地表水質自動監測技術及監控軟件的發展

梁莉

（河北省水利水電工程監理中心，河北 石家莊 050011）

1 前言

20世紀中期以來，隨著地理信息系統技術、遙感技術和全球衛星定位技術等3S技術的迅速發展，人們開始探索這些監控技術在地表水質自動監測中的應用。

2 實現地表水質自動監測目標的關鍵

隨著我國地表水質自動監測規劃的實施，要實現地表水質自動監測的目標，就必須采用先進的水質自動監測技術作為保障，對水質站網進行優化配置和合理布局。在地表水質自動監測實施過程中，應該充分考慮我國的國情，從實際出發，實事求是，建立既能滿足當前地表水質自動監測工作要求，又留有超前發展冗余的地表水質自動監測系統結構。

3 國外現代化地表水質自動監測體系現狀

地表水質自動監測系統是20世紀70年代發展起來的，在美國、英國、日本、荷蘭等國已有相當規模的應用，并被納入網絡化的“環境評價體系”和“自然災害防御體系”。一則可為綜合評價水功能區的水環境質量提供基礎性數據，二則可迅速發現突發性水質污染事故或天災，將水域異常水質情況、污染傳播源及影響規模通過系統的通信網絡傳至控制中心，為決策部門把握災害的性質狀態，從而制定災害的防治對策提供依據。

4 先進的監測技術要與先進的信息管理技術相結合

隨著科學技術的進步，地表水質自動監測技術迅速發展，儀器分析、計算機控制等現代化手段在地表水質自動監測中得到了廣泛應用。分析方法從手動和半自動實驗方法和儀器也正逐步被計算機控制的自動監測、遙測裝置所代替。地表水質自動監測系統是以在線自動分析儀器為核心，運用現代傳感器技術，自動測量技術，自動控制技術、計算機應用技術以及相關的專用分析軟件和通訊網絡所組成的一個綜合性的在線自動監測體系，目前地表水質自動監測軟件系統由自動站監控軟件和中心站監控軟件兩個基本部分組成,下面做分別介紹。

4.1 自動站監控軟件

軟件用于在現場控制各個儀器的工作狀態,它運行在 Windows2000以上的操作系統,采用工業控制標準的 MODBUS/RTU協議與控制器進行通訊。

●以動畫的形式實時顯示系統工作狀態,其中包括儀器的采水,配水,管路清洗等單元以及儀器的校準,管路的工作和輸出情況,并可根據需要進行控制參數的修改和設定；

●顯示各種儀器儀表和傳感器的輸出數值(16路 4~20mA),系統的控制輸出(DO)狀態；

●通過 RS-485通訊口,系統能夠與支持MODBUS/RTU通訊協議的智能儀器進行通訊,顯示或設定其工作狀態,最多可連接 32個智能儀器；

●可以實時記錄和顯示各種儀器儀表和傳感器的輸出曲線；

●可以觀察歷史和實時的超標和報警事件等狀態,并向中心站發送警報；

●可在現場或遠程對系統設置連續或間歇的運行模式；

●能夠在水質超標事件發生時觸發自動采樣儀的采樣；

●具有監測項目超標及子站狀態信號顯示、報警功能；

●必須采用具有校驗功能的通訊協議,能夠及時糾正傳輸錯誤的數據包。通訊協議推薦采用國際標準協議；能夠支持有線通訊并可以擴展無線方式的通訊(GSM-SMS/CSD/GPRS,無線電臺,衛星通訊等)；

●具有 24小時自動數據存儲,并可保存三個月以上的數據；

●具有有效的 ID授權控制，能防止非法使用和控制；

●具有強大的網絡功能，能夠通過網絡路由器來實現與局域或廣域網的連接；

●用戶可使用其開放的環境對以上功能進行修改，使它更能接近用戶的實際要求；

●現場的工控機和監控軟件的運行與否不會影響控制器的功能.控制器和工控機相當于兩套數據采集和存儲系統。

4.2 中心站軟件

●可修改和設置自動站的ID序列號；

●同時支持自動/人工撥號，收集現場的儀器狀態和歷史數據并保存；

●中心單元采集精度為 16bit，采集頻率為 10Hz/通道，數據采集正確率≥99%；

●停電保護、保存系統參數和歷史數據，來電自動恢復功能；配置相應的后備電源系統，保證系統斷電后通訊部分仍維持運行 8小時，來完成異常事件的上傳和遠程數據下載；

●由于現場采用 MODBUS總線結構(可以連接 32臺智能設備)，所以中心站可以遠程訪問現場的任意一臺智能設備 (由 MODBUS地址區分)，實現遠程參數設置和診斷；

●可以在工業組態軟件上以動畫的形式顯示現場的儀器工作狀態和采水配水控制的狀態；

●開放的標準關系數據庫 (SQL Server，Orcal等)，應具有足夠的數據庫容量和網絡共享功能，良好的可擴充性和快速的檢索。便于維護、備份和數據庫應用開發；系統軟件應具有原始數據的保護功能；可實現異常數據的自動剔除，超標數據的列表，有效數據的統計等功能；

●隨時取得實時監測數據，統計、處理監測數據，可打印輸出日、周、月、季、年平均數據以及日、周、月、季、年最大值、最小值等各種監測、統計報告及圖表(棒狀圖、曲線圖、多軌跡圖、對比圖等)，并可輸入中心數據庫或上網；

●收集并可長期存儲指定的監測數據及各種運行資料、環境資料以備檢索；

●所有歷史數據可轉換為 TXT、EXCEL、DBF文件格式保存，并能夠滿足國家環境監測總站數據庫系統對本數據的共享、調用數據傳遞以及操作；

●數據查詢功能，按需要進行各種方式的數據查詢；

●維護檢修狀態測試，便于例行維修和應急故障處理等功能。

5 發展趨勢

5.1 目前通訊技術的發展采用 GPRS及更為先進的第三代無線通訊技術是今后主流的發展方向。通過地表水質自動站安裝 GPRS數據通訊設備，經無線通訊網將自動站產生的在線監測數據發送到上級環境監測站(無固定 IP)；

5.2 系統設計要求符合相關通訊協議的要求，技術先進、結構簡單、運行穩定、可靠性高，具有一定的開放性、較高的多系統適應性和良好的二次開發能力；

5.3 與上級地表水質監控站數據庫能完全兼容，數據導入能夠自動完成；

5.4 系統既能組成獨立系統，又能通過開發的一系列的插件無縫嵌入到中心平臺上，實現界面和數據流的統一，具有很強的靈活性和可靠性；

5.5 針對河流的面積廣大、地形復雜采用無線網絡視頻監控系統進行監控，在系統中可以很方便地實現報警、遠程控制等功能。無線網絡視頻監控系統融合了視頻編碼技術、網絡傳輸技術、數據庫技術、流媒體技術和嵌入式技術的綜合應用系統。整個系統的管理和配置等功能由視頻監控管理平臺軟件實現。軟件與監測軟件兼容，可嵌入各個系統平臺軟件。這種視頻監控系統是一種全數字化、全網絡化的系統，可以同現有的多媒體系統、控制系統和信息系統集成整合，方便地實現數據和信息資料的共享。

6 結束語

現代化、信息化、系統化的地表水質自動監測體系建設日益提上議事日程，我們認為在現有的地表水質自動監測體系下，以提高水質自動監測技術的現代化、標準化以及管理制度化的水平為目標，并統一在國家監控中心之下，才得以有效全面的解決我國可持續發展過程中所面臨的地表水質自動監測問題。

[1]向運榮，黃輝.地表水水質自動監測系統及其建設中的若干問題 [J].中國環境監測，2001，17（06）：5-8.

[2]地表水自動監測系統培訓教材[M].北京：中國環境科學出版社，2006.

[3]HJ/T 91-2032.地表水和污水監測技術規范[S].