環境監測綜合管理信息平臺系統的構建與應用

周文亮

摘要：將環境監測綜合管理信息平臺系統應用于佛山市環境監測中心站，集成了環境監測信息管理系統（LIMS）、環境監測數據倉庫和綜合信息上報管理三個子系統，實現了環境監測業務流程自動化、監測數據快速共享和海量數據統計分析應用，為環境監督管理和宏觀決策提供有力可靠的技術支持。

關鍵詞：環境監測；環境監測信息管理系統；數據倉庫；信息化

中圖分類號：X84

文獻標識碼：A文章編號：1674-9944（2016）22-0042-05

1引言

隨著國民經濟的快速發展，城市建設的不斷加強，環境污染也日益嚴重，惡化的環境質量已嚴重威脅到人類健康及生存環境的可持續發展，環境保護事業日益備受人們關注。環境監測作為一項政府行為，是環境管理、環境工程和環境科研的基礎。信息時代的到來促使環境管理工作進入信息化的現代模式，環境信息系統作為信息技術在環境科學體系領域發展的一個新型分支，為環保工作提供了可靠的信息服務和決策支持。

中國的環境監測信息化系統的建設已走過了十幾個年頭，成為環境監測現代化的重要組成部分。很多環境監測站先后投入了不少人力、物力和財力，開發了一些環境監測管理信息系統，比如2006年上海市環境監測站采購了一套美國公司開發的LIMS，黃河流域水環境監測中心引進美國QSI公司的實驗室信息管理系統軟件應用于黃河水環境監測等。另外，各地的環境監測部門相繼開展了環境監測信息系統的研究，已開發了不少環境監測信息系統，但這些系統存在一些明顯的不足，如缺乏總體規劃，規范性差，難以推廣、移植；多為小規模網絡甚至單機運行，數據庫規模小，信息的加工處理能力差，無法形成信息倉庫，不利于信息的共享利用等。環境監測信息系統在環境保護領域的構建，成為提高環境監測實驗室自身專業水準和管理水準的有效措施，環境監測站如何利用先進的信息化技術建立適合環境監測體系的信息管理系統，提高自身的監測能力與管理水平，關系到環境檢測報告數據的時效性與準確性，對監測系統能力的提高和在為政府決策提供幫助等方面有著重大的指導意義。

為了進一步提高佛山環境監測中心站的自動化、程序化和標準化的管理水平，滿足國家環境保護部提出的“三個說得清”的要求，佛山市環境監測中心站以實際需求為主，兼顧通用性和創新性，開發了環境監測綜合管理信息平臺系統（以下簡稱“系統”）。

2系統平臺構成

2.1完全B/S構架的軟件產品

系統采用B/S構架，比起傳統的C/S構架，有著“先天性”優勢。首先，B/S構架大大簡化了客戶端，只要客戶端電腦能上網就可以，系統的部署、維護、升級工作都集中在服務器端，不同于傳統的C/S+B/S架構的軟件，需要在客戶端和服務器之間創建ODBC的連接，從而大幅度降低了系統的運行成本；其二，用戶通過客戶端電腦先訪問Web服務器，Web服務器再與數據庫服務器連接，這樣的話，客戶端無法直接操作數據庫，因此相對于C/S架構系統而已，B/S架構系統數據更加安全。

2.2基于服務的新型架構設計思想

軟件體系采用的是基于服務的架構—SOA（servicesorientarchitecture），這是一種先進體系結構和設計理念，是通過WebService技術進行數據的交換，利用標準的XML作為服務器端與客戶端信息通訊的格式。SOA架構把功能模塊變成可以調用的獨立服務，具有更好的通用性和可重用性，使實驗室實現信息與業務緊密結合，提高了業務流程的靈活性，能夠真正幫助實驗室快速響應外部變化。SOA正在成為開發響應性好、適應性強的新型應用程序所選擇的體系結構。支持多種語言開發VB/C#/C++和XAML或JavaScript+html5開發。

2.3方便直觀的操作模式

系統完全運行在瀏覽器，無需安裝任何軟件，只需通過瀏覽器就能完成所有操作。通過特有的XFD（XML圖形引擎）技術，可以使用戶得到和客戶端軟件一樣地體驗，用戶可以定義應用程序初始的可視界面。從用戶體驗的角度方面來說，系統徹底地根治了B/S架構控件的刷新問題。使得用戶如同瀏覽網頁般輕松自如，并支持在同一個IE瀏覽器上同時打開多個功能界面進行業務操作，不用頻繁切換功能界面。

2.4標準化的企業集成接口

開放性的體系結構讓系統輕松的通過WebService方式與其他由不同語言開發的系統進行無縫集成，保證第三方軟件的變化不會對接口產生任何影響，使得與目前或者將來的各種分析儀器的接口開發成為系統擴展的一部分。系統還預留與其它將要建設的信息化項目（如應急系統、門戶網站等）的標準接口，便于進行二次開發或與信息源連接，避免信息孤島，實現數據的共享。而且，只要分析儀器具備通用的標準接口，就可采用內部的直接捕集軟件（DirectCaptureUtility，DCU），實現與系統的雙向通信且比較穩定，使工作效率大大提高，同時也減少了數據錄入的失誤。

2.5面向對象的多層結構

系統是一個面向對象的、真正多層結構的系統，包括有第一層核心軟件（可執行文件和動態連接庫）；第二層應用程序字典（定義用戶的商業規則或程序的地方，即表、關系、字段、窗口、菜單、動作，權限和報告）；第三層數據庫，多層結構的優勢在于：客戶端應用程序管理員具有訪問應用程序字典的所有權限，因此系統管理員可以根據需要隨時修改或添加新的功能模塊，減少對供應商的依賴性，并且不需要重新編譯即可應用。此外三層完全獨立，客戶可以升級核心軟件層，而無須擔憂兼容性。

3系統整體設計

系統集成了環境監測信息管理系統（LIMS）、環境監測數據倉庫和綜合信息上報管理三個子系統，構建全方位、多層級、立體化的環境監測綜合管理信息平臺。

3.1環境監測信息管理系統（LIMS）

LIMS是系統的核心子系統，基本涵蓋了佛山市環境監測中心站的所有業務，涉及的業務類型有環境質量常規監測、“三同時”驗收監測、委托監測、監督性監測、常規例行、在線比對、質量控制監測等，實現了監測業務管理和數據管理一體化的全面管理模式。主要有業務管理、資源管理、質量管理、現場監測管理、綜合信息管理、行政管理六大功能模塊。

3.1.1業務管理

佛山市環境監測中心站監測能力包括水、生物、環境空氣和廢氣、機動車排放污染物、室內空氣、噪聲與振動、輻射、燃料、土壤底質和固體廢物等9個類別的監測項目，涉及建設項目工程竣工驗收監測、污染源委托監測、機動車尾氣監測、環境質量監測、污染事故監測、環境污染糾紛仲裁監測等多方面。為此，LIMS系統按照佛山市環境監測中心站實驗室實際工作需要，全面覆蓋任務登記、樣品流轉、數據處理、報告管理整套流程，以提高實驗室管理的規范性和對外服務的時效性。

3.1.2資源管理

為實現GB/T15481校準和檢驗實驗室通用能力的要求，保證LIMS符合ISO/IEC17025等實驗室質量體系的要求，LIMS提供了涵蓋對監測數據有影響的所有基礎資源管理，包括：組織/人員、儀器設備、材料管理、分析方法、采樣方法、評價標準等。資源管理模塊既是對資料數據進行收集、存貯、管理、處理和使用的綜合性技術模塊，也是上級主管部門組建信息網絡系統、開展資源信息服務的基礎，它的建立可以使數據的存貯、檢索和處理實現自動化、高速化，達到既提高工作效率又保證工作精度的目標。

3.1.3質量管理

提供了范圍檢驗、數據輸入限制、條形碼輸入、下拉列表選擇、用戶提示、自動報告/圖表生成、數據確認等多種安全機制來減少數據輸入的錯誤。通過預先設定的監測結果預警限值及實驗室內部質控、現場質控、盲碼樣質控等質控手段的下達，使監測結果出現異常情況時，系統會自動變更系統狀態并以紅色警告，分析人員必須啟動異常情況調查程序，等異常調查結束后，異常的結果被確認，才可以提交。系統的智能預警功能，使很多異常數據都可提前發現、及時提醒，預防不合格數據的產生，避免了很多采樣和分析監測中發生的錯誤，提高了分析質量，由事后糾正改進到事前預防。

3.1.4現場監測管理

在平板電腦上開發現場監測管理系統，實現應用移動技術進行現場采樣數據的錄入和處理。為滿足現場監測的建設需要，現場監測模塊采用3層系統結構：①數據傳輸層。實現監測任務從環境監測信息管理系統上下載和現場監測完成的監測數據的上傳，以及相關客戶信息、采樣點信息的同步；②現場監測平臺。指現場監測業務系統；③數據管理。應用現場監測業務系統，全面實現現場監測的監測任務管理和監測結果的錄入、數據校核等管理功能，以及相關的資源管理，并利用GPS實現監測點驗證確認功能。

3.1.5綜合信息管理

通過建立綜合信息管理模塊，實現了在一個平臺上管理監測站產生的所有監測數據。在此基礎上，實現水、氣、噪聲、土壤等監測要素產生的監測數據各種復雜計算與評價分析，包括綜合污染指數和污染負荷的自動計算，智能提醒超標數據和不合理數據，自動匯總上報國家、省環境監測要求的數據，利用均值-極差控制圖、均值-標準差控制圖等實現動態智能統計分析與評價等，共實現各種查詢統計和圖表130多種。各種統計查詢功能靈活多樣，可橫向查詢也可縱向統計，在系統中實現各種復雜的公式計算與智能分析，從而實現監測數據的全面有效管理，減少傳統的手工統計分析的出錯率和工作量。

3.1.6行政管理

LIMS整合了佛山市環境監測中心站的部分行政管理功能，分別是請假管理、采購管理和培訓管理，通過配置通用工作流，從申請人申請、室主任審核，到分管領導審核或者站長審批，實行全過程流程化管理。

3.2環境監測數據倉庫

環境監測數據倉庫（以下簡稱“數據倉庫”）是該系統的另一大核心子系統，主要用于實現數據集成管理，將存在于多個異構的應用系統中的環境監測數據從各種具體的應用中分離出來，統一存儲于中心數據庫，成為一個集中的、獨立于應用的資源來進行管理，環境監測數據倉庫由數據集成管理系統、環境綜合數據庫、數據應用分析系統、數據服務、系統管理等部分組成。

3.2.1環境綜合數據庫

環境綜合數據庫主要包括：基礎數據庫、業務主題數據庫、環境數據倉庫等部分。環境綜合數據庫主要是管理環境相關的數據資源，功能分為：建設一個綜合數據庫，整合各種環境相關的業務數據，統一為標準的數據結構；針對各種業務應用系統，劃分不同的主題數據，為業務系統提供數據存儲管理的環境；實現數據傳輸和信息共享的基礎，滿足佛山市環境監測中心站不同部門間的數據共享要求。

3.2.2數據集成管理系統

數據集成管理系統用于處理在線分析儀數據、LIMS數據、區縣上報數據、手工數據、外部數據等各類環境數據，通過各類匹配校驗規則，將符合規范的數據存入環境綜合數據庫。在獲取數據源的過程中，主要以數據庫系統、excel表格等的應用系統、非結構化數據和沒有信息系統支持的電子文檔或者紙質文檔等形式獲取。對于需要實時抽取，采集交換頻次高的數據，采用環境業務數據集成服務（SSIS）進行自動抽取轉換加載（ETL），包括提取異類數據、自動轉換數據以及支持將數據裝載到采用維度模型的數據存儲。為滿足對數據不同時效的要求，數據集成服務提供兩種操作方式：一是按佛山市環境監測中心站各業務系統數據的要求提供周期性的數據采集轉換功能；二是針對某些需及時采集的數據通過手動觸發。

3.2.3數據應用分析系統

數據應用分析系統對業務數據進行聚合、存儲、分析和報告。除此之外，通過與商務智能（BI）軟件集成，可以高效進行信息處理、數據挖掘和數據展現等三個方面。數據倉庫與最新的商務智能分析軟件（Cognos）二者的無縫集成，將數據以可視化的形式展現出來。除了常規的報表、圖表形式外，還需針對不同的應用，利用多種工具進行更直觀的數據展現，系統實現按照不同時間、不同測定、不同污染物進行趨勢分析，提供任意范圍與分類數據統計，頻率統計、超標污染物突出功能。另外，通過數據挖掘，可以幫助管理者從數據中找出隱藏的模式和關聯，數據挖掘提供的算法允許自動模式查找及交互式分析，對相同或不同監測要素之間的相關性進行分析，例如，通過對空氣中二氧化硫、酸雨及硫酸鹽化速率等常年歷史數據的分析，找出之間的相關性。

3.2.4數據服務

為避免數據孤島，數據倉庫采用標準WebService接口對外提供數據服務，實現數據訪問、操作和交換和數據訪問機制，在佛山市環境監測中心站內部和外部對需要數據服務的系統提供支撐。實現佛山市環境監測中心站內部不同部門間、佛山市環境監測中心站與外部相關單位間的信息交換和共享。

3.2.5系統管理

系統管理主要用于控制訪問系統的用戶和權限、管理元數據和資源目錄、維護代碼表和字典表、監控系統運行、紀錄數據修改歷史等。

3.3綜合信息上報管理

綜合信息上報管理（簡稱“上報系統”）是環境監測綜合管理信息平臺的輔助類子系統，作為監測數據收集和整理的功能模塊，上報系統支持各區監測站登陸相應頁面，選擇對應的數據類型，采用Excel導入或者手工錄入兩種形式上報監測數據，并自動對監測數據進行審核、匯總與統計，并生成統一格式的監測報告或報表；各區可對生成的報告、報表進行瀏覽、下載等功能。

4系統應用實例

4.1環境監測信息管理系統（LIMS）業務流程管理

通過LIMS的業務管理模塊，可實現環境質量常規監測、污染源監督性監測、環保驗收監測和委托監測等監測業務流程規范化管理。以市環保局委托的某黑臭河涌的監測任務為例，圖1為樣品采樣流程階段的顯示頁面，圖2是室內分析錄數頁面，用戶可通過相關頁面進行全監測業務流程的流轉。

4.2環境監測數據倉庫實現統計分析

數據庫程每月定期從LIMS和其他數據源抓取數據，并通過相關的公式對數據進行分析處理并把統計結果儲存在數據庫中。用戶通過登陸數據倉庫相應頁面，選取合適的條件可進行統計分析的結果展示并生成各種報表。圖3是2016年9月份某市飲用水的水質現狀分析。

4.3綜合信息上報管理系統實現數據報送和分析

各區環境監測站用戶通過登陸綜合信息上報管理系統，上傳對應格式的數據模板，可向上級監測站報送數據，并使用系統內置的統計功能對數據進行分析。圖4是地表飲用水監測數據報送頁面。

5結語

環境監測綜合管理信息平臺系統是目前環保行業中功能強大，操作簡單，專注于環保監測行業信息化建設的系統，擁有強大的開發性和擴展性，并結合數據庫技術、報表工具、圖形工具等多種現代化技術于一體，研究成果具有前瞻性。系統實現了環境監測業務流程自動化，監測數據快速共享和海量數據統計分析應用，能利用系統內大量的數據和信息繪制的各類趨勢圖和統計報表，快速直觀地反映出環境質量現狀及變化趨勢，污染物排放狀況和潛在的環境風險，為環境監督管理和宏觀決策提供更加有力的技術支持，得到了省、市環保部門的推廣應用和充分肯定。該系統在環境監測管理方面應用有著全面、實用、易學、高效的特點，使佛山市環境監測中心站實現規范化管理，形成質量控制體系，使監測站業務管理水平得到提高。同時實現對數據多方位管理，提高監測站的業務權威性，適應環境監測政策的發展趨勢，實現監測站能力轉型發展，全面推動佛山市環境監測中心站工作的規范化、數字化、流程化和自動化，對今后的發展將具有深遠的積極意義。此外，該系統考慮了國內特別是廣東的實際情況，采用了一系列主流技術，經過開發創新，總體達到了國內領先水平，既為有關部門開發使用同類型系統提供了寶貴的經驗，又可在其他環境監測站直接推廣使用，有較大的推廣價值和廣闊的應用前景。

參考文獻：

[1]白云，文德振，劉平波，等.環境環境監測信息管理系統的開發及應用[J].環境科學與技術，2005，21（5）：3～6.

[2]白志青，張銀.實驗室信息管理系統（LIMS）綜述[J].科技情報開發與經濟，2007，17（12）：240～242.

[3]曹金勇，李艷平，丁長春.LIMS在環境監測管理領域中的應用[J].儀器儀表與分析監測，2011（2）：1～3.

[4]柴成博，劉淳.CrystalReports在LIMS中的應用[J].甘肅科技，2011，27（10）：28～29.

[5]陳傳波，黃剛，劉清慧.一種基于ASP.NET的自定義報表的設計與實現[J].計算機工程與科學，2006，28（6）：112～114.

[6]陳國光，王近，李華.LIMS在水質檢測實驗室的應用[J].凈水技術，2005，24（6）：53～55.

[7]陳曼丁.淺談環境監測實驗室應用LIMS的意義[J].天津科技，2010（1）：24～25.

[8]陳雪梅.基于工作流技術的實驗室管理系統開發[J].科技信息，2011（21）：214～215.

[9]程婭，金星.實驗室信息管理系統中統計報表模塊的設計[J].儀器管理，2007（2）：51～53.

[10]鄧愛萍.環境監測LIMS系統建設中的問題剖析[J].環境科學與管理，2010，35（3）：103～105.

[11]丁照耘.LMIS在現代化實驗室管理中的應用[J].甘肅科技，2009，25（1）：95～96.