孫南,蔡繼軍

(常州市環(huán)境監(jiān)測中心，江蘇 常州 231001)

在國家“數字環(huán)?！迸c“智慧環(huán)?！卑l(fā)展戰(zhàn)略背景下，環(huán)境質量自動監(jiān)測(控)系統(tǒng)作為環(huán)保信息化能力建設的重要組成部分，正在由封閉體系向功能開放、信息共享的規(guī)范化服務體系轉變，系統(tǒng)功能由各業(yè)務板塊自成系統(tǒng)，向整體推進和業(yè)務協(xié)同轉變?？諝赓|量實時發(fā)布是集PM2.5監(jiān)測能力建設、空氣自動站質控、空氣質量預警于一體的多層次協(xié)同管理體系，也是環(huán)境質量管理服務于公眾的現(xiàn)代化手段之一[1]。

空氣質量實時發(fā)布協(xié)同服務體系以數據管理規(guī)范化和數據處理自動化為核心，通過數據質控管理、數據自動化處理、數據一致性保障等保證發(fā)布數據的質量和數據一致性，可以有效解決目前存在的“信息煙窗”現(xiàn)象，實現(xiàn)空氣質量監(jiān)測數據和發(fā)布信息的“一數一源、一源多用、數據共享”。

1 協(xié)同服務體系對象模型

空氣質量實時發(fā)布是一個涵蓋國家、省、市、縣等多級發(fā)布接口，涉及自動站數據采集、數據傳輸、數據處理、數據發(fā)布等多個集成環(huán)節(jié)，由評價時段、監(jiān)測站位、污染物濃度，以及AQI、IAQI、首要污染物、空氣質量級別等多發(fā)布要素組成的復雜體系。針對這一體系，并結合實時發(fā)布的管理模式，按照接口、集成、要素3個維度構建空氣質量實時發(fā)布協(xié)同服務體系的對象模型(圖1)。

(1)要素對象按照空氣質量新標準和AQI技術規(guī)范，管理發(fā)布信息的發(fā)布主題和計算評價標準，為集成對象的數據處理提供計算操作。

(2)集成對象按照要素對象的計算模型，計算生成發(fā)布信息的各類統(tǒng)計指標，同時對數據進行質量控制和自動化處理。在協(xié)同機制上，集成對象一方面保證發(fā)布信息計算評價的可靠性與實時性，另一方面保證不同發(fā)布系統(tǒng)之間發(fā)布信息的一致性。

(3)接口對象管理各級實時發(fā)布平臺的界面結構，并按照發(fā)布規(guī)范實時發(fā)布空氣質量信息。發(fā)布形式目前為環(huán)保局網站和移動設備，未來可以擴展至微博、電視、報紙等媒介。接口對象的數據來源于集成對象，由其數據發(fā)布功能集中管理。

圖1 空氣質量實時發(fā)布協(xié)同服務體系對象模型

要素對象、集成對象、接口對象三者松散耦合，功能彼此獨立，運行過程中通過信息發(fā)布流程進行協(xié)同管理和動態(tài)組合，從而保證每個維度的擴展性，便于搭建面向服務(SOA)的信息發(fā)布系統(tǒng)。

2 協(xié)同服務框架

空氣質量實時發(fā)布協(xié)同服務框架按照協(xié)同服務對象模型進行組織，將對象模型每個維度的功能進行面向服務(SOA)的組件化封裝，通過WCF(Windows Communication Framework)實現(xiàn)服務組件間的功能協(xié)同與數據協(xié)同(圖2)。

圖2 空氣質量信息發(fā)布協(xié)同服務框架

圖2中，統(tǒng)計計算服務將要素對象管理的空氣質量實時發(fā)布主題、計算評價標準封裝為Web服務，由標準的服務接口(SOAP)提供計算功能。其中的每個服務均可擴展、組合，以適應業(yè)務需求。

數據質控服務包括自動站質控和數據質控。其中，自動站質控遵循自動站質控管理規(guī)范，由自動站運維公司和自動站管理部門實施；數據質控主要對數據進行質控檢查和修約，剔除無效數據，保證發(fā)布數據的質量。數據聚合計算模型在時間維度上對數據進行歸類與聚合，同時對AQI統(tǒng)計信息、日報、實時報等數據進行一致性校驗。數據自動化控制模型負責控制數據采集、傳輸、質控、發(fā)布等環(huán)節(jié)的自動化處理過程，以提高發(fā)布信息的實時性。

信息發(fā)布通訊接口服務采用XMLWeb Service技術，實現(xiàn)與國家、省、市、縣等各級空氣質量發(fā)布平臺，以及與市、縣環(huán)保局門戶網站信息發(fā)布接口的無縫對接。數據集成模型實現(xiàn)空氣自動監(jiān)測站、數據采集系統(tǒng)、數據通訊系統(tǒng)的規(guī)范化集成，并支持自動站的動態(tài)添加和監(jiān)測儀器的動態(tài)接入。

2.1 統(tǒng)計計算服務

統(tǒng)計計算服務包括空氣質量分指數(IAQI)、空氣質量指數(AQI)、環(huán)境空氣質量級別、首要污染物、日報和實時報數據的評價計算。AQI計算按照《環(huán)境空氣質量指數(AQI)技術規(guī)定(試行)》(HJ 633-2012)，數據有效性判定按照國家標準《環(huán)境空氣質量標準》(GB 3095-2012)。

2.1.1 統(tǒng)計主題

統(tǒng)計指標：污染物濃度均值、IAQI、AQI、首要污染物、空氣質量級別；統(tǒng)計時間：小時數據統(tǒng)計、日數據統(tǒng)計、自定義時間段數據統(tǒng)計；統(tǒng)計范圍：單站、多站、全市；統(tǒng)計項目：參與小時空氣質量分指數計算的項目有SO2、NO2、PM10、PM10(24)、CO、O3(1)、O3(8)、PM2.5、PM2.5(24)共計9個項目，參與日空氣質量分指數計算的有SO2、NO2、PM10(24)、CO、O3(1)、O3(8)、PM2.5(24)共計7個項目。

2.1.2 AQI統(tǒng)計模型

(1)根據污染物的小時濃度均值、滑動濃度均值和滑動濃度最大值，計算出SO2，NO2，PM10，PM10(24)，CO，O3(1)，O3(8)，PM2.5，PM2.5(24)對應的小時空氣質量分指數。

(2)取IAQI最大值作為AQI，將IAQI最大值對應的污染物作為首要污染物，并根據AQI計算空氣質量等級。

(3)對于自定義時間段的數據統(tǒng)計，因O3、O3(8)滑動均值的統(tǒng)計規(guī)則為1d內取當日小時均值的最大值，超過1d取日合計的平均值。所以當時間段分別在1d之內和超過1d時，對應不同的AQI統(tǒng)計規(guī)則。

2.1.3 AQI日報、實時報

(1)AQI日報目前僅包括國控空氣自動站，日報時段為當日零點前24 h，統(tǒng)計指標包括SO2，NO2，PM10，PM2.5，CO的24h平均，O3日最大1h平均，O3日最大8 h滑動平均，以及空氣質量指數、首要污染物、空氣質量指數級別、空氣質量指數類別。

(2)AQI實時報時間周期為1 h，每一整點時刻后即可發(fā)布各監(jiān)測點位的實時報，滯后時間不應超過1h。實時報的指標包括SO2，NO2，O3，CO，PM10，PM2.5的1 h平均，O3的8 h滑動平均，PM10、PM2.5的24 h滑動平均，以及空氣質量指數、首要污染物、空氣質量指數級別、空氣質量指數類別。

2.2 數據質控服務

數據質控服務封裝了兩個功能組件，分別為數據質控審核和數據有效性判定。

2.2.1 數據質控審核

(1)儀器參數：校零、校標、外部校準、儀器診斷、儀器故障。

(2)質控檢查模型：最小值質控檢查(Minimun QC Check)、最大值質控檢查(Maximun QC Check)、零值質控檢查(Zero QC Check)、穩(wěn)定不變值質控檢查(Sticking QC Check)、變化率質控檢查(Rate of Change QC Check)、幅度質控檢查(Range QC Check)、相鄰質控檢查(Buddy QC Check)。

(3)質控信息標記：質控信息來源于系統(tǒng)自動獲取及人工錄入，可以由運營商錄入各類質控信息，也可對自動獲取的儀器工作參數、儀器狀態(tài)參數進行研判與標注。質控信息目前定義了4類，分別為：正常、零值、負值、異常。

2.2.2 數據有效性判定

經過質控審核的數據需滿足數據有效性才可進行統(tǒng)計計算，污染物濃度數據有效性要求依據《環(huán)境空氣質量標準》(GB 3095-2012)。

2.3 數據聚合計算模型

數據聚合計算模型按照兩個計算維度進行聚合計算：一是以分鐘監(jiān)測數據為基本聚合對象，在分鐘、小時、日、月等時間維度上進行多維歸類與級聯(lián)聚合；二是按照統(tǒng)計計算服務定義的統(tǒng)計主題和統(tǒng)計指標對數據進行動態(tài)計算。基本功能如下：

(1)按照空氣自動站、監(jiān)測項目、監(jiān)測時間維度對分鐘數據進行邏輯分組，生成基本數據集合；

(2)按照統(tǒng)計主題和數據標記維護基本聚合數據的計算關系；

(3)按照標準規(guī)范及聚合規(guī)則對每個主題的分鐘有效數據進行聚合計算，生成小時數據；

(4)按照數據視圖和依賴關系對數據進行聯(lián)動計算，保證不同主題之間數據的一致性；

(5)管理和定義面向數據服務的AEF接口和WebService接口。

在實現(xiàn)技術上，采用基于WF的數據聚合模型將聚合計算和數據隔離，在技術實現(xiàn)上采用Sequential模型和State Machine模型。其中，Sequential模型按照聚合規(guī)則進行聯(lián)動計算，支持分支(IFELSE)、循環(huán)(WHILE)等流程；State Machine模型是以事件(Event)為驅動，將聚合過程轉換為不同的狀態(tài)，每個狀態(tài)均包含驅動事件、計算規(guī)則、依賴關系。數據聚合模型內部采用SQL 通用運行語言CLR管理聚合規(guī)則，進行快速聚合計算。

2.4 數據自動化處理模型

從空氣質量實時發(fā)布角度看，數據自動化處理模型的關鍵在于驅動數據質量控制模型和數據聚合計算模型，實現(xiàn)空氣質量數據有效性判斷、數據質控審核、數據聚合計算全過程的自動化[2]。

對于因數據質控造成數據發(fā)生變化的情況，數據自動化處理模型監(jiān)控這類變化并驅動數據聚合計算模型進行重算處理。在實現(xiàn)上，自動化處理模型采用WF(Microsoft WorkFlow)將數據變化事件發(fā)送至數據聚合計算模型進行處理。

2.5 信息發(fā)布通訊接口服務

信息發(fā)布通訊接口采用WebService技術設計通用數據發(fā)布接口且支持接口定義，能夠向多個發(fā)布平臺發(fā)送一致的空氣質量信息。

(1)接口名：AQIDayReport

◆服務地址：http://服務器IP/webservice/AQIDayReportService.asmx?op=AQIDayReport

◆接口說明：用于獲取一段時間AQI數據

◆接口參數：

參數名說明類型St開始時間StringEt結束時間StringsWhere查詢條件StringiDataType數據類型Int

(2)接口名：AQIDayReport

◆服務地址：http://服務器IP /webservice/dataservice.asmx?op=AQIDayReport

◆接口說明：用于獲取最新AQI日報數據

◆接口參數：無

(3)接口名：HourData

◆服務地址：http:// 服務器IP /webservice/dataservice.asmx?op=HourData

◆接口說明：用于獲取當前最新小時及24 h空氣質量歷史數據

◆接口參數：無

3 結語

常州市目前已經安裝建設國家VPN、省VPN、市環(huán)境質量自動監(jiān)測(控)平臺3套與空氣質量實時發(fā)布相關的系統(tǒng)。其中，6個國控空氣自動站的省建VPN系統(tǒng)以及常州市環(huán)境質量自動監(jiān)測(控)平臺已經納入協(xié)同服務體系，通過協(xié)同服務體系的信息發(fā)布服務接口，為常州市環(huán)保局預警平臺、市氣象臺、市新聞臺，以及金壇、溧陽政府網站實時提供空氣質量數據，從而保證了省、市、縣三級空氣質量發(fā)布信息及常州市相關部門之間數據的一致性。國家環(huán)境空氣監(jiān)測網建設的VPN系統(tǒng)與常州市環(huán)境質量自動監(jiān)測(控)平臺相互獨立，目前兩套系統(tǒng)處于并行采集數據、并行運行的狀態(tài)，未來可通過協(xié)同服務體系對國家VPN的現(xiàn)場部分進行整合，更好地保障發(fā)布信息的質量。

環(huán)境監(jiān)測與預警監(jiān)測是一項基礎性、戰(zhàn)略性、長期性的工作[3]?？諝赓|量實時發(fā)布工作須不斷改進、不斷完善，建立全程控制的管理理念，強化環(huán)境監(jiān)測的預警功能，才能實現(xiàn)建立先進的環(huán)境空氣質量實時發(fā)布體系和預警應急體系的目標[3，4]。

[1] 張丹寧,許立峰.淺談環(huán)境預警應急指揮中心的構建與運作[J].環(huán)境監(jiān)測管理與技術，2007,19(2):1-3.

[2] 吳迓名.新空氣質量標準實施后空氣質量自動監(jiān)測質保審核的建立探討[J].環(huán)境監(jiān)控與預警,2013，5(3)：53-56.

[3] 岳玎利，鐘流舉，周炎，等.珠三角地區(qū)區(qū)域空氣質量實況發(fā)布體系建設[J].環(huán)境監(jiān)測管理與技術,2013，25(3)：5-9.

[4] 東梅，傅曉翀.無錫市區(qū)域空氣質量動態(tài)發(fā)布關鍵技術研究[J].污染防治技術,2012，25(3)：21-24.