黎如昊，黃云生

(廣東省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，廣東 廣州 510308)

廣東省地表水自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

黎如昊，黃云生

(廣東省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，廣東 廣州 510308)

通過(guò)對(duì)廣東省地表水自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件總體結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)傳輸主流技術(shù)等方面的分析，提出數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的選擇和設(shè)計(jì)方法，以及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)類型、遠(yuǎn)程控制命令、監(jiān)測(cè)項(xiàng)目代碼及質(zhì)量在線控制溯源機(jī)制等4大主要數(shù)據(jù)傳輸內(nèi)容。技術(shù)成果分別應(yīng)用在《廣東省地表水自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸規(guī)范》的制定、地表水自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸軟件系統(tǒng)的開發(fā)、質(zhì)量控制在線溯源機(jī)制的建立和水站智能化改造等方面，取得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

地表水自動(dòng)監(jiān)測(cè)；數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議；周期數(shù)據(jù)；質(zhì)控在線溯源；數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)

目前，廣東省環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)、地表水自動(dòng)監(jiān)測(cè)、污染源在線監(jiān)測(cè)和噪聲自動(dòng)監(jiān)測(cè)等。地表水自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目/監(jiān)測(cè)頻次、儀器質(zhì)控方法、采樣和預(yù)處理技術(shù)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作方式等，均與其他自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在著巨大的差異。因此為地表水自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)量身訂造一套有針對(duì)性、可靠而穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸規(guī)范，才能保障數(shù)據(jù)傳輸控制通道暢通，確保系統(tǒng)正常運(yùn)行[1]。

1 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的要求

1.1 實(shí)時(shí)性和可靠性要求

水站具有連續(xù)監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)在線等特性，同時(shí)數(shù)量每年都在增長(zhǎng)，為了保障平臺(tái)能同步接收、處理所有水站的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，提高網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的性能，數(shù)據(jù)傳輸速度和傳輸效率起著至關(guān)重要的作用[2-4]。制定合適的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，要考慮系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)的復(fù)雜程度和數(shù)據(jù)量，不斷改進(jìn)和優(yōu)化其實(shí)時(shí)性能，減小協(xié)議對(duì)系統(tǒng)的開銷，才能滿足地表水自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)囊蟆?/p>

1.2 遠(yuǎn)程控制要求

平臺(tái)應(yīng)能通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸規(guī)范找到水站，并對(duì)其實(shí)施遠(yuǎn)程控制，主要包括：遠(yuǎn)程對(duì)水站系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行監(jiān)視和干預(yù)；監(jiān)視水站儀器的運(yùn)行狀態(tài)、遠(yuǎn)程調(diào)試儀器和故障診斷；向水站發(fā)送質(zhì)控命令，完成常規(guī)質(zhì)控任務(wù)。

1.3 通用性要求

數(shù)據(jù)傳輸規(guī)范應(yīng)該具有廣泛的通用性，能適應(yīng)不同硬件設(shè)備和軟件系統(tǒng)的需求，提高代理運(yùn)維商和水站管理方的工作效率和滿意度。

2 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的通訊包格式

2.1 地表水自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)

地表水自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 地表水自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)

地表水自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)采用C/S模式，水站軟件與平臺(tái)服務(wù)器程序直接相連。該模式利于系統(tǒng)的安全性，具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，適應(yīng)地表水自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)復(fù)雜的業(yè)務(wù)流程，滿足實(shí)時(shí)性和可操作性等的要求。

數(shù)據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)采用B/S模式。B/S模式由瀏覽器(客戶端)、Web服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器組成，用戶通過(guò)瀏覽器訪問(wèn)平臺(tái)數(shù)據(jù)，不需安裝其他軟件。B/S模式中，數(shù)據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)大部分核心功能在服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)，少量業(yè)務(wù)邏輯在瀏覽器實(shí)現(xiàn)，由于管理集中，系統(tǒng)的開發(fā)、維護(hù)和使用都比較簡(jiǎn)便。

2.2 通訊包格式設(shè)計(jì)

2.2.1 基于Internet的遠(yuǎn)程傳輸控制

為保障地表水自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定，并避免受到地域和時(shí)間的限制，采用Internet進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸和控制。

1.1 難度評(píng)分體系強(qiáng)調(diào)成套動(dòng)作編排還原技術(shù)本色難度評(píng)分體系組成雖未變化，依然為身體難度（BD）、舞步組合（S）、結(jié)合旋轉(zhuǎn)的動(dòng)力性動(dòng)作（R）、器械難度（AD）；由表1可知，難度裁判組由一組變?yōu)閮山M，加之新規(guī)則取消了難度表，這將意味著裁判員需遵從“規(guī)則是準(zhǔn)則，現(xiàn)場(chǎng)是依據(jù)”來(lái)進(jìn)行準(zhǔn)確無(wú)誤的評(píng)判。這一系列變化必然要求運(yùn)動(dòng)員要完成“較高美學(xué)”和“技術(shù)熟練”的動(dòng)作，在進(jìn)行編排時(shí)要以符合運(yùn)動(dòng)員風(fēng)格為前提，還原技術(shù)本色為目的，完成技術(shù)動(dòng)作清晰明了，才可充分展現(xiàn)編排效果與運(yùn)動(dòng)員魅力。

通信協(xié)議為TCP/IP協(xié)議，包括應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和數(shù)據(jù)鏈路層4層，各層相對(duì)獨(dú)立，上層協(xié)議通過(guò)軟件接口調(diào)用下層協(xié)議，下層協(xié)議對(duì)上層協(xié)議透明。地表水自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議位于TCP/IP協(xié)議的應(yīng)用層[1，5]。

2.2.2 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的格式設(shè)計(jì)

文件傳輸協(xié)議(FTP)傳輸效率低，數(shù)據(jù)解析的系統(tǒng)開銷大，不容易實(shí)現(xiàn)平臺(tái)對(duì)水站的反向控制。基于XML、JSON的數(shù)據(jù)通訊協(xié)議主要應(yīng)用在WEB應(yīng)用程序，適合服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)通訊，數(shù)據(jù)封裝和解析的系統(tǒng)開銷大，需要水站具備較高的硬件配置和計(jì)算能力，同時(shí)也不容易實(shí)現(xiàn)平臺(tái)對(duì)水站的反向控制。超文本傳輸協(xié)議(HTTP)鏈接是一種“短鏈接”，要保持實(shí)時(shí)在線，客戶端需要不斷地向服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求，加大運(yùn)算開銷，而且很難實(shí)現(xiàn)平臺(tái)對(duì)水站的反向控制[6-7]。

以上主流的應(yīng)用層數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議不能完全滿足地表水自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)需求，故自定義地表水自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，主要內(nèi)容包括：(1)語(yǔ)法制定。規(guī)定了通訊協(xié)議的數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)和格式。通訊協(xié)議及通訊數(shù)據(jù)包采用《污染源在線自動(dòng)監(jiān)控(監(jiān)測(cè))系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)》(HJ/T 212—2005)，該標(biāo)準(zhǔn)為基于TCP/IP應(yīng)用層的自定義通訊協(xié)議；(2)語(yǔ)法解釋。對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)類型、水站平臺(tái)命令編號(hào)、監(jiān)測(cè)項(xiàng)目代碼、狀態(tài)信息、日志、數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)和在線質(zhì)控?cái)?shù)據(jù)等進(jìn)行定義；(3)控制規(guī)則制定。制定數(shù)據(jù)包的解編碼規(guī)則、水站和平臺(tái)的交互關(guān)系和業(yè)務(wù)事件順序。

3 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)

3.1 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)類型

目前，地表水自動(dòng)監(jiān)測(cè)范圍包括水質(zhì)、水文和氣象參數(shù)等方面內(nèi)容，監(jiān)測(cè)覆蓋面廣，監(jiān)測(cè)技術(shù)交叉融合，數(shù)據(jù)采集難統(tǒng)一規(guī)范。針對(duì)地表水自動(dòng)監(jiān)測(cè)這一特點(diǎn)，對(duì)各種監(jiān)測(cè)設(shè)備的采樣方法、分析周期和監(jiān)測(cè)頻次進(jìn)行了細(xì)致劃分和歸類，提出監(jiān)測(cè)周期和周期數(shù)據(jù)的概念，并在此基礎(chǔ)上，定義地表水自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)全部的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)類型[3]，如實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、分鐘數(shù)據(jù)、小時(shí)數(shù)據(jù)、日均值數(shù)據(jù)等。

命令編號(hào)規(guī)定了水站和平臺(tái)所有交換指令的格式與含義，能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)互聯(lián)、數(shù)據(jù)傳輸、遠(yuǎn)程控制、水站狀態(tài)采集等功能，主要包括以下5種指令：通訊初始化命令、平臺(tái)數(shù)據(jù)采集及水站主動(dòng)上報(bào)數(shù)據(jù)命令、反控命令、狀態(tài)命令、模式命令。

3.3 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目代碼

監(jiān)測(cè)項(xiàng)目代碼優(yōu)先采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《水污染物名稱代碼》(HJ 525—2009)的水污染物代碼表，對(duì)于未列出的監(jiān)測(cè)污染物或污染指標(biāo)，可依據(jù)《HJ 525—2009》的分類原則對(duì)其進(jìn)行歸類，在其相應(yīng)類別中已有編碼的基礎(chǔ)上順延賦碼，并統(tǒng)一監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的計(jì)量單位。

3.4 質(zhì)量控制在線溯源機(jī)制

數(shù)據(jù)質(zhì)量影響監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的權(quán)威性和可用性。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)整體考慮和關(guān)鍵影響因素的差別設(shè)計(jì)，逐一解決在線質(zhì)量控制措施、人工質(zhì)量控制措施、系統(tǒng)及儀器的運(yùn)行原理和工作流程及外部環(huán)境影響等因素帶來(lái)的問(wèn)題，形成實(shí)時(shí)化、動(dòng)態(tài)化、可擴(kuò)展的質(zhì)量控制在線溯源機(jī)制。其要素包括狀態(tài)信息、日志、數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)和在線質(zhì)控?cái)?shù)據(jù)。

3.4.1 狀態(tài)信息

狀態(tài)信息包括系統(tǒng)和儀器的狀態(tài)信息，是地表水自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)遠(yuǎn)程質(zhì)控自動(dòng)化、實(shí)時(shí)化和可視化的基礎(chǔ)。通過(guò)閱讀狀態(tài)信息，可獲取系統(tǒng)和儀器工作流程的實(shí)時(shí)工作步驟信息，并能判斷系統(tǒng)和儀器的狀態(tài)和運(yùn)行情況。系統(tǒng)狀態(tài)信息一般包括：空閑、取水、排水、清洗、無(wú)液位、測(cè)試等。儀器狀態(tài)信息包括：空閑、測(cè)試、標(biāo)樣核查、加標(biāo)回收、故障等。

3.4.2 日志

日志是系統(tǒng)和儀器工作的歷史記錄。與狀態(tài)信息描述實(shí)時(shí)狀態(tài)不同，日志重現(xiàn)系統(tǒng)和儀器的歷史狀態(tài)和工作過(guò)程，實(shí)現(xiàn)地表水自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基礎(chǔ)層工作過(guò)程的追溯。本數(shù)據(jù)協(xié)議只規(guī)定了日志的遠(yuǎn)程提取命令。不同系統(tǒng)集成商或儀器廠家的日志格式及內(nèi)容可自行制定。

3.4.3 數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)

數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)是基站端和平臺(tái)端通過(guò)自動(dòng)控制或人工操作等方式，完成系統(tǒng)維護(hù)、質(zhì)量控制、實(shí)驗(yàn)評(píng)估、數(shù)據(jù)審核等一系列工作后的綜合成果。從監(jiān)測(cè)結(jié)果、質(zhì)量控制工作、系統(tǒng)及儀器監(jiān)測(cè)狀態(tài)、數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)來(lái)源等方面著手，把數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)分為以下4類：(1)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)狀態(tài)標(biāo)識(shí)。反映了計(jì)算機(jī)或人工通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)本身做出的初步判斷(表1)；(2)質(zhì)控任務(wù)標(biāo)識(shí)。記錄了地表水自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所采取的質(zhì)量控制措施(表2)；(3)基站系統(tǒng)及儀器故障標(biāo)識(shí)。包括監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及儀器的故障，以及外界影響因素(表3)；(4)來(lái)源標(biāo)識(shí)。反映了數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)的產(chǎn)生來(lái)源(表4)。

表1 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)狀態(tài)標(biāo)識(shí)

續(xù)表

表2 質(zhì)控任務(wù)標(biāo)識(shí)

表3 基站系統(tǒng)及儀器故障標(biāo)識(shí)

3.4.4 在線質(zhì)控?cái)?shù)據(jù)

在線質(zhì)控?cái)?shù)據(jù)由地表水自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)質(zhì)控任務(wù)自動(dòng)執(zhí)行后產(chǎn)生。地表水自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)質(zhì)控任務(wù)通常除滿足實(shí)驗(yàn)室常規(guī)質(zhì)控方法的基本要求外，還有任務(wù)密度大、在線要求高和自動(dòng)人工混合等特點(diǎn)，需細(xì)化其執(zhí)行方法和質(zhì)控?cái)?shù)據(jù)類別[8-9]。執(zhí)行方法劃分為在線質(zhì)控和手工質(zhì)控。在線質(zhì)控?cái)?shù)據(jù)分為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)、加標(biāo)回收數(shù)據(jù)和平行樣數(shù)據(jù)。

表4 來(lái)源標(biāo)識(shí)

4 應(yīng)用

4.1 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的可靠性和通用性

根據(jù)本文的技術(shù)思路和方法，在《HJ/T 212—2005》的基礎(chǔ)上，優(yōu)化數(shù)據(jù)通訊流程和應(yīng)答機(jī)制，并融合地表水自動(dòng)監(jiān)測(cè)的業(yè)務(wù)內(nèi)容，制定了《廣東省地表水自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸規(guī)范》，并同步在水站端和平臺(tái)端開發(fā)相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸軟件系統(tǒng)，經(jīng)檢驗(yàn)證實(shí)該規(guī)范能切實(shí)保障水站長(zhǎng)期、穩(wěn)定、高效的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)。地方建水站和科學(xué)機(jī)構(gòu)的移動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)也能迅速準(zhǔn)確地把數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)平臺(tái)。

4.2 質(zhì)量控制在線溯源機(jī)制的建立

通過(guò)完善水站的在線信息和儀器日志等技術(shù)，不斷修改平臺(tái)端-水站端雙方的數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)和質(zhì)控?cái)?shù)據(jù)錄入的技術(shù)方案，并升級(jí)平臺(tái)端和水站端的軟件服務(wù)，廣東省地表水自動(dòng)監(jiān)控平臺(tái)已建立一套完善的質(zhì)量控制在線溯源機(jī)制，每個(gè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)都能對(duì)其質(zhì)控溯源，準(zhǔn)確性和可靠性得到了保障[10-11]，同時(shí)，廣東省地表水自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議很好地串聯(lián)了平臺(tái)端和水站端各自的質(zhì)控工作，實(shí)現(xiàn)了兩者工作的對(duì)接、同步和統(tǒng)一。

4.3 水站智能化改造

對(duì)梅州長(zhǎng)沙和吳川小東江2個(gè)水站進(jìn)行智能化改造。改造的內(nèi)容包括儀器接口技術(shù)開發(fā)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳、現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)標(biāo)樣核查和質(zhì)控任務(wù)遠(yuǎn)程控制等，并對(duì)其可行性、有關(guān)性能的穩(wěn)定性實(shí)施了嚴(yán)格的跟蹤管理。此項(xiàng)工作實(shí)踐印證了廣東省地表水自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議對(duì)地表水自動(dòng)監(jiān)測(cè)的遠(yuǎn)程控制、在線自動(dòng)質(zhì)控等工作的有力支撐。

5 結(jié)語(yǔ)

提出了地表水自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的設(shè)計(jì)思路、設(shè)計(jì)方法和具體內(nèi)容結(jié)構(gòu)框架，并在廣東省地表水自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際使用中得到驗(yàn)證。實(shí)踐證明，該方法行之有效，能保障地表水自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和傳輸流程的質(zhì)量，并為地表水自動(dòng)監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)的可持續(xù)發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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Design and Application of the Data Transmission Protocol for the Surface Water Automatic Monitoring System in Guangdong Province

LI Ru-hao, HUANG Yun-sheng

(GuangdongEnvironmentalMonitoringCenter,Guangzhou,Guangdong510308,China)

According to general software structures and the mainstream data transmission technology for the surface water automatic monitoring system in Guangdong Province, this paper puts forward the selection and design method for the data transmission protocol. We also proposes four main structural frames for the contents of data transmission, including types of the data monitored, remote control commands, codes of the projects monitored, and the online quality control traceability system. The technological achievements have been applied to the formulation of the data transmission standard of surface water automatic monitoring systems in Guangdong Province, the development of data transmission software systems, the establishment of quality control traceability systems, and the intelligent transformation of water stations. This technology has been received with great social and economic benefits.

Surface water automatic monitoring; Data transmission protocol; Periodic data; Online quality control traceability; Data identification

2015-10-23；

2015-11-17

黎如昊(1982—)，男，高級(jí)工程師，碩士，從事環(huán)境監(jiān)測(cè)自動(dòng)監(jiān)測(cè)工作。

X832

B

1674-6732(2016)02-0059-04