浙江省飲用水源地水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)

　　飲用水安全是國家環(huán)境保護(hù)的重點(diǎn)工作，本文介紹了利用先進(jìn)的計算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通信、遙感控制、自動監(jiān)測等技術(shù)組成物聯(lián)網(wǎng)水質(zhì)自動監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)飲用水源信息的采集、儲存、傳輸、處理、分析的數(shù)字化、自動化和資源共享。該系統(tǒng)涵蓋無線和有線網(wǎng)絡(luò)傳輸接入和網(wǎng)絡(luò)集成、視頻監(jiān)控系統(tǒng)軟硬件開發(fā)實(shí)施、動力環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)軟硬件開發(fā)實(shí)施、手機(jī)刷卡門禁系統(tǒng)建設(shè)、水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備采購和系統(tǒng)集成、環(huán)保在線監(jiān)控軟件平臺建設(shè)等，結(jié)合地理信息系統(tǒng)(GIS)，具有先進(jìn)性、安全性、獨(dú)特性、復(fù)雜性等方面的特點(diǎn)。

　　1 項(xiàng)目簡介

　　保障飲用水安全是國家環(huán)境保護(hù)工作的重點(diǎn)工作，關(guān)系到廣大人民群眾的健康和生命安全，保障工作刻不容緩。按照黨的十七大關(guān)于建設(shè)生態(tài)文明戰(zhàn)略思想的總體要求，要以科學(xué)發(fā)展觀為指導(dǎo)思想，重點(diǎn)解決危害人民群眾健康和影響可持續(xù)發(fā)展的突出環(huán)境問題。

　　浙江省為全面提升飲用水源監(jiān)測技術(shù)水平，更好地為飲用水源管理和決策提供技術(shù)服務(wù)，在《浙江省環(huán)境保護(hù)“十二五”計劃》中提出了全省主要飲用水源自動監(jiān)測和管理系統(tǒng)建設(shè)計劃和目標(biāo)，利用先進(jìn)的計算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)飲用水源管理工作、飲用水源水質(zhì)監(jiān)測和相關(guān)飲用水源信息的采集、儲存、傳輸、處理、分析的數(shù)字化和飲用水源信息資源共享，及時地為飲用水源管理和宏觀經(jīng)濟(jì)決策提供可靠的科學(xué)依據(jù)。

　　作為魚米之鄉(xiāng)的浙江多年來平均降水量僅為1604mm，水資源總量為955.41億立方米，人均水資源量僅1754立方米，低于全國平均水平2200立方米，只有世界人均的1/4。長期以來，以量的擴(kuò)張為主的粗放型經(jīng)濟(jì)增長方式造成的高投入、高耗水、高污染、低效益的狀況還未根本扭轉(zhuǎn)，水環(huán)境惡化的趨勢尚未能得到有效控制。根據(jù)浙江省水利廳監(jiān)測，浙江飲用水源安全保障能力仍然不足，部分水庫型飲用水源地呈富營養(yǎng)化趨勢，平原河網(wǎng)飲用水源地水質(zhì)差，安全隱患多，城市供水水源單一，應(yīng)急供水儲備能力不足。

　　浙江省環(huán)境保護(hù)廳為全面提升全省飲用水源監(jiān)測技術(shù)水平，更好地為飲用水源管理和決策提供技術(shù)服務(wù)，于2010年開始建設(shè)飲用水源自動監(jiān)測系統(tǒng)，同時在計算機(jī)信息化建設(shè)上配備相應(yīng)的信息管理系統(tǒng)，項(xiàng)目總投資1.68億元，全省11個地市共計建設(shè)了81個水質(zhì)監(jiān)測固定站、17個浮標(biāo)站，以及省、市、縣三級共計66個分級的飲用水源地水質(zhì)自動監(jiān)測計算機(jī)平臺系統(tǒng)，2012年7月24日完成了項(xiàng)目整體驗(yàn)收，進(jìn)入了運(yùn)行維護(hù)階段。該系統(tǒng)投入運(yùn)行將為環(huán)境決策、管理和科研部門提供更為科學(xué)、詳實(shí)、有效的科學(xué)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

　　2 技術(shù)方案

　　飲用水源地水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)用環(huán)境自動監(jiān)測、計算機(jī)、自動控制、網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，將數(shù)據(jù)自動檢測、采集分析、視頻監(jiān)控、動力環(huán)境監(jiān)測和地理信息系統(tǒng)(GIS)相結(jié)合，形成統(tǒng)一的監(jiān)控管理平臺，具有先進(jìn)性、獨(dú)特性、復(fù)雜性等方面的特點(diǎn)，體現(xiàn)為：一、系統(tǒng)集成50種以上監(jiān)測儀器，包含了水質(zhì)檢測、儀器儀表監(jiān)控、動力環(huán)境監(jiān)控、視頻監(jiān)控，是目前全國水質(zhì)監(jiān)測項(xiàng)目中最大最全的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。二、系統(tǒng)是全國首個飲用水源專用平臺，在擁有常規(guī)監(jiān)測參數(shù)(常規(guī)五參數(shù)、TOC、氨氮、總磷總氮等)的同時包含了生物毒性監(jiān)測、藻類分類監(jiān)測、重金屬、VOC有機(jī)物等非常規(guī)監(jiān)測參數(shù)。三、分布式中心管理控制平臺部署在浙江省省級、11個市、54個縣，總共66套平臺和66套數(shù)據(jù)庫，數(shù)量多、地域跨度大，各自獨(dú)立工作，網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通跨越移動、電信、聯(lián)通三大運(yùn)營商，并涉及環(huán)保專網(wǎng)內(nèi)各廳局、監(jiān)測站的內(nèi)部局域網(wǎng)，集成硬件廠商包括中興、惠普、深信服、天融信、?？?、哈希、島津、YSI等數(shù)十家國內(nèi)外設(shè)備儀器廠商。

　　飲用水源地水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)涉及三個網(wǎng)絡(luò)：環(huán)保專網(wǎng)、移動無線網(wǎng)、Internet網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)主體基于環(huán)保專網(wǎng)，邏輯網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成可分為三級，第一級為建設(shè)在水庫、水廠等水源地的水質(zhì)分析監(jiān)測站，第二級為縣級、市級中心管理控制平臺，第三級為省級中心管理控制平臺。浮標(biāo)式水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)和平板電腦移動終端通過移動無線網(wǎng)絡(luò)，由專用APN數(shù)據(jù)專線接入省級中心管理控制平臺。環(huán)保專網(wǎng)外的用戶在因特網(wǎng)上通過VPN接入省級中心管理控制平臺，接駁系統(tǒng)。

　　水質(zhì)分析監(jiān)測站系統(tǒng)由取水單元、配水及水樣預(yù)處理單元、水質(zhì)自動監(jiān)測儀器、輔助系統(tǒng)、控制通訊以及軟件系統(tǒng)等部分組成。取水單元包括采水裝置和輸送管道等部分;配水及水樣預(yù)處理單元包括沉沙裝置和過濾器等;水質(zhì)自動監(jiān)測儀器包括常規(guī)五參數(shù)儀器、氨氮、總磷總氮、重金屬、藻類分類、VOC有機(jī)物分析儀器等;輔助系統(tǒng)包括清洗單元、廢水處理單元、壓縮空氣單元、除藻單元、防雷單元、放電磁干擾單元、防盜單元、視頻監(jiān)控單元、動力環(huán)境監(jiān)測單元、門禁安全控制單元、電源保護(hù)及恢復(fù)單元等部分，用以保證水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的正常運(yùn)行;控制通訊及軟件系統(tǒng)由控制單元、數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)傳輸單元、水質(zhì)監(jiān)控中心管理系統(tǒng)組成。

　　水質(zhì)分析監(jiān)測站原始數(shù)據(jù)直接發(fā)送至各級數(shù)據(jù)庫，審核后的數(shù)據(jù)按照級別層層上傳。市、縣級中心管理控制平臺部署平臺服務(wù)器、視頻監(jiān)控動力環(huán)境監(jiān)測服務(wù)器、交換機(jī)等。省級中心管理控制平臺部署平臺服務(wù)器、ArcGIS服務(wù)器、視頻服務(wù)器、動力環(huán)境監(jiān)測服務(wù)器、浮標(biāo)式水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)服務(wù)器、NAS存儲、防火墻、VPN網(wǎng)關(guān)、安全認(rèn)證服務(wù)器、匯聚交換機(jī)等，系統(tǒng)托管于移動公司IDC機(jī)房。浙江省飲用水源地水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，見圖1。

圖1 飲用水源地水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　3 平臺架構(gòu)

　　浙江省飲用水源地水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)中心管理控制平臺的主要功能如下：

　　(1) 地圖可視化管理功能

　　中心管理控制平臺使用WebGIS技術(shù)，實(shí)現(xiàn)基于IE的在線地理信息系統(tǒng)，分類顯示飲用水源地監(jiān)測站的地理分布及在線情況，圖示直觀地表示數(shù)據(jù)采集率、數(shù)據(jù)有效率、報警故障等信息，提供每個水質(zhì)監(jiān)測站的實(shí)時數(shù)據(jù)、站點(diǎn)360度全景圖片等，以流程圖、虛擬儀表盤等形式展示結(jié)果。

　　(2) 實(shí)時數(shù)據(jù)監(jiān)測功能

　　通過各類專業(yè)的水質(zhì)分析儀器對水源地水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，實(shí)時反映飲用水源地生物毒性等指標(biāo)的變化情況和趨勢，連續(xù)反映五參數(shù)、藻類、葉綠素a的變化趨勢以及周期反映氨氮、總磷、總氮、總有機(jī)碳、重金屬、氰化物、氟化物、揮發(fā)性有機(jī)物等指標(biāo)水質(zhì)變化情況。

　　(3) 分類別的多種報警手段

　　故障報警，系統(tǒng)故障報警及儀表設(shè)備故障報警。超標(biāo)報警，常規(guī)監(jiān)測參數(shù)的實(shí)時檢測值超過預(yù)定的上下限閥值。急性毒物報警，生物毒性儀、氰化物、氟化物等急性毒物指標(biāo)出現(xiàn)異常情況。各種報警信息，可以設(shè)置為通過平臺提醒、電子郵件、手機(jī)短信等多種方式發(fā)送報警信息，實(shí)現(xiàn)飲用水安全預(yù)警。

　　(4) 遠(yuǎn)程控制管理功能

　　中心管理控制平臺能夠遠(yuǎn)程實(shí)時控制現(xiàn)場設(shè)備，系統(tǒng)能夠自動或者手動遠(yuǎn)程關(guān)閉和開啟設(shè)備，調(diào)整設(shè)備采樣監(jiān)測頻率，實(shí)現(xiàn)重新采樣分析等反控操作。同時，中心管理控制平臺能夠遠(yuǎn)程控制現(xiàn)場攝像機(jī),全面查看水源地現(xiàn)場情況，對于動力環(huán)境設(shè)備也能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控。

　　(5) 視頻監(jiān)控、動力環(huán)境監(jiān)控功能

　　通過安裝在水源現(xiàn)場的高清攝像機(jī)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時視頻監(jiān)控，并通過數(shù)據(jù)疊加技術(shù)，將現(xiàn)場實(shí)時視頻與水質(zhì)監(jiān)測實(shí)時數(shù)據(jù)集成，提供直觀的視頻監(jiān)測手段。

　　通過安裝在水質(zhì)監(jiān)測站內(nèi)部的電力過載、燈控、煙感、水浸、紅外人體感應(yīng)等動力環(huán)境監(jiān)控設(shè)備，保證水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備運(yùn)行環(huán)境正常，保障設(shè)備持續(xù)有效工作。

　　(6) 數(shù)據(jù)分析和報表管理功能

　　原始數(shù)據(jù)一點(diǎn)多發(fā)，審核數(shù)據(jù)逐級上報，支持歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時數(shù)據(jù)、原始數(shù)據(jù)的查詢。水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)支持基于復(fù)合條件(站點(diǎn)性質(zhì)、時段、集成商、地區(qū)、河流、是否超標(biāo)等)的復(fù)合查詢，對各種數(shù)據(jù)可以進(jìn)行圖形化的標(biāo)識、對比、分析，結(jié)果可導(dǎo)出為Excel、Word、Access、PDF等格式。

　　浙江省飲用水源地水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)平臺架構(gòu)圖，采用了先進(jìn)的云計算分層分級的業(yè)務(wù)設(shè)計理念，見圖2。

圖2 浙江省飲用水源地水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)平臺架構(gòu)

　　4 項(xiàng)目特點(diǎn)

　　浙江省飲用水源地水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)采取了多方合作的模式，省環(huán)境保護(hù)廳出臺建設(shè)范圍、技術(shù)規(guī)范等指導(dǎo)性意見，協(xié)調(diào)各標(biāo)項(xiàng)中標(biāo)商，統(tǒng)籌安排項(xiàng)目建設(shè)進(jìn)度，協(xié)調(diào)項(xiàng)目必須資源如站房基建工作進(jìn)度;負(fù)責(zé)項(xiàng)目的驗(yàn)收及后續(xù)維護(hù)工作考核。通信運(yùn)營商和環(huán)保系統(tǒng)集成商負(fù)責(zé)全省飲用水源地在線監(jiān)測平臺建設(shè)、水質(zhì)監(jiān)測站建設(shè)和維護(hù)工作。

　　該項(xiàng)目系典型的環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，涵蓋無線和有線網(wǎng)絡(luò)傳輸接入和網(wǎng)絡(luò)集成、視頻監(jiān)控系統(tǒng)軟硬件開發(fā)實(shí)施、動力環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)軟硬件開發(fā)實(shí)施、手機(jī)刷卡門禁系統(tǒng)建設(shè)、環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備采購和系統(tǒng)集成、環(huán)保在線監(jiān)控軟件平臺建設(shè)等，項(xiàng)目投資大，技術(shù)復(fù)雜，涉及部門多。該項(xiàng)目充分運(yùn)用了環(huán)境自動監(jiān)測、計算機(jī)、自動控制、網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，將數(shù)據(jù)采集分析、視頻監(jiān)控和地理信息系統(tǒng)(GIS)相結(jié)合，形成統(tǒng)一的監(jiān)控管理平臺，具有先進(jìn)性、獨(dú)特性、復(fù)雜性和全自動等方面的特點(diǎn)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時監(jiān)控水質(zhì)各種參數(shù)，以專線或安全無線傳輸方式接入環(huán)保專網(wǎng);通過無線網(wǎng)絡(luò)接入飲用水源地在線監(jiān)測平臺，可實(shí)時查看全省所有飲用水源地水質(zhì)情況，及時處置突發(fā)情況，有效防范大范圍飲用水安全事故，為政府決策提供有力依據(jù)。浮標(biāo)式水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)和平板電腦移動終端通過移動無線網(wǎng)絡(luò)，由專用APN數(shù)據(jù)專線接入中心管理控制平臺。環(huán)保專網(wǎng)外用戶可通過Internet網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享。市、縣級中心管理控制平臺部署有管理平臺服務(wù)器、視頻、動環(huán)服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等，原始數(shù)據(jù)直接發(fā)送至本級數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，審核數(shù)據(jù)層層上傳，并存儲到相應(yīng)層級的數(shù)據(jù)庫中。省級中心管理控制平臺部署有WEB服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫、通信服務(wù)器、交換服務(wù)器、發(fā)布服務(wù)器、NAS存儲、防火墻、無線接入安全認(rèn)證服務(wù)器、匯聚交換機(jī)、動環(huán)/視頻監(jiān)控中心等。為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，整體托管于通信運(yùn)營商的IDC機(jī)房。