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基于云计算与物联网的污染源在线监控系统研究

百纳文秘网  发布于:2021-02-23 08:25:02  分类: 文秘专题 手机版

摘要:针对当前污染源在线监控系统存在的诸多问题,提出了将云计算与物联网有效结合的总体架构思想,并在此基础上对污染源在线监控系统进行了总体方案设计,以期对改善污染源在线监控的手段、方法,提高污染物监测的实时性、智能性提供参考。

关键词:云计算;物联网;污染源;在线监控系统

中图分类号:TP311 文献标识码:A 文章编号:1009-3044(2017)33-0038-03

在城市化进程日益加快的背景下,环境问题愈发严峻。我国“十二五”规划中明确制定了COD、氨氮、二氧化硫、氮氧化物等污染物排放的约束指标。作为环境管理的重要手段,污染源监控系统的信息化建设,已成为政府和社会的共识。因此,深入研究污染源在线监控系统,是充分落实我国保护环境相关政策的重要举措,对节能减排有重要的现实意义。

我国物联网技术在环保领域的应用尚处于初期阶段,还存在一系列问题,主要体现在以下几个方面:①技术支持。在环保领域运用的技术起步晚,更新慢,目前尚无可用的预测模型; ②监控仪器设备。市场上在线监控设备参差不齐,很多产品功能单一、安全可靠性不高,售后无法保证,甚至会出现在线监控参数和范围无法满足市场实际需要的情况;③应用平台。目前应用平台大多服务单一,只具备接收、查询、录入及用户管理等简单化功能,且重复建设、信息孤岛现象严重,缺乏整体规划;④人才培养。我国从事环保行业工作的大多数人,尤其是运维人员专业技术水平不够,无法从上位层面理解物联网及其他新技术对环保领域起到的作用和影响,致使工作效率和质量大幅度下降。

1 环保物联网与云计算技术融合

当前, 我国环保物联网已经进入全面建设阶段,大多城市化工园区已经安装了在线监控系统,收集污染源排放口相关信息,借助有线或无线的方式将污染物排放数据实时传送至监控中心平台,环保中心人员可以根据排放量实行总量控制。然而,环境监测本身是一项持续进行并且复杂多变的工作,随着监测范围的扩大,数据量的持续增加,势必对环保监测中心服务器的计算功能和储存功能提出更高要求。

云计算将一个任务划分成若干环节,保证各个环节处理工作有效展开,具有大规模使用、通用性强、廉价、可扩展等特点。将云计算与环保物联网有效结合,以网络虚拟存储计算服务为中心,将资源按需分配给不同用户,各级环保管理部门,可以直接使用中心数据,不需要额外增加系统硬件设备,也无需考虑后期的更新换代,资成本低、计算储存能力强,可大大提高数据信息处理速度。以云为中心的环保物联网改变了传统以桌面系统为中心的应用模式,将网络资源合理利用,可以解决环保物联网发展所面临的局限性及成本高问题,从而促进环境管理工作的健康运行。

2 污染源在线监控系统总体架构

将环保物联网与云计算技术有效融合,在监测点安装监测仪、摄像头等感知设备,收集污染物排放信息,利用各种传感器,通过通信网络将实时数据传送至数据中心。利用云计算技术强大的处理能力,将海量数据的存储和处理放置在数据中心不同的服务器上,政府环保部门、企业或社会机构、社会公众等用户可以通过“云”的方式轻松获取所需资源。基于物联网与云计算的污染源在线监控系统总体框架结构如图1所示。整个系统主要由感知层、传输层、支撑层、应用层、用户层五部分组成。

2.1 感知层

感知层在物联网结构框架中处于最底层,由各种传感器、视频采集器、卫星定位器等组成,这些监测设备可以对周围环境质量和污染信息进行准确采集,并传输出去。目前,主要通过在污染源设置代表性监测点来进行环境监测,或者对污染源某一种污染因子进行监测,还不能完全反应环境的实际状况和状态变化。因此,可以在监测区域散布传感节点,形成监测“域”(面),为环境管理的智能决策提供更可靠的数据信息。

2.2 傳输层

由环保专网、通信网、互联网、私有网络等组成,主要负责将环境信息传递给相关部门。感知层中的传感器、视频采集、卫星定位等设备通过有线或无线的方式接入网络,将采集到的信息,通过特定的传输协议传递出去。因此,传输层是连接感知层和上层应用的桥梁,是将数据传递到“云”中心的通道。

2.3 支撑层

包括IT基础设施和环保物联网统一支撑平台,在基础设施的支持下,依托数据编码、物联基础数据、信息接入、信息目录等软件服务,实现在线监控、预测预警、智能分析、模拟仿真、智能控制等共性应用功能共享。

2.4 应用层

又包含环保物联网门户和业务应用系统,门户是指为环保物联网各类用户提供资源入口和所需服务的交互界面,而应用系统则涉及环境风险应急处理、综合管理服务、污染源监测及环境质量检测等。

2.5 用户层

是指环保物联网应用所面向的最终用户,其中会涉及环保管理、研究及监测等相关部门,也包括污染物排放企业、社会公众等用户。系统用户无需在本地安装软件,云平台为用户提供统一入口以及数据分析、处理、存储、利用等职能。

3 业务流程

基于云计算与物联网的污染源在线监控系统业务流程如图2所示。

首先,将传感设备合理安装在监管部门需要实时监控的监测位置,如厂企废水、废气排放口、河流等,将多个传感器与数据采集传输仪进行连接,从而通过感知层将污染源在线监控所获取的实时数据统一传输到监控平台。

其次,部署云计算平台。云系统借助强大的计算能力,实现环保物联网支撑层的在线监控、预警推测、仿真模拟及智能监控等功能,以便对不同用户提供不同服务。同时,需要对污染源在线监控平台进行Web服务器端设置,保证与云计算平台的有效通信和实时数据的有效接收。

最后,对政府环保部门、社会机构及人民群众设置相应Web门户,进而与云计算系统中的数据运算进行有效衔接,为用户提供各种服务。

4 污染源在线监控平台设计

4.1 总量控制系统设计

由企业端的总量控制装置和环保部门的总量控制平台两部分组成,如图3所示,总量控制平台包括数据库、监控平台和通信程序,通信程序负责连接总量控制平台和总量控制装置,将总量控制装置上传的数据进行解析并保存在数据库中,监控平台需要调用数据时,直接从数据库中读取。如果用户需要向总量控制装置下发命令,则在监控平台中执行相关操作,由通信程序传递下发。

总量控制装置由数据采集控制器和总量控制器组成。总量控制器可利用RS232/485接口和仪器仪表建立直接通讯,以获得真实可靠的数据信息,进一步将数据信息进行汇总储存,通过网络与总量控制平台进行数据交换;数据采集控制器负责对仪器仪表模拟信号进行采集、计算,得出准确实时数据。

4.2 数据采集传输系统设计

数据采集传输系统工作在感知层,由数据传输设备和自动监控设备组成,其功能如图4所示。数据传输设备将自动监控设备采集的数据信息进行封装,封装形式要遵循《HJ/T212 污染源在线自动监控(监测)系统数据传输标准》制定的通讯协议,进而将封装后的数据通过网络传输至监控系统。自动监控设备是指流量计、COD、氨氮、VOCs监测仪等。

硬件方面,按照《HJ477-2009 污染源在线监控(监测)数据采集传输仪技术要求及检测方法》和《HJ/T212 污染源在线自动监控(监测)系统数据传输标准》的要求,性能安全、稳定,在与前端在线监控设备进行连接时,支持4路以上模拟数值输入,在4-20毫安电流或1-5伏电压范围内,开关量0-5伏输入。5 路以上 RS232/485 数字量输入。

软件方面,主要使用嵌入式操作系统 Windows CE,使用ActiveSync为调试工具。使用HJ/T212 通讯协议规定的污染源数据传送格式。

4.3 无线传输模块设计

由处理器芯片S3C6410核心的嵌入式开发板Tiny6410组合而成,其中包含丰富的硬件接口资源,便于充分满足用户触屏需求;网络接口可以实现Internet网络数据的顺利传输;DB9五线串口可以实现对数字量输入及GPRS模块的有效控制管理;SD卡容量的不断拓展,数据资料的备份储存等。五线通讯模块主要采用GPRS无线通讯模块,模块采集采用飞思卡尔MC9S12XS128单片机展开模拟采集,其二者均能与Tiny6410连接实现通讯目的。

4.4 云平台构建

本文基于试验室环境下构建了一个Hadoop云计算平台,由三台PC机组成,将所有主机连接到一台交换机中,一台作为 NameNode 和JobTracker,另外两台用作 DataNode 和 TaskTracker,三台主机均安装Linux操作系统。对云计算系统的应用如图5所示,用户使用终端设备访问 Web 服务器,Web服务器根据用户请求给予相应的交互和响应。应用服务器与 Hadoop 集群通讯,可以向云计算系统进行数据存储、数据读写等操作,同时,应用服务器向Web服务器提供数据查询、分析和处理结果。云计算系统作为存储层以及数据挖掘层对整个系统提供计算能力和存储环境。

4.5 功能设计

污染源在线监测系统通过物联网进行数据的实时采集,将采集的数据分别存储到云计算中心的废水监控、尾气监控、噪声监控、VOCs监控等数据库中,为应用系统提供经过加工、处理的数据资源。用户可以通过平台中的门户入口,使用PC、手机、PAD等终端设备获取服务资源,云平台按需为用户提供相应服务。

污染源在线监控平台的总体功能框架如图6所示。

1) 权限管理。负责系统中角色、用户以及角色成员的维护。给不同的角色赋予不用的权限。

2) 基础数据管理。负责系统的基础数据维护,包括流域、企业规模、排放规律、污染物编码、污染源基本信息等。

3) 废水监控。负责对污染源的废水排口进行监控,提供实时数据、数据报表、数据图表、视频监控等信息。

4) 尾气监控。负责对污染源的尾气排口进行监控,提供实时数据、数据报表、数据图表、视频监控等信息。

5) VOCs监控。负责对污染源VOCs的排放量和浓度进行监控,提供实时数据、数据报表、数据图表、视频监控等信息。

6) 噪声监控。负责对污染源的噪声进行监控,提供实时数据、数据报表、数据图表、视频监控等信息。

7) 总量与泵阀联动。可以查看企业月排放量、年实际排放量、年允许排放量、实际排放占比、阀门状态、泵状态、液位状态等实时数据、数据报表、数据图表,企业排放口阀门状态,支持远程控制阀门。

8) 运维管理。可以查看企业排放口校调、巡检和相关人员信息,可生成数据报表。

5 结论

本文所架构的污染源在线监控系统,工作在感知层的各种环境传感器、数据采集传输仪等能智能获取环境数据并实时传输至云计算平台,在云平台实施统一运行、统一管理,按需给用户提供各种服务,既节约了资源,又达到了方便高效的目的。

将云计算与物联网有效融合,应用到污染源监控系统中,建设现代污染源监控系统,有利于实现对环境的全方位监测,实现智能感知、智能决策,防患于未然,实现人与环境的和谐发展。该系统可用于水污染、大气污染、噪声污染、VOCs排放等方面的监控,系统界面友好,操作简单,运行稳定,安全性高,可以满足厂企、环保管理部门、环保运维人员的需求。

本文对云计算与物联网支持下的污染源在线监控系統进行了整体架构,并详细阐述了总量控制系统设计、数据采集传输系统设计、无线传输模块设计、云平台构建、系统功能设计,对实现环境管理的系统化、科学化、信息化具有一定的现实意义,本系统也还有需要完善、加强的部分,比如,研究预测模型、丰富功能模块、进一步智能关联数据等。污染源在线监控系统的研究是一个循序渐进的过程,希望本文能为环境管理信息化、智能化提供一定的参考。

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