空气质量监测系统数据完整性研究

摘要：空气质量监测指对存在于空气中的污染物进行定点、连续或定时的采样和测量，并将监测发送到监控中心，加以分析并得到相关的数据[1]。该文主要介绍城市空气质量在线监测系统的数据完整性研究，系统的分析了影响数据完整性的因素，并提出了相应的解决方案。该研究方案解决了空气质量在线监测系统中经常出现的监测数据丢失、损害的问题，并且能够方便、有效地运用到其他环保监控系统中。

关键词：空气质量监测；完整性；PM2.5；PM10

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）19-4555-04

空气是一种重要的公共资源。近年来，随着公众环保意识的逐步增强，以及雾霾天气的增多，空气质量已成为一项全民关注的民生话题。特别是被称为“灰霾元凶”的空气污染物PM2.5 （又称“可入肺颗粒物”），更是受到公众广泛、持续的关注。

2012年底，多个城市正式对外发布PM2.5空气质量因子的监测信息，公众可以通过网络在线查看实时和历史空气质量监测信息，包括臭氧、一氧化碳、二氧化硫、二氧化氮、PM10及PM2.5六种污染物监测信息。那么，为了使市民能够及时了解空气污染物监测信息，就需要多方面考虑，确保监测数据的完整、准确。

1 系统组成

每个城市空气质量监测站点一般有多个，站点选址考虑的重点是代表性，有学校、医院、工厂，也有一些设在人口密集的地区，以真实反映城市的环境状况。在这些站点中，要有一个基准站点、一个国控站点。

监控站点需要分布在市区各个方位，站点的位置比较分散，站点附近环境一般比较复杂，因此使用环保专网，将各个站点连接到城市环保局监控中心。系统采用C/S架构模式，从底层逐级向上分为现场机、传输网络和上位机三个层次。上位机通过传输网络与现场机交换数据、发起和应答指令。空气质量在线监测系统架构[2]如图1所示。

1.1 现场机

安装在空气质量监控现场，用于监控、检测空气质量状况并完成与上位机的数据通讯传输。包括前端监控仪器（六种污染物监测因子的检测设备、风速与风向检测设备）、视频监控设备、UPS、数据采集传输设备、无线传输设备等，简称现场机。

数据采集仪器从前端监控仪器得到检测数据，打包加密之后上传给上位机。上传方式分为两种：通过环保专网（有线）传输和CDMA（无线）传输。其中有线传输是常用方式，如果有线传输存在故障，启用备用的无线传输方式。

监控现场还装备有视频监控设备，方便工作人员获取监控现场的视频信号，并且方便调试人员远程读取前端监控仪器的数据，与上位机的数据进行比对、调试。

1.2 传输网络

包括环保专网（有线）和CDMA（无线）两种方式。环保专网是常用传输网络，CDMA是备用传输网络。其中国控的监控站点，还要将监控数据通过CDMA传输方式上传到环保部。

1.3 上位机

安装在环保局监控中心，可以通过传输线路与现场机连接，对其发出查询和控制指令。包括应用服务器、数据库服务器、数据库备份服务器、WEB服务器、监控客户端等，简称上位机。

应用服务器负责与上位机通信、解密数据包并将数据写入到数据库或磁盘文件中；数据库服务器中保存有监测数据以及基本的配置信息；WEB服务器主要功能是提供网上监控信息浏览、查询；监控客户端可以实时查看接收到的监控数据和调试数据，并可获取现场视频信号。

2 通信协议

2.1 协议层次

本系统的数据传输通信协议对应于ISO/OSI定义的7层协议的应用层，在基于不同传输网络的现场机与上位机之间提供交互通讯。

应用层依赖于所选用的传输网络，在选定的传输网络上进行应用层的数据通讯，在基础传输层已经建立的基础上，整个应用层的协议和具体的传输网络无关。通信协议结构如图2所示。

2.2 协议数据结构

所有的通讯包都是由ACSII码字符组成（CRC校验码除外）。数据包分为包头、数据段长度、数据段、CRC校验部分、包尾。其中数据段又分为指令和数据两种模式，指令模式是上位机发送给现场机的通讯包、数据模式是现场机发送给上位机的通讯包[3]。协议数据结构如图3所示。

3 数据完整性

对数据完整性来说，危险常常来自一些简单的软件设计考虑不周、人为的错误判断或设备出错等导致的数据丢失、损坏。而数据完整性的目的就是保证计算机系统，或计算机网络系统上的信息处于一种完整和未受损坏的状态。这意味着数据不会由于有意或无意的事件而被改变或丢失。数据完整性的丧失意味着发生了导致数据被丢失或被改变的事情。为此，首先应检查导致数据完整性被破坏的原因，以便采用适当的方法予以解决，从而提高数据完整性的程度。

针对空气质量监控系统，影响数据完整性的因素有很多种，大致可分为现场机方面、传输网络方面、上位机方面、通信协议设计等影响因素。这不但要在技术方面进行消除，在监控系统的制度建设方面也要尽量考虑到数据完整性问题。

3.1 现场机的数据完整性

3.1.1 监控现场断电

监控现场因故断电，短时间内可以使用UPS继续供电。当现场设备检测到供电系统转换为UPS供电后，能够向监控中心发送断电报警，因为监控站点都是在市区内，距离较近，环保部门要求系统维护人员在断电4小时内必须到达监控现场。因各种原因导致长时间断电的监控站点要通报批评。

3.1.2 前端仪器故障

系统发出前端仪器故障报警，系统维护人员在断电4小时内必须到达监控现场，解决故障。

3.1.3 采集传输仪器故障

数据会保存在前端仪器内部，采集传输仪器故障排除之后，系统自动将保存在前端仪器内部的检测数据补传到监控中心[4]。

3.2 传输网络的数据完整性

3.2.1 环保专网故障

当系统检测到环保专网出现故障，无法正常传输数据时，系统自动将通信模式切换到CDMA无线网络，这样能够使监控数据及时传送到监控中心。环保专网故障消除后再切换回来。

3.2.2 环保专网和CDMA网络均出现故障

当环保专网和CDMA网络均出现故障，现场机的采集传输仪器将监测数据暂时保存在本地的小型数据库中，并标记为未传送状态。一旦检测到环保专网和CDMA网络任一网络正常[5]，就将本地数据库中未传递的数据发送到监控中心，发送成功的数据从本地数据库中删除。

3.3 上位机的数据完整性

3.3.1 应用服务器故障

应用服务器故障包括：应用服务器死机、应用服务器软件不能正常工作、连接应用服务器的环保局内部网络故障、应用服务器断电等情况。应用服务器出现故障之后，现场机就无法与监控中心通讯，现场机的采集传输仪器将监测数据暂时保存在本地的小型数据库中，应用服务器故障排除后，现场机将本地数据库中未传递的数据发送到监控中心。

3.3.2 数据库服务器故障

数据库服务器发生故障时，应用服务器将写入数据源指向备份数据库服务器，并将接收到的数据保存在备份数据库服务器中。WEB服务器的数据源也要指向备份数据库服务器。当数据库服务器故障排除之后，将备份数据库服务器中的数据同步到数据库服务器，同步完成之后，将应用服务器的写入数据源和WEB服务器的数据源都指向数据库服务器。

3.3.3 数据库及备份数据库服务器均出现故障

两个数据库都出现故障时，应用服务器将接收到检测数据写入到本地的磁盘文件中，这些磁盘文件要遵循一定的命名格式和磁盘保存路径格式，并要对写入数据进行加密。数据库故障排除之后，将磁盘文件记录的数据导入到两个数据库中。

3.4 通信协议的数据完整性

3.4.1 CRC校验

应用服务器接收到现场机上传的监测数据后，首先进行CRC校验，校验通过并成功写入到数据库中后，向现场机发送上传成功回应；如果没有通过CRC校验，发送上传失败回应，请求重发数据。

3.4.2 超时重发机制

现场机发送的数据在规定的时间未收到回应，认为超时。超时后重发，重发规定次数后仍未收到回应认为通讯不可用，通讯结束，将本次未发送的检测数据保存在现场机本地数据库中。超时时间可以根据具体的通讯方式自定义，无线传输模式时，超时时间定义的较长。超时重发次数可以根据具体的通讯方式和任务自定义。

3.4.3 网络连接重发机制

当现场机成功连接到上位机，将本地数据库保存的未成功上传的数据重新发送到上位机，可以设置每隔几秒发送一条以前未上传成功的数据，避免同时发送造成的网络拥塞。重发数据发送成功后，现场机将其从本地数据库中删除本条数据。

3.4.4 远程提取机制

上位机可以根据需要，从通过现场机远程提取未上传成功的监测数据。

4 结论

本文分析了影响空气质量监测数据完整性的因素，并通过制度建立和计算机技术两方面探索解决方法。目前郑州市空气质量监控系统已经部分使用的本文提出的解决方案，实践证明，该方案能够较好的解决监控系统数据完整性问题，具有良好的实用性。但是本方案不能很好的解决前端仪器故障产生的数据丢失问题，后续要针对此问题进行深入研究。通过该系统的研究实现，为其他环保监控系统（辐射监控系统、污染源监控系统、固体废物监控系统等）提供了很好的参考思路。

参考文献：

[1] 叶红梅.大气监测方法对测定值的影响及评价[J].滁州学院学报，2004（3）.

[2] 苗付友.大气监测网络通信系统设计与实现[J].环境监测管理与技术，1999（5）.

[3] 环境保护行业标准HJ/T212[Z].国家环保部，2005.

[4] GA/T 669-2006.城市监控报警联网系统通用技术要求[S].2006.

[5] 朗锐，罗发根.Visual C++网络通信程序开发指南[M].北京：机械工业出版社，2004.