文/浙江融创信息产业有限公司高级工程师 陈向荣
饮用水安全是国家环境保护的重点工作，本文介绍了利用先进的计算机、网络通信、遥感控制、自动监测等技术组成物联网水质自动监测物联网系统，实现饮用水源信息的采集、储存、传输、处理、分析的数字化、自动化和资源共享。该系统涵盖无线和有线网络传输接入和网络集成、视频监控系统软硬件开发实施、动力环境监测系统软硬件开发实施、手机刷卡门禁系统建设、水质监测设备采购和系统集成、环保在线监控软件平台建设等，结合地理信息系统（GIS），具有先进性、安全性、独特性、复杂性等方面的特点。
1 项目简介
保障饮用水安全是国家环境保护工作的重点工作，关系到广大人民群众的健康和生命安全，保障工作刻不容缓。按照党的十七大关于建设生态文明战略思想的总体要求，要以科学发展观为指导思想，重点解决危害人民群众健康和影响可持续发展的突出环境问题。
浙江省为全面提升饮用水源监测技术水平，更好地为饮用水源管理和决策提供技术服务，在《浙江省环境保护“十二五”计划》中提出了全省主要饮用水源自动监测和管理系统建设计划和目标，利用先进的计算机技术和网络技术实现饮用水源管理工作、饮用水源水质监测和相关饮用水源信息的采集、储存、传输、处理、分析的数字化和饮用水源信息资源共享，及时地为饮用水源管理和宏观经济决策提供可靠的科学依据。
作为鱼米之乡的浙江多年来平均降水量仅为1604mm，水资源总量为955.41亿立方米，人均水资源量仅1754立方米，低于全国平均水平2200立方米，只有世界人均的1/4。长期以来，以量的扩张为主的粗放型经济增长方式造成的高投入、高耗水、高污染、低效益的状况还未根本扭转，水环境恶化的趋势尚未能得到有效控制。根据浙江省水利厅监测，浙江饮用水源安全保障能力仍然不足，部分水库型饮用水源地呈富营养化趋势，平原河网饮用水源地水质差，安全隐患多，城市供水水源单一，应急供水储备能力不足。
浙江省环境保护厅为全面提升全省饮用水源监测技术水平，更好地为饮用水源管理和决策提供技术服务，于2010年开始建设饮用水源自动监测系统，同时在计算机信息化建设上配备相应的信息管理系统，项目总投资1.68亿元，全省11个地市共计建设了81个水质监测固定站、17个浮标站，以及省、市、县三级共计66个分级的饮用水源地水质自动监测计算机平台系统，2012年7月24日完成了项目整体验收，进入了运行维护阶段。该系统投入运行将为环境决策、管理和科研部门提供更为科学、详实、有效的科学基础数据。
2 技术方案
饮用水源地水质自动监测系统运用环境自动监测、计算机、自动控制、网络通信等技术，将数据自动检测、采集分析、视频监控、动力环境监测和地理信息系统（GIS）相结合，形成统一的监控管理平台，具有先进性、独特性、复杂性等方面的特点，体现为：一、系统集成50种以上监测仪器，包含了水质检测、仪器仪表监控、动力环境监控、视频监控，是目前全国水质监测项目中最大最全的物联网系统。二、系统是全国首个饮用水源专用平台，在拥有常规监测参数（常规五参数、TOC、氨氮、总磷总氮等）的同时包含了生物毒性监测、藻类分类监测、重金属、VOC有机物等非常规监测参数。三、分布式中心管理控制平台部署在浙江省省级、11个市、54个县，总共66套平台和66套数据库，数量多、地域跨度大，各自独立工作，网络互联互通跨越移动、电信、联通三大运营商，并涉及环保专网内各厅局、监测站的内部局域网，集成硬件厂商包括中兴、惠普、深信服、天融信、海康、哈希、岛津、YSI等数十家国内外设备仪器厂商。
饮用水源地水质自动监测系统涉及三个网络：环保专网、移动无线网、Internet网络。系统主体基于环保专网，逻辑网络构成可分为三级，第一级为建设在水库、水厂等水源地的水质分析监测站，第二级为县级、市级中心管理控制平台，第三级为省级中心管理控制平台。浮标式水质监测系统和平板电脑移动终端通过移动无线网络，由专用APN数据专线接入省级中心管理控制平台。环保专网外的用户在因特网上通过VPN接入省级中心管理控制平台，接驳系统。
水质分析监测站系统由取水单元、配水及水样预处理单元、水质自动监测仪器、辅助系统、控制通讯以及软件系统等部分组成。取水单元包括采水装置和输送管道等部分；配水及水样预处理单元包括沉沙装置和过滤器等；水质自动监测仪器包括常规五参数仪器、氨氮、总磷总氮、重金属、藻类分类、VOC有机物分析仪器等；辅助系统包括清洗单元、废水处理单元、压缩空气单元、除藻单元、防雷单元、放电磁干扰单元、防盗单元、视频监控单元、动力环境监测单元、门禁安全控制单元、电源保护及恢复单元等部分，用以保证水质监测系统的正常运行；控制通讯及软件系统由控制单元、数据采集单元、数据传输单元、水质监控中心管理系统组成。
水质分析监测站原始数据直接发送至各级数据库，审核后的数据按照级别层层上传。市、县级中心管理控制平台部署平台服务器、视频监控动力环境监测服务器、交换机等。省级中心管理控制平台部署平台服务器、ArcGIS服务器、视频服务器、动力环境监测服务器、浮标式水质监测系统服务器、NAS存储、防火墙、VPN网关、安全认证服务器、汇聚交换机等，系统托管于移动公司IDC机房。浙江省饮用水源地水质自动监测系统整体拓扑结构图，见图1。
图1 饮用水源地水质自动监测系统整体拓扑结构
3 平台架构
浙江省饮用水源地水质自动监测系统中心管理控制平台的主要功能如下：
(1) 地图可视化管理功能
中心管理控制平台使用WebGIS技术，实现基于IE的在线地理信息系统，分类显示饮用水源地监测站的地理分布及在线情况，图示直观地表示数据采集率、数据有效率、报警故障等信息，提供每个水质监测站的实时数据、站点360度全景图片等，以流程图、虚拟仪表盘等形式展示结果。
(2) 实时数据监测功能
通过各类专业的水质分析仪器对水源地水质数据进行监测，实时反映饮用水源地生物毒性等指标的变化情况和趋势，连续反映五参数、藻类、叶绿素a的变化趋势以及周期反映氨氮、总磷、总氮、总有机碳、重金属、氰化物、氟化物、挥发性有机物等指标水质变化情况。
(3) 分类别的多种报警手段
故障报警，系统故障报警及仪表设备故障报警。超标报警，常规监测参数的实时检测值超过预定的上下限阀值。急性毒物报警，生物毒性仪、氰化物、氟化物等急性毒物指标出现异常情况。各种报警信息，可以设置为通过平台提醒、电子邮件、手机短信等多种方式发送报警信息，实现饮用水安全预警。
(4) 远程控制管理功能
中心管理控制平台能够远程实时控制现场设备，系统能够自动或者手动远程关闭和开启设备，调整设备采样监测频率，实现重新采样分析等反控操作。同时，中心管理控制平台能够远程控制现场摄像机,全面查看水源地现场情况，对于动力环境设备也能实现远程操控。
(5) 视频监控、动力环境监控功能
通过安装在水源现场的高清摄像机，实现实时视频监控，并通过数据叠加技术，将现场实时视频与水质监测实时数据集成，提供直观的视频监测手段。
通过安装在水质监测站内部的电力过载、灯控、烟感、水浸、红外人体感应等动力环境监控设备，保证水质监测设备运行环境正常，保障设备持续有效工作。
(6) 数据分析和报表管理功能
原始数据一点多发，审核数据逐级上报，支持历史数据、实时数据、原始数据的查询。水质监测数据支持基于复合条件（站点性质、时段、集成商、地区、河流、是否超标等）的复合查询，对各种数据可以进行图形化的标识、对比、分析，结果可导出为Excel、Word、Access、PDF等格式。
浙江省饮用水源地水质自动监测系统平台架构图，采用了先进的云计算分层分级的业务设计理念，见图2。
图2 浙江省饮用水源地水质自动监测系统平台架构
4 项目特点
浙江省饮用水源地水质自动监测系统的建设采取了多方合作的模式，省环境保护厅出台建设范围、技术规范等指导性意见，协调各标项中标商，统筹安排项目建设进度，协调项目必须资源如站房基建工作进度；负责项目的验收及后续维护工作考核。通信运营商和环保系统集成商负责全省饮用水源地在线监测平台建设、水质监测站建设和维护工作。
该项目系典型的环保物联网系统，涵盖无线和有线网络传输接入和网络集成、视频监控系统软硬件开发实施、动力环境监测系统软硬件开发实施、手机刷卡门禁系统建设、环保物联网设备采购和系统集成、环保在线监控软件平台建设等，项目投资大，技术复杂，涉及部门多。该项目充分运用了环境自动监测、计算机、自动控制、网络通信等技术，将数据采集分析、视频监控和地理信息系统（GIS）相结合，形成统一的监控管理平台，具有先进性、独特性、复杂性和全自动等方面的特点。系统实现了实时监控水质各种参数，以专线或安全无线传输方式接入环保专网；通过无线网络接入饮用水源地在线监测平台，可实时查看全省所有饮用水源地水质情况，及时处置突发情况，有效防范大范围饮用水安全事故，为政府决策提供有力依据。浮标式水质监测系统和平板电脑移动终端通过移动无线网络，由专用APN数据专线接入中心管理控制平台。环保专网外用户可通过Internet网络实现系统数据共享。市、县级中心管理控制平台部署有管理平台服务器、视频、动环服务器、网络设备等，原始数据直接发送至本级数据库服务器，审核数据层层上传，并存储到相应层级的数据库中。省级中心管理控制平台部署有WEB服务器、数据库、通信服务器、交换服务器、发布服务器、NAS存储、防火墙、无线接入安全认证服务器、汇聚交换机、动环/视频监控中心等。为了保证系统的稳定性，整体托管于通信运营商的IDC机房。
