四信IP MODEM在污染源在线自动监控系统中的应用
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1．行业背景
1.1．现状
随着工业化生产的发展，人类赖以生存的环境正遭受前所未有的挑战，由于我们生产时向空气中排放的气态污染物如硫氧化物、氮氧化物使得我们呼吸的空气日趋污浊；工业污水的大量任意排放，水资源受到严重的污染；城市噪音污染日益严重等对人类健康和生态环境都带来了极大的危害。“保护环境，净化地球”成了一件亟待解决的头等大事，是关系到子孙后代刻不容缓的大事。人类需要发展，但是发展的前提是不损伤我们赖以生存的环境。因此如何保护我们赖以生存的环境是人类必须关注的首要大事。
1.2．需求分析
为了保护环境，建设绿色家园，建立完整的污染源监测系统是非常必要的。近年来，我国的环境保护工作取得重要进展，但是环境形势依然严峻，我国的污染源监控信息化建设不仅起点低，覆盖面小，而且整体水平不高。已安装的污染源自动监控设备与环保部门的联网率不高，地方环保部门无法看到污染源自动监控设备采集的数据，国家环保部等上级环保部门无法看到下级环保部门对已监控企业污染物排放的情况。以在线自动分析仪器为核心，以移动通讯为传输媒介，运用现代传感技术、自动测量技术、自动控制技术、信息技术以及相关的监控分析软件和通迅网络所组成的一个综合性的在线自动监测系统是建立环境监测系统的重要发展方向。
2．污染源在线自动监控系统的设计及开发
2.1．方案设计简介
污染源在线监测系统是环保监测与环境预警的信息平台。系统采用先进的无线网络，涵盖水质监测、烟气自动监测、空气质量监测、环境噪声监测以及视频监测等多种环境在线监测应用;系统以污染源在线监测为基础，充分贯彻总量管理、总量控制的原则，包含了环境监理信息系统的许多重要功能，充分满足各级环保部门环境信息网络的建设要求，支持各级环保部门的环境监理与环境监测工作，满足不同层级用户的管理需求。
整个系统充分体现总量控制的原则，为管理提供依据，为决策提供支持，各种的统计分析报表和图表上都能分类汇总得到每种污染物的排放量，根据污染物的核定排污总量可以直观的对比分析，跟踪每种污染物的排放总量的发展变化趋势曲线，得出是否超过核定值的结论，同时结合目前企业的状况以及历史同期数据的比对分析，对于排放总量趋势发展将要超过核定值的状况给予预警，充分体现管理企业，为企业服务的宗旨。汇总统计区域内所有污染物排放总量，掌握和量化污染物的排放趋势，为区域内控制污染物排放总量提供技术支持，为环保部门现场执法和排污收费提供依据。
2.2污染源在线自动监控系统建设目标
★ 基于污染源在线自动监控(监测)系统数据传输标准 ，实现现场监测站与环保局中心站的标准数据传输；
★ 环保局中心站在线动态增加现场监测站的能力；
★ 现场监测站的历史数据存储与上传能力 环保局中心站的历史数据召唤与解析、插入存储能力。此两种能力解决了现场断线后，环保局中心站的数据完整性问题；
★ 环保局中心站对数据存储的长时间、高精度(ms级)、多点并发及压缩能力等功能要求；
★ 环保局中心站的B／S体系结构，降低客户端软件安装配置的复杂度。
2.3 系统网拓扑图
污染源在线自动监控系统从底层向上可分为污染源现场监测站、传输网络和环保局中心站3 个层次（如上图所示）。
1） 现场监测站位于各个污染源现场监测点，又可分为现场仪表、现场通信网络、数据采集传输服务器、无线传输终端等组成，主要完成数据的采集和处理、GPRS终端组网，完成数据采集、分析、GPRS网络接入、无线透明传输链路建立等工作。
2） 传输网络负责将污染源现场监测站的数据传输到环保局中心站，属于传输介质；
3） 环保局中心站它通过网络传输层和现场层相互通讯，交换数据、指令下达，以实现对现场层的集中远程监控，并且可以通过其软件接口与视频系统、GIS系统进行无缝结合。
2.4 现场监测站
现场通信网络负责将仪表采集到的数据汇总到数据采集传输服务器。标准RS232/485 电气接口，支持Modbus 通信协议及非标准通讯协议的开发。数据采集传输服务器负责对实时数据进行汇总、分析、存储 并负责与传输模块F2103 GPRS DTU通讯。
传输模块F2103实现数据采集服务器与环保局中心站的无线组网，从而实现数据采集服务器与环保局中心站之间的数据交互。
传输终端还提供主备数据中心和多数据中心链接方式和多种激活方式、支持APN组网等功能，是可以做到数据安全可靠的传输，同时也是整个系统的关键部分。
2.5 环保局中心站
环保局中心站由实时数据库、关系数据库、Web服务器和实现各种查询、分析功能的客户端软件构成。
2.5.1环保中心实时数据库
环保中心实时数据库负责汇集来自各现场监测站的实时数据，为客户端提供实时、可靠、安全的数据，并且给中心的关系数据库提供有效的数据。实时数据库是一个高性能、高速度、高吞吐能力、可靠性强、跨网络系统的开放式实时数据库系统，产品为完全的分布式结构，可任意组建应用模式；支持C/S和B/S应用；它可以提供丰富的企业级信息系统客户端应用和工具；大容量支持企业级应用，内部实现高数据压缩率，可实现历史数据的海量存储，灵活的扩展结构可满足各种需求，具备广泛的安全性和可跟踪性。
2.5.2客户端软件
客户端全面监测企业污染物排放状况，将企业现场的实时画面传送到环保局。
◆实时监控管理
实现污染源可视化管理实现了对污染源的全面、实时、网络化的监测体系。只需观察屏幕上各个企业的图标样式或颜色即可了解所有企业各个污染物排放口的设备运行情况；同时还可以通过表格和曲线浏览企业污染物排放的详细监测数据。这使得工作人员在同一个用户界面即可将所有企业所有排污口的设备运行状况、污染物排放浓度、流量、排放量等信息尽收眼底。
◆ 强大的报警与预警功能
以声音、图标颜色变化、表格中数值的颜色、手机短信（向预先设定的手机上发送相应的报警信息）等形式提供多样化的报警功能。精确地给出具体的超标数值，超标时间，超标排放量、超标排放介质量，为强化监理工作提供了详实可靠的依据。
◆ 数据的统计与分析
将污染源在线监测数据和报警信息进行全方位多角度的分类汇总与统计分析，充分满足各种统计要求。以图标、表格、图形等丰富多样的形式实时展现各排污口设备的运行状况、污染物排放浓度、流量、排放量等信息，以及污染物排放口的发展趋势与动态。从多种角度和层面来统计分析监测数据，提供全面的报表和统计图表。可以按辖区、按行业种类、按污染物种类等多种分类方式，生成统计分析报表和统计图表。
◆ 与地理信息系统(GIS)无缝集成
本系统将地理信息系统(GIS) 融入其中,利用GIS 强大的地理信息分析功能,结合环境数学模型,实现基于地理信息基础上的数据查询、统计、环境制图、显示等功能以及污染源分析、区域环境评价、预警应急、环境决策管理等
◆ 系统管理
系统管理的主要功能有:用户帐号的管理、监测元素管理、污染行业管理、监测仪器管理、监测任务管理等等。
本系统为了保障系统数据的安全性，对于用户的权限将做细致的区分，首先用户按其的行政级别有一个基本的权限，如市级用户可以查询全市污染企业的排污情况，区镇级用户可以查询其辖区范围内的污染企业的排污情况。在此基础上，每个用户又根据其的工作性质得到相应的使用权限，如只读权限将让用户只能够查找信息而不能对资料进行任何的修改，而编辑权限将让用户对其所辖企业的信息有修改等所有的权限。
2.6 传输网络
依据不同传输网络，基础传输层可有两类实现方式：
一类是基于TCP/IP 协议的，如通用无线分组业务（General Packet Radio Service 缩写GPRS）、非对称数字用户环路（Asymmetrical Digital Subscriber Loop 缩写ADSL）等。另一类是基于非TCP/IP 协议的，如：公共电话交换网（Public switched telephone network 缩写PSTN）、短消息数据通讯等。
由于监测点区域分散，分布范围广，而且大多设置在环境较恶劣的地区，本方案采用GPRS无线网络进行无线数据传输、采用厦门四信公司F2103 GPRS IP Modem作为无线组网设备。污染监测设备将采集到的污染数据和告警信息，通过RS232发送到IP MODEM,IP MODEM 通过GPRS网络，及时发送到环保监察部门，可以实现对排污单位或个人的及时管理，大大提高了工作效率，为环境保护提供了崭新方式。
3.总结
将自动控制、网络通信、计算机以及GIS 等信息技术引入环境监测领域,采用工业级的四信F2103 GPRS IPMODEM(GPRS DTU)无线传输模块、组建包括污染源在内的各环境要素在线监测系统,实现污染源在线监测系统的开发与建设,对重点污染源进行连续实时监测,动态掌握重点污染源企业的排污及超标情况,对加强重点污染企业、流域污染物排放的监督、总量控制、防止重大污染事故的发生,提高我国环境监测信息化水平以及环境决策与管理能力等都具有重大意义。
1.1．现状
随着工业化生产的发展，人类赖以生存的环境正遭受前所未有的挑战，由于我们生产时向空气中排放的气态污染物如硫氧化物、氮氧化物使得我们呼吸的空气日趋污浊；工业污水的大量任意排放，水资源受到严重的污染；城市噪音污染日益严重等对人类健康和生态环境都带来了极大的危害。“保护环境，净化地球”成了一件亟待解决的头等大事，是关系到子孙后代刻不容缓的大事。人类需要发展，但是发展的前提是不损伤我们赖以生存的环境。因此如何保护我们赖以生存的环境是人类必须关注的首要大事。
1.2．需求分析
为了保护环境，建设绿色家园，建立完整的污染源监测系统是非常必要的。近年来，我国的环境保护工作取得重要进展，但是环境形势依然严峻，我国的污染源监控信息化建设不仅起点低，覆盖面小，而且整体水平不高。已安装的污染源自动监控设备与环保部门的联网率不高，地方环保部门无法看到污染源自动监控设备采集的数据，国家环保部等上级环保部门无法看到下级环保部门对已监控企业污染物排放的情况。以在线自动分析仪器为核心，以移动通讯为传输媒介，运用现代传感技术、自动测量技术、自动控制技术、信息技术以及相关的监控分析软件和通迅网络所组成的一个综合性的在线自动监测系统是建立环境监测系统的重要发展方向。
2．污染源在线自动监控系统的设计及开发
2.1．方案设计简介
污染源在线监测系统是环保监测与环境预警的信息平台。系统采用先进的无线网络，涵盖水质监测、烟气自动监测、空气质量监测、环境噪声监测以及视频监测等多种环境在线监测应用;系统以污染源在线监测为基础，充分贯彻总量管理、总量控制的原则，包含了环境监理信息系统的许多重要功能，充分满足各级环保部门环境信息网络的建设要求，支持各级环保部门的环境监理与环境监测工作，满足不同层级用户的管理需求。
整个系统充分体现总量控制的原则，为管理提供依据，为决策提供支持，各种的统计分析报表和图表上都能分类汇总得到每种污染物的排放量，根据污染物的核定排污总量可以直观的对比分析，跟踪每种污染物的排放总量的发展变化趋势曲线，得出是否超过核定值的结论，同时结合目前企业的状况以及历史同期数据的比对分析，对于排放总量趋势发展将要超过核定值的状况给予预警，充分体现管理企业，为企业服务的宗旨。汇总统计区域内所有污染物排放总量，掌握和量化污染物的排放趋势，为区域内控制污染物排放总量提供技术支持，为环保部门现场执法和排污收费提供依据。
2.2污染源在线自动监控系统建设目标
★ 基于污染源在线自动监控(监测)系统数据传输标准 ，实现现场监测站与环保局中心站的标准数据传输；
★ 环保局中心站在线动态增加现场监测站的能力；
★ 现场监测站的历史数据存储与上传能力 环保局中心站的历史数据召唤与解析、插入存储能力。此两种能力解决了现场断线后，环保局中心站的数据完整性问题；
★ 环保局中心站对数据存储的长时间、高精度(ms级)、多点并发及压缩能力等功能要求；
★ 环保局中心站的B／S体系结构，降低客户端软件安装配置的复杂度。
2.3 系统网拓扑图
1） 现场监测站位于各个污染源现场监测点，又可分为现场仪表、现场通信网络、数据采集传输服务器、无线传输终端等组成，主要完成数据的采集和处理、GPRS终端组网，完成数据采集、分析、GPRS网络接入、无线透明传输链路建立等工作。
2） 传输网络负责将污染源现场监测站的数据传输到环保局中心站，属于传输介质；
3） 环保局中心站它通过网络传输层和现场层相互通讯，交换数据、指令下达，以实现对现场层的集中远程监控，并且可以通过其软件接口与视频系统、GIS系统进行无缝结合。
2.4 现场监测站
现场通信网络负责将仪表采集到的数据汇总到数据采集传输服务器。标准RS232/485 电气接口，支持Modbus 通信协议及非标准通讯协议的开发。数据采集传输服务器负责对实时数据进行汇总、分析、存储 并负责与传输模块F2103 GPRS DTU通讯。
传输模块F2103实现数据采集服务器与环保局中心站的无线组网，从而实现数据采集服务器与环保局中心站之间的数据交互。
传输终端还提供主备数据中心和多数据中心链接方式和多种激活方式、支持APN组网等功能，是可以做到数据安全可靠的传输，同时也是整个系统的关键部分。
2.5 环保局中心站
环保局中心站由实时数据库、关系数据库、Web服务器和实现各种查询、分析功能的客户端软件构成。
2.5.1环保中心实时数据库
环保中心实时数据库负责汇集来自各现场监测站的实时数据，为客户端提供实时、可靠、安全的数据，并且给中心的关系数据库提供有效的数据。实时数据库是一个高性能、高速度、高吞吐能力、可靠性强、跨网络系统的开放式实时数据库系统，产品为完全的分布式结构，可任意组建应用模式；支持C/S和B/S应用；它可以提供丰富的企业级信息系统客户端应用和工具；大容量支持企业级应用，内部实现高数据压缩率，可实现历史数据的海量存储，灵活的扩展结构可满足各种需求，具备广泛的安全性和可跟踪性。
2.5.2客户端软件
客户端全面监测企业污染物排放状况，将企业现场的实时画面传送到环保局。
◆实时监控管理
实现污染源可视化管理实现了对污染源的全面、实时、网络化的监测体系。只需观察屏幕上各个企业的图标样式或颜色即可了解所有企业各个污染物排放口的设备运行情况；同时还可以通过表格和曲线浏览企业污染物排放的详细监测数据。这使得工作人员在同一个用户界面即可将所有企业所有排污口的设备运行状况、污染物排放浓度、流量、排放量等信息尽收眼底。
以声音、图标颜色变化、表格中数值的颜色、手机短信（向预先设定的手机上发送相应的报警信息）等形式提供多样化的报警功能。精确地给出具体的超标数值，超标时间，超标排放量、超标排放介质量，为强化监理工作提供了详实可靠的依据。
◆ 数据的统计与分析
将污染源在线监测数据和报警信息进行全方位多角度的分类汇总与统计分析，充分满足各种统计要求。以图标、表格、图形等丰富多样的形式实时展现各排污口设备的运行状况、污染物排放浓度、流量、排放量等信息，以及污染物排放口的发展趋势与动态。从多种角度和层面来统计分析监测数据，提供全面的报表和统计图表。可以按辖区、按行业种类、按污染物种类等多种分类方式，生成统计分析报表和统计图表。
本系统将地理信息系统(GIS) 融入其中,利用GIS 强大的地理信息分析功能,结合环境数学模型,实现基于地理信息基础上的数据查询、统计、环境制图、显示等功能以及污染源分析、区域环境评价、预警应急、环境决策管理等
系统管理的主要功能有:用户帐号的管理、监测元素管理、污染行业管理、监测仪器管理、监测任务管理等等。
本系统为了保障系统数据的安全性，对于用户的权限将做细致的区分，首先用户按其的行政级别有一个基本的权限，如市级用户可以查询全市污染企业的排污情况，区镇级用户可以查询其辖区范围内的污染企业的排污情况。在此基础上，每个用户又根据其的工作性质得到相应的使用权限，如只读权限将让用户只能够查找信息而不能对资料进行任何的修改，而编辑权限将让用户对其所辖企业的信息有修改等所有的权限。
2.6 传输网络
依据不同传输网络，基础传输层可有两类实现方式：
一类是基于TCP/IP 协议的，如通用无线分组业务（General Packet Radio Service 缩写GPRS）、非对称数字用户环路（Asymmetrical Digital Subscriber Loop 缩写ADSL）等。另一类是基于非TCP/IP 协议的，如：公共电话交换网（Public switched telephone network 缩写PSTN）、短消息数据通讯等。
由于监测点区域分散，分布范围广，而且大多设置在环境较恶劣的地区，本方案采用GPRS无线网络进行无线数据传输、采用厦门四信公司F2103 GPRS IP Modem作为无线组网设备。污染监测设备将采集到的污染数据和告警信息，通过RS232发送到IP MODEM,IP MODEM 通过GPRS网络，及时发送到环保监察部门，可以实现对排污单位或个人的及时管理，大大提高了工作效率，为环境保护提供了崭新方式。
3.总结
将自动控制、网络通信、计算机以及GIS 等信息技术引入环境监测领域,采用工业级的四信F2103 GPRS IPMODEM(GPRS DTU)无线传输模块、组建包括污染源在内的各环境要素在线监测系统,实现污染源在线监测系统的开发与建设,对重点污染源进行连续实时监测,动态掌握重点污染源企业的排污及超标情况,对加强重点污染企业、流域污染物排放的监督、总量控制、防止重大污染事故的发生,提高我国环境监测信息化水平以及环境决策与管理能力等都具有重大意义。
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