空气质量自动监测站房智能云监控系统设计与应用

江 明，黄建彰，张 涛，何海敬，赵 燕，岳玎利

(1.广东省环境监测中心，广东 广州510308；2.中山大学，广东 广州510275)

1 引言

随着物联网技术、信息化技术的高速发展，智能监控系统已广泛应用于交通[1～4]、家居[5～7]、电力、民用安全等行业。国外对智能监控研究相对较早，19世纪末美国国防高级研究项目署就设立了视觉监控重大项目VSAM(Visual Surveillance And Monitoring)，并于20世纪初相继资助了HID(Human Identification at a Distance)项目，2006年IBM公司亦发布并销售一款用于分析视频实时监控系统数据的安全软件，并命名为“智能监控系统”(S3：Smart Surveillance System)。英国雷丁大学计算机系成立了VIEWS(Visusl Inspection and Evaluation of Wide－Area Scenes)项目，开展车辆和行人的跟踪及其交互作用识别研究。

国内智能视频监控系统研究起步较晚，主要应用在交通、人工智能等领域，中科院自动化所模式识别国家重点实验室自主研发并设计了一套交通监控原型系统Vstar(Visual Surveillance Star)，用于交通动态场景集成分析与演示[8]。智能监控系统在环保方面的应用尚属起步阶段，主要应用于室内家居[9～11]、污染源[12，13]、车载空气[14]等方面，在空气质量自动监测领域较为少见。张志通等[15]针对空气PM2.5颗粒物测量和温湿度值设计了一套PM2.5数值远程监控系统，用于提示不同空气质量状态。目前，我国现有的环境空气质量自动监测国控站点数量众多且地理分布分散，由于专业基础、从业时间和操作经验等方面的差异，造成各地空气质量自动监测站的管理水平不一致，从而导致监测结果数据上存在精度上的不足，数据质量受到不利影响。能对站房内外环境及仪器运行状态进行在线监控，并预留适当的工作界面或系统接口以支持监测数据质控管理与异常预警提醒，将有利于提高我国环境空气质量控制技术水平。

本研究利用物联网技术，通过研发空气质量自动站温度、湿度、电流、电压、浸水、烟雾、视频的智能检测与控制技术，集成监测结果、仪器状态、城市摄影等数据，研发并实现一套空气质量监测数据采集、传输、分析、处理、质量控制的智能化、自动化监控管理的空气质量自动监测站房智能云监控系统，实现珠三角区域空气质量监测网的智能化升级，保障监测数据的有效性和准确性。

2 系统总体架构

2.1 技术架构

空气质量监测云智能站房空系统技术框架如图1所示，围绕空气质量监测过程“全要素监控”，从监测仪器、采样系统、站房运行和外部环境4个层面分别监控，实现空气质量数据以及生产过程信息的智能化、自动化实时联网，使监测数据生产过程中的过程状态数据从无到有，做到数据生产环境可追溯，四级保障空气质量监测数据的有效性和准确性。

图1 技术框架

2.2 物理架构

本系统物理结构如图2所示，主要包括子站端和平台端两部分，联网数据通过环保专网或VPN专网进行传输。子站端方面，集成了仪器监测与状态信息、采样系统安防监控、站房动力环境设备状态与外部环境监控等设备，详细包含站房内部温湿度监测模块、采样总管温湿度监测模块、标气瓶压力监测模块、三相电流监测模块、零气发生器进气口压力监测模块、水浸、烟雾监测模块等零部件，实现对空气质量监测结果、仪器状态、站外安防和站房动力环境的统一监控和管理。平台端方面，通过PC电脑或者手机移动端，可实时监控或查询联网数据信息。当站内监测结果、仪器状态和环境参数出现异常时，可通过平台告警、短信告警和邮件告警等方式告知站内管理人员和运维人员，并自动记录历史数据和告警事件。

图2 软硬件总体架构

3 子站端核心硬件

3.1 动力环境监控设备

站房室内动力环境监控监控设备包括监控主机设备、电路电流电压监控设备、温湿度监控仪设备、空调控制器设备、光电水浸探测器设备、烟雾检测器设备、声光报警器设备、零气发生器压力与温度传感器设备、采样总管探针型温湿度传感器设备、采样管自平衡控制器等硬件。设备选取的具体参数(供参考)如表1所示。

3.2 室外安防监控设备

包括站房外采样区安防实时摄像监控设备、人脸识别门禁管理设备2大部分，加强站房及外部采样区安全系数、实现可视化站房外部监管。其中，人脸识别门禁管理设备支持人脸识别、刷卡＋人脸识别、智能识别(人脸识别、刷卡＋人脸识别智能切换)多种识别方式，仅允许获取授权的人员出入站房。站房外安防实时摄像监控设备采用国内某知名品牌型号为DS－2CD2T2XYZUV－ABCDEF的红外筒型摄像头，具体参数(供参考)如下。

(1)采用200万像素红外筒型摄像头，红外照射距离达到80 m。

(2)支持夜拍，ICR红外滤片式自动切换。

(3)水平视场角大于90°。站房顶部约2 m高俯视固定角度安装。视野范围覆盖所有采样管和切割头。

(4)摄影数据可实时传输到计算机储存，储存期至少4周。

(5)实时摄像数据可远程传输到省、市、县各级平台。

(6)工作环境－30～60℃，湿度小于95%(无凝结)下可正常运作，适用于大温差的室外操作以及室外恶劣的监控环境。

(7)防护罩具有防雨雪、雾、防结霜、防海盐等功能，保证拍摄效果不受恶劣气象条件影响。防护等级IP67。

(8)支持RJ45网络通讯。

4 中心端平台设计

主要包括室外安防监控、室内动力环境监控、仪器状态管理、联动智能报警四大部分。

4.1 室外安防监控模块

站房安防监控子系统对站房的室内外环境进行监控、加强站房安全系数、实现可视化站房监管。站房安防监控管理主要包括安防监控实况查询、视频回放与下载、多路径扫描、多点展示与查询、云台控制、智能侦测与联动告警、图像配置等模块。站房管理人员可在平台端实现调取实时监控、读取自动拍摄的照片以及视频信息。

4.2 动力环境监控模块

用户可通过系统查看站房内动力环境数据以及仪器状态的实时和历史数据，监控对象包括站房动力和环境设备等设备，如采样总管温湿度、零气发生器的气压与温度、站房内温湿度、电源电压电流功率等电路数据、水浸、火警烟雾、空调、声光报警等。

表1 室内监控设备参数

4.3 仪器状态监控模块

用户通过使用站房监控与运维痕迹管理移动APP能够查询各个站房的监测仪器工作状态，如高压值、零偏值、错误状态、锌灯工作时间、采样温度、采样流量、采样压力、软件版本号、紫外灯源工作时间、流速、校标浓度值等，用户通过使用系统模块查看仪器状态及其警告信息。

4.4 联动智能预警模块

系统能对采样总管以及颗粒物切割头进行实时地视频监控与人体躯干入侵智能报警，能及时发现采样管区域的异常(如遭到破坏或淋喷等数据作假等行为)；当站房出现有火警或者漏水情况发生时，系统在第一时间进行自动报警，向多个用户手机发送信息及时通知运维人员进行处理。同时，系统能配套移动端APP对站房动力环境、仪器设备运行状况进行实时监控与异常报警，结合运维工单委派与短信报警功能，能争取让运维人员在最快的时间内发现故障、修复故障，减少数据丢失。

5 系统应用

空气质量自动监测站房智能云监控系统围绕大气监测设备运行、采集联网、监控为主进行信息化管理，本系统已在广东省磨碟沙等8个监测站点示范应用，PC端、手机移动APP端应用效果图如图3、4所示。系统实现了8个监测站房的监测结果、仪器状态、城市摄影等数据的实时联网，实现了点位环境及数据的智能化、自动化和网络化的监控与管理，有效提高了大气环境数据的采集效率和准确性，提高数据的发布能力，同时也提高了业务工作的自动化、信息化水平，方便管理人员的日常工作。

图3 站房智能云监控PC端系统(a.室内；b.室外；c.仪器状态)

图4 站房智能云监控移动端APP系统

5.1 提高大气环境监测能力

实现环境空气质量自动监测站点监测数据的实时采集和智能化处理，同时利用云平台、大数据分析等技术手段，充分挖掘监测数据的应用价值，提高大气环境数据的分析、处理、发布能力，提升信息资源的服务能力，从而适应数据量不断增加、监测种类不断增加的发展现状，全面提高大气环境监测的整体水平。

5.2 提高监测站点、设备整体运维服务水平，提升数据质量

为了应对监测点不断扩大，运维情况日益复杂的局面，需要充分利用信息化技术，借助于现代化运维管理理念，对现有流程和工作方式进行优化调整，进一步规范业务开展，降低综合运维成本，提高监测设备故障发现和处理能力，从而加强运维团队的服务能力，提高人员工作绩效，提高系统和设备的可用性。

5.3 提高环保业务的信息化、智慧化程度

建立适应新时期工作要求的信息化系统，利用新技术、新方法、新途径全面支撑环保工作各项业务的开展，以信息化建设、业务优化统筹规划的思路，发挥科技引领作用，提升大气环境监测业务的智慧化程度。

6 结语

本项目集成监测结果、室内外环境、仪器状态、城市摄影等数据，研发并实现了一套空气质量监测数据采集、传输、分析、处理、质量控制的智能化、自动化监控管理的空气质量自动监测站房智能云监控系统，具有以下特点。

(1)监控范围广：智能站房环境监控系统除了能监控传统的站房环境参数外，还针对环境空气监测站房的业务需求，对标气瓶的压力、零气发生器的输入压力、反应炉温度进行全面的业务监控。

(2)跨平台跨浏览器：系统支持多平台，支持PC端以及移动端浏览，支持市面上大部分浏览器，IE、Google、火狐等。

(3)多样化告警：系统提供多样化告警方式，支持现场声光、短信、电话、邮件、弹窗告警、APP推送等多种告警方式。

(4)可视化展示：通过虚拟站房模型实现可视化展现，并将动力、环境、业务等数据融为一体，实现立体展现。