本文从宏观上分析了数字环保系统概念及组成要素。文章首先阐述了数字环保系统的建设目标,系统结构,分析了数字环保系统的架构体系。然后针对数字环保系统架构的各个层次展开详细的说明。数字环保是以环保为核心,融入现代化的自动控制、数字通讯、信息、网络等先进技术实现环境保护的数字化。它是一个以满足基础应用、延伸应用、高级应用和战略应用的多层环保监控管理平台集成而来的系统。

[数字环保系统的构建]

[关颖]－[374040073]

2014年9月30日

摘要：

本文从宏观上分析了数字环保系统概念及组成要素。文章首先阐述了数字环保系统的建设目标，系统结构，分析了数字环保系统的架构体系。然后针对数字环保系统架构的各个层次展开详细的说明。

数字环保是以环保为核心，融入现代化的自动控制、数字通讯、信息、网络等先进技术实现环境保护的数字化。它是一个以满足基础应用、延伸应用、高级应用和战略应用的多层环保监控管理平台集成而来的系统。

本系统作为市级环境信息应用系统之一，主要建设市环保局的环境自动监测监控集成系统；完善对重点污染源，有关部门城市环保基础设施和区域环境质量的环境自动监测、监控点位的数据提取及信息传输，建立与环保局的信息传输通道。

关键词：数字环保，环境自动监测，数据通讯传输、数据采集

一、“数字环保”概述

数字环保是近年来在数字地球、地理信息系统(GIS)、全球定位系统(GPS)等技术基础上衍生的大型系统工程。数字地球是计算机技术、互联网技术和虚拟现实技术等联合框架上以地球为参照系的多学科融汇。数字环保是数字地球在环保信息化和环境管理决策中的应用。在我国数字地球战略的基础上实施数字环保，是保护人类生存环境的必然选择。

数字环保是以环保为核心，融入现代化的自动控制、数字通讯、信息、网络等先进技术实现环境保护的数字化。它是一个以满足基础应用、延伸应用、高级应用和战略应用的多层环保监控管理平台集成而来的系统。具体包括以下子系统：

环境测控跟踪子系统

本文从宏观上分析了数字环保系统概念及组成要素。文章首先阐述了数字环保系统的建设目标,系统结构,分析了数字环保系统的架构体系。然后针对数字环保系统架构的各个层次展开详细的说明。数字环保是以环保为核心,融入现代化的自动控制、数字通讯、信息、网络等先进技术实现环境保护的数字化。它是一个以满足基础应用、延伸应用、高级应用和战略应用的多层环保监控管理平台集成而来的系统。

环境预测预报子系统

污染源平面显示管理子系统

污染源异动跟踪报警子系统

污染事故预警子系统

环境状况领导速查子系统

环保增值业务子系统

环境GIS子系统

环保业务工作流管理子系统

环保决策支持子系统

环保动态仿真子系统

分布式万维拟境子系统

二、系统介绍

2.1、系统建设目标

本着“以环境监测为驱动，全面推进环境治理；以环境监测为基础，全面提升环境管理水平”的方针路线。开发了对环境进行全面监测的环保监控平台。通过建设形成一个覆盖整个区域的环境监测信息自动采集网络，实现对重点排污单位防治设施运行状态、主要污染物排放监测监控数据的自动传输和异常报警，实现重点流域水质量、重点城市区域环境空气质量自动监测数据实时传输，实现总量控制，防止偷排漏排。通过建设一个基于地理信息系统的环境信息分析系统和一个交互式的环境监测，环境保护的动态信息发布平台，方便各级政府﹑部门发布环境质量监测资料或环境指令状况，向公众发布状况信息，全面提高环境的监测力度，有效推动环境治理；通过扩展OA办公系统，提高环境管理水平；通过对大量环境数据的分析提炼，为进一步环境治理提供决策支持。

本系统作为市级环境信息应用系统之一，主要建设市环保局的环境自动监测监控集成系统；完善对重点污染源，有关部门城市环保基础设施和区域环境质量的环境自动监测、监控点位的数据提取及信息传输，建立与环保局的信息传输通道。

本文从宏观上分析了数字环保系统概念及组成要素。文章首先阐述了数字环保系统的建设目标,系统结构,分析了数字环保系统的架构体系。然后针对数字环保系统架构的各个层次展开详细的说明。数字环保是以环保为核心,融入现代化的自动控制、数字通讯、信息、网络等先进技术实现环境保护的数字化。它是一个以满足基础应用、延伸应用、高级应用和战略应用的多层环保监控管理平台集成而来的系统。

通过国家、省监测信息网络或CDMA/GPRS方式向上级环保部门采集所辖区域的污染源，城市区域，流域的大气和水质监测数据。

为省市领导，省市环境保护局的环境宏观决策提供信息支持，对全市主要污染源，环境质量进行实时监测监控，实现城市环境空气质量，主要流域环境质量的日报，并自动﹑及时向公众网﹑政务网分级发布。

建立污染源排放计算机管理系统，对重点污染源的主要环保设施和排污口进行监测，提供直观的GIS图形界面，为各级环保部门的宏观决策提供有效数据支持。

2.2、系统结构

数字环保系统为一个多层架构的可扩展平台。其骨干有三层，分别是：现场数据采集与自动控制单元、企业数据处理分中心、主管部门数据处理中心。通过外部扩展模块，可以将系统扩展为多级。系统结构图如下所示：

监控平台系统结构

本文从宏观上分析了数字环保系统概念及组成要素。文章首先阐述了数字环保系统的建设目标,系统结构,分析了数字环保系统的架构体系。然后针对数字环保系统架构的各个层次展开详细的说明。数字环保是以环保为核心,融入现代化的自动控制、数字通讯、信息、网络等先进技术实现环境保护的数字化。它是一个以满足基础应用、延伸应用、高级应用和战略应用的多层环保监控管理平台集成而来的系统。

外部扩展是指独立于本系统以外的上级系统，主要是指省﹑国家级的环境监控中心系统。它负责接受属下的地市级系统的汇总数据，并可在必要时对下级的企业排污现场监控点进行在线的实时监控。本系统同时提供各个监控点接受系统外模块的监控功能。同时，地市级系统负责接受省级环境监控中心系统的数据上传的要求，提供数据上传的功能。

该系统的市级、县级的二级监控网络和企业监控网络相对独立，互不干扰。克服了以往其它在线监控网络软件在通信上的相互撞车干扰现象，具有从最高级网络中心到各监控点直至监测仪器的系统时间同步功能，避免了不同系统段因时间误差而带来的功能不协调。具有从监控点到各级网络监控中心的数据自动采集功能，并有效地解决了在数据采集过程中各级环保监控中心通信费用负担过重的矛盾。当监测项目超过设定标准值、污染治理设施没有正常运转、自动采样分析仪异常或故障等情况发生时，系统能自动识别并按权限向上级报警。各级监控网络中心可根据管理权限对相应的监控点进行远程监控管理（如监控点现场工控机运行状态远程控制、工控机通信条件的远程控制、报警标准等参数的远程设定、自动采样频率及相关参数的远程控制等）。根据管理权限，各级监控中心录入或修改的企业基本信息以及相关参数的设定、修正等都能在系统相应监控中心上自动同步。各级环保监控中心可通过网络系统可随时检查企业排污实时状况。对采集到的各类监控数据，系统提供了智能化的数据处理技术，用户可根据各自工作的需要来制订各种统计报表及多维图形。提供对其他系统的良好接口（如在OA系统中可实现对收集数据的统计，查询），并可按统一的数据格式导入，导出数据，以便于和其他系统达到最大限度的数据共享。完善的数据备份机制，自动/手动备份可由用户选择。GIS系统类似的优美，直观的地图监测画面，可使用户及时了解监控现状。

三、中心站系统监控数据采集、处理和分析系统

中心站监控数据采集、处理和分析系统是本应用系统的核心子系统，承担各个监测站的中心接入服务和日常控制，维护等的功能。主要由通信传输控制层，

本文从宏观上分析了数字环保系统概念及组成要素。文章首先阐述了数字环保系统的建设目标,系统结构,分析了数字环保系统的架构体系。然后针对数字环保系统架构的各个层次展开详细的说明。数字环保是以环保为核心,融入现代化的自动控制、数字通讯、信息、网络等先进技术实现环境保护的数字化。它是一个以满足基础应用、延伸应用、高级应用和战略应用的多层环保监控管理平台集成而来的系统。

自动业务流程控制层和人机交互界面层等构成。由于系统的任务，特别是通信业务的复杂性使得系统不可能在一台计算机上得以实现。所以我们采用了分散网络平台技术来协调分布在多台计算机上的各个功能层的不同功能模块。

3.1、数据采集部分

数据采集中心同时支持自动轮询与监听工作方式。在自动轮询工作方式下，中心主动以轮询的方式采集各个监测子站的数据信息；在监听方式下，由监测子站主动向中心上报采集数据。数据采集中心支持数据与图像两种数据格式。本系统支持的数据通信方式主要包括有线和无线两种方式。有线通讯能选择：PSTN、ADSL等通连方式，无线通讯能选择：CDMA、GPRS等。

3.1.1、GPRS通信

GPRS是通用分组无线业务(General Packet Radio Service)的简称，它突破了GSM网只能提供电路交换的思维方式，只通过增加相应的功能实体和对现有的基站系统进行部分改造来实现分组交换，这种改造的投入相对来说并不大，但得到的用户数据速率却相当可观。GPRS(General Packet Radio Service)是一种以全球手机系统（GSM）为基础的数据传输技术，可说是GSM的延续。GPRS和以往连续在频道传输的方式不同，是以封包（Packet）式来传输，因此使用者所负担的费用是以其传输资料单位计算，并非使用其整个频道，理论上较为便宜。 GPRS的传输速率可提升至56Kbps甚至114Kbps。而且，因为不再需要现行无线应用所需要的中介转换器，所以连接及传输都会更方便容易。如此，使用者既可联机上网，参加视讯会议等互动传播，而且在同一个视讯网络上（VRN）的使用者，甚至可以无需通过拨号上网，而持续与网络连接。

3.1.2、CDMA通讯

CDMA 是码分多址的英文缩写（Code Division Multiple Access)，它是在数字技术的分支——扩频通信技术上发展起来的一种崭新而成熟的无线通信技术。

CDMA技术的原理是基于扩频技术，即将需传送的具有一定信号带宽信息数据用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制，使原数据信号的带宽被扩展，再经载波调制并发送出去。接收端使用完全相同的伪随机码，与接收的带宽信号作相关处理把宽带信号换成原信息数据的窄带信号即解扩，以实现信息通信。

本文从宏观上分析了数字环保系统概念及组成要素。文章首先阐述了数字环保系统的建设目标,系统结构,分析了数字环保系统的架构体系。然后针对数字环保系统架构的各个层次展开详细的说明。数字环保是以环保为核心,融入现代化的自动控制、数字通讯、信息、网络等先进技术实现环境保护的数字化。它是一个以满足基础应用、延伸应用、高级应用和战略应用的多层环保监控管理平台集成而来的系统。

3.1.3 、ADSL

ADSL方式 ADSL理论上能提供上行最高640Kbps，下行最高8Mbps，实际中，中国电信各地分公司提供的带宽为理论值的1/4~1/16，即下行512Kbps~2Mbps。

通常ADSL采用拨号方式登录，每次登录将随机获取一个动态的公网IP，远端设备每次访问都事先重新设定服务器IP地址相关的参数将会很麻烦，解决方法是采用动态域名解析的方法。

3.1.4、图像采集、传输

远端数据采集系统采用工控机通过RS232接口与CDMA IP Modem相连，工控机配置视频采集卡，外接摄像头，数据分析仪，探头。数据采集互控软件运行于Windows 2000 (根据需要可以使用Windows CE 或 Linux)平台之上，图文并茂、操作简单，与管理中心的中心服务器协调运作，对各远端数据采集点的各项数据采集视频监控事务进行有序、周到的管理，使镇各系统管理科学、快捷、方便。

视频采集卡控制摄像头拍摄现场图像，将图像数据传给视频采集卡。 监控中心将可以看到多个现场的照片，对比接收到的数据，可以更加及时准确的做出判断。

数据采集互控软件负责将静态图像，从数据分析仪和探头到的数据通过RS-232串口传给CDMA IP Modem，同时将从CDMA IP Modem获得的监控中心的控制指令传给下面的视频采集卡，摄像头，数据分析仪，探头等，实现设备的远程控制。

CDMA IP Modem是作为数据采集端的无线传输设备，通过CDMA 2000 1X网络连接到Internet，与拥有公网IP的通讯接入服务器建立Socket连接，实现全双工通讯。没有固定IP的情况下，可以使用动态域名解析方式。

CDMA IP Modem提供完全透明的传输通道，通信两端可以实现裸数据传输。提供掉线重拨功能，保证了传输通道的实时在线。CDMA IP Modem内置一个Web Server，允许操作人员通过有线或者无线的方式从Internet通过浏览器进行登录，察看传输状态，更改传输方式，更新参数，升级固件程序。极大方便了拥有相应权限的操作人员在野外现场，旅途中没有有线上网接入的情况下对通信

本文从宏观上分析了数字环保系统概念及组成要素。文章首先阐述了数字环保系统的建设目标,系统结构,分析了数字环保系统的架构体系。然后针对数字环保系统架构的各个层次展开详细的说明。数字环保是以环保为核心,融入现代化的自动控制、数字通讯、信息、网络等先进技术实现环境保护的数字化。它是一个以满足基础应用、延伸应用、高级应用和战略应用的多层环保监控管理平台集成而来的系统。

进行检测和设定。

3.2、数据处理软件功能描述

监控数据采集及处理软件具有以下功能：

1） 定时或随时收集各监测子站计算机采集的监测数据和校准结果；

2） 定时或随时收集监测子站计算机采集的监测子站工作状态，如：设备的运

行及环境状态、报警和控制信息以及留言记录；

3） 对各时段的污染监测数据和状态信息进行统计处理和异常值判断处理；

4） 将处理后的结果，通过显示器和打印机以报表或图形的形式显示或打印。

在报表中除显示或打印平均值的统计结果外，可显示最大值、最小值、异常值（异常值包括：超标值、无效平均值、子站监测分析仪器停机时产生的随机值、子站断电后产生的随机值），并对异常值用特殊符号进行标注；

5） 根据采集和发布要求自动形成报告或报表，如：日报、周报表、月报、季

报、年报、预报和公告等；

6） 运行控制，如：通过中心站直接对子站水路、气路、温控设备和监测仪器

等设备的控制开关、电磁阀和相关装置进行控制；

7） 校准控制，如：对各子站的监测分析仪器进行定时或随时校零、校跨或多

点校准控制；

8） 对子站运行情况和异常报警进行综合分析，并分类形成系统运行报告。通

过特定的数据库格式对以上各种系统运行数据和报表进行分类编辑、建立目录、自动生成数据库文件存盘和备份；并且可对系统运行状况的历史情况进行查询和分类及分时段的统计。

3.3、数据分析软件功能描述

监控数据分析软件具有以下功能：

1) 自动对各污染监测项目和环境参数随时间变化的特性进行分析，用报表、变化曲线或统计直方图的形式显示或打印出来；

2) 自动对各污染监测项目和环境参数随空间变化的特性进行分析，用报表、变化曲线、统计直方图、玫瑰图的形式在显示器或绘图仪上输出；

3) 自动对环境污染的历史变化特性进行对比分析，用报表、变化曲线或统计直方图的形式显示或打印出来；

本文从宏观上分析了数字环保系统概念及组成要素。文章首先阐述了数字环保系统的建设目标,系统结构,分析了数字环保系统的架构体系。然后针对数字环保系统架构的各个层次展开详细的说明。数字环保是以环保为核心,融入现代化的自动控制、数字通讯、信息、网络等先进技术实现环境保护的数字化。它是一个以满足基础应用、延伸应用、高级应用和战略应用的多层环保监控管理平台集成而来的系统。

4) 自动对区域环境污染进行对比分析，用报表、变化曲线或统计直方图的形式显示或打印出来；

5) 自动对污染源变化趋势及排放量进行对比分析，用报表、变化曲线或统计直方图的形式显示或打印出来；

6) 对环境空气、环境水质和污染源排放量的超标警戒线进行动态换算和分析。

3.4、Web信息发布软件

信息发布软件具有以下功能：

1） 环保局用户通过浏览器访问外部 Internet信息发布软件，可以直接从网页

上查询指定时间和指定企业/监测子站的数据资料

2） 外部企业用户可以通过浏览器访问外部 Internet信息发布软件，但需要输

入访问用户名和密码，外部企业用户只能查询自己企业本身的监测子站的数据资料

3） 提供给公众用户各种数据处理的结果，例如：日报，月报，统计，分析数

据等。

参考文献：

1、《环保总局以知识管理为核心的信息平台规划建议书》

2、《潍坊滨海开发区环保信息监测中心建设方案》

作者简介：

关颖 工程师1995.9~1999.7月就读于西安石油学院 机械系 主修机械电子工程专业。毕业后一直在楼宇智能化和环保领域从事软件开发和信息系统集成项目的设计工作。2004年取得信息系统集成项目经理资质证书，2006年取得工程师资格证书。

在任职期间先后独立开发或组织团队开发完成了一下项目：远程抄表软件、物业收费软件、物业管理软件、路灯控制软件、进销存管理软件、电力行业公网无线抄表软件、huicheng-2008 SCADA系统平台、脱硫DCS控制系统软件、CEMS在线监测软件、污水处理DCS监控平台、滨海环保信息监控平台等项目。