摘要：空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)指對(duì)存在于空氣中的污染物進(jìn)行定點(diǎn)、連續(xù)或定時(shí)的采樣和測(cè)量，并將監(jiān)測(cè)發(fā)送到監(jiān)控中心，加以分析并得到相關(guān)的數(shù)據(jù)[1]。該文主要介紹城市空氣質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)完整性研究，系統(tǒng)的分析了影響數(shù)據(jù)完整性的因素，并提出了相應(yīng)的解決方案。該研究方案解決了空氣質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中經(jīng)常出現(xiàn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)丟失、損害的問(wèn)題，并且能夠方便、有效地運(yùn)用到其他環(huán)保監(jiān)控系統(tǒng)中。

關(guān)鍵詞：空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)；完整性；PM2.5；PM10

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2013）19-4555-04

空氣是一種重要的公共資源。近年來(lái)，隨著公眾環(huán)保意識(shí)的逐步增強(qiáng)，以及霧霾天氣的增多，空氣質(zhì)量已成為一項(xiàng)全民關(guān)注的民生話題。特別是被稱為“灰霾元兇”的空氣污染物PM2.5 （又稱“可入肺顆粒物”），更是受到公眾廣泛、持續(xù)的關(guān)注。

2012年底，多個(gè)城市正式對(duì)外發(fā)布PM2.5空氣質(zhì)量因子的監(jiān)測(cè)信息，公眾可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)在線查看實(shí)時(shí)和歷史空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)信息，包括臭氧、一氧化碳、二氧化硫、二氧化氮、PM10及PM2.5六種污染物監(jiān)測(cè)信息。那么，為了使市民能夠及時(shí)了解空氣污染物監(jiān)測(cè)信息，就需要多方面考慮，確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的完整、準(zhǔn)確。

1 系統(tǒng)組成

每個(gè)城市空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站點(diǎn)一般有多個(gè)，站點(diǎn)選址考慮的重點(diǎn)是代表性，有學(xué)校、醫(yī)院、工廠，也有一些設(shè)在人口密集的地區(qū)，以真實(shí)反映城市的環(huán)境狀況。在這些站點(diǎn)中，要有一個(gè)基準(zhǔn)站點(diǎn)、一個(gè)國(guó)控站點(diǎn)。

監(jiān)控站點(diǎn)需要分布在市區(qū)各個(gè)方位，站點(diǎn)的位置比較分散，站點(diǎn)附近環(huán)境一般比較復(fù)雜，因此使用環(huán)保專網(wǎng)，將各個(gè)站點(diǎn)連接到城市環(huán)保局監(jiān)控中心。系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)模式，從底層逐級(jí)向上分為現(xiàn)場(chǎng)機(jī)、傳輸網(wǎng)絡(luò)和上位機(jī)三個(gè)層次。上位機(jī)通過(guò)傳輸網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)機(jī)交換數(shù)據(jù)、發(fā)起和應(yīng)答指令?？諝赓|(zhì)量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)[2]如圖1所示。

1.1 現(xiàn)場(chǎng)機(jī)

安裝在空氣質(zhì)量監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)，用于監(jiān)控、檢測(cè)空氣質(zhì)量狀況并完成與上位機(jī)的數(shù)據(jù)通訊傳輸。包括前端監(jiān)控儀器（六種污染物監(jiān)測(cè)因子的檢測(cè)設(shè)備、風(fēng)速與風(fēng)向檢測(cè)設(shè)備）、視頻監(jiān)控設(shè)備、UPS、數(shù)據(jù)采集傳輸設(shè)備、無(wú)線傳輸設(shè)備等，簡(jiǎn)稱現(xiàn)場(chǎng)機(jī)。

數(shù)據(jù)采集儀器從前端監(jiān)控儀器得到檢測(cè)數(shù)據(jù)，打包加密之后上傳給上位機(jī)。上傳方式分為兩種：通過(guò)環(huán)保專網(wǎng)（有線）傳輸和CDMA（無(wú)線）傳輸。其中有線傳輸是常用方式，如果有線傳輸存在故障，啟用備用的無(wú)線傳輸方式。

監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)還裝備有視頻監(jiān)控設(shè)備，方便工作人員獲取監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的視頻信號(hào)，并且方便調(diào)試人員遠(yuǎn)程讀取前端監(jiān)控儀器的數(shù)據(jù)，與上位機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)、調(diào)試。

1.2 傳輸網(wǎng)絡(luò)

包括環(huán)保專網(wǎng)（有線）和CDMA（無(wú)線）兩種方式。環(huán)保專網(wǎng)是常用傳輸網(wǎng)絡(luò)，CDMA是備用傳輸網(wǎng)絡(luò)。其中國(guó)控的監(jiān)控站點(diǎn)，還要將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)通過(guò)CDMA傳輸方式上傳到環(huán)保部。

1.3 上位機(jī)

安裝在環(huán)保局監(jiān)控中心，可以通過(guò)傳輸線路與現(xiàn)場(chǎng)機(jī)連接，對(duì)其發(fā)出查詢和控制指令。包括應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)備份服務(wù)器、WEB服務(wù)器、監(jiān)控客戶端等，簡(jiǎn)稱上位機(jī)。

應(yīng)用服務(wù)器負(fù)責(zé)與上位機(jī)通信、解密數(shù)據(jù)包并將數(shù)據(jù)寫入到數(shù)據(jù)庫(kù)或磁盤文件中；數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中保存有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及基本的配置信息；WEB服務(wù)器主要功能是提供網(wǎng)上監(jiān)控信息瀏覽、查詢；監(jiān)控客戶端可以實(shí)時(shí)查看接收到的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和調(diào)試數(shù)據(jù)，并可獲取現(xiàn)場(chǎng)視頻信號(hào)。

2 通信協(xié)議

2.1 協(xié)議層次

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸通信協(xié)議對(duì)應(yīng)于ISO/OSI定義的7層協(xié)議的應(yīng)用層，在基于不同傳輸網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場(chǎng)機(jī)與上位機(jī)之間提供交互通訊。

應(yīng)用層依賴于所選用的傳輸網(wǎng)絡(luò)，在選定的傳輸網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行應(yīng)用層的數(shù)據(jù)通訊，在基礎(chǔ)傳輸層已經(jīng)建立的基礎(chǔ)上，整個(gè)應(yīng)用層的協(xié)議和具體的傳輸網(wǎng)絡(luò)無(wú)關(guān)。通信協(xié)議結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2 協(xié)議數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

所有的通訊包都是由ACSII碼字符組成（CRC校驗(yàn)碼除外）。數(shù)據(jù)包分為包頭、數(shù)據(jù)段長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)段、CRC校驗(yàn)部分、包尾。其中數(shù)據(jù)段又分為指令和數(shù)據(jù)兩種模式，指令模式是上位機(jī)發(fā)送給現(xiàn)場(chǎng)機(jī)的通訊包、數(shù)據(jù)模式是現(xiàn)場(chǎng)機(jī)發(fā)送給上位機(jī)的通訊包[3]。協(xié)議數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3 數(shù)據(jù)完整性

對(duì)數(shù)據(jù)完整性來(lái)說(shuō)，危險(xiǎn)常常來(lái)自一些簡(jiǎn)單的軟件設(shè)計(jì)考慮不周、人為的錯(cuò)誤判斷或設(shè)備出錯(cuò)等導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失、損壞。而數(shù)據(jù)完整性的目的就是保證計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，或計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)上的信息處于一種完整和未受損壞的狀態(tài)。這意味著數(shù)據(jù)不會(huì)由于有意或無(wú)意的事件而被改變或丟失。數(shù)據(jù)完整性的喪失意味著發(fā)生了導(dǎo)致數(shù)據(jù)被丟失或被改變的事情。為此，首先應(yīng)檢查導(dǎo)致數(shù)據(jù)完整性被破壞的原因，以便采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄓ枰越鉀Q，從而提高數(shù)據(jù)完整性的程度。

針對(duì)空氣質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)，影響數(shù)據(jù)完整性的因素有很多種，大致可分為現(xiàn)場(chǎng)機(jī)方面、傳輸網(wǎng)絡(luò)方面、上位機(jī)方面、通信協(xié)議設(shè)計(jì)等影響因素。這不但要在技術(shù)方面進(jìn)行消除，在監(jiān)控系統(tǒng)的制度建設(shè)方面也要盡量考慮到數(shù)據(jù)完整性問(wèn)題。

3.1 現(xiàn)場(chǎng)機(jī)的數(shù)據(jù)完整性

3.1.1 監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)斷電

監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)因故斷電，短時(shí)間內(nèi)可以使用UPS繼續(xù)供電。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備檢測(cè)到供電系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為UPS供電后，能夠向監(jiān)控中心發(fā)送斷電報(bào)警，因?yàn)楸O(jiān)控站點(diǎn)都是在市區(qū)內(nèi)，距離較近，環(huán)保部門要求系統(tǒng)維護(hù)人員在斷電4小時(shí)內(nèi)必須到達(dá)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)。因各種原因?qū)е麻L(zhǎng)時(shí)間斷電的監(jiān)控站點(diǎn)要通報(bào)批評(píng)。

3.1.2 前端儀器故障

系統(tǒng)發(fā)出前端儀器故障報(bào)警，系統(tǒng)維護(hù)人員在斷電4小時(shí)內(nèi)必須到達(dá)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)，解決故障。

3.1.3 采集傳輸儀器故障

數(shù)據(jù)會(huì)保存在前端儀器內(nèi)部，采集傳輸儀器故障排除之后，系統(tǒng)自動(dòng)將保存在前端儀器內(nèi)部的檢測(cè)數(shù)據(jù)補(bǔ)傳到監(jiān)控中心[4]。

3.2 傳輸網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)完整性

3.2.1 環(huán)保專網(wǎng)故障

當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到環(huán)保專網(wǎng)出現(xiàn)故障，無(wú)法正常傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)將通信模式切換到CDMA無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，這樣能夠使監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)及時(shí)傳送到監(jiān)控中心。環(huán)保專網(wǎng)故障消除后再切換回來(lái)。

3.2.2 環(huán)保專網(wǎng)和CDMA網(wǎng)絡(luò)均出現(xiàn)故障

當(dāng)環(huán)保專網(wǎng)和CDMA網(wǎng)絡(luò)均出現(xiàn)故障，現(xiàn)場(chǎng)機(jī)的采集傳輸儀器將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)暫時(shí)保存在本地的小型數(shù)據(jù)庫(kù)中，并標(biāo)記為未傳送狀態(tài)。一旦檢測(cè)到環(huán)保專網(wǎng)和CDMA網(wǎng)絡(luò)任一網(wǎng)絡(luò)正常[5]，就將本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)中未傳遞的數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控中心，發(fā)送成功的數(shù)據(jù)從本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)中刪除。

3.3 上位機(jī)的數(shù)據(jù)完整性

3.3.1 應(yīng)用服務(wù)器故障

應(yīng)用服務(wù)器故障包括：應(yīng)用服務(wù)器死機(jī)、應(yīng)用服務(wù)器軟件不能正常工作、連接應(yīng)用服務(wù)器的環(huán)保局內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)故障、應(yīng)用服務(wù)器斷電等情況。應(yīng)用服務(wù)器出現(xiàn)故障之后，現(xiàn)場(chǎng)機(jī)就無(wú)法與監(jiān)控中心通訊，現(xiàn)場(chǎng)機(jī)的采集傳輸儀器將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)暫時(shí)保存在本地的小型數(shù)據(jù)庫(kù)中，應(yīng)用服務(wù)器故障排除后，現(xiàn)場(chǎng)機(jī)將本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)中未傳遞的數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控中心。

3.3.2 數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器故障

數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器發(fā)生故障時(shí)，應(yīng)用服務(wù)器將寫入數(shù)據(jù)源指向備份數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，并將接收到的數(shù)據(jù)保存在備份數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中。WEB服務(wù)器的數(shù)據(jù)源也要指向備份數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。當(dāng)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器故障排除之后，將備份數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中的數(shù)據(jù)同步到數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，同步完成之后，將應(yīng)用服務(wù)器的寫入數(shù)據(jù)源和WEB服務(wù)器的數(shù)據(jù)源都指向數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。

3.3.3 數(shù)據(jù)庫(kù)及備份數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器均出現(xiàn)故障

兩個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)都出現(xiàn)故障時(shí)，應(yīng)用服務(wù)器將接收到檢測(cè)數(shù)據(jù)寫入到本地的磁盤文件中，這些磁盤文件要遵循一定的命名格式和磁盤保存路徑格式，并要對(duì)寫入數(shù)據(jù)進(jìn)行加密。數(shù)據(jù)庫(kù)故障排除之后，將磁盤文件記錄的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到兩個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)中。

3.4 通信協(xié)議的數(shù)據(jù)完整性

3.4.1 CRC校驗(yàn)

應(yīng)用服務(wù)器接收到現(xiàn)場(chǎng)機(jī)上傳的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)后，首先進(jìn)行CRC校驗(yàn)，校驗(yàn)通過(guò)并成功寫入到數(shù)據(jù)庫(kù)中后，向現(xiàn)場(chǎng)機(jī)發(fā)送上傳成功回應(yīng)；如果沒(méi)有通過(guò)CRC校驗(yàn)，發(fā)送上傳失敗回應(yīng)，請(qǐng)求重發(fā)數(shù)據(jù)。

3.4.2 超時(shí)重發(fā)機(jī)制

現(xiàn)場(chǎng)機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)在規(guī)定的時(shí)間未收到回應(yīng)，認(rèn)為超時(shí)。超時(shí)后重發(fā)，重發(fā)規(guī)定次數(shù)后仍未收到回應(yīng)認(rèn)為通訊不可用，通訊結(jié)束，將本次未發(fā)送的檢測(cè)數(shù)據(jù)保存在現(xiàn)場(chǎng)機(jī)本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)中。超時(shí)時(shí)間可以根據(jù)具體的通訊方式自定義，無(wú)線傳輸模式時(shí)，超時(shí)時(shí)間定義的較長(zhǎng)。超時(shí)重發(fā)次數(shù)可以根據(jù)具體的通訊方式和任務(wù)自定義。

3.4.3 網(wǎng)絡(luò)連接重發(fā)機(jī)制

當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)成功連接到上位機(jī)，將本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)保存的未成功上傳的數(shù)據(jù)重新發(fā)送到上位機(jī)，可以設(shè)置每隔幾秒發(fā)送一條以前未上傳成功的數(shù)據(jù)，避免同時(shí)發(fā)送造成的網(wǎng)絡(luò)擁塞。重發(fā)數(shù)據(jù)發(fā)送成功后，現(xiàn)場(chǎng)機(jī)將其從本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)中刪除本條數(shù)據(jù)。

3.4.4 遠(yuǎn)程提取機(jī)制

上位機(jī)可以根據(jù)需要，從通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)遠(yuǎn)程提取未上傳成功的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

本文分析了影響空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)完整性的因素，并通過(guò)制度建立和計(jì)算機(jī)技術(shù)兩方面探索解決方法。目前鄭州市空氣質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)部分使用的本文提出的解決方案，實(shí)踐證明，該方案能夠較好的解決監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)完整性問(wèn)題，具有良好的實(shí)用性。但是本方案不能很好的解決前端儀器故障產(chǎn)生的數(shù)據(jù)丟失問(wèn)題，后續(xù)要針對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行深入研究。通過(guò)該系統(tǒng)的研究實(shí)現(xiàn)，為其他環(huán)保監(jiān)控系統(tǒng)（輻射監(jiān)控系統(tǒng)、污染源監(jiān)控系統(tǒng)、固體廢物監(jiān)控系統(tǒng)等）提供了很好的參考思路。

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