黃宏馳（廣東旭誠(chéng)科技有限公司廣東廣州510235）

地表水環(huán)境質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)遠(yuǎn)程質(zhì)控的探討

黃宏馳
（廣東旭誠(chéng)科技有限公司廣東廣州510235）

環(huán)境質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量是環(huán)境質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)工作健康發(fā)展的關(guān)鍵和生命線。當(dāng)前，單純的水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)已經(jīng)不能滿足水質(zhì)管理的需要，運(yùn)維失當(dāng)、數(shù)據(jù)造假等問(wèn)題時(shí)有發(fā)生，且環(huán)境管理人員無(wú)法實(shí)時(shí)判斷在線分析儀出現(xiàn)的可疑數(shù)據(jù)是屬于水站儀器或監(jiān)測(cè)系統(tǒng)故障，所以環(huán)保部門亟需一套實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)判斷的遠(yuǎn)程質(zhì)控系統(tǒng)，強(qiáng)化對(duì)第三方運(yùn)維機(jī)構(gòu)的監(jiān)管能力。本文在當(dāng)前水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)體系的基礎(chǔ)上提出開(kāi)展遠(yuǎn)程質(zhì)控，并探討當(dāng)前主流的遠(yuǎn)程質(zhì)控措施。

遠(yuǎn)程質(zhì)控；標(biāo)樣核查；加標(biāo)回收；在線監(jiān)測(cè)；地表水

引言

環(huán)境質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量是環(huán)境質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)工作健康發(fā)展的關(guān)鍵和生命線，環(huán)境質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)質(zhì)量管理不僅關(guān)系著數(shù)據(jù)的客觀、真實(shí)、有效，也關(guān)系著環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)工作的公信力，更關(guān)系著環(huán)境保護(hù)工作的科學(xué)性與決策的正確性[1]。

運(yùn)維失當(dāng)、數(shù)據(jù)造假等問(wèn)題時(shí)常發(fā)生[2]，對(duì)第三方運(yùn)維機(jī)構(gòu)缺乏行之有效質(zhì)量監(jiān)管手段。并且，水質(zhì)在線分析儀監(jiān)測(cè)的可疑數(shù)據(jù)不能及時(shí)排除是否為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的原因，也不能判斷從何時(shí)開(kāi)始監(jiān)測(cè)系統(tǒng)出現(xiàn)影響質(zhì)量的因素[3]。鮮有文獻(xiàn)報(bào)道地表水環(huán)境質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)遠(yuǎn)程質(zhì)控的具體內(nèi)容。

1 開(kāi)展遠(yuǎn)程質(zhì)控的背景

目前，國(guó)家地表水水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)已建成并運(yùn)維的有151個(gè)，此外還有60個(gè)新建站和89個(gè)上收站，2018年底全部完成新建站的運(yùn)行與上收站的上收。

地表水自動(dòng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)由于站點(diǎn)廣泛分布的特性，水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站（以下簡(jiǎn)稱水站）通常分布較為分散，位置偏遠(yuǎn)，其定期校準(zhǔn)維護(hù)耗時(shí)且費(fèi)力。環(huán)境監(jiān)測(cè)事權(quán)上收后，水站的運(yùn)維模式也逐步向第三方運(yùn)維機(jī)構(gòu)委托的方式過(guò)渡，對(duì)運(yùn)維機(jī)構(gòu)的監(jiān)督需求也日益急迫。

此外，當(dāng)前地表水環(huán)境質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)工作還存在著質(zhì)量管理體系不健全，質(zhì)控手段落后等問(wèn)題，個(gè)別地方還存在行政干預(yù)或數(shù)據(jù)作假等行為[5]。

2 當(dāng)前地表水自動(dòng)監(jiān)測(cè)存在的質(zhì)控問(wèn)題

當(dāng)前，大多數(shù)水站采取的質(zhì)控手段是向具有標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)資質(zhì)的機(jī)構(gòu)購(gòu)買標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，并按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求手工配置成相應(yīng)濃度的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)核查溶液的方式，進(jìn)行標(biāo)樣核查。或者直接購(gòu)買接近地表水濃度的質(zhì)控樣進(jìn)行核查。

水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)儀運(yùn)行過(guò)程中不可避免地存在量程漂移、測(cè)量誤差、儀器故障及上下游污染企業(yè)偷排偷放造成的河流水質(zhì)劇烈變化等原因，使得水站的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存在不穩(wěn)定因素。此外，水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)儀在不同季節(jié)、不同水質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)曲線測(cè)量線性度是個(gè)變化量，影響了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。同時(shí)，水站運(yùn)行過(guò)程中無(wú)人值守，當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)多條數(shù)據(jù)連續(xù)變大或不變等可疑數(shù)據(jù)的情況時(shí)，無(wú)法實(shí)時(shí)判斷是否屬于儀器故障，除了派遣運(yùn)維人員到水站現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展質(zhì)控核查外，沒(méi)有其他有效的質(zhì)控方法。而這種質(zhì)控核查耗時(shí)費(fèi)力，實(shí)時(shí)性差，并不能對(duì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)的可疑數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確的排查判斷。

地表水自動(dòng)監(jiān)測(cè)過(guò)程中出現(xiàn)的數(shù)據(jù)質(zhì)量問(wèn)題主要如表1所示。

表1 地表水自動(dòng)監(jiān)測(cè)過(guò)程中出現(xiàn)的數(shù)據(jù)質(zhì)量問(wèn)題

3 遠(yuǎn)程質(zhì)控措施探討

3.1 遠(yuǎn)程質(zhì)控系統(tǒng)

遠(yuǎn)程質(zhì)控，由遠(yuǎn)程質(zhì)控平臺(tái)實(shí)時(shí)發(fā)送遠(yuǎn)程質(zhì)控指令至水站現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)控儀，質(zhì)控儀執(zhí)行標(biāo)樣核查、加標(biāo)回收等質(zhì)控措施，同時(shí)，遠(yuǎn)程質(zhì)控可經(jīng)中心監(jiān)控平臺(tái)或遠(yuǎn)程質(zhì)控平臺(tái)遠(yuǎn)程設(shè)置后定時(shí)觸發(fā)，還可在監(jiān)測(cè)值濃度超過(guò)預(yù)設(shè)的閾值后觸發(fā)。

圖1 地表水自動(dòng)監(jiān)測(cè)遠(yuǎn)程質(zhì)控拓?fù)鋱D

如圖1所示，質(zhì)控儀、PLC、在線監(jiān)測(cè)儀，以及遠(yuǎn)程質(zhì)控平臺(tái)都與工控機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)通訊接口交互對(duì)接，工控機(jī)擁有遠(yuǎn)程通訊服務(wù)模塊，通過(guò)網(wǎng)口與交換機(jī)連接或通過(guò)無(wú)線傳輸模塊與中心監(jiān)控平臺(tái)、遠(yuǎn)程質(zhì)控平臺(tái)按照標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議進(jìn)行通訊。中心監(jiān)控與遠(yuǎn)程質(zhì)控平臺(tái)下傳監(jiān)測(cè)與質(zhì)控指令，工控機(jī)將采集的各類監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與質(zhì)控?cái)?shù)據(jù)上傳至上位機(jī)。質(zhì)控儀是一套交叉耦合的管路系統(tǒng)，負(fù)責(zé)向在線監(jiān)測(cè)儀提供固定濃度標(biāo)樣或規(guī)定的不同濃度標(biāo)樣，以及純水。

3.2 國(guó)內(nèi)主流遠(yuǎn)程質(zhì)控措施

地表水自動(dòng)監(jiān)測(cè)過(guò)程中，常用的遠(yuǎn)程質(zhì)控措施主要包括平行樣測(cè)試（空白、水樣、標(biāo)液）、標(biāo)樣核查、加標(biāo)回收、（超標(biāo)）留樣核查、標(biāo)線校準(zhǔn)等。

唐小燕,項(xiàng)光宏[6]發(fā)明了包含數(shù)據(jù)校驗(yàn)、標(biāo)樣核查、留樣核查三種方式的遠(yuǎn)程質(zhì)控措施，當(dāng)且僅當(dāng)數(shù)據(jù)校驗(yàn)、標(biāo)樣核查、留樣核查都通過(guò)，以及分析儀器無(wú)故障標(biāo)識(shí)后，系統(tǒng)才能判定水樣的監(jiān)測(cè)結(jié)果有效。

（1）在數(shù)據(jù)校驗(yàn)?zāi)K，采用至少2種校正樣濃度標(biāo)準(zhǔn)樣品分別進(jìn)行測(cè)試，2次測(cè)得的檢測(cè)信號(hào)與校正樣濃度根據(jù)最小二乘法擬合線性方程：監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)=a*檢測(cè)信號(hào)+b，根據(jù)方程即可獲知校正系數(shù)a、校正系數(shù)b；同時(shí)，根據(jù)當(dāng)前水樣測(cè)試出的檢測(cè)信號(hào)帶入上述線性方程，即可計(jì)算得監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合水樣測(cè)定的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，即可判斷出儀器的校正系數(shù)是否被人為篡改；

（2）在標(biāo)樣核查模塊，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的已知的標(biāo)準(zhǔn)濃度信息的差異判斷核查結(jié)果。若差異超出閾值范圍，則監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不可信；反之，則可信；

（3）在留樣核查模塊：根據(jù)留樣樣品監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與留樣樣品的實(shí)驗(yàn)室手工檢測(cè)數(shù)據(jù)的差異性判斷結(jié)果。若差異超出閾值范圍，則監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不可信；反之，則可信；

彭俊,陳展平,凌清等[7]發(fā)明了一種遠(yuǎn)程質(zhì)控測(cè)試數(shù)據(jù)的驗(yàn)證方法及裝置，采用了包括平行樣測(cè)試、標(biāo)樣核查、加標(biāo)回收共3種質(zhì)控措施，并提供3種質(zhì)控模式，分別為常規(guī)質(zhì)控模式、異常質(zhì)控模式，以及應(yīng)急質(zhì)控模式。

（1）當(dāng)水樣的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)未超過(guò)設(shè)置的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)閾值，且監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)較上一時(shí)間點(diǎn)的數(shù)值上下浮動(dòng)未超過(guò)設(shè)置的變化閾值時(shí)，該種情況定義為常規(guī)質(zhì)控模式。例如，可在遠(yuǎn)程質(zhì)控管理平臺(tái)中設(shè)置每做6個(gè)水樣測(cè)試后，做一次標(biāo)樣核查；和/或設(shè)置每做5個(gè)水樣測(cè)試后，做一次加標(biāo)回收；

（2）當(dāng)水樣的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)未超過(guò)設(shè)置的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)閾值，但監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)較上一時(shí)間點(diǎn)的數(shù)值上下浮動(dòng)超過(guò)設(shè)置的變化閾值時(shí)，此時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入為異常質(zhì)控模式。例如，當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)異常質(zhì)控模式后，可設(shè)置啟動(dòng)1次或多次平行樣測(cè)試，并可同時(shí)選擇進(jìn)行標(biāo)樣核查和加標(biāo)回收測(cè)試。標(biāo)樣核查與加標(biāo)回收測(cè)試結(jié)果可證明平行樣測(cè)試的是否準(zhǔn)確；

（3）當(dāng)水樣的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超過(guò)設(shè)置的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)閾值（超標(biāo)），此時(shí)即刻觸發(fā)標(biāo)樣核查，當(dāng)核查結(jié)果符合設(shè)置的誤差范圍內(nèi)，則說(shuō)明當(dāng)前的監(jiān)測(cè)結(jié)果（超標(biāo)）是正確的；當(dāng)累計(jì)水樣監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)超標(biāo)次數(shù)達(dá)到設(shè)置超標(biāo)次數(shù)后，則系統(tǒng)觸發(fā)應(yīng)急質(zhì)控模式，并發(fā)送短信報(bào)警。例如，可設(shè)置超標(biāo)次數(shù)達(dá)到2次后，對(duì)每做6個(gè)水樣測(cè)試后，做一次標(biāo)樣核查；和/或設(shè)置每做5個(gè)水樣測(cè)試后，做一次加標(biāo)回收，并且水樣監(jiān)測(cè)周期由4h監(jiān)測(cè)一次縮短為2h一次或者1h一次；

耿偉[4]發(fā)明了一種遠(yuǎn)程質(zhì)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用三個(gè)濃度的標(biāo)液遠(yuǎn)程修正水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀的線性參數(shù)。同時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)讀取儀器過(guò)程狀態(tài)（如空閑、排水、無(wú)液位等）綜合判斷儀器故障原因，及時(shí)發(fā)現(xiàn)儀器故障。

此外，耿偉[8]發(fā)明了一種遠(yuǎn)程質(zhì)控裝置，可根據(jù)質(zhì)控結(jié)果進(jìn)行自動(dòng)留樣待測(cè)。分析儀對(duì)注滿的采樣杯進(jìn)行水樣監(jiān)測(cè)分析：若監(jiān)測(cè)結(jié)果超標(biāo)，則質(zhì)控儀啟動(dòng)標(biāo)樣核查，并且該水樣經(jīng)蠕動(dòng)泵抽取注入到留樣瓶中，待進(jìn)一步檢測(cè)。若標(biāo)樣核查結(jié)果正常，則復(fù)測(cè)留樣杯中的水樣，若標(biāo)樣核查結(jié)果不正常，則該分析儀異常，且留樣瓶中水樣處于4℃的冷藏空間內(nèi)保存待測(cè)；若結(jié)果未超標(biāo)，則排空采樣杯中的水樣。

3.3 遠(yuǎn)程質(zhì)控系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)

針對(duì)地表水自動(dòng)監(jiān)測(cè)過(guò)程中出現(xiàn)的質(zhì)量控制問(wèn)題，各水站迫切需要采取遠(yuǎn)程質(zhì)控措施保障監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確、齊全、客觀、真實(shí)。

國(guó)家環(huán)保部及環(huán)境監(jiān)測(cè)總站目前正對(duì)全國(guó)各省市水站建立一套獨(dú)立于現(xiàn)有地表水環(huán)境質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)信息管理平臺(tái)的遠(yuǎn)程質(zhì)控系統(tǒng)，質(zhì)控管理平臺(tái)（管理遠(yuǎn)程質(zhì)控）與質(zhì)控儀均由環(huán)境保護(hù)主管部門監(jiān)管，水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的用戶及運(yùn)維機(jī)構(gòu)無(wú)法獲知任何信息，因此水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)用戶無(wú)法識(shí)別測(cè)定的是水樣還是由質(zhì)控儀提供的標(biāo)樣，使核查工作更具真實(shí)性。

結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前，各地表水自動(dòng)監(jiān)測(cè)站由不同集成商承建，并且各集成商和水站運(yùn)維機(jī)構(gòu)都推出了自己的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，并相繼制定了一系列的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，缺乏統(tǒng)一的地表水自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸規(guī)范。但隨著監(jiān)測(cè)事權(quán)的上收，按照環(huán)保部的要求，在線監(jiān)測(cè)儀器的生產(chǎn)商與集成商將逐步開(kāi)放監(jiān)測(cè)儀器與工控機(jī)的底層通訊協(xié)議。下一步，開(kāi)放、統(tǒng)一規(guī)范地表水自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通訊協(xié)議是大勢(shì)所趨。根據(jù)底層通訊協(xié)議，工控機(jī)可統(tǒng)一對(duì)可疑數(shù)據(jù)打上標(biāo)識(shí)，中心監(jiān)控管理平臺(tái)通過(guò)結(jié)合讀取儀器過(guò)程狀態(tài)信息、儀器日志信息以及數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)信息，為監(jiān)測(cè)中心數(shù)據(jù)審核管理人員迅速鎖定并判斷對(duì)數(shù)據(jù)有效性。隨著地表水自動(dòng)監(jiān)測(cè)質(zhì)量控制管理體系日趨健全，地表水在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)日后可做為環(huán)保部門處理跨流域污染糾紛、流域水環(huán)境補(bǔ)償?shù)挠行б罁?jù)。而采取遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，則為地表水在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確、有效性提供實(shí)時(shí)有效保障。

[1]環(huán)境保護(hù)部.關(guān)于加強(qiáng)環(huán)境質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)質(zhì)量管理若干意見(jiàn)(R).北京：環(huán)境保護(hù)部，2014.

[2]張布偉,任東華,張曉勇,等.水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)質(zhì)控管理研究[J].中國(guó)資源綜合利用,2011,29(12): 33-34.

[3]傅德黔.水污染源監(jiān)測(cè)監(jiān)管技術(shù)體系研究[M].北京:中國(guó)環(huán)境出版社,2013.

[4]耿偉.在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀遠(yuǎn)程質(zhì)控系統(tǒng):中國(guó), 103135537B[P].2015-07-15.

[5]耿煒.應(yīng)用遠(yuǎn)程質(zhì)控技術(shù)加強(qiáng)水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)監(jiān)管[A].中國(guó)環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì).2015年中國(guó)環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集（第一卷）[C].中國(guó)環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì):2015: 1415-1418.

[6]唐小燕,項(xiàng)光宏.水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程質(zhì)控方法及裝置:中國(guó),105549563A[P].2016-05-04.

[7]彭俊,陳展平,凌清,等.測(cè)試數(shù)據(jù)的驗(yàn)證方法及裝置:中國(guó),103698489B[P].2015-07-29.

[8]耿偉.一種多功能水質(zhì)遠(yuǎn)程質(zhì)控裝置:中國(guó), 104020270B[P].2016-09-14.

黃宏馳（1987-），男，碩士，主要從事地表水環(huán)境質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)工作。