基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的地表水環(huán)境自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成及應(yīng)用

夏文文左志芳

（1江蘇省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心 江蘇南京 210036 2揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇揚(yáng)州 225000）

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的地表水環(huán)境自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成及應(yīng)用

夏文文1左志芳2

（1江蘇省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心 江蘇南京 210036 2揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇揚(yáng)州 225000）

隨著物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈的迅速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也被更多的應(yīng)用于環(huán)保領(lǐng)域，環(huán)保部門運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)行地表水環(huán)境自動(dòng)監(jiān)控，是物聯(lián)網(wǎng)較早的一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。本文概述了物聯(lián)網(wǎng)和環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)的概念，介紹了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的地表水環(huán)境自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在地表水環(huán)境自動(dòng)監(jiān)控中的應(yīng)用。

物聯(lián)網(wǎng)；地表水；自動(dòng)監(jiān)控

地表水環(huán)境自動(dòng)監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)是一套以在線自動(dòng)分析儀器為核心，實(shí)現(xiàn)環(huán)境地表水水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)為目的的現(xiàn)代化環(huán)境監(jiān)測(cè)手段，它是運(yùn)用自動(dòng)測(cè)量技術(shù)、現(xiàn)代傳感技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)以及相關(guān)的專用分析軟件和通信網(wǎng)絡(luò)組成的一個(gè)綜合性的在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)體系。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也被更多的應(yīng)用于環(huán)保領(lǐng)域，地表水環(huán)境自動(dòng)監(jiān)控是對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的典型應(yīng)用，這一技術(shù)的廣泛應(yīng)用是未來(lái)地表水自動(dòng)監(jiān)控預(yù)警工作的重點(diǎn)，也是未來(lái)水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和方向。

1 物聯(lián)網(wǎng)與環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)

1.1 物聯(lián)網(wǎng)定義

物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分，也是“信息化”時(shí)代的重要發(fā)展階段。最初在1999年美國(guó)麻省理工學(xué)院建立了“自動(dòng)識(shí)別中心（Auto-ID）”，提出“萬(wàn)物皆可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)”，闡明了物聯(lián)網(wǎng)的基本含義，但隨著技術(shù)和應(yīng)用的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)涵已經(jīng)發(fā)生了較大變化。顧名思義，物聯(lián)網(wǎng)就是物物相連的互聯(lián)網(wǎng)，是通過(guò)射頻識(shí)別(RFID+互聯(lián)網(wǎng)）、紅外感應(yīng)器、傳感器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器、氣體感應(yīng)器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，進(jìn)行信息交換和通訊，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)[1]。

1.2 環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)

環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)是指在環(huán)保行業(yè)引入自動(dòng)化和信息化的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)環(huán)境保護(hù)科學(xué)化管理的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，所涉及的專業(yè)包括傳統(tǒng)的環(huán)境工程、電氣工程、通信工程、自動(dòng)化工程、環(huán)境監(jiān)測(cè)、計(jì)算機(jī)工程、管理學(xué)等學(xué)科，是一門多學(xué)科交叉的新興專業(yè)。

環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)從結(jié)構(gòu)上分，可以分為三層結(jié)構(gòu)。首先是基礎(chǔ)層，即感知層，此層面主要包括污染治理設(shè)施（污染源）現(xiàn)場(chǎng)端的感知，主要包括現(xiàn)代化的傳感器、分析儀、智能儀表等。其次，是通信層，通信層的主要作用是實(shí)現(xiàn)感知層數(shù)據(jù)的傳輸，主要包括兩種數(shù)據(jù)傳輸方式，有線傳輸和無(wú)線傳輸。最后，數(shù)據(jù)應(yīng)用層，數(shù)據(jù)應(yīng)用有兩方面的含義，一方面是通過(guò)數(shù)據(jù)分析，得出相關(guān)的結(jié)論支持環(huán)保管理決策，另一方面是通過(guò)遠(yuǎn)程控制來(lái)優(yōu)化環(huán)保治理設(shè)計(jì)的工藝運(yùn)行條件。

目前在國(guó)內(nèi)的環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)以各種形態(tài)展現(xiàn)出來(lái)了，比如重點(diǎn)污染源監(jiān)控、重點(diǎn)河流斷面的水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)工作、各主要城市空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等等。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的地表水環(huán)境自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的地表水環(huán)境自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)主要由三大部分構(gòu)成：一是作為物聯(lián)網(wǎng)“感知層”的在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，二是作為通信層的傳輸網(wǎng)絡(luò)，包括有線傳輸和無(wú)線傳輸兩種方式。三是數(shù)據(jù)應(yīng)用，自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)入數(shù)據(jù)庫(kù)后，有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，可以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)展示、數(shù)據(jù)監(jiān)控并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，生成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)報(bào)表等。

2.1 自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

作為物聯(lián)網(wǎng)“感知層”的地表水水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一般由6個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成，包括：采水單元、水樣預(yù)處理及配水單元、分析監(jiān)測(cè)單元、控制單元、數(shù)據(jù)采集及通訊單元以及輔助單元。主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括水質(zhì)五參數(shù)、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總有機(jī)碳、總磷、總氮等。該系統(tǒng)是以在線自動(dòng)分析儀器為核心，運(yùn)用自動(dòng)測(cè)量技術(shù)、現(xiàn)代傳感技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)以及相關(guān)的專用分析軟件和通信網(wǎng)絡(luò)組成的一個(gè)綜合性的在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)體系。

2.2 數(shù)據(jù)采集與傳輸網(wǎng)絡(luò)

地表水環(huán)境自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與傳輸單元由現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集模塊和遠(yuǎn)程傳輸模塊組成。其中數(shù)據(jù)采集模塊完成對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)儀器工作狀態(tài)數(shù)據(jù)、報(bào)警數(shù)據(jù)的采集、顯示和處理。

數(shù)據(jù)傳輸模塊主要用來(lái)完成各子站與中心站的數(shù)據(jù)傳輸、遠(yuǎn)程控制及遠(yuǎn)程診斷功能。由于自動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位數(shù)量較多、分布較分散，通常的網(wǎng)絡(luò)接入方式有很多種，主要包括：光纖、有線電話、無(wú)線GPRS/CDMA等。

3 地表水環(huán)境自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用

地表水環(huán)境自動(dòng)監(jiān)控是對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的典型應(yīng)用，這一應(yīng)用覆蓋了多方面的內(nèi)容，包括自動(dòng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的應(yīng)用、質(zhì)控和運(yùn)維管理應(yīng)用以及監(jiān)控預(yù)警信息管理等。

3.1 自動(dòng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)平臺(tái)

水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)控平臺(tái)是水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、匯總、分析、展示的綜合平臺(tái)，將所有自動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的基礎(chǔ)信息、監(jiān)測(cè)信息等集中在數(shù)據(jù)平臺(tái)，通常包括數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)審核、數(shù)據(jù)導(dǎo)出、報(bào)表統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)對(duì)比等多種功能模塊，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)整合、數(shù)據(jù)共享，為環(huán)境管理以及智能環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化運(yùn)營(yíng)管理提供全方位的應(yīng)用服務(wù)，是技術(shù)管理部門為實(shí)現(xiàn)水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的日常監(jiān)控、運(yùn)行管理、綜合分析等工作的重要支撐。例如江蘇省水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了對(duì)全省196個(gè)水質(zhì)自動(dòng)站點(diǎn)位的自動(dòng)監(jiān)控，覆蓋了江蘇省主要省市交界斷面、國(guó)控?cái)嗝?、出入湖主要河流和飲用水源地，?shí)現(xiàn)了對(duì)全省水質(zhì)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)警。

3.2 自動(dòng)監(jiān)控質(zhì)控和運(yùn)維管理平臺(tái)

基于物聯(lián)網(wǎng)理念的水環(huán)境自動(dòng)監(jiān)控質(zhì)控平臺(tái)能有效的統(tǒng)計(jì)運(yùn)營(yíng)商的到站巡檢內(nèi)容、巡檢頻次，能對(duì)標(biāo)樣進(jìn)行有效管理，動(dòng)態(tài)顯示標(biāo)樣發(fā)放情況、庫(kù)存情況及標(biāo)樣考核結(jié)果是否合格，對(duì)試劑更換、耗材備件更換進(jìn)行自動(dòng)判斷，自動(dòng)監(jiān)控運(yùn)營(yíng)管理部門從環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)可自動(dòng)獲得需要執(zhí)行的發(fā)放或更換計(jì)劃，“人”與“物”的動(dòng)態(tài)溝通使水環(huán)境自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)能更加穩(wěn)定、高效的運(yùn)行，水站在線率、數(shù)據(jù)捕獲率和數(shù)據(jù)有效率大大的提高。

3.3 自動(dòng)監(jiān)控預(yù)警信息管理

通過(guò)多指標(biāo)、高頻次、全覆蓋的水環(huán)境自動(dòng)監(jiān)控體系建設(shè)，可以實(shí)現(xiàn)流域主要河流、湖體、水源地的實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程監(jiān)控，及時(shí)掌握主要流域重點(diǎn)斷面水體的水質(zhì)狀況，實(shí)時(shí)感知污染信息，預(yù)警預(yù)報(bào)重大或流域性水質(zhì)污染事故，解決跨行政區(qū)域的水污染事故糾紛，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與自動(dòng)監(jiān)控技術(shù)的融合，實(shí)現(xiàn)區(qū)域污染預(yù)警體系。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，當(dāng)前著力發(fā)展以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心的水環(huán)境自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)是提高環(huán)境監(jiān)測(cè)管理能力，保證流域水環(huán)境安全的重要技術(shù)。但水環(huán)境自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)不應(yīng)僅局限于現(xiàn)有的功能，而應(yīng)逐漸提升到智能化的水平，即從“工具”的層面上升到“智囊”的水平?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的水環(huán)境自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)該可以協(xié)助技術(shù)人員管理流域水質(zhì)信息，還應(yīng)具備評(píng)價(jià)優(yōu)先控制污染物以及發(fā)出健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)及重大污染預(yù)警的功能。隨著網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用和地理信息系統(tǒng)的不斷發(fā)展，為數(shù)據(jù)收集、處理和發(fā)布提供了極好的展示平臺(tái)，自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的迅猛發(fā)展為信息共享架起了一個(gè)快速通道，從而實(shí)現(xiàn)水環(huán)境自動(dòng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)由數(shù)字化向智慧化轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)水站集成智慧化。

[1]Lu Yan, Yan Zhang, Laurence T. Yang and Huansheng Ning. TheInternet ofThings∶From RFID to the Next- Generation Pervasive Networked Systems.Auerbach Publications,Taylor＆Francis Group,2008.

[2]李國(guó)剛,李旭文,溫香彩.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展與環(huán)境自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)[J].中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè),2011,27(01)∶5-10.

[3]張樹禮,郝軍,張巍.環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用研究[J].中國(guó)環(huán)境管理,2012,(4).

[4]揚(yáng)子江.物聯(lián)網(wǎng)∶提升環(huán)境監(jiān)控能力的抓手[J].環(huán)境保護(hù),2010,(8)∶3-6.