在線水質監測分析和預警指揮系統的設計

蔣愛華,葉柏龍,張 蓉

（1.中南大學 能源科學與工程學院，湖南 長沙 410083； 2.中南大學 軟件學院，湖南 長沙 410083；3.湖南大學 信息科學與工程學院，湖南 長沙 410082)

近年來，隨著工、農業生產的發展,越來越多的外源污染物直接或間接排放進入水環境，使我國水污染事件頻繁發生，已經直接影響到生活用水和城市集中供水的安全，對人民群眾的健康造成嚴重威脅。特別是一些突發性水污染事故的發生，造成了重大經濟損失和嚴重社會影響。良好的源水水質是供水安全的前提，為了保障源水水質安全，盡可能地降低突發性水污染事件所帶來的危害，迫切需要建立水質監測分析和預警系統。

由于水質信息具有時效性強的特點，特別是水質預警預報要求快速、準確、實時地采集和傳遞監測信息。傳統的監測技術已無法滿足水資源保護的多方位、高水平、實時性的要求。本系統在總結現有技術的基礎上，利用先進的GIS技術[1]，以在線自動分析儀器為核心，運用現代傳感器技術、自動測量技術、自動控制技術、計算機應用技術以及無線通訊網絡所組成的一個綜合性的在線自動監測分析和預警指揮系統，能連續、實時、準確地監測目標水域的相關水質參數及其變化狀況，在發生特定狀況時實現自動預警指揮[2]。

1 系統結構圖及各部分設計

本系統基于GIS地理信息系統，實現對水質監測[3]分析，從視頻監測、數據采集、數據傳輸處理、數據展現、數據分析、評價評估、預警預報、應急指揮的全流程管理。整個系統由3個部分組成，包括水質監測采集終端、數據傳輸系統、監測中心。系統整體結構圖如圖1所示。

采集終端采用嵌入式實時多任務操作系統，集成GPS模塊、視頻監控模塊和數據采集模塊，數據采集模塊讀取水質監測傳感器信息和自身的監控視頻信息，通過內置的無線通信模塊，實時傳送監測到的數據。

1.1 硬件平臺設計

圖1 系統整體結構圖Fig.1 Structure diagram of the overall system

采用基于ARM1176JZF-S內核的S3C6410作為系統的嵌入式處理器。使用128 MB的DDRAM作為內存儲器，滿足操作系統內核及應用程序運行的空間要求。使用256 MB的NAND FLASH作為外部存儲器，負責保存啟動代碼、操作系統內核映像、根文件系統和其他系統文件。考慮水質監測數據等長時間存儲的需要，提供SD卡擴展接口，USB設備擴展接口連接無線外圍設備，用于無線傳輸，USB Host接口還可用于向FLASH中讀寫數據。使用帶觸摸屏的TFT-LCD，實時顯示水質監測數據，提供圖形界面方便用戶控制。系統電源以12 V太陽能蓄電池為主要供電方式，同時提供直流調壓器、復位電路 。此外還包括DM9000 10M/100M自適應網卡擴展設備上網功能、用于系統調試的JTAG接口及其他各類功能要求擴展的外部設備。硬件平臺組成如圖2所示。

圖2 硬件平臺組成圖Fig.2 Constitutional diagram of hardware platform

1.2 軟件設計

依據功能將軟件平臺層次分為硬件抽象層HAL/BSP、嵌入式操作系統Kernel、設備驅動層、中間件層、應用平臺層和應用層等。軟件平臺的體系結構組成如圖3所示。

圖3 終端軟件平臺體系結構圖Fig.3 System structure of terminal software platform

各部分功能：

1）BSP：負責系統的初始化和操作系統內核的啟動。

2）Linux Kernel：負責處理器管理、存儲器管理和進程調度等。

3）中間件層：filesystem對系統中包含的大量各種文件進行管理。GUI負責實時監測數據的顯示和歷史記錄的查詢等涉及復雜圖形圖像處理的應用。

4）用戶應用程序層：負責具體的業務邏輯，實現系統各項應用功能需求。在本終端中該層最主要的就是實現水質監測數據的采集、處理、存儲、查詢、傳輸以及視頻監控等。

1.3 數據傳輸

為解決采集監測點分布廣、地域寬、網絡條件差等問題，整個系統使用了無線傳輸系統，嵌入式終端使用了多模式無線通訊模塊，能夠通過3G網絡、GPRS網絡[4]與監測中心進行傳輸。對于無線網絡無法覆蓋的地區，可以通過部署WIFI基站和ZIGBEE5[5-6]來實現通訊。

對于區域內多采集點，或是同一條河流連續間隔多個采集點，采集點之間可以通過WIFI通訊盒和ZIGBEE組網方式進行通訊，由一臺主采集機通過無線與監測中心進行通訊。示意圖見圖4。

圖4 多模式傳輸通訊示意圖Fig.4 Multimodal transport communication diagram

2 監測中心

監測中心主要負責數據的處理與展現。首先通過建立水質監測的指標體系對各類監測數據進行分類和統一標識管理；采用GIS地理信息系統來顯示各監測點和采樣點的分布情況和實時水質狀態；大屏監控系統可以實時監控各監測點的環境狀況和水質情況；監測中心建立了水質管理的數據分析模型，對采集的數據按主題分類和專題處理，做出評估評價；并能根據預設的指標上、下限制進行及時的預報預警；對于異常數據和突發事件，監測中心能及時啟動應急指揮系統，根據已有預案做出處置，實現水質從監測、數據上報、數據分析、水質評價的全流程管理。

2.1 GIS地理信息水質監測可視化展示系統

整個系統由數據庫、GIS可視化界面以及水質模型組成。系統框圖如圖5所示。

圖5 可視化界面系統框圖Fig.5 Diagram of the system visual interface

各部分功能：

1）空間數據庫管理GIS的各種空間數據，包括地形圖、嵌入式系統終端、污染源等對象的地理位置坐標、形狀等。

2）非空間數據庫通過SQL數據庫來實現，管理各種非空間屬性數據，包括水質監測數據（如河流流量、流速、溶解氧DO等）、統計數據、社會屬性數據（如經濟狀況、工業布局、水體水質標準等）等。

3）GIS可視化界面通過數據庫提供的各種標準數據庫接口，讀取數據庫中的空間數據和非空間數據，并通過空間數據與非空間數據之間的關聯作用，在GIS界面進行共同分析和顯示等處理。

2.2 水質評估評價系統

水質評估評價系統主要是通過對數據的分析，對水質作業實時評價和評估，水質評估評價流程主要包括一下兩點。

1）評價預測因子的選取

在國家地下水環境標準中選取相應的評價預測因子。比如:硫酸鹽、亞硝酸鹽、氟化物、Cu、Zn、As、Hg、Cd、Mn、氰、全硬度及細菌指標等。

2）評價標準的選擇

按照國家地下水環境質量標準(GB/T 14848-93),該標準將地下水質量劃分為5類。

3）評價模型的選取

①單項污染指數法，是以某一評價指標為評價目的,評價的基本公式有多種,比較常用的內梅羅 (N.L.Nemerow)計算式,其公式為:Pi=Ci/Li，式中:

Pi：評價指標i的污染指數；

Ci：評價指標i的濃度代表值,即實測值,mg/L;

Li：相應評價指標i的環境質量標準濃度值,mg/L。

根據上述公式,計算地下水的單因子污染指數,據此判定各監測點的水污染等級。

當Pi＜1時,污染等級為清潔級;

當1＜Pi＜2時,為輕污染級;

當2＜Pi＜3時,為中度污染級;

當Pi＞3時,為重度污染級。

②綜合污染指數法，以多項評價指標為評價目的,在求出各單項指數的基礎上,求其綜合污染指數值,其計算公式為:

pi：某一評價指標污染指數值；

n：評價因子總數。

4）評價結果分析

將評價得出的結果返回系統的計算結果庫,以圖形的方式顯示出來,從而實現地下水環境質量評價目標。

2.3 水質監測預警及指揮系統

水質監測預警及指揮系統是一個以地理信息系統(GIS)和數據庫管理系統(DBMS)為開發平臺，面向管理和決策層的可視化動態信息系統。整個系統從下向上依次是基礎設施層、數據中心層、資源整合層、應用支撐層、應用層、綜合門戶，并有安全保障體系和運行維護與支持體系保障系統的正常運行。如圖6所示。

圖6 預警指揮系統圖Fig.6 System diagram of pre-warning command

基礎設施層是系統最基本的運行基礎；數據中心為系統提供了高效的業務分析、決策、交換、共享的數據環境；資源整合層通過提供應用整合服務、業務整合服務、數據整合服務連接相關職能部門的系統、業務、數據，最大程度的解決信息孤島，最大限度地利用現有的數據資源；應用支撐層直接影響系統的穩定性、安全性及可靠性等重要因素，基于開放的標準在該層部署應用部件，為系統高效、可靠的運行提供保障；應用層根據突發事件應急的特點，綜合各種數據信息及處理軟件，缺省提供了5個應用系統，并可根據需要，快速的擴展業務系統。

3 終端功能示意

圖7為某地水質數據多指標的實時顯示系統，目前實現8路模擬數據采集與分析、處理，圖中所示數據為指標模擬量。

該系統可以實時顯示8通道水環境中相應的評價預測因子指標比重的動態變化，顯示周期可人為設置。水質參數各指標實時監測的曲線如圖8所示。

圖7 指標模擬量檢測Fig.7 The index of analog test

圖8 水質監測指標曲線Fig.8 水質監測指標曲線

系統具有水環境參數歷史數據存儲與查詢功能，方便查看各監測點水質狀況歷史記錄，水質監測數據的歷史記錄查詢結果如圖9。

圖9 歷史記錄查詢結果Fig.9 Query results of the record

另外，系統可以通過鼠標區域的選定，將該區域的監測點的不同類別的監測數據以數據表格、圖形、統計表格多種方式進行展現，并可以對細項資源進行詳細查看。系統提供指標樹分類展現、地圖導向展現、水域分布地圖、監測數據區域統計、監測點分布點明細查詢和綜合條件查詢、快速定位等功能實現水質監測的多種展現方式[9]。

4 結束語

本系統是一個綜合性的在線監測分析系統，能夠實現水質的全天候監測和遠程監控，廣泛應用于河流、湖泊等水質的監測、分析、預警及應急指揮，已成功應用于株洲水務局湘江株洲段水質監測，擺脫了以往采用的現場取樣的傳統方式，真正做到了無人值守。特別是對于一些由于惡劣氣候條件而導致人員難以達到的地區，該系統具有不可替代的重要作用。

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