常州市空气质量实时发布协同服务体系建设

孙南,蔡继军

(常州市环境监测中心，江苏 常州 231001)

在国家“数字环保”与“智慧环保”发展战略背景下，环境质量自动监测(控)系统作为环保信息化能力建设的重要组成部分，正在由封闭体系向功能开放、信息共享的规范化服务体系转变，系统功能由各业务板块自成系统，向整体推进和业务协同转变。空气质量实时发布是集PM2.5监测能力建设、空气自动站质控、空气质量预警于一体的多层次协同管理体系，也是环境质量管理服务于公众的现代化手段之一[1]。

空气质量实时发布协同服务体系以数据管理规范化和数据处理自动化为核心，通过数据质控管理、数据自动化处理、数据一致性保障等保证发布数据的质量和数据一致性，可以有效解决目前存在的“信息烟窗”现象，实现空气质量监测数据和发布信息的“一数一源、一源多用、数据共享”。

1 协同服务体系对象模型

空气质量实时发布是一个涵盖国家、省、市、县等多级发布接口，涉及自动站数据采集、数据传输、数据处理、数据发布等多个集成环节，由评价时段、监测站位、污染物浓度，以及AQI、IAQI、首要污染物、空气质量级别等多发布要素组成的复杂体系。针对这一体系，并结合实时发布的管理模式，按照接口、集成、要素3个维度构建空气质量实时发布协同服务体系的对象模型(图1)。

(1)要素对象按照空气质量新标准和AQI技术规范，管理发布信息的发布主题和计算评价标准，为集成对象的数据处理提供计算操作。

(2)集成对象按照要素对象的计算模型，计算生成发布信息的各类统计指标，同时对数据进行质量控制和自动化处理。在协同机制上，集成对象一方面保证发布信息计算评价的可靠性与实时性，另一方面保证不同发布系统之间发布信息的一致性。

(3)接口对象管理各级实时发布平台的界面结构，并按照发布规范实时发布空气质量信息。发布形式目前为环保局网站和移动设备，未来可以扩展至微博、电视、报纸等媒介。接口对象的数据来源于集成对象，由其数据发布功能集中管理。

图1 空气质量实时发布协同服务体系对象模型

要素对象、集成对象、接口对象三者松散耦合，功能彼此独立，运行过程中通过信息发布流程进行协同管理和动态组合，从而保证每个维度的扩展性，便于搭建面向服务(SOA)的信息发布系统。

2 协同服务框架

空气质量实时发布协同服务框架按照协同服务对象模型进行组织，将对象模型每个维度的功能进行面向服务(SOA)的组件化封装，通过WCF(Windows Communication Framework)实现服务组件间的功能协同与数据协同(图2)。

图2 空气质量信息发布协同服务框架

图2中，统计计算服务将要素对象管理的空气质量实时发布主题、计算评价标准封装为Web服务，由标准的服务接口(SOAP)提供计算功能。其中的每个服务均可扩展、组合，以适应业务需求。

数据质控服务包括自动站质控和数据质控。其中，自动站质控遵循自动站质控管理规范，由自动站运维公司和自动站管理部门实施；数据质控主要对数据进行质控检查和修约，剔除无效数据，保证发布数据的质量。数据聚合计算模型在时间维度上对数据进行归类与聚合，同时对AQI统计信息、日报、实时报等数据进行一致性校验。数据自动化控制模型负责控制数据采集、传输、质控、发布等环节的自动化处理过程，以提高发布信息的实时性。

信息发布通讯接口服务采用XMLWeb Service技术，实现与国家、省、市、县等各级空气质量发布平台，以及与市、县环保局门户网站信息发布接口的无缝对接。数据集成模型实现空气自动监测站、数据采集系统、数据通讯系统的规范化集成，并支持自动站的动态添加和监测仪器的动态接入。

2.1 统计计算服务

统计计算服务包括空气质量分指数(IAQI)、空气质量指数(AQI)、环境空气质量级别、首要污染物、日报和实时报数据的评价计算。AQI计算按照《环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)》(HJ 633-2012)，数据有效性判定按照国家标准《环境空气质量标准》(GB 3095-2012)。

2.1.1 统计主题

统计指标：污染物浓度均值、IAQI、AQI、首要污染物、空气质量级别；统计时间：小时数据统计、日数据统计、自定义时间段数据统计；统计范围：单站、多站、全市；统计项目：参与小时空气质量分指数计算的项目有SO2、NO2、PM10、PM10(24)、CO、O3(1)、O3(8)、PM2.5、PM2.5(24)共计9个项目，参与日空气质量分指数计算的有SO2、NO2、PM10(24)、CO、O3(1)、O3(8)、PM2.5(24)共计7个项目。

2.1.2 AQI统计模型

(1)根据污染物的小时浓度均值、滑动浓度均值和滑动浓度最大值，计算出SO2，NO2，PM10，PM10(24)，CO，O3(1)，O3(8)，PM2.5，PM2.5(24)对应的小时空气质量分指数。

(2)取IAQI最大值作为AQI，将IAQI最大值对应的污染物作为首要污染物，并根据AQI计算空气质量等级。

(3)对于自定义时间段的数据统计，因O3、O3(8)滑动均值的统计规则为1d内取当日小时均值的最大值，超过1d取日合计的平均值。所以当时间段分别在1d之内和超过1d时，对应不同的AQI统计规则。

2.1.3 AQI日报、实时报

(1)AQI日报目前仅包括国控空气自动站，日报时段为当日零点前24 h，统计指标包括SO2，NO2，PM10，PM2.5，CO的24h平均，O3日最大1h平均，O3日最大8 h滑动平均，以及空气质量指数、首要污染物、空气质量指数级别、空气质量指数类别。

(2)AQI实时报时间周期为1 h，每一整点时刻后即可发布各监测点位的实时报，滞后时间不应超过1h。实时报的指标包括SO2，NO2，O3，CO，PM10，PM2.5的1 h平均，O3的8 h滑动平均，PM10、PM2.5的24 h滑动平均，以及空气质量指数、首要污染物、空气质量指数级别、空气质量指数类别。

2.2 数据质控服务

数据质控服务封装了两个功能组件，分别为数据质控审核和数据有效性判定。

2.2.1 数据质控审核

(1)仪器参数：校零、校标、外部校准、仪器诊断、仪器故障。

(2)质控检查模型：最小值质控检查(Minimun QC Check)、最大值质控检查(Maximun QC Check)、零值质控检查(Zero QC Check)、稳定不变值质控检查(Sticking QC Check)、变化率质控检查(Rate of Change QC Check)、幅度质控检查(Range QC Check)、相邻质控检查(Buddy QC Check)。

(3)质控信息标记：质控信息来源于系统自动获取及人工录入，可以由运营商录入各类质控信息，也可对自动获取的仪器工作参数、仪器状态参数进行研判与标注。质控信息目前定义了4类，分别为：正常、零值、负值、异常。

2.2.2 数据有效性判定

经过质控审核的数据需满足数据有效性才可进行统计计算，污染物浓度数据有效性要求依据《环境空气质量标准》(GB 3095-2012)。

2.3 数据聚合计算模型

数据聚合计算模型按照两个计算维度进行聚合计算：一是以分钟监测数据为基本聚合对象，在分钟、小时、日、月等时间维度上进行多维归类与级联聚合；二是按照统计计算服务定义的统计主题和统计指标对数据进行动态计算。基本功能如下：

(1)按照空气自动站、监测项目、监测时间维度对分钟数据进行逻辑分组，生成基本数据集合；

(2)按照统计主题和数据标记维护基本聚合数据的计算关系；

(3)按照标准规范及聚合规则对每个主题的分钟有效数据进行聚合计算，生成小时数据；

(4)按照数据视图和依赖关系对数据进行联动计算，保证不同主题之间数据的一致性；

(5)管理和定义面向数据服务的AEF接口和WebService接口。

在实现技术上，采用基于WF的数据聚合模型将聚合计算和数据隔离，在技术实现上采用Sequential模型和State Machine模型。其中，Sequential模型按照聚合规则进行联动计算，支持分支(IFELSE)、循环(WHILE)等流程；State Machine模型是以事件(Event)为驱动，将聚合过程转换为不同的状态，每个状态均包含驱动事件、计算规则、依赖关系。数据聚合模型内部采用SQL 通用运行语言CLR管理聚合规则，进行快速聚合计算。

2.4 数据自动化处理模型

从空气质量实时发布角度看，数据自动化处理模型的关键在于驱动数据质量控制模型和数据聚合计算模型，实现空气质量数据有效性判断、数据质控审核、数据聚合计算全过程的自动化[2]。

对于因数据质控造成数据发生变化的情况，数据自动化处理模型监控这类变化并驱动数据聚合计算模型进行重算处理。在实现上，自动化处理模型采用WF(Microsoft WorkFlow)将数据变化事件发送至数据聚合计算模型进行处理。

2.5 信息发布通讯接口服务

信息发布通讯接口采用WebService技术设计通用数据发布接口且支持接口定义，能够向多个发布平台发送一致的空气质量信息。

(1)接口名：AQIDayReport

◆服务地址：http://服务器IP/webservice/AQIDayReportService.asmx?op=AQIDayReport

◆接口说明：用于获取一段时间AQI数据

◆接口参数：

参数名说明类型St开始时间StringEt结束时间StringsWhere查询条件StringiDataType数据类型Int

(2)接口名：AQIDayReport

◆服务地址：http://服务器IP /webservice/dataservice.asmx?op=AQIDayReport

◆接口说明：用于获取最新AQI日报数据

◆接口参数：无

(3)接口名：HourData

◆服务地址：http:// 服务器IP /webservice/dataservice.asmx?op=HourData

◆接口说明：用于获取当前最新小时及24 h空气质量历史数据

◆接口参数：无

3 结语

常州市目前已经安装建设国家VPN、省VPN、市环境质量自动监测(控)平台3套与空气质量实时发布相关的系统。其中，6个国控空气自动站的省建VPN系统以及常州市环境质量自动监测(控)平台已经纳入协同服务体系，通过协同服务体系的信息发布服务接口，为常州市环保局预警平台、市气象台、市新闻台，以及金坛、溧阳政府网站实时提供空气质量数据，从而保证了省、市、县三级空气质量发布信息及常州市相关部门之间数据的一致性。国家环境空气监测网建设的VPN系统与常州市环境质量自动监测(控)平台相互独立，目前两套系统处于并行采集数据、并行运行的状态，未来可通过协同服务体系对国家VPN的现场部分进行整合，更好地保障发布信息的质量。

环境监测与预警监测是一项基础性、战略性、长期性的工作[3]。空气质量实时发布工作须不断改进、不断完善，建立全程控制的管理理念，强化环境监测的预警功能，才能实现建立先进的环境空气质量实时发布体系和预警应急体系的目标[3，4]。

[1] 张丹宁,许立峰.浅谈环境预警应急指挥中心的构建与运作[J].环境监测管理与技术，2007,19(2):1-3.

[2] 吴迓名.新空气质量标准实施后空气质量自动监测质保审核的建立探讨[J].环境监控与预警,2013，5(3)：53-56.

[3] 岳玎利，钟流举，周炎，等.珠三角地区区域空气质量实况发布体系建设[J].环境监测管理与技术,2013，25(3)：5-9.

[4] 东梅，傅晓翀.无锡市区域空气质量动态发布关键技术研究[J].污染防治技术,2012，25(3)：21-24.