空氣質量自動監測站房智能云監控系統設計與應用

江 明，黃建彰，張 濤，何海敬，趙 燕，岳玎利

(1.廣東省環境監測中心，廣東 廣州510308；2.中山大學，廣東 廣州510275)

1 引言

隨著物聯網技術、信息化技術的高速發展，智能監控系統已廣泛應用于交通[1～4]、家居[5～7]、電力、民用安全等行業。國外對智能監控研究相對較早，19世紀末美國國防高級研究項目署就設立了視覺監控重大項目VSAM(Visual Surveillance And Monitoring)，并于20世紀初相繼資助了HID(Human Identification at a Distance)項目，2006年IBM公司亦發布并銷售一款用于分析視頻實時監控系統數據的安全軟件，并命名為“智能監控系統”(S3：Smart Surveillance System)。英國雷丁大學計算機系成立了VIEWS(Visusl Inspection and Evaluation of Wide－Area Scenes)項目，開展車輛和行人的跟蹤及其交互作用識別研究。

國內智能視頻監控系統研究起步較晚，主要應用在交通、人工智能等領域，中科院自動化所模式識別國家重點實驗室自主研發并設計了一套交通監控原型系統Vstar(Visual Surveillance Star)，用于交通動態場景集成分析與演示[8]。智能監控系統在環保方面的應用尚屬起步階段，主要應用于室內家居[9～11]、污染源[12，13]、車載空氣[14]等方面，在空氣質量自動監測領域較為少見。張志通等[15]針對空氣PM2.5顆粒物測量和溫濕度值設計了一套PM2.5數值遠程監控系統，用于提示不同空氣質量狀態。目前，我國現有的環境空氣質量自動監測國控站點數量眾多且地理分布分散，由于專業基礎、從業時間和操作經驗等方面的差異，造成各地空氣質量自動監測站的管理水平不一致，從而導致監測結果數據上存在精度上的不足，數據質量受到不利影響。能對站房內外環境及儀器運行狀態進行在線監控，并預留適當的工作界面或系統接口以支持監測數據質控管理與異常預警提醒，將有利于提高我國環境空氣質量控制技術水平。

本研究利用物聯網技術，通過研發空氣質量自動站溫度、濕度、電流、電壓、浸水、煙霧、視頻的智能檢測與控制技術，集成監測結果、儀器狀態、城市攝影等數據，研發并實現一套空氣質量監測數據采集、傳輸、分析、處理、質量控制的智能化、自動化監控管理的空氣質量自動監測站房智能云監控系統，實現珠三角區域空氣質量監測網的智能化升級，保障監測數據的有效性和準確性。

2 系統總體架構

2.1 技術架構

空氣質量監測云智能站房空系統技術框架如圖1所示，圍繞空氣質量監測過程“全要素監控”，從監測儀器、采樣系統、站房運行和外部環境4個層面分別監控，實現空氣質量數據以及生產過程信息的智能化、自動化實時聯網，使監測數據生產過程中的過程狀態數據從無到有，做到數據生產環境可追溯，四級保障空氣質量監測數據的有效性和準確性。

圖1 技術框架

2.2 物理架構

本系統物理結構如圖2所示，主要包括子站端和平臺端兩部分，聯網數據通過環保專網或VPN專網進行傳輸。子站端方面，集成了儀器監測與狀態信息、采樣系統安防監控、站房動力環境設備狀態與外部環境監控等設備，詳細包含站房內部溫濕度監測模塊、采樣總管溫濕度監測模塊、標氣瓶壓力監測模塊、三相電流監測模塊、零氣發生器進氣口壓力監測模塊、水浸、煙霧監測模塊等零部件，實現對空氣質量監測結果、儀器狀態、站外安防和站房動力環境的統一監控和管理。平臺端方面，通過PC電腦或者手機移動端，可實時監控或查詢聯網數據信息。當站內監測結果、儀器狀態和環境參數出現異常時，可通過平臺告警、短信告警和郵件告警等方式告知站內管理人員和運維人員，并自動記錄歷史數據和告警事件。

圖2 軟硬件總體架構

3 子站端核心硬件

3.1 動力環境監控設備

站房室內動力環境監控監控設備包括監控主機設備、電路電流電壓監控設備、溫濕度監控儀設備、空調控制器設備、光電水浸探測器設備、煙霧檢測器設備、聲光報警器設備、零氣發生器壓力與溫度傳感器設備、采樣總管探針型溫濕度傳感器設備、采樣管自平衡控制器等硬件。設備選取的具體參數(供參考)如表1所示。

3.2 室外安防監控設備

包括站房外采樣區安防實時攝像監控設備、人臉識別門禁管理設備2大部分，加強站房及外部采樣區安全系數、實現可視化站房外部監管。其中，人臉識別門禁管理設備支持人臉識別、刷卡＋人臉識別、智能識別(人臉識別、刷卡＋人臉識別智能切換)多種識別方式，僅允許獲取授權的人員出入站房。站房外安防實時攝像監控設備采用國內某知名品牌型號為DS－2CD2T2XYZUV－ABCDEF的紅外筒型攝像頭，具體參數(供參考)如下。

(1)采用200萬像素紅外筒型攝像頭，紅外照射距離達到80 m。

(2)支持夜拍，ICR紅外濾片式自動切換。

(3)水平視場角大于90°。站房頂部約2 m高俯視固定角度安裝。視野范圍覆蓋所有采樣管和切割頭。

(4)攝影數據可實時傳輸到計算機儲存，儲存期至少4周。

(5)實時攝像數據可遠程傳輸到省、市、縣各級平臺。

(6)工作環境－30～60℃，濕度小于95%(無凝結)下可正常運作，適用于大溫差的室外操作以及室外惡劣的監控環境。

(7)防護罩具有防雨雪、霧、防結霜、防海鹽等功能，保證拍攝效果不受惡劣氣象條件影響。防護等級IP67。

(8)支持RJ45網絡通訊。

4 中心端平臺設計

主要包括室外安防監控、室內動力環境監控、儀器狀態管理、聯動智能報警四大部分。

4.1 室外安防監控模塊

站房安防監控子系統對站房的室內外環境進行監控、加強站房安全系數、實現可視化站房監管。站房安防監控管理主要包括安防監控實況查詢、視頻回放與下載、多路徑掃描、多點展示與查詢、云臺控制、智能偵測與聯動告警、圖像配置等模塊。站房管理人員可在平臺端實現調取實時監控、讀取自動拍攝的照片以及視頻信息。

4.2 動力環境監控模塊

用戶可通過系統查看站房內動力環境數據以及儀器狀態的實時和歷史數據，監控對象包括站房動力和環境設備等設備，如采樣總管溫濕度、零氣發生器的氣壓與溫度、站房內溫濕度、電源電壓電流功率等電路數據、水浸、火警煙霧、空調、聲光報警等。

表1 室內監控設備參數

4.3 儀器狀態監控模塊

用戶通過使用站房監控與運維痕跡管理移動APP能夠查詢各個站房的監測儀器工作狀態，如高壓值、零偏值、錯誤狀態、鋅燈工作時間、采樣溫度、采樣流量、采樣壓力、軟件版本號、紫外燈源工作時間、流速、校標濃度值等，用戶通過使用系統模塊查看儀器狀態及其警告信息。

4.4 聯動智能預警模塊

系統能對采樣總管以及顆粒物切割頭進行實時地視頻監控與人體軀干入侵智能報警，能及時發現采樣管區域的異常(如遭到破壞或淋噴等數據作假等行為)；當站房出現有火警或者漏水情況發生時，系統在第一時間進行自動報警，向多個用戶手機發送信息及時通知運維人員進行處理。同時，系統能配套移動端APP對站房動力環境、儀器設備運行狀況進行實時監控與異常報警，結合運維工單委派與短信報警功能，能爭取讓運維人員在最快的時間內發現故障、修復故障，減少數據丟失。

5 系統應用

空氣質量自動監測站房智能云監控系統圍繞大氣監測設備運行、采集聯網、監控為主進行信息化管理，本系統已在廣東省磨碟沙等8個監測站點示范應用，PC端、手機移動APP端應用效果圖如圖3、4所示。系統實現了8個監測站房的監測結果、儀器狀態、城市攝影等數據的實時聯網，實現了點位環境及數據的智能化、自動化和網絡化的監控與管理，有效提高了大氣環境數據的采集效率和準確性，提高數據的發布能力，同時也提高了業務工作的自動化、信息化水平，方便管理人員的日常工作。

圖3 站房智能云監控PC端系統(a.室內；b.室外；c.儀器狀態)

圖4 站房智能云監控移動端APP系統

5.1 提高大氣環境監測能力

實現環境空氣質量自動監測站點監測數據的實時采集和智能化處理，同時利用云平臺、大數據分析等技術手段，充分挖掘監測數據的應用價值，提高大氣環境數據的分析、處理、發布能力，提升信息資源的服務能力，從而適應數據量不斷增加、監測種類不斷增加的發展現狀，全面提高大氣環境監測的整體水平。

5.2 提高監測站點、設備整體運維服務水平，提升數據質量

為了應對監測點不斷擴大，運維情況日益復雜的局面，需要充分利用信息化技術，借助于現代化運維管理理念，對現有流程和工作方式進行優化調整，進一步規范業務開展，降低綜合運維成本，提高監測設備故障發現和處理能力，從而加強運維團隊的服務能力，提高人員工作績效，提高系統和設備的可用性。

5.3 提高環保業務的信息化、智慧化程度

建立適應新時期工作要求的信息化系統，利用新技術、新方法、新途徑全面支撐環保工作各項業務的開展，以信息化建設、業務優化統籌規劃的思路，發揮科技引領作用，提升大氣環境監測業務的智慧化程度。

6 結語

本項目集成監測結果、室內外環境、儀器狀態、城市攝影等數據，研發并實現了一套空氣質量監測數據采集、傳輸、分析、處理、質量控制的智能化、自動化監控管理的空氣質量自動監測站房智能云監控系統，具有以下特點。

(1)監控范圍廣：智能站房環境監控系統除了能監控傳統的站房環境參數外，還針對環境空氣監測站房的業務需求，對標氣瓶的壓力、零氣發生器的輸入壓力、反應爐溫度進行全面的業務監控。

(2)跨平臺跨瀏覽器：系統支持多平臺，支持PC端以及移動端瀏覽，支持市面上大部分瀏覽器，IE、Google、火狐等。

(3)多樣化告警：系統提供多樣化告警方式，支持現場聲光、短信、電話、郵件、彈窗告警、APP推送等多種告警方式。

(4)可視化展示：通過虛擬站房模型實現可視化展現，并將動力、環境、業務等數據融為一體，實現立體展現。