江 明，黃建彰，張 濤，何海敬，趙 燕，岳玎利

(1.廣東省環(huán)境監(jiān)測中心，廣東 廣州510308；2.中山大學(xué)，廣東 廣州510275)

1 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、信息化技術(shù)的高速發(fā)展，智能監(jiān)控系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于交通[1～4]、家居[5～7]、電力、民用安全等行業(yè)。國外對智能監(jiān)控研究相對較早，19世紀(jì)末美國國防高級研究項目署就設(shè)立了視覺監(jiān)控重大項目VSAM(Visual Surveillance And Monitoring)，并于20世紀(jì)初相繼資助了HID(Human Identification at a Distance)項目，2006年IBM公司亦發(fā)布并銷售一款用于分析視頻實時監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全軟件，并命名為“智能監(jiān)控系統(tǒng)”(S3：Smart Surveillance System)。英國雷丁大學(xué)計算機(jī)系成立了VIEWS(Visusl Inspection and Evaluation of Wide－Area Scenes)項目，開展車輛和行人的跟蹤及其交互作用識別研究。

國內(nèi)智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)研究起步較晚，主要應(yīng)用在交通、人工智能等領(lǐng)域，中科院自動化所模式識別國家重點實驗室自主研發(fā)并設(shè)計了一套交通監(jiān)控原型系統(tǒng)Vstar(Visual Surveillance Star)，用于交通動態(tài)場景集成分析與演示[8]。智能監(jiān)控系統(tǒng)在環(huán)保方面的應(yīng)用尚屬起步階段，主要應(yīng)用于室內(nèi)家居[9～11]、污染源[12，13]、車載空氣[14]等方面，在空氣質(zhì)量自動監(jiān)測領(lǐng)域較為少見。張志通等[15]針對空氣PM2.5顆粒物測量和溫濕度值設(shè)計了一套PM2.5數(shù)值遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，用于提示不同空氣質(zhì)量狀態(tài)。目前，我國現(xiàn)有的環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測國控站點數(shù)量眾多且地理分布分散，由于專業(yè)基礎(chǔ)、從業(yè)時間和操作經(jīng)驗等方面的差異，造成各地空氣質(zhì)量自動監(jiān)測站的管理水平不一致，從而導(dǎo)致監(jiān)測結(jié)果數(shù)據(jù)上存在精度上的不足，數(shù)據(jù)質(zhì)量受到不利影響。能對站房內(nèi)外環(huán)境及儀器運行狀態(tài)進(jìn)行在線監(jiān)控，并預(yù)留適當(dāng)?shù)墓ぷ鹘缑婊蛳到y(tǒng)接口以支持監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)控管理與異常預(yù)警提醒，將有利于提高我國環(huán)境空氣質(zhì)量控制技術(shù)水平。

本研究利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過研發(fā)空氣質(zhì)量自動站溫度、濕度、電流、電壓、浸水、煙霧、視頻的智能檢測與控制技術(shù)，集成監(jiān)測結(jié)果、儀器狀態(tài)、城市攝影等數(shù)據(jù)，研發(fā)并實現(xiàn)一套空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)采集、傳輸、分析、處理、質(zhì)量控制的智能化、自動化監(jiān)控管理的空氣質(zhì)量自動監(jiān)測站房智能云監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)珠三角區(qū)域空氣質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)的智能化升級，保障監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效性和準(zhǔn)確性。

2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

2.1 技術(shù)架構(gòu)

空氣質(zhì)量監(jiān)測云智能站房空系統(tǒng)技術(shù)框架如圖1所示，圍繞空氣質(zhì)量監(jiān)測過程“全要素監(jiān)控”，從監(jiān)測儀器、采樣系統(tǒng)、站房運行和外部環(huán)境4個層面分別監(jiān)控，實現(xiàn)空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)以及生產(chǎn)過程信息的智能化、自動化實時聯(lián)網(wǎng)，使監(jiān)測數(shù)據(jù)生產(chǎn)過程中的過程狀態(tài)數(shù)據(jù)從無到有，做到數(shù)據(jù)生產(chǎn)環(huán)境可追溯，四級保障空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效性和準(zhǔn)確性。

圖1 技術(shù)框架

2.2 物理架構(gòu)

本系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括子站端和平臺端兩部分，聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)通過環(huán)保專網(wǎng)或VPN專網(wǎng)進(jìn)行傳輸。子站端方面，集成了儀器監(jiān)測與狀態(tài)信息、采樣系統(tǒng)安防監(jiān)控、站房動力環(huán)境設(shè)備狀態(tài)與外部環(huán)境監(jiān)控等設(shè)備，詳細(xì)包含站房內(nèi)部溫濕度監(jiān)測模塊、采樣總管溫濕度監(jiān)測模塊、標(biāo)氣瓶壓力監(jiān)測模塊、三相電流監(jiān)測模塊、零氣發(fā)生器進(jìn)氣口壓力監(jiān)測模塊、水浸、煙霧監(jiān)測模塊等零部件，實現(xiàn)對空氣質(zhì)量監(jiān)測結(jié)果、儀器狀態(tài)、站外安防和站房動力環(huán)境的統(tǒng)一監(jiān)控和管理。平臺端方面，通過PC電腦或者手機(jī)移動端，可實時監(jiān)控或查詢聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)信息。當(dāng)站內(nèi)監(jiān)測結(jié)果、儀器狀態(tài)和環(huán)境參數(shù)出現(xiàn)異常時，可通過平臺告警、短信告警和郵件告警等方式告知站內(nèi)管理人員和運維人員，并自動記錄歷史數(shù)據(jù)和告警事件。

圖2 軟硬件總體架構(gòu)

3 子站端核心硬件

3.1 動力環(huán)境監(jiān)控設(shè)備

站房室內(nèi)動力環(huán)境監(jiān)控監(jiān)控設(shè)備包括監(jiān)控主機(jī)設(shè)備、電路電流電壓監(jiān)控設(shè)備、溫濕度監(jiān)控儀設(shè)備、空調(diào)控制器設(shè)備、光電水浸探測器設(shè)備、煙霧檢測器設(shè)備、聲光報警器設(shè)備、零氣發(fā)生器壓力與溫度傳感器設(shè)備、采樣總管探針型溫濕度傳感器設(shè)備、采樣管自平衡控制器等硬件。設(shè)備選取的具體參數(shù)(供參考)如表1所示。

3.2 室外安防監(jiān)控設(shè)備

包括站房外采樣區(qū)安防實時攝像監(jiān)控設(shè)備、人臉識別門禁管理設(shè)備2大部分，加強(qiáng)站房及外部采樣區(qū)安全系數(shù)、實現(xiàn)可視化站房外部監(jiān)管。其中，人臉識別門禁管理設(shè)備支持人臉識別、刷卡＋人臉識別、智能識別(人臉識別、刷卡＋人臉識別智能切換)多種識別方式，僅允許獲取授權(quán)的人員出入站房。站房外安防實時攝像監(jiān)控設(shè)備采用國內(nèi)某知名品牌型號為DS－2CD2T2XYZUV－ABCDEF的紅外筒型攝像頭，具體參數(shù)(供參考)如下。

(1)采用200萬像素紅外筒型攝像頭，紅外照射距離達(dá)到80 m。

(2)支持夜拍，ICR紅外濾片式自動切換。

(3)水平視場角大于90°。站房頂部約2 m高俯視固定角度安裝。視野范圍覆蓋所有采樣管和切割頭。

(4)攝影數(shù)據(jù)可實時傳輸?shù)接嬎銠C(jī)儲存，儲存期至少4周。

(5)實時攝像數(shù)據(jù)可遠(yuǎn)程傳輸?shù)绞?、市、縣各級平臺。

(6)工作環(huán)境－30～60℃，濕度小于95%(無凝結(jié))下可正常運作，適用于大溫差的室外操作以及室外惡劣的監(jiān)控環(huán)境。

(7)防護(hù)罩具有防雨雪、霧、防結(jié)霜、防海鹽等功能，保證拍攝效果不受惡劣氣象條件影響。防護(hù)等級IP67。

(8)支持RJ45網(wǎng)絡(luò)通訊。

4 中心端平臺設(shè)計

主要包括室外安防監(jiān)控、室內(nèi)動力環(huán)境監(jiān)控、儀器狀態(tài)管理、聯(lián)動智能報警四大部分。

4.1 室外安防監(jiān)控模塊

站房安防監(jiān)控子系統(tǒng)對站房的室內(nèi)外環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控、加強(qiáng)站房安全系數(shù)、實現(xiàn)可視化站房監(jiān)管。站房安防監(jiān)控管理主要包括安防監(jiān)控實況查詢、視頻回放與下載、多路徑掃描、多點展示與查詢、云臺控制、智能偵測與聯(lián)動告警、圖像配置等模塊。站房管理人員可在平臺端實現(xiàn)調(diào)取實時監(jiān)控、讀取自動拍攝的照片以及視頻信息。

4.2 動力環(huán)境監(jiān)控模塊

用戶可通過系統(tǒng)查看站房內(nèi)動力環(huán)境數(shù)據(jù)以及儀器狀態(tài)的實時和歷史數(shù)據(jù)，監(jiān)控對象包括站房動力和環(huán)境設(shè)備等設(shè)備，如采樣總管溫濕度、零氣發(fā)生器的氣壓與溫度、站房內(nèi)溫濕度、電源電壓電流功率等電路數(shù)據(jù)、水浸、火警煙霧、空調(diào)、聲光報警等。

表1 室內(nèi)監(jiān)控設(shè)備參數(shù)

4.3 儀器狀態(tài)監(jiān)控模塊

用戶通過使用站房監(jiān)控與運維痕跡管理移動APP能夠查詢各個站房的監(jiān)測儀器工作狀態(tài)，如高壓值、零偏值、錯誤狀態(tài)、鋅燈工作時間、采樣溫度、采樣流量、采樣壓力、軟件版本號、紫外燈源工作時間、流速、校標(biāo)濃度值等，用戶通過使用系統(tǒng)模塊查看儀器狀態(tài)及其警告信息。

4.4 聯(lián)動智能預(yù)警模塊

系統(tǒng)能對采樣總管以及顆粒物切割頭進(jìn)行實時地視頻監(jiān)控與人體軀干入侵智能報警，能及時發(fā)現(xiàn)采樣管區(qū)域的異常(如遭到破壞或淋噴等數(shù)據(jù)作假等行為)；當(dāng)站房出現(xiàn)有火警或者漏水情況發(fā)生時，系統(tǒng)在第一時間進(jìn)行自動報警，向多個用戶手機(jī)發(fā)送信息及時通知運維人員進(jìn)行處理。同時，系統(tǒng)能配套移動端APP對站房動力環(huán)境、儀器設(shè)備運行狀況進(jìn)行實時監(jiān)控與異常報警，結(jié)合運維工單委派與短信報警功能，能爭取讓運維人員在最快的時間內(nèi)發(fā)現(xiàn)故障、修復(fù)故障，減少數(shù)據(jù)丟失。

5 系統(tǒng)應(yīng)用

空氣質(zhì)量自動監(jiān)測站房智能云監(jiān)控系統(tǒng)圍繞大氣監(jiān)測設(shè)備運行、采集聯(lián)網(wǎng)、監(jiān)控為主進(jìn)行信息化管理，本系統(tǒng)已在廣東省磨碟沙等8個監(jiān)測站點示范應(yīng)用，PC端、手機(jī)移動APP端應(yīng)用效果圖如圖3、4所示。系統(tǒng)實現(xiàn)了8個監(jiān)測站房的監(jiān)測結(jié)果、儀器狀態(tài)、城市攝影等數(shù)據(jù)的實時聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)了點位環(huán)境及數(shù)據(jù)的智能化、自動化和網(wǎng)絡(luò)化的監(jiān)控與管理，有效提高了大氣環(huán)境數(shù)據(jù)的采集效率和準(zhǔn)確性，提高數(shù)據(jù)的發(fā)布能力，同時也提高了業(yè)務(wù)工作的自動化、信息化水平，方便管理人員的日常工作。

圖3 站房智能云監(jiān)控PC端系統(tǒng)(a.室內(nèi)；b.室外；c.儀器狀態(tài))

圖4 站房智能云監(jiān)控移動端APP系統(tǒng)

5.1 提高大氣環(huán)境監(jiān)測能力

實現(xiàn)環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測站點監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時采集和智能化處理，同時利用云平臺、大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)手段，充分挖掘監(jiān)測數(shù)據(jù)的應(yīng)用價值，提高大氣環(huán)境數(shù)據(jù)的分析、處理、發(fā)布能力，提升信息資源的服務(wù)能力，從而適應(yīng)數(shù)據(jù)量不斷增加、監(jiān)測種類不斷增加的發(fā)展現(xiàn)狀，全面提高大氣環(huán)境監(jiān)測的整體水平。

5.2 提高監(jiān)測站點、設(shè)備整體運維服務(wù)水平，提升數(shù)據(jù)質(zhì)量

為了應(yīng)對監(jiān)測點不斷擴(kuò)大，運維情況日益復(fù)雜的局面，需要充分利用信息化技術(shù)，借助于現(xiàn)代化運維管理理念，對現(xiàn)有流程和工作方式進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，進(jìn)一步規(guī)范業(yè)務(wù)開展，降低綜合運維成本，提高監(jiān)測設(shè)備故障發(fā)現(xiàn)和處理能力，從而加強(qiáng)運維團(tuán)隊的服務(wù)能力，提高人員工作績效，提高系統(tǒng)和設(shè)備的可用性。

5.3 提高環(huán)保業(yè)務(wù)的信息化、智慧化程度

建立適應(yīng)新時期工作要求的信息化系統(tǒng)，利用新技術(shù)、新方法、新途徑全面支撐環(huán)保工作各項業(yè)務(wù)的開展，以信息化建設(shè)、業(yè)務(wù)優(yōu)化統(tǒng)籌規(guī)劃的思路，發(fā)揮科技引領(lǐng)作用，提升大氣環(huán)境監(jiān)測業(yè)務(wù)的智慧化程度。

6 結(jié)語

本項目集成監(jiān)測結(jié)果、室內(nèi)外環(huán)境、儀器狀態(tài)、城市攝影等數(shù)據(jù)，研發(fā)并實現(xiàn)了一套空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)采集、傳輸、分析、處理、質(zhì)量控制的智能化、自動化監(jiān)控管理的空氣質(zhì)量自動監(jiān)測站房智能云監(jiān)控系統(tǒng)，具有以下特點。

(1)監(jiān)控范圍廣：智能站房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)除了能監(jiān)控傳統(tǒng)的站房環(huán)境參數(shù)外，還針對環(huán)境空氣監(jiān)測站房的業(yè)務(wù)需求，對標(biāo)氣瓶的壓力、零氣發(fā)生器的輸入壓力、反應(yīng)爐溫度進(jìn)行全面的業(yè)務(wù)監(jiān)控。

(2)跨平臺跨瀏覽器：系統(tǒng)支持多平臺，支持PC端以及移動端瀏覽，支持市面上大部分瀏覽器，IE、Google、火狐等。

(3)多樣化告警：系統(tǒng)提供多樣化告警方式，支持現(xiàn)場聲光、短信、電話、郵件、彈窗告警、APP推送等多種告警方式。

(4)可視化展示：通過虛擬站房模型實現(xiàn)可視化展現(xiàn)，并將動力、環(huán)境、業(yè)務(wù)等數(shù)據(jù)融為一體，實現(xiàn)立體展現(xiàn)。