環境質量自動監控系統數據傳輸標準現狀及對策研究

許萌君，王 智

（1.江蘇省標準化研究院，江蘇南京 210000；2.東軟集團股份有限公司，遼寧沈陽 110000）

1 背景

環境質量自動監控系統（又稱環境質量在線監控系統或環境質量自動監測系統）是應用現代自控儀器技術、通信網絡技術、計算機技術對水、氣、聲、渣、輻射等各種環境要素實施連續不斷的實時在線監測，并將監測數據自動傳輸到環境監控中心進行數據處理的系統。環境質量自動監控是環境執法、科學管理的重要手段。系統的建設和管理需要依托自動控制、計算機、電子、通信等多個領域的技術，是一項關系民生的綜合性、復雜性的生態環境監控物聯網工程。

2 系統傳輸模型

2.1 信息傳輸結構

環境質量自動監控系統按照數據流轉層次，可分為數據收集子系統和信息綜合子系統兩個部分。數據收集子系統包含的設備因監測對象不同而有所差異，例如在空氣環境質量自動監控系統中，可包含二氧化硫、煙塵等氣污染物在線監測分析儀，水環境質量自動監控中則需要水污染物在線監測分析儀等設備，其他監控系統可能需要污染物排放監控監測儀器、污染治理設施運行記錄儀（黑匣子）和數據采集傳輸儀（用于數據的存儲、加密，數據包轉發、接收以及報警、反控）等自動監控儀器。這一系列設備簡稱現場機。信息綜合子系統包括計算機信息終端設備、監控中心系統（自動監控中心信息管理軟件和數據庫等）。簡稱上位機。因此系統的信息傳輸結構，可以簡單示意為圖1的所示的3層結構。

2.2 網絡傳輸方式

環境質量監控的任務，主要是在各個環境監測站完成的，監測站將子站數據庫的監測信息發送到中心站數據庫中，可以采用下列網絡連接方式進行傳輸：虛擬專用網絡方式、網閘數據交換方式、環保專網直連方式，最終要將數據傳輸并儲存到中心站數據庫中。

3 數據傳輸現狀

3.1 總體狀況

我國環境質量自動監控建設起步晚，信息化水平較低，對環境狀況的監控十分薄弱，傳統的監測方法建設維護成本過高，難以大面積推廣，隨著科技的不斷進步和環境監控物聯網概念的不斷深入，自動化、智能化、網絡化的環境質量自動監控，成為現在和今后一段時期環境保護工作的重點。

然而，各地陸續建立的一些環境質量自動監控系統，完全受制于各開發單位自有的技術，系統升級和維護工作受到極大的限制。有的地區使用的數據傳輸和接口標準技術落后、定義不規范，極大影響了系統建設和運行維護的效率。各地局部的環境質量自動監控系統相互獨立，采用的數據標準和設計結構不同，各自分散異構的數據資源形成彼此割裂的信息孤島，無法進行信息交換和業務協同。

多年來環境在線監控數據傳輸所沿用的數采設備，其數據傳輸格式等已相對落后。環境監測在線系統的生產廠家眾多，技術水平參差不齊，傳輸協議五花八門，給監測數據結構的統一帶來不小的困難，這不僅對當地環保部門轄區屬地管理造成一定的不便，也為上級環保部門的宏觀管理帶來了諸多問題。

圖1 系統信息傳輸結構示意

3.2 案例分析

以目前江蘇省的水環境質量自動監控為例，其主要監測工作是由水質監測站完成的，監測站很多設備來自歐美等國家專業生產廠家的產品，在逐步與全省生態環境監控系統［1］的聯網集成的過程中，其設備和系統在自動監控數據傳輸方面，暴露出了如下突出問題：

（1）數據通信接口不統一。目前水質監控數據的傳輸存在多種接口，包括 FTP、Webservice、E-mail、短信、電話撥號等，通信接口不統一，數據集成困難。

（2）技術參數采集不完整。一般站點只采集了主要污染物的濃度指標,而沒有采集相應的儀器工作狀態參數,如儀器的流量、工作溫度、校準狀況、是否有故障等。

（3）系統集成度低，兼容性差，很多地方存在多個數據處理系統并存的情況，數據格式多種多樣，不便于統一管理。

（4）儀器校準自動化程度低，多數監測儀器還是通過人工方式進行校準。

上述問題的存在，導致無法對各監測站質控工作進行統一有效的監督。因此,當把各地的監測數據進行匯總分析和比較時,只能將數據的可靠性和準確性建立在假定各地質量控制工作都符合標準的基礎之上。故從大的格局上講，整個水質自動監測網的質量控制實際上是處于失控狀態。

4 對策分析

4.1 統一傳輸標準

隨著環境監管對在線監測數據處理速度和效率要求的不斷提高，如何解決環境質量自動監控系統在信息傳輸中的種種突出問題，建立一套兼容性強、拓展性強、實用性強的信息傳輸技術規范，統一環境質量自動監控系統的數據格式和傳輸標準，在提高數據文件處理的可靠性和效率的同時，為環境監管提供準確、及時、唯一性的數據，將成為引導環境監測業務的良性發展的關鍵之一。

4.2 標準建立的依據

環境質量自動監測數據是對環境要素的表述信息，數據量大，實時性強，交互頻繁，數據類型多，統計分析方法復雜，輔助信息多，數據需求變化大等特點，選擇的數據傳輸格式，應能使數據在傳輸過程中既要保證準確性，又要保證一定的可擴展性和兼容性，以便將來對監測數據模型進行升級和修改。

在傳輸標準中提出的技術指標和技術性能應在支持主流信息交換技術的產品和平臺的同時，并對產品技術革新有一定的引導作用，這樣才能在推廣實施中，做到靈活、普及、提高監測質量并引導環保信息化向新的技術邁進。

4.3 傳輸格式的選擇

基于環境監測數據傳輸的應用環境和特點，需要選擇一種安全、通用、標準化、可擴展的通信表述數據項和數據格式的形式，目前，全國范圍內，只有針對污染源在線監控系統有傳輸標準可以參照，部分省市的環境質量監測信息也借鑒了《污染源在線自動監控（監測）系統數據傳輸標準》HJ/T 212-2005的傳輸規定，筆者認為該標準是為污染源監控量身定做的，其中有關于污染源的業務邏輯，不適用于環境質量的在線監控業務。其次該標準是字符串拼接的協議［2］，擴展性不高，傳輸非結構化數據（圖片、聲音）等信息非常困難。其協議通常采用socket編程方法，需要對多線程的通信客戶端進行管理，對系統開發人員有較高的要求，實施起來有一定的復雜性，容易造成開發成本的浪費和低水平的重復建設。

筆者根據多年對環境監控信息化領域的研究和實踐經驗，提出在目前web服務廣為使用的前提下，綜合考慮對國際標準、以及環保領域已實施標準的采納，宜采用國際上web應用通用的XML文件作為表述數據項和數據格式的形式，以滿足環境質量監控信息安全、通用、標準化、可擴展的要求。

XML能夠以靈活有效的方式定義環境質量監測信息的結構［3］。以XML格式存儲的數據不僅有良好的內在結構，而且易于進行數據交流和開發。現有網絡管理標準如TMN、SNMP等的管理信息庫規范決定了網管數據符合層次結構和面向對象原則，使得以XML格式存儲網管數據也非常自然，易于實現。

同時，網絡中傳輸的底層數據因協議不同而編碼規則不同，雖然最終傳輸時都是二進制位流，但是不同的應用協議需要提供不同的轉換機制。這種情況導致管理站在對采用不同協議發送管理信息的被管對象之間進行管理時很難實現兼容。如果協議在數據表示時都采用XML格式進行描述，這樣網絡之間傳遞的都是簡單的字符流，可以通過相同的XML解析器進行解析，然后根據不同的XML標記，對數據的不同部分進行區分處理，使底層數據更具可讀性。

在數據流量方面，使用HJ/T 212-2005是目前環境監控領域較省流量的數據傳輸方法，流量耗費相對較小，但XML數據在經過壓縮之后，與其相差不大。

以水質監測為例，假設有5個監測因子，只傳輸平均值，每個監測值帶1個標志位，每個值占4位，計算在遵循HJ/T 212-2005協議的通信包與XML通信包在傳輸小時數據時的包大小。

HJ/T 212-2005協議：

XML格式：

比較數據字節大小（見表1）。

可以看出，XML是一種可擴展的語言，只要將相應的環境信息數據項、數據要求用XML文件正確描述即可，而信息交換的模式、方式相對確定。環境監測種類繁多，信息需求變化快，以后隨著環境管理業務的逐步成熟，可以擴展不同類型的環境監管信息、環境要素信息、環境治理信息等。

表1 采用兩種傳輸協議的數據流量對比表

5 總結

根據對相關系統的研究分析和多年實踐經驗，筆者提出了以XML為基礎來統一環境質量自動監測系統的數據標準的解決措施，但這其中仍然有不少技術問題還需要進一步對比和分析，還需要通過大量的測試來校驗，并在應用中進行修正。此外，還需要和諸多相關方進行協商和統一意見。

統一環境質量自動監控系統數據傳輸標準仍然有很長的路要走。但相關標準的確立，無疑將在很大程度上解決各地局部的環境質量自動監控系統相互獨立，采用的數據標準和設計結構不統一的問題，有效縮小自分散異構的數據造成信息孤島，為實現環境質量自動監控系統的數據共享、業務協同打下基礎，為上下級環保部門之間統一高效的信息溝通共享通道提供基礎支撐。能在一定程度上進一步規范相關自動監控儀器的產品規格，提高產品質量，引導產業的良性發展，讓環境質量自動監控這項關系到民生的生態環境監控工程更好的發揮監督管理作用。

［1］何春銀，劉玨.環境監控物聯網標準體系框架初探［J］.信息技術與標準化，2012（8）.

［2］HJ/T 212-2005污染源在線自動監控（監測）系統數據傳輸標準［S］.北京：中國環境科學出版社，2006.

［3］徐潔.基于XML的污染源自動監控信息交換實現方法［J］.科技信息，2010（36）.