河南省地表水自动监控系统的设计与应用

第２７卷第４期　２０１３年１２月　干旱环境监测　ＡｒｉｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＭｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　％ｆ．２７Ⅳ０．４　Ｄｅｃ．．２０１３　河南省地表水自动监控系统的设计与应用　张军，邢梦林，王潇磊，郑瑶，李明　（河南省环境监测中心，河南郑州４５０００４）　摘要：地表水自动监测系统对地表水环境管理起着非常重要的作用。本文较详细介绍了地表水自动监测系统的总　体架构及功能，并重点介绍了其动环远程控制系统、反控系统、监控系统的功能、实现途径和作用。相关研究结果可为　河南省水环境管理及科学决策提供技术支撑。　关键词：地表水；自动监测系统；河南省　中图分类号：Ｘ８４　文献标识码ｉ　Ｃ　文章编号：１００７—１５０４１２０１３１０４—０１７４—０５　Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｗａｔｅｒ　Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｉｎ　Ｈｅｍ　Ｐｒｏｖｉｎｃｅ　ＺＨＡＮＧ　Ｊｕｎ，ＸＩＮＧ　Ｍｅｎｇ—ｌｉｎ，ＷＡＮＧ　Ｘｉａｏ—ｌｅｉ，ＺＨＥＮＧ　Ｙａｏ，ＬＩ　Ｍｉｎｇ（Ｈｅｎａｎ　Ｐｒｏｖｉｎｃｅ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　Ｃｅｎｔｅｒ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ　Ｈｅｎａｎ　４５０００４，Ｃｈｉｎａ）　Ａ［ｉｓｔｒａ￣．＿Ｓｕｒｆａｃｅ　ｗａｔｅｒ　ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｐｌａｙｓ　ａ　ｖｅｒｙ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｒｏｌｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｗａｔｅｒ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．　Ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｔｈｅ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｗａｔｅｒ　ｉｎ　ｄｅｔａｉｌｓ，ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｔｈｅ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｈｅ　ｍｏｎｉｔｔｏｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅ　ｒｅｍｏｔｅ　ｃｏｎｔｒｏｌｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｒｅａｌｉａｔｚｉｏｎｓ　ｏｆ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｌｏｏｐ　ｒｅｍｏｔｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ，ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｓｕｐｐｏｒｔ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｗａｔｅｒ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｓｃｉｅｎｔｉｉｆｃ　ｄｅｃｉｓｉｏｎ—ｍａｋｉｎｇ　ｉｎ　Ｈｅｎａｎ　Ｐｒｏｖｉｎｃｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｓｕｒｆａｃｅ　ｗａｔｅｒ；ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ；Ｈｅｎａｎ　ｐｒｏｖｉｎｃｅ　１引言　系统能够实现实时、连续监测和远程监控，能够　及时掌握主要流域重点断面及水源水质状况，预　地表水自动监测系统是指应用现代自动控　制技术、现代分析手段、先进的通信手段和计算　机软件技术，对地表水环境监测某些指标从样品　警预报重大流域性水污染事故。　１．１国内外研究现状　国外地表水自动监测研究起步较早，美国、　采集、处理、分析到数据传输与报告汇总全过程　实现自动化的系统＿】］。完整的地表水自动监测　日本、加拿大等发达国家早已实现了水利信息化　进程，达到了水资源管理利用数字化、网络化和　系统由中心站和子站组成。子站一般由采样系　统、预处理系统、水质分析仪器系统、子站控制系　统、数据采集与传输子系统组成，中心站则由中　心软件数据库、数据采集程序、远程数据传输设　备和数据统计分析系统构成。地表水自动监测　收稿日期：２０１３—０９—２２；修回日期ｉ　２０１３—０９—３０　决策科学化。相关传感器、自动化仪表、监测系　统已十分成熟，可组建现场实验室，完成实时监　测及数据传输。采用专业软件进行数据分析处　理，及时上传应急处理中心，在最短时间内采取　紧急措施控制污染。我国１９８８年在天津试点设　作者简介：张军（１９６５一），男，河南郑州人，高级工程师，学士，主要从事环境监测与管理工作。　第４期　张军等河南省地表水自动监控系统的设计与应用　立了第一个水质连续自动监测系统，１９９９年原　国家环保总局开始在主要河流建设水质自动监　测站。我国在地表水自动监测系统构建、运行管　理方面的相关研究包括张桂杰等　］阐述了地表　大规模的建设，总资金投入近３亿元。截至目　前，河南省已经基本形成“覆盖全省、功能完备、　技术先进、全国一流”的地表水水质自动监测网　络，共包含中心端数据中心１个、分中心１８个，　水自动监测系统的原理及在我国的应用现状。　梁莉　介绍了地表水自动监测系统的监测技术　及相关软件的发展情况，并分析了其发展趋势。　孟亚俐等　从设计原则、层次结构、功能、系统控　制、通讯方案等方面系统介绍了如何进行地表水　环境自动监测系统方案设计。许佳Ｉ５］总结了地　表水自动监测系统的相关经验，介绍了系统的设　计要点。刘晓茹等＿６　对水环境自动监测系统的　水样采集、监测指标选择、信息传输等关键技术　进行了分析研究，并提出了自动监测系统的质量　保证和站点建设应具备的条件。　如今国内研究多集中于监测系统的结构及　功能Ｌ７Ｊ、自动站的优化设计＿８］、子站的运行管　理＿９］、自动监测系统信息共享技术［１　、监测数据　的评估和质量控制［１　、不同监测仪器的比较　ｌ　等。但是当前地表水自动监测系统的研究也存　在问题和不足，一是研究多局限部分区域、流域，　研究自动站站点数量较少，缺少对省一级自动监　控系统的研究；二是缺少对自动监测系统智能化　实际应用的深入研究，如动环远程控制、系统的　反控以及监控等系统功能。　１．２研究对象　本研究以河南省地表水自动监测系统为例，　结合其系统不断改进、完善的发展历程，对存在　和解决的问题进行了探讨，以期充分发挥地表水　自动监测系统实时对地表水质量监测、监控的优　势，为政府管理部门的决策提供科学依据和技术　支撑。　２河南省地表水自动监测系统总体架构及功能　２．１总体架构　河南省地表水水质自动监测网络从２００１年　就开始筹划建设，期间经历２００３年、２００８年２次　前端水质自动监测站１４９个，基本覆盖河南省淮　河、海河、黄河、长江四大流域１００余条河流上的　国家规划考核断面、省、市、县出境断面及重点责　任目标考核断面和流域生态补偿断面，实现了对　氨氮、总有机碳、水温、ｐＨ、溶解氧、电导率、浊度　等７项常规因子的实时监测，每年产生近１００万　个监测数据，建立通过光纤高效传输的环境保护　专网，实现了子站与中心站数据快速的交互，以　及简洁、有效的数据统计和综合分析系统。　２．２系统功能　河南省地表水自动监测系统以在线自动监　测设备为核心，采水、预处理、配水系统为辅助，　数据采集传输和系统远程监视监控为最终目的。　实现了水样的自动采集和预处理、水质分析仪器　连续自动运行、自动采集和存储监测数据、实现　数据远程传输系统功能。重点突出系统、设备运　行状态管理和远程控制、前端设备和采水的实时　视频监控、站房动力环境和门禁系统的应用、超　标留样和远程故障排除，以及高度契合的配套软　件等先进的系统功能。　３地表水自动监测系统在河南省的应用和完善　河南省地表水自动监控系统的完善主要基　于光纤＋ＶＰＮ环保专网这一传输方式，着力解决　目前系统功能智能化程度不高，人工前端工作量　过大的问题。系统功能的改善强调管理人员远　程对系统及设备状态的监视与控制，系统自发的　对故障和异常进行响应和排除、系统功能之间密　切联系形成质量控制体系。完善后的系统功能　强化了对站房内动力环境参数监视与控制，对监　测系统运行参数的监视与控制、对系统故障的远　程排除等，进一步突出动环远程控制、系统的反　控以及监控等３个方面系统功能的应用。　干旱环境监测　第２７卷　３．１动环远程控制系统　河南省地表水自动监控系统采用环境动力　智能传感集中管理系统远程控制监测断面的动　力及设备。该系统是基于ＩＰ的网络型嵌入式监　控系列设备和软件，专为现代计算机及网络通讯　机房而设计的远程环境及网络监控报警系统，系　题。具有较强的易用性、丰富的扩展功能和可靠　的设计等特点（图１），并在该设备基础上建立统　￣（ＴＣＰ／ＩＰ）的网络监控平台。　系统建立后，首先方便的为现场设备管理和　环境监控提供网络一体化解决方案，用户可方便　地在互联网监测到机房信息，大大减少了监控工　程周期，有效地提高了整个系统的稳定性、安全　性和可维护性。其次，实现了对无人和少人值守　统用低功耗嵌人式ＡＲＭ芯片及嵌入式操作系　统，支持多种标准协议，如ＴＣＰ／ＩＰ，ＲＳ２３２／４８５。　可实现将２．４Ｇ无线技术成功应用到机房监控　现场内的动力、设备、环境状况进行信息采集、管　理和监控。同时，通过多种不同的通信方式进行　联动，发出报警信息。　领域，该设备在数字信号、模拟信号输入接口的　基础上，引入２．４Ｇ无线通讯技术，极大方便了　设备对机房环境的适应度，减少了布线带来的问　图１动环控制示意图　３．２反控系统　系统进行系统参数配置操作，如：时钟同步、通讯　参数配置、现场报警阀值配置等远程反控操作。　二是系统反控模块是从监控中心发送控制指令　对现场子站的在线系统进行流程控制，如：启动、　停止、待机、清洗内外管路、除藻等远程反控操　河南省地表水自动监测系统的中心端软件　建立在标准的ＷＥＢ构架上，管理人员可以通过　分析这些数据和报警信息，提供日常维护报表、　性能状况统计报表等，为管理人员对自动水站设　备的运行情况提供决策数据。中心站反控系统　可通过远程桌面及数据协议实现。反控模块主　要包含数据召测模块、远程参数配置、系统反控　模块、仪表设备反控模块。数据召测模块主要功　能是从监控中心发送控制指令调取现场子站的　实时数据、历史数据、系统状态数据等。　河南省地表水自动监测反控系统功能主要　实现以下３个方面的作用：一是远程参数配置模　块从监控中心发送控制指令对现场子站的在线　作；三是仪表设备反控模块是从监控中心发送控　制指令对监测仪表及设备进行控制，如：氨氮仪　表、采集器、空调、室内灯光的控制等远程反控操　作。　３．３监控系统　河南省地表水自动监测系统基于以上思想　设计，系统采用自动监控。自动站点视频监控系　统设计为监控现场、分控中心和主控中心。在自　动站点站房建设现场实施视频监控，每个站房布　干旱环境监测　第２７卷　４结论　１）河南省内基本实现了对地表水国家规划断　面、出、人境断面及考核断面的水质在线实时监　控，并且通过光纤＋ＶＰＮ环保专网的高效交互，　将自动站产生的海量在线监测数据实时发送到　河南省环境保护厅监控平台，有效应用于政府环　保责任目标考核、流域生态补偿考核以及水环境　质量监控预警等环境管理工作。　２）通过利用动环系统的远程控制、系统设备的　反控、光纤传输视频实时监控等创新的系统功　能，在中心端远程即完成了对前端自动站系统及　设备运行状态的实时监控、故障和异常的远程判　断和解决，成功解决了自动站站点分布面积广，　地处省、市交界的偏僻地段，人员不易达到这一　瓶颈问题，节约了大量的人力资源，保证了前端　管理和技术人员能够有效监控，迅速判断和解决　故障。　３）河南省地表水自动监控系统拓展了环境保　护管理部门业务系统应用功能，提升该地区地表　水自动监控信息化管理、质量管理及预警预测能　力，为该地区政府责任目标考核及流域生态补偿　提供技术支撑，为政府制定经济发展战略，促进　产业结构调整，加强环境保护等方面提供科学依　据。　５展望　由于国家对地表水重点流域２１因子考核和　河南省环境保护工作的要求，本省地表水自动监　测系统还需要进一步的改进和完善，要从以下几　个方面进行深入：一是保持监测的全面性。有计　划地在新增考核断面建设水质自动站、在现有自　动站新增考核因子设备；二是保证监测的准确　性。引入门禁系统、在线超标留样分析、在线标　准样品分析和加标分析等新质控手段，以加强自　动站的质量控制和保证；三是增强监测技术的深　人性。根据地表水断面的特点，有序开展重金属　和挥发性有机物的监测；四是体现设备的国产　化。在新建水站和新增设备的过程中，重点考察　国产设备的性能，提高国产设备所占的比重；五　是做好监测的关联性分析，升级软件平台，利用　ＧＩＳ系统和建立繁衍模型，将地表水环境质量自　动监测数据和污染源自动监测数据有效的结合　起来。　参考文献：　［１］王东，张永辉．地表水水质自动监测系统的远程管理［Ｊ］．　中国高新技术企业，２ＯＯ９，（２１）：１１１—１１３．　［２］张桂杰，康健，刘富裕．我国水环境自动监测发展的思考　［Ｊ］．科技资讯，２０１０，（２０）：１３６—１３８．　［３］梁莉．地表水质自动监测技术及监控软件的发展［Ｊ］．中国　新技术新产品，２０１０，（１７）：２—５．　［４］盂亚俐，武洲．基于地表水环境自动监测系统的方案设计　［Ｊ］．考试周刊，０２１１，（７０）：１７１—１７２．　［５］许佳．水质自动监测系统的设计要点与建设经验［Ｊ］．硅　谷，２０１１，（２１）：９９—１０１．　［６］刘晓茹，周怀东，李贵宝．水质自动监测系统建设［Ｊ］．中国　水利，２００４，（９）：５１—５２．　［７］　张江龙．在线水质自动监测系统的基本构成和功能［Ｊ］．厦　门科技，２ＯＯ７，（３）：５４—５５．　［８］刘阳明，满春香，张蕾．太平沟水质自动监测站优化设计　［Ｊ］．东北水利水电，２０１２，（２）：８—１１．　［９］王文宝，曹骞．水质自动监测站的运行管理与水质预警　［Ｊ］．环境监控与预警，２０１０，（１）：５４—５６．　［１０］杨大勇，林奎．环境监测自动监测系统信息共享技术研究　［Ｊ］．中国环境监测，２００６，２２（５）：１—５．　［１１］陈光，刘廷良，刘京，等．浅谈我国水质自动监测质量保证　与质量控制［Ｊ］．中国环境监测，２００６，２２（１）：６ｏ一６３．　［１２］李国庆．几种氨氮水质在线自动监测仪比较［Ｊ］．中国环　保产业，２０１２，（２）：３３—３５．