环境质量自动监控系统数据传输标准现状及对策研究

许萌君，王 智

（1.江苏省标准化研究院，江苏南京 210000；2.东软集团股份有限公司，辽宁沈阳 110000）

1 背景

环境质量自动监控系统（又称环境质量在线监控系统或环境质量自动监测系统）是应用现代自控仪器技术、通信网络技术、计算机技术对水、气、声、渣、辐射等各种环境要素实施连续不断的实时在线监测，并将监测数据自动传输到环境监控中心进行数据处理的系统。环境质量自动监控是环境执法、科学管理的重要手段。系统的建设和管理需要依托自动控制、计算机、电子、通信等多个领域的技术，是一项关系民生的综合性、复杂性的生态环境监控物联网工程。

2 系统传输模型

2.1 信息传输结构

环境质量自动监控系统按照数据流转层次，可分为数据收集子系统和信息综合子系统两个部分。数据收集子系统包含的设备因监测对象不同而有所差异，例如在空气环境质量自动监控系统中，可包含二氧化硫、烟尘等气污染物在线监测分析仪，水环境质量自动监控中则需要水污染物在线监测分析仪等设备，其他监控系统可能需要污染物排放监控监测仪器、污染治理设施运行记录仪（黑匣子）和数据采集传输仪（用于数据的存储、加密，数据包转发、接收以及报警、反控）等自动监控仪器。这一系列设备简称现场机。信息综合子系统包括计算机信息终端设备、监控中心系统（自动监控中心信息管理软件和数据库等）。简称上位机。因此系统的信息传输结构，可以简单示意为图1的所示的3层结构。

2.2 网络传输方式

环境质量监控的任务，主要是在各个环境监测站完成的，监测站将子站数据库的监测信息发送到中心站数据库中，可以采用下列网络连接方式进行传输：虚拟专用网络方式、网闸数据交换方式、环保专网直连方式，最终要将数据传输并储存到中心站数据库中。

3 数据传输现状

3.1 总体状况

我国环境质量自动监控建设起步晚，信息化水平较低，对环境状况的监控十分薄弱，传统的监测方法建设维护成本过高，难以大面积推广，随着科技的不断进步和环境监控物联网概念的不断深入，自动化、智能化、网络化的环境质量自动监控，成为现在和今后一段时期环境保护工作的重点。

然而，各地陆续建立的一些环境质量自动监控系统，完全受制于各开发单位自有的技术，系统升级和维护工作受到极大的限制。有的地区使用的数据传输和接口标准技术落后、定义不规范，极大影响了系统建设和运行维护的效率。各地局部的环境质量自动监控系统相互独立，采用的数据标准和设计结构不同，各自分散异构的数据资源形成彼此割裂的信息孤岛，无法进行信息交换和业务协同。

多年来环境在线监控数据传输所沿用的数采设备，其数据传输格式等已相对落后。环境监测在线系统的生产厂家众多，技术水平参差不齐，传输协议五花八门，给监测数据结构的统一带来不小的困难，这不仅对当地环保部门辖区属地管理造成一定的不便，也为上级环保部门的宏观管理带来了诸多问题。

图1 系统信息传输结构示意

3.2 案例分析

以目前江苏省的水环境质量自动监控为例，其主要监测工作是由水质监测站完成的，监测站很多设备来自欧美等国家专业生产厂家的产品，在逐步与全省生态环境监控系统［1］的联网集成的过程中，其设备和系统在自动监控数据传输方面，暴露出了如下突出问题：

（1）数据通信接口不统一。目前水质监控数据的传输存在多种接口，包括 FTP、Webservice、E-mail、短信、电话拨号等，通信接口不统一，数据集成困难。

（2）技术参数采集不完整。一般站点只采集了主要污染物的浓度指标,而没有采集相应的仪器工作状态参数,如仪器的流量、工作温度、校准状况、是否有故障等。

（3）系统集成度低，兼容性差，很多地方存在多个数据处理系统并存的情况，数据格式多种多样，不便于统一管理。

（4）仪器校准自动化程度低，多数监测仪器还是通过人工方式进行校准。

上述问题的存在，导致无法对各监测站质控工作进行统一有效的监督。因此,当把各地的监测数据进行汇总分析和比较时,只能将数据的可靠性和准确性建立在假定各地质量控制工作都符合标准的基础之上。故从大的格局上讲，整个水质自动监测网的质量控制实际上是处于失控状态。

4 对策分析

4.1 统一传输标准

随着环境监管对在线监测数据处理速度和效率要求的不断提高，如何解决环境质量自动监控系统在信息传输中的种种突出问题，建立一套兼容性强、拓展性强、实用性强的信息传输技术规范，统一环境质量自动监控系统的数据格式和传输标准，在提高数据文件处理的可靠性和效率的同时，为环境监管提供准确、及时、唯一性的数据，将成为引导环境监测业务的良性发展的关键之一。

4.2 标准建立的依据

环境质量自动监测数据是对环境要素的表述信息，数据量大，实时性强，交互频繁，数据类型多，统计分析方法复杂，辅助信息多，数据需求变化大等特点，选择的数据传输格式，应能使数据在传输过程中既要保证准确性，又要保证一定的可扩展性和兼容性，以便将来对监测数据模型进行升级和修改。

在传输标准中提出的技术指标和技术性能应在支持主流信息交换技术的产品和平台的同时，并对产品技术革新有一定的引导作用，这样才能在推广实施中，做到灵活、普及、提高监测质量并引导环保信息化向新的技术迈进。

4.3 传输格式的选择

基于环境监测数据传输的应用环境和特点，需要选择一种安全、通用、标准化、可扩展的通信表述数据项和数据格式的形式，目前，全国范围内，只有针对污染源在线监控系统有传输标准可以参照，部分省市的环境质量监测信息也借鉴了《污染源在线自动监控（监测）系统数据传输标准》HJ/T 212-2005的传输规定，笔者认为该标准是为污染源监控量身定做的，其中有关于污染源的业务逻辑，不适用于环境质量的在线监控业务。其次该标准是字符串拼接的协议［2］，扩展性不高，传输非结构化数据（图片、声音）等信息非常困难。其协议通常采用socket编程方法，需要对多线程的通信客户端进行管理，对系统开发人员有较高的要求，实施起来有一定的复杂性，容易造成开发成本的浪费和低水平的重复建设。

笔者根据多年对环境监控信息化领域的研究和实践经验，提出在目前web服务广为使用的前提下，综合考虑对国际标准、以及环保领域已实施标准的采纳，宜采用国际上web应用通用的XML文件作为表述数据项和数据格式的形式，以满足环境质量监控信息安全、通用、标准化、可扩展的要求。

XML能够以灵活有效的方式定义环境质量监测信息的结构［3］。以XML格式存储的数据不仅有良好的内在结构，而且易于进行数据交流和开发。现有网络管理标准如TMN、SNMP等的管理信息库规范决定了网管数据符合层次结构和面向对象原则，使得以XML格式存储网管数据也非常自然，易于实现。

同时，网络中传输的底层数据因协议不同而编码规则不同，虽然最终传输时都是二进制位流，但是不同的应用协议需要提供不同的转换机制。这种情况导致管理站在对采用不同协议发送管理信息的被管对象之间进行管理时很难实现兼容。如果协议在数据表示时都采用XML格式进行描述，这样网络之间传递的都是简单的字符流，可以通过相同的XML解析器进行解析，然后根据不同的XML标记，对数据的不同部分进行区分处理，使底层数据更具可读性。

在数据流量方面，使用HJ/T 212-2005是目前环境监控领域较省流量的数据传输方法，流量耗费相对较小，但XML数据在经过压缩之后，与其相差不大。

以水质监测为例，假设有5个监测因子，只传输平均值，每个监测值带1个标志位，每个值占4位，计算在遵循HJ/T 212-2005协议的通信包与XML通信包在传输小时数据时的包大小。

HJ/T 212-2005协议：

XML格式：

比较数据字节大小（见表1）。

可以看出，XML是一种可扩展的语言，只要将相应的环境信息数据项、数据要求用XML文件正确描述即可，而信息交换的模式、方式相对确定。环境监测种类繁多，信息需求变化快，以后随着环境管理业务的逐步成熟，可以扩展不同类型的环境监管信息、环境要素信息、环境治理信息等。

表1 采用两种传输协议的数据流量对比表

5 总结

根据对相关系统的研究分析和多年实践经验，笔者提出了以XML为基础来统一环境质量自动监测系统的数据标准的解决措施，但这其中仍然有不少技术问题还需要进一步对比和分析，还需要通过大量的测试来校验，并在应用中进行修正。此外，还需要和诸多相关方进行协商和统一意见。

统一环境质量自动监控系统数据传输标准仍然有很长的路要走。但相关标准的确立，无疑将在很大程度上解决各地局部的环境质量自动监控系统相互独立，采用的数据标准和设计结构不统一的问题，有效缩小自分散异构的数据造成信息孤岛，为实现环境质量自动监控系统的数据共享、业务协同打下基础，为上下级环保部门之间统一高效的信息沟通共享通道提供基础支撑。能在一定程度上进一步规范相关自动监控仪器的产品规格，提高产品质量，引导产业的良性发展，让环境质量自动监控这项关系到民生的生态环境监控工程更好的发挥监督管理作用。

［1］何春银，刘珏.环境监控物联网标准体系框架初探［J］.信息技术与标准化，2012（8）.

［2］HJ/T 212-2005污染源在线自动监控（监测）系统数据传输标准［S］.北京：中国环境科学出版社，2006.

［3］徐洁.基于XML的污染源自动监控信息交换实现方法［J］.科技信息，2010（36）.