浙江省飲用水源地水質自動監測系統

　　飲用水安全是國家環境保護的重點工作，本文介紹了利用先進的計算機、網絡通信、遙感控制、自動監測等技術組成物聯網水質自動監測物聯網系統，實現飲用水源信息的采集、儲存、傳輸、處理、分析的數字化、自動化和資源共享。該系統涵蓋無線和有線網絡傳輸接入和網絡集成、視頻監控系統軟硬件開發實施、動力環境監測系統軟硬件開發實施、手機刷卡門禁系統建設、水質監測設備采購和系統集成、環保在線監控軟件平臺建設等，結合地理信息系統(GIS)，具有先進性、安全性、獨特性、復雜性等方面的特點。

　　1 項目簡介

　　保障飲用水安全是國家環境保護工作的重點工作，關系到廣大人民群眾的健康和生命安全，保障工作刻不容緩。按照黨的十七大關于建設生態文明戰略思想的總體要求，要以科學發展觀為指導思想，重點解決危害人民群眾健康和影響可持續發展的突出環境問題。

　　浙江省為全面提升飲用水源監測技術水平，更好地為飲用水源管理和決策提供技術服務，在《浙江省環境保護“十二五”計劃》中提出了全省主要飲用水源自動監測和管理系統建設計劃和目標，利用先進的計算機技術和網絡技術實現飲用水源管理工作、飲用水源水質監測和相關飲用水源信息的采集、儲存、傳輸、處理、分析的數字化和飲用水源信息資源共享，及時地為飲用水源管理和宏觀經濟決策提供可靠的科學依據。

　　作為魚米之鄉的浙江多年來平均降水量僅為1604mm，水資源總量為955.41億立方米，人均水資源量僅1754立方米，低于全國平均水平2200立方米，只有世界人均的1/4。長期以來，以量的擴張為主的粗放型經濟增長方式造成的高投入、高耗水、高污染、低效益的狀況還未根本扭轉，水環境惡化的趨勢尚未能得到有效控制。根據浙江省水利廳監測，浙江飲用水源安全保障能力仍然不足，部分水庫型飲用水源地呈富營養化趨勢，平原河網飲用水源地水質差，安全隱患多，城市供水水源單一，應急供水儲備能力不足。

　　浙江省環境保護廳為全面提升全省飲用水源監測技術水平，更好地為飲用水源管理和決策提供技術服務，于2010年開始建設飲用水源自動監測系統，同時在計算機信息化建設上配備相應的信息管理系統，項目總投資1.68億元，全省11個地市共計建設了81個水質監測固定站、17個浮標站，以及省、市、縣三級共計66個分級的飲用水源地水質自動監測計算機平臺系統，2012年7月24日完成了項目整體驗收，進入了運行維護階段。該系統投入運行將為環境決策、管理和科研部門提供更為科學、詳實、有效的科學基礎數據。

　　2 技術方案

　　飲用水源地水質自動監測系統運用環境自動監測、計算機、自動控制、網絡通信等技術，將數據自動檢測、采集分析、視頻監控、動力環境監測和地理信息系統(GIS)相結合，形成統一的監控管理平臺，具有先進性、獨特性、復雜性等方面的特點，體現為：一、系統集成50種以上監測儀器，包含了水質檢測、儀器儀表監控、動力環境監控、視頻監控，是目前全國水質監測項目中最大最全的物聯網系統。二、系統是全國首個飲用水源專用平臺，在擁有常規監測參數(常規五參數、TOC、氨氮、總磷總氮等)的同時包含了生物毒性監測、藻類分類監測、重金屬、VOC有機物等非常規監測參數。三、分布式中心管理控制平臺部署在浙江省省級、11個市、54個縣，總共66套平臺和66套數據庫，數量多、地域跨度大，各自獨立工作，網絡互聯互通跨越移動、電信、聯通三大運營商，并涉及環保專網內各廳局、監測站的內部局域網，集成硬件廠商包括中興、惠普、深信服、天融信、海康、哈希、島津、YSI等數十家國內外設備儀器廠商。

　　飲用水源地水質自動監測系統涉及三個網絡：環保專網、移動無線網、Internet網絡。系統主體基于環保專網，邏輯網絡構成可分為三級，第一級為建設在水庫、水廠等水源地的水質分析監測站，第二級為縣級、市級中心管理控制平臺，第三級為省級中心管理控制平臺。浮標式水質監測系統和平板電腦移動終端通過移動無線網絡，由專用APN數據專線接入省級中心管理控制平臺。環保專網外的用戶在因特網上通過VPN接入省級中心管理控制平臺，接駁系統。

　　水質分析監測站系統由取水單元、配水及水樣預處理單元、水質自動監測儀器、輔助系統、控制通訊以及軟件系統等部分組成。取水單元包括采水裝置和輸送管道等部分;配水及水樣預處理單元包括沉沙裝置和過濾器等;水質自動監測儀器包括常規五參數儀器、氨氮、總磷總氮、重金屬、藻類分類、VOC有機物分析儀器等;輔助系統包括清洗單元、廢水處理單元、壓縮空氣單元、除藻單元、防雷單元、放電磁干擾單元、防盜單元、視頻監控單元、動力環境監測單元、門禁安全控制單元、電源保護及恢復單元等部分，用以保證水質監測系統的正常運行;控制通訊及軟件系統由控制單元、數據采集單元、數據傳輸單元、水質監控中心管理系統組成。

　　水質分析監測站原始數據直接發送至各級數據庫，審核后的數據按照級別層層上傳。市、縣級中心管理控制平臺部署平臺服務器、視頻監控動力環境監測服務器、交換機等。省級中心管理控制平臺部署平臺服務器、ArcGIS服務器、視頻服務器、動力環境監測服務器、浮標式水質監測系統服務器、NAS存儲、防火墻、VPN網關、安全認證服務器、匯聚交換機等，系統托管于移動公司IDC機房。浙江省飲用水源地水質自動監測系統整體拓撲結構圖，見圖1。

圖1 飲用水源地水質自動監測系統整體拓撲結構

　　3 平臺架構

　　浙江省飲用水源地水質自動監測系統中心管理控制平臺的主要功能如下：

　　(1) 地圖可視化管理功能

　　中心管理控制平臺使用WebGIS技術，實現基于IE的在線地理信息系統，分類顯示飲用水源地監測站的地理分布及在線情況，圖示直觀地表示數據采集率、數據有效率、報警故障等信息，提供每個水質監測站的實時數據、站點360度全景圖片等，以流程圖、虛擬儀表盤等形式展示結果。

　　(2) 實時數據監測功能

　　通過各類專業的水質分析儀器對水源地水質數據進行監測，實時反映飲用水源地生物毒性等指標的變化情況和趨勢，連續反映五參數、藻類、葉綠素a的變化趨勢以及周期反映氨氮、總磷、總氮、總有機碳、重金屬、氰化物、氟化物、揮發性有機物等指標水質變化情況。

　　(3) 分類別的多種報警手段

　　故障報警，系統故障報警及儀表設備故障報警。超標報警，常規監測參數的實時檢測值超過預定的上下限閥值。急性毒物報警，生物毒性儀、氰化物、氟化物等急性毒物指標出現異常情況。各種報警信息，可以設置為通過平臺提醒、電子郵件、手機短信等多種方式發送報警信息，實現飲用水安全預警。

　　(4) 遠程控制管理功能

　　中心管理控制平臺能夠遠程實時控制現場設備，系統能夠自動或者手動遠程關閉和開啟設備，調整設備采樣監測頻率，實現重新采樣分析等反控操作。同時，中心管理控制平臺能夠遠程控制現場攝像機,全面查看水源地現場情況，對于動力環境設備也能實現遠程操控。

　　(5) 視頻監控、動力環境監控功能

　　通過安裝在水源現場的高清攝像機，實現實時視頻監控，并通過數據疊加技術，將現場實時視頻與水質監測實時數據集成，提供直觀的視頻監測手段。

　　通過安裝在水質監測站內部的電力過載、燈控、煙感、水浸、紅外人體感應等動力環境監控設備，保證水質監測設備運行環境正常，保障設備持續有效工作。

　　(6) 數據分析和報表管理功能

　　原始數據一點多發，審核數據逐級上報，支持歷史數據、實時數據、原始數據的查詢。水質監測數據支持基于復合條件(站點性質、時段、集成商、地區、河流、是否超標等)的復合查詢，對各種數據可以進行圖形化的標識、對比、分析，結果可導出為Excel、Word、Access、PDF等格式。

　　浙江省飲用水源地水質自動監測系統平臺架構圖，采用了先進的云計算分層分級的業務設計理念，見圖2。

圖2 浙江省飲用水源地水質自動監測系統平臺架構

　　4 項目特點

　　浙江省飲用水源地水質自動監測系統的建設采取了多方合作的模式，省環境保護廳出臺建設范圍、技術規范等指導性意見，協調各標項中標商，統籌安排項目建設進度，協調項目必須資源如站房基建工作進度;負責項目的驗收及后續維護工作考核。通信運營商和環保系統集成商負責全省飲用水源地在線監測平臺建設、水質監測站建設和維護工作。

　　該項目系典型的環保物聯網系統，涵蓋無線和有線網絡傳輸接入和網絡集成、視頻監控系統軟硬件開發實施、動力環境監測系統軟硬件開發實施、手機刷卡門禁系統建設、環保物聯網設備采購和系統集成、環保在線監控軟件平臺建設等，項目投資大，技術復雜，涉及部門多。該項目充分運用了環境自動監測、計算機、自動控制、網絡通信等技術，將數據采集分析、視頻監控和地理信息系統(GIS)相結合，形成統一的監控管理平臺，具有先進性、獨特性、復雜性和全自動等方面的特點。系統實現了實時監控水質各種參數，以專線或安全無線傳輸方式接入環保專網;通過無線網絡接入飲用水源地在線監測平臺，可實時查看全省所有飲用水源地水質情況，及時處置突發情況，有效防范大范圍飲用水安全事故，為政府決策提供有力依據。浮標式水質監測系統和平板電腦移動終端通過移動無線網絡，由專用APN數據專線接入中心管理控制平臺。環保專網外用戶可通過Internet網絡實現系統數據共享。市、縣級中心管理控制平臺部署有管理平臺服務器、視頻、動環服務器、網絡設備等，原始數據直接發送至本級數據庫服務器，審核數據層層上傳，并存儲到相應層級的數據庫中。省級中心管理控制平臺部署有WEB服務器、數據庫、通信服務器、交換服務器、發布服務器、NAS存儲、防火墻、無線接入安全認證服務器、匯聚交換機、動環/視頻監控中心等。為了保證系統的穩定性，整體托管于通信運營商的IDC機房。