張樹禮 郝 軍 張 巍

（內(nèi)蒙古自治區(qū)污染物在線監(jiān)控中心、環(huán)境信息中心，呼和浩特 010010）

引言

“十一五”期間，我國大規(guī)模地開展了污染源自動監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，對重點污染源的廢氣和廢水排放進行自動監(jiān)控，國家級、省級、地市級網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)大大推動了環(huán)境監(jiān)測自動化的進程，我國的環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)進入新的一輪發(fā)展高潮。

在這個大背景下，內(nèi)蒙古自治區(qū)污染源在線監(jiān)控中心將環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)提上了日程，秉承以科技創(chuàng)新推動環(huán)境管理進步的思想，引入當前最先進的3G移動通信技術(shù)、3S空間信息管理技術(shù)，采用“云計算”理念，將傳統(tǒng)手段與現(xiàn)代信息技術(shù)相結(jié)合，將計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)和空間信息等高新技術(shù)進行集成，建立“物聯(lián)網(wǎng)”，為環(huán)境監(jiān)測、環(huán)境管理、環(huán)境模擬等提供決策支持平臺，加大內(nèi)蒙古自治區(qū)環(huán)境監(jiān)測范圍，加強環(huán)境監(jiān)測管理力度，有效提高環(huán)保部門的科學決策能力，為構(gòu)建和諧社會，實現(xiàn)國民經(jīng)濟、社會和環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展做出貢獻。

1.環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)是由多項信息技術(shù)融合而成的新型技術(shù)體系。[1]物聯(lián)網(wǎng)是指在物理世界的實體中部署具有一定感知能力、計算能力和執(zhí)行能力的各種信息傳感設(shè)備，通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)施實現(xiàn)信息傳輸、協(xié)同和處理，從而實現(xiàn)廣域或大范圍的人與物、物與物之間信息交換需求的互聯(lián)[2]。物聯(lián)網(wǎng)依托傳感器、傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、射頻識別技術(shù)、通信網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、智能運算技術(shù)等，實現(xiàn)全面感知、可靠傳遞、智能處理[3]。

環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)主要由污染源前端監(jiān)控系統(tǒng)、傳輸網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控中心組成。數(shù)據(jù)通過有線專網(wǎng)或無線的網(wǎng)絡(luò)傳輸方式將污染源在線監(jiān)控數(shù)據(jù)傳回監(jiān)控中心。在線監(jiān)控數(shù)據(jù)進入數(shù)據(jù)庫后，由在線監(jiān)控系統(tǒng)統(tǒng)一管理，利用大屏幕實時數(shù)據(jù)展示、電子地圖展示、數(shù)據(jù)監(jiān)控并進行統(tǒng)計分析，生成監(jiān)測數(shù)據(jù)報表。同時出差人員或監(jiān)察執(zhí)法人員可以通過無線通訊設(shè)備在移動狀態(tài)查看在線監(jiān)測數(shù)據(jù)。環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)圖

環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)主要分為感知端技術(shù)、傳輸網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)三大部分。

2.環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)感知端技術(shù)研究

在物聯(lián)網(wǎng)“感知層”需要解決的問題是如何利用現(xiàn)有物品的傳感設(shè)備組成的系統(tǒng)，以最少的資金投入將物品的感知和控制信息識別出來，感知和識別技術(shù)是環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)的首要環(huán)節(jié)， 在環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)中主要用污染源自動監(jiān)測設(shè)備來感知和識別環(huán)保監(jiān)控數(shù)據(jù)信息。環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)感知端安裝在企業(yè)現(xiàn)場，用于環(huán)境或污染源排污狀況實時監(jiān)測，包括COD自動監(jiān)測儀、氨氮自動監(jiān)測儀、流量計、煙氣排放自動監(jiān)測設(shè)備等，是污染防治設(shè)施的組成部分。

2.1 在線監(jiān)測系統(tǒng)

污染源在線監(jiān)測設(shè)備包括水質(zhì)在線監(jiān)測設(shè)備和煙氣分析設(shè)備。水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)一般由6個子系統(tǒng)構(gòu)成，包括：采樣系統(tǒng)、預處理系統(tǒng)、監(jiān)測儀器系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集、處理與傳輸子系統(tǒng)及遠程數(shù)據(jù)管理中心、監(jiān)測站房或監(jiān)測小屋，主要監(jiān)測項目包括COD、NH3-N、流量、pH值等。煙氣分析系統(tǒng)由四部分組成：煙氣成份連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)、塵埃濃度檢測系統(tǒng)、流量檢測系統(tǒng)、DAS系統(tǒng)，主要監(jiān)測項目包括SO2、NOx、CO、O2含量、煙氣流量、溫度等。這兩個系統(tǒng)都是以在線自動分析儀器為核心，運用現(xiàn)代傳感器技術(shù)、自動測量技術(shù)，自動控制技術(shù)、計算機應(yīng)用技術(shù)以及相關(guān)的專用分析軟件和通訊網(wǎng)絡(luò)所組成的一個綜合性的在線自動監(jiān)測體系。

2.2 數(shù)據(jù)采集儀

數(shù)據(jù)采集設(shè)備包括數(shù)據(jù)采集終端以及其它需要的輔助控制的線路和防護設(shè)備等。將數(shù)據(jù)采集終端與在線監(jiān)測儀器連接，采集監(jiān)測設(shè)備原始數(shù)據(jù)、完成數(shù)據(jù)的本地存儲、并通過傳輸網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控中心上位機進行數(shù)據(jù)通訊傳輸，數(shù)據(jù)最終存儲在監(jiān)控中心。

2.3 視頻監(jiān)控設(shè)備

視頻監(jiān)控在現(xiàn)場部署了攝像機和視頻編碼器，通過環(huán)保專網(wǎng)將現(xiàn)場圖像信息傳送至寬視界平臺進行存儲，各個監(jiān)控中心根據(jù)實際需求再從寬視界平臺調(diào)用現(xiàn)場圖像。視頻監(jiān)控系統(tǒng)是由攝像、傳輸、控制、顯示、記錄登記5大部分組成。攝像機通過同軸視頻電纜將視頻圖像傳輸?shù)娇刂浦鳈C，通過控制主機，操作人員可對云臺的上、下、左、右的動作進行控制及對鏡頭進行調(diào)焦變倍的操作，并可通過控制主機實現(xiàn)在多路攝像機及云臺之間的切換。

2.4 工況監(jiān)測設(shè)備

工況監(jiān)控設(shè)備在現(xiàn)場布置數(shù)據(jù)采集裝置，通過采集火力發(fā)電廠的主機DCS數(shù)據(jù)，脫硫設(shè)施DCS數(shù)據(jù)，CEMS數(shù)據(jù)，并將相關(guān)數(shù)據(jù)傳送至環(huán)保部門。

工況監(jiān)測設(shè)備，電廠側(cè)兩臺機組為一個采集單元。電廠側(cè)采集單元主要負責采集各類控制系統(tǒng)中的環(huán)保相關(guān)參數(shù)，并通過隔離器、采集交換機存儲到工況過程數(shù)據(jù)服務(wù)器中。

自治區(qū)監(jiān)控中心側(cè)主要設(shè)備為兩臺服務(wù)器，工況過程數(shù)據(jù)庫服務(wù)器及WEB應(yīng)用服務(wù)器，并接入目前監(jiān)控中心既有網(wǎng)絡(luò)中。

2.5 其它感知設(shè)備

除了以上主要的感知設(shè)備外，還有一些輔助的感知設(shè)備，包括無線射頻識別技術(shù)和生物傳感器等。

無線射頻識別技術(shù)利用無線射頻方式在閱讀器和射頻卡之間進行非接觸雙向數(shù)據(jù)傳輸，以達到目標識別和數(shù)據(jù)交換的目的。[4]

生物傳感器是把生物芯片技術(shù)和生物傳感器技術(shù)有效的組合在一起。通過微加工技術(shù)和微電子技術(shù)在固體芯片表面構(gòu)建微型生物化學分析系統(tǒng)，以實現(xiàn)對污染物指標的檢測。

3.環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)傳輸網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究

環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究主要包含兩個主要內(nèi)容：一是前端監(jiān)測/監(jiān)控設(shè)備網(wǎng)絡(luò)接入；二是內(nèi)蒙古自治區(qū)環(huán)境保護廳監(jiān)控中心網(wǎng)絡(luò)研究。通過網(wǎng)絡(luò)研究，最終形成企業(yè)—盟市—自治區(qū)的環(huán)保專網(wǎng)，以及自治區(qū)和十二個盟市級的監(jiān)控中心與視頻會議系統(tǒng)。

3.1 前端設(shè)備網(wǎng)絡(luò)接入

前端監(jiān)控點源數(shù)量多、分布比較分散，因此在前端設(shè)備接入方案中，采用兩種接入方式：有線網(wǎng)絡(luò)接入和3G無線網(wǎng)絡(luò)接入。

對于有線網(wǎng)絡(luò)資源可達區(qū)域的前端點位，優(yōu)先采用光纖敷設(shè)到企業(yè)端或數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場的方式。對于位于具備一定網(wǎng)絡(luò)接入能力廠區(qū)的前端點位，將采用適合該廠區(qū)的有線網(wǎng)絡(luò)方式。

在有線網(wǎng)絡(luò)敷設(shè)存在難度的區(qū)域，充分利用3G無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面積廣、部署成本低、帶寬優(yōu)勢大的特點，在前端點位數(shù)據(jù)采集設(shè)備上安裝無線網(wǎng)絡(luò)模塊，使前端設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到自治區(qū)環(huán)保廳的監(jiān)控中心。

前端設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)通過環(huán)保專網(wǎng)、城域網(wǎng)/寬視界視頻監(jiān)控傳輸網(wǎng)絡(luò)和3G網(wǎng)絡(luò)接入監(jiān)控中心網(wǎng)絡(luò)。

3.2 監(jiān)控中心平臺網(wǎng)絡(luò)

監(jiān)控中心平臺網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的研究，主要是形成環(huán)境業(yè)務(wù)專網(wǎng)、移動業(yè)務(wù)平臺網(wǎng)絡(luò)、內(nèi)網(wǎng)業(yè)務(wù)平臺網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)自治區(qū)環(huán)保廳各項網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的獨立、平穩(wěn)、安全、高效運行。此外，通過擴容已有的核心業(yè)務(wù)平臺網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備來承載各項新業(yè)務(wù)應(yīng)用的通信交換需求。

4.環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)研究

環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控平臺基于插件技術(shù)、ESB（企業(yè)服務(wù)總線）技術(shù)，開創(chuàng)環(huán)保應(yīng)用支撐平臺系統(tǒng)開發(fā)模式，實現(xiàn)了SOA面向服務(wù)架構(gòu)設(shè)計。在技術(shù)層面上建立了環(huán)保各業(yè)務(wù)應(yīng)用統(tǒng)一平臺、協(xié)同服務(wù)、共享數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)。

該平臺目前已集成了污染企業(yè)綜合監(jiān)控管理系統(tǒng)、環(huán)境質(zhì)量綜合監(jiān)測管理系統(tǒng)、環(huán)境應(yīng)急管理系統(tǒng)。

4.1 污染企業(yè)綜合監(jiān)控管理系統(tǒng)

污染企業(yè)綜合監(jiān)控管理系統(tǒng)實現(xiàn)了對企業(yè) “三位一體”手段監(jiān)控，即采用在線監(jiān)測、視頻監(jiān)控以及工況監(jiān)測三種技術(shù)手段，分別從實時、歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)分析、遠程視頻直接觀測、治污設(shè)備實時運行狀態(tài)監(jiān)視三個角度對污染源進行監(jiān)控。

污染企業(yè)綜合監(jiān)控管理系統(tǒng)實現(xiàn)了對全區(qū)399家企業(yè)的838個點位的自動監(jiān)控， 219家企業(yè)的262個點位的視頻監(jiān)控；全區(qū)39家總裝機容量30萬千瓦以上電廠的101個機組的脫硫工況在線監(jiān)測。工況在線監(jiān)測最終建立了示意圖方式的脫硫設(shè)施工藝流程、運行狀況及實時工況數(shù)據(jù)的模型圖庫，直觀了解各設(shè)施的運行情況，實現(xiàn)二氧化硫總量控制、主要污染物二氧化硫減排核算、排污收費和脫硫電價核定標準化，為環(huán)境管理和決策提供有力保障。

圖2顯示的是工況在線監(jiān)測發(fā)現(xiàn)的企業(yè)對監(jiān)測數(shù)據(jù)造假的行為。黃色曲線代表電廠機組負荷，機組負荷保持穩(wěn)定，說明該機組在生產(chǎn)發(fā)電，橙色曲線為增壓風機電流，在9點左右，增壓風機電流突然降為零，說明增壓風機停機，同時用紫色曲線代表的旁路擋板開度（%）突然上升，這表明廢氣沒有進入脫硫系統(tǒng)直接排放。淺藍色曲線為原煙氣二氧化硫濃度，藍色曲線為凈煙氣二氧化硫濃度，圖中顯示凈煙氣濃度并沒有因脫硫系統(tǒng)的停運而上升，這是不符合規(guī)律的。這組曲線說明該電廠在偷排污染物，同時對凈煙氣二氧化硫濃度自動監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了造假。我們可根據(jù)企業(yè)現(xiàn)場核實的情況，進行相應(yīng)處理。

圖2 工況在線監(jiān)測分析曲線

污染企業(yè)綜合監(jiān)控管理系統(tǒng)統(tǒng)計得出2011年，監(jiān)控企業(yè)的二氧化硫的排放量為28.77萬噸，氮氧化物的排放量為29.51萬噸，化學需氧量的排放量為1.57萬噸，氨氮的排放量為0.072萬噸。從2011年第一季度開始，我區(qū)已逐步采用自動監(jiān)控數(shù)據(jù)作為征收總裝機容量30萬千瓦以上電廠二氧化硫排污費的依據(jù)，全年共采用36次，核定排污量約3.08萬噸，占總核定量的15.1%。自動監(jiān)控數(shù)據(jù)正逐步成為自治區(qū)排污收費和環(huán)保行政執(zhí)法的重要依據(jù)。

4.2 環(huán)境質(zhì)量綜合監(jiān)測管理系統(tǒng)

環(huán)境質(zhì)量綜合監(jiān)測管理系統(tǒng)實現(xiàn)對環(huán)境質(zhì)量水、氣、聲、沙塵等監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，通過接入各類自動站，實現(xiàn)對部分環(huán)境質(zhì)量的實時監(jiān)控，在地圖上直觀顯示環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測點位分布及自動監(jiān)控數(shù)據(jù)狀態(tài)和區(qū)域環(huán)境質(zhì)量特征及演進，結(jié)合污染源自動監(jiān)測系統(tǒng)，同時實現(xiàn)業(yè)務(wù)協(xié)同分析功能。

環(huán)境質(zhì)量綜合監(jiān)測管理系統(tǒng)實現(xiàn)了全區(qū)35個空氣環(huán)境質(zhì)量自動監(jiān)測站、5個水質(zhì)自動監(jiān)測站、20個沙塵暴自動監(jiān)測站、30個噪聲自動監(jiān)測點的自動監(jiān)測數(shù)據(jù)實時傳輸和統(tǒng)計分析。在全區(qū)12個盟市安裝12套城市高空視頻，實時觀測城市空氣質(zhì)量情況。

根據(jù)系統(tǒng)統(tǒng)計，2011年內(nèi)蒙古自治區(qū)12個盟市空氣優(yōu)良天數(shù)平均為343天；5個水質(zhì)自動站pH平均達標率100%，溶解氧平均達標率78.26%，高錳酸鹽指數(shù)平均達標率88.89%，氨氮平均達標率92.31%；30個噪聲站中達到《聲環(huán)境質(zhì)量標準》（GB3096-2008）中1類、2類、3類區(qū)標準的分別有2個、16個、8個；20個沙塵暴自動監(jiān)測站中總懸浮顆粒物和可吸入顆粒物最大小時濃度出現(xiàn)在錫林郭勒盟蘇尼特左旗，分別為 11.56mg/m3和11.511mg/m3。

4.3 環(huán)境應(yīng)急管理系統(tǒng)

環(huán)境應(yīng)急管理系統(tǒng)是進行突發(fā)環(huán)境污染事故應(yīng)急處置，管理系統(tǒng)采用瀏覽器/服務(wù)器（B/S）的應(yīng)用結(jié)構(gòu)，基于GIS地圖，提供風險源“一源一檔”的信息，結(jié)合距離事發(fā)地最近的環(huán)境質(zhì)量自動監(jiān)測站數(shù)據(jù)，根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)置的多種污染源擴散模型算法，模擬事故發(fā)生時污染物擴散趨勢，用以支持環(huán)境監(jiān)測點部署及應(yīng)急指揮的業(yè)務(wù)需求。

在2011年8月環(huán)境保護部在全國舉辦的環(huán)境應(yīng)急監(jiān)測演練中，環(huán)境應(yīng)急管理系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)、“云計算”、3G、3S等信息技術(shù)手段，有效地支持了環(huán)境應(yīng)急工作開展。事故模擬的為五一水庫處裝有化學品的罐車翻車事件，系統(tǒng)接報事故信息后，啟動電子預案，配置應(yīng)急資源，生成指揮需要的流程圖，根據(jù)化學品泄漏量，調(diào)用水庫的水文水質(zhì)參數(shù)，模擬化學品在一定時段內(nèi)的擴散趨勢，并在下游開展應(yīng)急監(jiān)測布點。現(xiàn)場人員按照布點開展應(yīng)急監(jiān)測，并通過3G移動辦公手機、移動視頻將監(jiān)測數(shù)據(jù)、現(xiàn)場照片、視頻等信息傳回應(yīng)急中心。

5.結(jié)論

環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)開創(chuàng)了環(huán)保應(yīng)用支撐平臺模式，實現(xiàn)了業(yè)務(wù)的高度整合；在全國首創(chuàng)性地采用“三位一體”的綜合監(jiān)控技術(shù)手段,對環(huán)境質(zhì)量水、氣、聲、沙塵等監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，進行突發(fā)環(huán)境污染事故應(yīng)急處置，雖然環(huán)境監(jiān)控已經(jīng)取得了一定的成果，但是愿景不等于現(xiàn)實，[5]在環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)重新梳理、最新技術(shù)應(yīng)用以及運維體系的建立等方面還有待于進一步解決。

為了解決目前環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)存在的這些問題，應(yīng)盡快出臺相應(yīng)技術(shù)規(guī)范、完善技術(shù)保障；研究制訂不同的行業(yè)或不同的污染種類、儀器研發(fā)與選型指導性原則；在感知數(shù)據(jù)校正、信息聚合、感知數(shù)據(jù)壓縮、存儲與檢索、智能決策算法等方面繼續(xù)深入研究，從而建成一個全覆蓋、全運轉(zhuǎn)、全應(yīng)用、可持續(xù)的環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)體系。

[1] 劉強，崔莉，陳海明.物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用[J].計算機科學.2010.（6）：1-3.

[2] ITU Internet Reports 2005：The Internet of Things[EB/OL].http：//www.itu.int/internetofthings，2011-04-04/2012-05-31.

[3] 田鐵紅，程賡，毛松，譚虎.面向環(huán)境保護的物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展探討[J].信息通信技術(shù)，2010，（5）：1-2.

[4] 謝沙天，徐志鋒.射頻識別技術(shù)原理、安全及應(yīng)用研究[J].通信市場，2005，（3）：2-5.

[5] 楊子江.物聯(lián)網(wǎng)：提升環(huán)境監(jiān)控能力的抓手[J].環(huán)境保護.2010，（8）：3-6.