1、水环境自动监测解决方案北京市环境保护监测中心地表水环境自动化监测系统升级改造 解决方案一、背景、现状和必要性（一）背景北京市环境保护监测中心从 2005 年开始投资建设地表水水质自动监测站，截至 2018年，共建成 17 个地表水水质自动监测站并投入日常监测业务的运行。今年还将新增加 13 个自动监测站。由于地表水环境水质自动监测站具有自动化、智能化、全天候等优点，因此逐渐成为北京市环境水质监测的重要工具，近年来在北京市环境监测和管理中发挥着越来越重要的作用。地表水水质自动监测站建设及管理水平，将直接关系到全市监测数据的质量，甚至影响环境决策的科学性。为了更加全面的了解北京地区主要河流的水质情
2、况，综合评价各区县、各水系水质差异，发现水质变化规律，为地表水治理提供有针对性的数据支持，同时具备对水体的实时污染情况具备预警作用，建立快速响应处理水质污染应急机制。北京市环境保护监测中心在北京市政府的支持下，拟针对现有的水质自动监测站自动化监测系统进行升级改造，构建高标准、智能化的北京市地表水自动化监测系统，并对前期已建设的地表水自动监测站数据进行整合，集中存储，并实现对全市地表水水质状况的实时监测和评价。（二）现状北京市环境保护监测中心水质自动监测的主要项目包括：PH、水温、溶解氧、电导率和浊度 5 项水质基本参数，以及 CODcr、CODMn 和氨氮 3 项污染监测指标，湖库增测TP、T
3、N 两项参数。地表水自动监测周期为 24 小时连续自动采样，每 4 小时获得一组监测数据。地表水自动监测站主要有站房、水质监测仪器、控制软件和传输网络组成。水质监测仪器每隔 4 小时产生一组水质监测数据， 并由控制软件实时将数据通过传输网络传送到监测中心。目前主要存在的问题有：1.控制软件界面不统一。地表水一期 10 个站是由北京尚洋承建， 控制软件由北京尚洋开发，所使用的操作系统是Windows2000；地表水二期 10 个站和国家站两个站是由晟德瑞承建，控制软件由晟德瑞开发，所使用的操作系统是Windows CE。2.中心端数据存储不统一。地表水一期通过安装收数软件的方式， 将接收到的来自
4、水站的数据存入SQL Server 数据库，然后再由另一个软件读取SQL Server 数据库将数据导入ORACLE 数据库。地表水二期的每个水站将数据以XML 格式发送到中心FTP 服务器，然后在中心端通过安装数据解析软件的方式，解析 XML 文件将数据存入 ORACLE 数据库。3.不具备监测仪器远程状态监测功能。目前，水质自动监测仪器的状态只能在水站现场进行，无法远程完成。因此，极大的降低了运行维护的工作效率。4.不具备的全实时数据展示和数据分析功能。目前，数据处理、数据发布、数据报表制作等功能仅仅满足日常工作的需要，但是没有对监测数据进一步的利用、展示和分析功能。（三）项目必要性地表水
5、环境水质自动监测站具有自动化、智能化、全天候等优点，因此逐渐成为北京市环境水质监测的重要工具，近年来在北京市环境监测和管理中发挥着越来越重要的作用。地表水水质自动监测站建设及管理水平，将直接关系到全市监测数据的质量，甚至影响全市环境整治决策的科学性。目前北京市地表水水质自动监测站，由于设计和开发的时间分散， 跨度较长，技术手段和工作模式都存在一定的技术局限性，缺乏统一 的规划和应用设计，以追加的方式补充建设形成了目前多级的结构模 式，各监测设备系统看似独立运行，但相互间又存在某些连锁反应。随着地表水环境监测业务量的增加，维护量上涨，逐渐暴露出原有设 计的缺陷,如系统性差，重复冗余不简洁，技术手
6、段过时、安全存在 缺陷等。面对逐渐增加的地表水环境监测数据业务类型和数据来源，以及日益复杂和高标准的监测数据管理和数据分析需求，也严重的影响了工作人员的处理效率，导致投入了过多的人力和时间应对零散却又相互制约的设计缺陷。由于全社会对水环境的关注程度越来越高，目前的水环境质量管理工作、数据分析和预警机制的业务为需求要求日益详尽，管理部门、相关研究机构和媒体对任何水环境污染问题的响应速度都非常迅速，北京市环境保护监测中心做为监测业务执行部门， 全力和保质保量的满足上述工作要求不仅是职责所在，更是提升自身运转机能的迫切所需。二、需求分析（一）业务需求1、基于全市地图的监测系统空间概况展示需求目前的监
7、测系统不具备很好的数据展示和数据分析功能。水环境监测数据处理、数据发布、数据报表制作等功能仅可满足日常监测工作的需要，但是没有对数据进一步的利用、展示和分析功能。所以， 新建的全市水环境自动化监测系统应具备非常灵活的展示功能，需求如下：（1）日常水质监测管理员可以在监测中心通过统一的大屏幕监控到各水站的工作状态。在北京市地图空间位置画面中监测全市水站的水质监测数据情况，使管理员对每个水站的重要参数，例如（COD， 氨氮）有整体了解，数据显示做成图形格式。（2）报警监测要更加符合应急监测需要，数据超出量程时发出闪烁和报警动画，报警的信息及时通知到运维人员，快速做出相应。（3）监测管理员查看具体水
8、站信息时，站点的信息需要独立显示，使数据显示图形更加清晰。（4）水站的颜色需要用颜色标注该水站的水质情况，根据当时的水质做成评定（例如I 级水质为蓝色）。2、水监测分站展示需求（1）每个水站需要有一个基本信息管理表，记录水站的空间位置，站点设备配备情况，站点管理人员等信息，在中心管理员有需要时随时可以调出报表对水站的具体状况进行了解。（2）可以根据监测业务需要动态模拟展示水站设备的工作流程和数据。每个分站需要做具体的概貌图片显示当地的地貌情况。可以根据各分站监测需要做出模拟现场的动画，能够全面的监测整个水站的运行情况。包括：站点的管道，泵房，各种检测水质的设备，利用动画效果能够模拟设备工作水在
9、管道中流动情况。（3）每个分站的概貌图上需要有分站中的重要参数数据，例如电导率，溶解氧，水温，浊度，PH 值，氨氮，COD；使得管理员能够对每个分站的运行情况有直观的了解。3、实时监测数据展示需求（1）各分站的实时数据需要有文本和曲线两种方式的展示效果；（2）数据在曲线中展示需要有重要数据的对比情况；（3）不同参数之间可以在不同的曲线中进行显示和比较，能够做到随时添加，随时删除的性能；（4）曲线需要做出自动适应曲线的量程，使曲线的比较更加明显。4、历史监测数据分析需求（1）每个水站需要有历史趋势曲线，每个分站的重要参数例如电导率，溶解氧，水温，浊度，PH 值，氨氮，COD；（2）通过曲线可以查
10、看历史数据的情况，管理员通过曲线监测出现场水质的变化情况；（3）曲线需要有放大缩小功能，使管理员对数据进行具体分析；曲线还需要能够打印，以及运行态自由操作功能，即管理员可以对曲线中的曲线进行 2 次配置，添加或删除曲线。5、水环境监测专题分析需求（1）所有水站的重要参数需要有棒图格式的数据对比，包括平均值，最大值和最小值；（2）通过设置时间，选定相应的数据参数，将所有水站的同一参数进行对比，使管理员能够清晰的看出所有水站的水质对比情况；（3）图形的显示方式可以根据用户不同分为柱状或者条形状。（4）每个水站需要有日平均值和周平均值的曲线展示，通过设置时间将水站的重要参数例如电导率，溶解氧，水温，
11、浊度，PH 值， 氨氮，COD 进行趋势展示。6、监测设备远程管理需求目前，水质自动监测仪器的状态只能在水站现场进行，无法远程完成。因此，极大的降低了运行维护的工作效率。新建设的水环境监测系统需要封装各监测设备厂家提供的通讯协议，建立统一的设备通讯接口标准，实现上位机软件的统一管理、统一采样、统一控制的智能化监测系统。7、基于移动设备的管理需求日常设备运维人员需要配备便携式移动管理设备，安装管理软件， 通过无线网络接入中心监测管理服务器，可实现水质监测数据查询， 数据报警通知，在线仪器反向控制，设备基本信息查询等功能。（二）功能需求1、系统应付具备对水环境监测数据采集、存储功能需求（1）地表水
12、现有不同自动监测站点监测与展示业务系统的功能统一；（2）完成地表水自动监测设备监测结果数据的采集和存储；（3）具有维护工作量小特点，现场无人值守、自动运行、自动除藻、远程监控、自动校准，可自动、稳定、长期运行，可满足长期专业的水环境运维业务需要。2、水环境监测数据查询功能需求在地表水监测信息管理系统平台上，设有查询功能。查询功能提供监测数据、监测点位、断面属性、污染源四个方面的结果查询。3、水环境监测设备运行状态采集功能在采集监测结果的同时，采集监测仪器运行状态参数以及配水系统阀门的开关状态，从而判断异常数据是否是由采样系统偏差或仪器故障导致。（具体到某个仪器运行所处在的流程和步骤、泵和阀门状
13、态）采配水系统包括管路、阀门、水泵、水罐以及等配套硬件，这套系统的运行状态及步骤也应该进行采集和展示。系统应支持目前主流的水质监测仪器和设备，提供统一的监测仪器数据封装标准，实现设备远程管理、系统维护，具备设备运行状况监控、远程反控、动态显示及数据管理功能，减少维护量，可有效提高设备运行率、数据有效率。4.稳定的无线网络通讯能力支持多种数据模式自动切换传输技术，可以在 3G、4G、GSM、GPRS 多种无线传输自适应通讯接口，实现远程异步多点采集，实现数据的采集和监控高可靠传输链路层。5.水环境监测设备监测结果和运行状态展示仪器监测结果以及运行状态应在各子站工控机电脑进行实时显示。同时，各监测
14、子站中工控机电脑应该具备报表生成，数据对比等功能。6.辅助设备状态采集采集子站中环境传感器设备信息（如温度、湿度、电压、ups 等） 并在监测站点配备工控机电脑中进行展示。7.监测设备运行状态及结果上传功能通过将采集得到的检测结果与仪器运行状态信息上传至中心服务器，实现中心信息与各子站工控机信息的同步展示功能。8.中心机房对各子站的反馈控制功能中心发出相关指令至对应子站工控机，通过与相关监测仪器的通信，从而控制相关仪器的开关、重启以及数据重新测量等。9.通过移动设备管理监测站点仪器设备。（三）数据需求当前监测中心水质监测仪器每隔 4 小时产生一组水质监测数据， 并由控制软件实时将数据通过传输网
15、络传送到监测中心，为监测人员提供实时的水质数据。为了更加准确、及时的反应水质状况，由于新型的监测设备运行周期可大大缩短检测时间，对于未来水环境自动化监测数据可缩短为 2 小时。监测数据的传输目前采用 3G 无线数据网络，数据支持通讯和状态检测，可以检测现场数据采集器与数据源，与中心数据接收器的通讯，检测现场数据采集器服务是否启动。对于新建监测系统数据传输要求支持 3G/4G 网络自动切换能力， 自动检测信号增益，当传输带宽受限时，切换到其它传输模式，确保数据传输稳定可靠。支持采集状态和服务状态信息上传到中心数据接收器。数据传输具备单独的模块实时检测系统缓存区，主动转发数据到数据中心。支持具备断
16、点续传的功能。在水环境监测站现场数据可以通过Internet、GPRS、3G、VPN、TCP/IP、CDMA 等方式将数据传输给中心的中心数据接收器。（四）性能需求1.稳定性：提供系统异常恢复检测功能，在系统出现错误工作推出时，及时自行恢复运行状态，避免出现妨碍工作顺利进行的系统错误或意外中止的情况。2.灵活性：当用户的需求、系统运行环境以及系统与其他业务应用的数据交换需求发生变化时，系统能够易于调整，拥有高度的灵活性。3.监测数据资源的有效利用：在进行数据查询、统计、分析过程中，允许资源的占用率提升。但操作结束后，应能够及时释放所占用的资源，以保证其他监测管理人员顺利工作。4.系统响应和访问
17、速度：系统用户总容量不少于 200 用户。要求响应速度快，在正常的网络环境条件下，在 20 用户并发访问时，客户端访问首页平均响应时间3 秒；数据综合查询事务5 秒。5.不间断运行：系统在服务器端须提供 7*24 小时不间断正常运行，以保障监测中心日常监测管理业务的正常运转。（五）安全需求作为监测中心水质监测业务数据存储和分析平台，系统的安全管理策略与中心信息化安全管理要求一致，并采取最高安全级别策略。系统将从数据管理级别控制、安全审核、通信与存储保密性、数据库管理员身份应用等几个方面实施安全保障。（1）监测数据管理级别控制对监测数据需要调用访问的部门、人员、角色等要素系统将统一进行权限分配，
18、根据监测业务的级别，分为：元数据管理、数据审核管理权、数据统计分析管理、数据发布管理、数据库系统管理等级别， 并根据各级别管理员的职能范围，分配对数据的访问和控制权限。（2）系统安全日志审计系统建立了完备的日志触发机制，所有用户的全部操作实现逐一 记录，并通过有独立的安全审计模块，对系统配置变更、用户增减等 系统操作和用户业务操作进行审计，并能实现统计分析和查询的功能。安全审计管理员有权通过安全审计模块进行审计。同时，系统限制安全审计管理员直接进行业务操作。（3）应用程序通信与存储保密性1.用户名和登录口令经过MD5 加密存储方式。2.配合监测中心目前的网络和内部信息化安全管理要求，充分利用现
19、有措施实现对业务管理系统的安全保障，数据库层的数据交换在内网进行，所有对外发布的数据均使用HTTP/HTTPS 协议实现传输加密。3.严格避免页面之间进行参数明码传递。（4）应用程序安全编程1.全部外部数据提取业务，采用 SOAP 加密认证方式，验证用户的身份和级别。并按需提交申请由 Web Service 提供数据的抽取及推送，确保数据仓库的安全。2.防止SQL 注入系统对客户端和应用服务器两端对SQL 注入进行防范。身份确认中的“恒真”条件回避。不直接利用用户名称和密码直接放入 SQL 语句，避免此类 SQL 的出现。数据操作关键字处理。对从页面输入的Insert、Delete、Updat
20、e、Where 等数据库操作关键字和数据库存储过程进行审计，保障在录入有效的前提下，避免对数据库的无意或恶意破坏。（5）数据库管理员身份屏蔽监测中心空气质量监测数据库与应用模块管理系统平台上的各级业务管理账户数据管理员（DBA）权限。并且，所有数据访问通过统一的数据库访问中间层进行，所有访问通过一个数据库虚拟帐号实现。三、建设目标（一）业务目标搭建一套全市智能化水质自动监测系统，在满足常规的地表水水质自动监测功能基础上，高度集成固定式水质自动监测系统的主要功能单元，加强了远程监控、移动管理、现场运行环境、远程诊断、远程维护等智能化手段，以实现无人看守、远程管理的目标。系统主要用于全市自动的监测
21、各级行政区域交界、目标管理水域及其他重要水域断面的水质污染状况，及时掌握主要流域重点断面水体的水质污染状况，预警、预报重大或流域性水质污染事故，解决跨行政区域的水体污染事故纠纷，监督总量控制制度落实情况。（二）技术目标水环境自动化监测系统将引入国内领先的信息化技术手段，具备水质自动化监控与环境数据自动感知的高科技监控能力。通过水站布设液位传感器、压力传感器、电压传感器、温湿度传感器、专业视频摄像机等，对水站运行参数、水站环境参数及水站的安全情况进行自动、全面范围动态监控技术。系统重点开发统一的监测仪器数据封装标准，实现设备远程管理、系统维护性效率高，具备设备运行状况监控、远程反控、动态显示及
22、数据管理功能，减少维护量，可有效提高设备运行率、数据有效率。支持多种数据模式自动切换传输技术，可以在 3G、4G、GSM、GPRS 多种无线传输自适应通讯接口，实现远程异步多点采集，实现数据的采集和监控高可靠传输链路层。系统兼容性、可扩展性高：可兼容市场主流的各个厂家的仪器、仪表，性能稳定、结构合理、运行费用低、维护工作量小；系统具有维护工作量小特点，现场无人值守、自动运行、自动除藻、远程监控、自动校准，可自动、稳定、长期运行，可满足长期专业的水环境运维业务需要。四、建设方案（一）建设原则1.安全性和可靠性原则本系统应能够提供完整的安全防范措施，防止系统外部成员的非法侵入以及操作人员的越级操作
23、。要充分考虑系统的安全性，从系统架构、策略设置、实施部署等方面都要考虑安全性。在系统设计中，既考虑信息资源的充分共享， 更要注意信息的保护和隔离，因此系统应分别针对不同的用户和不同的通信环境，采取不同的措施，部署不同的系统安全机制、权限、访问控制等。2.可扩展性和可升级性原则本系统采用模块模型设计，在系统管理下可灵活接入、管理各种不同应用功能。3.开放性和标准化原则本系统严格按照国家和国际标准来设计，成为一个开放且标准的系统，使系统与硬件环境、通信环境、监测中心现有IT 环境、操作平台之间的相互制约和影响减至最小。系统还将设计多种对外的接口， 并配套开发指南、示例库和培训服务。（二）设计依据为
24、完成北京市“十二五”期间环境保护总体建设目标，北京市环 境保护监测中心空气质量监测数据库与应用模块管理系统设计将遵 照环境保护部有关信息化建设的相关法规标准、软件工程相关标准和 北京市环境保护局信息化建设的相关技术规范，具体的设计依据如下：（1）环境保护信息标准HJ 622-2011 环境保护应用软件开发管理技术规范HJ 511-2009 环境信息化标准指南HJ/T 419-2007 环境数据库设计与运行管理规范（2）软件系统设计依据GBT 17544-1998 信息技术、软件包质量要求和测试，相关国际标准ISOIEC 12119：1994GBT16260-1996 信息技术软件产品评价质量特
25、性及其使用指南，相关国际标准ISOIEC9126：1991GBT16260-1996 信息技术软件产品评价质量特性及其使用指南，相关国际标准ISOIEC9126：1991GBT15697-1995 信息处理按记录组处理顺序文卷的程序流程， 相关国际标准IS06593：1985GBT15538-1995 软件工程标准分类法GBT 15535-1995 信息处理单命中判定表规范，相关国际标准ISO5806：1984GBT15532-1995 计算机软件单元测试GBT15189-1994DOS 中文信息处理系统接口规范GBT14394-1993 计算机软件可靠性和维护性管理GBT14085-1993
26、 信息处理系统计算机系统配置图符号及其约定，相关国际标准ISO 8790：1987GBT14979-1993 计算机软件维护指南GBT13702-1992 计算机软件分类与代码GBT13502-1992 信息处理、程序构造及其表示的约定，相关国际标准ISO 8631：1989GBT12505-1990 计算机软件配置管理计划规范GBT12504-1990 计算机软件质量保证计划规范GBT11457-1995 软件工程术语IEEE729GB9386-1988 计算机软件测试文件编制规范ANSIIEEE 830GB93854988 计算机软件需求说明编制指南ANSIIEEE829GB 8567-1
27、988 计算机软件产品开发文件编制指南GBT8566-1995 信息技术软件生存期过程GB 1526-1989 信息处理数据流程图、程序流程图、系统流程图、程序网络图和系统资源图的文件编制符号及约定，相关国际标准ISO5807：1985（3）北京市环境保护局信息化建设技术规范IT 项目管理规范软件开发项目IT 项目管理规范硬件及系统软件项目应用系统测试标准综合信息平台应用系统集成规范元数据标准（三）总体建设任务与分期建设内容本项目总体建设任务是搭建一套全市智能化水质自动监测系统， 在满足常规的地表水水质自动监测功能基础上，高度集成固定式水质自动监测系统的主要功能单元，加强了远程监控、移动管理、
28、现场运行环境、远程诊断、远程维护等智能化手段，以实现无人看守、远程管理的目标。本项目一次性建设，不分期建设。（四）总体框架1.系统的拓扑结构地表水环境自动化监测系统包括采水单元、配水单元、预处理单 元、检测单元、PLC 控制单元、数据采集与传输单元、系统控制单元和站房等，与中心站数据采集和控制系统一起组成水质自动监测系统。整体数据传输网络采用 3G 无线传输，选用当地信号好的移动或者联通网络与中心数据采集系统组成VPN 虚拟局域网，各个分站通过安装亚控公司的产品，获取数据，在数据传输过程中能够实现数据缓存和断线续传功能，中心端可以对各分站采集器进行统一管理，不必奔赴现场管理软件，数据首先传送到
29、中心端数据库内，由分析软件和报警软件对底层数据进行管理，然后由数据展示平台进行界面的数据显示，最后由数据发布平台对整个软件工程进行发布，在同一局域网中的客户可以观看数据的变化情况和分析对比效果。2.技术总体框架设计（1）面向不同应用对象设计，统一数据访问标准格式，支持同时获取多个节点的不同监测数据源；（2）系统具备高可靠性和容错性，支持数据通讯断点续传，历史数据回补，（3）数据缓存功能和集群冗余功能，数据同步服务功能，支持多应用的数据分布访问；（4）底层支持开放的数据访问接口，包括OLEDB、ODBC，XML，API，仪器协议定制封装，OPC 标准通讯等通讯接口。（五）技术方案1.应用软件开发
30、1.1现场监测数据采集和传输子系统1.1.1现场数据采集传输设备接口（1）作为现场仪器数据采集的核心设备，数据采集应首先确保在线仪器与平台之间的数据准确性。统一设置仪器采集单位，灵活操作。系统可满足 500 个以上的现场数采设备同时向中心发送数据，从每个数采设备发送来的最小数据量解析完整的数据信息。（2）数据压缩传输功能数据传输层的设备通讯和中心服务器间支持通讯底层的数据传输压缩，可以有效保证历史数据完整性和以最小数据流完成数据传输， 压缩率最高可达70%，5M 的数据量只需要1500k 的流量即可完成传输。（3）数据可追溯性根据HJ/T212 和HJ477 标准，数采仪必须具备至少 1440
31、0 条历史数据记录能力。历史数据有三种类型：分钟历史数据（按每十分钟存储一条，连续存储一个月）；小时历史数据（按照每小时存储一条， 连续存储一年）；日历史数据（按照每天存储一条，连续存储一年）。并且存储的数据为上报的数据，不能对已存在的历史数据进行修改、删除等操作。系统还支持对数采设备进行远程管理包括启动和停止数据采集， 枚举数采设备端可以采集的变量，可以删除数采设备枚举的变量，可以对数采设备采集的变量进行采集配置。（4）数据断点续传在数据传输过程中，如果出现网络中断，特别是GPRS、3G 网络存在各种不稳定性因素，数采设备可以在网络断线情况下完成数据缓存，网络恢复后完成缓存的历史数据完整传输。系统完全面向断续传输设计，接收到的都是现场数采端打包的数据，解包后按配置存储。数据采集设备结构示意（5）中心服务端的数据汇总能力中心服务端可以帮助工业库完成建点、修改和删除操作，在中心服务端里可以维护数据源和工业库变量表映射关系。并可实现查看采集变量的最后一次数据。在数据汇总过程中，系统可以统计采集变量、采集记录数量、数据传输的流量等信息。中心服务端能够完成数据的接收解析并存储到指定的数据库。1.1.2实时
