环保物联网技术及应用研究

张树礼 郝 军 张 巍

（内蒙古自治区污染物在线监控中心、环境信息中心，呼和浩特 010010）

引言

“十一五”期间，我国大规模地开展了污染源自动监控网络的建设，对重点污染源的废气和废水排放进行自动监控，国家级、省级、地市级网络的建设大大推动了环境监测自动化的进程，我国的环境物联网进入新的一轮发展高潮。

在这个大背景下，内蒙古自治区污染源在线监控中心将环境物联网建设提上了日程，秉承以科技创新推动环境管理进步的思想，引入当前最先进的3G移动通信技术、3S空间信息管理技术，采用“云计算”理念，将传统手段与现代信息技术相结合，将计算机网络技术、通信技术和空间信息等高新技术进行集成，建立“物联网”，为环境监测、环境管理、环境模拟等提供决策支持平台，加大内蒙古自治区环境监测范围，加强环境监测管理力度，有效提高环保部门的科学决策能力，为构建和谐社会，实现国民经济、社会和环境的协调发展做出贡献。

1.环保物联网技术

物联网是由多项信息技术融合而成的新型技术体系。[1]物联网是指在物理世界的实体中部署具有一定感知能力、计算能力和执行能力的各种信息传感设备，通过网络设施实现信息传输、协同和处理，从而实现广域或大范围的人与物、物与物之间信息交换需求的互联[2]。物联网依托传感器、传感器网络技术、射频识别技术、通信网与互联网技术、智能运算技术等，实现全面感知、可靠传递、智能处理[3]。

环保物联网主要由污染源前端监控系统、传输网络、监控中心组成。数据通过有线专网或无线的网络传输方式将污染源在线监控数据传回监控中心。在线监控数据进入数据库后，由在线监控系统统一管理，利用大屏幕实时数据展示、电子地图展示、数据监控并进行统计分析，生成监测数据报表。同时出差人员或监察执法人员可以通过无线通讯设备在移动状态查看在线监测数据。环保物联网架构如图1所示。

图1 环保物联网架构图

环保物联网技术主要分为感知端技术、传输网络技术和应用技术三大部分。

2.环保物联网感知端技术研究

在物联网“感知层”需要解决的问题是如何利用现有物品的传感设备组成的系统，以最少的资金投入将物品的感知和控制信息识别出来，感知和识别技术是环保物联网的首要环节， 在环保物联网中主要用污染源自动监测设备来感知和识别环保监控数据信息。环保物联网感知端安装在企业现场，用于环境或污染源排污状况实时监测，包括COD自动监测仪、氨氮自动监测仪、流量计、烟气排放自动监测设备等，是污染防治设施的组成部分。

2.1 在线监测系统

污染源在线监测设备包括水质在线监测设备和烟气分析设备。水质在线监测系统一般由6个子系统构成，包括：采样系统、预处理系统、监测仪器系统、PLC控制系统、数据采集、处理与传输子系统及远程数据管理中心、监测站房或监测小屋，主要监测项目包括COD、NH3-N、流量、pH值等。烟气分析系统由四部分组成：烟气成份连续监测系统、尘埃浓度检测系统、流量检测系统、DAS系统，主要监测项目包括SO2、NOx、CO、O2含量、烟气流量、温度等。这两个系统都是以在线自动分析仪器为核心，运用现代传感器技术、自动测量技术，自动控制技术、计算机应用技术以及相关的专用分析软件和通讯网络所组成的一个综合性的在线自动监测体系。

2.2 数据采集仪

数据采集设备包括数据采集终端以及其它需要的辅助控制的线路和防护设备等。将数据采集终端与在线监测仪器连接，采集监测设备原始数据、完成数据的本地存储、并通过传输网络与监控中心上位机进行数据通讯传输，数据最终存储在监控中心。

2.3 视频监控设备

视频监控在现场部署了摄像机和视频编码器，通过环保专网将现场图像信息传送至宽视界平台进行存储，各个监控中心根据实际需求再从宽视界平台调用现场图像。视频监控系统是由摄像、传输、控制、显示、记录登记5大部分组成。摄像机通过同轴视频电缆将视频图像传输到控制主机，通过控制主机，操作人员可对云台的上、下、左、右的动作进行控制及对镜头进行调焦变倍的操作，并可通过控制主机实现在多路摄像机及云台之间的切换。

2.4 工况监测设备

工况监控设备在现场布置数据采集装置，通过采集火力发电厂的主机DCS数据，脱硫设施DCS数据，CEMS数据，并将相关数据传送至环保部门。

工况监测设备，电厂侧两台机组为一个采集单元。电厂侧采集单元主要负责采集各类控制系统中的环保相关参数，并通过隔离器、采集交换机存储到工况过程数据服务器中。

自治区监控中心侧主要设备为两台服务器，工况过程数据库服务器及WEB应用服务器，并接入目前监控中心既有网络中。

2.5 其它感知设备

除了以上主要的感知设备外，还有一些辅助的感知设备，包括无线射频识别技术和生物传感器等。

无线射频识别技术利用无线射频方式在阅读器和射频卡之间进行非接触双向数据传输，以达到目标识别和数据交换的目的。[4]

生物传感器是把生物芯片技术和生物传感器技术有效的组合在一起。通过微加工技术和微电子技术在固体芯片表面构建微型生物化学分析系统，以实现对污染物指标的检测。

3.环保物联网传输网络技术研究

环保物联网的网络技术研究主要包含两个主要内容：一是前端监测/监控设备网络接入；二是内蒙古自治区环境保护厅监控中心网络研究。通过网络研究，最终形成企业—盟市—自治区的环保专网，以及自治区和十二个盟市级的监控中心与视频会议系统。

3.1 前端设备网络接入

前端监控点源数量多、分布比较分散，因此在前端设备接入方案中，采用两种接入方式：有线网络接入和3G无线网络接入。

对于有线网络资源可达区域的前端点位，优先采用光纤敷设到企业端或数据采集现场的方式。对于位于具备一定网络接入能力厂区的前端点位，将采用适合该厂区的有线网络方式。

在有线网络敷设存在难度的区域，充分利用3G无线网络的覆盖面积广、部署成本低、带宽优势大的特点，在前端点位数据采集设备上安装无线网络模块，使前端设备采集到的数据通过无线网络发送到自治区环保厅的监控中心。

前端设备监测数据通过环保专网、城域网/宽视界视频监控传输网络和3G网络接入监控中心网络。

3.2 监控中心平台网络

监控中心平台网络系统的研究，主要是形成环境业务专网、移动业务平台网络、内网业务平台网络，实现自治区环保厅各项网络业务的独立、平稳、安全、高效运行。此外，通过扩容已有的核心业务平台网络交换设备来承载各项新业务应用的通信交换需求。

4.环保物联网应用技术研究

环保物联网监控平台基于插件技术、ESB（企业服务总线）技术，开创环保应用支撑平台系统开发模式，实现了SOA面向服务架构设计。在技术层面上建立了环保各业务应用统一平台、协同服务、共享数据的基础。

该平台目前已集成了污染企业综合监控管理系统、环境质量综合监测管理系统、环境应急管理系统。

4.1 污染企业综合监控管理系统

污染企业综合监控管理系统实现了对企业 “三位一体”手段监控，即采用在线监测、视频监控以及工况监测三种技术手段，分别从实时、历史监测数据分析、远程视频直接观测、治污设备实时运行状态监视三个角度对污染源进行监控。

污染企业综合监控管理系统实现了对全区399家企业的838个点位的自动监控， 219家企业的262个点位的视频监控；全区39家总装机容量30万千瓦以上电厂的101个机组的脱硫工况在线监测。工况在线监测最终建立了示意图方式的脱硫设施工艺流程、运行状况及实时工况数据的模型图库，直观了解各设施的运行情况，实现二氧化硫总量控制、主要污染物二氧化硫减排核算、排污收费和脱硫电价核定标准化，为环境管理和决策提供有力保障。

图2显示的是工况在线监测发现的企业对监测数据造假的行为。黄色曲线代表电厂机组负荷，机组负荷保持稳定，说明该机组在生产发电，橙色曲线为增压风机电流，在9点左右，增压风机电流突然降为零，说明增压风机停机，同时用紫色曲线代表的旁路挡板开度（%）突然上升，这表明废气没有进入脱硫系统直接排放。浅蓝色曲线为原烟气二氧化硫浓度，蓝色曲线为净烟气二氧化硫浓度，图中显示净烟气浓度并没有因脱硫系统的停运而上升，这是不符合规律的。这组曲线说明该电厂在偷排污染物，同时对净烟气二氧化硫浓度自动监测数据进行了造假。我们可根据企业现场核实的情况，进行相应处理。

图2 工况在线监测分析曲线

污染企业综合监控管理系统统计得出2011年，监控企业的二氧化硫的排放量为28.77万吨，氮氧化物的排放量为29.51万吨，化学需氧量的排放量为1.57万吨，氨氮的排放量为0.072万吨。从2011年第一季度开始，我区已逐步采用自动监控数据作为征收总装机容量30万千瓦以上电厂二氧化硫排污费的依据，全年共采用36次，核定排污量约3.08万吨，占总核定量的15.1%。自动监控数据正逐步成为自治区排污收费和环保行政执法的重要依据。

4.2 环境质量综合监测管理系统

环境质量综合监测管理系统实现对环境质量水、气、声、沙尘等监测数据的统一管理，通过接入各类自动站，实现对部分环境质量的实时监控，在地图上直观显示环境质量监测点位分布及自动监控数据状态和区域环境质量特征及演进，结合污染源自动监测系统，同时实现业务协同分析功能。

环境质量综合监测管理系统实现了全区35个空气环境质量自动监测站、5个水质自动监测站、20个沙尘暴自动监测站、30个噪声自动监测点的自动监测数据实时传输和统计分析。在全区12个盟市安装12套城市高空视频，实时观测城市空气质量情况。

根据系统统计，2011年内蒙古自治区12个盟市空气优良天数平均为343天；5个水质自动站pH平均达标率100%，溶解氧平均达标率78.26%，高锰酸盐指数平均达标率88.89%，氨氮平均达标率92.31%；30个噪声站中达到《声环境质量标准》（GB3096-2008）中1类、2类、3类区标准的分别有2个、16个、8个；20个沙尘暴自动监测站中总悬浮颗粒物和可吸入颗粒物最大小时浓度出现在锡林郭勒盟苏尼特左旗，分别为 11.56mg/m3和11.511mg/m3。

4.3 环境应急管理系统

环境应急管理系统是进行突发环境污染事故应急处置，管理系统采用浏览器/服务器（B/S）的应用结构，基于GIS地图，提供风险源“一源一档”的信息，结合距离事发地最近的环境质量自动监测站数据，根据系统内置的多种污染源扩散模型算法，模拟事故发生时污染物扩散趋势，用以支持环境监测点部署及应急指挥的业务需求。

在2011年8月环境保护部在全国举办的环境应急监测演练中，环境应急管理系统利用物联网、“云计算”、3G、3S等信息技术手段，有效地支持了环境应急工作开展。事故模拟的为五一水库处装有化学品的罐车翻车事件，系统接报事故信息后，启动电子预案，配置应急资源，生成指挥需要的流程图，根据化学品泄漏量，调用水库的水文水质参数，模拟化学品在一定时段内的扩散趋势，并在下游开展应急监测布点。现场人员按照布点开展应急监测，并通过3G移动办公手机、移动视频将监测数据、现场照片、视频等信息传回应急中心。

5.结论

环保物联网系统开创了环保应用支撑平台模式，实现了业务的高度整合；在全国首创性地采用“三位一体”的综合监控技术手段,对环境质量水、气、声、沙尘等监测数据的统一管理，进行突发环境污染事故应急处置，虽然环境监控已经取得了一定的成果，但是愿景不等于现实，[5]在环保物联网的体系结构重新梳理、最新技术应用以及运维体系的建立等方面还有待于进一步解决。

为了解决目前环保物联网存在的这些问题，应尽快出台相应技术规范、完善技术保障；研究制订不同的行业或不同的污染种类、仪器研发与选型指导性原则；在感知数据校正、信息聚合、感知数据压缩、存储与检索、智能决策算法等方面继续深入研究，从而建成一个全覆盖、全运转、全应用、可持续的环保物联网体系。

[1] 刘强，崔莉，陈海明.物联网关键技术与应用[J].计算机科学.2010.（6）：1-3.

[2] ITU Internet Reports 2005：The Internet of Things[EB/OL].http：//www.itu.int/internetofthings，2011-04-04/2012-05-31.

[3] 田铁红，程赓，毛松，谭虎.面向环境保护的物联网发展探讨[J].信息通信技术，2010，（5）：1-2.

[4] 谢沙天，徐志锋.射频识别技术原理、安全及应用研究[J].通信市场，2005，（3）：2-5.

[5] 杨子江.物联网：提升环境监控能力的抓手[J].环境保护.2010，（8）：3-6.