环境空气质量监测预警预报发布系统
一、环境空气质量监测预警预报发布系统系统架构
1 系统结构
环境空气质量监测预警预报发布系统系统采用多层次的系统结构设计，可以对接不同性质（国控，省空，区域等），不同厂家的空气质量子站相关数据，建立一套完善的空气质量监测、预警、发布的可视化平台。同时用数据质控，远程反控、统计分析等信息化手段，帮助环境监测部门及时、全面、准确地掌握本辖区的空气质量现状，实现对本辖区监测站点空气质量进行准确分析，为空气质量的溯源提供决策平台。系统通过专用VPN网络向上级传输实时监测数据，并与其它职能部门的物联网平台对接，实现数据资源的互联共享。
2系统逻辑架构
系统逻辑结构采用四层架构，包括数据采集层、基础支撑层、数据资源层和应用层。数据采集层实时获取监测对象的各类原始数据，并将采集到的不同传输协议的数据转换成统一格式上送至监控中心软件平台，实现监测结果、设备运行状态等数据及时自动上报；基础支撑层处理数据管理与交换业务，包括从监测子站工控机及其它源采集数据，对采集的数据进行存储、处理、分析以及备份等；数据资源层包括对采集的空气质量数据和业务应用数据进行分类和管理，为功能展示层提供支持。系统在应用层可以进行空气质量结果展示、统计分析、预报预警、发布空气质量实况等。系统逻辑结构如图所示：
3系统网络部署
（1）可依据电子政务的安全要求，外网可使用PCM安全线路，环保局内部网不与Internet连接。
（2）通过VPN网络向总站、省站、市站等多级、多个环境监测监控中心转发环境监测数据，保证数据传输的安全性、可靠性。
（3）结合GSM/GPRS无线网，极大的拓展了环境检测范围和实现了移动办公。
（4）数据采集器可选用RS232、RS485（1.2km）、无线数传（5km）方式通信，降低通信费用。
（5）环境监测站不必和信息中心局域网联网，可通过接入Internet远程办公。
（6）利用信息中心设备的可靠性，监测数据集中存储，保证了数据的安全性，又可以实现全天候监控。
（7）可通过移动设备（手机、笔记本电脑）使用短信或者GPRS上网方式，进行移动监测。
4系统技术路线
软件系统架构以Windows7.Net Server作为网络平台，以Microsoft.Net为开发平台，后台数据库可在SQL Server 2008、Oracle8i、DB2间自由挂接，内部架构要采用分层设计、构件化设计，采用TCP和UDP协议，通过Socket等通信技术和服务实现。系统有良好的开放性、集成性、稳定性等诸多优点，是目前国内的完全基于B/S结构、GIS实时监测、多层分布式的在线监测预报预警系统，客户端无需安装、无需配置任何软件，通过浏览器就可以实现全部操作；瘦客户端设计，无需在客户端任何插件，可以使得系统在窄带网络上运行流畅。
环境质量信息实时发布系统移动端应用是环境质量信息发布在移动终端上的延伸实现，方便用户通过移动互联网（3G、GPRS等）在智能手机等移动设备上查看当地各个监测站的空气质量实时数据、历史趋势等信息。
5系统接口设计
系统在接口设计方面主要考虑数据提取与汇交、数据同步、用户以及对外数据交换。本项目采用Web Service接口技术，Web Service可以将运行在Intranet/Internet分布式服务器上的应用集成在一起，使地理上分布在不同区域的计算机和设备协同工作，为用户提供各种各样的服务。利用Web Service接口能够迅速的通过互联网向用户提供服务，在广泛的范围内寻找可能的合作伙伴。随着Web Service技术的发展和运用，信息处理活动的重点将从目前的开发和使用应用程序过渡到开发和使用Web Service，Web Service将取代应用程序成为Web上的基本开发和应用实体。作为下一代Web的主流技术，Web Service为真正融入Internet奠定了坚实的基础。
系统提供与各级环境质量监测系统、环境质量联网系统等各类监测系统标准接口。整合各类数据，实现环境污染防治的实时监控和预警，满足人民群众的环境知情权。
二、建设内容
1 数据接收系统
数据接收系统主要作用是接收温湿度、风速风向、气压等各类传感器，SO2、NO2、O3等气体分析仪和PM2.5、PM10粉尘分析仪等的实时环境空气质量原始监测数据，其工作原理是：传感器和分析仪将多路测试信号按序通过接口协议进入无线通讯节点设备DVR的独立（DTU）传输通道，经避雷处理后输入到单元内数据采集器，采集器将采集的数据经过无线数据传输终端通过 TCP/IP 网络传入到数据接收系统，数据接收系统将接收到的数据进行解析、存储及上传等处理。
中心接收到相关参数数据，通过后台监测管理系统进行数据汇总、整理和综合分析并转化成详细信息实时在监测终端或大屏幕上进行显示，工作人员可以在监控中心或办公室进行监测，随时得到即时数据，实现远端无人值守。
系统提供与市、省、国级环境质量监测系统、环境质量联网系统等各类监测系统标准接口。整合各类数据，实现环境污染防治的实时监控和预警，为全省乃至全国空气质量监测平台联成“一张网”奠定基础。
数据接收子系统能实现对大范围内多级、多层次、多种类环境要素质量进行自动连续在线的实时接收、上传、审核、备份等功能，在将分布于不同地方的采集设备的监测数据在线接收的同时，能够通过VPN网络向总站、省站、市站等多级、多个环境监测监控中心转发环境监测数据，实现数据采集终端设备之间还能够相互通信，组织成一个互联互通的网络系统，提供了允许支持多种数据传输方式、多协议多目标数据通信的高可靠、高可信的数据接收系统。
数据的上传将严格按照《污染源在线自动监控(监测)系统数据传输标准》（HJ/212-2005）和《污染源在线自动监控（监测）数据采集传输仪技术要求》（征求意见稿）以及地方数据采集和传输协议的相关规定，设定传输软件程序，实现相关监测数据向上级环保部门相应系统的自动上报功能，实现上下级的数据传输。
系统可同时向国家、省、市、县环保业务部门和多级、多个环境监控中心转发原始环境自动监测数据，系统中数据在向上传输的同时，可将现场的数据通过网络定期地上传到监测中心和环境主管部门，实现动态异地数据备份功能。在现场数据遭到破坏的情况下，通过远程调用备份在监测中心和环境主管部门上的备份数据实现数据恢复功能。系统接收数据包时采用CRC校验等多种校验方式，确保了上传的实时数据的准确性。
数据接收子系统具有以下功能：
1）数据接收
根据30秒实时数据，按照所执行的技术标准、规范，自动统计5分钟及1小时、1日数据平均值，并根据仪器运行状态与质控执行情况，作出相应的数据状态标识；同时按照“向上备份”规则及时把监测数据报送到各级监控中心，能够以word、excel等形式导出。
2）数据上传
满足实时、多点直报的需求，能即时向多个目标直接传输数据，同时系统提供两种上传方式，自动上传和手动上传，用户设置对应程序后，系统按照设定时间自动上传采集数据，也可以不定期地通过手动方式批量上传，传输网络主要利用VPN网络，用户通过接入企业内部虚拟专网的方式与Internet进行隔离，可对整个数据传送过程进行加密保护，保证数据传输的安全性和可靠性。
3）数据存储
系统在向上级环保系统传输监测数据的同时，将上传数据统一存储到中心数据库中，实现动态异地数据备份功能。还可以人工设置本地数据保存时间，超出设定时间后数据将会自动被清理，避免由于数据快速积累导致内存空间不够的情况发生。
4）仪器通用智能接入
实现智能化接口技术，具备快捷接入不同品牌、不同种类、不同监测方法的分析仪器的能力，以实行标准化处理，并保证设备的稳定运行。可同时连接多台不同的分析仪器，能快速兼容新类型设备，满足各种测控需求。
5）监测中心反控功能
系统可以实现由监测中心向监测子站发送命令调取数据，也可以实时监视在线监测仪器是否正常工作，从而清楚设备的运行状况及运行进度，当前端数据采集设备或仪器出现故障时，可以在后台发送命令实现设备的正常运行。
2 数据库管理系统
数据库管理系统通过利用大型关系型数据库在数据安全、一致性和分布式处理等方面的优势，将常规6参数、气象五参数等数据集中起来，使用户通过单一界面就可以方便的管理、查询、分析大量的环境数据，从而简化环境数据管理的难度，提高环境数据管理水平。
数据管理平台建设遵循《环境数据库设计与运行管理规范》相应要求。采用Web Service数据访问技术、ETL数据加工分析技术等整合环境质量监测各项数据，并通过对数据的整理、加工、挖掘、分析，提取综合、有效的环境数据结果，为环境质量数据的发布提供支撑，为环境管理决策提供数据支持。架构如下图所示：
数据管理平台采用四层设计，主要有标准层、采集层、数据库层、服务层。在标准层采用国际标准及国家标准对输入数据标准化，采用标准编码，使进入数据库的数据格式共享，实现了数据格式标准、数据接口标准、数据传输标准、数据集成标准，通过这些标准的制定，系统就能够实现各个层面的良好交流。
数据采集层主要实现对数据的采集。数据入库的方式主要有两种批量导入和手工输入。在这个层面系统对采集到的数据进行校验，合格后才能入库。这些数据在经过校验、规则处理后再进行归类入库。
在数据服务层主要有数据调用、数据写入、数据加密、数据交换这些功能，通过Web Service接口与数据库相连。
数据库层主要用于元数据、基础数据的存储和管理等功能，对于已经建设空气自动监测管理数据库的县来说，保持现有数据库管理体系，在现有数据库管理体系作进一步开发，作好与省、市级数据库管理系统的借口与数据交换功能，数据库管理系统的主要功能包括建库管理、数据输入、数据查询输出、数据维护管理、代码维护、数据库安全管理、数据库备份恢复、数据库外部接口等，是数据更新、数据库建立和维护的主要工具，也是在系统运行过程中进行原始数据处理和查询的主要手段。
(1)元数据库
元数据是关于数据的描述性数据信息，大量地反映数据集自身的特征规律，方便于用户对数据集的准确、高效与充分的开发与利用。通过元数据可以检索、访问数据库，可以有效利用计算机的系统资源。
(2)配置数据库
配置数据库主要是针对数据库所支撑的各个平台的相应系统配置做数据支撑，如：信息化标准和规范体系、系统的后台管理模块等。
(3)基础数据库
基础数据库存储空气质量监测点基础信息等，是其业务模块运行的基础，系统提供功能对这些基础信息进行管理维护，保证基础数据在整个业务系统中的一致性和准确性，避免基础数据前后不一致造成的系统功能异常。
(4)业务数据库
根据国标的相关要求以及业务系统相对应标准搭建，在确保数据格式的准确以及可更新性的基础上搭建。采用国际标准及国家标准对输入数据标准化，采用标准编码，使进入数据库的数据格式共享，实现数据库之间的数据从技术上可完全交互。
对空气质量在线监测数据进行整合，形成统一的空气质量监测数据库，为数据分析、数据的实时发布提供基础支撑。
3 数据审核处理系统
数据审核处理系统的建设主要为实现县级监测中心数据资源的管理。根据信息管理运行的方式与特点，系统的功能应该满足监测数据的审核、处理、查询、统计、分析等等。数据综合管理平台的应用能够为环境部门进行环境空气质量综合管理、环境规划、决策分析提供支持。
审核处理系统主要实现对数据的审核和处理。数据审核的方式主要有两种：自动审核和人工复审。数据处理主要是对采集上来的数据进行汇总、集成、日均值修约等等，合格后才能入库，保证上报的监测数据的代表性和准确性。
1）数据审核
在数据传输过程中，针对各项数据上报类型和规范要求，可以预定义数据校验规则，有效保证数据质量。对数据项有效值的上、下限以及表达格式按规范进行设置；监测项目的数值间逻辑关系也是审核的重点，进一步校对数据的合理性和准确性。当上述审核过程中未出现异常情况，则数据审核通过并即可入库，整个检验审核过程由系统程序完成，接收数据时通过采用CRC校验等多种方式，避免了数据录入时的很多错漏状况。对于任何的标记或剔除操作，系统自动记忆，作为日志备查。
2）人工复审
在自动审核的过程中，系统按照设定程序进行数据质量的审核，但由于缺乏对整个运行平台宏观掌控，可能会将无效数据标识为有效数据，或将有效数据标识为无效数据。人工复审就是要实现数据的第二次过滤和筛查，通过对分析仪的运行状态、子站维护情况、数采情况、网络等信息的了解，来确定自动审核数据的客观性和准确度，对自动审核未做标识的无效数据记为无效并说明无效原因，对自动审核误标识的数据，要将其还原为有效数据并按审核技术要求进行修约。
人工复审时整个数据审核过程中重要的一环，对审核人员提出了较高的要求，包括一致性检查、无效数据审核为有效、有效数据审核为无效、负值与零值数据的处理四部分。
4 环境空气质量监测预警预报发布系统
环境空气质量监测预警预报发布系统是整合地理信息系统和环境专题数据基础上的环境综合管理体系，在环境业务管理中实现了对污染源、环境质量、在线监测、建设项目审批、总量控制等业务信息基于地图的空间展示、预警预报、信息发布，将传统的静态记录以多样化的地图形式展现给用户，实现了数据可视化。通过直接对地图要素进行查询,可以获得环境监测点位、污染源等的空间分布及其与环境敏感区域的空间关系等信息，对各种环境数据进行综合的统计并分析以及采用直观的丰富多样的表现方式进行展示，它使环境主管部门对各种环境要素的管理变得直观、简单和轻松。
4.1 Web端发布系统
4.1.1 空气质量子站点位GIS地图在线显示
系统提供多种方式的地图效果（矢量、卫星、三维）来实时显示空气子站的位置和实时数据，如果是带有GPS模块的监测仪器，可以直接向平台开放的接口发送定位信息，对接成功并审核完成后，即可在GIS地图上显示。当GPS无法定位、定位不准或站点坐标移动后，用户也可以在系统中直接标注监测仪器经纬度和站点相关信息。站点名称在初始配置或站点配动时可以进行更改。
4.1.2 站点数据实时状态查看
用户上传点位成功，按照环境部门标准格式发送数据协议后，我们支持：HJ/T212-2005《污染源在线自动监控（监测）系统数据传输标准》，站点对接成功后即可自动解析数据格式生成数据面板，可以按照不同需求配置需要显示的监测因子，显示时间段分为实时状态值、近一小时值、近24小时值等。
4.1.3 环境远程视频实时监控
监测现场可以安装视频监控设备，通过窗口视图直观了解监测站点的周边情况和污染物实时排放数据，以保证系统运行的稳定性。当数据异常提醒之后，可以通过回传影像资料判断现场情况（需人工进行），当发生不可抗力因素时，同样可以根据影像资料来判定事故详情。
4.1.4 空气质量预警
系统生成数据后，可按照用户需求设置预警模式（提醒方式：短信、邮件、微信）。
模式1：超标预警
大气、扬尘标准格式按照AQI指数对应色值显示，水质、烟气按照国家标准显示，非标准格式监测因子支持用户定制开发，地图指标根据指数对应颜色显示，点击站点显示数据时，首要污染物通过颜色条注释，当数据指标超过预警界限后，根据用户定制发送提醒。
AQI：空气污染指数划分为0－50、51－100、101－150、151－200、201－300和大于300六档，对应于空气质量的六个级别，指数越大，级别越高，说明污染越严重，对人体健康的影响也越明显。
模式2：断线预警
监测点位由于设备故障、设备短路等原因导致数据连接中断后，系统自动给指定联系人发送断线提醒，每小时提醒，直至重新正常连接。
模式3：异常值预警
当监测数值在某一时间段内出现大幅度起落，或者在较长时间数值无变化，同样会触发预警，报知相关人员核对检修。
4.1.5 空气质量数据报表
用户数据收集达到系统要求数量后，后台即可启用数据归类功能，自动计算小时值、日、周、旬、月、年均值等，生成对应报表供用户查看。
数据生成支持折线图、柱状图、饼状图、在线文档等多种形式，导出打印时支持选用JPG图片、PDF、EXCEL、WORD文档多种格式。
4.1.6 空气质量日报自动生成
按照HJ633-2012环境空气质量指数(AQI)技术规定要求，自动生成日报数据报表，发布的日报指标包括各监测站点的监测站点信息、空气质量指数（AQI）、首要污染物、空气质量指数类别以及空气质量指数说明等信息，可自动生成word、Excel、PDF多种格式格式的日报，日报格式如下表：
4.1.7 环境空气质量数据
针对相关环境管理部门以及用户个性化定制需求，系统设置独立系统，由于接入监测因子类型较多，所以目前采用AQCI（空气质量综合指数）进行，同时可以采用AQI或者根据不同用户特点定制体系。
分级计算参考的标准是新的《环境空气质量标准（GB3095-2012）》。AQI采用《环境空气质量指数（AQI）技术规定（试行）（HJ 633—2012）》计算，AQCI按照《环境空气质量评价技术规范（试行）（发布稿）（HJ633-2013）》计算，参与评价的污染物为SO2、NO2、PM10、PM2.5、O3、CO六项。发布频次为每小时。
4.1.8 污染源解析
污染在环境空气质量预报预警工作中，污染源调查与排放源清单的建立不仅是环境空气质量预测预报的重要前提，同时也是研究城市环境空气质量变化成因和污染排放控制管理的重要基础工作之一。
大气污染物排放源清单需得到及时的更新，方能为区域明确阶段性环境污染整治方向、出台污染控制措施、并为及时评估各项污染控制措施的效果提供重要的技术支撑。同时，排放源定期更新，对于科学引导区域环境污染控制决策、推行污染物排放总量控制和开展许可证发放、污染物排放标准建立和污染预警联动等工作具有深远的意义。因此，建立大气污染物清单的动态更新及维护机制、确保数据的连贯性和有效性是环境管理部门的一项重要基础工作。
分析全面覆盖污普、环统、排污申报、总量、监察等数据，采用统一标准规范和统一分析方法，准确反映污染源数据和各类数据间的关系。从多角度进行分析，全面反映污染源状况，包括污染源数量和分布，主要污染物排放总量和变化趋势等，按行业、污染物、企业情况等因素，筛选出重点管理对象，为监察工作提供依据。
收集点位数据后，平台对各项污染物统计值进行计算分析，初步建立点位污染源模型（当前采用方法为首要污染物比重饼状图解析），如果监测点位条件允许，能够实现现场采样，则可以更加的进行污染物对比分析，通过各时间段污染物比重模型结合地区现状来分析具体污染源和现场实际情况，并提供针对性治理方案。
污染源可分成固定源、流动源、开放源等。固定源主要包括燃煤（油）的各类电厂锅炉、民用炉灶、建材和冶金工业炉窑等颗粒物排放源，流动源主要包括机动车、船、飞机及非道路机械等颗粒物排放源。源解析中的开放源通常包括土壤风沙尘、道路扬尘、施工扬尘、堆场扬尘和窗台尘等。特定地区的源解析工作有时需要考虑生物质燃烧尘、餐饮油烟尘和海盐离子等颗粒物排放源。
4.1.9 环境空气质量预报（空气质量动态云图）
环境空气质量预报是大气防治工作中的工作，业务处室需要对外提供24小时环境空气质量预报和未来3天污染潜势预测。24小时预报产品包括SO2、NO2、O3、CO、PM10、PM2.5六种污染物浓度范围、环境空气质量指数（AQI）及其环境空气质量级别。未来3天污染物潜势预测产品包括环境空气质量级别、首要污染物浓度范围。业务部门需要根据系统所提供的环境空气质量预报产品和实时监测数据，结合业务会商结果，整理出终的发布产品，对公众进行发布。为了更好的保证预报工作正常进行，需要提供以集成数值预报为主，统计预报为辅的双预报模式。
为了更加的提供预报产品，业务部门需要实现和气象观测网的数据同化，来提高模式的预报准确度。目前我们和南开大学教授，国家环保领域千人计划合作，提供环境空气质量预报服务。
4.1.10 环境空气质量预警与控制决策支持
环境空气质量预警与控制决策支持是大气防治工作中的，业务部门需要建立一套完整的污染天气控制措施包括机动车限行、工业源关闭、建筑工地停工等，该方案需要明确描述采取的措施对社会、经济影响的定量描述关系。
业务部门根据实时监测数据和数值预报结果，对污染天气进行溯源分析，得出造成污染天气的排放源及贡献率，根据优化控制模式给出重点控制目标和控制措施，选择对口的业务部门进行行政执法，降低重污染危害，达到改善环境空气质量指标的要求。
4.2 移动端发布系统
手机版发布系统支持Android、IOS等主流的手机操作系统，系统界面简洁、大方，易于操作。发布各个监测站点的PM2.5、PM10、SO2、NO2、O3、CO小时、日均、月均浓度值，提供查看辖区内各站点空气质量功能，并绘制过去24小时的浓度曲线图。发布城市、区域的环境质量AQI、首要污染物、环境质量指数类别、环境质量指数说明以及健康提示等信息。按照《HJ633-2012环境质量指数(AQI)技术规定》，根据环境质量AQI进行颜色标识。
4.2.1 用户权限控制
根据用户级别不同，分别设定不同权限，普通用户登入后只可查看账号所属站点详情，以管理员身份登入之后，则可查看全部点位状况与其均值显示。
4.2.2 数据查看与分析
主界面可查看权限范围内点位数据详情，点击不同监测因子所在方格，下方折线图则对应显示其近24小时内污染因子变化情况。
4.2.3 GIS地理信息显示
点位状况与web端同步，获取坐标信息后即可在地图上显示，支持当前总体数据情况与单项指数切换，污染指数根据等级不同以不同颜色显示。
如果点位信息过多时，可切换至列表进行搜索，一目了然，快捷高效。
4.2.4 历史数据查询
移动端在web端基础上提供简单的查询功能，该模块按照权限不同所属辖区不同，可以查看站点近24小时、或近30天、或近12个月，综合指数或者分项指数的均值状况。
4.2.5 环境质量指数查看
移动端可以便捷的为环境管理人员提供服务，管理者账号登录后，开放信息功能，提供当日辖区内站点，明确污染方向。
4.2.6 系统设置、功能标准、预警处理
辅助功能全部归集于侧边栏内，APP向用户推送通知，个人设置中可以设置是否接收消息、提醒方式等。
4.3 面向公众的环境空气质量微信发布平台
空气质量一直是公众非常关注的问题，各级环保监测部门目前大部分采用了网站的形式向公众发布空气质量情况，除了提供网站、微博、手机APP，我们还进一步升级空气质量信息的发布渠道，可以建立如微信公众账号等新的发布平台。通过政府微信公众号发布空气质量信息，方便公众查看。
4.4 系统管理
系统管理包括用户管理、角色管理、配置管理、权限管理、日志管理几个模块。
4.4.1用户管理
通过用户管理，可以对系统用户进行新建、查找、删除、修改等操作。
4.4.2角色管理
能对角色信息进行添加，删除，修改，查询等操作。每个用户都需要一个角色来决定它所能拥有的权限。
4.4.3配置管理
通过配置管理，可对系统中通用的、可配置的项目进行灵活的配置。例如监测数据异常值的判断标准、系统涉及公文的模板、超标报警的阈值等。
4.4.4权限管理
管理人员能够分配系统用户各功能模块的操作权限，能够查看系统的操作日志、恢复被删除企业，设置编码表信息。本系统采用分层管理的和分地区管理相结合的安全管理方式，即用户除了根据分配的权限获得相应的功能和访问控制能力之外，还会根据其所属的地区，分配相应的地区的空气质量的监测数据权限。系统管理员可以根据需要管理用户，以及把权限分配给用户。
4.4.5日志管理
通过日志管理，可以查看任意时间段的系统操作记录以及站点维护、站点故障、站点掉线记录，便于用户对系统运行情况的掌握，为系统运行异常、故障等突发状况的处理和维护提供依据。
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