南水北調水質智能監測分析系統設計初探

徐永兵，孫水英,袁　東

(山東省水利勘測設計院，山東 濟南 250013)

南水北調水質智能監測分析系統設計初探

徐永兵，孫水英,袁東

(山東省水利勘測設計院，山東 濟南 250013)

摘要：南水北調東線工程是一項旨在緩解山東省、天津市等北方省市水資源短缺的國家戰略性調水工程，調水水質影響著整個工程的成敗。本文就水質智能監測分析系統的設計進行了分析與研究，提出在已建項目的基礎上，充分利用先進的物聯網技術、大數據技術、WebGIS技術，建立一個高起點、見效快、實用性強、創新型的專業水質監測分析系統，能夠提升水質監測管理級別，深化水質監測管理；能夠對水質監測數據進行快速、綜合分析，充分挖掘水質監測數據價值，優化水質分析評價，并能夠借助移動終端、微信公眾平臺等新型介質，通過地圖、圖表等多種形式展示數據成果；通過深入對比不同監測指標的變化情況，分析水質變化的原因，實現輔助決策支持。

關鍵詞：南水北調；東線工程；水質監測；智能化；輔助決策

南水北調東線工程是一項旨在緩解山東、天津等北方省市水資源短缺的國家戰略性調水工程[1]。2016年3月1日實現對威海市首次供水，標志著南水北調東線一期工程規劃供水目標全部實現。調水水質關系到整個調水工程的成敗，山東段已對輸水沿線渠道、河道、湖泊、各支流匯入輸水河道的水質進行監測[2]。為了充分發揮水質監測數據的價值，實現安全調水的輔助決策功能，就需要在對各監測斷面水質監測數據智能分析的基礎上，開展水質智能監測分析系統的建設。

1建設現狀與需求分析

1.1建設現狀

南水北調東線山東段現有2個移動監測實驗室和1個固定監測實驗室，并已實現對關鍵斷面的水質自動監測，現有二級壩、南四湖出口、東平湖入口、東平湖北出口、東平湖穿黃工程出口、魯北段聊城與德州交界處、濟南以東段與引黃濟青交界處等7處水質自動監測站。水質監測主要指標包括：常規五參數(水溫、酸堿度、電導率、濁度、溶解氧)、高錳酸鹽、氨氮、總磷、總氮、葉綠素等。

1.2系統功能需求

(1)對水質監測數據的綜合對比與分析

通過對水質監測實時數據和歷史數據進行綜合對比與統計分析，找出水質變化的原因，掌握水質變化的規律。

(2)實現安全調水的輔助決策功能

在突發水體污染事件時，分析出污染源的大體位置和污染成分，預測下游量測水質的指標范圍，自動生成污染水體的解決方案。

(3)水質監測分析數據展示

通過移動終端查看水質監測分析數據，查看地圖、圖表等多樣化水質監測數據趨勢展示，同時能夠建立互動性信息平臺，實現信息的交流和共享。

2系統設計原則

(1)實用性原則

必須堅持快見效，見實效，以管理、業務、服務需求為出發點和原動力，緊密結合項目實際情況進行設計開發，確保系統實用、高效和方便，貫徹面向最終用戶的原則，建立友好的用戶界面，使用戶操作簡單直觀，易于學習掌握。

(2)先進性原則

采用符合當今潮流和發展趨勢的主流技術、被公眾認可的優質開發和應用平臺，采用先進成熟的軟件架構、設計理念和開發手段，選用技術先進、成熟穩定的基礎支撐軟件，充分預見未來技術發展趨勢，保證系統在不替換現有設備、不損失前期投資的情況下能方便地升級和擴容。

(3)開放性原則

盡可能地利用已有的設備、軟件及信息資源，對于未來可能增添的新的子系統、新的數據庫、新的功能、新的用戶都要留有接口，系統可以隨形勢的發展而不斷成長擴大。

3建設的目標與任務

3.1建設目標

水質監測智能監測分析系統基于指標和元數據體系，整合重構各類水質監測相關數據資源，形成水質數據資源體系，實現水質監測一張圖、水質綜合分析、移動綜合展示和微信公眾平臺四大應用，實現南水北調東線一期工程山東段水質監測數據的資源化、價值化和智慧化，充分挖掘水質監測數據價值，深化水質監測管理，實現輔助決策支持。

3.2建設任務

(1)梳理水質監測分析相關的各類數據，提取指標，通過元數據體系，構建水質數據資源體系，構建水質數據中心，提供數據的采集、整合、管理和服務。

(2)構建水質監測一張圖，實現以地理結構為框架，以水質監測數據為基礎、以統計數據為依據，實現查詢、分析、展示功能，以“一張圖”的形式全方位、多角度展示水質監測統計情況。

(3)構建水質綜合分析系統，對水質監測數據進行深入分析，實現關鍵斷面水質快速分析、水質預警預報、多斷面綜合分析、緩沖區統計分析，實現輔助決策支持。

(4)構建移動綜合展示系統，通過移動終端展示水質監測成果，能夠讓管理者通過移動終端及時獲取各類水質監測指標信息、綜合統計信息及其他相關信息。

(5)構建微信公眾平臺，實現信息的發布、訂閱、上傳、共享，實現信息的有效互動。

4系統總體設計

水質監測分析平臺通過梳理完善南水北調東線一期工程山東段水質指標體系，構建水質資源基礎框架及元數據管理體系，形成水質數據資源體系，以指標驅動應用，實現水質綜合分析，并通過地圖、圖表等多樣化可視化方式進行數據展示。平臺以數據為核心，盤活水質監測數據資源，實現數據資源化、價值化、智慧化。系統總體架構見圖1。

圖1　系統總體架構框圖

硬件網絡層：提供數據采集手段以及通信基礎設備保障，構成必要的硬件和網絡環境，可以利用現有硬件和網絡設備。

數據資源層：存儲所有數據及信息，是所有應用的數據資源支撐，完成數據資源和信息資源的標準化、結構化、有序化，形成水利數據資源體系。

支撐平臺層：作為整個系統的公共支撐與服務平臺，是系統的數據交換中心、信息交流中心和GIS地理服務中心，為各類業務應用系統提供公共技術支撐，實現各業務應用統一的標準規范、公共平臺、統一用戶權限，可利用現有的應用支撐平臺實現[3]。

應用系統層：所有面向最終用戶的應用系統，直接為用戶提供服務。

用戶接入層：主要為各級機構的管理人員服務，接入層通過電腦、手機等多種方式提供給用戶，具有良好的人機交互界面和在線幫助功能。

5應用系統建設

5.1水質監測一張圖

水質監測一張圖不僅包括常見的地圖基本操作功能，還對資源進行綜合展示，提供地理信息系統特有的空間查詢分析功能，并結合統計數據實現各類指標的專題統計展示。

(1)自動監測站展示

資源顯示：能夠顯示自動監測站的整體情況(如數量、名稱等)及在地圖上的分布情況。

信息顯示：在地圖上漫游到自動監測站，顯示詳細信息，同時能夠查看到自動監測站的實時數據、歷史數據。

快速定位：實現資源顯示與地圖的關聯，能夠快速定位到自動監測站所處的地點，可查看到資源的詳細信息。

(2)移動監測站展示

資源顯示：能夠顯示移動實驗室的設備配置情況。

信息顯示：展示實時監測分析數據和歷史數據等。

快速定位：實現資源顯示與地圖的關聯，能夠快速定位到移動實驗室所處的地點，可查看到資源的詳細信息。

(3)固定實驗室展示

資源顯示：能夠顯示固定實驗室的整體情況(如數量、名稱及設備配置等)及在地圖上的分布情況。

信息顯示：在地圖上漫游到固定實驗室，顯示詳細信息，同時還可展示實時監測分析數據等。

快速定位：實現資源顯示與地圖的關聯，能夠快速定位到固定實驗室所處的地點，可查看到資源的詳細信息。

5.2水質綜合分析

(1)水質監測查詢統計

水質監測查詢：可根據指標查詢水質監測站監測的水質情況。可按照水質級別指標，也可按照物理指標、化學指標、生物指標對各個水質監測站點進行查詢。

特征值統計：按時段統計站點的監測項目的樣品總數、檢出率、超標率、實測范圍、最大值超標倍數、最大值出現日期和時段平均值。特征值統計有年統計、任意時段統計和自定義統計。

水質統計：包括水質評價基本情況統計、水質統計和水質類別統計等。

超標統計：統計包括干線超標站點統計、行政區超標站點統計、單項超標站點統計和單項超標率統計。

(2)關鍵斷面水質快速分析

餅形分析：以餅形圖分析此斷面的各個水質污染指標占比，進而分析出那個污染是主要污染。

趨勢分析：各個水質污染物數據以趨勢展現，可根據此趨勢對比分析出各個污染源情況以及哪個污染源上升最快，哪個污染源相對穩定，哪個污染源在逐漸降低。

報表分析：單獨水質污染物報表分析，分析不同時段的此污染物對應的污染程度。

多水質污染物報表分析：分析不同污染物在相應的時段污染情況。

圖形分析：以不同的顏色標注的同一個斷面圖上的不同污染物，進而直觀地看出斷面的水質情況。

(3)水質預警預報

水質預警預報是在一定范圍內，對一定時期的水質狀況進行分析、評價，確定水質的狀況和水質變化的趨勢、速度，以及達到某一變化限度的時間等，預報不正常狀況的時空范圍和危害程度，按需要適時地給出變化或惡化的各種警戒信息及相應的綜合性對策。

(4)多斷面綜合分析

通過對比分析不同斷面監測指標的變化情況，分析水質變化的原因，并提出相應的措施，實現輔助決策支持。

多斷面圖形分析：多斷面同一污染源圖形展示分析，直觀分析出此種污染源在不同斷面的分布情況，是否因為新的污染進入進而造成某一斷面此種污染上升。多斷面不同污染物圖形展示分析，以可視化友好的方式展現不同污染物在不同斷面的分布情況。

多斷面歷史回溯分析：基于多斷面多污染源歷史回溯，能夠查詢分析水質在不同時刻不同斷面的情況。

多斷面趨勢分析：多斷面多水質指標趨勢分析，分析出不同水質指標在不同斷面的變化速度和相應的趨勢，指標是在不斷下降還是在加快上升，下游斷面的水質指標在上升還是在下降，為調度運行提供決策支持。

5.3移動綜合展示

移動綜合展示通過移動終端的形式為各級管理人員提供服務，能夠及時展示水質監測的整體情況、運行狀態、指標監測情況、綜合統計情況及動態信息。

地圖瀏覽：可進行地圖瀏覽，能夠對閘泵站、監測站等進行查詢，也可以根據位置查看周圍的各類信息[4]。

工程概況：通過列表、圖片和圖表等多種方式直觀展示閘泵站、監測站概況信息。

運行狀態：通過地圖、圖片、圖表、文字等多種可視化形式，展示工程運行狀態的實時信息，能夠及時看到更新的信息和統計情況，監督工程的運行管理工作，如查看水質監測站各個設備是否在運行、運行次數、已投入運行時間、設備故障情況、故障頻率,及故障次數。

指標監測：直觀展示水質監測分析重要指標信息，包括指標數據、上升下降趨勢等，如水質級別、常規五參數等，對于異常指標能夠進行提醒。

綜合統計：對指標數據進行查詢，可根據興趣選擇任意指標、時間進行統計，提供地圖和圖表等多種方式展現綜合統計結果。

5.4微信公眾平臺

水質監測微信公眾平臺針對關心調水水質的用戶及管理人員提供信息服務，構建信息互動平臺。

信息推介：重要信息實時推送到用戶端，可對用戶分類推送，針對不同的用戶所關心信息種類的不同，進行區別推送。對領導層推送宏觀主要數據和信息，對操作用戶推送運行情況等信息。對用水用戶推送相應區段的水質情況。

定制服務：不同的使用者可進行水質信息定制，比如某個用戶只關心其中兩個站點的COD數據，可進行定制，系統進行定時推送。

信息上傳：用戶可通過微信客戶端，上傳文字、圖片、音頻、視頻等。

6結語

南水北調山東段水質智能監測分析系統是在已建項目的基礎上，充分利用先進的物聯網技術、大數據技術、WebGIS技術，建立一個高起點、見效快、實用性強、創新型的專業水質監測管理系統，提升水質監測管理級別，深化水質監測管理；對水質監測數據進行快速、綜合分析，充分挖掘水質監測數據價值，優化水質分析評價，并能夠借助移動終端、微信公眾平臺等新型介質，通過地圖、圖表等多種形式展示數據成果；通過深入對比分析不同監測指標的變化情況，分析水質變化的原因，實現輔助決策支持。

參考文獻：

[1]徐永兵，孫水英.MOSAIC SCADA在南水北調閘(泵)站監控系統中的應用[J].水利信息化，2015(5)：39-43，52.

[2]矯桂麗，朱麗麗，祖晶.南水北調東線山東段水質監測站點的布設[J].水利規劃與設計，2013(6)：48-50.

[3]徐永兵，孫水英.南水北調東線一期工程山東段調度運行管理系統需求分析與設計實現[J].水利規劃與設計，2016(1)：19-24.

[4]陳翔，雷曉暉，蔣云鐘.南水北調中線決策會商與應急響應系統設計研究[J].水利信息化，2015(2)：5-9.

Study on system design and analysis of intelligent monitoring of water quality in the south to North Water Diversion Project

XU Yongbing，SUN Shuiying，YUAN Dong

(ShandongSurveyand?Design?Institute?of?Water?Conservancy，Jinan250013，Chinaa)

Abstract：The eastern route of South to North Water Diversion Project is a national strategic adjustment of water project aimed at alleviating the water shortages of cities in the northern provinces such as the Shandong, Tianjin and other provinces, the water quality of water diversion affect the success or failure of the whole project. The intelligent monitoring of water quality analysis system design to carry on the analysis and the research, based on finished projects and making full use of advanced Internet technology, data technology, WebGIS technology, proposed the establishment of a high starting point, quick, practical, innovative and professional analysis of water quality monitoring system. The system can improve the management level of water quality monitoring, water quality monitoring and management deepen. The system can rapidly and comprehensive analysis of the monitoring data of water quality, fully tap the value of water quality monitoring data, optimize water quality analysis and evaluation. Using mobile terminal, micro channel public platform and other new media to demonstrate the results of the data through the maps, diagrams and other forms. through in-depth comparative analysis of different indicators for monitoring changes and the reason of water quality changes, it can support auxiliary decision-making.

Key words：south-to-north water diversion；east line project; water quality monitoring; intelligent; auxiliary decision

作者簡介：徐永兵(1981-)，男，工程師，從事水利信息化研究工作。

中圖分類號：TP274

文獻標志碼：A

文章編號：2096-0506(2016)05-0036-04