環(huán)境質(zhì)量自動監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸標準現(xiàn)狀及對策研究

許萌君，王 智

（1.江蘇省標準化研究院，江蘇南京 210000；2.東軟集團股份有限公司，遼寧沈陽 110000）

1 背景

環(huán)境質(zhì)量自動監(jiān)控系統(tǒng)（又稱環(huán)境質(zhì)量在線監(jiān)控系統(tǒng)或環(huán)境質(zhì)量自動監(jiān)測系統(tǒng)）是應(yīng)用現(xiàn)代自控儀器技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計算機技術(shù)對水、氣、聲、渣、輻射等各種環(huán)境要素實施連續(xù)不斷的實時在線監(jiān)測，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)自動傳輸?shù)江h(huán)境監(jiān)控中心進行數(shù)據(jù)處理的系統(tǒng)。環(huán)境質(zhì)量自動監(jiān)控是環(huán)境執(zhí)法、科學(xué)管理的重要手段。系統(tǒng)的建設(shè)和管理需要依托自動控制、計算機、電子、通信等多個領(lǐng)域的技術(shù)，是一項關(guān)系民生的綜合性、復(fù)雜性的生態(tài)環(huán)境監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)工程。

2 系統(tǒng)傳輸模型

2.1 信息傳輸結(jié)構(gòu)

環(huán)境質(zhì)量自動監(jiān)控系統(tǒng)按照數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)層次，可分為數(shù)據(jù)收集子系統(tǒng)和信息綜合子系統(tǒng)兩個部分。數(shù)據(jù)收集子系統(tǒng)包含的設(shè)備因監(jiān)測對象不同而有所差異，例如在空氣環(huán)境質(zhì)量自動監(jiān)控系統(tǒng)中，可包含二氧化硫、煙塵等氣污染物在線監(jiān)測分析儀，水環(huán)境質(zhì)量自動監(jiān)控中則需要水污染物在線監(jiān)測分析儀等設(shè)備，其他監(jiān)控系統(tǒng)可能需要污染物排放監(jiān)控監(jiān)測儀器、污染治理設(shè)施運行記錄儀（黑匣子）和數(shù)據(jù)采集傳輸儀（用于數(shù)據(jù)的存儲、加密，數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)、接收以及報警、反控）等自動監(jiān)控儀器。這一系列設(shè)備簡稱現(xiàn)場機。信息綜合子系統(tǒng)包括計算機信息終端設(shè)備、監(jiān)控中心系統(tǒng)（自動監(jiān)控中心信息管理軟件和數(shù)據(jù)庫等）。簡稱上位機。因此系統(tǒng)的信息傳輸結(jié)構(gòu)，可以簡單示意為圖1的所示的3層結(jié)構(gòu)。

2.2 網(wǎng)絡(luò)傳輸方式

環(huán)境質(zhì)量監(jiān)控的任務(wù)，主要是在各個環(huán)境監(jiān)測站完成的，監(jiān)測站將子站數(shù)據(jù)庫的監(jiān)測信息發(fā)送到中心站數(shù)據(jù)庫中，可以采用下列網(wǎng)絡(luò)連接方式進行傳輸：虛擬專用網(wǎng)絡(luò)方式、網(wǎng)閘數(shù)據(jù)交換方式、環(huán)保專網(wǎng)直連方式，最終要將數(shù)據(jù)傳輸并儲存到中心站數(shù)據(jù)庫中。

3 數(shù)據(jù)傳輸現(xiàn)狀

3.1 總體狀況

我國環(huán)境質(zhì)量自動監(jiān)控建設(shè)起步晚，信息化水平較低，對環(huán)境狀況的監(jiān)控十分薄弱，傳統(tǒng)的監(jiān)測方法建設(shè)維護成本過高，難以大面積推廣，隨著科技的不斷進步和環(huán)境監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)概念的不斷深入，自動化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的環(huán)境質(zhì)量自動監(jiān)控，成為現(xiàn)在和今后一段時期環(huán)境保護工作的重點。

然而，各地陸續(xù)建立的一些環(huán)境質(zhì)量自動監(jiān)控系統(tǒng)，完全受制于各開發(fā)單位自有的技術(shù)，系統(tǒng)升級和維護工作受到極大的限制。有的地區(qū)使用的數(shù)據(jù)傳輸和接口標準技術(shù)落后、定義不規(guī)范，極大影響了系統(tǒng)建設(shè)和運行維護的效率。各地局部的環(huán)境質(zhì)量自動監(jiān)控系統(tǒng)相互獨立，采用的數(shù)據(jù)標準和設(shè)計結(jié)構(gòu)不同，各自分散異構(gòu)的數(shù)據(jù)資源形成彼此割裂的信息孤島，無法進行信息交換和業(yè)務(wù)協(xié)同。

多年來環(huán)境在線監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸所沿用的數(shù)采設(shè)備，其數(shù)據(jù)傳輸格式等已相對落后。環(huán)境監(jiān)測在線系統(tǒng)的生產(chǎn)廠家眾多，技術(shù)水平參差不齊，傳輸協(xié)議五花八門，給監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一帶來不小的困難，這不僅對當?shù)丨h(huán)保部門轄區(qū)屬地管理造成一定的不便，也為上級環(huán)保部門的宏觀管理帶來了諸多問題。

圖1 系統(tǒng)信息傳輸結(jié)構(gòu)示意

3.2 案例分析

以目前江蘇省的水環(huán)境質(zhì)量自動監(jiān)控為例，其主要監(jiān)測工作是由水質(zhì)監(jiān)測站完成的，監(jiān)測站很多設(shè)備來自歐美等國家專業(yè)生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品，在逐步與全省生態(tài)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)［1］的聯(lián)網(wǎng)集成的過程中，其設(shè)備和系統(tǒng)在自動監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸方面，暴露出了如下突出問題：

（1）數(shù)據(jù)通信接口不統(tǒng)一。目前水質(zhì)監(jiān)控數(shù)據(jù)的傳輸存在多種接口，包括 FTP、Webservice、E-mail、短信、電話撥號等，通信接口不統(tǒng)一，數(shù)據(jù)集成困難。

（2）技術(shù)參數(shù)采集不完整。一般站點只采集了主要污染物的濃度指標,而沒有采集相應(yīng)的儀器工作狀態(tài)參數(shù),如儀器的流量、工作溫度、校準狀況、是否有故障等。

（3）系統(tǒng)集成度低，兼容性差，很多地方存在多個數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)并存的情況，數(shù)據(jù)格式多種多樣，不便于統(tǒng)一管理。

（4）儀器校準自動化程度低，多數(shù)監(jiān)測儀器還是通過人工方式進行校準。

上述問題的存在，導(dǎo)致無法對各監(jiān)測站質(zhì)控工作進行統(tǒng)一有效的監(jiān)督。因此,當把各地的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行匯總分析和比較時,只能將數(shù)據(jù)的可靠性和準確性建立在假定各地質(zhì)量控制工作都符合標準的基礎(chǔ)之上。故從大的格局上講，整個水質(zhì)自動監(jiān)測網(wǎng)的質(zhì)量控制實際上是處于失控狀態(tài)。

4 對策分析

4.1 統(tǒng)一傳輸標準

隨著環(huán)境監(jiān)管對在線監(jiān)測數(shù)據(jù)處理速度和效率要求的不斷提高，如何解決環(huán)境質(zhì)量自動監(jiān)控系統(tǒng)在信息傳輸中的種種突出問題，建立一套兼容性強、拓展性強、實用性強的信息傳輸技術(shù)規(guī)范，統(tǒng)一環(huán)境質(zhì)量自動監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)格式和傳輸標準，在提高數(shù)據(jù)文件處理的可靠性和效率的同時，為環(huán)境監(jiān)管提供準確、及時、唯一性的數(shù)據(jù)，將成為引導(dǎo)環(huán)境監(jiān)測業(yè)務(wù)的良性發(fā)展的關(guān)鍵之一。

4.2 標準建立的依據(jù)

環(huán)境質(zhì)量自動監(jiān)測數(shù)據(jù)是對環(huán)境要素的表述信息，數(shù)據(jù)量大，實時性強，交互頻繁，數(shù)據(jù)類型多，統(tǒng)計分析方法復(fù)雜，輔助信息多，數(shù)據(jù)需求變化大等特點，選擇的數(shù)據(jù)傳輸格式，應(yīng)能使數(shù)據(jù)在傳輸過程中既要保證準確性，又要保證一定的可擴展性和兼容性，以便將來對監(jiān)測數(shù)據(jù)模型進行升級和修改。

在傳輸標準中提出的技術(shù)指標和技術(shù)性能應(yīng)在支持主流信息交換技術(shù)的產(chǎn)品和平臺的同時，并對產(chǎn)品技術(shù)革新有一定的引導(dǎo)作用，這樣才能在推廣實施中，做到靈活、普及、提高監(jiān)測質(zhì)量并引導(dǎo)環(huán)保信息化向新的技術(shù)邁進。

4.3 傳輸格式的選擇

基于環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用環(huán)境和特點，需要選擇一種安全、通用、標準化、可擴展的通信表述數(shù)據(jù)項和數(shù)據(jù)格式的形式，目前，全國范圍內(nèi)，只有針對污染源在線監(jiān)控系統(tǒng)有傳輸標準可以參照，部分省市的環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測信息也借鑒了《污染源在線自動監(jiān)控（監(jiān)測）系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸標準》HJ/T 212-2005的傳輸規(guī)定，筆者認為該標準是為污染源監(jiān)控量身定做的，其中有關(guān)于污染源的業(yè)務(wù)邏輯，不適用于環(huán)境質(zhì)量的在線監(jiān)控業(yè)務(wù)。其次該標準是字符串拼接的協(xié)議［2］，擴展性不高，傳輸非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)（圖片、聲音）等信息非常困難。其協(xié)議通常采用socket編程方法，需要對多線程的通信客戶端進行管理，對系統(tǒng)開發(fā)人員有較高的要求，實施起來有一定的復(fù)雜性，容易造成開發(fā)成本的浪費和低水平的重復(fù)建設(shè)。

筆者根據(jù)多年對環(huán)境監(jiān)控信息化領(lǐng)域的研究和實踐經(jīng)驗，提出在目前web服務(wù)廣為使用的前提下，綜合考慮對國際標準、以及環(huán)保領(lǐng)域已實施標準的采納，宜采用國際上web應(yīng)用通用的XML文件作為表述數(shù)據(jù)項和數(shù)據(jù)格式的形式，以滿足環(huán)境質(zhì)量監(jiān)控信息安全、通用、標準化、可擴展的要求。

XML能夠以靈活有效的方式定義環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測信息的結(jié)構(gòu)［3］。以XML格式存儲的數(shù)據(jù)不僅有良好的內(nèi)在結(jié)構(gòu)，而且易于進行數(shù)據(jù)交流和開發(fā)。現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)管理標準如TMN、SNMP等的管理信息庫規(guī)范決定了網(wǎng)管數(shù)據(jù)符合層次結(jié)構(gòu)和面向?qū)ο笤瓌t，使得以XML格式存儲網(wǎng)管數(shù)據(jù)也非常自然，易于實現(xiàn)。

同時，網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)牡讓訑?shù)據(jù)因協(xié)議不同而編碼規(guī)則不同，雖然最終傳輸時都是二進制位流，但是不同的應(yīng)用協(xié)議需要提供不同的轉(zhuǎn)換機制。這種情況導(dǎo)致管理站在對采用不同協(xié)議發(fā)送管理信息的被管對象之間進行管理時很難實現(xiàn)兼容。如果協(xié)議在數(shù)據(jù)表示時都采用XML格式進行描述，這樣網(wǎng)絡(luò)之間傳遞的都是簡單的字符流，可以通過相同的XML解析器進行解析，然后根據(jù)不同的XML標記，對數(shù)據(jù)的不同部分進行區(qū)分處理，使底層數(shù)據(jù)更具可讀性。

在數(shù)據(jù)流量方面，使用HJ/T 212-2005是目前環(huán)境監(jiān)控領(lǐng)域較省流量的數(shù)據(jù)傳輸方法，流量耗費相對較小，但XML數(shù)據(jù)在經(jīng)過壓縮之后，與其相差不大。

以水質(zhì)監(jiān)測為例，假設(shè)有5個監(jiān)測因子，只傳輸平均值，每個監(jiān)測值帶1個標志位，每個值占4位，計算在遵循HJ/T 212-2005協(xié)議的通信包與XML通信包在傳輸小時數(shù)據(jù)時的包大小。

HJ/T 212-2005協(xié)議：

XML格式：

比較數(shù)據(jù)字節(jié)大小（見表1）。

可以看出，XML是一種可擴展的語言，只要將相應(yīng)的環(huán)境信息數(shù)據(jù)項、數(shù)據(jù)要求用XML文件正確描述即可，而信息交換的模式、方式相對確定。環(huán)境監(jiān)測種類繁多，信息需求變化快，以后隨著環(huán)境管理業(yè)務(wù)的逐步成熟，可以擴展不同類型的環(huán)境監(jiān)管信息、環(huán)境要素信息、環(huán)境治理信息等。

表1 采用兩種傳輸協(xié)議的數(shù)據(jù)流量對比表

5 總結(jié)

根據(jù)對相關(guān)系統(tǒng)的研究分析和多年實踐經(jīng)驗，筆者提出了以XML為基礎(chǔ)來統(tǒng)一環(huán)境質(zhì)量自動監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)標準的解決措施，但這其中仍然有不少技術(shù)問題還需要進一步對比和分析，還需要通過大量的測試來校驗，并在應(yīng)用中進行修正。此外，還需要和諸多相關(guān)方進行協(xié)商和統(tǒng)一意見。

統(tǒng)一環(huán)境質(zhì)量自動監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸標準仍然有很長的路要走。但相關(guān)標準的確立，無疑將在很大程度上解決各地局部的環(huán)境質(zhì)量自動監(jiān)控系統(tǒng)相互獨立，采用的數(shù)據(jù)標準和設(shè)計結(jié)構(gòu)不統(tǒng)一的問題，有效縮小自分散異構(gòu)的數(shù)據(jù)造成信息孤島，為實現(xiàn)環(huán)境質(zhì)量自動監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享、業(yè)務(wù)協(xié)同打下基礎(chǔ)，為上下級環(huán)保部門之間統(tǒng)一高效的信息溝通共享通道提供基礎(chǔ)支撐。能在一定程度上進一步規(guī)范相關(guān)自動監(jiān)控儀器的產(chǎn)品規(guī)格，提高產(chǎn)品質(zhì)量，引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)的良性發(fā)展，讓環(huán)境質(zhì)量自動監(jiān)控這項關(guān)系到民生的生態(tài)環(huán)境監(jiān)控工程更好的發(fā)揮監(jiān)督管理作用。

［1］何春銀，劉玨.環(huán)境監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)標準體系框架初探［J］.信息技術(shù)與標準化，2012（8）.

［2］HJ/T 212-2005污染源在線自動監(jiān)控（監(jiān)測）系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸標準［S］.北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2006.

［3］徐潔.基于XML的污染源自動監(jiān)控信息交換實現(xiàn)方法［J］.科技信息，2010（36）.