涉氣涉水環保設備改造及異構型綜合監控平臺的設計

摘 要：針對某縣建設其轄區內的綜合環保監測平臺項目，通過對現場情況的考慮與分析，總結出設備涉及的三種情況，分別為：場景A中大廠已安裝；場景B中小廠半安裝；場景C中新廠未安裝。隨后，根據設備數據上送的機理，忽略涉氣涉水設備工藝及原理的不同，歸納出統一的數據架構模型，并在此模型基礎上給出對應不同場景的設備改造方案。其次，在設計出可兼容IEC101/104和HJ212—2017規約的通信方案后，對異構型前置機集群不同接入方案進行探討。在測試階段，得出采用柔性接入方案更容易達到服務器均衡效果的結論。

關鍵詞：環保監控平臺；設備改造；IoT模塊；異構型規約；負載均衡；剛性接入方案；柔性接入方案

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）06-000-06

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2025.06.001

0 引 言

二十大報告指出，要始終牢固樹立和踐行“綠水青山就是金山銀山”的重要理念，時刻站在人與自然和諧共生的高度謀劃發展[1-2]。我國政府近年來采取了一系列嚴格的措施來應對以霧霾為特征的大氣污染問題[3-5]，包括施行一系列法律政策、限制工業排放、推動清潔能源發展、提高車輛排放標準等[6-8]。這些措施已經取得了一定效果，霧霾天氣的出現頻次有所下降，嚴重程度有所減輕。

與此同時，不同領域的科研人員從各自的專業角度對霧霾進行了深入研究。文獻[9]利用2011—2019年各省公布的大氣污染數據，對現階段國內大氣污染現狀和各主體參與大氣污染的治理情況進行了對比分析，得出近年來我國大氣污染情況有所好轉的結論。我國2013年和2018年分別提出《大氣污染防治行動計劃》《打贏藍天保衛戰三年行動計劃》的具體措施后，文獻[10]通過分析數據檢驗了上述兩項政策對空氣質量的影響，并從不同污染物治理效果、時間和區域異質性等角度分析了政策效應的差異，得出“大氣十條”和“藍天保衛戰”均顯著降低了AQI、PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO污染物的含量（體積分數），以及相比“大氣十條”，“藍天保衛戰”對NO2的減排效應更明顯，且能夠實現對O3的協同治理等研究結論。

然而，由于各地在大氣污染協同治理過程中存在治理職能與治理資源碎片化、協作小組機構的運作形式不規范、協同聯動信息不對稱等方面的問題，在具體的大氣污染協同治理工作中，地處我國華北平原受霧霾影響較重的地區出現了大氣污染治理效率較低的現象[11]。在2023年11月至12月間，京津冀及周邊區域共20個城市啟動了重污染天氣預警[12]。霧霾大有卷土重來之勢，引發了社會公眾對于華北地區氣候變化的關注。

綜上而言，霧霾治理是一項復雜而艱巨的挑戰，需要政府和社會各界齊心協力，持續投入全面的努力與資源，從根本上改善大氣質量。為實現以上目的，在尚未完成區縣級涉氣污染企業集中監控的單位，按照有關部門要求需要盡快部署相應平臺系統。

1 項目需求

位于華北平原的某縣級市，是一座具有典型北方特征的小型城市，融合了工業與農業的雙重元素。在縣城附近、經濟開發區、工業園區、人口密集的城鎮等地區分布有一系列工業企業；而在其余廣大農村地區，主要保留了從事農業生產的耕地。對于其轄區內的工業企業，如涉及到污染氣體排放、廢水排放等問題，現行政策一般是由縣環保局對所有涉氣涉水企業進行統計存檔，然后由環保執法人員隨機走訪抽查，以監督企業排污情況。鑒于縣環保局財政預算相對有限，外出執勤的執法人員隨機抽查的覆蓋面受到很大限制，不可避免存在一些企業違法排污的問題。從歷史統計數據中可以發現，在秋冬季節，本地污染源對霧霾天氣的形成影響較大。如何有效監管污染物排放一直是困擾縣環保局的難題。

近兩年來，分表計電系統在污染防治中發揮了越來越大的作用，且其技術已基本成熟[13]。安裝分表計電系統后，可實現對工業企業生產設施及污染防治設施用電量的實時監管，且可有效防范企業擅自停運污染防治設施、未按要求落實差別化管控和重污染天氣應急減排措施等行為[14]。在經過縣環保局技術人員充分調研且與上級主管單位溝通后，縣環保局計劃部署基于分表計電系統工作原理的綜合監控平臺（后文簡稱“縣平臺”），以解決上述難題。考慮到某縣的具體工業企業行業分布情況，以及疫情后企業的經營狀況，平臺呈現以下幾個新的特點：

（1）監測對象的多樣化

縣平臺不只針對涉氣排污企業進行監測。考慮到某縣內部分地區呈現出一定的行業聚集性，如縣域內存在一定數量的化工、醫藥類企業，在企業生產過程中產生了大量廢氣廢水，污染物在排入自然環境之前需要進行環保處理，故縣平臺不只是對涉氣分表計電監控系統的簡單復現，而是兼顧了涉氣涉水排污監測。

（2）接入政策的靈活性

考慮到疫情過后，部分企業經營狀況不佳，平臺的部署不應給企業增加過多經濟負擔。一方面，在項目執行階段，設計多套方案供企業選擇。另一方面，由于縣平臺應用的目的主要是處理涉氣污染問題，故對于涉氣設備，遵循“應接盡接”的政策；對于涉水設備，應采取鼓勵性政策，此階段不做強制接入。

（3）接入過程的不確定性

在接入政策影響下，項目開發部署階段帶來的最大不確定性是涉水設備的接入。縣環保局擁有轄區內所有企業涉氣設備的安裝信息，此部分全部接入縣平臺。然而，涉水設備采取鼓勵性政策后，在縣平臺最終完成部署前，接入的數量不確定，為縣平臺開發、測試、部署帶來了一系列問題。

2 環保設備端統一數據架構模型

為減少縣平臺開發部署過程中的工作量，將從數據抽象的角度建立統一的、可以兼顧涉氣涉水兩類設備的架構模型。

2.1 典型涉氣涉水環保設備應用情況

以某縣轄區內設廠較多的電子類和化工類企業為例，企業生產過程中一般會產生大量廢水和廢氣，可在監測生產設備用電情況時查看環保處理設備的開啟情況，為分表計電系統的應用創造條件。典型廢氣處理流程示意圖如圖1所示。

圖1中，化工類企業在生產化工制劑時，大量富含有機物和顆粒物的廢氣同時產生。廢氣處理過程中，需要利用熱解焚燒爐將大分子有機物和可燃顆粒物進行降解。廢氣經冷卻后通過活性炭吸附裝置與布袋除塵器進行物理吸附，如未達到排放標準，重復上述步驟，廢氣指標達標后，排入大氣中。在廢氣處理流程中，圖1中的標號①②等處可以安裝計量用電表，③④兩處安裝的物理吸附裝置無直接電動部件，可安裝在對應設備的進風口或出風口位置，從而真實反映涉氣環保設備的污染氣體處理情況。

對于中等規模及以上企業，如在其生產過程中有廢水產生，需要在廠區內進行處理后排放或送至集中廢水處理廠。電子類企業的典型廢水處理流程如圖2所示[15]。

化工類廢水中含有較多有機化合物，需要經過無機催化+物理沉降+生物氧化+物理吸附的方式處理。鐵碳微電解反應器是一種利用鐵和碳作為電極，在水中進行微電解反應的裝置。在廢水處理工藝的反應過程中，鐵和碳電極上的電化學反應可以產生一系列氧化還原反應，有助于去除水中的有機物、重金屬離子等（此過程產生了電能的消耗）。在混凝沉淀池中，通過在混凝池中加入混凝劑（如鋁鹽或聚合物），可以使水中的懸浮物質和膠體顆粒凝結成較大的團塊，便于后續的沉降和過濾處理（此工藝無直接用電設備參與）。通常通過鼓風機抽入氧氣或者利用曝氣系統提高氧化池中水體的溶解氧含量，從而刺激氧化作用。氧化作用可以將有機物氧化成較為簡單的化合物或者將毒性物質轉化成無毒物質（此過程需要使用鼓風機，因此有電能的消耗）。二次沉淀池的主要作用是去除經氧化池或生物處理后仍然存在的懸浮物和渾濁物。吸附塔通常裝有吸附劑，如活性炭、樹脂等，可以吸附水中的溶解性有機物、重金屬離子等，將其從水中去除。最后兩步處理工藝屬于物理處理，無直接用電設備。在圖2所示的③④⑤部分，可以將電表安裝在進水口水泵處，以間接反映廢水的處理情況。

2.2 設備統一數據架構模型

雖然涉氣涉水環保設備處理污染物的實際工藝、反應原理各有不同，但都可以歸納為生產環節和環保治理環節兩部分，如圖3所示。

在圖3中第三象限所表示的廠區內，生產環節如果產生了有毒有害廢水廢氣，必須同步開啟環保治理設備。第四象限中，忽略具體的產品加工工藝后，生產設備是否開啟可以通過安裝監控生產的設備（A-Devs）來反映；同樣，環保設備是否開啟可以通過查看環保監控設備（B-Devs）的運行數據得知。兩類監控不同對象的設備統一將運行數據發送至一象限的縣平臺端，即可完成整體監控流程。

3 設備現場端改造方案

3.1 現場端設備已安裝情況

某縣轄區內的企業是否安裝有用電監控或環保監控設備，取決于企業的規模、建廠時間等因素，具體來說可以歸納成如下三種場景。

（1）場景A：大廠已安裝

此場景適用于規模較大的工廠企業。企業內部已安裝具備環境檢測能力的設備，如安裝廢水廢氣探測裝置（HJ212—2017協議）[16]或者具備用電監測功能的電表計量裝置（IEC101/104協議）[17]。在廠區信息部或者監控室，已安裝有監控設備運行的自動化平臺或系統。縣轄區內，部分大企業屬于場景A描述的情況，但總體數量偏少，改造方案相對簡單。

（2）場景B：中小廠半安裝

相較于場景A，場景B所代表的企業數量較多。此類企業一般是具有中小型規模的廠區，在生產設備側安裝有部分計量電表，但是電表不具備通信功能。在排污口處，安裝有廢水廢氣探測裝置。生產設備和環保治理設備都具備一定的監測能力，但二者并未形成閉環，且部分設備不具備遠程通信能力。

（3）場景C：新廠未安裝

場景C適用于近兩年新開設的工廠，工廠即將投產但未安裝相應的監測設備。疫情過后，近兩年經濟全面復蘇，新廠數量明顯增加，預計此場景接入設備的工作量較大。此部分的改造量相對較少，只需安裝具備通信功能的電表即可。

3.2 平臺接入改造方案

針對3.1節討論的三種場景，下文分別給出不同的平臺接入改造方案。

對于場景A而言，由于廠區內部已具備完備的廠內監控平臺，故改造方案原則上應最大限度利用已有設備。如圖4所示，左半部分為廠內已有設備，在經過縣環保局工作人員現場確認設備安裝情況后進行備案即可，無需進行大規模調整。改造工作集中在廠內平臺如何將數據傳送到縣平臺的過程中。考慮到現有物聯網技術應用成本下降，最簡單的方式是在廠內平臺加裝具備IoT通信功能的模塊，將數據直接轉發到縣平臺端。

不同于場景A的改造方案，在場景B的工廠內部，原有設備一般只具備現場顯示功能，不具備遠程通信能力。由于此場景內大多為中小型企業，廠區內設備數量相對較少，故采取圖5所示的單臺設備改造方案。

在已經安裝的設備中，有兩種情況需要改造：第一類情況，設備相對老舊，只具備顯示屏（HMI）接口，設備主板中并未留出數據擴展接口。調研后發現，主板與HMI通信使用的是通用Modbus協議，將原HMI通信線并聯擴展出一組接線，連接至IoT協議轉換及發送模塊，IoT模塊對縣平臺端的通信協議可選擇HJ212—2017或IEC101/104。采用此改造方案，單臺設備的改造成本可控制在100元以下，改造工期為1～2天/工人/臺。第二類情況，已安裝設備且年限較短，主板中預留有通信接口。改造方案為直接將擴展通信線連接至IoT規約轉換及發送模塊，由于減少了人為擴展線路的工作，此方案的單臺設備改造成本可控制在50元以下，改造工期lt;0.5天/工人/臺。總體而言，場景B中，改造方案成本相對較低，工期稍長。

場景C的改造僅涉及新安裝設備的情況，處理流程相對簡單。可具體細分為場景C.1和場景C.2，區分標準為新安裝設備的總數，10臺及以下的選擇應用C.1場景，10臺以上的選擇應用C.2場景。如圖6所示，如果新安裝設備數量較少，可在對應的生產或者環保治理環節安裝內置IoT通信模塊的計量電表，每臺電表單獨與縣平臺端通信。安裝單臺IoT電表的成本為200～300元，工期為1 h/工人/臺。場景C.2改造方案如圖7所示。

如廠區內設備較多，為降低成本，可將多臺設備的數據通過Modbus通信線收集后，經由IoT集中器轉發至縣平臺端。以擁有20臺設備安裝需求的廠區為例，單臺設備的安裝成本平均為160～180元，工期為1.5～2 h/工人/臺。如一次安裝數量有所增加，成本亦可相應降低。場景C的改造方案，設備安裝成本較高，但改造工期短。

4 異構型監控平臺的設計

4.1 通信方案的設計

在工業遠程無線通信規約中，縣平臺端考慮采用技術成熟、成本低且開發難度較小的兩種常見規約，即電力領域常用的IEC101/104協議和環保領域常用的HJ212—2017協議。相比較而言，IEC101/104協議處理流程相對復雜嚴謹，側重于用電量的計量讀取。縣平臺為完成其分表計電的功能，僅實現部分總招、單招和突發處理功能。HJ212—2017協議處理流程簡單，在本平臺中，重點監測設備的電壓、電流等信息，對于各種污染物的含量，本平臺不進行處理。具體通信方案設計如圖8、圖9所示。

根據IEC101/104協議規定，在固定時刻，平臺端對設備下發設備總招報文，設備收到后上傳數據。若某些設備長時間不上送數據，則平臺連發三次單招命令，如仍無回復報文，則判定設備離線。此流程如圖8虛線上方所示。如設備發生斷電重啟等突發情況，設備需主動上報斷電前的用電數據。

圖9闡釋了使用HJ212—2017協議的通信方案，與圖8相比，在固定時刻，平臺不會主動下發總招數據，需要設備主動上送。另外，由于HJ212—2017協議執行邏輯相對簡單，在突發數據上送業務流程中，僅支持設備啟停狀況的數據上送。

4.2 監控平臺總體架構

縣監控平臺總體架構設計如圖10所示。設備數據傳輸請求先經由前置機集群處理。前置機的作用是進行報文解析，將設備號、設備運行數據、時間等信息提取到共享內存中，交由后續的數據處理集群處理。

數據處理集群對生產設備、環保設備進行配對，監測開啟時間、運行狀況；確定生產設備運行期間環保設備是否依法開啟。如出現違規生產的情況，將產生報警信息，將數據傳送至功能集群。同時，數據計算完畢后，結果會被存至歷史庫服務器中，方便后續查詢。

功能服務器集群負責展示業務的實現，比如在非監控平臺的客戶端，可以通過Web訪問系統監控界面；安裝在執法人員手機端的APP負責實時推送企業報警信息，以及下發執法工單等；大屏監控負責展示相關信息，由環保局人員實時監控。

4.3 異構型前置機的設計

從4.2節通信方案中可以看出，縣平臺端的前置機集群需要處理兩種不同協議的報文。HJ212—2017協

議的格式為字符串+數字的組合形式。例如，報文“QN=20160801085857223；ST=91；CN=9012；PW=123456；MN=010000A8900016F000169DC0；Flag=4；CP=amp;amp;ExeRtn=1amp;amp;”為現場設備上送的應答報文。其中，關鍵信息如QN為時間戳，ST為污染物類型，MN為設備唯一標識符。報文解析主要涉及字符串拆分和數據類型轉換。IEC104報文為十六進制字符串的格式，例如，報文“68 12 04 00 02 00 0d 01 14 00 01 00 e8 03 00 00 00 b0 41 00”為設備上送的報文。其中，“68”為報文頭，“12”為十六進制的報文長度，隨后四個字節為4個控制域。

因此可以看出，處理IEC104報文的程序復雜程度明顯更高，涉及進制轉換、字符校驗、數據轉換、設備對應等步驟。在平臺開發階段，為處理不同的報文，需要開發出能夠處理兩種異構型報文的程序。經初步分析，縣區域內設備數量的規模資料，只需三臺前置機便能滿足集群接入要求。方案一對應的部署方案是前置機Front1開放Port1接口，專用于處理HJ212—2017協議；前置機Front2和Front3留出接口處理IEC101/104報文。由于前置機和處理規約剛性綁定，所以此方案命名為前置機集群剛性接入方案，具體如圖11所示。

與剛性接入方案相對應，柔性方案中不指定通信規約類型與前置機的綁定關系。設備接入請求通過部署在集群前段的Nigix程序進行負載分配；通信報文隨機分到后段的前置機中，根據不同報文種類進行處理。在部署測試中，考慮到Nigix程序運行耗費資源相對較少，不必為其單獨配置一臺服務器，故部署在Front1上。前置機集群柔性接入方案如圖12所示。

在開發階段，剛性接入方案中Front1只部署處理HJ212—2017協議程序，Front2和Front3部署處理IEC101/104協議程序，軟件開發工作量稍大。柔性接入方案只需開發一套處理協議報文的程序，報文的區分和處理通過程序內部邏輯即可實現。

5 測試與結論

在完成縣平臺端所有程序的開發后，考慮涉水設備不強制接入的政策，縣環保局決定采取靈活的分階段部署測試方案。初始部署階段規定時長45天，接入平臺的設備數量隨時間的變化如圖13所示。由于數據具有一定的敏感性，可以反映當地的工業分布情況，故圖示數據已進行脫敏處理，僅用于展示趨勢。

從圖13可以看出，設備接入平臺數量增長階段大概分成三部分。總的來看，除第1階段外，使用IEC101/104協議的設備接入數量和增長率均高于使用HJ212—2017協議的設備。這反映出該縣區域內新建企業數量較多，新廠均采取了3.2節中所述的場景C改造方案。階段1大概持續到第12天，階段2涵蓋第13天至第30天，階段3反映30天后的情況。以時間劃分，下文討論采用不同剛性方案與柔性方案情況下，前置機集群各服務器的平均負載情況。

從圖14可以看出，隨著接入設備的增多，三個前置機服務器負載率相應增加。在各階段，處理IEC101/104協議的兩臺服務器負載率明顯比Front1高，造成這一現象的原因一方面是使用HJ212—2017協議的設備數量較少，另一方面是HJ212—2017處理規則相對簡單，服務器計算任務較少。具體來說，階段1可接入新設備數量較少，各臺服務器的負載率都處于40%以下。階段2設備數量猛增導致Front2和Front3負載率上升到60%左右，Front1依然保持10%以下的低位運行狀態。階段3隨著接入設備數量趨近飽和，各前置機服務器達到最大負載狀態，處理IEC101/104規約的兩臺服務器負載率在90%左右，而Front1依舊維持25%以下的低負載運行狀態。從剛性方案的運行情況可以看出，此方案設計不甚合理，三臺服務器負載不均衡：Front1處于算力閑置的狀態，Front2和Front3處于算力緊張的狀態且有一定宕機風險。

在采用柔性接入方案后，從圖15可明顯看出，三臺前置機服務器的負載分配較平均。Front1負載稍高的原因是Nigix程序部署在其上，占用了一定資源。經過對比分析后，可看出縣平臺端采用柔性前置機接入方案效果較為理想。

6 結 語

本文根據某縣區域內不同廠家現場設備的安裝情況，提出針對性的設備改造接入方案，并設計出同時處理IEC101/104和HJ212—2017兩種協議的異構型通信規約監控平臺。在部署測試階段，進行了剛性接入方案和柔性接入方案的對比測試，得出柔性接入方案在負載率均衡性上優勢較高的結論。本文的設計對類似規模監控平臺的部署開發具有一定的參考意義。

注：本文通訊作者為張偉。

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作者簡介：左恒銘（1997—），男，甘肅慶陽人，助理實驗員，研究方向為軟件工程。

張 偉（1988—），男，河北定州人，碩士，講師，研究方向為算法設計與分析、人工智能與大數據。

王 芳（1985—），女，天津人，碩士，副教授，研究方向為人工智能。

鄭國鴻（2001—），男，四川綿陽人，研究方向為計算機科學與技術。

楊國慶（2002—），男，河南信陽人，研究方向為計算機科學與技術。

竇藝靈（2004—），女，河南鄭州人，研究方向為計算機科學與技術。

楊 亮（2003—），男，甘肅武威人，研究方向為計算機科學與技術（軟件技術）。

收稿日期：2024-04-27 修回日期：2024-05-31

基金項目：全國高等院校計算機基礎教育研究會項目（2023- AFCEC-38）；北京科技大學天津學院一流課程建設項目（YLKC202108）；天津市大學生創新創業計劃項目（202313898039）