基于物联网技术的环境监测业务管理和质量控制平台研建

◎文/伍震威 朱余（安徽省环境监测中心站）

随着信息技术不断发展，以局域网和互联网为基础，将终端设备、人员和物体互联，实现自动化和智能化管理的物联网已经渗透到生活的方方面面，生态环境监测领域也是物联网技术应用的重要领域之一[1]，如目前比较成熟的空气、地表水自动监测，污染源在线监测等物联网自动监测技术，已经普遍运用到日常的环境管理过程中。但物联网技术在环境监测业务管理和质量控制运用上尚不成熟，且不成体系。如何有效利用先进的物联网技术手段来对环境监测全过程进行管理和质量控制，从而保证环境监测数据质量，减少人为因素的不当干预，值得进一步研究和探讨。

本文结合实践经验，设计并实现一个面向环境监测系统用户的环境监测业务和质量控制综合管理应用平台。平台利用各类型传感器采集仪器设备状态信息、重要运行参数、环境参数、功耗、能耗等影响数据质量的关键性数据，再通过ZigBee无线传感网络与4G移动通信网络进行数据传输，实现数据存储、处理、分析和管理[2]，有效提升环境监测管理水平。

一、环境监测业务管理和质量控制平台总体架构

图1 基于物联网技术的环境监测业务管理和质量控制平台架构

平台采用三层体系架构，包括用来感知数据的感知层，将感知到的数据进行有效输送的传输层，面向各类用户的应用层（见图1）。

1.感知层

感知层是采集数据的基础层，主要涉及传感技术、嵌入式计算技术、无线传输技术等关键技术[3]。在实验室内仪器设备上布设各类型传感器节点，通过ZigBee技术组建无线传感网络，全面获取实验室环境参数、仪器设备运行参数数据，提高采集效率，节省人力资源。

2.传输层

传输层连接感知层与应用层，负责将感知层上传的采集数据处理后，通过基于ZigBee协议的无线传感网络传输的数据经协议转换，以不同的接入方式上传到应用层[4]。

3.应用层

应用层主要是面向用户需求，负责信息处理与人机交互界面。针对环境监测业务管理和质量控制平台，应用层汇集感知层与传输层传回的数据，进行智能化存储、分析、处理，实现基于互联网访问的交互式平台界面[5]。

二、环境监测业务管理与质量控制平台设计总体目标

平台采用B/S构架，局域网运行模式，能够兼容通用主流浏览器，并根据权限进行操作。采用实验室信息管理系统信息共享替换传统的手工数据传递模式，实现监测业务流程的程序化、规范化、无纸化管理。

按照ISO/IEC17025及GB/T15481-2000《检测和校准实验室能力的通用要求》的要求，把人员、仪器、材料（试剂消耗）、方法、成本等全部纳入实验室信息管理系统，并结合实验室评审、CMA认证、CNAS认证认可、质量管理手册的管理要求落实到系统中，把质量关键点通过系统的强行控制来实现，保证质量管理制度的落实和执行，全面提高环境监测站的现代化管理水平。

开发移动监测APP软件，通过移动终端将现场监测情况实时上传至服务器，并支持离线操作功能，提高工作人员的工作效率，支持便捷式打印标签和记录、签名等功能。

建立与其他应用系统/数据库的接口互联，充分利用现有网络条件，通过合理设计数据库结构、数据接口和应用平台，在确保数据安全的基础上，提供多种数据交互方式，实现监测数据共享的功能。

三、环境监测业务管理与质量控制平台功能开发

1.监测业务管理子系统

业务管理模块应结合环境监测行业的技术规范和实验室的实际工作，实现从采样、接样、到样品分析、数据录入、数据复核、分析报告审批等监测业务全过程的信息化和自动化。

业务承接和安排：按承接任务的来源、性质、监测要素、承接/下达任务的时间进行分类管理，并根据任务的类型确定负责部门，通过系统分派到相关责任人。

现场踏勘：任务负责人决定是否需要现场踏勘，需要则编写踏勘意见和建议，系统完整保存现场踏勘记录，并自动生成监测方案。

方案评审：技术负责人对项目负责人制定出的监测方案进行审核。

现场采样：系统自动生成采样条形码标签，采样人员可打印任务单、条码标签、现场采样记录单。

样品接收及分析：样品管理员通过条码扫描器读取样品信息，系统可记录样品交接详细信息并形成样品交接记录[6]；系统自动将任务分配到相关分析人员，并形成样品领取记录。

数据录入及审核：分析人员按分析工作建立工作单、录入分析数据、填写实验室环境及所用仪器设备，并指定人员对分析完成的数据进行复核、数据确认和审核，设置电子签名。

报告编制签发及归档：系统根据要求辅助生成各类报告编号及相关电子报告，支持电子签名，记录报告审核、签发、退回等相关审核意见；打印审核通过的报告，提交给客户或相关的管理部门，记录报告领取人、领取时间，实现报告发放查询。

2.实验室资源管理子系统

能对实验室涉及的人员、文件、标准、采购、仪器设备等进行相关管理。

人员管理：管理监测站人员的档案信息，统计分析实验室人员的结构，对实验室监测人员上岗能力考核、授权，并动态显示监测人员上岗证历史情况。

文件及标准管理：创建、存储、查询和共享各类文档，包括质量手册、程序文件、作业指导书、技术表格、规章制度等；授权维护采样方法标准库，方法启用、废止流程按程序文件要求执行，并反映上述过程。

供应商及采购管理：评价合格供应商（包括检定机构），包括供应商名称、资质、评价、联系方式等信息；管理监测站耗材采购、仪器采购，包括采购申请、审核、入库流程，并与耗材库存、仪器库存进行关联，形成相关采购验收单。

消耗品管理：分类管理各类试剂、耗材和标准品，查看各消耗品的信息，支持库存查询，实时反映库存状态，库存低于报警值时及时预警；实现申购、审批、出入库、验收的流程化管理，记录领取消耗品的相关信息。

仪器设备管理：维护各类仪器设备的基本信息，根据仪器操作流程自动生成仪器使用维护记录，提醒用户仪器使用期限，合理配置实验室仪器。

3.实验室质量控制管理子系统

关键数据采集：将实验室分析仪器产生的数据及重要的实验室环境参数通过局域网采集到管理系统中，系统自动对已采集到的检测信息进行筛选、过滤，提取有效信息。

质控管理和考核：实验室质控管理人员可以对样品添加实验室空白样、实验室平行样、加标样、标样；系统根据质控限值标准自动评判质控结果，并对质控结果进行提醒、超标准预警。

质控报表：系统有质控样品统计功能，可按分析时间、样品类型、分析项目等进行统计，可查询空白样质控、平行样质控、加标样、质控标样信息，统计质控数据。

4.移动监测业务子系统

任务管理：现场监测人员使用移动终端记录现场采样信息，实现现场采样无纸化。

检测方法管理：可查询到现场检测的各种规范、方法，方便采样。

采样路径规划：现场监测人员可通过移动终端的GPS定位功能定位，与系统中维护的监测点经纬度比对，确认监测点是否符合要求，记录采样的监测点地理信息。

样品标签打印：通过蓝牙无线标签打印机实现在现场的标签打印。

样品封存管理：对采集的样品贴加封存条，配合移动现场录像仪，保证样品的唯一性和不可更改性。

移动审批：可通过移动终端进行项目流程的审阅。

5.管理体系认证管理子系统

管理评审：系统有管理评审模块，实现对管理评审计划的制定、管理评审的实施以及对管理评审的结论和管理评审整个过程产生的各种文件进行管理。

内部评审：系统有内审管理模块，实现对内审计划的制定、领导审核、内审实施，以及内审产生的不符合项整改的全过程管理。

质量监督：质量监督员定期写质量监督记录，对发现的不符合项及时记录，根据不符合项的处理流程对不符合项采取纠正措施，并对纠正措施进行跟踪管理。

四、结语

本研究充分利用物联网技术在环境监测实验室业务管理和质量控制方面的优势，提出一整套完整可行的设计方案，解决了环境监测实验室工作中遇到的外业监测数据可追溯性弱、质控数据提取分析难、各类报告整理工作量大、实验室体系管理复杂等难题，弥补了传统环境监测实验室的管理方式不足，进而提高了环境监测工作效率，有效保证了环境监测数据质量，同时也为省级环境监测机构对市级环境监测机构“垂改”上收后管理方式提供了新的思路。