在线监测系统建设方案探讨

本系统是示范工程区的在线监测方案，是动态监测调度技术的基础，其作用在于监测示范区，获得示范区及补水入湖河道的水文气象和水质数据。在此基础上，可以通过调取数据库中的数据来构建相关水质模型，提出入湖河流的流量调度方案。

◆建设目标

本在线监测的目的在于建立一套先进实用、准确可靠、快速及时、高度自动化的信息采集、监视和监控系统，以及相应的数据库系统。

◆建设标准和依据，见本书3.2.3.1节。

◆主要建设内容

本方案承担水质自动站分析仪器的配套及其系统集成，该系统是整体水质监测的重要组成部分，必须考虑全局系统的规划，从而保证提供满足技术要求所必需的硬件、软件、安装和调试。

本系统分为监控中心和自动站系统两部分，其中自动站系统由以下部分组成：

①采水单元；②配水单元；③预处理单元；④测量单元；⑤辅助单元；⑥数据采集及传输控制单元。

◆系统构成

自动站系统构成及各单元之间的关系见表5.12。

表5.12　自动站系统整体构成

5.3.3.1　自动站系统建设

(1)采水单元建设。

根据现场结构特征和水文状况等勘察情况决定采水单元设计类型，通常可采用栈桥式和浮标式采水方案。采水单元安装高度适中，考虑丰水期、枯水期的高低潮水位变化，防止设备损坏。

①河道采水单元建议栈桥式固定安装，如图5.20。

②滇池草海水位变化较大，可使用浮标式安装，如图5.21。

图5.20　栈桥式采水单元

图5.21　浮标式采水单元

◆采水方式

①设计原则

保证取水口能够随水位变化，保证取水水管的进水孔位于水表面以下0.5～1m的位置，并与河底、湖底保持一定距离，保证采集到具有代表性的符合监测需要的水样，还要保证取样洗头的连续正常使用；取水口下方设置不锈钢网，防止进水口淤积堵塞；采水单元应保证在丰水期或枯水期能正常工作；采水单元要方便采样泵的提升与安装，以便进行人工维护。

②注意事项

采水单元采用双泵双管路进样，进水管路串联，仪器并联。在系统中可增加清洗、曝气过程，每次分析过程结束后都清洗所有管路。

取水点采用浮球固定采水泵采水，在采水浮球上安装警示灯。采水浮球固定在栈桥上，中间固定杆可上下活动，双侧采用不锈钢钢丝固定。

◆采水泵

采水泵主要功能是把样品水从河道或湖中输送到站房中以供分析。根据采水方式选择水泵，常用的取样泵主要有潜水泵和自吸式离心泵两种类型。通常采用双泵采水系统，一用一备。

潜水泵适用于远距离、大落差的取水条件。自吸泵适用于自吸泵距取水点落差小于8m、距离小于50m的系统。

本方案优先选用国际知名品牌，如德国威乐水泵，见图5.22。工作方式采用双机热备(即：双泵工作，一开一备)。

◆采水管路

①设计原则

采水管路的设计应考虑防淤、防压等要素。

采水管路铺设应平滑并有一定的坡降，尽可能减少弯头数量，有利于清淤及扬水、避免排水时管道内部存水的目的。对采水管路较长的铺设情况应在适当的位置设检查孔，便于管路维护、检修。

图5.22　德国威乐自吸泵概述

取水软管多采用化学性能稳定、耐压、耐腐蚀、抗老化性能好的胶管。在满足取水量和管路压力的前提下，适宜的管径是使水样在管道内部的流速对管壁形成一定的冲刷作用，达到防淤、减少藻类生长的作用。

管路外套防护管后采用埋设的方式铺设，并且保证管路从湖水最低水位液面下的泥土中进入湖水；这种铺设方式不仅保证样品的温度等物理性质无大的变化，而且保护了取水管路，延长其使用寿命。

②注意事项

双管路采水，采水管路安装保温套管进行绝热处理，并在外部套用PVC管材，减少环境温度等因素对水样造成的影响；必要的防冻措施，保证冬季低温时采样管路不被冻裂；采水管采用弹簧管、UPVC管等材质稳定的材料，避免对水样产生污染；分析结束后管道内不存样水；采水主管路采用串联结构，各仪器并联到管路中。在站房进水处，要实时显示进口压力，能通过流量或压力显示采水状态并能报警；预处理单元前、后必须分别设有手动取水口，方便水样比对实验的采水。

◆工作方式

连续或间歇取水可调，为减少设备运行时间，建议系统采用间歇式取水方式。间歇取水方式既可以达到水质监控的目的，又可以节约能源，并延长水泵等设备的使用寿命。

系统每个最小工作周期为1个小时，可以根据需要设置系统的取样周期，例如2个小时、4个小时等，当出现紧急情况时，可以设置为连续取水。

注意事项：

采水系统可采用连续或间歇方式工作，并能够根据监测要求现场或远程设置监测频次；保证停电后重新来电时，采水系统、控制系统、监控软件能自动恢复工作，达到无人值守的目的。

◆采水单元清洗

采水单元反冲清洗主要是对管路系统进行自动清洗、空气反吹、除藻等维护操作，具有压力调节、状态监控和报警输出。整个单元由PLC控制，能与数采通信，实现远程监测保证整个系统的稳定运行。

由于各地的水质状况不同，有的水中含沙量大、有的水中藻类丰富。当系统处于长期运转状态时，就会有泥沙或者藻类留在管路中，不仅影响管道流量，而且会污染测量样水的水质。为把这些影响降到最小，系统在仪器测定间歇期增加了清洗步骤。

①设计原则

清洗分为气洗、水洗。气洗只对过滤器，水洗对所有管路。由于整个系统采用间歇式取水，当系统取水停止时，该系统提供清水来清洗所有管路。

系统所使用的清水可以为自来水或者经过净化的河水；并根据实际需要确定清洗水量和水压；清洗流程保证仪器在每完成一次分析后，能够清洗系统管道和反洗外部采水管道；考虑到不对环境造成二次污染，本设计中不使用化学清洗的方法；在系统中使用了专门设计的杀灭藻装置，采用先进的灭藻技术，保证系统管路内部免受藻类影响；通过向清洗水中鼓入压缩空气，产生大量连续的气泡，从而强化系统清洗效果；系统清洗的操作，可以通过现场或远程进行自动或手动控制。

②基本工艺组成

水洗装置由清水增压泵、电动球阀、电磁阀等组成。气洗装置由无油空压机、压力开关、压力传感器、电磁阀等组成。

水洗过程由反冲泵启动，通过控制各电动球阀和电磁阀状态，冲洗管路。气洗过程由空压机启动，通过控制各电磁阀状态，压缩空气清洗过滤器。

对于滇池草海，特别在夏季，水体中有大量的藻类繁殖，藻类在管路中的大量繁殖不仅会堵塞管道，而且会改变采水水样的性质。严重的会使水样失去代表性。

系统可选用化学试剂作为除藻剂，如2-甲基-4-异噻唑啉-3-酮(MCI)和5-氯-2-甲基-4-异噻唑啉-3-酮(CMCI)。这两种成分能抑制细胞的生长，促使细胞凋亡。

除藻单元由射流混合器、计量泵和电动球阀构成。

药剂配置：启动清水增压泵和计量泵抽取一定量除藻药剂注入管路，利用射流混合器将其与清水进行混合后进入系统管路中除藻。

管路除藻：用反冲泵沿清洗管进入其他仪器的配水管路，当除藻剂完全充满管道时，通过对管路上的电动球阀和水泵的控制，除藻剂在管路中静止一段时间后排出，达到彻底杀灭藻类的目的。

(2)配水单元建设。

配水单元主要功能是提供满足各种仪器要求的压力、流量和水质条件的水样。

◆配水方式

系统采用双泵双管路进样、主进水管路串联、仪器并联取样的方式，任何仪器出现故障都不会影响下面仪器的工作；并且在系统中可增加清洗、曝气过程，每次分析过程结束后都清洗一次所有管路(包括采水管路和配水管路)。

系统采用主进水管路串联、仪器并联的方式布设配水管路；主管路进样由电动球阀控制，而仪器进样则通过进样管处的阀门来控制；所有控制指令都由中心控制单元根据程序自动发出；常规参数(pH、溶解氧、氧化还原电位)仪器监测样品物理参数，对样品的化学性质没有任何改变，因此该仪器直接串联在主管路上，样品经过该仪器后仍回到主管路中，将不会影响后面仪器的分析数据；总氮、总磷和叶绿素a等仪器经过预处理系统装置取水，并联在主管路中。

为方便系统进行维护，在各分流管路上，通过手动球阀来进行调节。当某台仪器、控制阀损坏或者需要维护时，可以关闭分流管路，既不影响其他仪器的正常工作，又达到了维护维修的目的。

◆工作流程

①进样过程：采水水泵工作，通过对各电动球阀的状态控制使水样进入各仪器后排出。

②清洗站房内部管路：采水水泵停止工作，通过对各电动球阀的状态控制使清水沿进样方向通过管路，从而起到清洗站房内部管路的作用，并且使管路中充满了干净的水。

③清洗取水管路：采水水泵停止工作，通过对各电动球阀的状态控制使清水沿进样反方向通过站房外部取水管路，从而起到了清洗站房外部管路的作用。

④注意事项：管路干路中无阻拦式过滤装置，每台仪器都从各自的过滤装置中取水，任何仪器出现故障都不会影响其他仪器的工作；需满足各仪器对样品的要求，同时满足所有仪器的需水量；根据多参数仪器对水样的要求，对于多参数仪器供水不经过任何处理，直接进入仪器的进样方式；除多参数外的其他仪器，根据仪器对水样的要求，对水样进行预处理，使各仪器可以从各自专门的过滤装置中取样，且过滤后的水质不能改变水样的代表性；为方便系统进行维护，在主管路上，每台仪器都要设有旁路系统，通过手动阀来进行调节。保证单台仪器、过滤器损坏或者需要维护时，不影响其他仪器的正常工作。

◆配水单元清洗与除藻

相关设计与取水单元相同。

(3)预处理单元建设。

预处理主要是对样品水的过滤，去除水中的固体杂质，一方面起到保护作用，防止杂质损坏仪器设备；另一方面减少杂质对测量产生影响。

预处理单元管路采用优质硬质PVC管材，整个单元具有远程采水、多级过滤等多种功能，能提供不同分析仪器所需要的预处理水样，同时能为超标采样预留水样。具有分级流量、压力调节功能、采样器状态监控和报警输出。整个单元由PLC控制，能与数采通信，实现远程监测和反控，保证整个系统的稳定运行。

水样的预处理可保证分析系统的连续长时间可靠运行，不能采用拦截式过滤装置。在项目实施时应遵循以下设计原则：

水样预处理既要消除干扰仪表分析的因素，又不能失去水样的代表性；采用初级过滤和精密过滤相结合的方法，水样经初级过滤后，消除其中较大的杂物，再进一步进行自然沉降(经过滤沉淀的泥沙定期排放)，然后经精密过滤进入分析仪表；具备自动反清洗功能，预处理单元的自动运行及定时反清洗由控制系统控制，并能够在中心站计算机的控制画面中通过指令来切换预处理单元是处于自动运行状态还是反清洗状态；预处理单元能在系统停电恢复并自动启动后按照采集控制器的控制时序自动启动。

(4)测量单元建设。

测量单元是由水质和水文数据测定设备组成，主要功能是监测水体中总氮、总磷、叶绿素a、水温、河道流量和湖体水位。

◆总磷/总氮分析设备

总磷/总氮分析仪主要应用于地表水和市政污水的总磷和总氮的监测。拟选用美国哈希NPW-160分析仪，该设备可测定水体中总磷、总氮和COD含量，设备概况和技术参数见表5.13。

表5.13　总磷/总氮分析仪技术参数

续　表

◆叶绿素a和水温分析设备

叶绿素a分析仪主要应用于地表水和市政污水的叶绿素a的监测。拟选用美国哈希Hydrolab MS5多参数分析仪，该设备可测定水体中叶绿素a、水温和pH值，设备概况和技术参数见表5.14。

表5.14　叶绿素a分析仪技术参数

◆流量/水位分析设备

流量分析设备主要适用于天然河道、沟渠、溪流、人工明渠、灌渠、湿地、水槽等区域。拟选用哈希OTT ADC便携式超声波多普勒流量计，主要技术参数见表5.15。

表5.15　流量分析仪主要技术参数

水位分析设备拟选用哈希OTT Thalimedes浮子式水位记录仪，主要技术参数见表5.16。

表5.16　水位分析设备主要参数

(5)辅助单元。

辅助单元主要功能是实时采集风速风向和温湿度等环境数据。

辅助单元由风速风向仪，温湿度传感器和检测软件组成。风速风向仪与温湿度传感器将实时数据通过RS485等输出格式传给监控主机，监控主机读取实时数据，通过软件解析并显示。由于本单元中设备选择范围较大，因此本方案根据滇池草海及相关河道实际情况，列举设备可行的技术要求，具体如下。

◆风速风向仪

表5.17　风速风向仪技术要求

◆温湿度传感器

表5.18　温湿度传感器技术要求

◆监控软件

1)基于操作系统软件、工具软件、基本软件开发的本微机监控软件可以实现以下功能：

①数据采集与处理：中断开关量和状态开关量采集与处理；模拟量、脉冲量和数字量采集与处理。

②综合量计算。

③记录：事件顺序；事故追忆；电量分时累计；运行工况统计。

④报警与处理：报警参数越限报警与处理；I/O通道故障检测、报警与处理。

2)本监控软件人机接口可实现以下功能：

①显示输出：实时时钟显示；实时画面显示与刷新；简报窗口。

②音频输出：语音报警。

③指令操作：操作命令语法分析与处理；参数设定及修改；根据需要绘制趋势曲线。

④画面存储拷贝。

3)控制操作。监控管理程序负责启动管理各顺控执行程序，即时对条件有限制的顺控程序加锁等。顺控执行程序检查顺控程序语法，负责执行对一个顺控流程的操作，并完成数据库与人机接口的信息交往。

4)制表打印。打印功能包括：数据的日、月、季、年的定期报表。打印故障产生时的自动打印和日、月、季、年的故障表打印。

控制室有命令的行动打印和日、月、季、年内控制的命令表打印。操作人员的随机打印。全部监视器上可以看到硬盘拷贝输出打印。打印格式包括：时间(年、月、日、时、分、秒)，数据和事件名称、编号、单位(瞬时值、平均值、最大/最小值、积累值)。

(6)数据采集控制单元和传输控制单元。

数据采集和传输单元主要包含数据采集控制系统、数据处理传输控制系统两大部分。对所有测站现场设备检测元件采集的数据可实现双向数据传送控制(反控)功能。

◆设计原则

基本要求：现场数据采集设备的通信协议符合国家或行业技术规范；可以方便快捷地设定和更改阀值，能对数据进行一定的筛选和检错；具有采样频率远程设定及修改功能；能实现定时测量、随机测量、实时测量、直接测量、事件触发测量功能；能够与监控主机系统时钟同步；具备自检及完善的断点自保护和死机自动恢复功能；平均无故障时间大于5000小时。

◆控制方式

远程控制中心能够对数据采集传输设备的检测方式、检测频率进行设定及修改；检修、调试人员可通过就地控制系统的操作界面手动操作在线检测设备。

◆数据上传

在线检测的运行数据及顺序事件能自动向监控中心上报；所有上报数据均带有时间标记；仪器发生故障时上传故障标记；数据上报的形式由监控主机设定。

◆数据处理

现场设备能够接受监控主机各类设置参数和指令，并自动执行。

◆操作界面

提供中文操作平台，操作方便，交互界面友好；多级用户权限管理功能。

◆数据通信系统功能

采用公共无线通信网络，满足以下要求：

安全性：在数据帧发送前进行数据加密，在线数据采集系统的通信服务加防火墙隔离等措施，防止他人恶意干扰。

可靠性：要求在无线通信中断恢复后能够自动上传中断时段的数据。能够检验数据是否正确。

通信软件能够适应各类通信设备和通信方式；通信链路为在线方式，线路带宽需满足在线数据采集传输量的需求。

◆系统功能

充分考虑环保行业应用，系统端口充足，提供模拟量、数字量、开关量等多种接入方式，对采集数据进行转换存储，提供实时数据和历史数据多种查询方式，支持国标(HJ/T212-2005)等传输协议和《污染源在线自动监控(监测)数据采集传输仪技术要求》及各地方省市相关标准。能主动和被动接收指令、上传监测数据、控制设备运行、反馈运行状态和报警信息等功能；具备可靠性设计、大存储容量、冗余通信机制、超强环境适应能力。

系统具备对仪器的分析结果进行采集、处理、存储和传输功能；可采集现场所有分析仪器的实时数据和运行状态；可监控现场各设备工作状态，并以图形化的界面显示；能够对相关单元的参数进行设置；可按通信协议要求定时主动上传历史数据、报警信息等；能接受中心站的远程访问，实现远程状态监控和参数设置；具备对通信链路的自动诊断功能，一旦通信链路不畅，能够及时自动恢复通信链路；支持有线通信，可扩展支持无线方式的通信；具有网络功能，通过网络路由器实现与局域网或广域网的连接；在断电时保存系统参数和历史数据，在来电时自动恢复系统。

◆数据采集控制系统功能

数据采集能够做到完整、准确、可靠，其他仪器则按照分析周期每周期采集一个数值和系统及仪器工作状态。

当现场监测仪器对水样进行测量之后，数据采集控制系统能够实时通过接口接收从监测仪器中发送过来的测量数据并进行记录，并保证所采集数据真实有效。

数据采集系统从监测仪器中采集数据之后，根据不同的监测仪器进行存储，并进行标示，如标识数据采集时间等。通过接入的网络接口传输至监控中心，由监控中心对所采集的数据进行处理。

具有自动采集功能，为地表水质监测站项目选用的水质管理控制系统软件可以自动地将从水站监测设备上采集到的各种监测数据通过光纤、PSTN或GPRS等通信方式实时上传到市级监测站和省监测站。无须人工干预，全自动操作。

可以实现各种监测设备的多种信号的连接和数据传输。数据采集控制设备可以与现场各种设备的输入/输出的模拟、脉冲和开关数字信号连接。同时将污染物浓度数据与流量同步数据结合换算成污染物总量数据并实现传输。具有同时采集信号模拟量和数字量功能，通过现场安装的GE Micro PLC可采集最大16路数字量，并且在无法采集数字量时，通过PLC自带的模拟端口可采集模拟量信号。满量程时模拟量采集值与测量值误差≤1%。

◆数据查询与安全

测量数据及实时状态可按需要进行各种方式的数据查询。存储数据只能进行读取、写入但不能进行处理，以保证数据的真实性。

系统可根据有效数据自动生成日报、周报、月报、季报、年报等各种报表、图表，并能动态定制各种报表。

系统通过通用的通信接口采集实时数据并存储，数据传输之间采用开放的通信协议和标准数据传输方式，控制中心具有对各数据进行权限设置的功能。不同级别的用户具有不同的数据权限访问功能。

系统软件应具有数据的保护功能和动态异地数据备份、恢复功能。系统可将现场的数据通过网络定期地上传到指定的市级监测站或省级中心站，实现动态异地数据备份功能。在现场数据遭到破坏的情况下，通过远程调用备份在市级监测站或省级中心站上的最新备份数据实现数据恢复功能。

◆系统控制

自动控制系统具有在现场及远程进行人工参与控制功能，具有手动和自动控制功能，可在自动处理失效的情况下切换到手动方式进行操作。根据用户对不同设备的要求，进行相应的控制。如设备的开关、切换、标定、调节、清洗、连锁保护、报警等，并可以实现多点多路切换。控制系统运行稳定可靠。

主要的控制功能可实现远程控制。现场站和远程站之间实现了双向的数据传输，可远程控制监测设备的启停、阀门的开关、流量的切换、反冲和清洗，主要设备量程的设定、状态监测和自动标定。

◆系统软件

友好的人—机界面，中文的图形界面。

系统软件可在界面上将系统流程实时、准确地显示出来，包括现场执行器的动作和传感器的反馈数值，同时本次水质自动监测站内的操作都可在工控界面上显示。

系统软件具有在定时和固定时段采集历史数据进行报表统计和数据曲线分析功能。(www.xing528.com)

系统软件具有判断水质类别、首要污染物和各指标的超标情况功能。根据用户要求进行数据处理，进行不同时段的数据对比功能。采样系统可以根据监测的水质参数数值来进行水质类别判断功能，对首要污染物及其他各项指标的超标情况进行数据处理。同时可以对不同时段采集的数据进行对比。

提供系统日志功能，能记录系统和设备运行状态及故障信息等。

◆应急监测

系统支持远程启动紧急监测功能。

系统具有自动分类报警功能，可根据采集的不同信号特征在系统软件上设置报警上下限，从而根据设定状态参数或故障报警信号等信息自动对分析结果的有效性进行判断，并能够根据状态参数等对测量数据进行人工有效性识别，无效数据可根据种类标注不同的状态标识符。

◆系统体系扩展

系统在设计时即采用开放式体系结构，使得系统便于扩充，选用的GE Micro PLC具有扩展接口，为以后增加设备预留了扩充接口，同时网络具有升级能力。留有系统维护端口，该端口能够采集系统日志及非正常数据，以供技术服务机构及时获取系统故障信息。留有扩展接口以便将来安装视频监控系统。

◆自检与防护

系统具备自动巡检功能，可根据系统设定的采集时间自动进行远程巡检，查询设备运行状态。

电控柜中安装有雷击保护器，可以有效地保护自动监测系统中的仪器设备。

◆数据处理及传输系统功能

①数据传输之间采用开放的通信协议和标准数据传输方式，控制中心对各数据进行权限设置。

②水质管理控制系统软件采用网络化设计，可实现各级监控中心终端对系统的访问和采集数据的共享。

③方案采用的水质管理控制系统可以与省级监控中心有效对接，具有省级监控中心要求的所有功能(包括数据上传和反控指令)。

④系统具有在各监控点和环境保护局双向操作、管理远程控制功能，可以实现水质监测站数据传输、现场工作状态、安全和参数超标报警等远程监控。

⑤系统具有安全防护功能和数据加密功能，通过对不同级别的用户名赋予不同的使用权限，实现金字塔式权限约束，在进入系统时需首先确认身份，才能使用相应的操作。

⑥水质管理控制系统软件具有可扩展性强的特点，能方便地增减和修改站点点数、每个站点内的被测因子参数和被控参数，并没有数量及种类的限制。

⑦水质管理控制系统软件采用了模块化设计，具有可维护性强的特点。同时为用户提供所有开发源代码。当出现软件功能需求变更时，可直接对源代码进行修改，确保符合业主的各项要求。

◆数据传输通信协议说明

本次项目所使用的各种设备通信完全符合《污染源在线自动监控(监测)系统数据传输标准》(HJ/T 212-2005)、《环境污染源自动监控信息传输、交换技术规范(试行)》(HJ/T 352-2007)协议。系统接口具有RS/232及485通信接口，通过扩展通信模块实现以太网接口功能。

①系统框架结构。

数据采集和传输系统基本框架如图5.23所示。

图5.23　数据采集和传输系统基本框架

数据采集和传输系统从底层逐级向上可分为现场机、传输网络和上位机三个层次。上位机通过传输网络与现场机交换数据、发起和应答指令，如图5.24所示。

本项目中现场有多套监控仪器、仪表。监控仪器、仪表具有模拟或数字输出接口，连接到独立的数据采集传输仪，上位机通过数据采集传输仪实现数据交换和收发指令。

数据采集传输仪与监控仪器仪表的通信方式采用Modbus(现场总线协议的一种，使用RS-232C兼容串行接口，它定义了连接口的针脚、电缆、信号位、传输波特率、奇偶校验等)标准。

图5.24　数据和采集传输系统分级

②协议层次。

本数据传输通信协议对应于ISO/OSI定义的七层协议的应用层，在基于不同传输网络的现场机与上位机之间提供交互通信。协议结构如图5.25所示。

图5.25　传输协议结构

基础传输层依据不同的传输网络可有两类实现方式：

a.基于TCP/IP协议的，此方式的使用建立在TCP/IP基础之上。常用如：通用无线分组业务(GPRS)、非对称数字用户环路(ADSL)、码分多址(CDMA)、光纤到户(FTTH)等。

b.基于非TCP/IP协议的，此类方式的使用建立在相关通信链路上。常用如：公共电话交换网(PSTN)、短消息数据通信等。

应用层依赖于所选用的传输网络，在选定的传输网络上进行应用层的数据通信，在基础传输层已经建立的基础上，整个应用层的协议和具体的传输网络无关。

③通信协议数据结构。

所有的通信包都是由ACSII码字符组成(CRC校验码除外)。

表5.19　数据段结构组成

表5.20　数据段结构组成

④通信流程。

图5.26　通知命令(两步)

⑤代码定义。

表5.21　系统编码(可扩充)

表5.22　执行结果定义(可扩充)

表5.23　请求返回(可扩充)

表5.24　命令(可扩充)

续　表

续　表

5.3.3.2　监控中心建设

监控中心功能主要为远程控制采样点位架设的自动站系统，实现数据的获取、统计分析以及对自动站系统各单元的远程调控。

由于监控中心系统功能相对复杂，组件相对较多，同时各组件品牌型号较多，因此本方案对监控中心提出以下建设目标。

◆监控中心设计

针对计算机系统集中监控中心的设计，在满足可利用率大于99.9%的前提下，提出以下建设目标。

表5.25　系统使用条件

表5.26　响应时间

表5.27　设备运行可靠性

表5.28　设备扩展性

表5.29　视频监控设施

◆监控中心硬件设备建设

针对监控中心硬件设备，提出以下建设要求。

表5.30　工业控制计算机主要技术参数

续　表

表5.31　便携式计算机主要技术参数

表5.32　硬盘刻录机主要技术参数

表5.33　UPS电源主要技术参数

表5.34　液晶电视机主要技术参数

◆监控中心软件设计

设计原则：

(1)开放性原则。支持多种硬件平台，采用通用软件平台开发，具备良好的可移植性，支持与其他系统的数据交换和共享，支持与其他商品软件的数据交换。

(2)标准化原则。符合我国国家标准、信息产业部部颁标准、水利部相关技术规范和要求。

(3)分布式、模块化软件架构设计原则。完全模块化设计，支持参数化配置，支持组件及组件的动态加载。

(4)安全性。用户认证、授权和访问控制，支持数据库存储加密、数据交换的信息包加密、数据传输通道加密，发生安全事件时，能以事件触发的方式通知系统管理员处理。

(5)可靠性。应能够连续7×24h不间断工作。

(6)兼容性。软件版本易于升级，任何一个模块的维护和更新以及新模块的追加都不应影响其他模块，且在升级的过程中不影响系统的性能与运行。

(7)易用性。软件系统的各类人机交互操作、信息查询、图形操作等应实时响应；信息的查询、操作、输入界面，用图形、文字和数据三种方式在计算机上展现，数据表格应具有报表打印功能；系统的操作要求简单易用。

◆系统架构思路

监控中心由数据库及其管理软件SQL Server、数据分析管理软件，根据用户方的实际情况，决定数据库管理系统采用微软公司的SQL Server 2008，系统开发使用微软公司的Visual Studio 2008，系统架构模式采用C/S和B/S混合架构。以下简要介绍架构中的关键技术。

(1)NET技术。

Microsoft.NET是Microsoft XML Web Services平台。XML Web Services允许应用程序通过Internet进行通信和共享数据，而不管所采用的是哪种操作系统、设备或编程语言。Microsoft.NET平台提供创建XML Web Services并将这些服务集成在一起。

该技术贯穿于微软所有的产品和服务，它能允许消费者和企业从各种机器上找到并且运行因特网上的任何一种应用程序。.Net的技术核心是一种计算机语言XML，它能使网络上的数据在不同的设备中交换——如服务器、PC、手机——运行任何一种应用程序，无论这些应用程序是用什么语言编写的。

Microsoft.NET平台包括了非常广泛的产品系列(增强智能设备、服务、服务器和工具的客户端)，这些产品旨在用于支持XML并纳入Internet行业标准。使用Microsoft.NET框架是生成、部署、管理和使用XML Web Services的最佳方法。框架如图5-27。

图5.27　Microsoft.NET框架

(2)XML技术。

XML(EXtensible Markup Language)是互联网联合组织(W3C)创建的一组规范，以便于软件开发人员和内容创作者在网页上组织信息，其目的不仅在于满足不断增长的网络应用需求，同时还希望借此能够确保在通过网络进行交互合作时，具有良好的可靠性与交互操作性。采用XML作为不同系统的数据交换标准。XML数据传输是不同系统之间日渐流行的标准数据传输方式，由于与平台和编程语言的无关性，因此，通过XML可以有效保证对各种异构系统的数据接口需要，以达到政府各系统数据资源的最优整合。其特点如下。

1)适于异构应用间的数据共享

XML的灵活性和扩展性使其可以对不同应用甚至是差异很大的应用间的数据进行描述，尤其是对于那些专用于记录数据的应用。另外，XML具有自我描述的特性，结果是数据可以在不同的应用间进行交换与处理而不必要求相应的应用程序是针对该数据定制的。

2)用于强大的数据检索

XML属于元标记语言，进一步讲，根据这一特性，用户只要在XML的文档类型定义文件中定义一系列有意义的标记，这样基于该文档类型定义文件所产生的XML文档就可以按照任意的条件进行查询和检索，甚至实现计算机自动检索，而相应的检索引擎可以是通用的而不必局限于具体的应用。

3)提供多语种支持

XML规范中提供了对多语种的支持，包括UTF-7、UFT-8、UNICODE、GB2312(简体中文)、BIG5(繁体中文)等等，这一特点使得XML非常有利于多语种的应用开发。

4)中间件技术

随着计算机技术的飞速发展，各种各样的应用软件需要在各种平台之间进行移植，或者一个平台需要支持多种应用软件和管理多种应用系统，软、硬件平台和应用系统之间需要可靠和高效的数据传递或转换，使系统的协同性得以保证。

这些都需要一种构筑于软、硬件平台之上，同时对更上层的应用软件提供支持的软件系统，而中间件正是在这个环境下应运而生。

比较流行的中间件的定义是：中间件是一种独立的系统软件或服务程序，分布式应用软件借助这种软件在不同的技术之间共享资源。中间件位于客户机/服务器的操作系统之上，管理计算资源和网络通信。

从中间件的定义可以看出，中间件是一类软件，而非一种软件；中间件不仅仅实现互联，还要实现应用之间的互操作；中间件是基于分布式处理的软件，定义中特别强调了其网络通信功能。

◆数据库设计

数据库的建设是监控中心建设的重要支撑，根据各种数据的存储、管理特点，数据库整体结构采用集中与分布相结合的方式，中心数据库存放所有相关的数据。

功能要求：

(1)避免各种数据源的信息孤岛问题，实现所有相关信息源的中心平台整合。

(2)便于信息的决策分析，为决策支持系统提供完美的信息支持。

设计原则：

(1)减少数据的冗余度。数据尽可能不重复、减少冗余，以此维护数据的一致性。

(2)应用程序共享数据资源。这是数据库先进性的重要体现之一，即以最便捷的方式服务于一个或多个应用程序。

(3)数据的独立性。数据的独立性包括数据库中数据的逻辑结构同应用程序相互独立。数据物理结构的变化不影响数据的逻辑结构。

(4)数据集中控制。利用一种软件实现对数据的维护、更新、增删和检索等一系列操作并通过数据模型表示各种数据的组织以及数据间的联系。

(5)数据的可控性。安全性控制包括防止数据丢失、错误更新和防止越权使用。完整性控制包括确保数据的正确性、有效性和相容性。并发控制包括在同一时间内允许对数据实现多路存取，同时又能避免用户间的非正常交互使用。维护性控制包括故障的发现和恢复。

(6)数据编码标准化。

◆通信网络

安全的通信网络方案，实现各类信息采集和设施设备控制，能够保证很好地处理数据信息的实时性和海量传输的关系，为水资源调度管理提供科学、及时、可靠、完整的决策依据。

针对需求，提出安全监控与管理系统以下的建设目标。

(1)物理层面：在安全监控与管理系统的通信网络安装防雷措施，保护网络不受雷击破坏。

(2)网络层面：在传输网络上，全监控与管理系统采用视频监控管理示范区范围，对示范区动态信息进行实时监控，从而最大程度保证传输的安全。

(3)应用层面：

安全认证：安全监控与管理系统不同于传统的企业级的网络视频监控系统，其安全性是系统重要考虑的问题。系统安全性除了基本的防攻击、防非法侵入、防病毒等要求之外，还需要保证只有合法用户可以访问和使用网络视频监控系统提供的服务，保证用户只能管理自己设置的监控点的前端子系统设备，查看有权限使用的监控点的视频监控图像；保证用户保存在系统中的视频文件的安全，不会被其他用户甚至是系统管理员私自查看。为达到上述要求，该系统中设计了将采用现有的完善的安全性机制，从多方面保证系统的安全性。

认证机制：用户访问系统时都将进行身份认证，用户输入用户名和密码后，认证信息采用64位的DES加密或1024位RSA加密处理，由中心管理服务器的认证模块对其进行验证，以判断用户是否有权使用此系统。认证系统对用户进行安全认证，身份验证的资料来源于中心数据库服务器，数据库服务器管理着系统中所有用户的身份资料。用户使用用户名和密码正确登录平台后，平台将会维护该用户的会话信息，用户由此使用系统提供的服务。高效的认证机制使非法用户无权使用系统。

5.3.3.3　其他辅助设施

◆视频监控

根据实际的需求，在水域中设置了五个视频监控点，视频摄像机拟采用艾尔森系列高性能产品，完全能够满足用户现场监控需求，视频监控系统安装完毕后，能够实时监测示范区情况，完成实时视频图像采集，并能通过网络将实时视频图像监视信息传送到监控中心及其他主管部门，实现远程监视，并通过计算机网络实现信息共享。同时视频监控系统中，为了防止被雷击损坏，保护安装的视频监控设备，在视频监控系统中安装了防雷设施。同时对摄像机的技术要求作出如表5.35的要求。

表5.35　视频监控摄像机主要技术参数

续　表

◆防雷避雷设施

本方案所有防雷设施拟采用华海力达生产的产品，方便用户日后运营维护，技术人员对电源系统、通信系统、视频监控系统等室外设施都安装防雷设备。对于室外设备，根据需要进行接地，以保证在雨季雷击活动期间能够使设备、通信设施不间断运行，防止雷击损坏，为用户提供一个安全稳定运行的系统。

主要防雷避雷设施为电源防雷器、视频防雷器和通信防雷器。防雷设计是保证自动运行的重要保证。防雷设计采用避雷针与地网接牢、避雷针与有线或无线通信天线分开的方式。系统电源及通信防雷采用专用工业防雷器，采用两级防雷措施，B级+C级，B级用于泄放大电流，C级用于泄放残存电流；与通信线路的防雷设施，构成三级防雷措施，有效地保证了贵重仪器不受雷电的损坏。既要达到预防直击雷的目的，同时也能预防感应雷。

◆警示标志

设置警示灯和警示标志，提示过往船只安全，防止人为破坏。

◆线材

入水部分电源线及信号线：传感器防护等级为IP68、12VDC供电，入水电源线及信号线可以直接浸到水中。

◆供电

系统自供电源采用杆式高置太阳能，并辅以蓄电池防止电源电压不稳定影响设备正常工作，在断电时依然能够实时监测，如图5.28。

图5.28　系统供电