基于物联网的固定源大气污染物排放现场执法监管信息系统设计与应用

刘柏音，刘孝富，孙启宏，罗镭

中国环境科学研究院

环境执法系统是利用环境监察部门现有硬件建设和信息化软件建设的基础，充分利用无线通信、数据交换、数据库及计算机技术等相关信息技术和软硬件设备，建设一个开放、可扩展、自适应的环境移动执法管理系统，从而方便执法、规范执法、便于对执法过程的监督，提供规范的业务管理模式，提高政府行政效能和环境管理水平。

如何提高生态环境执法监管效率是我国环境管理部门长期关注的问题[1-2]，环境执法系统作为信息化、智能化辅助工具，是提高环境执法效能和水平的重要手段[3]。我国生态环境移动执法系统最早出现于2007年，北京、深圳、南通、大连等地的环境执法部门根据自身工作实际需求，开始自发尝试使用智能终端辅助现场执法，取得了较好的效果[4-7]。为了进一步加强环境部门环境监察执法能力，原环境保护部根据环境监察执法的实际需求，于2011年首次提出了建设环境执法管理及移动执法系统，以提升环境执法效能，要求将环境执法管理及移动执法系统作为全国环境监察标准化建设的必要条件，选定湖南、吉林、河南、安徽等4省的16个环境监察执法机构作为试点单位，推广开发及使用环境移动执法系统，并于次年将试点范围进一步扩大到北京等24个省(区、市)的143个环境监察机构。截至2019年底，环境移动执法系统已覆盖全国除西藏的全部省级生态环境执法单位，上百个地市级环境执法单位也已陆续建设了环境移动执法系统，以便更高效地开展生态环境监察执法工作[8]。2021年，生态环境部发布的《关于优化生态环境保护执法方式提高执法效能的指导意见》(环执法〔2021〕1号)指出：“各级生态环境部门要将移动执法系统使用作为落实执法全过程记录制度的主要手段，要统筹强化移动执法系统建设、管理和应用。2022年底前，在执法工作中要做到全员、全业务、全流程使用移动执法系统，全面配备使用执法记录仪。”

近年来，随着各地移动执法系统的使用和推广，逐渐发现其在使用过程中的一些缺陷：1）很多地方建设的移动执法系统与区域内其他生态环境数据之间缺乏互通，执法人员往往无法对执法对象及周边环境的综合情况进行全面把握；2）执法系统偏重笔录、拍照等存储功能，缺乏现场执法流程与重点检查设施提示等智能辅助功能[9-10]；3）执法系统对于企业超标排放、偷排漏排等行为不具备现场监测取证能力[11-12]；4）执法系统往往不具备企业环境违法行为的辅助判别能力[13]。

为解决现阶段各地环境执法辅助系统存在的短板，充分利用新一代环境监测设备快、准、灵的优势[14-15]，笔者引入了监测设备物联网（Internet of things，IoT）接入环境执法系统的思想，设计研发了基于物联网的固定源大气污染物排放现场执法监管信息系统。该执法监管信息系统通过软、硬件工具包相结合的方式，可接入执法现场的机载、车载、便携式监测设备等传感器采集的数据，实现大气排放异常区识别、现场大气污染浓度执法取证、暗查式执法取证、监测结果实时传输分析与超标判定、远程执法指挥等智能执法功能，解决新形势下环境执法队伍精准执法、科学执法、高效执法的实际需求，并在对钢铁、石化、重金属行业企业执法中取得了较好效果。

1 研究方法

1.1 系统设计原则

系统设计原则如下：1）系统物联性。充分利用机载、车载、便携式污染监测设备、红外可视设备等的快速执法取证优势，将设备取证结果与软件系统实时互通，发挥执法辅助威力。2）功能流程性。系统覆盖环境执法所涉及的全部业务流程，包括任务下达、执法人员分配、现场执法全流程、违法识别、处罚裁定、统计管理等。3）法规严谨性。系统内嵌的辅助执法数据库、违法识别辅助数据库、处罚判定辅助数据库等数据准确，切实发挥法力效力。4）用户友好性。系统功能设计合理、界面友好、层次清晰，移动执法终端设备便携、易用。5）安全稳定性。执法数据、辅助数据库及实时交互环境数据安全稳定，具备用户权限分级、数据双机热备份、灾难恢复等功能。6）系统扩展性。使用B/S开放式系统结构设计，系统数据、功能和业务可扩展，并为传感器端（监测设备）预留好各类接口。

1.2 系统总体构架

固定源大气污染物排放现场执法监管信息系统以解决新时期大气环境执法重点难点为目标，充分发挥新型空、天、地监测设备执法取证优势，在原环境保护部环境监察局提出的《环境监察移动执法系统建设指南》的基础上，融合物联网软硬件系统架构需求，形成执法系统构架，如图1所示。

从图1可以看出，系统框架以信息安全体系与标准体系为保障，按照7个层次搭建。基础层提供执法系统所必需的计算、存储、网络、执法车等软硬件基本条件；感知层通过多种终端传感器获取执法所需的各类监测数据；传输层为执法系统物联网连接的多种数据通信协议；数据层实现执法基础数据与传感器原始数据的采集汇聚，通过数据治理与多源异构数据融合技术，构造形成大气环境执法综合数据库；核心层为大气执法目标识别、执法取证与违法识别等所需的核心算法与模型层，是执法系统的决策驱动中心；业务层针对不同执法任务，提供面向各级环境执法部门与人员的系统功能模块，覆盖大气环境执法全流程；应用层包括前端移动执法终端系统与后台支撑系统，满足执法人员手持、执法车载系统操控、远程执法指挥、后台任务管理等多种场景需求。

图 1 固定源大气污染物排放现场执法监管信息系统总体框架Fig.1 Framework of on-site law enforcement and supervision information system for emission of stationary source air pollutants

2 功能设计

2.1 系统功能

固定源大气污染物排放执法监管信息系统面向各级环境监察人员，提供执法任务管理、区域监管、执法取证、执法总结与处罚、远程执法指挥、执法助手、系统管理等功能。

任务管理功能模块为整个系统平台的驱动中心，执法任务通过该模块创建下达。执法人员可查看任务基本信息、相关企业的详细信息、企业以往检查记录等，在企业现场执法时可根据系统下达的执法任务内容，对企业进行检查和相关取证。

区域监管功能模块提供基于GIS地图的企业基础信息、大气环境信息与区域遥测信息（无人机、执法车走航监测结果）的展示与查询功能，执法人员可基于地图调取目标企业的“一源一档”信息，同时可自定义地图空间范围查询区域企业清单、企业类型统计数据、空气质量与热点网格覆盖情况。

执法取证功能模块按照区域监管、暗查式执法、现场执法、询问式执法等不同大气执法场景需求，提供不同监测要素所需传感器（监测设备）的监测数据传输端口，同时，可通过不同行业企业类型选择对应的清单式现场执法取证功能，实现执法人员现场笔录、影音视频记录等数据的录入功能。

执法总结与处罚功能模块通过企业违法识别模型、违法与处罚耦合模型等关键技术，实现包括执法监测数据与笔录数据的查询、执法结果的违法识别、企业处罚判定建议等辅助执法人员执法的结论性功能。违法类型覆盖超标排放、设备运行失常、违反批建一致性、烟气固定排污口漏报等多种情况。

执法助手功能模块提供企业“一源一档”信息查询功能，执法人员可通过企业名称查询企业排污许可证信息、环评审批信息、在线监测数据、自行监测数据、历次执法信息。同时，提供大气排放违法行为与处罚结果耦合关系查询，并集成了大气环境执法涉及的各类监察执法流程模板、法律法规、排放标准、技术规范等电子文件，供执法人员使用。

远程执法指挥功能模块针对环境执法联动指挥需求，构建远程执法智能视频指挥功能，以执法指挥驾驶舱页面的形式，实现现场执法视频实时连接，执法取证数据实时传输、分析和显示，通过指挥大厅人员与现场人员远程互动，实现执法决策会商、多企业现场协同执法调度的效果。

系统管理功能模块实现对系统基础数据配置维护及多级执法人员权限的管理，能够动态配置用户的操作权限，防止越权使用系统，包括部门管理、角色管理、用户管理、权限管理、日志管理、任务来源管理及系统菜单管理等功能。

2.2 系统业务流

执法人员在执法过程中严格依照环境执法程序开展工作是行政执法中必须遵循的基本原则[16-17]，系统在功能设计上满足大气环境执法工作所需的全流程信息化辅助需求，实现完备的执法业务流。执法人员根据实际执法任务类型选择执法系统对应的功能模块进行相关操作，从任务下达、执法数据采集、执法结论生成到执法案件归档，各功能模块产生的数据均通过统一的计算中心互联互通，全面支撑目标执法任务的全过程决策。系统业务流如图2所示。

图 2 固定源大气污染物排放现场执法监管信息系统业务流Fig.2 Work flow of on-site law enforcement and supervision information system for emission of stationary source air pollutants

执法任务的来源分为常规任务与异常预警任务。常规任务为环境执法部门例行检查任务，包括例行检查、专项行动、上级交办、应急督查、信访投诉、企业在线监控数据异常等情况形成的执法任务。异常预警任务来自执法系统区域监管功能模块，根据热点网格、空气站监测数据、激光雷达扫描数据、无人机遥测、远距离走航监测结果，通过异常区识别模型，判定是否存在异常区域，锁定异常企业目标，下达执法任务。

现场检查执法分为现场清单式执法、现场监测式执法、暗查式执法。执法人员根据执法企业特点，预先调取企业“一源一档”信息进行企业环保情况预研，设计合理的执法行动方案。对于常规企业，可以优先选择清单式执法，按照系统提供的规范化、分行业环境执法流程单，逐条进行问询、笔录与音视频取证。对于存在疑似超标排放的企业，可增加现场监测式执法工作，可监测指定位置大气环境质量、风向风速，对企业厂界空气质量、各生产工艺环节场所空气质量、易泄漏设施阀门接口处空气质量、各排气筒废气成分等进行监测，监测数据通过通信系统汇入执法系统大数据计算中心。对于疑似存在偷排漏排、监测数据弄虚作假的企业，可进行暗查式执法。通过车载激光雷达、差分吸收光谱（DOAS）、质谱仪等走航监测可锁定企业厂区高浓度污染物排放点，通过无人机可见光遥测可采集排气筒烟气拖尾情况，通过红外远距离拍摄可观测生产设施与环保设施运行温度，判定是否匹配运行。

执法数据按企业汇总入库，通过违法识别模型、违法与处罚耦合模型，快速形成违法行为与处罚建议清单，供执法人员执法参考。执法人员可通过执法系统进行现场案件审核，快速导出执法检查意见书，对企业进行案件告知、案件决定，也可根据违法情形，将结果推送行政处罚部门进行后处理。所有执法案件均按照企业名称归档，录入“一源一档”数据库。

3 关键技术

3.1 物联网系统

物联网的概念在国内外尚未有一个标准的定义，行业内专家给出的物联网普遍定义为[18-19]：“通过射频识别（RFID）装置、红外感应器、全球定位系统（GPS）、激光扫描器、图像感知器等信息传感设备，按照约定的协议，把任何物品与互联网相连接起来，进行信息交换和通信，以实现通过传感器对物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。”物联网已经应用于智能监控管理等众多领域，将物联网技术应用于环境监测，既可对环境进行有效的实时性监测，又可通过信息共享辅助决策，为环境监督与管理提供重要的数据依据[20]。

在执法系统构建中，运用物联网思想，将无人机、执法车、便携式监测设备、手持移动终端（PAD或手机）等作为物联网终端传感器，传感器采集的各类监测数据通过串口、蓝牙、Wi-Fi等方式与移动执法车上的PC端互联，或直接与执法部门的后台系统服务器无线通信，执法车的PC端与后台系统服务器通过无线通信实时同步，服务器在执法过程中实时获取终端传感器数据并快速分析处理与反馈，反馈数据通过PC端或移动终端推送给环境执法人员，辅助执法人员快速判断排污企业违法情况。基于物联网思想的固定源大气污染物排放现场执法监管信息系统数据传输方式如图3所示。

图 3 基于物联网的固定源大气污染物排放现场执法监管信息系统数据传输方式Fig.3 Data transmission method of on-site law enforcement system for emission of stationary source air pollutants based on IoT

3.2 传感器选型

执法系统所需连接的监测设备大体可分为3种，即机载传感设备、车载监测设备、手持便携式监测设备，根据执法区域污染源特点，可选择必要的监测设备与系统进行数据通信，满足不同尺度区域监管与现场执法需求[21-25]。监测设备类型与执法目标说明见表1。

表 1 固定源大气污染物排放现场执法监管信息系统监测设备选型Table 1 Selection of monitoring equipment of on-site law enforcement and supervision information system for emission of stationary source air pollutants

需要说明的是，对于SO2、NOx、颗粒物、VOCs等浓度的便携式快速检测方法很多，但目前我国尚未出台针对便携式检测的指定方法和标准规范，不同仪器厂商的产品所采用的检测方法不尽相同。现场执法时，便携式检测结果作为执法辅助判定依据[26]。

3.3 执法流程引导

随着环境监察执法范围的不断扩大，涉及行业领域的不断增加，环境监察执法工作对执法人员的专业素质要求也越来越高[27]，与之相对应的，基层环境监察执法队伍整体业务素质参差不齐，存在执法人员环境监察执法业务能力不足的情况[28-29]。为使执法人员现场执法目标明确、执法流程合理、执法记录便捷，执法系统在辅助执法设计上，提供了清单式执法功能。

清单式执法功能按照涉气企业的行业类型，分行业制定清单，形成“一行业一清单”，明确执法人员现场检查重点，清单检查内容暗含执法流程，便于执法人员根据不同执法任务开展现场执法工作，对执法经验不足、执法业务欠缺的执法人员也可有效引导，提高执法效率。各类执法清单主要按照排污许可证执行情况、排气筒与采样平台设置情况、大气污染防治设施建设运行情况、自动监测情况等进行设置（表 2）。

表 2 清单式执法主要执法内容Table 2 Main contents of checklist-type law enforcement form

3.4 违法行为快速识别

执法系统依托多源异构数据融合技术、智能空间决策支持技术（ISDSS）、多协议软硬件通信技术、XML数据交换技术等系统开发关键技术，把分布在不同位置的多个同类或异类传感器以及现场监测所提供的不同类型数据进行综合处理，消除不同结构、不同传输频次信息之间可能存在的冗余和矛盾，同时在数据关系上进行时间融合与空间融合，形成对目标对象相对完整一致的感知描述，实现执法任务中多源传感器数据的处理与入库。系统通过对大气环境保护涉及的各类大气空气质量标准、大气污染物综合排放标准与行业排放标准、大气污染防治法、环境保护法、排污许可管理办法、建设项目环境保护管理条例等法律、法规、规章、标准进行结构化入库，与执法采集数据类型进行耦合匹配，形成违法识别模型与处罚耦合模型。系统根据执法任务采集的企业信息、生产工况、在线监测、执法监测等多源数据融合入库结果，通过模型分析，将取证结果、违法行为与行政处罚一一对应，实现对企业违法行为快速识别与处罚结果判断。

4 执法系统应用

4.1 钢铁行业

2019年1月14日，执法系统在天津市某钢铁企业进行应用示范，对企业进行现场清单式执法取证，无人机、车载、便携式监测设备现场监测取证，并进行手工采样与实验室分析比对。系统分析结果显示，该企业烧结机头非甲烷总烃排放浓度超过GB 16297—1996《大气污染物综合排放标准》限值，其他监测结果均未超标，与手工监测结果一致；污染物排放节点DOAS走航结果与激光雷达扫描结果相符；无人机批建一致性遥测共发现固定大气排放口71个，其中未在排污许可中记录的有34个，与排污许可申报不符的有1个（图4）。

4.2 重金属行业

2019年1月17日，执法系统在天津某铅蓄电池企业进行示范。系统分析结果显示，该企业未履行“三同时”竣工验收手续、采样口不规范；厂界颗粒物浓度超标，其他监测结果均未超标，与手工监测结果一致；无人机批建一致性遥测共发现固定大气排放口15个，其中未在排污许可中记录的有3个（图5）。

图 4 天津市某钢铁企业环境执法情况Fig.4 Law enforcement of a steel enterprise in Tianjin City

图 5 天津市某铅蓄电池企业环境执法情况Fig.5 Law enforcement of a lead battery factory in Tianjin City

5 展望

（1）随着企业环保规范性的逐步加强，执法人员在今后的执法中仅依靠对在线监测数据与设施运行规范性的监察，将不足以满足科学执法需求，对企业污染物排放浓度情况的掌握需求将更加迫切，监测设备以物联网形式接入执法系统是未来执法系统的发展趋势。固定源大气污染物排放现场执法监管信息系统在大气环境执法上可实现对所辖区域的全天候异常区识别，精准锁定异常区域和异常企业，有效提升执法人员的出警效率，实现生态环境执法真正意义上的“望闻问切”。

（2）固定源大气污染物排放现场执法监管信息系统软件可依托多功能监测执法车，实现软硬件工具包结合。根据我国不同地区、不同级别环境执法部门监管企业的行业范围、执法队伍配备、执法能力以及经费预算，进行车载监测设备、无人机、便携式监测设备配置和车辆性能筛选，具备配置灵活性与多地域适用性。

（3）便携式快速监测仪器能更好地保证执法的时效性，但在执法环节上却一直受到监测数据合法性及标准方法等问题的困扰。生态环境法规标准与监测部门等应需尽快完善便携式环境执法仪器的合规性认定过程，规范监测过程及人员操作保证数据准确度，完善原理方法标准，使监测数据具有科学性和法律性，有效推动便携式监测结果在环境执法中发挥作用。