場檢查，實(shí)現(xiàn)了全過程的質(zhì)量保證。

2.2.3 控制系統(tǒng)軟件模塊

包括系統(tǒng)管理、系統(tǒng)配置、遠(yuǎn)程控制模塊，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程調(diào)取數(shù)據(jù)、讀取通道參數(shù)、遠(yuǎn)程校準(zhǔn)、儀器在線診斷、數(shù)據(jù)有效性的自動(dòng)判別等任務(wù)。

3 監(jiān)測網(wǎng)運(yùn)行情況自動(dòng)評價(jià)體系

已有環(huán)境空氣信息管理系統(tǒng)的服務(wù)對象只限于單個(gè)城市，沒有監(jiān)控任務(wù)，不涉及獲取信息本身準(zhǔn)確程度的判別。而山東省空氣質(zhì)量監(jiān)測站位多、對象復(fù)雜，對獲取信息本身準(zhǔn)確程度的評判是全省統(tǒng)一數(shù)據(jù)確認(rèn)的關(guān)鍵。為了嚴(yán)格規(guī)范自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行管理，確保監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的完整性、準(zhǔn)確性，山東省環(huán)保廳制訂了自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行率和準(zhǔn)確率考核制度。以往對空氣自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行率、準(zhǔn)確率的統(tǒng)計(jì)只是依據(jù)管理人員每日對數(shù)據(jù)肉眼觀察，發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)或故障情況進(jìn)行手工記錄，結(jié)合現(xiàn)場抽查和遠(yuǎn)程控制判定其數(shù)據(jù)是否合理。人工登記難免因標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一和工作量巨大而出現(xiàn)遺漏或差錯(cuò)，不可能做到全面、完整和公正。本項(xiàng)目根據(jù)管理目標(biāo)，研究了反映空氣自動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取率、準(zhǔn)確性特征指標(biāo)的判別方法，將一系列復(fù)雜的人工管理歸納、提煉，形成數(shù)學(xué)模型，用軟件模擬人工操作，并兼顧地域情況，體現(xiàn)人性化管理，統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的評價(jià)體系，編制了空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測站運(yùn)行率和準(zhǔn)確率統(tǒng)計(jì)程序，顯著提高了工作效率和統(tǒng)計(jì)結(jié)果的準(zhǔn)確率，做到了測點(diǎn)數(shù)據(jù)的同質(zhì)化，實(shí)現(xiàn)了全省空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)一確認(rèn)[2]。

4 數(shù)據(jù)質(zhì)量自動(dòng)審核

對數(shù)采儀軟件已做了標(biāo)記的異常值，按照技術(shù)規(guī)范中的規(guī)定，系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)取舍，不滿足采集頻率要求的數(shù)據(jù)不參加匯總統(tǒng)計(jì)。對校準(zhǔn)報(bào)告顯示超出國家規(guī)范合理范圍要求的、儀器運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)調(diào)取報(bào)告顯示異常的、有報(bào)警標(biāo)記數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)變化曲線顯示不合理的、平均值小于當(dāng)?shù)乜尚潘降痊F(xiàn)象，結(jié)合現(xiàn)場檢查，經(jīng)專家審核確定數(shù)據(jù)取舍。舍去的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)編輯功能判為無效，則該數(shù)據(jù)自動(dòng)不參加所有的匯總統(tǒng)計(jì)。為保證原始監(jiān)測數(shù)據(jù)庫的安全性，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了修正數(shù)據(jù)庫。將上傳數(shù)據(jù)同時(shí)保留在原始數(shù)據(jù)庫和修正數(shù)據(jù)庫中，管理人員所有的修正只在修正數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行，一旦修正數(shù)據(jù)有誤，又可方便地用原始數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)原。

5 動(dòng)態(tài)信息管理系統(tǒng)

根據(jù)全省環(huán)境管理和決策管理的需求，設(shè)計(jì)了圖文可視的動(dòng)態(tài)信息管理平臺。根據(jù)環(huán)境管理要求，系統(tǒng)具有查詢、編輯、統(tǒng)計(jì)、分析多種功能，可生成23個(gè)大類不同組合的報(bào)告和圖表。

6 結(jié)論

本項(xiàng)目研發(fā)的數(shù)據(jù)采集器及監(jiān)控軟件自2008年起在山東省環(huán)境廳監(jiān)控中心正式使用，其中數(shù)據(jù)采集設(shè)備、傳輸軟件安裝在全省17個(gè)市144個(gè)城市的空氣自動(dòng)監(jiān)測子站使用，質(zhì)量控制和信息管理軟件在省、市兩級監(jiān)控中心使用，至今系統(tǒng)運(yùn)行整兩年。根據(jù)全部上傳數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，數(shù)據(jù)采集可達(dá)100%，實(shí)現(xiàn)了全部省轄市所有點(diǎn)位的多級多目標(biāo)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與質(zhì)量跟蹤控制，為各級政府制定改善空氣質(zhì)量的保障措施提供了科學(xué)的技術(shù)支持。

[1]國家環(huán)?？偩?HJ/T193-2005環(huán)境空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測技術(shù)規(guī)范[S].北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社，2005.

[2]萬黎，李彥，崔志偉，等.空氣自動(dòng)監(jiān)測網(wǎng)運(yùn)行率和準(zhǔn)確率統(tǒng)計(jì)自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)的探討[J].中國環(huán)境管理干部學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，20（2）:51-53.

[3]周發(fā)武.鮑建國.環(huán)境自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)與管理[M].北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社，2007:301-321.

[4]國家環(huán)境保護(hù)總局，空氣和廢氣監(jiān)測分析編委會(huì).空氣和廢氣監(jiān)測分析方法[M].4版增補(bǔ)版.北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社，2003，9:252-271.

[5]國家環(huán)?？偩?環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測規(guī)范（試行）[S/OL].（2007-01-23）[2011-08-26].http://www.es.org.cn/download/1800-1.doc.

The Operating Monitoring and Information Management System of the Urban Air Auto-monitoring Network in Shandong Province

The system of information management and operating monitoring of the urban air automonitoring network in Shandong province has been developed.The following functions of the system are realized,such as the real time collection of the integrated auto-monitoring data of ambient air from all the monitoring points around 17 cities of Shandong province,data transmission with multilevel and multi-targets,quality control and assurance on tracking the entire process,validation of the integrated data all over the province,and online information management.

air monitoring； running monitor； information management

X84

A

1008-813X（2011）06-0065-04

10.3969/j.issn.1008-813X.2011.06.017

2011-09-06

許 楊（1968-），男，山東濟(jì)南人，畢業(yè)于山東大學(xué)分析化學(xué)專業(yè)，高級工程師，從事環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測及綜合評價(jià)工作。