山东省辖城市空气自动监测网运行监控及信息管理系统

许 杨，万 黎，李 彦，崔志伟，杜晓兰

（山东省环境信息与监控中心，山东 济南 250014）

Xu Yang， Wan Li， Li Yan， Cui Zhiwei， Du Xiaolan

（Environmental Information and Monitoring Center of Shandong Province，Jinan Shandong 250012，China）

山东省辖城市空气自动监测网运行监控及信息管理系统

许 杨，万 黎，李 彦，崔志伟，杜晓兰

（山东省环境信息与监控中心，山东 济南 250014）

研制了山东省环境空气自动监测网络运行监控及信息管理系统，实现了山东省全部省辖市所有点位环境空气自动监测统一数据实时采集与多级多目标传输，全过程跟踪的质量控制与保证，全省统一数据确认、在线信息化管理。

空气监测；运行监控；信息管理

Xu Yang， Wan Li， Li Yan， Cui Zhiwei， Du Xiaolan

（Environmental Information and Monitoring Center of Shandong Province，Jinan Shandong 250012，China）

为了保证环境空气监测数据的代表性、可比性、准确性，山东省环保厅提出了建立省辖城市所有站点环境空气自动监测系统，统一监测指标，统一监测设备调试和校正标准，统一监测数据传输方式，统一监测数据确认的监控网络。本项目为山东省空气质量自动监测系统研发数据采集传输仪及配套软件，面临的关键问题是:（1） 传统的数据采集仪在设计方面通常具有很强的目标针对性，很难做到跨设备型号、跨厂家使用。要完成多级、多目标的数据直传，必须实现数据采集直接面向任务，与监测仪器型号种类无关。（2）实现全省数据统一传输，必须满足多种通讯方式的要求，实现国家、省、市、县4级中心互不干扰地同步信息传输。（3）要确保多目标监控数据无差异上传，必须实现存储数据自动补传、设备故障自动判别、数据有效性检查自动实现和离群数据的自动处理。（4）山东省空气质量监测网由17个城市的144个站位组成，共监测12个项目，网络信息量大，对象复杂。实现全省空气监测数据统一确认，必须解决全省各子站仪器运行参数在线远程诊断、状态反控的难题，将相关的质量保证和控制的测试过程纳入到统一的计算机应用系统中，对所有站点监测数据质量进行自动跟踪和评估。（5）国内已有的环境空气信息管理系统仅局限于单个城市的信息管理[3]，目标单一。而山东省空气自动监测信息管理系统需要进行全部省辖市所有站点的网络动态信息管理，需求多，目标复杂。必须研究全部站点运行情况特征指标判别方法，解决各子站监测信息准确程度的自动判别问题，所设计的信息管理系统要求功能强大、图文可视，实现全省环境管理和决策的动态管理。

1 总体设计

系统由信息采集-传输系统、运行监控-反控系统、数据分析-信息管理系统组成，总体设计如图1:

图1 系统总体设计技术路线

无线数据采集控制装置（简称数采仪）直接与各市空气站自动监测设备的传感器连接，获取监测信息（包括所测定的污染物浓度信息及设备运行状态信息），通过GPRS/CDMA1X将信息实时传输至各级监控中心。省监控中心在线调取仪器设备的状态参数，判定子站仪器的运行状况，对状态参数设置错误的直接进行修改，定点定时对仪器进行零点校准和跨度校准。后台数据库软件支持系统对接收到的信息进行存贮，异常数据判别、剔除，自动和人工审核、分析处理。根据环境管理和决策的需求，生成各类图表报告。

2 技术方案

2.1 信息采集-传输系统

2.1.1 直接面向任务的智能数据采集系统

城市空气自动监测仪器品牌多样，不同类型的监测设备在数据采集接口类型、数据获取方式、通讯协议等方面存在巨大差别，这就对现场的数据采集系统提出了很高的兼容性要求，要做到与设备厂家、设备型号无关。

本项目为数据采集系统开发了一套独立的指令脚本语言编辑系统，用户可在现场完成对不同通讯协议和不同数据采集的指令封装和指令解析，而无需对分析设备厂家和型号进行识别和绑定，因而从根本上解决了对不同厂家、不同型号分析仪器的兼容性，并且使通用性强和灵活性更好，保证了今后与其它品牌、其它型号的分析监控设备的兼容性。

2.1.2 多中心同步传输的智能通讯系统

数据通讯系统的设计思想是，能够使用当前常用的不同类型通讯方式，以便在不同区域进行系统建设时可以灵活地使用当地现有的通讯线路，而且能够满足对今后通讯方式的设计。

为了满足上述要求，将通讯系统作为独立的单元进行考虑和设计，与数据采集和现场控制系统在功能上实现隔离。在通讯方式上，考虑到目前电话线通讯的局限性，首选GPRS/CDMA1X作为主要通讯方式，将ADSL和电话线作为备用通讯方式，当条件满足时可将ADSL切换为主要通讯手段，并且系统可自动对上述通讯方式进行诊断并切换。为了实现4级中心同步通讯和保证通讯的实时性，系统采用TCP/IP通讯协议完成数据的封包和传输。

2.1.3 保证数据质量，传输安全的智能保障系统

为了确保环境数据采集与监控系统的数据质量，在系统设计时指定了一整套数据质量评估标准和规范，通过控制软件自动完成数据质量的全程跟踪。

为了保证数据存储的安全性，对监控现场、中心控制室、数据通讯过程均实现了自动备份和加密处理，在通讯开始时进行必要的身份认证。

2.2 运行监控-反控系统

山东省空气质量监测网由17个城市的144个站位组成，共监测12个项目（7个污染因子，5个气象参数，网络信息量大，对象复杂。实现监测数据全过程的质量保证和质量控制是网络成功运行的关键。而要一对一地执行质控任务，特别是检查、校准、准确性判断等工作，需要消耗大量的时间和精力。本项目设计了远程在线诊断、状态监控、定时自动远程校准的系统功能，实现了远程自动诊断、监控和反控。省监控中心可随时查看每台分析仪器的运行参数和状态，发现设置指标偏离正常值时可对相应参数进行修改，解决了全省空气质量自动监测数据“四统一”的关键技术难题，实现了空气自动监测质量保证和质量控制工作的全过程跟踪。

2.2.1 远程在线诊断

远程在线诊断功能是本系统独有的监控功能。通过系统的远程诊断，可随时查看144个站点每台分析仪器的运行参数和状态，并可以对相应参数进行修改。本系统能够做到监控、反控本省空气监测网内全部厂家、所有型号的分析仪器，随时掌控各子站环境条件、仪器设置参数、工作状态、实时数据输出值、数采仪参数和瞬时出入值等信息，发现问题及时处理。同时防止监测仪器运行参数和数采仪参数的人为调整。

参数设置是否合理及瞬时值是否一致，直接影响到监测结果的准确性。以美国Met One PM10监测仪为例，其重要参数包括:斜率、截距、背景浓度、吸收系数、参考膜片平均质量密度、量程、流量斜率、流量截距、气体流量、采样时间等。其中1项参数不正常就会影响数据的准确性。数采仪参数也直接影响到监测数据的准确性。如量程的设置和监测仪不一致，则会直接导致上传到上端服务器的数据和现场实际监测值有倍级数量的误差。

为了实现空气监测数据质量保证的全过程跟踪，本系统设计了定时自动远程诊断与状态监控，将诊断结果用两个表体现:一个是调取参数比对表，将调取结果同预先存储的该仪器正常工作状态参数的允许范围进行比较，将调取的数采仪参数同原始标准设置进行比对，将监测仪器输出瞬时值同数采仪瞬时输入值相比较；另一个是调取情况清单，记录本次调取不成功的子站和仪器名称。管理人员根据这两张报告表进行分析，将异常现象及时通知当地监控人员，让其查找原因及时调整；并可通过软件给数采仪发送指令，远程进行参数设定、调整。系统每月自动汇总调取结果。

2.2.2 定时自动远程校准

确保网络和监测数据的准确性、可靠性、稳定性、可比性，实现监测数据的同质化是系统运行成功的关键，远程对分析仪器进行校准和标定是系统数据质量控制的重要管理措施。山东省各城市现场分析仪器涉及到多个厂家、多种型号，要求系统的远程校准功能具有良好的兼容性。

本系统设计了16个自动校准程序，每个校准程序可配置8个校准（检查）点，并生成详细的校准（检查）报告。

根据《环境空气质量自动监测技术规范》（HJ/T193-2005）[1，4～5]（简称国家规范） 质量控制的规定，对漂移控制限内的仪器零点和跨度漂移自动进行修正；对漂移控制限外的数据判断为无效，同时系统自动将校准结果发送给当地管理人员，使其及时进行现场检查，实现了全过程的质量保证。

2.2.3 控制系统软件模块

包括系统管理、系统配置、远程控制模块，实现了远程调取数据、读取通道参数、远程校准、仪器在线诊断、数据有效性的自动判别等任务。

3 监测网运行情况自动评价体系

已有环境空气信息管理系统的服务对象只限于单个城市，没有监控任务，不涉及获取信息本身准确程度的判别。而山东省空气质量监测站位多、对象复杂，对获取信息本身准确程度的评判是全省统一数据确认的关键。为了严格规范自动监测系统的运行管理，确保监控数据的完整性、准确性，山东省环保厅制订了自动监测系统运行率和准确率考核制度。以往对空气自动监测系统运行率、准确率的统计只是依据管理人员每日对数据肉眼观察，发现异常数据或故障情况进行手工记录，结合现场抽查和远程控制判定其数据是否合理。人工登记难免因标准不统一和工作量巨大而出现遗漏或差错，不可能做到全面、完整和公正。本项目根据管理目标，研究了反映空气自动监测数据获取率、准确性特征指标的判别方法，将一系列复杂的人工管理归纳、提炼，形成数学模型，用软件模拟人工操作，并兼顾地域情况，体现人性化管理，统一标准的评价体系，编制了空气质量自动监测站运行率和准确率统计程序，显著提高了工作效率和统计结果的准确率，做到了测点数据的同质化，实现了全省空气质量监测数据的统一确认[2]。

4 数据质量自动审核

对数采仪软件已做了标记的异常值，按照技术规范中的规定，系统进行自动取舍，不满足采集频率要求的数据不参加汇总统计。对校准报告显示超出国家规范合理范围要求的、仪器运行状态参数调取报告显示异常的、有报警标记数据及数据变化曲线显示不合理的、平均值小于当地可信水平等现象，结合现场检查，经专家审核确定数据取舍。舍去的数据通过数据编辑功能判为无效，则该数据自动不参加所有的汇总统计。为保证原始监测数据库的安全性，系统设计了修正数据库。将上传数据同时保留在原始数据库和修正数据库中，管理人员所有的修正只在修正数据库中进行，一旦修正数据有误，又可方便地用原始数据进行复原。

5 动态信息管理系统

根据全省环境管理和决策管理的需求，设计了图文可视的动态信息管理平台。根据环境管理要求，系统具有查询、编辑、统计、分析多种功能，可生成23个大类不同组合的报告和图表。

6 结论

本项目研发的数据采集器及监控软件自2008年起在山东省环境厅监控中心正式使用，其中数据采集设备、传输软件安装在全省17个市144个城市的空气自动监测子站使用，质量控制和信息管理软件在省、市两级监控中心使用，至今系统运行整两年。根据全部上传数据的统计结果，数据采集可达100%，实现了全部省辖市所有点位的多级多目标实时数据采集与质量跟踪控制，为各级政府制定改善空气质量的保障措施提供了科学的技术支持。

[1]国家环保总局.HJ/T193-2005环境空气质量自动监测技术规范[S].北京:中国环境科学出版社，2005.

[2]万黎，李彦，崔志伟，等.空气自动监测网运行率和准确率统计自动化实现的探讨[J].中国环境管理干部学院学报，2010，20（2）:51-53.

[3]周发武.鲍建国.环境自动监控系统技术与管理[M].北京:中国环境科学出版社，2007:301-321.

[4]国家环境保护总局，空气和废气监测分析编委会.空气和废气监测分析方法[M].4版增补版.北京:中国环境科学出版社，2003，9:252-271.

[5]国家环保总局.环境空气质量监测规范（试行）[S/OL].（2007-01-23）[2011-08-26].http://www.es.org.cn/download/1800-1.doc.

The Operating Monitoring and Information Management System of the Urban Air Auto-monitoring Network in Shandong Province

The system of information management and operating monitoring of the urban air automonitoring network in Shandong province has been developed.The following functions of the system are realized,such as the real time collection of the integrated auto-monitoring data of ambient air from all the monitoring points around 17 cities of Shandong province,data transmission with multilevel and multi-targets,quality control and assurance on tracking the entire process,validation of the integrated data all over the province,and online information management.

air monitoring； running monitor； information management

X84

A

1008-813X（2011）06-0065-04

10.3969/j.issn.1008-813X.2011.06.017

2011-09-06

许 杨（1968-），男，山东济南人，毕业于山东大学分析化学专业，高级工程师，从事环境自动监测及综合评价工作。