在线水质监测分析和预警指挥系统的设计

蒋爱华,叶柏龙,张 蓉

（1.中南大学 能源科学与工程学院，湖南 长沙 410083； 2.中南大学 软件学院，湖南 长沙 410083；3.湖南大学 信息科学与工程学院，湖南 长沙 410082)

近年来，随着工、农业生产的发展,越来越多的外源污染物直接或间接排放进入水环境，使我国水污染事件频繁发生，已经直接影响到生活用水和城市集中供水的安全，对人民群众的健康造成严重威胁。特别是一些突发性水污染事故的发生，造成了重大经济损失和严重社会影响。良好的源水水质是供水安全的前提，为了保障源水水质安全，尽可能地降低突发性水污染事件所带来的危害，迫切需要建立水质监测分析和预警系统。

由于水质信息具有时效性强的特点，特别是水质预警预报要求快速、准确、实时地采集和传递监测信息。传统的监测技术已无法满足水资源保护的多方位、高水平、实时性的要求。本系统在总结现有技术的基础上，利用先进的GIS技术[1]，以在线自动分析仪器为核心，运用现代传感器技术、自动测量技术、自动控制技术、计算机应用技术以及无线通讯网络所组成的一个综合性的在线自动监测分析和预警指挥系统，能连续、实时、准确地监测目标水域的相关水质参数及其变化状况，在发生特定状况时实现自动预警指挥[2]。

1 系统结构图及各部分设计

本系统基于GIS地理信息系统，实现对水质监测[3]分析，从视频监测、数据采集、数据传输处理、数据展现、数据分析、评价评估、预警预报、应急指挥的全流程管理。整个系统由3个部分组成，包括水质监测采集终端、数据传输系统、监测中心。系统整体结构图如图1所示。

采集终端采用嵌入式实时多任务操作系统，集成GPS模块、视频监控模块和数据采集模块，数据采集模块读取水质监测传感器信息和自身的监控视频信息，通过内置的无线通信模块，实时传送监测到的数据。

1.1 硬件平台设计

图1 系统整体结构图Fig.1 Structure diagram of the overall system

采用基于ARM1176JZF-S内核的S3C6410作为系统的嵌入式处理器。使用128 MB的DDRAM作为内存储器，满足操作系统内核及应用程序运行的空间要求。使用256 MB的NAND FLASH作为外部存储器，负责保存启动代码、操作系统内核映像、根文件系统和其他系统文件。考虑水质监测数据等长时间存储的需要，提供SD卡扩展接口，USB设备扩展接口连接无线外围设备，用于无线传输，USB Host接口还可用于向FLASH中读写数据。使用带触摸屏的TFT-LCD，实时显示水质监测数据，提供图形界面方便用户控制。系统电源以12 V太阳能蓄电池为主要供电方式，同时提供直流调压器、复位电路 。此外还包括DM9000 10M/100M自适应网卡扩展设备上网功能、用于系统调试的JTAG接口及其他各类功能要求扩展的外部设备。硬件平台组成如图2所示。

图2 硬件平台组成图Fig.2 Constitutional diagram of hardware platform

1.2 软件设计

依据功能将软件平台层次分为硬件抽象层HAL/BSP、嵌入式操作系统Kernel、设备驱动层、中间件层、应用平台层和应用层等。软件平台的体系结构组成如图3所示。

图3 终端软件平台体系结构图Fig.3 System structure of terminal software platform

各部分功能：

1）BSP：负责系统的初始化和操作系统内核的启动。

2）Linux Kernel：负责处理器管理、存储器管理和进程调度等。

3）中间件层：filesystem对系统中包含的大量各种文件进行管理。GUI负责实时监测数据的显示和历史记录的查询等涉及复杂图形图像处理的应用。

4）用户应用程序层：负责具体的业务逻辑，实现系统各项应用功能需求。在本终端中该层最主要的就是实现水质监测数据的采集、处理、存储、查询、传输以及视频监控等。

1.3 数据传输

为解决采集监测点分布广、地域宽、网络条件差等问题，整个系统使用了无线传输系统，嵌入式终端使用了多模式无线通讯模块，能够通过3G网络、GPRS网络[4]与监测中心进行传输。对于无线网络无法覆盖的地区，可以通过部署WIFI基站和ZIGBEE5[5-6]来实现通讯。

对于区域内多采集点，或是同一条河流连续间隔多个采集点，采集点之间可以通过WIFI通讯盒和ZIGBEE组网方式进行通讯，由一台主采集机通过无线与监测中心进行通讯。示意图见图4。

图4 多模式传输通讯示意图Fig.4 Multimodal transport communication diagram

2 监测中心

监测中心主要负责数据的处理与展现。首先通过建立水质监测的指标体系对各类监测数据进行分类和统一标识管理；采用GIS地理信息系统来显示各监测点和采样点的分布情况和实时水质状态；大屏监控系统可以实时监控各监测点的环境状况和水质情况；监测中心建立了水质管理的数据分析模型，对采集的数据按主题分类和专题处理，做出评估评价；并能根据预设的指标上、下限制进行及时的预报预警；对于异常数据和突发事件，监测中心能及时启动应急指挥系统，根据已有预案做出处置，实现水质从监测、数据上报、数据分析、水质评价的全流程管理。

2.1 GIS地理信息水质监测可视化展示系统

整个系统由数据库、GIS可视化界面以及水质模型组成。系统框图如图5所示。

图5 可视化界面系统框图Fig.5 Diagram of the system visual interface

各部分功能：

1）空间数据库管理GIS的各种空间数据，包括地形图、嵌入式系统终端、污染源等对象的地理位置坐标、形状等。

2）非空间数据库通过SQL数据库来实现，管理各种非空间属性数据，包括水质监测数据（如河流流量、流速、溶解氧DO等）、统计数据、社会属性数据（如经济状况、工业布局、水体水质标准等）等。

3）GIS可视化界面通过数据库提供的各种标准数据库接口，读取数据库中的空间数据和非空间数据，并通过空间数据与非空间数据之间的关联作用，在GIS界面进行共同分析和显示等处理。

2.2 水质评估评价系统

水质评估评价系统主要是通过对数据的分析，对水质作业实时评价和评估，水质评估评价流程主要包括一下两点。

1）评价预测因子的选取

在国家地下水环境标准中选取相应的评价预测因子。比如:硫酸盐、亚硝酸盐、氟化物、Cu、Zn、As、Hg、Cd、Mn、氰、全硬度及细菌指标等。

2）评价标准的选择

按照国家地下水环境质量标准(GB/T 14848-93),该标准将地下水质量划分为5类。

3）评价模型的选取

①单项污染指数法，是以某一评价指标为评价目的,评价的基本公式有多种,比较常用的内梅罗 (N.L.Nemerow)计算式,其公式为:Pi=Ci/Li，式中:

Pi：评价指标i的污染指数；

Ci：评价指标i的浓度代表值,即实测值,mg/L;

Li：相应评价指标i的环境质量标准浓度值,mg/L。

根据上述公式,计算地下水的单因子污染指数,据此判定各监测点的水污染等级。

当Pi＜1时,污染等级为清洁级;

当1＜Pi＜2时,为轻污染级;

当2＜Pi＜3时,为中度污染级;

当Pi＞3时,为重度污染级。

②综合污染指数法，以多项评价指标为评价目的,在求出各单项指数的基础上,求其综合污染指数值,其计算公式为:

pi：某一评价指标污染指数值；

n：评价因子总数。

4）评价结果分析

将评价得出的结果返回系统的计算结果库,以图形的方式显示出来,从而实现地下水环境质量评价目标。

2.3 水质监测预警及指挥系统

水质监测预警及指挥系统是一个以地理信息系统(GIS)和数据库管理系统(DBMS)为开发平台，面向管理和决策层的可视化动态信息系统。整个系统从下向上依次是基础设施层、数据中心层、资源整合层、应用支撑层、应用层、综合门户，并有安全保障体系和运行维护与支持体系保障系统的正常运行。如图6所示。

图6 预警指挥系统图Fig.6 System diagram of pre-warning command

基础设施层是系统最基本的运行基础；数据中心为系统提供了高效的业务分析、决策、交换、共享的数据环境；资源整合层通过提供应用整合服务、业务整合服务、数据整合服务连接相关职能部门的系统、业务、数据，最大程度的解决信息孤岛，最大限度地利用现有的数据资源；应用支撑层直接影响系统的稳定性、安全性及可靠性等重要因素，基于开放的标准在该层部署应用部件，为系统高效、可靠的运行提供保障；应用层根据突发事件应急的特点，综合各种数据信息及处理软件，缺省提供了5个应用系统，并可根据需要，快速的扩展业务系统。

3 终端功能示意

图7为某地水质数据多指标的实时显示系统，目前实现8路模拟数据采集与分析、处理，图中所示数据为指标模拟量。

该系统可以实时显示8通道水环境中相应的评价预测因子指标比重的动态变化，显示周期可人为设置。水质参数各指标实时监测的曲线如图8所示。

图7 指标模拟量检测Fig.7 The index of analog test

图8 水质监测指标曲线Fig.8 水质监测指标曲线

系统具有水环境参数历史数据存储与查询功能，方便查看各监测点水质状况历史记录，水质监测数据的历史记录查询结果如图9。

图9 历史记录查询结果Fig.9 Query results of the record

另外，系统可以通过鼠标区域的选定，将该区域的监测点的不同类别的监测数据以数据表格、图形、统计表格多种方式进行展现，并可以对细项资源进行详细查看。系统提供指标树分类展现、地图导向展现、水域分布地图、监测数据区域统计、监测点分布点明细查询和综合条件查询、快速定位等功能实现水质监测的多种展现方式[9]。

4 结束语

本系统是一个综合性的在线监测分析系统，能够实现水质的全天候监测和远程监控，广泛应用于河流、湖泊等水质的监测、分析、预警及应急指挥，已成功应用于株洲水务局湘江株洲段水质监测，摆脱了以往采用的现场取样的传统方式，真正做到了无人值守。特别是对于一些由于恶劣气候条件而导致人员难以达到的地区，该系统具有不可替代的重要作用。

[1]张海明.GIS支持下的水质监测预警分析模型研究[D].武汉:中国地质大学,2011.

[2]谢卫平,江超,蒋科伟，等.太湖湖泛高发区物联网监测技术与预警系统[J].环境科技,2013,26(1):39-42.XIE Wei-ping，JIANG Chao,JIANG Ke-wei，et al.Taihu lake generic parts of iotmonitoring technology and warning system[J].Journal of Environmental Science and Technology,2013,26(1):39-42.

[3]Lawlor A,Torres J,O'Flynn B,et al.DEPLOY:A long term deployment of a water quality sensor monitoring system[J].Sensor Review,2012,32(1):29-38.

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[9]Park SY,Choi JH,Wang,S,et al.Design of a water quality monitoring network in a large river system using the genetic algorithm[J].EcologicalModelling,2006,199(3):289-297.