智能化水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)與運(yùn)維管理平臺研究

高春芳

（廈門斯坦道科學(xué)儀器股份有限公司，福建 廈門 361000）

地表水水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)是以在線自動分析儀器為核心，運(yùn)用現(xiàn)代傳感器技術(shù)，結(jié)合自動控制技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)以及通訊傳輸技術(shù)組成的綜合性自動化在線監(jiān)測體系。與傳統(tǒng)手工監(jiān)測相比，水質(zhì)自動監(jiān)測能夠連續(xù)、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)反映水質(zhì)的動態(tài)，便于預(yù)防和預(yù)警水環(huán)境污染事故的發(fā)生[1]。

我國從1988年起步建立第一個(gè)水質(zhì)自動監(jiān)測站，20世紀(jì)90年代陸續(xù)在松花江、長江、黃河、淮河流域等重點(diǎn)斷面建設(shè)了數(shù)個(gè)自動監(jiān)測站。進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、軟件平臺開發(fā)及管理技術(shù)的快速發(fā)展，我國地表水自動監(jiān)測站的建設(shè)管理也隨之加快建設(shè)步伐。

經(jīng)過“十二五”“十三五”兩個(gè)五年規(guī)劃的系統(tǒng)推進(jìn)，我國生態(tài)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測體系逐步建立，基礎(chǔ)監(jiān)測能力、站點(diǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)效能明顯提高。2018年，國家斥資16.8億建成地表水國控站點(diǎn)2050個(gè)，覆蓋全國十大流域1366條河流和139座重要湖庫，并委托第三方進(jìn)行運(yùn)維管理，實(shí)現(xiàn)了重要斷面的水質(zhì)自動化連續(xù)監(jiān)測。

水質(zhì)自動監(jiān)測站的正常運(yùn)行與監(jiān)測設(shè)備的質(zhì)量、運(yùn)行管理機(jī)制、運(yùn)維工作人員的專業(yè)化程度、經(jīng)費(fèi)投入等因素密切相關(guān)[2]。水質(zhì)自動監(jiān)測站大部分建在野外，環(huán)境惡劣，系統(tǒng)電路、水路、分析儀器等運(yùn)行管理較復(fù)雜，在無人值守的情況下長期運(yùn)行，隨時(shí)可能出現(xiàn)故障，造成監(jiān)測數(shù)據(jù)異常、中斷或者偽數(shù)據(jù)等，甚至發(fā)生少量已建自動站由于管理不當(dāng)而停止運(yùn)行的現(xiàn)象［3］。我國幅員遼闊，流域眾多，國家和各級地方政府、生態(tài)環(huán)境監(jiān)管部門為實(shí)現(xiàn)科學(xué)分析水環(huán)境問題，需要大量監(jiān)測和輔助數(shù)據(jù)，以及統(tǒng)一的信息平臺來輔助管理決策。

為了規(guī)范保證地表水自動監(jiān)測站數(shù)據(jù)的真實(shí)性和準(zhǔn)確性，逐步提高地表水自動監(jiān)測的數(shù)據(jù)質(zhì)量，減少人為干預(yù)造成的數(shù)據(jù)質(zhì)量問題，本研究開發(fā)設(shè)計(jì)了一套信息化、智能化管理平臺，可實(shí)現(xiàn)所有水質(zhì)自動化監(jiān)測站數(shù)據(jù)和人員的標(biāo)準(zhǔn)化管理，為環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)管理人員提供實(shí)時(shí)、可靠的監(jiān)測分析結(jié)果，保障河流、湖泊（水庫）水質(zhì)實(shí)時(shí)可控，全面支持河流、湖泊（水庫）水質(zhì)污染防控、管理決策，降低管理成本，實(shí)現(xiàn)水環(huán)境管理的綜合管控[4]。

1 信息化水質(zhì)監(jiān)測平臺的設(shè)計(jì)

本智能化水質(zhì)監(jiān)測與運(yùn)維管理平臺的設(shè)計(jì)，基于物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等技術(shù)手段，平臺設(shè)計(jì)采用分布式微服務(wù)架構(gòu)，基于跨平臺語言java開發(fā)，采用統(tǒng)一的國標(biāo)認(rèn)證協(xié)議，手機(jī)app、電腦web終端采用統(tǒng)一的接口管控平臺，支持第三方業(yè)務(wù)對接，便于對接不同廠商、不同參數(shù)類型的自動化監(jiān)測設(shè)備，具有兼容性和可擴(kuò)展性，為站點(diǎn)數(shù)量和功能增加預(yù)留了拓展空間。

平臺框架設(shè)計(jì)由設(shè)備-人員-平臺三者構(gòu)成一個(gè)信息化的閉環(huán)，實(shí)現(xiàn)方式為：（1）站點(diǎn)負(fù)責(zé)人通過平臺參數(shù)設(shè)置實(shí)現(xiàn)所有類型水質(zhì)監(jiān)測站點(diǎn)（固定站、浮船站、簡易站、浮標(biāo)站等）自動運(yùn)行，（2）環(huán)保監(jiān)管人員、數(shù)據(jù)審核人員、運(yùn)維管理人員、運(yùn)維工程師，通過平臺告警以及視頻監(jiān)控發(fā)現(xiàn)問題和解決問題（3）通過水站運(yùn)行監(jiān)測和運(yùn)維過程產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行應(yīng)用展示功能，展示內(nèi)容包含站點(diǎn)監(jiān)測信息，水質(zhì)分析評價(jià)等。

2 智能化水質(zhì)監(jiān)測及運(yùn)維管理平臺功能

本平臺設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)可視化、實(shí)時(shí)地圖與監(jiān)控、數(shù)據(jù)管理與應(yīng)用、告警管理、站點(diǎn)控制、運(yùn)維管理、基礎(chǔ)配置幾個(gè)功能模塊。

（1）數(shù)據(jù)可視化展示：通過數(shù)據(jù)可視化圖表，管理者可以從宏觀上了解管理區(qū)域內(nèi)的水站信息，包括整個(gè)管理區(qū)域的站點(diǎn)聯(lián)網(wǎng)情況、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)質(zhì)量、水質(zhì)等級，主要污染指標(biāo)，河流上下游水質(zhì)變化，以及水質(zhì)同比、環(huán)比情況?？梢暬故颈阌趯?shí)時(shí)了解流域水質(zhì)變化情況，實(shí)現(xiàn)污染總量控制，入河排污口監(jiān)管的目標(biāo)。此外，平臺可根據(jù)各地情況內(nèi)置污染擴(kuò)散模型并進(jìn)行展示，便于及時(shí)預(yù)警預(yù)報(bào)重大污染事故。

（2）實(shí)時(shí)地圖與監(jiān)控：通過實(shí)時(shí)地圖與監(jiān)控，監(jiān)管及維護(hù)人員可以查看站點(diǎn)的實(shí)時(shí)定位信息、站點(diǎn)運(yùn)行模式、在線和離線情況、設(shè)備故障情況、數(shù)據(jù)超標(biāo)情況、當(dāng)前水質(zhì)等級和目標(biāo)等級，還可從平臺實(shí)時(shí)調(diào)取采水端、站房等位置的現(xiàn)場視頻監(jiān)控情況。

（3）數(shù)據(jù)管理與應(yīng)用：數(shù)據(jù)管理模塊實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集、查詢、審核、補(bǔ)錄功能。數(shù)據(jù)應(yīng)用包含質(zhì)控?cái)?shù)據(jù)的展示（包括日質(zhì)控，周質(zhì)控和月質(zhì)控?cái)?shù)據(jù)），數(shù)據(jù)圖表與報(bào)表的自動生成和分析（包含日報(bào)、周報(bào)、月報(bào)），以及站點(diǎn)數(shù)據(jù)同比/環(huán)比查詢、超標(biāo)率查詢等。

（4）運(yùn)維管理：運(yùn)維管理模塊包含與包括運(yùn)維任務(wù)發(fā)布、任務(wù)執(zhí)行、任務(wù)統(tǒng)計(jì)分析、運(yùn)維人員（公司）評價(jià)幾個(gè)功能模塊。

（5）告警管理：告警管理模塊包括實(shí)時(shí)告警、歷史告警、告警設(shè)置模塊，用以及時(shí)發(fā)現(xiàn)站點(diǎn)數(shù)據(jù)的異常，通知相關(guān)運(yùn)維人員及時(shí)處理問題。告警推送支持app、短信和郵箱多種形式。

（6）站點(diǎn)控制：站點(diǎn)遠(yuǎn)程控制功能，包含設(shè)備控制，以及視頻監(jiān)控的控制。設(shè)備控制包括監(jiān)測模式設(shè)置，通過站點(diǎn)控制可以實(shí)現(xiàn)常規(guī)監(jiān)測模式、質(zhì)控監(jiān)測模式，以及應(yīng)急模式間的切換，以滿足不同的監(jiān)測目標(biāo)要求。

（7）遠(yuǎn)程儀器控制：隨時(shí)調(diào)取每臺設(shè)備狀態(tài)和運(yùn)行日志，并可以進(jìn)行遠(yuǎn)程控制操作。

3 運(yùn)維管理系統(tǒng)

為了讓生態(tài)環(huán)境監(jiān)管單位、站點(diǎn)運(yùn)維責(zé)任單位能夠?qū)\(yùn)維工作進(jìn)行高效的信息化管理，智能化平臺提供了一套完整的管理流程，并與監(jiān)測數(shù)據(jù)形成關(guān)聯(lián)，配合手機(jī)app形成任務(wù)流程閉環(huán)，做到現(xiàn)場問題及時(shí)有效地發(fā)現(xiàn)、響應(yīng)和處理，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測單位與運(yùn)營單位的信息實(shí)時(shí)互通，方便通過統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)來考評不同設(shè)備供應(yīng)商、運(yùn)維管理公司以及運(yùn)維人員。

3.1 運(yùn)維管理工作流程

運(yùn)維管理系統(tǒng)可以根據(jù)站點(diǎn)分配情況、質(zhì)控要求以及數(shù)據(jù)異常情況自動下發(fā)運(yùn)維任務(wù)。運(yùn)維人員通過手機(jī)app接收任務(wù)，并根據(jù)遠(yuǎn)程巡檢結(jié)果準(zhǔn)備現(xiàn)場維護(hù)所需物品。人員抵達(dá)現(xiàn)場后根據(jù)app內(nèi)容提示進(jìn)行運(yùn)維工作，并將相應(yīng)過程數(shù)據(jù)錄入app。運(yùn)維任務(wù)完成后，由上級主管審核是否通過，通過后可自動生成運(yùn)維記錄表，運(yùn)維臺賬。

運(yùn)維任務(wù)分為常規(guī)和異常任務(wù)，常規(guī)任務(wù)包含站點(diǎn)巡檢、試劑更換、設(shè)備校準(zhǔn)等。異常任務(wù)是指由于設(shè)備故障或者數(shù)據(jù)異常觸發(fā)的任務(wù)類型。常規(guī)任務(wù)可通過站點(diǎn)運(yùn)行周期設(shè)置和人員安排進(jìn)行自動發(fā)布，異常任務(wù)可通過設(shè)置數(shù)據(jù)異常類型的告警配置進(jìn)行自動觸發(fā)，也可由運(yùn)維主管或者現(xiàn)場運(yùn)維人員手動發(fā)起。任務(wù)跟蹤任務(wù)發(fā)布后，監(jiān)管部門、運(yùn)維管理、現(xiàn)場人員可以實(shí)時(shí)查看并跟蹤任務(wù)情況，包含任務(wù)內(nèi)容、完成情況、執(zhí)行時(shí)間節(jié)點(diǎn)等。

3.2 運(yùn)維管理系統(tǒng)功能

運(yùn)維管理系統(tǒng)作為信息化智能水質(zhì)管理平臺的重要組成部分，是保障水質(zhì)自動監(jiān)測站能夠正常運(yùn)行的前提。

運(yùn)維管理系統(tǒng)主要包含運(yùn)維任務(wù)、質(zhì)控計(jì)劃、運(yùn)維地圖、運(yùn)維統(tǒng)計(jì)、運(yùn)維評價(jià)幾個(gè)功能模塊。

（1）運(yùn)維任務(wù)：包含運(yùn)維任務(wù)的跟蹤、運(yùn)維報(bào)表查詢和下載，以及依據(jù)運(yùn)維任務(wù)生成的站點(diǎn)運(yùn)維臺賬，具體包括站點(diǎn)/項(xiàng)目/人員運(yùn)維記錄臺賬、試劑更換臺賬、站點(diǎn)校準(zhǔn)臺賬、備品備件更換臺賬、站點(diǎn)故障臺賬、停站記錄臺賬等，并可根據(jù)需要擴(kuò)充。

（2）質(zhì)控計(jì)劃：根據(jù)站點(diǎn)質(zhì)控要求，在平臺設(shè)置站點(diǎn)的質(zhì)控內(nèi)容、相應(yīng)質(zhì)控周期，系統(tǒng)將根據(jù)設(shè)定結(jié)果進(jìn)行運(yùn)維計(jì)劃提前推送。

（3）運(yùn)維地圖：工作任務(wù)執(zhí)行過程中環(huán)保監(jiān)管人員、運(yùn)維主管可以查看運(yùn)維人員的實(shí)時(shí)定位和狀態(tài)，跟蹤人員是否及時(shí)到達(dá)現(xiàn)場完成運(yùn)維工作。任務(wù)執(zhí)行過程中的狀態(tài)記錄將生成相應(yīng)的軌跡圖，方便監(jiān)管，避免造假形成的維護(hù)任務(wù)。

（4）運(yùn)維統(tǒng)計(jì)：平臺從運(yùn)維總次數(shù)、異常運(yùn)維次數(shù)、故障類型、人員運(yùn)維次數(shù)、人員響應(yīng)時(shí)間多個(gè)維度進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，間接對站點(diǎn)、設(shè)備、人員等進(jìn)行分析評價(jià)，為人員考核以及設(shè)備的性能評價(jià)提供有力的參考依據(jù)。

（5）運(yùn)維評價(jià)：可以從人員、站點(diǎn)、項(xiàng)目/流域、公司幾個(gè)維度可進(jìn)行評價(jià)和排名，可根據(jù)需求靈活篩選考核維度。

4 結(jié)論

通過本研究設(shè)計(jì)的智能化水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)及運(yùn)維管理平臺，生態(tài)環(huán)境管理部門可以綜合查看所有類型監(jiān)測站點(diǎn)聯(lián)網(wǎng)、監(jiān)測數(shù)據(jù)情況，根據(jù)不同斷面性質(zhì)、站點(diǎn)類型、流域管理目標(biāo)，評價(jià)考核周期內(nèi)的水質(zhì)變化，分析評價(jià)各個(gè)運(yùn)維單位的響應(yīng)及維護(hù)情況。通過標(biāo)準(zhǔn)化的量化分析，方便篩選性能可靠、運(yùn)行穩(wěn)定的設(shè)備供應(yīng)商，以及高效、及時(shí)的運(yùn)營服務(wù)商，確保監(jiān)測數(shù)據(jù)的真、準(zhǔn)、全，最終實(shí)現(xiàn)及時(shí)、準(zhǔn)確預(yù)警突發(fā)環(huán)境事件，實(shí)現(xiàn)水體污染控制的目標(biāo)。