市县级环保局环境空气质量自动监测联网平台

市县级环保局环境空气质量自动监测网络化质控平
台
2016.07
目录
1、总体设计 (3)
2、设计原则 (3)
3、设计依据 (5)
4、建设内容 (6)
4.1数据审核处理系统 (6)
4.2大气在线监测系统 (10)
4.3环境地理信息（GIS）系统 (23)
4.4手机APP (24)
1、总体设计
系统设计遵循技术先进、功能齐全、性能稳定、节约成本的原则。

并综合考虑施工、维护及操作因素，并将为今后的发展、扩建、改造等因素留有扩充的余地。

通过对环境空气质量自动监测联网平台工作的内容及专业技术进行了深入的研究和分析，对比分析国内最新研究成果和应用成果，并结合我国国情，参照相关国家标准和部门颁布标准，遵照超前性和客观性相结合，信息技术和自动化技术相结合，现代技术和急促设施改造相结合，以及先进性与经济性相兼顾，管理手段与应用效果相兼顾的指导思想，最终设计并开发了该套县级环境空气质量网络化质控平台。

在系统开发中，综合运用了计算机自动控制技术、计算机网络技术、通讯技术、GIS开发技术、物联网技术、数据库技术等。

2、设计原则
（1）先进性
采用当前成熟且先进的技术，保持系统硬件、软件、技术方法和数据管理的先进性，保证
系统建成后再技术层次上5～8年内不落后。

同时具有较强的可移植性、可重用性，在将来能迅速采用最新技术，以长期保持系统的先进性。

（2）可靠性
以可靠成熟的软件产品为基础，结合具体需求进行配置、定制和二次开发的方式进行实施，保证有效缩短项目实施时间，降低项目实施的风险。

系统应能够支持较大并发用户同时进行浏览、操作等与数据库的交互式的操作，并且相对占用较少的硬件资源。

当意外事件发生时，能通过快速的应急处理，实现故障修复，保证数据的完整性，避免丢失重要数据。

系统具有较强的应变能力和容错能力，确保系统在运行时反应快捷。

安全可靠。

（3）安全性
系统安全是系统稳定运行至关重要的因素，本系统采用如下安全机制：
➢应用服务器应部署在安全防护等级二级以上的机房。

➢软件采用数字认证技术实现严格的权限控制，未授权人员无法登陆系统或进行相应操作。

桌面端和移动端均采用数据证书进行网络安全认证，以便保证数据操作及传输等
相关环节的安全。

➢采用身份识别技术，保护系统配置和注册的服务不被非授权请求访问。

➢对系统重要数据进行加密，确保系统数据的安全性和保密性。

➢软件采用强大的日志功能，记录用户的各种重要操作和系统的异常信息。

（4）扩展性
随着系统长期的使用，数据量会逐步增大，各地信息化程度越来越高以后，访问压力也可能逐步增大，因此需要系统在设计时就考虑良好的可扩展性，能够支撑将来扩容的需求，能够以较小的代价升级系统，提升系统支撑能力。

软件系统的建设能够适应不断发展的业务需求，能够灵活扩充，提供系统功能进一步扩大的基础技术支撑。

（5）易用性
系统具有一致的、友好的客户化界面，易于使用和推广，并具有实际可操作性，使用户能够快速地掌握系统的使用。

除特殊的、必须的应用外，用户终端全部采用浏览器的方式➢快速部署：可以再最短的时间里，进行应用结构和功能的定义、设计、实现。

➢零客户端维护：除特殊的、必须的应用外，整个系统采用B/S结构，所有的数据及应
用都统一在服务器端维护，用户端只要支持浏览器就可以完成全部操作。

➢操作简便：采用成熟的产品和先进的系统设计理念，同时应用设计遵循简单实用的原则，做到对操作人员、使用人员最低的技术门槛，简单培训就可以进行操作。

➢系统易于维护:使用该系统如同使用IE浏览器一样容易，且易于系统管理员维护。

（6）可维护性
➢本系统采用插件化、面向服务的设计体系，使系统有适应业务不断变化的能力，易于调整、扩充和组合，最大限度满足业务要求。

选用符合国际标准的通信协议和设备技术参数，使系统的硬件系统、软件系统、操作平台之间的相互依赖减至最小，保证没有单点故障，提供完整的应急预案和恢复预案。

➢本系统采用集群配置，并且确保客户端能够透明访问集群。

同时本系统还采用容错或容灾配置，对系统可能出现的故障有处理预案，并有必要的技术手段支持。

➢在系统预期的寿命周期内，可以升级和修改，以满足操作和技术变化的需要；售后服务体系要确保系统在规定的使用寿命周期内能连续运行。

3、设计依据
系统建设严格执行系统的标准化和规范化，以保证信息系统工作过程的规范化和信息系统数据的标准化。

所遵从的主要标准有：
⏹《中华人民共和国环境保护法》
⏹《中华人民共和国大气污染防治法》
⏹《大气污染防治行动计划》（国发〔2013〕37号）
⏹《大气污染防治目标责任书》
⏹《国家环境保护“十二五”科技发展规划》（环发〔2011〕63号）
⏹《关于开展环境保护重点城市环境空气质量预报工作的通知》（环发〔2000〕231号）
⏹《污染源自动监控管理办法》（国家环保总局令第28号）
⏹《国控重点污染源自动监控能力建设项目建设方案》（国家环保总局函[2007]241号
⏹《污染源在线自动监控信息传输、交换技术规范》（HJ/T355-2007）
⏹《环境空气质量标准》（GB 3095-2012）
⏹《污染源在线自动监控（监测）系统数据传输标准》（HJ/T212-2005）
⏹《环境污染源在线自动监控信息传输、交换技术规范》（HJ/T352-2007）
⏹《大气污染物综合排放标准》（GB16297-1996）
4、建设内容
环境空气质量自动监测联网平台是指环境保护部门通过通信传输线路与自动监控设备链接，用于对环境空气质量实施自动监控的软件和硬件，硬件主要包括子站数采仪、子站VPN、子站交换机、数据库服务器、VPN、机柜等。

软件部分包括数据审核处理系统、大气在线监测系统、环境地理信息系统、手机APP。

4.1 数据审核处理系统
数据审核处理系统的建设主要为实现县级监测中心数据资源的管理。

根据信息管理运行的方式与特点，系统的功能应该满足监测数据的审核、处理、查询、统计、分析等等。

数据综合管理平台的应用能够为环境部门进行环境空气质量综合管理、环境规划、决策分析提供支持。

数据审核处理系统通过利用大型关系型数据库在数据安全、一致性和分布式处理等方面的优势，将常规6参数、气象五参数等数据集中起来，使用户通过单一界面就可以方便的管理、查询、分析大量的环境数据，从而简化环境数据管理的难度，提高环境数据管理水平。

系统建设遵循《环境数据库设计与运行管理规范》相应要求。

采用Web Service数据访问技术、ETL数据加工分析技术等整合环境质量监测各项数据，并通过对数据的整理、加工、分析，提取综合、有效的环境数据结果，为环境质量数据的发布提供支撑，为环境管理决策提供数据支持。

架构如下图所示：
数据审核处理系统采用四层设计，主要有标准层、审核处理层、数据库层、服务层。

在标准层采用《环境空气质量标准》（GB3095-2012）、《环境空气质量评价技术规范（试行）》以及《环境空气质量指数（AQI）技术规定（试行）》等规范或标准文件，并符合市级传输协议的相关标准，按照新标准和评价技术规范的要求，实现了监测数据评价的标准化和规范化，通过这些标准和规范的制定，系统就能够实现各个层面的良好交流。

审核处理层主要实现对数据的审核和处理。

数据审核的方式主要有两种：自动审核和人工复审。

数据处理主要是对采集上来的数据进行汇总、集成、日均值修约等等，合格后才能入库，保证上报的监测数据的代表性和准确性。

数据库层主要用于元数据、基础数据的存储和管理等功能，对于已经建设空气自动监测管理数据库的县来说，保持现有数据库管理体系，在现有数据库管理体系作进一步开发，作好与省、市级数据库管理系统的借口与数据交换功能，数据库管理系统的主要功能包括建库管理、数据输入、数据查询输出、数据维护管理、代码维护、数据库安全管理、数据库备份恢复、数据库外部接口等，是数据更新、数据库建立和维护的主要工具，也是在系统运行过程中进行原始数据处理和查询的主要手段
(1)、元数据库
元数据是关于数据的描述性数据信息，大量地反映数据集自身的特征规律，方便于用户对数据集的准确、高效与充分的开发与利用。

通过元数据可以检索、访问数据库，可以有效利用计算机的系统资源。

(2)、配置数据库
配置数据库主要是针对数据库所支撑的各个平台的相应系统配置做数据支撑，如：系统的后台管理模块等。

(3)、基础数据库
基础数据库存储空气质量监测点基础信息等，是其业务模块运行的基础，系统提供功能对这些基础信息进行管理维护，保证基础数据在整个业务系统中的一致性和准确性，避免基础数据前后不一致造成的系统功能异常。

(4)、业务数据库
根据国标的相关要求以及业务系统相对应标准搭建，在确保数据格式的准确以及可更新性的基础上搭建。

采用国际标准及国家标准对输入数据标准化，采用标准编码，使进入数据库的数据格式共享，实现数据库之间的数据从技术上可完全交互。

对空气质量在线监测数据进行整合，形成统一的空气质量监测数据库，为数据分析、数据的实时发布提供基础支撑。

在数据服务层主要有数据查询、统计分析以及AQI日报自动生成这些功能，通过Web Service接口与数据库相连。

1）自动审核
在数据传输过程中，针对各项数据上报类型和规范要求，可以预定义数据校验规则，有效保证数据质量，自动审核能够基于《国家空气监测网监测数据标识体系》对异常数据进行筛选剔除，能够对离群数据和PM10、PM2.5倒挂数据进行筛选剔除。

对数据项有效值的上、下限以及表达格式按规范进行设置；监测项目的数值间逻辑关系也是审核的重点，进一步校对数据的合理性和准确性。

当上述审核过程中未出现异常情况，则数据审核通过并即可入库，整个检验审核过程由系统程序完成，接收数据时通过采用CRC校验等多种方式，避免了数据录入时的很多错漏状况。

对于任何的标记或剔除操作，系统自动记忆，作为日志备查。

2）人工复审
在自动审核的过程中，系统按照设定程序进行数据质量的审核，但由于缺乏对整个运行平
台宏观掌控，可能会将无效数据标识为有效数据，或将有效数据标识为无效数据。

人工复审就是要实现数据的第二次过滤和筛查，通过对分析仪的运行状态、子站维护情况、数采情况、网络等信息的了解，来确定自动审核数据的客观性和准确度，对自动审核未做标识的无效数据记为无效并说明无效原因，对自动审核误标识的数据，要将其还原为有效数据并按审核技术要求进行修约，对数据审核操作进行详细记录，包括审核人、审核时间、审核的监测项目、审核所采取的操作等。

人工复审时整个数据审核过程中最重要的一环，对审核人员提出了较高的要求，包括一致性检查、无效数据审核为有效、有效数据审核为无效、负值与零值数据的处理四部分。

数据一致性检查
数据一致性检查要求待上报的数据与市站、省站的数据一致。

进入检查界面后，点击“一致性检查”，可以查看当日数据的缺失情况，若本地数据或总站数据有缺失，需要进行数据回补操作，下达数据回补指令后，系统将自动向本地缺数平台进行数据回补，对于市、省站数据的回补操作，要在下发回补指令之前对市、省站回补IP地址进行配置，该地址主要用于本地向子站数采下发远程回补指令向总站数据库进行数据回补，只有完成了所有的回补操作并等待所有缺失数据回补完成后，才可以进行审核数据的下一步操作。

无效数据审核
对于某个站点预审核后的无效数据，查看依据国家数据平台软件对无效数据自动标识相关要求和标准对应的标识类型，结合实际情况逐个分析，比如：某站点PM2.5的13:00数据标记为PS，那么就要查看当天的站点维护日志该时刻是否确实做过PM2.5的跨度检查操作，从而确定该标识数据的有效性。

最后，将判定为有效的数据重新标识为有效数据，完成无效数据的审核过程。

有效数据审核
系统自动审核可能会将部分无效数据判定为有效，这就需要审核人员充分了解站点的运行情况，通过经验以及与其他时段数据以及历史数据的对比等方法来仔细甄别出未标识的无效数据，实例：某一时段的SO2校准操作过程未做标识，那么这一时段的数据出现了明显高于其他时段或历史数据水平的情况，那么该数据就该判定为无效数据。

对于未标识的无效数据的判断有一定的难度，这就要求审核人员具有高度的责任感和丰富的审核经验才能较好地完成有效数据审核为无效的操作过程。

零负值数据处理
因仪器设备故障、运行不稳定、监测质量不受控或者空气质量较好条件下气态污染物的浓度相对较低时，致使监测数据出现零负值的情况时有发生。

系统自动审核过程会将所有的零负值标识为无效数据，容易出现日报中某个污染物有效样本不足的情况，以致影响了数据的采集率。

因此需要人工复审所有的零负值数据，努力找出导致零负值的原因，如何排除了设备故障、仪器运行不稳定、监测质量不受控的情况，就要依据修约规则将零负值数据还原为有效数据。

3）AQI日报自动生成
系统根据《环境空气质量评价技术规范(试行)》(HJ 663-2013)自动生成相关日、周、月、季和年报，并能够以word、excel、PDF的形式导出。

4.2 大气在线监测系统
大气在线监测系统主要作用是采集、存储、处理、审核、统计、分析、展示SO2、NO2、O3等气体分析仪和PM2.5、PM10粉尘分析仪等的实时环境空气质量原始监测数据，其工作原理是：传感器和分析仪将多路测试信号按序通过接口协议进入无线通讯节点设备DVR的独立（DTU）传输通道，经避雷处理后输入到单元内数据采集器，采集器将采集的数据经过无线数据传输终端通过TCP/IP 网络传入到大气在线监测系统，系统按照《国家空气监测网子站监测数据报送传输协议》规定的内容接收和存储子站上传的监测数据，将接收到的数据进行解析、存储、处理、审核及上传等处理工作，以及在平台上进行数据统计、分析和展示。

系统负责市、县内所有空气质量监测站点的实时数据接收、处理、审核、展示等工作，数据的审核、处理遵循《环境空气质量标准》（GB3095-2012）、《环境空气质量评价技术规范（试行）》、《环境空气PM2.5和PM10自动监测有关问题的技术规定（试行）》以及《环境空气质量指数（AQI）技术规定（试行）》等规范或标准文件，并符合市级传输协议的相关标准，按照新标准和评价技术规范的要求，实现监测数据评价的标准化和规范化，实时数据经过审核后才可用于评价及上报，系统具备数据自动审核、人工修正、分段审核、检出限控制功能，审核后的结果自动上报给市、省级监测站，保证数据上报的准确性和一致性。

能实现对大范围内多源、多种类环境要素质量进行自动连续在线的实时接收、处理、审核、上传、备份等功能，在将分布于不同地方的采集设备的监测数据在线接收的同时，具备1点多
发功能，向市级监测联网平台采用POST 方式将按照传输格式和协议要求的数据实时发送，同时通过VPN 专用网络向总站、省站等多级、多个环境监测监控中心转发环境监测数据，并与其它职能部门的物联网平台对接，实现数据资源的互联共享，系统结构图如下：
图 大气在线监测系统结构图
系统基于市县级环境监测站现有监测设备及业务系统的实际需求设计，充分利用已有的软硬件系统及相关数据，对已有的支撑性应用软件系统通过系统集成或数据接口的方式将其纳入
风速传感器
风向传感器
温湿度传感器
氮氧化物在线监测仪
气压传感器
在线粒径分析仪
二氧化硫在线分析仪
臭氧在线监测仪
市级系统 通讯网络
区/县级环保中心区/县级办公网
通讯网络
市级办公网
省/国级系统
通讯网络
省/国级办公网
本系统并提供良好的系统和数据接口，便于数据实时更新和系统间的平滑应用。

数据的上传将严格按照《污染源在线自动监控(监测)系统数据传输标准》（HJ/212-2005）和《污染源在线自动监控（监测）数据采集传输仪技术要求》（HJ 477－2009）以及《山西省污染源监控系统数据采集和传输协议》的相关规定，设定传输软件程序，实现相关监测数据向上级环保部门相应系统的自动上报功能，具备一点多传功能，提供监测数据定时上传、自动补传功能，并可以自由设置数据上传点和上传时间间隔。

系统与现有国家、省、市平台接收软件可实现对接，可同时向国家、省、市、县环保业务部门和多级、多个环境监控中心转发原始环境自动监测数据，系统中数据在向上传输的同时，可将现场的原始数据自动存储在本地数据库中，实现数据备份功能。

在现场数据遭到破坏的情况下，直接调用最新备份数据实现数据恢复功能。

系统接收数据包时采用CRC校验等多种校验方式，确保了上传的实时数据的准确性。

实现各监测站点实时环境质量发布（含评价时段、监测点位置信息、各污染物浓度及空气质量分指数、空气质量指数、首要污染物及空气质量级别等信息），并可根据各监测点各项污染物实时浓度的不同对底图进行渲染展示，同时，并采用多种形式例如列表、地图、表格等展示。

本系统完全采用B/S结构，客户端无需安装、无需配置任何软件，通过浏览器就可以实现全部操作；瘦客户端设计，无需在客户端下载任何插件，可以使得系统在窄带网络上运行流畅。

本系统实现将GIS技术应用到环境质量在线监测的管理，实现空间数据和环境质量在线监测数据的深度融合。

建立环境质量监测空间数据库一体化的编码方案，实现环境质量信息的综合管理。

将各种环境质量监测因子与电子地图融合在一起，用户通过简单地在地图的点击可以直接显示区域范围内监测点监测数据等，实现数据的综合查询与分析。

结合地理信息系统（GIS）对空气质量监测信息（位置信息、各项污染物实时浓度、空气质量分指数等）进行更直观的展示。

GIS地图具有放大、缩小、漫游等通用功能，并能方便维护空气质量监测点位信息的增加、删除、修改等。

AQI数据发布系统基于GIS系统，实现实时环境空气质量指数（AQI）发布，并可根据各监测点各项污染物实时浓度的不同对底图进行渲染展示，同时，并采用多种形式例如列表、地图、表格等展示。

系统建设充分考虑可拓展性原则，为未来数据接入预留足够的接口，在不用对系统做任何
更改的情况下，可以自由增加监测站点数据资源，能够与扩展的监测站点进行无障碍对接。

系统建设完成后，具有以下功能特点：
1)数据采集
人工设置一定的数据接收时间间隔后，系统自动按照设定的接收频率采集各类监测数据，包括分钟、小时监测数据以及状态数据、设备参数等，过程中无需人工干预，全天自动采集。

2)数据存储
系统接收实时监测数据的同时，将采集的大量数据统一存储到本地数据库中，实现数据备份功能，保障系统的安全运行，以及各种系统故障的及时排除和数据库的及时恢复。

3)分段审核
数据审核过程支持分段审核，审核人员在审核小时值时，可随时分段进行，便于发现连续出现的无变化的异常值，数据审核人员如果需要进一步查看数据有效性的时候，可查看该小时内的质控结果数据，作为审核的参考依据。

4)人工修正
在自动审核的过程中，系统无法识别处于有效范围区间内的异常值，人工修正就是要实现数据的第二次过滤和筛查，日报人员可以按国家的技术规范修改污染物的监测值、标记位，修改时可以填写“备注信息”对修改原因进行注释，对于修改过的数据可以与原始数据进行对比查看，还可以还原原始数据。

5)数据上传
实时监测数据完成审核后，将通过传输网络自动上传到市、省级监测平台，保证数据审核结果的一致性和准确性。

传输网络主要利用VPN网络，用户通过接入内部虚拟专网的方式与Internet进行隔离，可对整个数据传送过程进行加密保护，保证数据传输的安全性和可靠性。

6)数据补传
当网络通讯中断或设备故障等原因造成数据缺失时，系统将自动对子站数采系统下达远程数据补传指令，向相应的缺数平台进行数据补传，还可以对市、省级监测站缺失数据进行数据回补，只需要在系统上对总站数据回补IP地址进行简单配置，本地就可以向子站数采下发远程回补指令对总站数据库进行补传。

7)检出限控制
因仪器设备故障、运行不稳定或其他监测质量不受控情况下出现的负值和低于检出限时，按相关技术规范对监测值进行标记；在环境空气均处于极低水平的条件下，部分仪器设备小时监测结果出现负值或零值时，对于低浓度未检出，取监测仪器最低检出限作为监测结果参加统计。

8)监测点位GIS地图在线显示
系统内所有监测点位按所属行政区域进行归类和展示，监测点位图标颜色按其当前空气质量指数AQI表示颜色动态显示，图标上方注有具体的地理位置，方便用户直观、一目了然掌握各个行政区域内监测点位的部署情况和空气环境质量现状，系统提供多种方式的地图效果（矢量、卫星、三维）来实时显示空气子站的位置和实时数据。