高宏涛 郝大雨
神华和利时信息技术有限公司 北京市东城区 100000
摘 要：
习近平生态文明思想已经成为引领美丽中国建设的行动指南，污染物防治攻坚战的行动计划给排污企业自身管理提出了更高的要求，企业已经逐渐成为了环境保护的主体，从原有的被迫环保转化为要主动环保。特别对于煤炭能源企业而言，小锅炉、矿井水是环保管理的核心，而且生产矿井分部在全国各地，管理难度大、环境风险高。为了解决以上问题，加强污染源治理，国家能源集团研发了污染源管理系统，通过物联网技术和多元感知手段，结合企业内外部网络条件，汇集各类监测数据，并在大数据平台上分析应用，显著提高了环保管理水平。
关键字：污染源监测；环保管理；物联网；大数据
引言
煤炭工业作为国民经济和国家安全的基础和命脉，为国家发展提供了坚强的能源保障。进入新时代，随着人民群众改善生态环境的要求日益强烈，煤炭工业发展不平衡不充分的问题日益凸显，小锅炉、矸石山、矿井水仍然是煤炭环保治理的重中之重，加快绿色低碳发展，已经成为最紧迫的任务。煤炭企业迫切需要通过信息化手段加强生态环境保护，强化污染防控治理，有效控排减排，推进绿色低碳、高质量高效益发展，打造“绿色能源”品牌。
近年来，煤炭行业对环境保护愈发重视，在污染物管理、能耗控制方面取得了不错的进展，但日常环保监管仍存在以下难点：
（1）环保管理难度大。企业管辖的煤矿数量多、分布广，以国家能源投资集团有限责任公司（下称：国家能源集团）为例，现管辖13家煤炭企业，覆盖7个省区，在环保业务的统筹开展和环保数据的集中管理方面都存在较大难度。
（2）环保数据采集困难。数据的采集取决于很多客观条件，例如：网络条件、被监测企业的信息化基础设施、前端传感器条件等。在传统模式下，往往企业的环保信息化往往在应用端设计的很丰富，但在数据来源方面存在很多困境，主要体现在数据无法就地集中采集、网络传输覆盖面不足、数据准确性不足。
（3）数据有效性校验难度大。环保监测数据的有效性判别缺少措施，无法处理数据缺失问题，在线监测缺乏可靠的数据支撑。
针对上述问题，国家能源集团通过规划环保监管业务架构，研发基于多源感知的多元感知的污染源管理系统，在神东煤炭集团、神宁煤业集团、神宝能源公司等煤炭企业应用，取得了良好的应用效果和示范效应。
1、系统总体设计
1.1应用架构设计
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图1 系统的应用架构
污染源管理系统是根据国家相关要求和国家能源集团内部管理需要而量身定制的一套集“统计、监测、管理、考核”于一体的专业化信息系统。覆盖了环境管理、综合业务、基础管理等业务领域，依托大数据平台实现了数据的采集、存储、筛选、清洗和应用。系统采用“一级部署，多级应用的模式”为国家能源集团各级环保管理人员提供了便利。
在环境管理领域，实现了所有重点监控企业的内部监测，建立了规范的数据处理机制和六级异常报警机制，满足了内部监测的数据需求。引入了国控监测数据，形成内外部自动监测数的分析对比、双管齐下的管理模式。通过隐患管理功能在系统中固化了隐患管理的流程，可按月统计隐患整改落实情况直至验收销号。
在综合业务领域：计划管理和工作总结形成了环保业务领域专用的工作档案，环评与三同时管理对项目建设的重点环节实现了监控，排污许可证管理有效推动了“一证式”管理模式的形成。
在基础管理领域，建立了污染源台账、环保设施台账等，为企业内部的污染源普查工作提供了便利的工具，有助于摸清家底、了解新的污染源变化，是开展环保工作的基础性数据。
1.2系统的技术架构
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图2 系统的技术架构
如上图所示，系统技术架构分为数据资源层、应用支撑层、应用层和展示层。
1.2.1数据资源层
数据资源层又分为数据感知和数据存储。其中，数据感知可分为内网有线数据采集、数采仪无线数据采集、共享国家监测执法数据三种方式。数据存储依托大数据平台存储环保监测实时数据，HBase用于实现历史数据的存储，Redis实现实时数据的存储，达梦关系型数据库用于实现管理和分析数据的存储。
1.2.2应用支撑层
采用企业服务总线实现集团内部有关信息系统的集成和数据通讯；集团统建的短信网关和邮件系统为系统提供了通讯服务，当有报警发生或有监测报告需要推送的情况发生，则调用短信和邮件网关，完成信息推送任务；利用大数据平台的MapReduce、Spark、Storm组件分别实现数据的批量计算、内存计算、实时计算，具体完成数据的清洗、筛选和加工处理任务。
1.2.3应用层
应用层JavaEE技术路线和SSM技术框架，SSM开发框架是spring MVC ，spring和mybatis框架的整合，是标准的MVC模式，将整个系统划分为表现层、controller层、service层、DAO层四层。每层分别担当不同的任务, 实现功能的分层和解耦，降低模块之间的耦合，提供应用的可扩展性，每个构件只关心构件内的逻辑，不与其他构件的逻辑混合。
1.2.4展示层
展示层采用ExtJS、Jquery等框架，采用Echarts作为数据可视化展现工具。鉴于HTML5技术结合了HTMK4.01的相关标准并革新，符合现代网络发展要求，与传统的技术相比，HTML5 结合了SVG的内容，因此页面开发采用HTML5，也为后期移动端应用奠定基础。
2、多元感知的污染源数据采集
要想准确的了解企业全局污染源排放情况，首先需要及时、全面、准确的掌握环保数据。对于煤矿企业而言，自备锅炉需要采集烟气的二氧化硫、氮氧化物、烟尘、烟气流量等数据；矿井水排放口需要采集COD、悬浮物、PH、废水流量等数据；生活污水排放口需要采集COD、氨氮，重点区域还需要监测总磷、总氮等污染物。
国家能源集团结合各地煤矿的现状，通过三种方式实现全局数据采集，分别如下。
2.1在内网环境下，基于Netty、Kafka实现数据采集
对于信息化基础条件好，已经实现数据就地集中采集的厂矿而言，通过内网环境实现数据传输是较好的选择。如下图所示，数据采集程序从各个厂矿的环保数据库中抽取环保数据，Netty承担数据通讯任务。为保证系统高可用，采用KeepaLive负载均衡，采集到的数据存入KafKa消息队列中，Storm中完成流处理，最终存储到HBase中。
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图3 内网有线方式数据采集示意图
如上图所示，基于Netty实现了数据通讯。Netty提供异步的、事件驱动的网络应用程序框架和工具，用以快速开发高性能、高可靠性的网络服务器和客户端程序。也就是说，Netty 是一个基于NIO的客户、服务器端编程框架，在保证易于开发的同时还保证了其应用的性能，稳定性和伸缩性。
2.2在无线网络环境下，基于212协议实现数据采集
有些矿井水排放口距离主矿区有几公里，地处偏僻，难以敷设光纤。在矿井水排放口的监测站房内配有数采仪实现数据传输。
数采仪遵循 《污染源在线自动监控（监测）系统数据传输标准》（HJ212-2017）规定的通讯协议，一般具有有线和无线两种传输模式，支持同时向3-5个接收中心传输数据。每一台数采仪都有一个唯一标识码，称为MN号。数据接收终端可以通过识别MN号来判断数据来自于哪个排放口。
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图4 无线数据传输过程示意图
2.3互联网环境下，基于web服务共享国家监测数据
国家生态环境部在全国各个排放口的在线仪表采集污染物排放数据。这些数据被用于排放量的核算、污染物超标的界定、环境信息公开、核定排污税、环境执法等多个方面的信息。
引入国家监测数据可以作为企业自采集数据的有效补充，同时可以用于环保数据有效性校验，避免内外部数据不一致造成管理上的困扰。
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图5 接收国家环保数据过程示意图
由于客观原因的限制，国家共享的监测数据并非实时获取，而是每日共享前一天的数据。国家能源集团在DMZ区部署了一台双网卡服务器，申请了公网的IP地址和域名。国家生态环境部的在线监测系统部署在环保专网中，通过一台部署在公网上的镜像服务器，将数据映射出来。在集团DMZ区的服务器上，发布了web服务，镜像服务器通过调用web服务的方式，完成数据的推送。
3、数据误差分析和校对
由于传输链路不同，会有各种各样的客观原因造成数据的传输误差，主要原因包括以下几个方面。
3.1采样频率不一致。 通过DCS取样的数据，频次可以达到秒级，甚至毫秒级。而CMES小间的工控机，一般为分钟级。如果选取一个小时内的数据计算小时均值，那么两个链路收到的数据个数不同，会导致数据误差。
3.2时钟不同步。现场CEMS小间的工控机和DCS的时钟并不一定完全同步，如下图所示，A链路和B链路虽然都是要选取一个小时的数据计算均值，但由于时钟不同步，选取的数据未必完全一致。
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图6 时钟误差示意图
3.3电流信号衰减。数据传输到DCS系统中，一般为4-20MA电流信号，这部分数据进入DCS系统会产生一定的衰减。实测值和氧含量都会产生一定的失真，因此折算值失真程度更大一些。而现场工控机则不会出现这种问题。
为了避免数据误差给实际管理上带来的困扰，运用国家监测数据校对数据准确性。
3.3.1应用于数据误差的对比。污染源管理系统通过后台自动对比每个小时的监测数据，如果相对误差超过5%，则会记录一次异常（但不报警），如果一个月内累计异常超过20次，则发出报警，提醒系统信息运维人员和现场的仪表维护人员，确认传输是否存在问题。误差计算主要应用于小时数据，以国家监测数据为基数，其计算方法为：
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式中：
E-------误差比例
Pc------国家监测数据小时均值浓度
Pg------集团监测数据小时均值浓度
3.3.2应用于超标的判定。基本原则是以国家监测数据为准。如果国家监测数据超标，不论集团内部是否超标，都认定为是超标报警。如果内部超标，但国家没有显示超标，则以预警的形式提醒生产单位，并不发出报警信息，也不认定为超标的情形。
3.3.3应用于数据缺失的补遗。如果集团内部的监测数据因网络等原因有所缺失，可以考虑通过国家共享的监测数据进行补遗（国家数据完整是前提），以避免应用补遗程序造成数据严重失真。
4、基于大数据平台的数据核算
系统立足于“监督性监测”和“总量控制”两大业务目标，除判超标报警以外，还在对数据的有效性、缺失数据处理、数据深层次的应用等领域展开研究。下面以锅炉烟气流量有有效性的判定、污染物排放量的核算为例。
4.1锅炉烟气流量有有效性的判定
烟气流量测量的准确性对污染物排放量的计算产生非常大的影响。一般来说，锅炉的蒸发量和烟气的流量是成正比关系的。锅炉在不同负荷下，烟气流量应该有不同的设计值或经验值，这个值可以看作是校验烟气流量的有效范围。
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图 7 烟气流量有效性校验和补遗过程
在本系统中，各个废气排放企业上报锅炉设备在50%-100%负荷下蒸发量和烟气流量的对应关系，并对校验范围设置了30%的误差区间。当烟气流量小时数据传输到集团总部时，利用其对应关系对数据进行校验，超过合理范围流量数据视为无效。无效需要通过系统计算得到一个合理的流量数据作为补遗数据使用。补遗数据根据对应小时的锅炉蒸发量带入锅炉负荷和烟气流量设计值的对应关系表，按照线性关系计算得到。
通过上述方式，可有效的减少烟气流量测量值和实际值的误差，使得排放量计算更加准确。
4.2污染物排放量的核算
以气态污染物的排放量计算分析，《污染物在线监控（监测）系统数据传输标准》（HJ 212-2017）和《固定污染源烟气排放连续监测技术规范》（HJT075-2007）两个国家标准对污染物排放量的计算有相同的规定。大体思路是现计算一个时间片内的污染物排放量，然后再累加形成小时、日、月、年的排放量。其过程如下。
首先计算一个时间片内的污染物排放量Gh：
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式中：
Gd-----烟尘或气态污染物日排放量，t/d
Ghi-----该天中第i小时烟尘或气态污染物排放量，kg/h
Gm-----烟尘或气态污染物月排放量，t/m
Gdi-----该月中第i天的烟尘或气态污染物排放量，t/d
Gy-----烟尘或气态污染物年排放量，t/a
Gdi-----该年中第i天烟尘或气态污染物日排放量，t/d
5、主要特点
5.1应用领域广泛
系统成功应用于90多个煤矿，将所有矿井水排放口、生活污水排放口、生活区自备锅炉纳入监测，依托大数据平台部署在云端，可随着监测企业范围的扩大和监测数据的不断积累而灵活扩展信息基础资源，同时系统可以根据业务需要，匹配不同行业的环境监管需要，有广泛的适用性和扩展空间。
5.2数据来源丰富
系统提出了“内网+外网，有线+无线”双通道的模式。既可以依托大数平台的Netty、Kafka等技术组件实现数据采集，也可以遵循国家标准以互联网无线传输的方式传输到集团总部。还通过web服务的形式将国家环保部监测的监测和执法数据纳入系统，真正做到上下贯通、内外互联，全方位实现环保管理。
5.3智能的数据处理
系统立足于“监督性监测”和“总量控制”两大业务目标，除判超标报警以外，还在排放量计算领域进行了深入研究。烟气流量的准确性是影响排放量的重要因素，系统通过大数据平台的Spark、Storm组件开发了数据有效性判别方法，利用锅炉蒸发量和烟气流量的现行关系校验流量数据的有效性，使得排放量计算更加准确。
5.4强大的数据服务
系统在达标排放的基础上，增加了“总量控制”，数据处理逻辑从有效性判定、数据补遗到考核指标计算，可以定期形成各类报表，考核指标设定包括了数据传输有效率、达标排放率、最大超标倍数、超标时长、污染物排放量、治污设施投运率、治污设施效率等，为环保监管提供有价值的数据服务。
5.5分级闭环管控
系统在大数据平台的Spark+Redis的组建上开发了报警自动计算方法，根据严重程度不同设定六个不同的报警级别，自动触发报警管理流程。不同的事件不同的处理，确保环境事件妥善处理和解决，做到了所有异常事件在企业内部分级管理，极大实现了管理提升。
6、 结语
运用信息化手段强化煤炭企业内部环保管理，有利于企业加强污染物排放和环境保护自监管，减少污染物排放总量。同时，帮助企业对环境突发事件做出快速反应，对事件的影响程度和危害性做出正确估计，有效地进行指挥处置。系统通过精确诊断，精准决策，在企业守法经营、总量减排和环境信息公开等方面具有基础性、支撑性的作用，彰显作为大型煤炭企业的社会责任感。
参考文献：
[1] 吴铭程.污染源在线监测系统研究[D].浙江理工大学 2015.
[2] 杜兆东.污染源水质在线监测系统研究与应用[D].中南大学 2009.
作者简介：高宏涛（1986-）汉族，河北秦皇岛人，本科学历，助理工程师，从事环保信息化工作。