水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

崔 倩

(忻州市生態(tài)環(huán)境保護(hù)綜合行政執(zhí)法隊忻府分隊，山西 忻州 034000)

引 言

21世紀(jì)以來，我國的水污染逐漸加劇，水資源呈現(xiàn)人均占有量低、分布不均和污染嚴(yán)重的問題[1]，水資源的防治成為重要的研究內(nèi)容，而水體環(huán)境的監(jiān)測是一種有效的解決方案，國內(nèi)外在水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)方面開展了大量的研究，如國內(nèi)的水環(huán)境監(jiān)測可分為自動監(jiān)測、常規(guī)監(jiān)測和應(yīng)急監(jiān)測三種方式，其中自動監(jiān)測一般是由實驗人員在某一時間采集某一河流的水質(zhì)，然后在實驗室根據(jù)相應(yīng)的國家水質(zhì)監(jiān)測準(zhǔn)則進(jìn)行分析[2]，但是這種方式樣品采集時間、分析時間和數(shù)據(jù)傳輸時間都較長，無法實現(xiàn)水體的實時、精確監(jiān)測[3]。我國上海雷磁儀表廠設(shè)計出能在線監(jiān)測水體pH、溫度和濁度的監(jiān)測系統(tǒng)[4]，貴州通儀表生產(chǎn)的溶解氧檢測儀，均顯著提高了監(jiān)視采集儀的性能和工藝，但是監(jiān)測系統(tǒng)配套的軟件仍然采用了傳統(tǒng)的C++或VB等編程語言，這種通訊方式無法提供實時預(yù)警和快速響應(yīng)，不能廣泛地推行；而國外的水環(huán)境研究早于國內(nèi)，尤其是水質(zhì)分析儀器方面取得了重大了進(jìn)展，如從傳統(tǒng)的實驗室監(jiān)測發(fā)展為在線實時監(jiān)測，美國的俄氦俄州水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)以O(shè)PSANCO控制系統(tǒng)為核心，通過建立的色譜監(jiān)測站對河流的各入口進(jìn)行多參數(shù)監(jiān)測，將采集數(shù)據(jù)實時傳輸至中央服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，這種系統(tǒng)能針對水質(zhì)的有機(jī)物污染實時預(yù)警，但是這種監(jiān)測系統(tǒng)仍然存在成本高、覆蓋面低、監(jiān)測參數(shù)有限的問題。本文針對國內(nèi)外水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的共同問題-即重硬件輕軟件，深入研究了我國水環(huán)境監(jiān)測的需求，提出了基于B/S模式的在線實時水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)模型，并實驗驗證了該模型的正確性、有效性和可靠性，實現(xiàn)了水環(huán)境的實時、穩(wěn)定和準(zhǔn)確監(jiān)測。

1 水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)與設(shè)計

如第214頁圖1所示，為水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖，水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)總體架構(gòu)由權(quán)限管理系統(tǒng)、水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)和水環(huán)境接收處理服務(wù)系統(tǒng)組成。其中權(quán)限管理系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)的登錄控制，如用戶管理、權(quán)限管理、資源管理、訪問策略控制等功能，此外權(quán)限管理系統(tǒng)還包括硬件采集系統(tǒng)，如采集探頭、采集器和電源等，不同類型的采集探頭可實現(xiàn)溶解氧、電導(dǎo)率、濁度等水質(zhì)參數(shù)的實時采集；水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)是進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲、分析以及異常報警的核心子系統(tǒng)，將不同設(shè)備采集的水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證、處理和存儲，同時完成處理和分析，若數(shù)據(jù)異常，立馬引發(fā)報警程序；水質(zhì)接收服務(wù)系統(tǒng)是整體的通信系統(tǒng)，負(fù)責(zé)軟硬件的通信處理，一般將采集的水質(zhì)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確及時地傳輸至遠(yuǎn)程服務(wù)器上。整體控制采取S/B模式和WEB可視化界面，三大系統(tǒng)之間共享資源并實現(xiàn)交互。

圖1 水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的軟件開發(fā)是在NET開發(fā)平臺完成的，系統(tǒng)采取B/S模式，以C#語言編寫利用IIS進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)布運行，后臺采取SQL Server進(jìn)行數(shù)據(jù)組織與管理。節(jié)以水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的預(yù)警管理模塊為例，詳細(xì)闡述了其設(shè)計過程。預(yù)警管理是水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的重要組成部分，當(dāng)采集的水質(zhì)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時，系統(tǒng)通過電子郵件、短信和門戶內(nèi)容三種方式預(yù)警，使得用戶及時掌握水環(huán)境動態(tài)。

如圖2所示，為預(yù)警處理流程圖，整個功能模塊可分為預(yù)警實時監(jiān)聽服務(wù)、預(yù)警策略分析和預(yù)警處理服務(wù)，當(dāng)預(yù)警實時監(jiān)聽服務(wù)采集到異常水質(zhì)數(shù)據(jù)后，立即觸發(fā)預(yù)警接收控制策略；預(yù)警接收控制策略以設(shè)置的預(yù)警服務(wù)、預(yù)警控制參數(shù)、預(yù)警條件等為依據(jù)，經(jīng)過系統(tǒng)控制策略分析，啟動預(yù)警處理服務(wù)，形成預(yù)警信息數(shù)據(jù)，以不同方式進(jìn)行預(yù)警提示，其中電子郵件預(yù)警采用有效可靠的簡單郵件傳輸協(xié)議(SMTP協(xié)議)，郵件預(yù)警需與預(yù)警監(jiān)聽服務(wù)相互配合，當(dāng)監(jiān)聽服務(wù)監(jiān)測到預(yù)警信息后，由郵件預(yù)警服務(wù)進(jìn)行郵件信息格式化處理，生成預(yù)警郵件信息，最后借助SMTP協(xié)議發(fā)送預(yù)警電子郵件；短信預(yù)警需與短信監(jiān)聽功能單元配合，同樣先由監(jiān)聽單元判斷預(yù)警信息是否存在，一旦預(yù)警信息生成，立即調(diào)用短信格式封裝處理操作，按照短信網(wǎng)關(guān)要求生成短信預(yù)警信息。

圖2 預(yù)警處理流程圖

2 水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的測試

水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)搭建完成后，為檢驗系統(tǒng)是否滿足需求，采用黑盒測試法對系統(tǒng)的各部件、功能模塊及模塊間的邏輯性能進(jìn)行了測試，其中部件測試主要對人機(jī)界面模板中的用戶界面進(jìn)行了測試，驗證了在不同電腦系統(tǒng)下的窗體切換、元素布局、鼠標(biāo)和鍵盤操作等性能；功能模塊進(jìn)行了預(yù)警管理、實時走勢分析和異常數(shù)據(jù)分析三方面的驗證，預(yù)警管理考察了監(jiān)測系統(tǒng)是否能對異常數(shù)據(jù)進(jìn)行有效處理并預(yù)警，是否能提供正常、可靠和穩(wěn)定的郵件或短信預(yù)警，實時走勢分析測試了不同采集點的各種水質(zhì)參數(shù)能否在一定周期內(nèi)實時顯示圖形走勢，而數(shù)據(jù)分析考察了異常數(shù)據(jù)能否正常顯示以及繪制多參數(shù)對比曲線。表1為水質(zhì)測試結(jié)果匯總。根據(jù)測試結(jié)果可知本文設(shè)計的水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)運行穩(wěn)定，能夠滿足高效水質(zhì)監(jiān)測的需求。

表1 水質(zhì)系統(tǒng)測試結(jié)果

3 總結(jié)

隨著水環(huán)境污染的加劇，建立實時、準(zhǔn)確、穩(wěn)定、可靠的水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)成為水污染防治的重要措施。本文基于我國江河流域水環(huán)境監(jiān)測的需求，提出了基于B/S模式的在線實時水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)模型，該系統(tǒng)采用子系統(tǒng)架構(gòu)策略，設(shè)置了權(quán)限管理、水環(huán)境監(jiān)測和水環(huán)境監(jiān)測服務(wù)三個子系統(tǒng)，三者彼此獨立，通過Web Service中間件技術(shù)進(jìn)行通信；同時運用ASP.NET編程軟件和SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫管理，實現(xiàn)了水質(zhì)數(shù)據(jù)的實時接收、快速處理、異常報警和圖形化分析。同時對系統(tǒng)的人機(jī)界面和功能模塊進(jìn)行了測試，測試結(jié)果符合水環(huán)境監(jiān)測要求，為我國水環(huán)境管理和防治奠定了基礎(chǔ)。