1． 項(xiàng)目背景
北海作為北京城內(nèi)的最大水域之一，湖面約38公頃，湖岸線長3749米，平均水深1.5米，最深處達(dá)2.5米，屬于北京重點(diǎn)河湖水系和重要景觀，為城市的可持續(xù)發(fā)展提供基礎(chǔ)保障。然而從2001年開始，北京市包括北海在內(nèi)的長河水系連年發(fā)生不同程度的水華，使魚類成批死亡，水體呈現(xiàn)腥臭味，嚴(yán)重影響了河湖的觀賞功能，給首都的生態(tài)環(huán)境和聲譽(yù)帶來了不良影響。
國家“十一五”計劃綱要明確提出了環(huán)境綜合治理和水體污染預(yù)測控制是建設(shè)社會主義和諧社會的一項(xiàng)重要議程，市政府十分重視北京河湖水系的水華防預(yù)和治理。北京金控自動化技術(shù)有限公司與北京工商大學(xué)智能控制與測控網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合開發(fā)了一套水質(zhì)遠(yuǎn)程監(jiān)測、評價與水華預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對北海水質(zhì)進(jìn)行及時、有效地遠(yuǎn)程監(jiān)測和水華預(yù)測預(yù)警，從而為提前治理北海水華提供決策支持。
2．系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
水質(zhì)監(jiān)測與水華預(yù)警系統(tǒng)按照物理功能分類主要由三個部分組成，即：水質(zhì)信息采集終端、GPRS網(wǎng)絡(luò)及監(jiān)控中心系統(tǒng)。
水質(zhì)信息采集終端負(fù)責(zé)采集水質(zhì)信息數(shù)據(jù)并將采集到的水質(zhì)信息數(shù)據(jù)送上GPRS網(wǎng)絡(luò)，GPRS網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)將水質(zhì)信息數(shù)據(jù)通過Internet上傳至監(jiān)測中心，監(jiān)測中心由監(jiān)測中心服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和監(jiān)測中心終端操作計算機(jī)構(gòu)成，在相應(yīng)的軟件系統(tǒng)支持下完成對上傳數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、處理及顯示的功能。
3．功能介紹
·水質(zhì)信息采集
水質(zhì)信息采集設(shè)備置有水質(zhì)傳感器和變送器。采集的量有PH值、電導(dǎo)率、溶解氧、總磷、總氮、葉綠素濃度等。傳感器輸出的模擬電平信號接入無線采集終端的ADC單元，采用單片機(jī)進(jìn)行模擬量采集。由單片機(jī)完成時間和水質(zhì)信息數(shù)據(jù)打包，打包后的數(shù)據(jù)可由單片機(jī)外設(shè)接口將采集到的水質(zhì)信息數(shù)據(jù)通過串口通信方式發(fā)送給后端的GPRS模塊。
·GPRS遠(yuǎn)程傳輸
考慮到水質(zhì)檢測傳感器的布點(diǎn)靈活、傳輸數(shù)據(jù)量不大、測量數(shù)據(jù)可根據(jù)用戶設(shè)置的時間間隔進(jìn)行傳輸?shù)忍攸c(diǎn)，選擇GPRS無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)用于水質(zhì)信息的實(shí)時傳輸。GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸具有設(shè)備成本低、數(shù)據(jù)傳輸安全可靠、使用靈活方便等特點(diǎn)，非常適合遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸上的應(yīng)用。
對于水質(zhì)信息實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)來說，GPRS能夠利用電信運(yùn)營商的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行靈活的布點(diǎn)，而其流量計費(fèi)的方式和較高的數(shù)據(jù)傳輸速度都符合水質(zhì)信息的傳輸特點(diǎn)。并且利用GPRS無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)還可將不同水域的水質(zhì)信息匯集到監(jiān)測中心進(jìn)行處理，從而實(shí)現(xiàn)一個監(jiān)測中心同時對多個水域進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測與水華預(yù)測。
·水華上位系統(tǒng)
在水質(zhì)監(jiān)測與水華預(yù)警系統(tǒng)中，水質(zhì)信息數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)由監(jiān)測中心服務(wù)器接收后，數(shù)據(jù)實(shí)時存儲于數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中，終端操作計算機(jī)通過實(shí)時獲取數(shù)據(jù)庫中的水質(zhì)信息數(shù)據(jù)，進(jìn)行水質(zhì)評價和水華預(yù)測預(yù)警處理。
水質(zhì)監(jiān)測與水華預(yù)警系統(tǒng)軟件的模塊化結(jié)構(gòu)如下圖所示：
數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng) 可以進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)顯示，采集的水質(zhì)參量有：溫度，PH值，溶解氧，電導(dǎo)率，氨氮等； 上位系統(tǒng)提供了歷史數(shù)據(jù)查詢 的功能，可以實(shí)現(xiàn)按日期查詢、報表生成、統(tǒng)計分析管理工作； 水質(zhì)評價 部分可以對北海水質(zhì)進(jìn)行總體評價和成組評價。選定所要評價的起止日期后，調(diào)用多指標(biāo)綜合指數(shù)評價法對水質(zhì)進(jìn)行評價，系統(tǒng)會把匯總結(jié)果在界面上顯示出來； 系統(tǒng)的另一主要子系統(tǒng)是水華預(yù)警模塊，主要用來建立模型，預(yù)測選定時間內(nèi)的水華趨勢，顯示預(yù)測精度、葉綠素最大值，查看水華預(yù)測模型的仿真曲線。從預(yù)測結(jié)果中給出預(yù)測數(shù)據(jù)中葉綠素的最高值，并根據(jù)這個最高值和水體富營養(yǎng)化評價標(biāo)準(zhǔn)判斷水華的輕重程度。
4．應(yīng)用效果
北海水質(zhì)監(jiān)測、評價與水華預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)搭建了靈活的人機(jī)操作界面，操作方便快捷，可以直觀地顯示、查詢、統(tǒng)計和分析監(jiān)測水質(zhì)數(shù)據(jù)，并結(jié)合水環(huán)境的現(xiàn)狀進(jìn)行實(shí)時預(yù)測，以提供決策支持。該項(xiàng)目的研制與開發(fā)為水環(huán)境的進(jìn)一步治理提供有效的理論依據(jù)和實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)，其推廣應(yīng)用可減少水環(huán)境治理周期、減低能源消耗、提高治理效果，為社會帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。