空氣質量在線監(jiān)測預警預報解決方案

一、背景介紹

2015年7月26日，國務院辦公廳以國辦發(fā)〔2015〕56號印發(fā)《生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網絡建設方案》。該《方案》分為：

（1）總體要求；

（2）全面設點，完善生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網絡；

（3）全國聯(lián)網，實現(xiàn)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測信息集成共享；

（4）自動預警，科學引導環(huán)境管理與風險防范；

（5）依法追責，建立生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與監(jiān)管聯(lián)動機制；

（6）健全生態(tài)環(huán)境監(jiān)測制度與保障體系。（共6部分20條）

主要目標是：到2020年，全國生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網絡基本實現(xiàn)環(huán)境質量、重點污染源、生態(tài)狀況監(jiān)測全覆蓋，各級各類監(jiān)測數(shù)據(jù)系統(tǒng)互聯(lián)共享，監(jiān)測預報預警、信息化能力和保障水平明顯提升，監(jiān)測與監(jiān)管協(xié)同聯(lián)動，初步建成陸海統(tǒng)籌、天地一體、上下協(xié)同、信息共享的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網絡，使生態(tài)環(huán)境監(jiān)測能力與生態(tài)文明建設要求相適應。

二、系統(tǒng)概述

智易時代環(huán)保網格化管理系統(tǒng)根據(jù)國家環(huán)境部門發(fā)布的《環(huán)境信息網絡建設規(guī)范》（HJ460-2009）、《環(huán)境保護應用軟件開發(fā)管理技術規(guī)范》（HJ622-2011）、《污染源在線自動監(jiān)控監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸標準2122005》、《環(huán)境污染源自動監(jiān)控信息傳輸、交換技術規(guī)范》（HJ-T352-2007）等國家標準協(xié)議，以環(huán)境監(jiān)測點位數(shù)據(jù)傳感體系為基礎，針對不同環(huán)境企事業(yè)單位需求，運用最新的環(huán)保理論研究成果和信息技術，建立智能化環(huán)保網格在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)平臺。

平臺數(shù)據(jù)中心可提供所屬地區(qū)各監(jiān)測點位數(shù)據(jù)的實時采集傳輸、實時監(jiān)控空氣環(huán)境質量，實現(xiàn)在線數(shù)據(jù)查詢及報表統(tǒng)計、數(shù)據(jù)自動預警、環(huán)保信息綜合分析、數(shù)據(jù)歸集和排名反饋等，為環(huán)保的研究提供信息資源和手段，為環(huán)保業(yè)務管理提供統(tǒng)一的管理平臺。

三、功能特點

3.1 WEB端

3.1.1 監(jiān)測點位GIS地圖在線顯示

系統(tǒng)內所有監(jiān)測點位按所屬行政區(qū)域進行歸類和展示，監(jiān)測點位圖標顏色按其當前空氣質量指數(shù)AQI表示顏色動態(tài)顯示，圖標上方注有具體的地理位置，方便用戶直觀、一目了然掌握各個行政區(qū)域內監(jiān)測點位的部署情況和空氣環(huán)境質量現(xiàn)狀，系統(tǒng)提供多種方式的地圖效果（矢量、衛(wèi)星、三維）來實時顯示空氣子站的位置和實時數(shù)據(jù)。

3.1.2站點數(shù)據(jù)實時狀態(tài)查看

用戶點擊監(jiān)測點位圖標后系統(tǒng)自動顯示空氣質量指數(shù)AQI、站點地理位置、首要污染物、發(fā)布時間、各項監(jiān)測因子實時數(shù)據(jù)等信息，空氣質量指數(shù)AQI數(shù)值與表示顏色搭配顯示，直觀展示站點當前污染情況，監(jiān)測因子可以按照不同需求進行定制，顯示時間段分為實時狀態(tài)值、最近一小時值、最近24小時值等。

3.1.3 站點環(huán)境遠程視頻實時監(jiān)控

監(jiān)測現(xiàn)場可以安裝視頻監(jiān)控設備，通過窗口視圖直觀了解監(jiān)測站點的周邊情況和污染物實時排放數(shù)據(jù)，當周圍污染源濃度超標時自動抓拍，為公眾和環(huán)保部門監(jiān)督與執(zhí)法提供依據(jù)，同時可以了解監(jiān)測設備的實時狀況。當數(shù)據(jù)異常提醒之后，可以通過回傳影像資料判斷現(xiàn)場情況（需人工進行），當發(fā)生不可抗力因素時，同樣可以根據(jù)影像資料來判定事故詳情。

3.1.4預警、日報通知

系統(tǒng)提供預警、日報通知功能，預警包括超標預警、斷線預警和異常值預警，在監(jiān)測數(shù)值超標、數(shù)據(jù)連接中斷和出現(xiàn)異常值時，自動給設定聯(lián)系人發(fā)送提醒信息，保證系統(tǒng)的正常、穩(wěn)定運行，日報通知將轄區(qū)內各個行政區(qū)空氣質量指數(shù)日均值以短信形式發(fā)送給站點負責人或主管領導，讓環(huán)境管理者及時掌握環(huán)境空氣質量變化情況，在空氣質量惡化時第一時間知道詳細信息。

3.1.5 數(shù)據(jù)圖表展示

數(shù)據(jù)展示支持折線圖、柱狀圖、表格等多種形式，展示的內容包括空氣質量指數(shù)和各項監(jiān)測因子濃度的分鐘值、小時值，方便用戶查看時間段內空氣質量變化趨勢和污染物濃度變化情況，同時可以進行監(jiān)測點位之間的各項參數(shù)的對比分析，用戶可以自主設定展示的時間區(qū)間，導出打印時支持選用JPG圖片、PDF、EXCEL、WORD文檔多種格式。

3.1.6 環(huán)境質量數(shù)據(jù)排名

針對相關環(huán)境管理部門以及用戶個性化定制需求，系統(tǒng)設置獨立排名系統(tǒng)，目前采用AQI（空氣質量指數(shù)），提供日排名、小時排名數(shù)據(jù)，用戶可以查詢當天排名信息和歷史數(shù)據(jù)，除了空氣質量指數(shù)AQI外，還列出了PM10、PM2.5、CO等監(jiān)測因子小時值、日均值、首要污染物、空氣質量類別等信息。

3.1.7 AQI實時報、日報自動生成

按照HJ633-2012環(huán)境空氣質量指數(shù)(AQI)技術規(guī)定要求，自動生成實時報、日報數(shù)據(jù)報表，發(fā)布的指標包括各監(jiān)測站點的監(jiān)測站點信息、空氣質量指數(shù)（AQI）、首要污染物、空氣質量指數(shù)類別以及空氣質量指數(shù)說明等信息，可自動生成word、Excel、PDF多種格式格式的報表格式，日報格式如下表：

3.1.8 污染物來源分析

收集點位數(shù)據(jù)后，平臺對各項污染物統(tǒng)計值進行計算分析，初步建立點位污染源模型（當前采用方法為首要污染物比重餅狀圖解析），如果監(jiān)測點位條件允許，能夠實現(xiàn)現(xiàn)場采樣，則可以更加精確的進行污染物對比分析，通過各時間段污染物比重模型結合地區(qū)現(xiàn)狀來分析具體污染源和現(xiàn)場實際情況，并提供針對性治理方案。

3.1.9 設備監(jiān)控

系統(tǒng)可以實現(xiàn)實時監(jiān)視在線監(jiān)測儀器是否正常工作，數(shù)據(jù)上傳是否正常，從而清楚設備的運行狀況及運行進度，當前端數(shù)據(jù)采集設備或儀器出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)自動提供報警信息方便站點負責人及時知曉，并采取相應的解決措施，保證系統(tǒng)的正常、穩(wěn)定運行。

3.1.10 環(huán)境數(shù)據(jù)動態(tài)云圖展示

由于區(qū)域間空氣質量狀況的差別，系統(tǒng)基于各個區(qū)域內監(jiān)測數(shù)值實時以污染物濃度云圖形式渲染這種差別，云圖取每小時點位數(shù)值，顏色采用空氣質量指數(shù)AQI表示顏色，實現(xiàn)由“點”到“面”全面展示大范圍內空氣質量狀況。

3.1.11空氣質量、氣象數(shù)據(jù)導出

系統(tǒng)提供空氣質量、氣象數(shù)據(jù)導出功能，用戶在設置時間類型、站點、時間段以后即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)導出，內容包括點位信息、數(shù)據(jù)更新時間、常規(guī)6參數(shù)濃度值、主要污染物、空氣質量指數(shù)AQI。其中數(shù)據(jù)有效率按照國家標準進行計算，分鐘值以后端數(shù)據(jù)傳輸判定為準，小時值以每小時收集45個分鐘值為準，日均值以每天收集22個小時值為準，其余時間區(qū)間以日均值有效天數(shù)為準。

3.1.12 站點管理
用戶在此模塊可以實現(xiàn)監(jiān)測點位信息的增、改、查、刪等基本操作，點位信息包括監(jiān)測點位名稱、地址、經緯度、站點ID、所在區(qū)域名稱等內容，實現(xiàn)點位信息的動態(tài)管理，區(qū)域與編號為鎖定狀態(tài)，可自行配置名稱、經緯度、排名、公開、掉線預警等選項。

3.1.13短信配置

此功能可以查看短信配置詳情，添加條目可以新增加短信推送人員信息和發(fā)送內容，編輯選項可對接收短信用戶推送內容進行管理操作，配置的信息內容包括預警信息、日報、狀態(tài)預警、掉線預警，完成設置以后，列表中人員可以收到短信信息。
3.1.14污染物濃度預警

一旦空氣質量狀況出現(xiàn)異常波動時，系統(tǒng)啟動超標報警。此功能中分數(shù)據(jù)上下限與預警上下限，數(shù)據(jù)上下限為數(shù)據(jù)有效性判定標準值，超過界限的則被判定為無效。預警上下限為當監(jiān)測因子不在設定值范圍內一定時間之后，則會發(fā)送預警短信。

選擇站點便捷，將預警上下限設定臨界值，即可使用預警功能（0為默認）。

3.1.15 數(shù)據(jù)修約

此功能可對程序中未揀出的有誤數(shù)據(jù)進行人工修正，點擊數(shù)據(jù)修約選項即可進行修正，當值被設定為無效時，數(shù)據(jù)被揀出，不參與統(tǒng)計運算。（因系統(tǒng)計算規(guī)則因素，只可提供分鐘值與小時值的修約功能，目前只開放分鐘值修約）

3.1.16 用戶管理
對于不同的角色設置相應權限管理，一個角色關聯(lián)了一套操作權限。系統(tǒng)共提供了三種操作權限。系統(tǒng)用戶：擁有系統(tǒng)的所有功能操作權限；管理用戶：擁有部分業(yè)務相關 的功能操作權限；普通用戶：只能進行系統(tǒng)中相關內容的查詢操作，實現(xiàn)不同級別操作人員對數(shù)據(jù)訪問范圍和數(shù)據(jù)讀寫性的嚴格控制，建立統(tǒng)一用戶管理平臺實現(xiàn)所有用戶的身份管理，包括用戶個人身份信息、角色信息、電子郵箱、個人賬號和密碼。

3.2 用戶APP
手機版發(fā)布系統(tǒng)支持Android、IOS等主流的手機操作系統(tǒng)，系統(tǒng)界面簡潔、大方，易于操作。發(fā)布各個監(jiān)測站點的PM2.5、PM10、SO2、NO2、O3、CO小時、日均、月均濃度值，提供查看轄區(qū)內各站點空氣質量排名功能，并繪制過去24小時的濃度曲線圖。發(fā)布城市、區(qū)域的環(huán)境質量AQI、首要污染物、環(huán)境質量指數(shù)類別、環(huán)境質量指數(shù)說明以及健康提示等信息。按照《HJ633-2012環(huán)境質量指數(shù)(AQI)技術規(guī)定》，根據(jù)環(huán)境質量AQI進行顏色標識。
3.2.1 用戶權限控制

根據(jù)用戶級別不同，分別設定不同權限，普通用戶登入后只可查看賬號所屬站點詳情，以管理員身份登入之后，則可查看全部點位狀況與其均值顯示。

3.2.2 數(shù)據(jù)查看與分析
主界面可查看權限范圍內點位數(shù)據(jù)詳情，點擊不同監(jiān)測因子所在方格，下方折線圖則對應顯示其最近24小時內污染因子變化情況。
3.2.3 GIS地理信息顯示

點位狀況與web端同步，獲取坐標信息后即可在地圖上顯示，支持當前總體數(shù)據(jù)情況與單項指數(shù)切換，污染指數(shù)根據(jù)等級不同以不同顏色顯

如果點位信息過多時，可切換至列表進行搜索，一目了然，快捷高效。

3.2.4 歷史數(shù)據(jù)查詢

移動端在web端基礎上提供簡單的查詢功能，該模塊按照權限不同所屬轄區(qū)不同，可以查看站點最近24小時、或最近30天、或最近12個月，綜合指數(shù)或者分項指數(shù)的均值狀況。

3.2.5 環(huán)境質量指數(shù)排名查看

移動端可以便捷的為環(huán)境管理人員提供服務，管理者賬號登錄后，開放排名信息功能，提供當日轄區(qū)內站點排名，明確污染方向。

3.2.6 系統(tǒng)設置、功能標準、預警處理

輔助功能全部歸集于側邊欄內，APP向用戶推送通知，個人設置中可以設置是否接收消息、提醒方式等。


四、平臺架構與系統(tǒng)工作原理

4.1 環(huán)境數(shù)據(jù)采集

監(jiān)聽服務器使用公網固定IP，監(jiān)測儀器發(fā)送數(shù)據(jù)至此IP地址對應端口，系統(tǒng)自動采集并通過內置協(xié)議將字符串解析為需要的信息，實現(xiàn)數(shù)據(jù)包的校驗、檢查、解析和入庫（數(shù)據(jù)存儲），采用多線程異步通信技術與各監(jiān)測點通信，可查看原始數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)同步轉發(fā)。

當監(jiān)測點位斷線或者出現(xiàn)異常時，線程保留五分鐘對接期，五分鐘之內不上傳數(shù)據(jù)系統(tǒng)關閉線程，降低占用率，直至重新連接再次打開。

4.2 環(huán)境數(shù)據(jù)存儲

數(shù)據(jù)庫服務器對接收到的環(huán)境數(shù)據(jù)進行整體規(guī)劃，對環(huán)保業(yè)務涉及的眾多數(shù)據(jù)資源進行科學合理的分類，在此基礎上建立數(shù)據(jù)體系和數(shù)據(jù)庫體系，形成基礎數(shù)據(jù)庫、專業(yè)數(shù)據(jù)庫、元數(shù)據(jù)庫和標準數(shù)據(jù)庫。

由于環(huán)境大數(shù)據(jù)的保密性，數(shù)據(jù)庫服務器需要關閉公網服務和外接端口，與監(jiān)聽服務器接入同一局域網，使用內網IP。監(jiān)聽服務器解析完成后，通過局域網將數(shù)據(jù)存儲至此。數(shù)據(jù)庫定期備份、定期殺毒、定期更新軟件服務與相關插件，以保證存儲數(shù)據(jù)的安全。

4.3 環(huán)境數(shù)據(jù)分析處理

中心服務器針對各項數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)管理，嚴格按照相關法律法規(guī)及環(huán)保行業(yè)規(guī)定進行統(tǒng)計分析運算處理，得出最符合標準的環(huán)境數(shù)值。統(tǒng)計功能支持根據(jù)原始值值計算小時值、日報、月報、年報等。分析功能包括，對大氣、水質、煙氣等不同行業(yè)進行規(guī)則整合判斷、如煙塵，煙氣的含量跟氧氣關系，COD與濁度及溶解氧的關系等高級功能，根據(jù)用戶需求定制開發(fā)。

經過算法運行生成數(shù)據(jù)模型，實現(xiàn)系統(tǒng)建模分析的關鍵功能。

4.4 環(huán)境數(shù)據(jù)報表生成與排名

中心服務器生成各項報表后，根據(jù)空氣質量指數(shù)從低到高進行排名，指數(shù)越低排名越靠前。支持總體排名、區(qū)域排名、單站點排名。服務器與EXCEL報表、WORD文檔、JPG圖片、PDF等接口進行對接，使前端頁面可以順利導出打印。

4.5 環(huán)境監(jiān)測指標預警

預警預報服務器中置入交互模塊，每30分鐘采集監(jiān)測子站的運行狀態(tài)、設備狀態(tài)、監(jiān)測數(shù)據(jù)，對服務器進行信息交互傳輸、讀取操作日志，連續(xù)兩次出現(xiàn)異常，系統(tǒng)啟用預警提醒。同時可以將監(jiān)測因子標準接入檢測程序中，如果超標或者出現(xiàn)恒值，則提示相關人員并將信息傳輸至前置服務器。所有預警信息在前端頁面展示。

4.6 CMAQ空氣質量模型建模分析

CMAQ是美國國家環(huán)境保護局研制的第三代空氣質量預報和評估系統(tǒng)(Models-3)。系統(tǒng)采用靈活的模塊化思想，由氣體模式、污染排放模式、空氣質量模式組成?；贑MAQ的空氣質量模擬過程可實現(xiàn)設置可視化和運行自動化，以準確的MM5氣象場數(shù)據(jù)、污染排放清單數(shù)據(jù)為基礎，運用CMAQ模型，實現(xiàn)空氣質量預報結果的自動生成，并支持對結果的核對統(tǒng)計與對比分析，減少人工操作，通過適量定制化開發(fā)，可以作為區(qū)域臭氧、能見度、酸沉降等過程的整合應用平臺。

4.7 環(huán)境質量趨勢預判

中心服務器處理數(shù)據(jù)，結合實際數(shù)據(jù)建立源解析模型，結合天氣系統(tǒng)分析環(huán)境質量趨勢。充分利用積累的海量監(jiān)測數(shù)據(jù)，結合環(huán)境空氣污染指數(shù)法(API)、環(huán)境空氣綜合污染指數(shù)法、主要污染物污染物濃度評價法、污染變化趨勢的定量分析方法-秩相關系數(shù)法等方法，對區(qū)域內空氣質量狀況和變化趨勢進行綜合分析和預判。

五、系統(tǒng)硬件構成

環(huán)境指標監(jiān)測儀器子站
GPS子站定位模塊
數(shù)據(jù)采集設備
無線傳輸設備
數(shù)據(jù)監(jiān)聽前置服務器
數(shù)據(jù)庫服務器
WEB應用服務器