水質在線監測系統的設計
引言
在線 CODcr[1]水樣自動采集系統，對斷面具較強的適應性，COD 自動測定儀，測量方法是重鉻酸鉀消解光度測量法。在線監測系統包括在線監測儀器、數據傳輸網絡、數據處理、應用設施和業務信息系統，是集環境保護科學、在線監測和數據通信、現代網絡和信息系統為一體的新技術 [1~5]。
當前，多數水質在線監測系統存在功能單一、通用性差、傳輸方式單一等問題。傳統的水質在線監測系統僅適用在線測系統。而本系統可與美國的、法國的 Alert、日本的島津國際主流水質在線監測儀器生產廠家和國內的河北先河、武漢天虹及普析通用電子等儀器生產廠家現場檢測儀表的數據格式和協兼容，并將其采集的數據顯示在統一的通用平臺上。
水質連續監測系統主要是由控制單元、反應單元、測量單元、試劑單元和進樣單元組成。其結構簡單，安裝方便，適用于實驗室環境和野外環境。
1 COD自動監測儀
1.1 COD 原理及技術指標（重鉻酸鉀法）在強酸溶液中，一定量的重鉻酸鉀氧化水樣中還原性物質，在一定的溫度下（150℃）六價鉻被水中還原性物質還原為三價鉻，在 590nm 波長下，分光光度計連續測定三價鉻的吸光度，其吸光度與試樣還原物質成正比，進行定量分析。技術指標 ：測量范圍， 5~500mg/L、 10~1000mg/L、 測量準確度： ±10%，測量重復性 ：5%，響應時間： <30min，試劑更換周期 ：<14 天。
1.2 采樣系統原則及技術指標
本采樣系統以 ISO5667 提供的采樣技術指標為標準。適用于取得必要的數據進行質量控制，水質特征分析、水污染監測。在開闊河流采樣，應注意采集品地點的條件必須確保具有代表性，湍流地點是河水充分混合的地點。潛水泵與封閉管連接采集水面以下 30cm 處的水樣，輸送至水質連續監測系統中的采樣單元以 1.3 ～ 8.0mL/min 流量將水樣送入監測單元。采樣系統的材質對試樣不能有吸附和溶出，要求密封性能好并符合中華人民共和國專業標準（zrB350-85） ，技術指標： （1）一級采樣泵 ≤ 2.4m 以上； （2）二級采樣泵≤ 4m； （3）儀器必須安裝在室內，單臺儀器面積不小于 6m2 ，高度不小于2.5m。
1.3 系統原理
系統由現場設備（水質現場檢測儀表） 、智能數據采集傳輸裝置、計算機和水質在線監測系統軟件組成，基本工作原理如下：現場設備（水質現場檢測儀表）輸出的采樣信號通過 RS232/485 或 1~5V/0~5V、1~20V、4~20mA 等形式傳輸到現場處理終端內，現場處理終端根據各類檢測儀表的數據傳輸格式和協議對數據進行解析，轉換，對數據進行分類存儲，按照設定的傳輸方式采用 PSTN/ LAN/GSM/GPRS中的任一種或多種方式將數據傳送到上位處理終端，為防止數據的丟失或泄密，對數據進行加密和特征碼編寫，計算機接收端上位處理終端發過來的數據進行處理并將數據輸入到在線監測系統軟件的數據庫中，并由控制軟件進行管理和控制。計算機可通過數字接口經上位處理終端— 現場處理終端進行遠程設定采樣項目、采樣時間、采樣頻率等參數。
2 系統結構
軟件設計基于先進的 J2EF 架構。是目前流行且成熟的架構技術，能夠解決企業級的多種 WEB 應用問題。 數據庫方面選用成熟的關系數據庫技術，能夠管理海量的監測數據。軟件采用瀏覽器 / 服務器（B/S）結構，方便客戶端的安裝和使用。軟件內含地理信息系統模塊，既能直觀的管理和控制監測點信息，又能對多點位的監測數據進行區域分析和時空分析，挖掘其內在聯系和變化規律。
水質在線監測系統軟件以監測點為主線，以業務功能劃分模塊，形成一套既涵蓋在線監測管理的絕大多數業務，又能根據實際業務進行功能重組的實用軟件。按照業務流程和管理的需求，將業務模塊劃分為如下層次。
2.1 系統特點
應用地理信息管理子系統可進行以下管理和分析 ： （1）圖層信息管理 ：對各類的圖層進行分類管理 ； （2）流域環境質量分析： 對各個不同流域的環境監測進行對比，得出質量分析結論。分析流域的環境質量隨水文條件變化情況等分析功能； （3）點源流域影響分析 ：分析流域的環境質量隨污染源的排放情況的分析功能。
軟件基于 JZEE 架構、B/S 結構、關系數據庫結合地理信息系統。當前多數水質在線監測系統軟件均運行于微軟視窗操作系統平臺之上，跨操作系統平臺能力欠缺，也缺乏對監測點、監測數據的區域和時空分析能力。本控制軟件基于先進且成熟的 JZEE 架構設計，解決跨操作系統平臺運行的問題，符合國家自主知識產權的操作系統建設和普及要求。軟件采用 B/S結構， 降低對客戶端的配置要求。通過自主開發的地理信息系統模塊，可直觀、方便的管理監測點位信息和調度日常工作，管理海量監測數據，在此基礎上進行深入分析，挖掘監測數據間的內在聯系和變化規律 ；對多監測點位和監測數據進行區域分析和時空分析，對監測點位進行調度指揮等，為水質監測數據管理和控制以及水資源管理提供完整可靠的解決方案。第一代 C/S 結構的軟件己經取得著作權，著作號為 2003SR9306。
2.2 監控中心軟件的應用
監控中心軟件可對監測項目、采樣時間、采集頻率遠程設定，可遠程監視現場儀器工作狀況、診斷故障。
現有的水質監測系統軟件僅具有采集數據接收和設備故障報警功能，而本系統的控制軟件能夠根據監測數據的波動、數值大小等實際情況進行智能綜合判斷，并發出相應控制指令進行遠程設定和控制。可自動激活儀器，對儀器的各種參數如儀器的采樣時間、采集頻率等進行自動調整或遠程設置，對現場儀器工作狀況及故障進行診斷。
本系統采用智能數據采集傳輸裝置，裝置中內置各類現場檢測儀表的數據格式和協議，更換儀器后通過控制軟件做簡單的參數調整即能與現場儀器協同工作，適用范圍廣泛靈活。系統可根據協議生成的控制序列碼，在計算機和設備聯通的狀態，傳輸控制序列碼，設置設備屬性，對采樣項目、采樣頻率、采樣時間進行遠程設定。
2.3 系統具有良好的兼容性
本系統通過兼容當前應用的國內外現場儀器的數據格式和傳輸協議，實現與多種現場設備的對接和協同工作。
由于當前現場儀器的數據格式和協議多種多樣，現有的多數水質監測系統軟件僅僅適用于某一現場儀器或監測項目，難以實現對不同儀器的兼容。本企業通過細致的分析，基本掌握當前應用的國內外現場儀器輸出信號的數據格式和協議，并將這些數據格式和協議存儲于智能數據采集傳輸裝置的現場處理終端內部存儲空間中，從而實現與多種現場設備的對接和協同工作。同時，根據當前應用的國內外現場儀器信號輸出的實際情況，可兼容 RS232/485、4~20mA、1~5V/0~5V、1~20V電壓等多種方式。 現場處理終端內部還存儲系統特征參數，更換儀器后通過控制軟件做簡單的參數調整即能與現場儀器協同工作，適用范圍廣泛靈活。
3 結論與討論
傳統的水質在線監測系統僅適用于單一污染物的檢測，本系統克服傳統軟件的局限性，內部嵌入多種污染物等水質監測項目， 只要對參數略加調整，即可完成原來復雜的系列工作。
傳統的水質在線監測系統只具有顯示數據的功能，本系統將國家地表水質標準和監測水體的功能區標準輸入到系統的標準手冊中，可自動判定并顯示水體類別，提供超標和異常數據的報警功能。系統管理員可對標準手冊中變更的標準或新標準進行修改或不成加。
傳統的水質在線監測系統往往與傳統方式一一對應，本系統把各種傳輸方式集成于一體，用戶可根據需要靈活選擇傳輸與儲存方式。
傳統的水質在線監測系統往往僅與有關部門的環境管理的電腦終端相連，而缺乏與各種終端兼容的功能，本系統不僅與環境管理部門與用戶的電腦終端相連，而且可與政務公開的電子顯示牌、政務公開網站和環境指揮沙盤直接連接，各種參數可實時直觀的顯示于各種傳播載體上。
目前傳統的水質在線監測的開發皆基于微軟的視窗系統，與目前各級政府要求的自主知識產權的跨平臺的操作系統的差距較大，本系統采用 Java 語言開發，可輕松在包括 Linux/unix 等各個平臺之間轉換。控制軟件基于先進且成熟的 J2EF 架構設計，解決軟件跨操作系統平臺運行的問題，結合 B/S 結構，降低對客戶端的配置要求，提高系統的安全性和可靠性，為水質監測數據管理和控制提供完整的解決方案，也有助于水質在線監測系統的進一步推廣應用。
參考文獻
1 劉楊真，張金陽.廣東省水質自動監測的現狀及發展規劃 [J]，城市環境與城市生態，2002,15(3):35~36
2 曹喆， 秦保平， 徐立敏 . 我國污染在線監測現狀及建議 [J]，中國環境監測，2002,18(2):1~3
3 陳剛，楊慧巾，周治平 . 工業煙氣在線監測系統的設計，中南工業大學學報，2003,34(2):252~255
4 孟慶張，吳大維，林毅 . 探討城市污水在線監測系統的應用，中國給水排水，2004,20(7):34~36
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