張政治

(61920部隊(duì)，四川 成都 610505)

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利用BDS的河流水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)

張政治

(61920部隊(duì)，四川 成都 610505)

針對目前河流水質(zhì)污染缺乏技術(shù)監(jiān)測手段的問題，提出利用北斗系統(tǒng)的短報(bào)文通信和集團(tuán)管理功能，配以專業(yè)的傳感器、定制的數(shù)據(jù)采集模塊和穩(wěn)定的雙通信鏈路，開發(fā)具備前端監(jiān)測和中心監(jiān)控2大功能模塊的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)信息的監(jiān)測、告警以及信息發(fā)布等功能，為水污染防治、水利運(yùn)用提供決策支持。

水污染；北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；河流；數(shù)據(jù)采集；水質(zhì)監(jiān)測

0 引言

江河流域水污染突發(fā)事件是一種緊急事件或者緊急狀態(tài)，它在一定條件下出現(xiàn)和爆發(fā)，嚴(yán)重影響社會(huì)或組織的正常運(yùn)作，對生命、財(cái)產(chǎn)、環(huán)境等形成威脅和損害，超出了政府、社會(huì)和組織的常態(tài)管理能力。隨著我國工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅猛發(fā)展，水環(huán)境污染突發(fā)事件不僅在發(fā)生次數(shù)上，而且在污染的危害程度上均有增加的趨勢。特別是一些重大環(huán)境化學(xué)污染事故接連發(fā)生[1]。最新頒布的國家“十三五”水污染防治規(guī)劃特別提到控制單元精細(xì)化管理，“十三五”期間，國家將對七大水域制定針對性目標(biāo)和措施，對355個(gè)控制單元提出改善要求，目前七大水系中松花江輕度污染、黃河和淮河中度污染、遼河和海河重度污染[2]。另外，根據(jù)2014年《經(jīng)濟(jì)參考報(bào)》統(tǒng)計(jì)，中國水污染事故每年1 700多起，另外有2.5億居民的住宅區(qū)靠近重點(diǎn)排污企業(yè)和交通干道，2.8億居民使用不安全飲用水，水源地污染觸目驚心。

要解決我國水環(huán)境問題除靠政策管理外，通過先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)控信息系統(tǒng)的開發(fā)、建立和應(yīng)用，成為提高水質(zhì)管理和治理的重要技術(shù)手段[3]。在水質(zhì)監(jiān)測領(lǐng)域中，水質(zhì)信息的采集和傳輸是核心內(nèi)容，是實(shí)現(xiàn)水質(zhì)管理和治理的關(guān)鍵技術(shù)之一。我國自主研發(fā)、獨(dú)立建設(shè)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system，BDS)對水質(zhì)信息的獲取和通訊提供了安全、穩(wěn)定、高效的手段[4]。BDS已經(jīng)于2012年底形成了區(qū)域服務(wù)能力，定位精度達(dá)10 m、測速精度達(dá)0.2 m/s、授時(shí)精度達(dá)10 ns、具備多達(dá)120個(gè)漢字或代碼的雙向短報(bào)文通信功能。目前正在有序推進(jìn)全球系統(tǒng)建設(shè)，致力于向全球用戶提供高質(zhì)量的定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)[5]。

1 設(shè)計(jì)思路

1.1 技術(shù)路線

建立以傳感器和數(shù)據(jù)采集器為中心的實(shí)時(shí)水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)和以BDS用戶機(jī)為中心的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。按照2002年頒布的《水污染物排放總量監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》，實(shí)時(shí)監(jiān)測水域中化學(xué)需氧量(COD)、石油、氨氮、氰化物、六價(jià)鉻、汞、鉛、鎘、砷的含量，可自主開發(fā)數(shù)據(jù)采集器收集監(jiān)測儀和流量計(jì)數(shù)據(jù)并完成預(yù)處理，轉(zhuǎn)換成適合BDS用戶機(jī)傳輸?shù)男畔⒏袷?，最后由BDS用戶機(jī)將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳送給中心監(jiān)控系統(tǒng)[6]。

建立可實(shí)時(shí)監(jiān)測全水域水質(zhì)的中心監(jiān)控系統(tǒng)。各監(jiān)測點(diǎn)水質(zhì)信息通過BDS用戶機(jī)從前端傳輸?shù)街行谋O(jiān)控系統(tǒng)，中心監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示、記錄、分析各監(jiān)測點(diǎn)的水質(zhì)信息，按照用戶訂制內(nèi)容提供查詢、告警、上報(bào)、遠(yuǎn)程訪問等功能[7]。

1.2 預(yù)期目標(biāo)

本系統(tǒng)建成后，預(yù)期達(dá)到如下目標(biāo)：

1)水質(zhì)信息采集。監(jiān)測點(diǎn)的水質(zhì)信息全部采用數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、長期自記、固態(tài)存儲(chǔ)、數(shù)字化自動(dòng)傳輸技術(shù)，提高觀測精度和時(shí)效性。

2)水質(zhì)超標(biāo)告警。利用BDS集團(tuán)用戶管理功能，將監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置為中心監(jiān)控的下屬用戶機(jī)，通過系統(tǒng)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)多監(jiān)測點(diǎn)信息實(shí)時(shí)采集(點(diǎn)數(shù)可根據(jù)需要擴(kuò)展)，在數(shù)秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)全部監(jiān)測點(diǎn)水質(zhì)信息采集。中心監(jiān)控通過數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)超標(biāo)告警。

3)水質(zhì)信息共享方面。利用BDS信息服務(wù)系統(tǒng)，依靠骨干網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)全國各地水質(zhì)信息共享，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)信息的實(shí)時(shí)收集、傳輸和處理，提高信息共享的程度和各種信息流程的合理性。

4)防污治污指揮調(diào)度?？衫肂DS用戶機(jī)軍用級別的通信功能，建立應(yīng)急指揮平臺，輔以水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各級防污治污部門的工作效率、質(zhì)量、效益和決策的科學(xué)性和正確性。

5)污染源追蹤。通過對大量監(jiān)測點(diǎn)水質(zhì)信息的實(shí)時(shí)監(jiān)控比對，實(shí)現(xiàn)對污染源的精確溯源，查找出污染物出現(xiàn)的時(shí)刻和區(qū)域，便于防污、治污[8]。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 總體設(shè)計(jì)

基于BDS的河流水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)設(shè)計(jì)為2層體系結(jié)構(gòu)，底層是前端監(jiān)測點(diǎn)，上層是中心監(jiān)控。前端監(jiān)測點(diǎn)采用專業(yè)傳感器采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并以有線或無線方式將數(shù)據(jù)匯聚到數(shù)據(jù)采集和通信設(shè)備。數(shù)據(jù)采集和通信設(shè)備將數(shù)據(jù)按照固定的格式發(fā)送到BDS用戶機(jī)，通過BDS衛(wèi)星或者通用分組無線服務(wù)技術(shù)(general packet radio service,GPRS)方式傳送至中心監(jiān)控[9]。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

前端監(jiān)測點(diǎn)及中心監(jiān)控配備BDS用戶機(jī)，利用BDS獨(dú)特的短報(bào)文通信功能完成前端監(jiān)測點(diǎn)與中心監(jiān)控之間的數(shù)據(jù)傳輸。前端監(jiān)測點(diǎn)還配備有GPRS無線通信模塊，同時(shí)具備數(shù)據(jù)傳輸功能。通過中心監(jiān)控對前端監(jiān)測點(diǎn)的管理控制，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)信息的監(jiān)測、告警、信息發(fā)布等功能。

2.2 前端監(jiān)測點(diǎn)設(shè)計(jì)

2.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

前端監(jiān)測點(diǎn)系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)通信3部分。其中數(shù)據(jù)采集部分包括各種類型傳感器和相對應(yīng)的數(shù)據(jù)采集模塊；數(shù)據(jù)傳輸分為有線傳輸和無線傳輸；數(shù)據(jù)通信部分包括數(shù)據(jù)采集與通信控制器和BDS用戶機(jī)，如圖2所示。

圖2 前端監(jiān)測點(diǎn)結(jié)構(gòu)框架

每個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊都是針對該類型傳感器的專用采集設(shè)備，與相應(yīng)類型傳感器一一對應(yīng)，數(shù)據(jù)采集模塊采集的輸出接口為標(biāo)準(zhǔn)RS485接口。對于距離數(shù)據(jù)采集與通信控制器較近傳感器，可通過RS485直接與數(shù)據(jù)采集與通信控制器相連;對于距離數(shù)據(jù)采集與通信控制器較遠(yuǎn)的傳感器，需先通過RS485連接無線通信模塊，然后以無線方式連接距離數(shù)據(jù)采集與通信控制器較近的無線通信模塊，再通過RS485串口與數(shù)據(jù)采集與通信控制器相連[10]。

2.2.2 數(shù)據(jù)采集與通信控制器設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集與通信控制器主要由數(shù)據(jù)匯聚模塊、通信模塊和控制模塊3部分組成，如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集與通信控制器結(jié)構(gòu)框圖

其中，數(shù)據(jù)匯聚模塊由緩存器和多個(gè)RS485串口模塊組成，RS485串口模塊的數(shù)量取決于傳感器的數(shù)量，其作用是在控制模塊的控制下，與數(shù)據(jù)采集單元或無線通信模塊等設(shè)備進(jìn)行通信和控制，接收原始數(shù)據(jù)包，按各類傳感器自有格式將各原始數(shù)據(jù)包解幀，提取出用于監(jiān)控和分析使用的數(shù)據(jù)，并存入緩存器，以待系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的下一步處理。

通信模塊由BDS通信組包模塊、緩存器和RS232串口模塊組成。BDS通信組包模塊的作用是在控制模塊的控制下，讀取緩存器中的原始數(shù)據(jù)，按照BDS一代用戶機(jī)對通信等級、頻度和長度的要求，結(jié)合用戶機(jī)自身的接口格式，設(shè)計(jì)并修改成符合本監(jiān)測系統(tǒng)用于監(jiān)控、分析、管理和傳輸?shù)刃枨蟮膶ｉT的數(shù)據(jù)通信格式，將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行打包組幀，并存入緩存器中排成隊(duì)列，最后在控制模塊作用下，RS232串口模塊將打包數(shù)據(jù)依照隊(duì)列順序通過RS232串口傳輸?shù)接脩魴C(jī)，并發(fā)送控制指令控制用戶機(jī)將數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)測管理中心。

控制模塊是系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)匯聚和通信控制的中心管理模塊，其作用是協(xié)調(diào)系統(tǒng)各類型模塊的工作，可解析監(jiān)測管理中心的配置控制命令，可轉(zhuǎn)發(fā)中心對傳感器、數(shù)據(jù)采集單元、無線通信模塊以及用戶機(jī)等多種設(shè)備的控制指令，也可直接對通信模塊、數(shù)據(jù)匯聚模塊進(jìn)行調(diào)度使用，實(shí)現(xiàn)控制功能。

2.3 中心監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

中心監(jiān)控系統(tǒng)由以下幾部分組成：軟件監(jiān)控分系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控分系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、BDS用戶機(jī)、以太網(wǎng)交換機(jī)和串口服務(wù)器等。

其中，軟件監(jiān)控分系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控分系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)等系統(tǒng)通過以太網(wǎng)交換機(jī)連接，組成一個(gè)局域網(wǎng)；BDS用戶機(jī)通過串口服務(wù)器連接在該局域網(wǎng)內(nèi)，以獨(dú)占模式僅供軟件監(jiān)控分系統(tǒng)訪問，遠(yuǎn)程監(jiān)控分系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)均由軟件監(jiān)控分系統(tǒng)提供服務(wù)。

中心監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如下：

圖4 中心監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.3.2 軟件設(shè)計(jì)

中心監(jiān)控系統(tǒng)軟件以3層體系結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)，確保數(shù)據(jù)、界面和控制的清晰分離。其中體系結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 中心監(jiān)控系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)圖

監(jiān)控層：匯集中心監(jiān)控與遠(yuǎn)程監(jiān)控2大功能為一體的監(jiān)控系統(tǒng)，將前臺與后臺隔離運(yùn)行，使整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行、管理和維護(hù)更方便快捷，同時(shí)可以向上級監(jiān)控中心實(shí)時(shí)匯報(bào)系統(tǒng)情況，實(shí)現(xiàn)分級管控。

邏輯層：BDS通信模塊與前端監(jiān)測點(diǎn)BDS通信接口兼容，實(shí)現(xiàn)BDS用戶機(jī)通信信息的發(fā)送和接收；信息集成模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與監(jiān)控的分離接口，確保數(shù)據(jù)存取安全和用戶權(quán)限認(rèn)證；數(shù)據(jù)管理模塊實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫訪問接口，可以高效快捷地訪問數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)層：基于強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)管理和備份，以數(shù)據(jù)服務(wù)的形式響應(yīng)各種類型數(shù)據(jù)請求。

軟件的關(guān)鍵模塊包含5個(gè)部分：

1) BDS通信模塊。BDS通信模塊實(shí)現(xiàn)了對BDS用戶機(jī)的訪問，軟件監(jiān)控分系統(tǒng)調(diào)用本模塊可以訪問串口服務(wù)器連接的BDS用戶機(jī)。該模塊的主要功能是控制用戶機(jī)，實(shí)現(xiàn)BDS用戶機(jī)的定位、通信，實(shí)時(shí)接收BDS衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的前端監(jiān)測點(diǎn)用戶機(jī)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)。

2)信息集成模塊。信息集成模塊實(shí)現(xiàn)了所有用于數(shù)據(jù)接收、采集、融合、存儲(chǔ)、提取、系統(tǒng)控制等功能的接口。軟件監(jiān)控分系統(tǒng)調(diào)用本模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)操作。

3)數(shù)據(jù)管理模塊。該模塊設(shè)計(jì)為基于數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的管理接口，用軟件程序模塊實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫操作的封裝，設(shè)計(jì)適合于本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫訪問操作，使訪問結(jié)構(gòu)清晰，提高工作效率。該模塊的主要功能是實(shí)現(xiàn)對需要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)格式轉(zhuǎn)換、提取格式轉(zhuǎn)換、融合類型轉(zhuǎn)換，響應(yīng)信息集成模塊對所有的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行融合、存儲(chǔ)和提取的管理，控制數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)完成相關(guān)數(shù)據(jù)提取工作。

4)遠(yuǎn)程監(jiān)控分系統(tǒng)。遠(yuǎn)程監(jiān)控分系統(tǒng)對于實(shí)現(xiàn)電視墻、管控大廳、電視電話會(huì)議等高級功能具有良好的擴(kuò)展支持。由于考慮到可多系統(tǒng)融合及可移植性強(qiáng)等特點(diǎn)，需使用可跨平臺的系統(tǒng)設(shè)計(jì)?？刹捎肁pache Tomcat + jsp技術(shù)的web服務(wù)器，使用B/S訪問結(jié)構(gòu)。其主要實(shí)現(xiàn)的功能是監(jiān)視中心監(jiān)控系統(tǒng)工作狀態(tài)、數(shù)據(jù)狀態(tài)和管理狀態(tài)等信息；監(jiān)視所有下屬前端監(jiān)測點(diǎn)的工作狀態(tài)、監(jiān)測點(diǎn)的傳感器工作狀態(tài)；繪制歷史曲線圖；對告警進(jìn)行實(shí)時(shí)畫面顯示；向軟件監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送控制指令，控制前端監(jiān)測點(diǎn)。

5)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是中心監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)庫的管理、備份、維護(hù)和升級等操作在本系統(tǒng)中完成?？杉茉O(shè)數(shù)據(jù)管理服務(wù)器，使用Windows Server操作系統(tǒng)運(yùn)行Microsoft SQL Server數(shù)據(jù)庫，安裝配置功能強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫管理器，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫建立、訪問、維護(hù)、備份等功能。

3 結(jié)束語

本文主要研究利用BDS信息服務(wù)功能，開發(fā)水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)信息采集、污染告警、信息發(fā)布等功能，為河流水質(zhì)污染監(jiān)測提供技術(shù)解決方案。系統(tǒng)可應(yīng)用于河流、湖泊水質(zhì)監(jiān)測，尤其是在水污染防治和管理方面具有較大的工程實(shí)踐和應(yīng)用推廣價(jià)值。

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[2] 環(huán)保部.重點(diǎn)流域水污染防治規(guī)劃(2011-2015)[EB/OL].(2015-05-16)[2016-03-28].http：//www.zhb.gov.cn/gkml/hbb/bgth/201601/W020160121364773180865.pdf.

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Construction of river water quality monitoring system based on BDS

ZHANG Zhengzhi

(Troops 61920，Chengdu，Sichuan 610505，China)

Aiming at the problem that it is lack of technical monitoring methods in current monitoring of river water pollution, the paper proposed to use the short message and group manager of BDS, and equip professional sensors, customized data collection modules and stable double communication links, to develop the river water quality monitoring system with the functional modules of front monitoring and center monitoring. The system would provide a reference for water pollution prevention and water conservancy exertion by realizing the functions of monitoring, alarming and information releasing.

water pollution; BDS; river; data collection; water quality monitoring

2016-04-28

張政治(1982—)，男，遼寧營口人，碩士，工程師，研究方向?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航與應(yīng)用。

張政治.利用BDS的河流水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)[J].導(dǎo)航定位學(xué)報(bào)，2016，4(4)：112-116.(ZHANG Zhengzhi.Construction of river water quality monitoring system based on BDS[J].Journal of Navigation and Positioning，2016，4(4)：112-116.)

10.16547/j.cnki.10-1096.20160422.

P228

A

2095-4999(2016)04-0112-05