智能化水質自動監測系統與運維管理平臺研究

高春芳

（廈門斯坦道科學儀器股份有限公司，福建 廈門 361000）

地表水水質自動監測系統是以在線自動分析儀器為核心，運用現代傳感器技術，結合自動控制技術、物聯網技術、計算機應用技術以及通訊傳輸技術組成的綜合性自動化在線監測體系。與傳統手工監測相比，水質自動監測能夠連續、準確、實時反映水質的動態，便于預防和預警水環境污染事故的發生[1]。

我國從1988年起步建立第一個水質自動監測站，20世紀90年代陸續在松花江、長江、黃河、淮河流域等重點斷面建設了數個自動監測站。進入21世紀后，隨著傳感器技術、計算機技術、物聯網技術、軟件平臺開發及管理技術的快速發展，我國地表水自動監測站的建設管理也隨之加快建設步伐。

經過“十二五”“十三五”兩個五年規劃的系統推進，我國生態環境質量監測體系逐步建立，基礎監測能力、站點運轉效能明顯提高。2018年，國家斥資16.8億建成地表水國控站點2050個，覆蓋全國十大流域1366條河流和139座重要湖庫，并委托第三方進行運維管理，實現了重要斷面的水質自動化連續監測。

水質自動監測站的正常運行與監測設備的質量、運行管理機制、運維工作人員的專業化程度、經費投入等因素密切相關[2]。水質自動監測站大部分建在野外，環境惡劣，系統電路、水路、分析儀器等運行管理較復雜，在無人值守的情況下長期運行，隨時可能出現故障，造成監測數據異常、中斷或者偽數據等，甚至發生少量已建自動站由于管理不當而停止運行的現象［3］。我國幅員遼闊，流域眾多，國家和各級地方政府、生態環境監管部門為實現科學分析水環境問題，需要大量監測和輔助數據，以及統一的信息平臺來輔助管理決策。

為了規范保證地表水自動監測站數據的真實性和準確性，逐步提高地表水自動監測的數據質量，減少人為干預造成的數據質量問題，本研究開發設計了一套信息化、智能化管理平臺，可實現所有水質自動化監測站數據和人員的標準化管理，為環境監測系統管理人員提供實時、可靠的監測分析結果，保障河流、湖泊（水庫）水質實時可控，全面支持河流、湖泊（水庫）水質污染防控、管理決策，降低管理成本，實現水環境管理的綜合管控[4]。

1 信息化水質監測平臺的設計

本智能化水質監測與運維管理平臺的設計，基于物聯網、云計算等技術手段，平臺設計采用分布式微服務架構，基于跨平臺語言java開發，采用統一的國標認證協議，手機app、電腦web終端采用統一的接口管控平臺，支持第三方業務對接，便于對接不同廠商、不同參數類型的自動化監測設備，具有兼容性和可擴展性，為站點數量和功能增加預留了拓展空間。

平臺框架設計由設備-人員-平臺三者構成一個信息化的閉環，實現方式為：（1）站點負責人通過平臺參數設置實現所有類型水質監測站點（固定站、浮船站、簡易站、浮標站等）自動運行，（2）環保監管人員、數據審核人員、運維管理人員、運維工程師，通過平臺告警以及視頻監控發現問題和解決問題（3）通過水站運行監測和運維過程產生的數據進行應用展示功能，展示內容包含站點監測信息，水質分析評價等。

2 智能化水質監測及運維管理平臺功能

本平臺設計了數據可視化、實時地圖與監控、數據管理與應用、告警管理、站點控制、運維管理、基礎配置幾個功能模塊。

（1）數據可視化展示：通過數據可視化圖表，管理者可以從宏觀上了解管理區域內的水站信息，包括整個管理區域的站點聯網情況、實時數據、數據質量、水質等級，主要污染指標，河流上下游水質變化，以及水質同比、環比情況。可視化展示便于實時了解流域水質變化情況，實現污染總量控制，入河排污口監管的目標。此外，平臺可根據各地情況內置污染擴散模型并進行展示，便于及時預警預報重大污染事故。

（2）實時地圖與監控：通過實時地圖與監控，監管及維護人員可以查看站點的實時定位信息、站點運行模式、在線和離線情況、設備故障情況、數據超標情況、當前水質等級和目標等級，還可從平臺實時調取采水端、站房等位置的現場視頻監控情況。

（3）數據管理與應用：數據管理模塊實現監測數據的采集、查詢、審核、補錄功能。數據應用包含質控數據的展示（包括日質控，周質控和月質控數據），數據圖表與報表的自動生成和分析（包含日報、周報、月報），以及站點數據同比/環比查詢、超標率查詢等。

（4）運維管理：運維管理模塊包含與包括運維任務發布、任務執行、任務統計分析、運維人員（公司）評價幾個功能模塊。

（5）告警管理：告警管理模塊包括實時告警、歷史告警、告警設置模塊，用以及時發現站點數據的異常，通知相關運維人員及時處理問題。告警推送支持app、短信和郵箱多種形式。

（6）站點控制：站點遠程控制功能，包含設備控制，以及視頻監控的控制。設備控制包括監測模式設置，通過站點控制可以實現常規監測模式、質控監測模式，以及應急模式間的切換，以滿足不同的監測目標要求。

（7）遠程儀器控制：隨時調取每臺設備狀態和運行日志，并可以進行遠程控制操作。

3 運維管理系統

為了讓生態環境監管單位、站點運維責任單位能夠對運維工作進行高效的信息化管理，智能化平臺提供了一套完整的管理流程，并與監測數據形成關聯，配合手機app形成任務流程閉環，做到現場問題及時有效地發現、響應和處理，實現監測單位與運營單位的信息實時互通，方便通過統一標準來考評不同設備供應商、運維管理公司以及運維人員。

3.1 運維管理工作流程

運維管理系統可以根據站點分配情況、質控要求以及數據異常情況自動下發運維任務。運維人員通過手機app接收任務，并根據遠程巡檢結果準備現場維護所需物品。人員抵達現場后根據app內容提示進行運維工作，并將相應過程數據錄入app。運維任務完成后，由上級主管審核是否通過，通過后可自動生成運維記錄表，運維臺賬。

運維任務分為常規和異常任務，常規任務包含站點巡檢、試劑更換、設備校準等。異常任務是指由于設備故障或者數據異常觸發的任務類型。常規任務可通過站點運行周期設置和人員安排進行自動發布，異常任務可通過設置數據異常類型的告警配置進行自動觸發，也可由運維主管或者現場運維人員手動發起。任務跟蹤任務發布后，監管部門、運維管理、現場人員可以實時查看并跟蹤任務情況，包含任務內容、完成情況、執行時間節點等。

3.2 運維管理系統功能

運維管理系統作為信息化智能水質管理平臺的重要組成部分，是保障水質自動監測站能夠正常運行的前提。

運維管理系統主要包含運維任務、質控計劃、運維地圖、運維統計、運維評價幾個功能模塊。

（1）運維任務：包含運維任務的跟蹤、運維報表查詢和下載，以及依據運維任務生成的站點運維臺賬，具體包括站點/項目/人員運維記錄臺賬、試劑更換臺賬、站點校準臺賬、備品備件更換臺賬、站點故障臺賬、停站記錄臺賬等，并可根據需要擴充。

（2）質控計劃：根據站點質控要求，在平臺設置站點的質控內容、相應質控周期，系統將根據設定結果進行運維計劃提前推送。

（3）運維地圖：工作任務執行過程中環保監管人員、運維主管可以查看運維人員的實時定位和狀態，跟蹤人員是否及時到達現場完成運維工作。任務執行過程中的狀態記錄將生成相應的軌跡圖，方便監管，避免造假形成的維護任務。

（4）運維統計：平臺從運維總次數、異常運維次數、故障類型、人員運維次數、人員響應時間多個維度進行分析統計，間接對站點、設備、人員等進行分析評價，為人員考核以及設備的性能評價提供有力的參考依據。

（5）運維評價：可以從人員、站點、項目/流域、公司幾個維度可進行評價和排名，可根據需求靈活篩選考核維度。

4 結論

通過本研究設計的智能化水質自動監測系統及運維管理平臺，生態環境管理部門可以綜合查看所有類型監測站點聯網、監測數據情況，根據不同斷面性質、站點類型、流域管理目標，評價考核周期內的水質變化，分析評價各個運維單位的響應及維護情況。通過標準化的量化分析，方便篩選性能可靠、運行穩定的設備供應商，以及高效、及時的運營服務商，確保監測數據的真、準、全，最終實現及時、準確預警突發環境事件，實現水體污染控制的目標。