孟 濤,劉文全

(中國海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,山東青島266100)

近年來,隨著國家對環(huán)境污染管理的重視,有關(guān)環(huán)境污染管理的研究也越來越多。不少研究人員在探索應(yīng)用新技術(shù)建立農(nóng)村鄉(xiāng)鎮(zhèn)污染企業(yè)監(jiān)測管理系統(tǒng)。熊邦宏等[3]提出了1種基于GPRS網(wǎng)絡(luò)和Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng),具有監(jiān)測范圍廣、成本低、能耗小,高效可靠等特點,能夠遠(yuǎn)程在線實時監(jiān)測和控制。賈艷秋等[4]運用GIS的交叉定位、邏輯查詢、空間分析及空間數(shù)據(jù)庫匹配等技術(shù),建立基于GIS的農(nóng)村鄉(xiāng)鎮(zhèn)污染企業(yè)監(jiān)測管理系統(tǒng),實現(xiàn)對農(nóng)村水質(zhì)、大氣環(huán)境的動態(tài)監(jiān)測。史嵐等[5]利用GIS和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)建立了實時監(jiān)測城市汽車尾氣的監(jiān)測系統(tǒng)。張子凡等[6]將環(huán)境污染事故應(yīng)急監(jiān)測數(shù)據(jù)庫與GIS結(jié)合,采用支持面向?qū)ο蠹夹g(shù)的程序語言,開發(fā)了南京環(huán)境污染事故應(yīng)急監(jiān)測地理信息系統(tǒng)?；诖?在對大量基礎(chǔ)資料進(jìn)行整理的基礎(chǔ)上,筆者開發(fā)了基于GIS組件技術(shù)、GPRS/CDMA寬帶通訊技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)和Visual Studio.Net開發(fā)平臺為基礎(chǔ)的農(nóng)村鄉(xiāng)鎮(zhèn)污染企業(yè)監(jiān)測管理系統(tǒng)。充分利用GIS的可視化、SQL Server強大的數(shù)據(jù)管理功能,以及GPRS/CDM A寬帶通訊技術(shù)建立了1個能夠?qū)崟r、快速、準(zhǔn)確地對農(nóng)村環(huán)境污染源進(jìn)行在線監(jiān)測的綜合信息服務(wù)管線系統(tǒng),極大的提高了農(nóng)村環(huán)境管理的效率和水平。

1 系統(tǒng)目標(biāo)和開發(fā)平臺

1.1 系統(tǒng)目標(biāo)

目前農(nóng)村環(huán)境污染缺乏有效的監(jiān)管有段,對可能發(fā)生的污染事件缺乏相應(yīng)的處理措施。事故的發(fā)生必將造成農(nóng)村環(huán)境質(zhì)量下降,并且直接影響著居民的正常生活。針對這些問題,本系統(tǒng)充分利用GIS技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)以及GPRS/CDMA寬帶通訊技術(shù)等,建立了由主要水域水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)、農(nóng)村空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)、鄉(xiāng)村噪音監(jiān)測系統(tǒng)、和監(jiān)測中心等組成的農(nóng)村鄉(xiāng)鎮(zhèn)污染企業(yè)監(jiān)測管理系統(tǒng),極大的提高了環(huán)保部門處理農(nóng)村環(huán)境污染問題的能力。

1.2 開發(fā)平臺

系統(tǒng)采用面向?qū)ο?OPP)的設(shè)計思想及原型化開發(fā)方法,充分考慮系統(tǒng)的完整性、靈活性、可擴展性和安全性[7],A rcGIS Engine是一組跨平臺的嵌入式A rcObjects,它是A rcGIS軟件產(chǎn)品的底層組件,是用來創(chuàng)建定制的GIS桌面應(yīng)用程序的開發(fā)產(chǎn)品。它擁有強大和完善的GIS服務(wù)架構(gòu),支持高度的可伸縮性二次開發(fā)[8]。A rcGIS Engine開發(fā)的最大好處是可以完全脫離A rcGIS環(huán)境運行系統(tǒng),從而降低用戶成本,方便了用戶的使用[9]。目前,中國聯(lián)通和中國移動網(wǎng)絡(luò)覆蓋廣,各基站設(shè)備設(shè)施先進(jìn),對自然環(huán)境的抗風(fēng)險能力較強,因此,以CDMA、GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)形成的數(shù)據(jù)服務(wù),不受地理環(huán)境和天氣條件的限制。利用CDM A/GPRS無線通信傳輸系統(tǒng)和中國移動或中國聯(lián)通的傳輸網(wǎng)絡(luò)采用數(shù)字?jǐn)U頻通信技術(shù),具有速度快、傳輸效率高;易開發(fā)、可擴充、永遠(yuǎn)在線;并可提供TCP/IP連接,便于數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用,從而在環(huán)境在線監(jiān)測中有著廣泛而大量的使用[10]。

本文采用Net平臺的C#語言是微軟公司推出的一種新型編程語言,作為.NET平臺的第一語言,它幾乎集中了所有關(guān)于軟件開發(fā)和軟件工程研究的最新成果,且與A rcGIS Engine有很好的兼容性[11-12]。M icrosoft SQL Server是1個全面的、集成的、端到端的數(shù)據(jù)解決方案,它為用戶提供了1個安全、可靠和高效的平臺用于數(shù)據(jù)管理和商業(yè)智能應(yīng)用?；诖吮鞠到y(tǒng)選擇C#語言和SQL Server 2005作為系統(tǒng)開發(fā)主要編程語言和數(shù)據(jù)庫平臺。

1.3 A rcGIS Engine與通訊網(wǎng)絡(luò)結(jié)合

監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時采集傳送 數(shù)據(jù)的實時采集傳送由數(shù)據(jù)采集任務(wù)、數(shù)據(jù)處理任務(wù)、網(wǎng)絡(luò)任務(wù)、操作系統(tǒng)任務(wù)和文件系統(tǒng)共同完成。通常情況下數(shù)據(jù)采集任務(wù)處于睡眠延時等待狀態(tài),延時時間到數(shù)據(jù)采集任務(wù)被激活,進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集并將數(shù)據(jù)保存在自己的堆棧中,完畢后重新進(jìn)入睡眠等待狀態(tài)。本設(shè)計中延時1次為10 s,即10 s采集1次?？梢酝ㄟ^改變采集任務(wù)的延時時間來改變整個系統(tǒng)的采樣頻率。

1次數(shù)據(jù)采集完畢后,對堆棧中的數(shù)據(jù)有2種處理方式,1種是立即傳送方式,另1種是正常處理方式。立即傳送方式主要監(jiān)測污染事故對水質(zhì)、大氣的影響。當(dāng)出現(xiàn)嚴(yán)重污染事故時,需要及時快速的了解水質(zhì)狀況,監(jiān)測中心通過網(wǎng)絡(luò)向嵌入式采集終端發(fā)送1個立即傳送命令,操作系統(tǒng)任務(wù)對命令進(jìn)行處理判斷后發(fā)消息激活數(shù)據(jù)處理任務(wù),數(shù)據(jù)處理任務(wù)將采集任務(wù)堆棧中的數(shù)據(jù)讀到自己的堆棧中,讀完后清空采集任務(wù)堆棧并進(jìn)入睡眠狀態(tài)。接著操作系統(tǒng)任務(wù)發(fā)消息激活網(wǎng)絡(luò)任務(wù),網(wǎng)絡(luò)任務(wù)將數(shù)據(jù)處理任務(wù)堆棧中的數(shù)據(jù)讀到網(wǎng)卡緩沖區(qū),讀完后清空數(shù)據(jù)處理任務(wù)堆棧,TCP/IP開始發(fā)送數(shù)據(jù)。這種方式采集1次數(shù)據(jù)就傳送1次,實時性好,但是占用太多的系統(tǒng)資源和網(wǎng)絡(luò)資源。

正常處理方式即按設(shè)計好的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。1次采樣完畢后,如果采樣任務(wù)堆棧未滿則繼續(xù)下次采樣,直到堆棧滿。滿后調(diào)用文件系統(tǒng),將堆棧中的數(shù)據(jù)以文件形式存儲在Flash中。且網(wǎng)絡(luò)任務(wù)每隔2 h被擊激活,將Flash中的數(shù)據(jù)讀到網(wǎng)卡緩沖區(qū),接著發(fā)送數(shù)據(jù)。這種方式避免了因過多的數(shù)據(jù)讀寫以及數(shù)據(jù)傳送而占用系統(tǒng)資源。

監(jiān)測數(shù)據(jù)的動態(tài)顯示 監(jiān)測數(shù)據(jù)的動態(tài)顯示就是通過A rcGIS Engine與通訊網(wǎng)絡(luò)結(jié)合,對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理后,在GIS可視化界面上動態(tài)顯示。監(jiān)測中心接收到監(jiān)測數(shù)據(jù)后,GIS按一定的規(guī)則對數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證,符合規(guī)則的有效數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中?？梢暬缑嫱ㄟ^數(shù)據(jù)庫API接口將存儲的數(shù)據(jù)讀出,進(jìn)行匯總等處理;然后調(diào)用數(shù)據(jù)模型進(jìn)行分析和模擬,并將分析模擬的結(jié)果以不同顏色動態(tài)顯示在GIS可視化界面上。

瀝青面層攤鋪前必須對下承層清掃或沖洗，表面要保證干凈、清潔。然后均勻噴灑粘層油，粘層油噴灑量一定要準(zhǔn)確，否則會對面層的油石比造成影響。

2 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)功能設(shè)計

2.1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

由于農(nóng)村鄉(xiāng)鎮(zhèn)污染企業(yè)在線監(jiān)測是1項較復(fù)雜的工程,涉及的污染源較多。因此該系統(tǒng)的設(shè)計要本著使用起來盡量簡單易用、成本盡可能低廉、維護盡可能方便等特點,同時還要保障監(jiān)測過程的真實、有效、穩(wěn)定、可控。因此本文選擇了遠(yuǎn)程無線數(shù)據(jù)采集方案,對主要污染源進(jìn)行布點監(jiān)控。監(jiān)測中心可以分級設(shè)在環(huán)保部門的中心機房內(nèi),主服務(wù)器采用Window s Server2003操作系統(tǒng),數(shù)據(jù)庫采用SQL Server 2005。各個監(jiān)測中心與各個監(jiān)控點采用GPRS/CDMA通訊系統(tǒng)建立通訊,各個監(jiān)測中心采用專用光纖同電信的Internet連接,并具有公網(wǎng)IP。在具有Internet連接的各個監(jiān)控中心,可以用的GPRS/CDMA無線通訊系統(tǒng)進(jìn)行點對點、一點對多點的通訊,以備在Internet網(wǎng)絡(luò)不暢的情況下做應(yīng)急通訊備份。所有來自遙測站的數(shù)據(jù)包經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)(CDMA/GPRS和Internet)首先進(jìn)入具有固定的IP地址的硬件防火墻,硬件防火墻通過端口映射功能將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到主服務(wù)器上,再由數(shù)據(jù)中心程序(軟件)將數(shù)據(jù)讀出并進(jìn)行分析,最后寫入數(shù)據(jù)庫。圖1為農(nóng)村鄉(xiāng)鎮(zhèn)污染企業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)框架。

圖1 農(nóng)村鄉(xiāng)鎮(zhèn)污染企業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)框架圖ig.1 Frame of countryside environmental monitoring system

2.2 系統(tǒng)功能設(shè)計

結(jié)合農(nóng)村鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)環(huán)境污染的現(xiàn)狀,詳細(xì)分析了污染源的類別,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了監(jiān)測系統(tǒng)功能模塊的設(shè)計。農(nóng)村環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計分為7個模塊來實現(xiàn),具體分為:地理信息、監(jiān)控源管理、綜合查詢、分析統(tǒng)計、數(shù)據(jù)保護、實時數(shù)據(jù)和系統(tǒng)管理。系統(tǒng)中使用了PLC設(shè)備和智能模塊的采集設(shè)備。在力控中支持大量的PLC等采集設(shè)備的驅(qū)動,能與化學(xué)需氧量COD在線自動監(jiān)測儀、總有機碳TOC水質(zhì)自動分析儀、紫外(UV)吸收水質(zhì)自動在線監(jiān)測儀、氨氮水質(zhì)自動分析儀、總磷水質(zhì)自動分析儀、p H水質(zhì)自動分析儀、超聲波明渠污水流量計、電磁流量計等多種監(jiān)測儀器和分析儀器進(jìn)行通信,采集和轉(zhuǎn)發(fā)通信方式完全實現(xiàn)了《污染源在線自動監(jiān)控(監(jiān)測)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)》。其系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能模塊結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of system module

農(nóng)村鄉(xiāng)鎮(zhèn)污染企業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)各模塊實現(xiàn)的功能:

(1)地理信息模塊:包括相關(guān)地區(qū)的地圖資料以及M xd格式、Shape格式和CAD格式等圖層文件資料,圖層文件可以通過JPEG格式進(jìn)行保存以及打印輸出。

(2)監(jiān)控源管理模塊:在線監(jiān)測和遠(yuǎn)程控制可以在線查看、查詢、獲取各種監(jiān)測設(shè)備和開關(guān)的最新數(shù)據(jù)、狀況,實現(xiàn)TOC,COD,PH,流量計等儀表的定時監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集。中心控制室可以實時顯示水污染點源的污水瞬時流量、累積流量,COD或氨氮的濃度和排放總量等數(shù)據(jù),能夠?qū)ΡO(jiān)測現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程啟動、設(shè)定工作時間、調(diào)整工作周期、數(shù)據(jù)2次查詢等遠(yuǎn)程操作。同時,中心控制室可以實時顯示大氣污染點源的煙氣流量和排放總量,煙氣、煙塵、CO,SO2,NOx的濃度和排放總量等數(shù)據(jù)。最后將所有分析結(jié)果和設(shè)備運行日志記錄于環(huán)保局中心數(shù)據(jù)中。報警限值設(shè)有4種包括斷線報警(包括設(shè)備故障報警)、超標(biāo)報警、開關(guān)設(shè)備報警和異常情況報警?？梢造`活設(shè)定報警條件,并和人員的手機、短信綁定,在滿足報警條件時,自動發(fā)送報警信息。

(3)綜合查詢模塊:實現(xiàn)對歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)的查詢和打印,數(shù)據(jù)查詢可以包括時間范圍、監(jiān)測點、監(jiān)測因子和報警類型等限制條件。報警記錄查詢主要是對各監(jiān)測點和監(jiān)測因子達(dá)到報警限值的歷史資料查詢。操作日志查詢是對某一段時間內(nèi)對各種監(jiān)測設(shè)備等進(jìn)行操作的歷史記錄。

(4)分析統(tǒng)計模塊:實現(xiàn)查詢結(jié)果的分類、分項排序、統(tǒng)計最大值、最小值、平均值、匯總值等分析處理功能。能對各類監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計,包括COD、氨氮濃度分析;COD、氨氮排放總量統(tǒng)計;煙氣流量統(tǒng)計;煙氣、煙塵、CO,SO2,NOx濃度分析;煙氣、煙塵、CO,SO2,NOx排放總量統(tǒng)計等。實現(xiàn)對各種統(tǒng)計分析結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行打印。

(5)實時數(shù)據(jù)模塊:主要實現(xiàn)了對各種監(jiān)測因子的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行在線顯示。同時可以實現(xiàn)對現(xiàn)場進(jìn)行視頻監(jiān)控,實現(xiàn)現(xiàn)場影像的高清晰同步實時傳輸,在監(jiān)控中心電視墻等終端上顯示,并通過監(jiān)控中心網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)圖像的傳輸、顯示、存儲、回放等功能。

(6)數(shù)據(jù)備份模塊:主要是把相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)導(dǎo)入SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫進(jìn)行保存,同時對非法操作而造成丟失的數(shù)據(jù)進(jìn)行恢復(fù)。

(7)系統(tǒng)管理模塊:主要是系統(tǒng)管理員對系統(tǒng)參數(shù)的管理,包括權(quán)限管理、常量管理、設(shè)備管理、在線列表和監(jiān)控源類型設(shè)置等。對空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù)的添加、刪除和更新,數(shù)據(jù)庫的備份操作等。

3 系統(tǒng)的實現(xiàn)

本系統(tǒng)結(jié)合農(nóng)村鄉(xiāng)鎮(zhèn)污染企業(yè)監(jiān)測的實際需求,通過對系統(tǒng)目標(biāo)的確立,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)功能模塊的設(shè)計,采用目前先進(jìn)的NET開發(fā)平臺、A rcGIS Engine技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)和GPRS/CDMA寬帶通訊技術(shù)建立了系統(tǒng)的總體框架。使用流行的編程語言C#通過加載A rcGIS Engine組件庫中的控件以及自定義功能按鈕等,簡化程序的代碼編寫,提高開發(fā)效率,系統(tǒng)運行主界面如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)運行主界面(濟寧地區(qū))Fig.3 Main interface of system operation

4 結(jié)論

從全國的農(nóng)村鄉(xiāng)鎮(zhèn)污染企業(yè)監(jiān)測數(shù)據(jù)來看,我國的農(nóng)村鄉(xiāng)鎮(zhèn)污染企業(yè)污染惡化的趨勢已得到基本控制,農(nóng)村環(huán)境質(zhì)量有所改善,但是污染仍處于相當(dāng)高的水平。因此迫切需要大量的現(xiàn)代化的環(huán)境監(jiān)測儀器,特別需要優(yōu)質(zhì)的自動監(jiān)測系統(tǒng)和污染源在線連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)?；诖吮疚膶r(nóng)村鄉(xiāng)鎮(zhèn)污染企業(yè)在線監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究,開發(fā)完成農(nóng)村鄉(xiāng)鎮(zhèn)污染企業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)。

(1)系統(tǒng)實現(xiàn)了對農(nóng)村鄉(xiāng)鎮(zhèn)污染企業(yè)監(jiān)測區(qū)域的地圖矢量化,利用GIS與數(shù)據(jù)庫的接口功能,在電子地圖上直觀地生成可視化的計算結(jié)果圖表。建立了空間數(shù)據(jù)庫和非空間數(shù)據(jù)庫,并能根據(jù)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢、顯示和定位,實現(xiàn)了圖形與數(shù)據(jù)的結(jié)合,揭示出數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)和隱藏在數(shù)據(jù)背后的信息。

(2)系統(tǒng)實現(xiàn)了對基礎(chǔ)資料的上傳入庫和顯示,與農(nóng)村鄉(xiāng)鎮(zhèn)污染企業(yè)影響因子相關(guān)的文檔及環(huán)境事件的總結(jié)都可即時的上傳到數(shù)據(jù)庫,并顯示在查詢界面,使用方便快捷,具有靈活性。

(3)實時監(jiān)視重點污染源瞬時流量、累積流量、污染物濃度、污染物排放總量等數(shù)據(jù),實時控制現(xiàn)場設(shè)備的運行狀態(tài);整合GPRS/CDM A寬帶通訊技術(shù),傳輸大氣和水質(zhì)等相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)到環(huán)保局中心控制室。

(4)實現(xiàn)各類監(jiān)測數(shù)據(jù)的接收、顯示、統(tǒng)計、自動綜合分析、存儲、應(yīng)用、發(fā)布等。系統(tǒng)同時實現(xiàn)了對地圖的平移、縮放、漫游等基本操作。實現(xiàn)對系統(tǒng)參數(shù)的管理,包括權(quán)限管理、常量管理、設(shè)備管理、在線列表和監(jiān)控源類型設(shè)置等,對空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù)的添加、刪除和更新,數(shù)據(jù)庫的備份操作等,體現(xiàn)了系統(tǒng)的完整性和可擴展性。

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