环境监测综合管理信息平台系统的构建与应用

周文亮

摘要：将环境监测综合管理信息平台系统应用于佛山市环境监测中心站，集成了环境监测信息管理系统（LIMS）、環境监测数据仓库和综合信息上报管理三个子系统，实现了环境监测业务流程自动化、监测数据快速共享和海量数据统计分析应用，为环境监督管理和宏观决策提供有力可靠的技术支持。

关键词：环境监测；环境监测信息管理系统；数据仓库；信息化

中图分类号：X84

文献标识码：A文章编号：1674-9944（2016）22-0042-05

1引言

随着国民经济的快速发展，城市建设的不断加强，环境污染也日益严重，恶化的环境质量已严重威胁到人类健康及生存环境的可持续发展，环境保护事业日益备受人们关注。环境监测作为一项政府行为，是环境管理、环境工程和环境科研的基础。信息时代的到来促使环境管理工作进入信息化的现代模式，环境信息系统作为信息技术在环境科学体系领域发展的一个新型分支，为环保工作提供了可靠的信息服务和决策支持。

中国的环境监测信息化系统的建设已走过了十几个年头，成为环境监测现代化的重要组成部分。很多环境监测站先后投入了不少人力、物力和财力，开发了一些环境监测管理信息系统，比如2006年上海市环境监测站采购了一套美国公司开发的LIMS，黄河流域水环境监测中心引进美国QSI公司的实验室信息管理系统软件应用于黄河水环境监测等。另外，各地的环境监测部门相继开展了环境监测信息系统的研究，已开发了不少环境监测信息系统，但这些系统存在一些明显的不足，如缺乏总体规划，规范性差，难以推广、移植；多为小规模网络甚至单机运行，数据库规模小，信息的加工处理能力差，无法形成信息仓库，不利于信息的共享利用等。环境监测信息系统在环境保护领域的构建，成为提高环境监测实验室自身专业水准和管理水准的有效措施，环境监测站如何利用先进的信息化技术建立适合环境监测体系的信息管理系统，提高自身的监测能力与管理水平，关系到环境检测报告数据的时效性与准确性，对监测系统能力的提高和在为政府决策提供帮助等方面有着重大的指导意义。

为了进一步提高佛山环境监测中心站的自动化、程序化和标准化的管理水平，满足国家环境保护部提出的“三个说得清”的要求，佛山市环境监测中心站以实际需求为主，兼顾通用性和创新性，开发了环境监测综合管理信息平台系统（以下简称“系统”）。

2系统平台构成

2.1完全B/S构架的软件产品

系统采用B/S构架，比起传统的C/S构架，有着“先天性”优势。首先，B/S构架大大简化了客户端，只要客户端电脑能上网就可以，系统的部署、维护、升级工作都集中在服务器端，不同于传统的C/S+B/S架构的软件，需要在客户端和服务器之间创建ODBC的连接，从而大幅度降低了系统的运行成本；其二，用户通过客户端电脑先访问Web服务器，Web服务器再与数据库服务器连接，这样的话，客户端无法直接操作数据库，因此相对于C/S架构系统而已，B/S架构系统数据更加安全。

2.2基于服务的新型架构设计思想

软件体系采用的是基于服务的架构—SOA（servicesorientarchitecture），这是一种先进体系结构和设计理念，是通过WebService技术进行数据的交换，利用标准的XML作为服务器端与客户端信息通讯的格式。SOA架构把功能模块变成可以调用的独立服务，具有更好的通用性和可重用性，使实验室实现信息与业务紧密结合，提高了业务流程的灵活性，能够真正帮助实验室快速响应外部变化。SOA正在成为开发响应性好、适应性强的新型应用程序所选择的体系结构。支持多种语言开发VB/C#/C++和XAML或JavaScript+html5开发。

2.3方便直观的操作模式

系统完全运行在浏览器，无需安装任何软件，只需通过浏览器就能完成所有操作。通过特有的XFD（XML图形引擎）技术，可以使用户得到和客户端软件一样地体验，用户可以定义应用程序初始的可视界面。从用户体验的角度方面来说，系统彻底地根治了B/S架构控件的刷新问题。使得用户如同浏览网页般轻松自如，并支持在同一个IE浏览器上同时打开多个功能界面进行业务操作，不用频繁切换功能界面。

2.4标准化的企业集成接口

开放性的体系结构让系统轻松的通过WebService方式与其他由不同语言开发的系统进行无缝集成，保证第三方软件的变化不会对接口产生任何影响，使得与目前或者将来的各种分析仪器的接口开发成为系统扩展的一部分。系统还预留与其它将要建设的信息化项目（如应急系统、门户网站等）的标准接口，便于进行二次开发或与信息源连接，避免信息孤岛，实现数据的共享。而且，只要分析仪器具备通用的标准接口，就可采用内部的直接捕集软件（DirectCaptureUtility，DCU），实现与系统的双向通信且比较稳定，使工作效率大大提高，同时也减少了数据录入的失误。

2.5面向对象的多层结构

系统是一个面向对象的、真正多层结构的系统，包括有第一层核心软件（可执行文件和动态连接库）；第二层应用程序字典（定义用户的商业规则或程序的地方，即表、关系、字段、窗口、菜单、动作，权限和报告）；第三层数据库，多层结构的优势在于：客户端应用程序管理员具有访问应用程序字典的所有权限，因此系统管理员可以根据需要随时修改或添加新的功能模块，减少对供应商的依赖性，并且不需要重新编译即可应用。此外三层完全独立，客户可以升级核心软件层，而无须担忧兼容性。

3系统整体设计

系统集成了环境监测信息管理系统（LIMS）、环境监测数据仓库和综合信息上报管理三个子系统，构建全方位、多层级、立体化的环境监测综合管理信息平台。

3.1环境监测信息管理系统（LIMS）

LIMS是系统的核心子系统，基本涵盖了佛山市环境监测中心站的所有业务，涉及的业务类型有环境质量常规监测、“三同时”验收监测、委托监测、监督性监测、常规例行、在线比对、质量控制监测等，实现了监测业务管理和数据管理一体化的全面管理模式。主要有业务管理、资源管理、质量管理、现场监测管理、综合信息管理、行政管理六大功能模块。

3.1.1业务管理

佛山市环境监测中心站监测能力包括水、生物、环境空气和废气、机动车排放污染物、室内空气、噪声与振动、辐射、燃料、土壤底质和固体废物等9个类别的监测项目，涉及建设项目工程竣工验收监测、污染源委托监测、机动车尾气监测、环境质量监测、污染事故监测、环境污染纠纷仲裁监测等多方面。为此，LIMS系统按照佛山市环境监测中心站实验室实际工作需要，全面覆盖任务登记、样品流转、数据处理、报告管理整套流程，以提高实验室管理的规范性和对外服务的时效性。

3.1.2资源管理

为实现GB/T15481校准和检验实验室通用能力的要求，保证LIMS符合ISO/IEC17025等实验室质量体系的要求，LIMS提供了涵盖对监测数据有影响的所有基础资源管理，包括：组织/人员、仪器设备、材料管理、分析方法、采样方法、评价标准等。资源管理模块既是对资料数据进行收集、存贮、管理、处理和使用的综合性技术模块，也是上级主管部门组建信息网络系统、开展资源信息服务的基础，它的建立可以使数据的存贮、检索和处理实现自动化、高速化，达到既提高工作效率又保证工作精度的目标。

3.1.3质量管理

提供了范围检验、数据输入限制、条形码输入、下拉列表选择、用户提示、自动报告/图表生成、数据确认等多种安全机制来减少数据输入的错误。通过预先设定的监测结果预警限值及实验室内部质控、现场质控、盲码样质控等质控手段的下达，使监测结果出现异常情况时，系统会自动变更系统状态并以红色警告，分析人员必须启动异常情况调查程序，等异常调查结束后，异常的结果被确认，才可以提交。系统的智能预警功能，使很多异常数据都可提前发现、及时提醒，预防不合格数据的产生，避免了很多采样和分析监测中发生的错误，提高了分析质量，由事后纠正改进到事前预防。

3.1.4现场监测管理

在平板电脑上开发现场监测管理系统，实现应用移动技术进行现场采样数据的录入和处理。为满足现场监测的建设需要，现场监测模块采用3层系统结构：①数据传输层。实现监测任务从环境监测信息管理系统上下载和现场监测完成的监测数据的上传，以及相关客户信息、采样点信息的同步；②现场监测平台。指现场监测业务系统；③数据管理。应用现场监测业务系统，全面实现现场监测的监测任务管理和监测结果的录入、数据校核等管理功能，以及相关的资源管理，并利用GPS实现监测点验证确认功能。

3.1.5综合信息管理

通过建立综合信息管理模块，实现了在一个平台上管理监测站产生的所有监测数据。在此基础上，实现水、气、噪声、土壤等监测要素产生的监测数据各种复杂计算与评价分析，包括综合污染指数和污染负荷的自动计算，智能提醒超标数据和不合理数据，自动汇总上报国家、省环境监测要求的数据，利用均值-极差控制图、均值-标准差控制图等实现动态智能统计分析与评价等，共实现各种查询统计和图表130多种。各种统计查询功能灵活多样，可横向查询也可纵向统计，在系统中实现各种复杂的公式计算与智能分析，从而实现监测数据的全面有效管理，减少传统的手工统计分析的出错率和工作量。

3.1.6行政管理

LIMS整合了佛山市环境监测中心站的部分行政管理功能，分别是请假管理、采购管理和培训管理，通过配置通用工作流，从申请人申请、室主任审核，到分管领导审核或者站长审批，实行全过程流程化管理。

3.2环境监测数据仓库

环境监测数据仓库（以下简称“数据仓库”）是该系统的另一大核心子系统，主要用于实现数据集成管理，将存在于多个异构的应用系统中的环境监测数据从各种具体的应用中分离出来，统一存储于中心数据库，成为一个集中的、独立于应用的资源来进行管理，环境监测数据仓库由数据集成管理系统、环境综合数据库、数据应用分析系统、数据服务、系统管理等部分组成。

3.2.1环境综合数据库

环境综合数据库主要包括：基础数据库、业务主题数据庫、环境数据仓库等部分。环境综合数据库主要是管理环境相关的数据资源，功能分为：建设一个综合数据库，整合各种环境相关的业务数据，统一为标准的数据结构；针对各种业务应用系统，划分不同的主题数据，为业务系统提供数据存储管理的环境；实现数据传输和信息共享的基础，满足佛山市环境监测中心站不同部门间的数据共享要求。

3.2.2数据集成管理系统

数据集成管理系统用于处理在线分析仪数据、LIMS数据、区县上报数据、手工数据、外部数据等各类环境数据，通过各类匹配校验规则，将符合规范的数据存入环境综合数据库。在获取数据源的过程中，主要以数据库系统、excel表格等的应用系统、非结构化数据和没有信息系统支持的电子文档或者纸质文档等形式获取。对于需要实时抽取，采集交换频次高的数据，采用环境业务数据集成服务（SSIS）进行自动抽取转换加载（ETL），包括提取异类数据、自动转换数据以及支持将数据装载到采用维度模型的数据存储。为满足对数据不同时效的要求，数据集成服务提供两种操作方式：一是按佛山市环境监测中心站各业务系统数据的要求提供周期性的数据采集转换功能；二是针对某些需及时采集的数据通过手动触发。

3.2.3数据应用分析系统

数据应用分析系统对业务数据进行聚合、存储、分析和报告。除此之外，通过与商务智能（BI）软件集成，可以高效进行信息处理、数据挖掘和数据展现等三个方面。数据仓库与最新的商务智能分析软件（Cognos）二者的无缝集成，将数据以可视化的形式展现出来。除了常规的报表、图表形式外，还需针对不同的应用，利用多种工具进行更直观的数据展现，系统实现按照不同时间、不同测定、不同污染物进行趋势分析，提供任意范围与分类数据统计，频率统计、超标污染物突出功能。另外，通过数据挖掘，可以帮助管理者从数据中找出隐藏的模式和关联，数据挖掘提供的算法允许自动模式查找及交互式分析，对相同或不同监测要素之间的相关性进行分析，例如，通过对空气中二氧化硫、酸雨及硫酸盐化速率等常年历史数据的分析，找出之间的相关性。

3.2.4数据服务

为避免数据孤岛，数据仓库采用标准WebService接口对外提供数据服务，实现数据访问、操作和交换和数据访问机制，在佛山市环境监测中心站内部和外部对需要数据服务的系统提供支撑。实现佛山市环境监测中心站内部不同部门间、佛山市环境监测中心站与外部相关单位间的信息交换和共享。

3.2.5系统管理

系统管理主要用于控制访问系统的用户和权限、管理元数据和资源目录、维护代码表和字典表、监控系统运行、纪录数据修改历史等。

3.3综合信息上报管理

综合信息上报管理（简称“上报系统”）是环境监测综合管理信息平台的辅助类子系统，作为监测数据收集和整理的功能模块，上报系统支持各区监测站登陆相应页面，选择对应的数据类型，采用Excel导入或者手工录入两种形式上报监测数据，并自动对监测数据进行审核、汇总与统计，并生成统一格式的监测报告或报表；各区可对生成的报告、报表进行浏览、下载等功能。

4系统应用实例

4.1环境监测信息管理系统（LIMS）业务流程管理

通过LIMS的业务管理模块，可实现环境质量常规监测、污染源监督性监测、环保验收监测和委托监测等监测业务流程规范化管理。以市环保局委托的某黑臭河涌的监测任务为例，图1为样品采样流程阶段的显示页面，图2是室内分析录数页面，用户可通过相关页面进行全监测业务流程的流转。

4.2环境监测数据仓库实现统计分析

数据库程每月定期从LIMS和其他数据源抓取数据，并通过相关的公式对数据进行分析处理并把统计结果储存在数据库中。用户通过登陆数据仓库相应页面，选取合适的条件可进行统计分析的结果展示并生成各种报表。图3是2016年9月份某市饮用水的水质现状分析。

4.3综合信息上报管理系统实现数据报送和分析

各区环境监测站用户通过登陆综合信息上报管理系统，上传对应格式的数据模板，可向上级监测站报送数据，并使用系统内置的统计功能对数据进行分析。图4是地表饮用水监测数据报送页面。

5结语

环境监测综合管理信息平台系统是目前环保行业中功能强大，操作简单，专注于环保监测行业信息化建设的系统，拥有强大的开发性和扩展性，并结合数据库技术、报表工具、图形工具等多种现代化技术于一体，研究成果具有前瞻性。系统实现了环境监测业务流程自动化，监测数据快速共享和海量数据统计分析应用，能利用系统内大量的数据和信息绘制的各类趋势图和统计报表，快速直观地反映出环境质量现状及变化趋势，污染物排放状况和潜在的环境风险，为环境监督管理和宏观决策提供更加有力的技术支持，得到了省、市环保部门的推广应用和充分肯定。该系统在环境监测管理方面应用有着全面、实用、易学、高效的特点，使佛山市环境监测中心站实现规范化管理，形成质量控制体系，使监测站业务管理水平得到提高。同时实现对数据多方位管理，提高监测站的业务权威性，适应环境监测政策的发展趋势，实现监测站能力转型发展，全面推动佛山市环境监测中心站工作的规范化、数字化、流程化和自动化，对今后的发展将具有深远的积极意义。此外，该系统考虑了国内特别是广东的实际情况，采用了一系列主流技术，经过开发创新，总体达到了国内领先水平，既为有关部门开发使用同类型系统提供了宝贵的经验，又可在其他环境监测站直接推广使用，有较大的推廣价值和广阔的应用前景。

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