基于大數(shù)據(jù)可視化技術的空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)審計研究

詹明惠（南京審計大學 江蘇南京 210000）

一、引言

近年來，經(jīng)濟高速發(fā)展引發(fā)的環(huán)境質(zhì)量問題引起了各界的廣泛關注。在大力推進生態(tài)環(huán)境監(jiān)測體系和監(jiān)測能力現(xiàn)代化背景下，我國環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測體系不斷發(fā)展和完善，基本實現(xiàn)了對環(huán)境空氣污染物的逐時自動監(jiān)測。環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測點位的自動化、精細化，對自動監(jiān)測信息系統(tǒng)的完整性、有效性、一致性、可比性等提出了更高的要求。因此，開展環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測信息系統(tǒng)審計勢在必行。

大數(shù)據(jù)可視化分析技術是目前大數(shù)據(jù)審計應用比較成熟和主流的技術，它拓寬了傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)圖表分析，把復雜或抽象的信息以直觀形象的方式呈現(xiàn)出來，有助于審計人員快捷高效地處理和分析數(shù)據(jù)。R語言作為一款免費、開源以及具有強大的數(shù)據(jù)可視化功能的工具，受到國內(nèi)外高校、研究機構，以及金融、醫(yī)學、通訊等行業(yè)的廣泛應用。本文以R語言為工具，根據(jù)環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測信息系統(tǒng)風險審計的需要，選擇了動態(tài)時間序列圖、日歷圖、熱力趨勢圖等可視化圖形，研究如何有效利用大數(shù)據(jù)可視化分析技術審計環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測信息系統(tǒng)、有效發(fā)現(xiàn)潛在的信息系統(tǒng)風險、提高審計效率效果，在理論經(jīng)驗與技術方法上具有一定的意義。

二、環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測信息系統(tǒng)審計原理分析

環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測信息系統(tǒng)采用自動控制技術、分析技術、通信和計算機軟件技術，可對環(huán)境空氣中特定指標從樣品采集與處理、分析到數(shù)據(jù)傳輸全過程實現(xiàn)自動處理。系統(tǒng)主要由監(jiān)測設備、數(shù)據(jù)采集傳輸及查詢發(fā)布系統(tǒng)組成。國控站點產(chǎn)生的監(jiān)測數(shù)據(jù)經(jīng)過系統(tǒng)軟件直接傳輸至監(jiān)測總站。省控、市控監(jiān)測站點由各級行政主管部門負責管理。

基于大數(shù)據(jù)可視化分析技術的環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測信息系統(tǒng)審計的原理可概述為：根據(jù)對被審計單位的調(diào)查，在訪談和現(xiàn)場觀察等基礎上，采集被審計單位的環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測信息系統(tǒng)相關信息，如運維機構的日常巡檢記錄和績效考核報告、自動監(jiān)測站點檔案、空氣質(zhì)量日均值監(jiān)測數(shù)據(jù)和小時監(jiān)測數(shù)據(jù)等結(jié)構化和非結(jié)構化數(shù)據(jù)，以及從外部相關監(jiān)管部門網(wǎng)站或其他網(wǎng)站上公開數(shù)據(jù)源采集來的數(shù)據(jù)，如監(jiān)管部門出具的相關通報、處理處罰通知等。然后，在審計大數(shù)據(jù)預處理的基礎上，基于“總體分析、發(fā)現(xiàn)疑點、分散核查、系統(tǒng)研究”的審計思路，利用大數(shù)據(jù)可視化分析技術，從數(shù)據(jù)連續(xù)性、完整性、可比性、一致性、相關性等多個角度，快速從被審計大數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)異常信息，檢測是否存在信息系統(tǒng)風險情況，獲得審計線索。在此基礎上，通過對這些結(jié)果數(shù)據(jù)做進一步的延伸審計和審計事實確認，最終獲得審計證據(jù)。

三、環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測信息系統(tǒng)審計內(nèi)容分析

審計人員在開展環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測信息系統(tǒng)風險審計過程中，可按照國家環(huán)境部及各級地方政府對環(huán)境自動監(jiān)測管理的監(jiān)管要求，關注以下內(nèi)容：

（一）檢查自動監(jiān)測信息系統(tǒng)的監(jiān)測連續(xù)性

根據(jù)空氣質(zhì)量自動監(jiān)測系統(tǒng)日常運行維護的基本要求及有關規(guī)定，環(huán)境空氣自動監(jiān)測系統(tǒng)應連續(xù)運行。

以Z市為例，審計人員采集了全市6個國控站點2017年全年空氣質(zhì)量日均值監(jiān)測數(shù)據(jù)，是含有日期（date）、監(jiān)測點（mark）、可吸入顆粒物 PM10、細顆粒物 PM2.5、二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2）、一氧化氮（NO）、氮氧化物（NOx）、一氧化碳（CO）、臭氧（O3）等多個變量的表格數(shù)據(jù)。

首先在R語言中查看數(shù)據(jù)結(jié)構，如圖1所示，發(fā)現(xiàn)站點5在2017年的全年日數(shù)據(jù)僅為337條，數(shù)據(jù)量存在明顯缺失。在宏觀把握的基礎上，審計人員可采用動態(tài)時間序列圖查看站點5全年數(shù)據(jù)的具體分布情況。如圖2所示，動態(tài)時間序列圖的橫軸表示日期，縱軸表示污染物監(jiān)測濃度，用不同顏色的折線代表不同污染物的日濃度，拖動橫軸下方的按鈕可以縮小時間間隔，鼠標停留的位置會出現(xiàn)日期及各污染物濃度數(shù)據(jù)的懸浮標簽。通過對動態(tài)時間序列圖時間間隔的拖動，發(fā)現(xiàn)站點5缺失了2017/1/16—2017/2/12的監(jiān)測記錄，缺失日期長達26天，不符合監(jiān)測設備連續(xù)運行的規(guī)定。審計人員可以通過這一分析，重點核實站點5在監(jiān)測期間記錄缺失的原因、是否在主管部門備案，通過查看站點故障檢修記錄或者監(jiān)控視頻記錄，獲取審計證據(jù)。

圖1 國控站點監(jiān)測連續(xù)性分析

圖2 動態(tài)時間序列圖

（二）檢查自動監(jiān)測信息系統(tǒng)的監(jiān)測完整性

審計人員首先整體分析2017年6個國控站點各監(jiān)測物全年數(shù)據(jù)的完整性情況，通過圖3發(fā)現(xiàn)：監(jiān)測站點對于臭氧（O3）的監(jiān)測效果最好，不存在數(shù)據(jù)缺失的情況；對于一氧化氮（NO）的監(jiān)測，各站點均存在較多缺失。審計人員應調(diào)查這些監(jiān)測站點缺失較多一氧化氮（NO）數(shù)據(jù)的原因，考慮是否存在監(jiān)測站點設備故障或監(jiān)測不靈敏的風險。且觀察圖3可以發(fā)現(xiàn)，在個別日期存在監(jiān)測站點只能監(jiān)測到臭氧濃度而其他污染物數(shù)據(jù)均缺失的情況，審計人員應重點關注這些日期，查看是否存在監(jiān)測設備受到人為刪除數(shù)據(jù)記錄或數(shù)據(jù)傳輸故障的風險。采用上文提到的動態(tài)時間序列圖可以確定審計線索出現(xiàn)的時間，通過拖動時間序列圖縮小時間間隔，如圖4所示，發(fā)現(xiàn)2017年9月7日存在只監(jiān)測到臭氧數(shù)據(jù)而其他數(shù)據(jù)缺失的情況，審計人員可以將審計的范圍精確到該日期，縮小審計區(qū)間，提高審計效率。

圖3 數(shù)據(jù)質(zhì)量完整性檢驗

圖4 動態(tài)時間序列圖查看日期

（三）檢查自動監(jiān)測信息系統(tǒng)的監(jiān)測有效性

審計人員可以通過污染物之間的邏輯關系判斷數(shù)據(jù)的有效性?！董h(huán)境空氣質(zhì)量標準》（GB3095—2012）將PM10定義為空氣中小于等于10μm的顆粒物，也稱可吸入顆粒物；將PM2.5定義為環(huán)境空氣中小于等于2.5μm的顆粒物，也稱細顆粒物。從該定義來看，PM2.5屬于PM10的一部分，在同時同地測量的PM10濃度應大于PM2.5濃度，但實際測量數(shù)據(jù)中偶爾會出現(xiàn)PM2.5濃度大于PM10濃度的情況，俗稱“倒掛”。審計人員可以通過雙向柱狀圖可視化表示污染物濃度的差值，查看是否出現(xiàn)“倒掛”這種數(shù)據(jù)失效的情況。如圖5所示，橫軸表示時間，縱軸表示PM10與PM2.5的差值，向上的柱狀圖表示差值為正，向下的柱狀圖表示差值為負，即出現(xiàn)“倒掛”現(xiàn)象，數(shù)據(jù)失效；鼠標停留的位置會出現(xiàn)日期及各污染物濃度差值的懸浮標簽。圖中顯示2018年10月2日出現(xiàn)“倒掛”情況，差值為59，審計人員可重點核實監(jiān)測儀器運行故障記錄，查看運營機構對設備的定期維護記錄等。

圖5 雙向柱狀圖

（四）檢查自動監(jiān)測信息系統(tǒng)的監(jiān)測可比性

由于國控、省控、市控監(jiān)測站點的自動監(jiān)測信息系統(tǒng)的負責層級不同，國控站點產(chǎn)生的監(jiān)測數(shù)據(jù)直接傳輸至監(jiān)測總站，而省控、市控監(jiān)測站點由各級行政主管部門負責管理。審計人員可以通過對比監(jiān)測站點的經(jīng)緯度信息、位置信息，選擇位置相同或相近的監(jiān)測站點比較監(jiān)測數(shù)據(jù)，判斷監(jiān)測站點是否正常運行，揭露環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)弄虛作假的行為。

以Z市為例，首先，審計人員通過對比監(jiān)測站點經(jīng)緯度信息，確定國控站點1與某市控站點安裝于同一位置，具有較強的可比性。審計人員對采集到的國控和市控監(jiān)測數(shù)據(jù)的最大值、最小值、平均值、中位數(shù)、95%分位值、缺失值數(shù)據(jù)量及占比這些統(tǒng)計量進行了統(tǒng)計特征可視化展示，如圖6所示，對比發(fā)現(xiàn)，國控站點一氧化氮（NO）缺失值較市控站點多；對于臭氧（O3）的監(jiān)測，國控站點的監(jiān)測數(shù)據(jù)明顯高于市控站點。針對這一分析結(jié)果，審計人員可通過動態(tài)時間序列圖分析一氧化氮（NO）缺失的期間并進一步查找缺失原因。審計人員可重點關注臭氧（O3）監(jiān)測數(shù)據(jù)的差異。

圖6 國控、市控站點可比性檢驗

日歷熱圖可以將時間分解為年、月、周、日等組成部分，以日歷的形式進行可視化展示，并通過顏色來表示某一監(jiān)測值的數(shù)量大小或事件發(fā)生頻率。如圖7所示，左方部分表示國控站點的情況，右方部分表示市控站點的情況，兩個部分均按月分為12個區(qū)，各區(qū)中的每一行表示一周的情況，每1個小方塊表示1天，方塊中的顏色表示臭氧（O3）的濃度，由I到V表示的濃度水平越高，顏色也就越深。通過對日歷熱圖上不同月份的比較，可以看出夏季的臭氧（O3）濃度明顯高于冬季；通過對國控和市控站點的情況進行比較，可以看到國控站點的監(jiān)測值普遍高于市控站點監(jiān)測數(shù)據(jù)一個等級。此外，通過日歷熱圖還可以清楚地看到哪些天臭氧（O3）濃度超標以及存在缺失情況，審計人員可以通過這些線索有針對性地進行調(diào)查。

圖7 日歷熱圖對比檢驗

（五）檢查自動監(jiān)測信息系統(tǒng)的監(jiān)測一致性

位置相鄰或相近的監(jiān)測站點在污染物濃度變化趨勢上應具有一致性，審計人員可以獲取位置相近的監(jiān)測站點的逐時監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過時間變化趨勢圖發(fā)現(xiàn)審計線索。如下頁圖8所示，將同一行政區(qū)域內(nèi)4個站點的PM2.5監(jiān)測數(shù)據(jù)通過時間變化趨勢圖表現(xiàn)出來，橫軸表示月份，縱軸表示小時，顏色表示污染物濃度。可以看出，冬季的PM2.5濃度明顯高于夏季，早晚的PM2.5濃度明顯高于中下午。此外，從圖8中還可以看到，站點1所監(jiān)測區(qū)域PM2.5的濃度有明顯好轉(zhuǎn)的趨勢，尤其是11、12月較其他三個站點的變化趨勢不符，不符合區(qū)域一致性的假設。審計人員應關注此現(xiàn)象，防止該站點監(jiān)測設備被人為干擾，導致數(shù)據(jù)失真風險。

圖8 PM2.5時間變化趨勢

（六）檢查自動監(jiān)測信息系統(tǒng)的監(jiān)測相關性

環(huán)境科學研究表明，污染物之間存在一定的邏輯關系，就濃度值來說，PM2.5/PM10比值較高且相關性較好時，區(qū)域污染以細顆粒物源排放為主；PM2.5/PM10比值較低且兩者相關性較差時，區(qū)域污染以揚塵污染為主；若局部環(huán)境以工業(yè)燃燒（如燃煤發(fā)電、金屬冶煉等）等固定污染源為主時，SO2/NO2比值較高；反之，以機動車尾氣排放等移動污染源為主時，則SO2/NO2比值較低；等等。審計人員可以通過污染物之間的邏輯關系來發(fā)現(xiàn)污染物之間比值的時間變化規(guī)律，審查該監(jiān)測區(qū)域的環(huán)境空氣治理目標是否與污染物排放源一致。

以某國控站點為例，如圖9所示，橫軸表示時間，縱軸表示污染物比值，其中PM表示PM2.5/PM10，SN表示SO2/NO2。PM在1月、3月及11月出現(xiàn)高峰，2月、8月出現(xiàn)次高峰；SN在1—6月比值較高，7—12月比值較低。說明該監(jiān)測區(qū)域秋冬季節(jié)燃煤采暖過程中除產(chǎn)生大氣顆粒物外，同時排放的大量SO2等氣態(tài)污染物，更有助于二次PM2.5的生成。審計人員應核實該監(jiān)測區(qū)域的環(huán)境空氣治理目標是否與火電、燃煤等有關。

圖9 污染物比例關系時間趨勢

（七）檢查運維機構對監(jiān)測站點日常維護的文件記錄

審計人員可調(diào)閱監(jiān)測站點日常維護與巡檢的記錄，檢查空氣監(jiān)測子站巡檢記錄表、儀器運行檢查/校準記錄表、儀器精密度/準確度審核記錄等記錄表是否符合國家規(guī)定的要求。檢查運維人員是否接受過技術能力培訓，并通過了中國環(huán)境監(jiān)測總站組織的考核。檢查儀器精密度/準確度審核人員是否與儀器日常操作維護人員權限分離。

四、總結(jié)

生態(tài)環(huán)境監(jiān)測是生態(tài)環(huán)境治理的保障，監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量是生態(tài)環(huán)境監(jiān)測的核心。本文以環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測信息系統(tǒng)為例，利用大數(shù)據(jù)可視化分析技術，從數(shù)據(jù)連續(xù)性、完整性、可比性、一致性、相關性等多個角度，探討了環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測信息系統(tǒng)的審計方法及可行性，防范自動監(jiān)測系統(tǒng)風險，全面提升監(jiān)測質(zhì)量。