南水北调水质智能监测分析系统设计初探

徐永兵，孙水英,袁　东

(山东省水利勘测设计院，山东 济南 250013)

南水北调水质智能监测分析系统设计初探

徐永兵，孙水英,袁东

(山东省水利勘测设计院，山东 济南 250013)

摘要：南水北调东线工程是一项旨在缓解山东省、天津市等北方省市水资源短缺的国家战略性调水工程，调水水质影响着整个工程的成败。本文就水质智能监测分析系统的设计进行了分析与研究，提出在已建项目的基础上，充分利用先进的物联网技术、大数据技术、WebGIS技术，建立一个高起点、见效快、实用性强、创新型的专业水质监测分析系统，能够提升水质监测管理级别，深化水质监测管理；能够对水质监测数据进行快速、综合分析，充分挖掘水质监测数据价值，优化水质分析评价，并能够借助移动终端、微信公众平台等新型介质，通过地图、图表等多种形式展示数据成果；通过深入对比不同监测指标的变化情况，分析水质变化的原因，实现辅助决策支持。

关键词：南水北调；东线工程；水质监测；智能化；辅助决策

南水北调东线工程是一项旨在缓解山东、天津等北方省市水资源短缺的国家战略性调水工程[1]。2016年3月1日实现对威海市首次供水，标志着南水北调东线一期工程规划供水目标全部实现。调水水质关系到整个调水工程的成败，山东段已对输水沿线渠道、河道、湖泊、各支流汇入输水河道的水质进行监测[2]。为了充分发挥水质监测数据的价值，实现安全调水的辅助决策功能，就需要在对各监测断面水质监测数据智能分析的基础上，开展水质智能监测分析系统的建设。

1建设现状与需求分析

1.1建设现状

南水北调东线山东段现有2个移动监测实验室和1个固定监测实验室，并已实现对关键断面的水质自动监测，现有二级坝、南四湖出口、东平湖入口、东平湖北出口、东平湖穿黄工程出口、鲁北段聊城与德州交界处、济南以东段与引黄济青交界处等7处水质自动监测站。水质监测主要指标包括：常规五参数(水温、酸碱度、电导率、浊度、溶解氧)、高锰酸盐、氨氮、总磷、总氮、叶绿素等。

1.2系统功能需求

(1)对水质监测数据的综合对比与分析

通过对水质监测实时数据和历史数据进行综合对比与统计分析，找出水质变化的原因，掌握水质变化的规律。

(2)实现安全调水的辅助决策功能

在突发水体污染事件时，分析出污染源的大体位置和污染成分，预测下游量测水质的指标范围，自动生成污染水体的解决方案。

(3)水质监测分析数据展示

通过移动终端查看水质监测分析数据，查看地图、图表等多样化水质监测数据趋势展示，同时能够建立互动性信息平台，实现信息的交流和共享。

2系统设计原则

(1)实用性原则

必须坚持快见效，见实效，以管理、业务、服务需求为出发点和原动力，紧密结合项目实际情况进行设计开发，确保系统实用、高效和方便，贯彻面向最终用户的原则，建立友好的用户界面，使用户操作简单直观，易于学习掌握。

(2)先进性原则

采用符合当今潮流和发展趋势的主流技术、被公众认可的优质开发和应用平台，采用先进成熟的软件架构、设计理念和开发手段，选用技术先进、成熟稳定的基础支撑软件，充分预见未来技术发展趋势，保证系统在不替换现有设备、不损失前期投资的情况下能方便地升级和扩容。

(3)开放性原则

尽可能地利用已有的设备、软件及信息资源，对于未来可能增添的新的子系统、新的数据库、新的功能、新的用户都要留有接口，系统可以随形势的发展而不断成长扩大。

3建设的目标与任务

3.1建设目标

水质监测智能监测分析系统基于指标和元数据体系，整合重构各类水质监测相关数据资源，形成水质数据资源体系，实现水质监测一张图、水质综合分析、移动综合展示和微信公众平台四大应用，实现南水北调东线一期工程山东段水质监测数据的资源化、价值化和智慧化，充分挖掘水质监测数据价值，深化水质监测管理，实现辅助决策支持。

3.2建设任务

(1)梳理水质监测分析相关的各类数据，提取指标，通过元数据体系，构建水质数据资源体系，构建水质数据中心，提供数据的采集、整合、管理和服务。

(2)构建水质监测一张图，实现以地理结构为框架，以水质监测数据为基础、以统计数据为依据，实现查询、分析、展示功能，以“一张图”的形式全方位、多角度展示水质监测统计情况。

(3)构建水质综合分析系统，对水质监测数据进行深入分析，实现关键断面水质快速分析、水质预警预报、多断面综合分析、缓冲区统计分析，实现辅助决策支持。

(4)构建移动综合展示系统，通过移动终端展示水质监测成果，能够让管理者通过移动终端及时获取各类水质监测指标信息、综合统计信息及其他相关信息。

(5)构建微信公众平台，实现信息的发布、订阅、上传、共享，实现信息的有效互动。

4系统总体设计

水质监测分析平台通过梳理完善南水北调东线一期工程山东段水质指标体系，构建水质资源基础框架及元数据管理体系，形成水质数据资源体系，以指标驱动应用，实现水质综合分析，并通过地图、图表等多样化可视化方式进行数据展示。平台以数据为核心，盘活水质监测数据资源，实现数据资源化、价值化、智慧化。系统总体架构见图1。

图1　系统总体架构框图

硬件网络层：提供数据采集手段以及通信基础设备保障，构成必要的硬件和网络环境，可以利用现有硬件和网络设备。

数据资源层：存储所有数据及信息，是所有应用的数据资源支撑，完成数据资源和信息资源的标准化、结构化、有序化，形成水利数据资源体系。

支撑平台层：作为整个系统的公共支撑与服务平台，是系统的数据交换中心、信息交流中心和GIS地理服务中心，为各类业务应用系统提供公共技术支撑，实现各业务应用统一的标准规范、公共平台、统一用户权限，可利用现有的应用支撑平台实现[3]。

应用系统层：所有面向最终用户的应用系统，直接为用户提供服务。

用户接入层：主要为各级机构的管理人员服务，接入层通过电脑、手机等多种方式提供给用户，具有良好的人机交互界面和在线帮助功能。

5应用系统建设

5.1水质监测一张图

水质监测一张图不仅包括常见的地图基本操作功能，还对资源进行综合展示，提供地理信息系统特有的空间查询分析功能，并结合统计数据实现各类指标的专题统计展示。

(1)自动监测站展示

资源显示：能够显示自动监测站的整体情况(如数量、名称等)及在地图上的分布情况。

信息显示：在地图上漫游到自动监测站，显示详细信息，同时能够查看到自动监测站的实时数据、历史数据。

快速定位：实现资源显示与地图的关联，能够快速定位到自动监测站所处的地点，可查看到资源的详细信息。

(2)移动监测站展示

资源显示：能够显示移动实验室的设备配置情况。

信息显示：展示实时监测分析数据和历史数据等。

快速定位：实现资源显示与地图的关联，能够快速定位到移动实验室所处的地点，可查看到资源的详细信息。

(3)固定实验室展示

资源显示：能够显示固定实验室的整体情况(如数量、名称及设备配置等)及在地图上的分布情况。

信息显示：在地图上漫游到固定实验室，显示详细信息，同时还可展示实时监测分析数据等。

快速定位：实现资源显示与地图的关联，能够快速定位到固定实验室所处的地点，可查看到资源的详细信息。

5.2水质综合分析

(1)水质监测查询统计

水质监测查询：可根据指标查询水质监测站监测的水质情况。可按照水质级别指标，也可按照物理指标、化学指标、生物指标对各个水质监测站点进行查询。

特征值统计：按时段统计站点的监测项目的样品总数、检出率、超标率、实测范围、最大值超标倍数、最大值出现日期和时段平均值。特征值统计有年统计、任意时段统计和自定义统计。

水质统计：包括水质评价基本情况统计、水质统计和水质类别统计等。

超标统计：统计包括干线超标站点统计、行政区超标站点统计、单项超标站点统计和单项超标率统计。

(2)关键断面水质快速分析

饼形分析：以饼形图分析此断面的各个水质污染指标占比，进而分析出那个污染是主要污染。

趋势分析：各个水质污染物数据以趋势展现，可根据此趋势对比分析出各个污染源情况以及哪个污染源上升最快，哪个污染源相对稳定，哪个污染源在逐渐降低。

报表分析：单独水质污染物报表分析，分析不同时段的此污染物对应的污染程度。

多水质污染物报表分析：分析不同污染物在相应的时段污染情况。

图形分析：以不同的颜色标注的同一个断面图上的不同污染物，进而直观地看出断面的水质情况。

(3)水质预警预报

水质预警预报是在一定范围内，对一定时期的水质状况进行分析、评价，确定水质的状况和水质变化的趋势、速度，以及达到某一变化限度的时间等，预报不正常状况的时空范围和危害程度，按需要适时地给出变化或恶化的各种警戒信息及相应的综合性对策。

(4)多断面综合分析

通过对比分析不同断面监测指标的变化情况，分析水质变化的原因，并提出相应的措施，实现辅助决策支持。

多断面图形分析：多断面同一污染源图形展示分析，直观分析出此种污染源在不同断面的分布情况，是否因为新的污染进入进而造成某一断面此种污染上升。多断面不同污染物图形展示分析，以可视化友好的方式展现不同污染物在不同断面的分布情况。

多断面历史回溯分析：基于多断面多污染源历史回溯，能够查询分析水质在不同时刻不同断面的情况。

多断面趋势分析：多断面多水质指标趋势分析，分析出不同水质指标在不同断面的变化速度和相应的趋势，指标是在不断下降还是在加快上升，下游断面的水质指标在上升还是在下降，为调度运行提供决策支持。

5.3移动综合展示

移动综合展示通过移动终端的形式为各级管理人员提供服务，能够及时展示水质监测的整体情况、运行状态、指标监测情况、综合统计情况及动态信息。

地图浏览：可进行地图浏览，能够对闸泵站、监测站等进行查询，也可以根据位置查看周围的各类信息[4]。

工程概况：通过列表、图片和图表等多种方式直观展示闸泵站、监测站概况信息。

运行状态：通过地图、图片、图表、文字等多种可视化形式，展示工程运行状态的实时信息，能够及时看到更新的信息和统计情况，监督工程的运行管理工作，如查看水质监测站各个设备是否在运行、运行次数、已投入运行时间、设备故障情况、故障频率,及故障次数。

指标监测：直观展示水质监测分析重要指标信息，包括指标数据、上升下降趋势等，如水质级别、常规五参数等，对于异常指标能够进行提醒。

综合统计：对指标数据进行查询，可根据兴趣选择任意指标、时间进行统计，提供地图和图表等多种方式展现综合统计结果。

5.4微信公众平台

水质监测微信公众平台针对关心调水水质的用户及管理人员提供信息服务，构建信息互动平台。

信息推介：重要信息实时推送到用户端，可对用户分类推送，针对不同的用户所关心信息种类的不同，进行区别推送。对领导层推送宏观主要数据和信息，对操作用户推送运行情况等信息。对用水用户推送相应区段的水质情况。

定制服务：不同的使用者可进行水质信息定制，比如某个用户只关心其中两个站点的COD数据，可进行定制，系统进行定时推送。

信息上传：用户可通过微信客户端，上传文字、图片、音频、视频等。

6结语

南水北调山东段水质智能监测分析系统是在已建项目的基础上，充分利用先进的物联网技术、大数据技术、WebGIS技术，建立一个高起点、见效快、实用性强、创新型的专业水质监测管理系统，提升水质监测管理级别，深化水质监测管理；对水质监测数据进行快速、综合分析，充分挖掘水质监测数据价值，优化水质分析评价，并能够借助移动终端、微信公众平台等新型介质，通过地图、图表等多种形式展示数据成果；通过深入对比分析不同监测指标的变化情况，分析水质变化的原因，实现辅助决策支持。

参考文献：

[1]徐永兵，孙水英.MOSAIC SCADA在南水北调闸(泵)站监控系统中的应用[J].水利信息化，2015(5)：39-43，52.

[2]矫桂丽，朱丽丽，祖晶.南水北调东线山东段水质监测站点的布设[J].水利规划与设计，2013(6)：48-50.

[3]徐永兵，孙水英.南水北调东线一期工程山东段调度运行管理系统需求分析与设计实现[J].水利规划与设计，2016(1)：19-24.

[4]陈翔，雷晓晖，蒋云钟.南水北调中线决策会商与应急响应系统设计研究[J].水利信息化，2015(2)：5-9.

Study on system design and analysis of intelligent monitoring of water quality in the south to North Water Diversion Project

XU Yongbing，SUN Shuiying，YUAN Dong

(ShandongSurveyand?Design?Institute?of?Water?Conservancy，Jinan250013，Chinaa)

Abstract：The eastern route of South to North Water Diversion Project is a national strategic adjustment of water project aimed at alleviating the water shortages of cities in the northern provinces such as the Shandong, Tianjin and other provinces, the water quality of water diversion affect the success or failure of the whole project. The intelligent monitoring of water quality analysis system design to carry on the analysis and the research, based on finished projects and making full use of advanced Internet technology, data technology, WebGIS technology, proposed the establishment of a high starting point, quick, practical, innovative and professional analysis of water quality monitoring system. The system can improve the management level of water quality monitoring, water quality monitoring and management deepen. The system can rapidly and comprehensive analysis of the monitoring data of water quality, fully tap the value of water quality monitoring data, optimize water quality analysis and evaluation. Using mobile terminal, micro channel public platform and other new media to demonstrate the results of the data through the maps, diagrams and other forms. through in-depth comparative analysis of different indicators for monitoring changes and the reason of water quality changes, it can support auxiliary decision-making.

Key words：south-to-north water diversion；east line project; water quality monitoring; intelligent; auxiliary decision

作者简介：徐永兵(1981-)，男，工程师，从事水利信息化研究工作。

中图分类号：TP274

文献标志码：A

文章编号：2096-0506(2016)05-0036-04