黃健 羅蘭 沈苑中等

摘要：我國環(huán)境問題日趨嚴重．對環(huán)境監(jiān)測提出了更高的要求，污染源在線監(jiān)控數(shù)據(jù)智能分析應運而生。結合“污染源在線監(jiān)控數(shù)據(jù)智能分析及數(shù)據(jù)安全研究”課題，建立新一代污染源數(shù)據(jù)安全智能分析模型，將其應用于浙江省污染源監(jiān)測領域，在降低建設成本，保障數(shù)據(jù)安全的前提下，為全方位、多層次、精準化的監(jiān)督管理提供智能輔助支撐。通過這些技術的應用，能夠實現(xiàn)實時性、可預測性及智能化等綜合性功能，為環(huán)境保護事業(yè)的發(fā)展提供強有力的支撐。

關鍵詞：污染源；在線監(jiān)控數(shù)據(jù)；智能分析；環(huán)境保護

中圖法分類號：X501 文獻標識碼：A

１ 環(huán)境污染與污染源在線監(jiān)控

１．１ 環(huán)境污染問題

在世界經(jīng)濟迅速發(fā)展的今天， 一直被人們忽略的環(huán)境問題日益凸顯， 沙塵暴、酸雨、泥石流等災害給人類敲響了警鐘， 需要強有力的手段約束人類違背自然規(guī)律的活動。目前我國經(jīng)濟處于快速發(fā)展的階段，人民的物質(zhì)生活水平也顯著提高。然而，在經(jīng)濟高速發(fā)展的背后，我們賴以生存的環(huán)境正在面臨更嚴重的挑戰(zhàn)。隨著當前城市的快速發(fā)展，各種污染也隨之出現(xiàn)并逐年加重。

１．２ 污染源在線監(jiān)控

污染源在線監(jiān)控指的是以在線自動分析儀器為基礎設備，綜合利用移動通信、現(xiàn)代傳感、自動測量、自動控制、互聯(lián)網(wǎng)等技術，對排污單位的污染排放情況進行實時監(jiān)控的過程，是提升生態(tài)環(huán)境部門環(huán)境監(jiān)管能力，強化對排污單位的污染物排放監(jiān)管的有效手段。

污染源在線監(jiān)控的應用可以實時發(fā)現(xiàn)排污單位污染物出現(xiàn)超標排放的環(huán)境違法行為，生態(tài)環(huán)境部門可據(jù)此及時采取立案調(diào)查、限期整改、行政處罰等后續(xù)環(huán)境監(jiān)管措施，進而有效打擊和震懾環(huán)境違法行為，減少因超標排放對環(huán)境造成的破壞。另外，污染源在線監(jiān)控可以在多種環(huán)境下實施與應用，進而有效解決污染源監(jiān)控中存在的面大、量廣、時效性的問題。

污染源在線監(jiān)控的應用可以對環(huán)境問題進行實時、準確、有效的管理，這也代表了現(xiàn)代環(huán)境保護管理的發(fā)展趨勢。

目前，全國各省均上線了污染源在線監(jiān)控系統(tǒng)，對排污企業(yè)進行了排放監(jiān)管。建設污染源在線監(jiān)控系統(tǒng)可以全面掌握各省規(guī)模以上污染源的污染物排放狀況，為環(huán)境質(zhì)量改善提供有效的數(shù)據(jù)支撐。

１．３ 在線監(jiān)控數(shù)據(jù)智能分析

近年來，隨著我國生態(tài)環(huán)境保護意識的提高，各省部署的污染源自動監(jiān)控點位數(shù)量逐年上升，不斷加強對污染排放企業(yè)的監(jiān)管［１］ 。

目前世界范圍內(nèi)的在線監(jiān)控系統(tǒng)主要停留在對數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控上，對大規(guī)模的歷史數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)性分析較為缺乏，數(shù)據(jù)的應用效果需進一步提升。系統(tǒng)停留于監(jiān)控感知層面，面對大量的企業(yè)實時傳輸數(shù)據(jù)，只能超標后督辦，未能起到智能分析、智能預警的作用。

在安全方面，傳統(tǒng)的建設方案重點關注設備的物理安全，但是明顯對監(jiān)測站點設備的系統(tǒng)、網(wǎng)絡安全考慮不足，特別是對于承載了大量監(jiān)控數(shù)據(jù)的工控機而言更是成為安全的短板。在傳統(tǒng)安全建設模式下工控機與安全設備缺乏聯(lián)動，很難應對層出不窮的新安全隱患。

綜上所述，現(xiàn)有的污染源自動監(jiān)控體系僅實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集、傳輸、管理的作用，在保障監(jiān)測數(shù)據(jù)真實可信上仍較為不足，主要體現(xiàn)在以下２ 個方面。

１．３．１ 環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)人為干預

上文提道，污染源在線監(jiān)控的應用可以實時發(fā)現(xiàn)排污單位的污染物出現(xiàn)超標排放的環(huán)境違法行為，生態(tài)環(huán)境部門可據(jù)此及時采取立案調(diào)查、限期整改、行政處罰等后續(xù)環(huán)境監(jiān)管措施，進而有效打擊和震懾環(huán)境違法行為，減少因超標排放對環(huán)境造成的破壞［２］ 。

然而，不當干預環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的行為時有發(fā)生，相關部門環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)不一致現(xiàn)象依然存在，如數(shù)據(jù)采集儀強制登錄篡改數(shù)據(jù)，采集數(shù)據(jù)人為干預、弄虛作假事件，導致環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量問題突出，不利于提高環(huán)境管理水平。

１．３．２ 環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡安全風險

傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測設備除了利用ＶＰＮ 對數(shù)據(jù)加密外，沒有其他安全防御手段，在如今外部網(wǎng)絡安全形勢嚴峻以及內(nèi)部環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡體系難以互聯(lián)互通、龐大復雜等背景下，作為生態(tài)環(huán)境前線“哨兵”的站點，其面臨網(wǎng)絡安全的挑戰(zhàn)。監(jiān)測站點作為環(huán)保監(jiān)測專網(wǎng)的分支，前端的數(shù)據(jù)采集儀、工控機等設備容易遭受攻擊，系統(tǒng)、數(shù)據(jù)被加密影響，業(yè)務風險加大；另外，監(jiān)測設備的實時運行狀態(tài)、策略的調(diào)整以及軟件版本升級維護等運維管理問題一直存在，以監(jiān)測工控機殺毒軟件為例，由于病毒規(guī)則庫更新不及時，往往導致安全系統(tǒng)形同虛設。

１．４ 研究現(xiàn)狀與問題

隨著固定污染源在線監(jiān)測手段的普及，環(huán)境監(jiān)測執(zhí)法業(yè)態(tài)由此前的粗放型、經(jīng)驗型、隨機性轉變?yōu)榫毣?、?shù)字化、精確化。固定污染源在線監(jiān)測經(jīng)歷了數(shù)據(jù)上傳階段，多省監(jiān)測系統(tǒng)已完成多級共享平臺建設，基于數(shù)據(jù)分析的智能化應用將變成環(huán)境監(jiān)測信息化的未來發(fā)展方向。

目前，環(huán)境標準越來越高，對環(huán)境監(jiān)測、環(huán)評監(jiān)管也提出了更高要求。目前自動監(jiān)測已經(jīng)成為企業(yè)環(huán)境影響評估的主要途徑，具備連續(xù)監(jiān)測、自動上傳數(shù)據(jù)、可實時同步的特點。

現(xiàn)有污染源在線監(jiān)控系統(tǒng)更多關注污染源監(jiān)測數(shù)據(jù)情況，而人為制造異常的情況往往隱藏在正常數(shù)據(jù)之中或被描述成故障而難以發(fā)現(xiàn)。常見的人為情況有利用稀釋、吸附、吸收、過濾等方式處理監(jiān)控樣品，對污染源自動監(jiān)控系統(tǒng)功能進行刪除、修改、增加、干擾，對污染源自動監(jiān)控系統(tǒng)中存儲、處理或者傳輸?shù)臄?shù)據(jù)和應用程序進行刪除、修改、增加操作等。

這些行為嚴重地影響了監(jiān)測數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

２ 數(shù)據(jù)智能分析研究

２．１ 污染源自動監(jiān)控異常案例收集

收集梳理浙江省生態(tài)環(huán)境部門近年來在污染源自動監(jiān)控在線數(shù)據(jù)異常等方面的實際案例，分揀問題情況的類型，把同類型的污染源問題分門別類，案例類型包括設備儀器安裝問題、設備運行問題、監(jiān)測數(shù)據(jù)問題等，通過對案例的分析，統(tǒng)計污染源人為異常動機與手段。

２．２ 數(shù)據(jù)樣本選取

在收集的案例中，重點分析監(jiān)測數(shù)據(jù)方面的問題。選定多種不同問題的數(shù)據(jù)樣本，且同類型的數(shù)據(jù)樣本準備３ 個以上，數(shù)據(jù)樣本應形成一定規(guī)模，從而提升數(shù)據(jù)分析的科學性。

２．３ 研究異常案例的數(shù)據(jù)變化規(guī)律

對選取的數(shù)據(jù)樣本進行研究分析，通過各行業(yè)的排放值規(guī)律、污染源數(shù)據(jù)的同環(huán)比、監(jiān)測項之間的協(xié)同影響、數(shù)據(jù)閾值等方法，研究數(shù)據(jù)的變化過程，確定初步的變化規(guī)律。

２．４ 數(shù)據(jù)分析模型研究

根據(jù)研究確定的數(shù)據(jù)變化規(guī)律，通過科學建模的方式，把理論規(guī)律轉變?yōu)橛嬎銠C分析模型，并且隨著樣本的不斷增加，對模型進行演進、完善，形成相對成熟的數(shù)據(jù)分析方法。探索構建不少于５ 種智能分析模型方法，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析的軟件成果展示。

２．５ 分析軟件設計研究

基于數(shù)據(jù)分析方法模型，結合日常管理、使用操作，設計分析軟件平臺。平臺擬具備多類分析方法生成數(shù)據(jù)的功能，可通過平臺操作，自動生成相應問題數(shù)據(jù)分析實例報告，實例能簡述污染源自動監(jiān)控數(shù)據(jù)的問題所在，標明問題數(shù)據(jù)指標、時間段及疑似情況說明。軟件支持實例報告的導出，且整體操作簡易、運行迅速、分析精準。

２．６ 人工復篩

為保證污染源監(jiān)測數(shù)據(jù)的真實性、原始性，針對第一手監(jiān)測數(shù)據(jù)開展研究分析，原始數(shù)據(jù)勢必存在部分因客觀原因導致的異常數(shù)據(jù)，如設備故障、傳輸丟包、量程限值等造成的負值、零值、超量程異常數(shù)據(jù)。

在分析平臺自動化分析生成數(shù)據(jù)分析實例報告后，需結合人工專業(yè)經(jīng)驗進行復篩，剔除如上異常數(shù)據(jù)及實例報告。人工復篩分為以下幾方面：（１）剔除異常濃度為負值時的數(shù)據(jù)及報告；（２）剔除超量程的異常濃度數(shù)據(jù)及報告；（３）剔除流量為零時的異常濃度數(shù)據(jù)及報告；（４）剔除污染源停產(chǎn)、檢修等非正常生產(chǎn)及質(zhì)控等非正常監(jiān)測時的異常濃度數(shù)據(jù)及報告；（５）剔除傳輸網(wǎng)絡中斷導致的缺失值、補零值的異常濃度數(shù)據(jù)及報告。

經(jīng)人工復篩后，數(shù)據(jù)分析報告的質(zhì)量進一步提升，減少后續(xù)核查及執(zhí)法檢查的人工投入，提升精準性。

２．７ 多手段聯(lián)動

深入數(shù)據(jù)分析實例報告的研究與驗證，在污染源分析數(shù)據(jù)的基礎上，通過結合視頻、門禁、監(jiān)控數(shù)據(jù)比對等多手段，聯(lián)動同一時間段該污染源的監(jiān)控情況。

通過視頻監(jiān)控站房內(nèi)的操作事件、視頻異常預警事件、門禁記錄人員進出時間，比較同時段內(nèi)質(zhì)控、維修等運維記錄，驗證數(shù)據(jù)分析實例報告的監(jiān)測數(shù)據(jù)變化是否符合真實情況，鎖定可疑情況。

２．８ 現(xiàn)場檢查

執(zhí)法部門依據(jù)分析報告開展污染源現(xiàn)場執(zhí)法，按照報告鎖定的線索，對污染源排污口進行查證，落實驗證可疑行為。

３ 關鍵技術研究

３．１ 基于元數(shù)據(jù)的多源異構數(shù)據(jù)集成

“污染源在線監(jiān)控數(shù)據(jù)智能分析及數(shù)據(jù)安全研究”課題的建設是一個多方數(shù)據(jù)收集、持續(xù)模型迭代演進推進的過程，把所有涉及的數(shù)據(jù)都一次集成到位是不太現(xiàn)實的。這就意味著我們需要在系統(tǒng)建設中打造一個“數(shù)據(jù)服務中心”，除了要制定統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標準，還必須為多數(shù)據(jù)源、異構的數(shù)據(jù)源提供支持，即一個數(shù)據(jù)服務平臺需要管理多個物理數(shù)據(jù)源，數(shù)據(jù)源之間可以進行無縫集成。

針對課題所提供的各類服務，將以元數(shù)據(jù)的方式進行描述，并建立相應的注冊機制，在多用戶、多平臺、多數(shù)據(jù)源的復雜異構環(huán)境下實現(xiàn)數(shù)據(jù)集成和數(shù)據(jù)共享。整個異構數(shù)據(jù)集成共享機制主要包括一個中心元數(shù)據(jù)服務器和多個分布式數(shù)據(jù)服務器以及遠程客戶端。元數(shù)據(jù)服務器包含所有用于共享的異構數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)，各個數(shù)據(jù)服務器則存儲共享的異構數(shù)據(jù)，用戶在遠程客戶端通過分布式網(wǎng)絡數(shù)據(jù)，先訪問元數(shù)據(jù)庫，通過對元數(shù)據(jù)的解釋選擇合適的數(shù)據(jù)接口，訪問存儲在不同數(shù)據(jù)服務器中的異構數(shù)據(jù)。

３．２ 實時數(shù)據(jù)中間層技術

實時數(shù)據(jù)中間層是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)發(fā)展的一個分支，它適用于處理不斷更新、快速變化的數(shù)據(jù)及具有時間限制的事務處理。實時數(shù)據(jù)中間層技術是實時系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫技術相結合的產(chǎn)物，希望利用數(shù)據(jù)庫技術來解決實時系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)管理問題，同時利用實時技術為實時數(shù)據(jù)中間層提供時間驅動調(diào)度和資源分配算法。然而，實時數(shù)據(jù)中間層并非二者在概念、結構和方法上的簡單集成。需要針對不同的應用需求和應用特點，對實時數(shù)據(jù)模型、實時事務調(diào)度與資源分配策略、實時數(shù)據(jù)查詢語言、實時數(shù)據(jù)通信課題中涉及的如污染源監(jiān)測、工況數(shù)據(jù)監(jiān)測等功能基于實時數(shù)據(jù)中間層技術進行管理和查詢。

３．３ 固定規(guī)則篩查

３．３．１ 稀釋

稀釋的手段有另外設置排放管道、稀釋排放、稀釋樣品；針對這些手段，對有２ 項及以上監(jiān)測指標的企業(yè)進行在線監(jiān)控數(shù)據(jù)同步分析，若存在２ 項及以上監(jiān)測指標同比例增大或者減小的情況，則進行標記。

３．３．２ 同行業(yè)排放量分析

同行業(yè)排放量分析把排污企業(yè)涉及的行業(yè)、排放標準限制、企業(yè)產(chǎn)量，以及廢水處理工藝等因素作為篩選條件，把同一行業(yè)、同一排放標準、產(chǎn)量相同以及廢水處理工藝相似的企業(yè)歸為一類，這類企業(yè)認為是相似企業(yè)。根據(jù)相似企業(yè)的廢水排放量，以監(jiān)測項的濃度類比分析，找出異常于平均水平的企業(yè)，將該企業(yè)標記。

３．３．３ 監(jiān)測指標協(xié)同分析

監(jiān)測指標協(xié)同分析包括在線監(jiān)控數(shù)據(jù)中的總氮與氨氮協(xié)同分析和化學需氧量與總有機碳協(xié)同分析。

（１）總氮與氨氮協(xié)同分析：對在線監(jiān)控數(shù)據(jù)中總氮和氨氮的濃度這２ 項監(jiān)測指標出現(xiàn)氨氮濃度大于總氮濃度的情況做進一步分析。當氨氮和總氮任一數(shù)值為０，剔除該項數(shù)據(jù)；當氨氮濃度除以總氮＜７０％時，標記該情況。

（２）化學需氧量與總有機碳協(xié)同分析：化學需氧量和總有機碳有較大相關性。

企業(yè)廢水的化學需氧量和總有機碳有線性回歸關系ｙ ＝Ｐｘ＋Ｑ，其中Ｐ 和Ｑ 的數(shù)據(jù)能夠在在線監(jiān)控因子對應的分析儀器中得到，ｘ 表示總有機碳，ｙ 表示化學需氧量。

根據(jù)化學需氧量或者總有機碳中的任意一個數(shù)值，應用關系式可以推出另一個數(shù)值，假設某一時間點儀器分析出總有機碳ｘ１ 和化學需氧量ｙ１。根據(jù)ｘ１計算得出化學需氧量的計算值ｙ２，根據(jù)標準規(guī)定，企業(yè)排放廢水中二者的分析值的誤差在１０％以內(nèi)是允許的，即｜ ｙ１ －ｙ２ ｜ ／ ｙ２ ≤１０％，超出１０％則認為是異常，標記該情況。

３．３．４ 超標突降和間斷超標突降

超標突降包括超標分析和鄰近超標分析，超標分析或鄰近超標分析是指企業(yè)在線監(jiān)控的某項監(jiān)測指標超標或者即將超標的情況，若該監(jiān)測指標數(shù)值突然下降，則對該項指標做進一步分析并對符合超標突降的情況，進行標記。

間斷超標突降是對超標突降的進一步分析，對超標分析的部分記錄數(shù)據(jù)做是否超標篩查，若存在超標情況，則標記為間斷超標突降。

３．３．５ 組合分析

組合分析是指組合多項分析規(guī)則進行分析。

（１）超標突降與監(jiān)測指標協(xié)同分析。

對于查找出來的超標突降數(shù)據(jù)，并且是氨氮大于總氮的情況，或者化學需氧量ＣＯＤ 與總有機碳ＴＯＣ不符合相關關系，標記該情況。

（２）超標突降與恒值。

對于固定規(guī)則篩查中查找出來超標突降的數(shù)據(jù)，同時超標突降的數(shù)據(jù)還具有企業(yè)儀器故障規(guī)則庫中的恒值特征，標記該情況。

３．３．６ 企業(yè)儀器故障規(guī)則

（１）零值。

在線監(jiān)控監(jiān)測指標或者流量數(shù)值連續(xù)２４ 小時之內(nèi)都是零值，標記為儀器故障嫌疑。

（２）恒值。

在線監(jiān)控監(jiān)測指標或者流量數(shù)值連續(xù)２４ 小時之內(nèi)保持不變，標記為儀器故障嫌疑。

３．３．７ 運維單位異常規(guī)則

運維單位異常規(guī)則是指運維單位保留的質(zhì)控記錄與數(shù)采儀上傳數(shù)據(jù)不一致，對于這種情況按照以下規(guī)則做進一步分析：運維記錄中質(zhì)控樣數(shù)值用Ｍ 表示，數(shù)采儀采集的歷史數(shù)據(jù)記為Ｎ，若滿足｜ Ｍ－Ｎ ｜ ／ Ｎ≥３０％，則標記為運維單位質(zhì)控記錄異常。

４ 結束語

可通過數(shù)據(jù)分析支持，多手段聯(lián)動監(jiān)控作考證，配合執(zhí)法隊現(xiàn)場執(zhí)法經(jīng)驗，提高查處作假行為的命中率，精準打擊環(huán)境違法行為。系統(tǒng)聯(lián)動監(jiān)控情況判斷造假或可疑情況，從而提供執(zhí)法反饋，便于模型積累豐富的樣本數(shù)據(jù)，為后續(xù)研究提供支撐，以持續(xù)改進模型，提升識別精度。完善自動監(jiān)測數(shù)據(jù)量值溯源體系，提升監(jiān)控轉化監(jiān)管的能力，助力精準執(zhí)法。

參考文獻：

［１］ 環(huán)境保護部，ＨＪ２１２?２０１７．污染源在線自動監(jiān)控（監(jiān)測）系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸標準［Ｓ］．北京：中國標準出版社，２０１７．

［２］ 中華人民共和國生態(tài)環(huán)境部，ＧＢ／ Ｔ１６７０６?１９９６．環(huán)境污染源類別代碼［Ｓ］．北京：中國標準出版社，１９９６．

作者簡介：

黃健（１９７７—），工程師，研究方向：生態(tài)環(huán)境信息化。

羅蘭（１９９２—），助理工程師，研究方向：生態(tài)環(huán)境信息化。

沈苑中（１９８３—），碩士，高級工程師，研究方向：生態(tài)環(huán)境信息化。

王江飛（１９９０—），碩士，工程師，研究方向：生態(tài)環(huán)境保護（通信作者）。