控制与监测系统

关键词： 电视节目 数字化 播出 系统

控制与监测系统（精选十篇）

控制与监测系统 篇1

近年来, 集中供热作为城市基础设施, 在节约能源, 减少环境污染, 改善人民生活质量等方面的优点早已成为社会的共识。

随着社会经济的发展, 人们生活水平的提高, 人们对热能的需求量也越来越大, 集中供热也随之蓬勃发展, 在城市环境可持续发展的战略中, 集中供热的优越性越发地突显出来。但热网不平衡使网内近端用户室内温度过高, 而远端用户室内温度达不到标准。如何更方便达到用户需求, 设计得更加科学、合理, 鉴于此种情况, 本论文针对暖气集中供热系统的监测和控制问题, 力图解决热用户室内调温、热量调节、定时延时自动关闭、选时段供热、声光报警等问题, 使用户在节能方面使用一些关于暖气集中供热系统监测与控制的调节设备, 以便于用户进行有效的节能。

1.1 我国集中供热现状

据1992年统计, 我国有517个城市, 其中158个城市有集中供热设施, 集中供热面积为3亿m2。据2003年统计, 全国设市668个城市, 已有286个城市建立了集中供热设施。全年集中供热能力, 蒸汽生产7.3亿t, 热水126 249 MW/h, 供热量蒸汽3.8亿t, 热水100 192 MW/h。供热管道长度为9 183 km, 热水管道4.4万km。供热面积已达18.7亿m2 (其中住宅供热面积达到15.5亿m2) 。2010年供热设备的能力为13 000万k W, 新建住宅33.5亿m2。目前, 我国集中供暖能源利用率不高, 热效率一般。通过与北欧瑞典、丹麦、芬兰等发达国家相比, 我国平均住宅供暖能耗是北欧瑞典、丹麦、芬兰等发达国家的2倍~3倍。近几年来随着我国经济总量和实力不断增长, 城市建筑急剧增加, 供热面积得到迅猛的发展, 而供热系统的监测和控制仍然沿用二十世纪八九十年代的方式, 效率低下, 耗能较大, 使能源大量地被浪费, 而造成这种巨大浪费的主要原因是集中供暖供热系统的监测和控制没有实行智能化控制。因此, 采暖集中供热系统的改革刻不容缓。本论文研究的重点放在节能的控制上。

1.2 集中供热的发展趋势

集中供热发展大致分为4个阶段:单纯管理阶段—基础建设阶段—综合发展阶段—自动化控制阶段。目前我国集中供热系统的能效只有30%左右。而集中供热系统热量的损失主要由热源锅炉房及换热站热损失、热网热损失和热用户热损失组成。而热源的热损失可通过在集中供热发展综合发展阶段投入实时监测系统的建设, 通过人工调整配合, 最后发展远程控制、无人值守热力站, 最终实现自动化控制 (如内蒙古丰镇市的集中供热换热站) 。热网的热损失可通过大型多个热源并网运行, 综合利用热源使热网输配更均匀合理 (如山西省大同市集中供热面积约5 200万m2, 目前由5个热源并网运行) 。集中换热热用户的热损失调控即为今后集中供热的发展趋势, 也就是现有的集中供热系统实行热用户分户热计量监测和控制, 从而将热用户的热损失由30%~40%降至最低。集中供热系统的智能监测和控制, 从节能的角度考虑, 主要是合理调节热用户室内的供热量, 从而达到节能的目的。集中供热系统的智能监测和控制通过对热用户室内调温、用热量调节、定时延时自动关闭供热阀、选时段供热、声光报警等手段, 使热用户进行有效的节能控制。

2 暖气集中供热系统的监测与控制的设计

暖气集中供热系统的监测与控制设计是根据目前集中热存在的多方面的问题而提出来的, 它将更好地满足用户的需求, 使集中供热的设计更加科学、合理, 使用有效的集中供热的调节设备, 并能在节约和充分利用能源, 保护环境方面起到良好的作用。

2.1 暖气集中供热系统的整体设计

暖气集中控制系统由控制器、关气预报电路、电磁阀门、温控电路、声控电路、热控电路、延时电路和电源电路等组成。该系统具备以下几种功能:

1) 采暖系统预热运行模式:在室内无人, 需要采暖系统提前运行时, 系统自动控制阀门开启, 采暖系统开始预热运行。

2) 采暖系统节能模式:系统监测到室内无人或有人离开时, 系统控制阀门半小时后关闭。

3) 采暖系统可调式自动运行模式:系统监测到室内有人, 采暖系统与温控阀联动恒温运行, 且系统室内采暖温度可根据用户需求调节。暖气集中供热系统的监测与控制系统电路图如图1所示。

工作原理:暖气集中控制系统开始运行时, 延时电路清零且计时电路开始工作, 输出低电压。控制器TWH8751的选通脚为低电位, 故输出由 (1) 脚控制。由于初始室内温度低, 温控电路输出高电位, 并控制TWH8751, 使采暖系统阀门开启, 采暖系统开始运行, 室内温度升高;若系统监测到半小时内室内无人, 则系统计数结束, CD4060输出高电位 (并自锁) , 选通端为高电位, 采暖系统阀门自动关闭。若一定的时间内有人来, 则声控电路输出正电压, 使CD4060清零, 并输出低电位。由于室内的人或动物能经常、持续性的发出声音, 如接打电话声、电视音响声、谈话声、咳嗽声、脚步声等, 使CD4060经常被清零而保持低电位输出, 这时, 控制器受低电位控制, 使室内采暖系统持续运行保持恒温。如果系统监测到半小时内无声响发出, 则在采暖系统阀门关闭前某一时段发出系统阀门关闭预报 (音乐、闪光报警信号) 。由于压电陶瓷片发出的声音极轻微, 故不会触发声控电路而导致失控。当室内的人看到或是听到声光信号时, 可制造一些声响, 使计数电路清零而重新开始计时。若人离开房间, 则半小时后采暖系统阀门自动关闭。冬天, 为防止热量散失, 室内门窗都是关闭的, 有的还挂上门帘, 故室外的声音对室内影响很小, 一般不会使声控电路误动作。声控电路可以根据室内声音分贝的大小即声音的高低, 而自动调节供热电路的运作, 既节约了资源, 又方便了使用者, 从而满足人们日常紧张的需求, 使用户不会因为没有关闭系统, 而出现焦虑、担心等症状。

系统电路中各部分实际所需的是6 V的直流电压, 而我们设计的直流稳压电源输出直流电压是12 V, 因此, 电阻R62主要起限流和降压的作用。同时, 温控电路中还使用了两个3 V的稳压二极管进行稳压, 以保证供电的稳定性;D51在延时电路中起锁定作用, 当CD4060D的 (3) 脚输出高电平时导通, 振荡器停振, 保持 (3) 脚高电平不变;二极管D52, D53用于防止声控电路与热控电路两电路的相互影响而设置的。

2.2 小结

在本节中, 主要讲了暖气集中供热系统的监测与控制各组成部分的设计过程和暖气供热系统整体的设计规划, 可根据自己的要求确定参数以便得到期望的控制效果。

3 结语

暖气集中供热系统的监测与控制是根据目前集中供热存在弊端, 尤其是像太原、大同等这样大的城市缺乏管理机能、用户没有节能的调节手段, 导致能源严重浪费。本论文就是针对目前集中供热存在的这些弊端中的用户没有节能调节手段而编写, 希望本论文能够为社会带来好的经济状况, 适应市场的需求。

参考文献

[1]陆坤.电子设计技术[M].成都:电子科技大学出版社, 2010.

[2]翁瑞琪.现代实用电子手册[M].天津:天津科学技术出版社, 2009.

[3]冷建化, 立萍, 王良江.数字信号处理[M].北京:国防工业出版社, 2013.

[4]增大鑫.高性能直流稳压电源[M].北京:北京水利电力出版社, 2012.

控制与监测系统 篇2

简要介绍多功能车辆总线(MVB)的特点、传输介质和连接方式,分析南京地铁2号线列车控制与监测系统(TCMS)的网络原理、网络结构、功能和系统接口.

作 者：葛刚 孙路 Ge Gang Sun Lu 作者单位：葛刚,Ge Gang(南京地下铁道有限责任公司运营分公司,南京,210012)

孙路,Sun Lu(铁科院(北京)工程咨询有限公司,北京,100081)

智能大棚监测控制系统设计 篇3

摘要：本文主要介绍以IAP15F2K61S2单片机为核心，以温度、湿度等传感器为主要外围元件的大棚自动监测控制系统。详细的介绍了系统的设计方案、设计原理和特点等问题。该系统可以实现对大棚的温湿度、光照度、土壤湿度和CO2浓度等参数的实时监测，并由单片机进行实时控制，从而使蔬菜生长环境实现自动控制，节省了人力，提高了控制质量产生了良好的经济效益，不仅具有广阔的市场前景，而且具有巨大的社会效益。

关键词：智能大棚；单片机；监测控制

一、概述

近年来，移动通信技术已经实现了全国联网和漫游，且网络覆盖范围大、性能稳定。本设计是基于现有GSM短信息功能的大棚自动控制系统，充分利用现有网络，无需单独组网，运行安全稳定。

智能温室是近几年逐步发展起来的一种资源节约型高效设施农业技术，它是在普通日光温室的基础上，结合现代化计算机技术、智能传感技术等高科技手段发展起来的，是集农业科技上的高、精、尖和计算机自动控制技术于一体的先进农业生产设施，是现代化农业科技向产业转化的物质基础。伴随着GSM网络发展，智能大棚监测控制系统已经开始广泛应用于温室大棚智能化管理中。

二、智能大棚监测控制系统设计原理

本系统是利用IAP15F2K61S2单片机把传感器采集的有关参数转换为数字信号，并把这些数据暂存起来，与给定值进行比较，经一定的控制算法后，给出相应的控制信号进行控制。系统还可以经过串行通信接口将数据传送至上位机，从而完成数据管理、智能决策、历史资料统计分析等更为强大的功能，并可以对数据进行显示、编辑、存储及输出。

环境检测由AM2301数字式温湿度传感器、MQ-2烟雾传感器和YL-38光强传感器等组成，分别检测温室大棚的空气温湿度、烟雾浓度、光照度。通过这些外围传感器进行数据采集，并将采集到的数据显示在液晶12864上，当检测到用户的状态请求时，主控通过GSM模块将信息发送到用户手机上。在待机状态下，主控不断监测键盘或GSM的控制指令，根据不同的指令控制相应的继电器，控制通风、喷灌和加热等装置。

三、智能大棚监测控制系统设计方案

（1）空气温度测量。温度传感器的种类多，选择余地大，本系统采用AM2301数字温湿度传感器。AM2301是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，能够确保产品具有极高的可靠性与卓越的稳定性。在系统中，AM2301将数据直接送入IAP15F2K61S2，通过单片机内部的10位A/D采集信号，设置为第1路信号，精确到0.5℃，可满足应用要求。

（2）空气湿度测量。采用AM2301的湿度测量模块，调理后，送入主控芯片，设置为第2路信号。由于AM2301有0.70%RH的温度系数，在信号调理电路中进行了温度补偿，在35%～85%RH范围内可精确到2%RH。

（3）土壤湿度。土壤水分传感器采用不锈钢管和一段钢丝制成，长20cm，不锈钢管和钢丝之间留1cm的距离并保持平行放置，将二者用绝缘材料固定。通过测量不锈钢管和钢丝之间的电阻来测量土壤水分，采用电阻桥和运算放大器OP07调到0～5V的范围，再经过模数转换器送入单片机。

（4）烟雾测量。采用烟雾传感器，通过电位器设定烟雾指标补偿，然后送入单片机的I/O，经滤波处理后，判断是否达到设定阈值，实现报警。

（5）通信模块。采用TC35i通讯模块，充分利用现有网络，无需单独组网，运行安全稳定，结构简单、运行灵活、经济可靠。而且可以实现远程控制（跨省、跨区域）。另外，还采用ZigBee模块用于实现上位机与大棚之间的通讯，节省成本，操作简单。

（6）控制功能及实现。在本系统中，主机通过接受键盘或GSM的控制信号来控制相应的继电器驱动电路，由继电器来控制通风、喷灌、加热和卷帘等装置。本系统能够实时采集温室内的空气温湿度、土壤湿度、光照强度、二氧化碳浓度等环境参数，通过12864液晶进行数据显示。当环境参数超过设定值时，系统会自动报警，并把参数信息发送到用户手机，寻求处理方案。而且用户还可以通过按键来现场控制。例如控制卷帘电机、鼓风电机、水泵等机械设备的运转，以维护大棚的正常运行。在用户的请求下还可以通过GSM模块以短信的形式将大棚的环境参数发送到用户手机，以实现对大棚的远程监测。在待机模式下，用户也可用手机远距离控制大棚中各种机械设备的工作，以实现远程控制。系统全景图如图1所示。

四、结语

本设计为闭环控制系统，由IAP15F2K 61S2单片机、A/D转换电路、温度检测电路，湿度检测电路、控制系统组成。温度检测电路将检测到的温度转换成电压，该模拟电压经A/D转换后，进入IAP15F2K61S2单片机，单片机通过比较该温度与设定温度来控制风扇或加热装置驱动电路，当大棚内温度在设定范围内时，单片机不对风扇或加热装置发出指令。实现了对大棚里植物生长温度及土壤和空气湿度的监测控制，并能对超过正常温度、湿度范围的状况进行实时处理，使大棚环境得到了良好的控制。

【参考文献】

[1]郭辉. C语言程序设计[M].北京：中国传媒大学出版社，2010

[2]冯文旭.单片机原理及应用[M].北京：机械工业出版社，2011

数字电视播出系统的音频控制与监测 篇4

当前, 全国广播电视行业正处在向数字化转移的关键时期, 数字电视播出系统在各电视台逐步得到推广应用, 福建省广播影视集团目前拥有10个电视频道的标准清晰度数字化硬盘自动播出系统, 这些数字播出系统的成功构建, 使电视节目的播出质量得到了大力提升。对电视节目的播出效果, 我们不仅关注电视的图像质量, 提高电视节目声音的播出质量也是我们努力的方向, 下文就播出系统中的模拟音频与数字嵌入音频的特性作比较, 以及我台数字播出系统中对音频控制与音频监测的创新设计与建设作系统介绍, 供大家参考。

2 模拟音频与音频测量

2.1 模拟音频

模拟音频有不平衡音频与平衡音频。

不平衡音频是采用“信号”和“信号地”二线传输音频, 这种方式简单, 成本低, 但易受外界电场和磁场的干扰, 适合于短距离互连。

平衡音频具有两个信号分量, 它们的幅度相等但极性相反, 同相信号即正极性信号, 倒相信号即负极性信号, 平衡信号之间的互连通常使用三根导线:XLR Pin 1 (屏蔽层) 、XLR Pin 2 (同相信号) 、XLR Pin 3 (倒相信号) , 双绞线用于传送同相信号和倒相信号, 双绞线外层是屏蔽层。外界电场干扰信号对同相信号和倒相信号产生相同效果, 对电路的输入端产生共模效应, 可降低外界电场和磁场的干扰。

2.2 音频测量

(1) 音频测量通常都用d B (分贝) 表示, d B可将电压或功率的测量值用对数的函数形式来表示:

d Bm是以600Ω负载上的1m W功率作为基准功率, 0d Bm就意味着600Ω负载上的电压值为0.775V。

(2) 音量电平表

VU表显示的是音频信号的平均音量电平, 对称上升和下降时间, 较长的积累时间 (典型值为300ms) 。

PPM表显示的是音频信号的峰值音量电平, 较快的上升时间 (10ms) , 较慢的降落时间 (2.85s) , 积累时间的典型值为10ms。

3 数字嵌入音频

(1) 数字嵌入音频是以辅助数据包的格式放置在行辅助数据区内。

SMPTE 291M定义的辅助数据包和空间的格式如图1所示。

·辅助数据标志 (ADF) 含有三个字:000h、3FFh和3FFh

·数据识别符 (DID) 一个字节:用于区分不同类型的辅助数据包

·数据包序号 (DBN) 一个字节:是可选用的计数器, 为辅助数据包提供顺序读数, 接收端可根据此判断是否丢失了数据包

·数据计数字 (DC) 一个字节:用于指示本包中的用户数据量

·校验和 (Checksum) 一个字节:用于本数据包中的误码检错

(2) 音频数据帧的构成如图2所示。

·Preamble:标识数据;LSB:最低有效位;MSB:最高有效位;V:有效位;U:用户数据位;C:通道状态位;P:奇偶校验位

·音频取样数据被分成20比特的音频样值和4比特的辅助数据 (AUX)

·按照SMPTE 272M标准的规定, 在行辅助数据区内最多可嵌入16个通道的音频数据, 16个通道划分为4组 (1, 2, 3, 4) , 每组含有4个 (即两对) 音频通道

·在切换行和EDH行不放置嵌入音频, 音频数据嵌入后也视作Cb YCr Y视频样值

(3) 数字音频的电平

d BFS数字音频信号的电平单位, 其中“FS”的含义即英文Full scale (满刻度) , 0d BFS等于满刻度的数字音频参考电平。数字音频信号以系统能处理的最大音频信号的编码为基准, 实际信号幅度的编码代表的量化级与相对于这个最大编码的量化级之比, 即为相对满度电平。实际信号编码不能超过0d BFS, 所以数字音频信号电平均为负值。SMPTE标准规定基准电平为-20d BFS, 欧广联 (EBU) 标准规定基准电平为-18d BFS。根据我国行业标准GY/T192-2003《数字音频设备的满度电平》, 我国以数字方式进行复制、传送、播出和节目交换时, 数字电平与SMPTE相同, 比EBU低2d B。

4 数字播出系统的音频控制

4.1 数字电视播出系统的音频设计

我台在构建数字电视播出系统时采用的是数字音频嵌入数字视频方式, 这样的设计可以避免音/视频延迟不同步的问题, 而且播出信号流程也比较简捷直观。如图3所示信号流程:由录像机或视频服务器等输出的各类SDI信号经矩阵后到切换台, 切换台输出SDI信号送到音频处理器, 再经应急切换开关到数字视分输出, 数字视分输出送给监测与监听, 也有经D/A解嵌输出模拟音频。

数字播出系统中我们选用Quartz公司的QMC切换台, 它的音频输入可选择SDI嵌入音频、AES或模拟音频之一, 音频输出可同时给出SDI嵌入音频、AES及模拟音频, 切换台内部的音频处理单元对SDI嵌入音频信号的处理, 采用解嵌后调整音频电平再嵌入的方式。

音频处理器是选用德国的Junger b46, 它是一款对数字音频进行动态处理的专业级设备, 对AES输入或嵌入音频SDI信号进行自动电平控制 (AGC) 和限幅等处理。可设置音频通道、音频同步模式、工作基准电平、AGC最大增益、AGC控制时间、限幅电平值等。音频处理器内部对SDI嵌入音频也是采用解嵌后处理再嵌入的方式, 对输入SDI信号的稳定性要求高, 我们在调试播出系统时发现, b46接在应急切换开关之后, 由于开关没有行同步功能, 即使开关的各路输入信号源相位对齐, 开关切换时也偶有SDI信号的扰动现象, 这样SDI信号经b46音频处理器会出现声音短暂中断问题, b46接在QMC切换台之后就没有此问题, 主要在于QMC切换台输出能提供稳定的SDI信号。

4.2 播出系统的音频控制

模拟播出系统存在基准电平为0d Bμ和+4d Bμ的情况, 数字播出系统也存在基准电平为-18d BFS和-20d BFS的情况, 我台数字电视播出系统的音频选择-20d BFS作为基准电平。

播出系统中对嵌入音频的控制主要由三部分组成:数字录像机、切换台、音频处理器。由于交播的磁带节目的声音电平差别较大, 在节目上载时可以调整录像机音频输出电平, 在录像机播出时也可以调整录像机音频输出电平。硬盘播出系统中一般播出时都是用切换台与音频处理器实现对各路播出信号源的音频控制。

在切换台上调整音频电平, Q M C切换台的控制面板设置有音频GAIN+与GAIN-按键, 调整音频电平范围从-36d B~+12d B, 音频电平调整后也可按Audio Default键直接恢复至0d B输出。在音频处理器b46上选择SDI嵌入音频输入输出, 设置工作基准电平为-20d BFS、AGC最大增益范围为15d B、AGC响应时间10s。我台播出信号的出口既有数字信号传输, 也有模拟信号传输, 按照总局电视节目技术质量奖的标准, 在数字声音信号与模拟声音信号并存的系统中, 为了保证模拟声音信号不失真, 语言类节目峰值电平允许最大-12d BFS, 音乐类节目峰值电平最大-7d BFS, 因此, 我们限幅电平设为-7d BFS。

5 数字播出系统的音频监测

由于播出信号采用的是嵌入音频的方式, 因此对播出声音的监听不如模拟音频方式时方便, 我台数字电视播出系统中对嵌入音频的监测与监听, 主要有三种方式:一是分割画面显示器可以显示SDI嵌入音频的峰值电平;还有音频监听器可以监听SDI嵌入音频的声音, 并有LED显示;另外使用数字音频监测仪来监测。

采用Miranda的10分割画面显示器, 它的音柱显示是音频峰值电平, 可以给播出值班人员指示出大致的音频电平, 但对节目声音内容的监听还需要音频监听仪。我们在播出系统中配置了如wohler的AMP1-VSA监听器, 有SDI输入, 可直接监听SDI嵌入音频的声音, 并关注节目的响度, 它的LED指示可选择PPM或VU, 比分割器显示的音频电平要准确。

另外, 播出系统还安装了我们技术人员自行研制的播出信号自动监测报警系统, 对视音频信号中断或发现各种非正常信号能及时报警, 提高了各频道的播出安全性。

对数字音频的动态监测主要是靠数字音频监测仪, 我台播出系统中技监部分配置了泰克764和WVR 611。如图3所示频道出口信号接入泰克764音频监测仪做监测, 这款音频监测仪使用方便, 功能也比较强, 体现以下几个方面。

音频电平:音频幅度的测量结果用四条柱状图形来显示。许多特性均可配置以供用户参考, 电平表可选择True Peak、PPM或VU, 表的刻度有d BFS或d Br, 其它的特性包括数字限幅和静音的检测以及系统误差的检测。

音频相位:李沙育显示功能与数字相位相关表, 可选择的和、差柱状图提供了附加的相位评估工具。

时间码:764具备时间码输入特性和显示功能, 场消隐期和纵向时间码的显示可用来判明所规定的音频段。

系统定时:数字音频的基准输入符合AES的推荐标准, 允许用户检测数字音频信号间的定时关系。

状态和用户数据:通道状态和用户数据可以显示在相邻的24字节里, 并能够监视这些辅助数据的内容和格式。

播出系统中这些先进的数字音频监测仪为播出技术人员提供了音频设置和校正的工具, 从而有可能完成播出线上常规的和高级的音频检测任务。

6 小结

(1) 向数字电视过渡的过程中, 一个突出的问题就是造成音/视频同步故障的延时问题, 数字电视播出系统采用SDI嵌入音频的方式有效避免了这个问题。

(2) 我国行业标准GY/T192-2003规定数字基准电平为-20d BFS, 对数字基准电平为-18d BFS的设备允许继续使用, 而采用数字电平校准的方法, 使数字基准电平适配。

(3) 模拟音频送入数字系统播出, 应调节播出系统输入端的增益来调整输入的模拟信号幅度, 使其符合数字播出系统要求的数字基准电平。

(4) 在播出中, 节目 (包括广告) 声音电平大小差别较大, 值班人员很难跟随声音电平作手动调整, 且人工调整滞后于声音电平的变化。为提高电视节目的播出质量, 建议在播出系统安装音频处理器, 对播出的声音电平进行自动控制。

(5) 统一使用1KHz幅度为+4d Bμ的稳态正弦波信号校准系统, VU表指示0VU, 数字峰值表应指示在-20d BFS刻度。

(6) 在播出中要加强对嵌入音频的监测与监听, 不仅关注音柱显示, 还要注意监听电视节目的声音质量, 包括声音响度, 必要时使用音频监测仪。

摘要：在数字电视播出系统中, 各部门首先考虑的是如何实现图像数字化, 集中了大量的人力、财力、物力进行保障, 其实电视节目声音的播出质量也是非常重要的方面, 为此我们要了解模拟音频与数字音频的特性, 以便构建数字播出系统时, 对音频控制与音频监测进行设计。本文就我台数字播出系统中对音频控制与音频监测的创新设计与建设作系统介绍。

控制与监测系统 篇5

为适应市场的需求，目前温室大棚在国内外都得到了广泛的应用，其中以美国、日本、荷兰等国家发展最为迅速，基本实现了环境智能监控和远程监测。而在国内，大部分温室大棚未采用智能控制技术，且存在环境控制能力低、自动化程度落后、价格昂贵等缺点，这在很大程度上降低了温室农作物的产量与质量，因此，广泛实现温室的智能监控很有必要。此外，维持温室大棚的正常运行需要提供充足的电能，而一般大型的温室大棚位于离居民生活区较远的空旷地区，对电能的利用并非很方便，但是太阳能资源丰富，因此如何实现对太阳能的利用成为一个值得思考与解决的问题。

设计思想

要实现对太阳能的利用，可以借助于太阳能电池实现光电转换，近年来太阳能电池的转换效率与使用寿命都有了很大的提高，目前单晶硅的转换效率可达30％左右。因此利用太阳能光伏系统为温室大棚供电成为了可能，为提高太阳能利用率，可采用MPPT和光伏系统自跟踪技术。影响农作物的生长因子主要有：温度、湿度、CO2浓度以及光照。实现对各生长因子的智能控制，能很大程度地提高农作物的产量与质量。

基于太阳能供电的温室环境智能监控系统框图如图1所示。

太阳能温室大棚监测控制系统框图 模块化设计

2．1 太阳能供电模块

该模块主要包含MPPT的实现、蓄电池充放电监控、自跟踪系统以及电压转换4个部分。MPPT的实现和自跟踪系统均是为了实现太阳能更高效率的利用，蓄电池充放电监控则是对蓄电池、太阳能光伏组件阵列以及负载的保护，电压转换使得该系统可为各种交流和直流负载供电。太阳能供电模块框图如图2所示。

2．1．1 MPPT的实现

MPPT即最大功率点跟踪，是指控制器能够实时侦测太阳能板的发电电压，并追踪最高电压电流值，使太阳能电池板以最高的效率对蓄电池充电。MPPT控制的原理实质上是一个自动动态寻优的过程，通过功率的比较来改变占空比和脉宽调制信号，进而改变太阳能电池板的工作负载，改变输出功率点的位置，以达到最优。实现MPPT通常需要斩波器来完成DC／DC转换，斩波电路分为BUCK电路和BOOST电路。本文中利用BUCK变换器来实现MPPT，通过调节BUCK变换器的PWM占空比输出，使负载等效阻抗跟随太阳能光伏组件阵列的输出阻抗，从而使光伏阵列在任何条件下均可获得最大功率输出。BUCK电路实际上是一种电流提升电路，主要用于驱动电流接收型负载，直流变换通过电感完成，其电路图如图3所示。

故通过调节占空比即可调整输出负载，从而可使太阳能光伏组件阵列工作在最大功率点。占空比的调节是通过控制Q基极电压来实现，可借助于单片机编程加以控制。

2．1．2 蓄电池充放电监控电路

蓄电池充放电监控电路是为了防止蓄电池组过充、过放等现象，蓄电池组在整个系统中起到储存与提供能量的作用，在硬件上可借助于单片机来实现，其软件程序流程图如图4所示。

2．1．3 自跟踪系统

为了实现对太阳能更大限度的利用，要保证太阳光每时每刻都垂直照射在太阳能电池板上，即太阳能电池板必须跟随这太阳的运动而运动。目前常用的自跟踪方法有匀速控制方法、光强控制方法、时空控制方法。为了方便实现并达到较好的跟踪效果，可以将匀速控制法与光强控制法相结合。并通过对实际光强与设定值的比较，分别采取紧跟踪、疏跟踪以及不跟踪的措施。在硬件上可以通过单片机、太阳光跟踪传感器、光强测定器等实现。

2．1．4 太阳能应用于温室的前景

目前使用太阳能光伏阵列进行供电需要占用一定的土地资源来安放太阳能电池板，然而现在已经生产出了半透明太阳能组件，此外透明太阳能电池组件也在进一步研究中，这使得将太阳能电池安装在温室顶部成为了可能。而且太阳能电池的转换效率在不断提升，因此太阳能光伏系统的广泛使用将成为必然趋势。

2．2 智能监控模块

智能监控模块的主要部分为传感器模块、A／D转换模块、微处理器以及各因子的控制设备。

2．2．1 传感器的选取

测温设备选择SLST系列数字传感器，它是采用美国Dallas半导体公司的DS18B20数字化温度传感器，为不锈钢外壳封装，防水防潮，且具有高灵敏度和极小温度延迟，现场温度以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性能。其测温范围为-55～+125℃，温度准确度为±0．5℃，可直接将温度转换为串行数字信号供单片机处理。温室内湿度的测量采用JCJ100MH湿度变送器，其采用高精度湿敏电容进行测量，具有灵敏度高、稳定性好、准确度高和使用寿命长 等特点。其工作环境为-40～80℃，输出电压范围为0～5 V，湿度测量范围为0～100％，均满足温室测量的需求。土壤湿度的测量采用高精度土壤水分传感器，它采用世界先进技术的土壤湿度传感器，精密、可靠、耐用，可直接连接至数据采集器，可长期埋设在地下任意深度，连续测量，其测量范围为0～100％，工作电压为7～15 V，输出0～1．1 V的电压信号，可经适当放大后供A／D转换。光照度的测定可以采用KITOZER系统光照度变送器。该种变送器以对弱光也有较高灵敏度的硅兰光伏探测器为传感器，具有测量范围宽、线性度好、防水性能好、传输距离远等特点，其工作电压为12～30 V，测量范围为0～200 000 LUX，支持二线制4～20 mA电流输出、三线制0～5 V电压输出、液晶显示输出以及RS 232，RS 485网络输出，适合在温室大棚环境下使用。CO2浓度的测定可采用FIGARO公司生产的TGS4160，它是一种固态电化学型CO2传感器，具有体积小，寿命长，选择性和稳定性好等特性。因为它的预热时间较长，故适合在室温下长时间通电连续工作。它的测量范围为0～5 000 ppm，使用寿命2 000天，内部含有热敏电阻起补偿作用。通过各传感器获得电信号，经A／D转换后输入单片机与所需要的设定值相比较，然后控制相应的设备来对各因子进行调节。

2．2．2 各生长因子的控制

农作物生长因子主要是指温度、湿度、CO2浓度以及光照。

温度 升温设备可以采用热水锅炉、燃油锅炉、太阳能加热器等，鉴于室外太阳能资源充足，白天可采用太阳能加热器加热，实现光能向热能的直接转换，在太阳不足时，采取电加热器，由蓄电池组供电。降温设备采用湿帘风机，其中通风设备采取强制通风的方式，即利用风机产生风压强制空气流动降温，湿帘是利用水蒸发吸热的原理来降温，二者的结合作用能力强，效果稳定。

湿度 当实际湿度低于所需要湿度时，可以通过控制安装在大棚顶端的喷嘴来实现，通过喷雾来提高湿度，同时又不至于使得湿度过大。当湿度过高，则可以通过通风来降低，这是利用湿度差来进行室内外的空气交换实现。

CO2浓度 CO2的浓度直接影响着农作物的产量与质量，合适的CO2浓度可能达到40％～200％的增产。大气中的CO2浓度仅为350 ppm，在温室中需要提高CO2浓度，可利用CO2发生器来实现，采用化学反应、燃煤、燃气等方式来产生CO2，当CO2浓度过低时，即可通过控制CO2发生器的开关来提高。当浓度过高时，通过打开通风机即可。

光照 光照的控制设备为遮阳设备和补光设备，当光照过强时，可借助遮阳设备来实现，当光照过弱时，可利用补光灯来实现，而且补光灯开启的数量受外界光照的影响，最终达到较为合适的光照强度。

2．2．3 A／D转换 A／D转换采用TLC1549，将各传感器所采集的模拟电信号转换为数字量输入单片机进行处。，对各因子加以控制。TLC1549为逐次比较型10位A／D变换器，其片内自动产生转换时间脉冲。转换时间小于21μs。其具有固有的采样保持电路，终端兼容TLC549，TLV549，采用CMOS工艺，有2个数字输入和1个三态输出，可和微处理器直接相连。

2．2．4 软件实现

该系统中所采用的单片机可以选择51／52系列单片机，如AT89C51。通过单片机编程来实现对各种设备开关的控制，其控制流程图如图5所示。

环境智能控制流程图 结语

该系统实现了对太阳能资源的有效利用，采用MPPT和自跟踪系统来实现高效率转换，且可以较好地智能控制农作物各生长因子，使得农作物生长在最为合适的环境中，大大提高了农作物的产量与质量。本文中所涉及的只是单间温室的智能控制，然而可以通过通信接口RS 232与上位机进行通信，实现集散控制，这样可以大大提高总体工作效率。

托普物联网简介

托普物联网是浙江托普仪器有限公司旗下的重要项目。浙江托普仪器是国内领先的农业仪器研 发生产商，依据自身在农业领域的研发实力，和自主研发的配套设备，在农业物联网领域崭露头角！

托普物联网以客户需求为源头，结合现代农业科技、通信技术、计算机技术、GIS信息技术，以及物联网技术，竭诚为传统行业提供信息化、智能化的产品与端到端的解决方案。主要有：大田种植智能解决方案、畜牧养殖管理解决方案、食品安全溯源解决方案、食用菌种植智能化管理解决方案、水产养殖管理解决方案、温室大棚智能控制解决方案等。

托普物联网三大系统产品

我们知道物联网主要包括三大层次，即感知层、传输层和应用层。因此托普物联网产品主要以这三个层次延伸，涵盖了感知系统（环境监测传感设备）、传输系统（数据传输处理网络）、应用系统（终端智能控制平台。）

托普物联网模块化智能集成系统

托普物联网依据自身研发优势，开发了多种模块化智能集成系统。

1、传感模块：即环境传感监测系统。它依据各类传感设备可以完成整个园区或完成对异地园区所需数据监测的功能。

2、终端模块：即终端智能控制系统。它可以完成整个园区或远程控制异地园区进行自动灌溉、自动降温、自动开启风机，自动补光及遮阳，自动卷帘，自动开窗关窗，自动液体肥料施肥、自动喷药等各类农业生产所需的自动控制。

3、视频监控模块：即实时视频监控系统。主要是通过监控中心实时得到植物生长信息，在监控中心或异地互联网上既可随时看到作物的实时生长状况。

4、预警模块：即远程植保预警系统。可以通过声光报警、短信报警、语音报警等方式进行预警。

5、溯源模块：即农产品安全溯源系统。该系统对农产品从种植准备阶段、种植和培育阶段、生长阶段、收获阶段等对作物生长环境、喷药施肥情况、病虫害状况等实施实时信息自动记录，有据可查，在储藏、运输、销售阶段采用二维码或者RFID射频技术对各个阶段数据记录，这样就能实现消费者拿到农产品时通过终端设备或网络就能查看到各类信息，才能放心食用。

关于环境监测技术与质量控制思考 篇6

關键词：环境问题；监测技术；监测过程；质量控制

引言

环境监测是指通过对环境的质量进行一系列程序性的分析，对特殊元素的含量进行测定，从而确定环境质量的整体水平，反应环境质量的变化情况以及现状，为环境质量保护提供可行依据。环境质量控制不仅能够保护动植物生活环境，环境监测还与可持续发展之间是能够相互协调的同时。通过对生态环境的监测、保护，能够有效的加强人们的生活质量，对促进社会经济的可持续发展有非常重要的作用。

1 生态环境的内涵、特点以及与可持续发展的关系

1.1生态环境的内涵、特点

对于某一生态系统中的区域，其生态环境强调的是生态系统中的承载功能，主要表现在生态系统环境中的人们在生产过程中，能够将生态环境中的资源在生态系统承载力的范围内合理的与运用，除了要是人们生活的环境不会被破坏，还要能够使的社会经济的得以发展[1]。

1.2生态环境与可持续发展的关系

对于当前的资源可持续发展主要指的是社会上的资源在使用的过程中能够保证资源的合理的利用，使资源的消耗能够建立资源可再生的基础上，因此，要对生态系统环境实际发展能力，确定当前经济以及社会的发展规模，在不会破坏生态环境的前提下，使社会经济能够发展。这样一来根据生态环境以及可持续发展之间的关系可以定义为，可持续发展是目标，而生态环境只是实现目标的基础[2]。两者之间能够有效地加快社会经济的发展。在使用的过程总也要注意两者之间的平衡。

2 环境监测程序、特点以及分类

2.1环境监测程序

环境监测是我国对环境质量控制的一项工作之一，必须遵循我国的环境质量标准对某一个区域的环境污染情况进行综合性、客观性分析[3]。环境监测的主要流程为：实地调查、分布监测点、收集数据、分析数据、评价结果、提出策略、评审确定、上报结论。整个监测过程必须是以环境保护体系作为依据，必须保障最终数据的真实性以及策略的可操作性。

2.2环境监测的特点以及分类

环境监测的对象主要是固体废物、气体、土壤以及生物等物体，其需要使用多样化的质量监测方法对其进行综合性的监测，最终获得样品的污染数据[4]。同时，为了有效地采集数据，采集数据信息的过程中，必须要选取具有代表性的监测点位、对象，并对其进行长期的监测，从而发现环境的变化情况。对此，环境监测便具备长期性、连续性以及综合性。

环境监测主要可以被分为科研监测、应急监测以及常规检测。常规检测主要是对某一个区域、某个项目进行长时间的追踪检测；应急监测与科研监测则是对某个特定的目标进行检测。前者普遍是用于调查地区的环境污染情况，而后者则主要是用于对工厂或某个污染事件的调查。

3 环境监测质量控制措施

3.1环境监测中的质量控制

在环境监测当中，首先需要提升环境样本的取样质量以及质量的控制质量，从而给环境监测后的质量控制提供有利条件。依据我国环境污染的实际情况分析，农业污染物以及工业排放物是形成环境污染的主要因素之一。在环境样本的采样过程中，首先需要以国家所指定的环境标准作为采样的基础，并结合采样地点的环境污染实际情况，科学、合理的设置采样监测点、采样频率以及采样时间，正确的使用样本采样技术以及相关的仪器设备，充分的考虑可能影响采样效果的相关注意事项。例如，环境监测中，采样器如何摆放效果最佳，采样管的安装如何才是正确的，吸附剂如何使用才最有效等等。环境样品在采集完成之后，需要立即送往实验室，在运送过程中，需要保障样品的有效性，保障运送环节中样品质量不会被改变，保障实验室的样品不会受到其他污染的可能性，保障其有效性。

3.2实验室监测分析的质量控制

环境监测最终结果的决定性因素主要是实验室的监测质量。对于小型环境监测而言，实验室当中的质量控制主要集中在内部管理中，内部质量控制又是环境监测整个系统当中的核心部分，是环境分析者能够自我控制的环节。监测质量主要体现在监测的整个过程当中，每一个参与质量监测人员的工作质量，均会对监测结果造成间接或直接的影响。在实验室监测环节中，需要做好足够的内部控制，提升分析人员的整体素质，尽可能的减少监测人员对环境监测结果的影响。对于大型环境监测而言，其除了要做好内部质量控制外，还可能会涉及到实验室与实验室之间的质量控制，因为大型环境监测普遍无法在一个实验室当中完成，就可能会由多个不同监测内容的实验室利用多样化的技术手段、检测方式进行检测，这些检测方式在有一定程度的差异性，为了保障最终的检测结果准确无误，需要提供统一的样品，使用空白平行的方式加以质量保障。

3.3环境监测质量管理体系的建立

行之有效的管理体系能够有效的保障环境监测质量。对于环境监测而言，其在样本取样、实验室分析中均需要相关的规定对操作人员的操作行为进行约束，利用质量管理手段或者技术文件完善环境监测整个过程。在监测过程中，首先需要对监测条件以及环境进行全面性分析，然后建立符合实际的质量管理体系，明确监测人员的定位以及职责，保障监测工作能够有序、规范的开展。此外，还需要依据质量管理体系，对违规、偷懒行为进行审查，对环境监测各个环节的有效性进行强化，有效的消除监测过程中出现质量问题的因素，从而形成系统性、科学性、全面性的环境监测质量管理体系。

4 结语

综上所述，环境质量控制是一项长期、复杂并且多系统性的项目，为了有效的发现当前的环境问题，帮助相关企业、管理部门设计环境管理办法，提升我国环境保护质量，环境监测技术的方法、手段以及管理措施必须不断的提高。

参考文献：

[1]李晓敏，毕晓丽，洪伟.关于环境监测技术与质量控制之初探[J].环境与生活.2014，16（02）：122-126.

[2]刘艳，叶鸿瑁，丘小汕.环境监测工作中水环境监测的质量保证与质量控制初探[J].石河子科技，2011，11（4）：303.

[3]邵天艳，黄德珉，官希吉.大气环境监测质量的控制措施分析[J].环境与生活，2014，22（6）：118-120.

[4]曹晓敏，张涛，傅卫.环境监测质量保证与控制现状分析及对策探讨[J].科技致富向导，2013，20（3）：364-376.

钢水浇铸自动控制与监测系统的设计 篇7

浇铸是铸造生产过程中的一个重要环节，虽然大多数冶金企业采用吊包浇铸方式，通过重量传感器来实现钢水浇铸重量的检测，但并没有找到能够满足浇口中钢水的液位高度检测的传感器件，从而限制了浇铸自动化水平的发展。

(1）浇铸控制。随着微电子技术与自动控制理论的快速发展，PID算法控制在工业控制系统中得到广泛的应用，在冶金工业中，PID算法控制的使用率高达82.9%，是冶金企业所采用的最主要的控制方式之一。

(2）浇铸监测。浇铸监测主要依靠重量传感器实时采集在浇铸过程中吊钩秤上钢水的重量值，通过无线或有线数据传输的方式将数据信息传递到数据处理终端计算出浇铸速率、时间等参数，从而实现浇铸过程的监测。

本文以传统钢水浇铸为基础，提出了一种基于改进PID算法的钢水浇铸控制与浇铸流量监测系统，详细阐述了该系统的结构组成、控制算法与监测方案，为冶金工作自动化发展添砖加瓦。

1 系统构成

钢水浇铸控制与监测系统主要硬件包括控制机柜、步进电机、图像传感器、铸流量伺服控制组合与打印机，其中控制机柜中包括工控机、信号接收机、图像采集卡、液晶显示器，如图1所示。

工控机作为控制核心与管理中枢，通过数据连接线控制步进电机驱动铸流量伺服控制组合从而操控吊钩秤来控制铸流量，利用吊钩秤上的重量传感器与浇口图像传感器实现浇铸过程中重量与液面状态的数据采集，之后经图像采集卡将数据信息反馈至控制机柜计算液面高度偏差并由控制算法得到相应的步进电机控制量，实现误差补偿与实时监测功能。

在浇铸过程中，工控机分别通过信号接收机与图像采集卡获取重量与液面状态数据，并将计算出来的当前重量、浇铸速度、浇铸时间、浇铸重量等数据显示到液晶屏上，便于技术人员了解当前浇铸状态，从容应对突发事件。

2 系统运行流程

本系统的运行流程图如图2所示。

钢水浇铸开始之前，检查系统线路是否良好，开启控制机柜，运行系统控制与监测软件，设定流量给定参数，启动钢水浇铸。此时，工控机控制步进电机快速驱动浇铸流量伺服控制组合，使得吊钩秤运动控制浇铸流量，从而在浇口中以给力流量值建立液位。当浇口中的钢水液面建立后，系统进入稳态阶段，通过从图像传感器上反馈回来的液面状态对原控制算法进行补偿，通过浇铸流量伺服控制组合位置将钢水液位维持在浇口高度值附近，从而保持浇铸过程的稳定性。当钢水液位达到浇口高度时，工控机控制步进电机快速关闭浇铸流量伺服控制组合，浇铸停止。

3 系统关键技术的研究

本系统采用虚拟仪器技术，将LabVIEW2011作为开发平台，实现钢水浇铸过程中的自动PID控制与实时监测功能，结合MySQL数据库实现系统的监测信息存储与报告格式预处理，调用Matlab进行改进PID算法与监测数据的处理。

下面就本系统设计中所采用的关键技术进行探讨。

3.1 改进型PID控制算法

在实际工业生产中，对于钢、铁、铜、铝、锡等液态金属浇铸对象，其浇铸流量大致数学模型如式（1):

式中：Q1(t)为浇口的浇铸流量；k1为浇口形状相关的系数；2α为浇口杯口夹角；k2砂型直浇道形状相关系数；r为砂型直浇道半径；h2为吊钩秤到浇口底之间的距离；h0为浇口液态合金液位设定值；h(t)为砂型浇口的实时液位高度。

从式（1）可以看出，浇铸流量对象是一个具有时变参数、时滞、非线性的控制过程，且浇铸过程中浇口液态合金液位误差具有二阶系统单位阶跃响应的误差曲线特性，需将该误差补偿到PID控制算法中。

假设e(n)为钢水浇铸过程中当前液位采样时刻离散化的误差采样值，则：

将式（2）代入至控制器输出状态方程中得到n次误差采集值反馈后控制器输出值：

式中：N1与N2为控制器输出前后的放大系数，N1>1,N2<1,N21为抑制系数。

根据实际工程经验，通过区段不同算法调节的方式可有效地解决时变、时滞、非线性系统的控制问题，该方法即有鲁棒控制的快速性，又有时滞控制的稳定抗干扰能力。

假设误差采样值以最大值、中间值与最小值设为参考界限分别用emax,emid,emin表示，e(n)Δe(n)>0,e(n)Δe(n)<0分别表示误差向绝对值增大与减小区段的方向变化。下面根据上述讨论总结控制规律：

(1）当|e(n)|>emax时，液位误差绝对值很大，即控制器输出量超过最大值或低于最小值，需根据控制区间对控制器施加最大输出量或最小输出量。

(2）当时，液位误差仍处于较大状态，此时需对控制器施加较高的输出值从而迅速减小液位误差。

(3）当时，液位误差处于较低状态，可向控制器施加一般输出值来微调液位高度。

(4）当|e(n)|<emin时，此时的液位误差非常小，可保持控制器平稳输出。

通过上述算法实现液位误差对PID控制算法的补偿，从而克服了传统PID控制算法在系统稳定性、灵活性与自适应性上的缺点，满足冶金工业控制的需求。

3.2 铸流过程实时监测

浇铸开始时，重量传感器采集吊钩秤上的钢水重量，以该值为基准值G1，之后每隔一定时间Δt采集一次钢水重量Gi，则浇铸重量差值为ΔG=Gi-Gi-1，钢水浇铸流速为：

式中：i2。由于系统设定采样间隔时间与软件采样时间存在一定的误差k:

则最终的浇铸速度为：

通过Matlab计算浇铸重量差、浇铸速率与时间，技术人员便可随时了解钢水浇铸过程中机械与生产状态。

4 结论

本文通过分析冶金企业的钢水浇铸流程，提出一种基于改进型PID算法的钢水浇铸控制与监测系统，集合虚拟仪器技术、Matlab与数据库技术实现系统控制流程、过程计算与报告输出，为技术人员分析生产工艺缺陷与产生质量问题的原因提供了便利，避免了重大安全事故与经济损失的发生，满足了实际工业应用中的生产需要。

参考文献

[1]周兵,吴兴纯,吴文斗.基于PID控制的自动浇铸控制系统对象建模研究[J].广西轻工业,2007(2):51-54.

[2]章浙根.一种铅锭浇铸自动控制系统的设计与实现[J].浙江科技学报,2002(4):5-9.

[3]李刚,袁春峰,刘军.浅谈国产圆盘浇铸机控制系统的改进[J].有色冶金设计与研究,2010(2):25-26.

[4]强明辉,刘大为,于波.新型铝锭连续铸造机浇铸过程控制方法研究[J].科学技术与工程,2008(2):519-521.

[5]梁犇,李训诰,林江.基于Matlab与Lab VIEW的信号处理分析与研究[J].实验科学与技术,2010(6):39-41.

[6]王怡苹,许爱强,汪定国.自动测试系统中测试数据管理[J].电子测量技术,2010(3):137-140.

[7]BITTER Rick,MOHIUDDIN Taqi,NAWROCKI Matt.Lab VIEW advanced programming techniques[M].[S.l.]:CRC Press,2001.

控制与监测系统 篇8

水质在线自动监测系统是一套以自动分析仪器为核心的综合监测传输体系。水质监测站无人值守,监测仪器24 h连续工作, 因此对监测仪器的结构、性能、灵敏度及传输信号的稳定性都有相当高的要求,为此上海市水务管理部门从基础建设、人员素质、运行管理等方面建立了完整规范的质量保证体系,制定了切实可行的质量控制措施,以保证自动监测系统能长期稳定的连续运行,获取准确的监测数据。

1水质自动监测系统的建设

1.1站网建设

站网建设的质量是系统正常运行的基础,站网建设阶段要做好以下几方面的工作:

1)站点选择。自动监测站点的选择直接关系到所监测的水样在时间和空间上是否具有代表性,是否能够真实反映监测水体的质量状况。确定点位时要综合考虑监测断面的特征,包括水流的稳定性、 水深、河道或堤岸的抗冲刷能力,以及是否存在紊流等。

苏州河干流水质自动监测系统自上游到下游市区包括赵屯、黄渡、北新泾、梦清园、温州路5个测站。赵屯站位于江苏省与上海市的交界处,此站水质代表了上游来水水质;黄渡站位于嘉定区,此站代表了苏州河在郊区的水质;北新泾站代表苏州河进入市区前的水质;梦清园站代表了主要景观区的水质;温州路站位于苏州河与黄浦江的交汇处, 此处代表了苏州河进入黄浦江的水质。

2)仪器选型选购。自动监测仪器是水质监测系统的核心,在采购仪器时,需要考虑仪器的监测方法、量程及售后服务情况等因素。

为保证监测仪器量值溯源和与常规监测结果的可比性,应优选考虑采用我国国家、行业标准或国际等效分析等方法的仪器。

现在国内环境监测站使用的仪器大部分是引进的国外产品,针对这种现象要注意以下几方面:

a. 仪器的性能方面。按仪器的量程来说,在选购仪器时,要先了解待测水质参数的大概范围,然后对比所要采购的仪器量程,一般情况下所测项目的浓度值应处在仪器量程的20%~80%。根据上海市苏州河的历史资料,苏州河水质自动监测系统配备的仪器量程如表1所示。

b. 仪器使用维护的培训方面。国外产品的说明书一般是英文版的,针对这一情况,首先要在系统建设的过程中,向仪器供应商索要翻译准确的说明书;还要在系统验收之前做好仪器使用、维护的培训工作。

1.2人员素质要求

工作人员的素质是系统正常运行的前提。每个水质自动在线监测系统在建设初期,必须明确由1~ 2名专业技术人员负责。专业技术人员需具有扎实的理论基础和丰富的实际操作经验,为了更好地维护和管理监测系统,需详细地了解工程情况。专业技术人员在系统正式运行前要参加由相关单位与仪器供应商组织的业务培训,并通过考核持证上岗。上岗后,专业技术人员要明确分工,具体工作要责任到人。

1.3管理制度制定

完善的管理制度是水质自动监测系统正常运行的保证。水质自动监测系统是一个互相联系的整体,系统的任何一个环节出现问题,都将影响整个系统的正常运转。因此必须建立一个完善的管理机制,保证系统的正常运行。上海市水文总站在管理水质自动监测系统过程中建立的制度有工作人员持证上岗、测站巡检、仪器维护、试剂管理、数据管理与审核、水质自动监测系统数据月度和季度报告、异常数据的处理等制度及突发事件应急预案。 在日常的运行管理中,还要根据运行的实际情况, 逐步完善各项规章制度,使水质自动监测系统的运行管理走向规范化、制度化。

2水质自动监测系统运行中的控制措施

2.1测站系统维护

1)定期清洗。为防止取水管路出现泥沙堵塞, 藻类吸附滋生堵塞,管路老化破裂等现象,取水口、管路要定期拆卸清洗,每季度至少清洗1次管路。泥沙量大、藻类繁殖严重的地区要加大清洗力度,缩短清洗周期。定期的清洗维护可使系统处于良好的工作状态,保证监测数据的可靠性,同时也可以延长仪器的使用寿命。

2)不定期清洗。一般情况下,监测系统本身具备自动清洗的功能,但如果水中含有大量悬浮物质,时间久了,采水和配水单元管路、反应池、传感器、电极和蠕动泵管等处会出现沉积物,会导致传感器特性产生变化,或影响样品、试液注入到反应池中的体积,使监测结果产生偏差,一旦偏差超出可接受的范围,必须对管路、传感器及蠕动泵管等进行清洗或更换。

3)定期维护。系统维护分为管理站技术人员的日常技术维护和仪器供应商的现场维护,主要包括:每天定时远程检查和每周定期巡视,技术人员每天上午和下午共2次通过中心站软件远程下载水质监测站监测数据,并对站点进行远程管理和巡视;每周至少应巡视水质监测站1次,每次维护工作必须记录备查。

2.2试剂管理

1)试剂的质量保证。仪器所需试剂与标准物质也是影响监测数据准确性的重要因素。试剂与标准物质的不合格,直接影响到监测数据的精度。系统所用试剂一般为优级纯和分析纯试剂。

2)试剂的有效性检查。试剂的质量受多种因素的影响,比如试剂的浓度、稳定性、贮存期,容器的密闭性,环境状况等。因此自动分析仪所需的试剂需要定期检查,如发现有沉淀、变色等变质现象,应及时重配、更换。不同试剂的稳定性差别较大,对于稳定性较差或浓度较低的试剂应分次少量配制,特殊的试剂还应采取特殊的贮存方法,如氧化或还原性试剂可采用棕色瓶贮存以避免阳光直射。在环境温度较高的季节,试剂的分解速度会加快,应相应地缩短试剂的更换周期。

2.3仪器管理

1)定期校准。仪器运行期间必须根据水质情况,确定在线分析仪器的定期校准时间,校准周期一般为1个月,并积极配合具有相应资质的监测机构的监督校验。如果仪器长时间停机后重新启动, 更换电极、泵管等,或更换不同批号的试剂,必须重新校准仪器。

2)质量控制样品检查。每周进行1次质量控制样品的测定,用于检查仪器的漂移情况,如果相对误差超过20%,应重新校准仪器。质量控制样品的浓度值应在仪器量程的中间值附近。

3)实验室验证对比。每月进行1~2次水样实验室比对,用于检查自动监测系统的数据准确度情况。水样的采集应在自动监测仪器的取水口处,保证所取样品与仪器所测样品相同,在采样的同时记录自动监测仪器的测定值。

4)易损件更换。仪器的泵管和电极等部件使用寿命较短,它们的工作状态直接关系到进样的准确性和精密性,日常维护时要注意定期检查、清洗或更换。

2.4数据管理

监测数据的管理和审核是整个质量保证体系中最后、最有效的质量控制手段。在进行数据审核时,应按照实验室常规数据处理的要求进行检验和处理。对发现的异常数据,应从操作人员人为因素、试剂的质量及整个系统各个单元运行状况等环节逐个进行排查,查明原因,加以分析解决。

当数据采集系统发出异常值警告,并确认仪器正常时,警告值不作为异常值处理。

当已知仪器不正常或电极、泵管等耗材需要更换,仪器的测定结果与国标分析方法的测定结果有显著性差异时,仪器的测定数据应予剔除,不能参加各种数据统计。

还可以从以下几方面判断监测中的异常值[1]:

1)与历史监测数据的比较。一般河流水质状况相对稳定,监测参数测定值的波动范围不大,可与历史同期或最近一段时期监测数据进行对比,判断监测数据是否异常。如果监测数据变化明显,应对监测数据进行进一步论证,必要时采用人工采样进行分析,判断数据的真伪,确定是否剔除。如果数据的变化由污染事故引发所致,则得到的监测结果有明确的变化规律,此时应增加自动监测仪采样监测的频次。

2)各监测参数间的相关性。由于物质本身的性质及相互关系,几个监测参数的监测数据往往存在某种固定关系,可为审核单个已实行质量控制措施的监测数据正确与否提供依据。比如化学需氧量的监测结果应大于高锰酸盐指数的监测值,当溶解氧降低时,电导率、化学需氧量和高锰酸盐指数会随之升高,一般情况下,溶解氧高的水体硝酸盐氮的浓度高于氨氮浓度,反之,溶解氧低的水体氨氮浓度要高。通过对各监测参数之间规律性的了解,可容易地对异常值进行判断。

3)环境因素的影响。水体的某些基本性质参数有其自身的自然规律,例如水中饱和溶解氧的含量(在特定条件下水中氧达到饱和时的浓度)与温度、压力、海拔高度及盐度存在相关关系,水中溶解氧随温度的升高而降低,随气压的降低而降低。 水质自动监测系统中溶解氧数据波动较大,最易出现偏差。管理人员可以此规律,在运行管理中根据温度、气压和盐度的情况初步判断溶解氧数据是否正常。

2.5数据审核

水质自动监测站报出的监测数据要严格执行三级审核制度,具体如下:

1)一级审核。自动监测站监测人员随时对仪器监测的数据进行检查和审核,发现异常值时对仪器的运行情况进行检查,若确定为仪器故障,对异常数据做标识,及时排除故障,并记录处理办法。

2)二级审核。自动监测站主管业务站长对上报的监测数据进行审核,并对一级审核提出的异常数据进行复核。

3)三级审核。上海市水文总站水质科科长对上报给上级部门的数据进行审核并盖章。

2.6监督完善机制

上海市水文总站在水质自动监测系统的运行管理中,制定了“三方协商管理例会”制度。管理例会每月定期召开,参加对象为水文总站水质科管理人员、基层站技术人员和运营商具体工作人员。会议建立在三方重大信息沟通的基础上,主要就基层站技术人员和运营商具体工作人员双方在运行维护和管理中遇到的问题、各自的建议与期望及要求等信息,以会议协调模式汇报给水文总站管理人员, 以三方协商的模式当场确定解决方案。实践表明, “三方协商”的方式,不仅缩短了处理问题的时间, 提高了管理效率;还使自动监测系统得到最佳的维护效果,为系统的正常运行提供有力保障。

3水质自动监测数据的准确性

在完善的质量控制体系的保证下,上海市苏州河水质自动监测系统故障率低,稳定运行时间长, 运行初期(2014-01-01—06-30)数据采集情况如表2所示。

为检验水质自动监测仪器测定数据的准确度, 上海市水文总站每月进行1次自动监测与实验室常规监测的比对实验,2种测定方法的相对误差应小于20%,否则要对自动监测仪器进行校准或维护调整。 运行初期比对实验共进行6次,每次5个站共采集30组样品。

运行初期系统与实验室常规监测的比对情况如表3所示。

%

从表2和3可以看出,苏州河水质自动监测系统的有效数据捕获率高,能够及时、动态地反映苏州河干流的水质变化情况。

4结语

通过近3年的运营管理实践,上海市水文总站在水质自动监测管理方面积累了丰富的经验,水质自动监测系统质量管理体系得到不断完善;系统的稳定运行实现了对苏州河水质变化的实时、动态、 连续监控,提高了水质监测的工作效率,也为上海市水体质量管理工作提供了有效的技术支撑。在目前我国水体污染日益严重、环境压力日益增大的形势下,建议各级水务管理部门加大水质自动监测技术的应用力度,为水环境管理工作提供更加有力的科学依据,更好地保障社会经济的有序发展。

摘要：介绍上海市苏州河干流水质自动监测系统的建设情况,分析在运行管理过程中,制定的各项质保制度及实施的质量控制措施,对水质在线监测系统的运行管理和质量控制进行探讨,为上海水体质量管理工作提供有效的技术支撑。通过管理和控制前后的比对发现,监测系统可以保证实时动态、连续稳定地监测苏州河水质。

水稻生长环境监测与控制系统的研究 篇9

水稻是全球近25亿人口赖以生存的主要粮食之一,因此其生长状况以及产量对于世界粮食安全问题、消除贫困和维护社会稳定有着不容忽视的重要意义。水稻总产占世界之首的中国,更是意义深远。水稻生产是关系到国家稳定、社会安定和人民安居乐业的重大问题。随着黑龙江垦区的大面积开垦,垦区的地下水位逐年下降,缺水形势变得越来越严峻,想解决缺水问题,应大力提倡节水灌溉。国内外的试验表明:科学的用水管理可以节水20%[1]。传统的水稻生长中,种植户凭经验灌溉,使灌区作物得到“不合时机”“过度”的灌溉。为了对八五九水稻示范区内水稻生长试验有更加科学的依据,需要有大量的试验测量数据。采用传统人工办法,无法满足对试验田各个试验组合进行数据采集的要求[2]。其不仅消耗大量人力,还需要观察者有丰富的经验和农作知识,而且重复性的采集测量还会扰动作物生长生态环境,产生人为误差[3]。

针对试验要求并考虑未来更加广泛性的应用需要,本研究以八五九农场为载体,旨在建立一个可以指导水稻生长的操作简便、界面友好的水稻生长环境监测与控制系统。该系统核心技术和设备为自主开发,整体技术水平高,且成套设备的成本及价格远低于国外同类产品,在专用软件的支持下,使监测数据定量化,决策科学化。本系统现已经调试安装完毕,于2010年5月投入使用,2010年10月底实验结束,试验天数135天,取得了大量的宝贵数据。如果对得到的数据进行分析,反过来指导水稻生产,将具有重大而深远的意义;但是由于问题的复杂性和方法手段的局限性,使得许多方面的问题还未得到解决,需要进一步的深入研究。

1 系统整体构建

1.1 系统功能

本系统主要通过监测水稻田间的风向、风速、环境温度、环境湿度、露点温度、降水量、太阳直接辐射、日照时数、土壤热通量、叶片湿度、格田土壤湿度、格田水位、格田水面蒸发、格田水温、格田泥温、主渠流量、出口流量、入口流量、植株高度、叶片数、分蘖数等情况,为农场水稻的生产提供决策支持信息。其中,更重要的是它能通过格田气象观测资料和格田参数观测资料计算得到水稻整个生育期的需水量,基于短期以及中长期天气预报中的气象信息[4],来计算每天作物需水量;根据经验公式循环计算水稻计划湿润层内的有效含水量,当有效含水量降低到一定程度时,就必须进行灌水。灌区作物得到“适时”“适量”的灌溉,将有利于节约农业用水,满足现代化农业要求。

1.2 监视系统各模块详细说明

系统主要包括水稻格田监测与传输单元、园区气象监测及无线传输单元、自动控制灌溉及无线传输单元、水稻生长过程影像监测与传输单元等模块。其示意图如图1所示。

1)水稻格田监测:

主要监测的数据包括水稻格田内距地表3,5,10cm的水温,地表下5cm及10cm深的泥土温度、格田水位、土壤热通量、水面蒸发量、格田内土壤的湿度和水稻的叶片湿度。它通过无线传输方式把实时数据传到园区控制室的主机上保存记录,并能够在控制室的显示器及展厅的大屏幕液晶电视上显示[2]。

2)园区气象监测:

主要监测的数据包括科技园区内的环境湿度、环境温度、露点温度、风速、风向、降水量、日照时数、太阳直接辐射和水面蒸发等参数。上位监测主机配有大容量的后备UPS电源,具有停电保护功能。当交流电停电后,由后备UPS电源供电,可以维持正常工作达到48h以上,保证了各项数据的正常采集与传输。此外,采用电台方式进行数据传输,通讯距离在0~2000m范围之内,不收取任何通讯费用,且通信稳定。

3)自动控制灌溉:

自动控制灌溉系统是利用采集到的格田水位精准信号及渠道处的流量传感器的精准信号进行判断决策,通过可编程序控制电路进行控制,进而控制格田用水量。为满足不同灌溉技术要求,运行模式可设定为单次灌溉模式、波涌灌溉模式或周期轮灌控制模式。

4)水稻生长过程影像监测:

水稻生长过程影像监测是水稻生长环境数据监测系统的重要组成部分。系统应用大容量的存储器把水稻生长的各个过程的具体影像记录下来。它所采用的方法是采用数码相机定时抓拍水稻影像图片,把拍到的影像图片作为该时期水稻生长的一帧。如果需要生成一部正常播放速度的30min的视频影像文件,每秒24帧图像,那么就需约30×60×24=43200帧图像。

2 数字图像处理技术应用于系统的实验

数字图像处理技术在作物生产和科研的信息采集方面具有信息量大、速度快、精度高等显著的特点和优势,并能解决一些手工测定难以解决的问题,可避免传统方法中由于人与人之间的认识差异及视觉疲劳带来的影响,在节约劳动力、降低人的判断主观性方面有很大的潜力。

采用数码相机对水稻实行实拍,为了在深夜也能够获得清楚的图像信息,夜晚照相前自动启动探照灯,摄像后自动关闭,以节省电力。探照灯定时启动信号由PLC控制。为了使获得的水稻图像有利于后续的分析处理,有必要运用多种图像处理算法对拍摄的水稻原始图像进行一定的预处理,从而使得水稻生长特征能顺利地被提取。植株特征提取包括植株的叶面积、植株高度、叶数、叶尖距等内容。水稻叶面积的大小是决定单位面积光合产量的主要因素,是衡量水稻群体繁茂程度最合理的指标。所以,通过监测得出不同生育时期的叶面积动态结构,推断群体的光合效率和干物质生产量,可以预测产量。此外,植株的高度、分孽的动态、上下两叶的叶尖距也都是判断稻苗长势优劣的重要指标。

实验在水稻栽下的第3天开始进行,目的是保证水稻植株完全成活并保持生长的态势[5]。拍摄时间段为2010年5-10月,为期4个月15天。用海量硬盘存储图片,用数码摄像头每隔10min拍摄1次,获取水稻各个生长阶段的生长发育指标和数字图像。这样可为农业领域的专家、生产管理者、管理决策者提供及时、准确的预报,以便于采取各种管理措施。

参照农学上对水稻各个发育期观测的研究,提出了水稻生育期的分类判断标准如下:①移栽期。移栽的日期。②返青期。移栽后叶色转青,心叶重新展开或出现新叶。③分孽期。叶鞘中露出新生分孽的叶尖,叶尖露出长约0.5~1.0cm。④拔节期。茎基部茎节开始伸长,形成有显著茎秆的茎节。拔节高度距最高生根节长度为2.0cm,拔节后穗分化开始,第一、二节间均为定长,第三节间伸长。⑤孕穗期。剑叶全部露出叶鞘。⑥抽穗期。20%穗子顶端从剑叶叶鞘中露出。⑦乳熟期。穗子顶部的籽粒达到正常谷粒的大小,颖壳充满乳浆状内物,籽粒呈绿色。⑧成熟期。穗上有80%以上的谷粒呈现出该品种固有的颜色。水稻叶面积的大小是决定单位面积光合产量的主要因素,是衡量水稻群体繁茂程度最合理的指标,所以通过监测得出不同生育时期的叶面积动态结构[6],可推断群体的光合效率和干物质生产量,从而预测产量[7]。

3 系统软件性能及项目优点

3.1 系统软件性能

1)监测程序:

负责显示和记录水稻格田数据和气象数据,可以按照设定的时间间隔记录数据库,并具有数据分析统计功能。

2)自动控制灌溉程序:

负责监视格田水位和灌溉水流量,控制格田内水的合理利用。

3)视频监测程序:

负责监测水稻格田内水稻生长情况,按照设定的时间间隔将图片存储到计算机硬盘。特点:实现1s至24h的抓拍设置功能;对定时抓拍影像分别进行记录;可以对各点影像记录合成各自视频文件。图2为上位机监测的各种数据界面。

3.2 系统项目优点

1)便携式结构设计,安装方便快捷。

2)测量精度高,无须人工参与。

3)数据采集密度可设置。

4)通讯方式灵活,可以下载EXCEL格式监测数据文件。

5)大容量数据存储器,连续存储整点数据3个月以上。

6)大屏幕图形液晶显示屏,一屏显示多路要素数据及图形,便于现场直接观测。

7)无线网络通讯功能,可实现远距离数据传输。

4 结论与讨论

4.1 结论

针对传统的人工观察法效率低下且观察结果主观性强,不适合单个农场实时快速、小面积监测的缺点,项目组成员通过在八五九农场水稻田进行实地实验,研究建立了“水稻生长环境监测与控制系统”,获取的有关水稻生长的18个重要参数。其中,最重要的是利用图像处理技术对所拍摄到的水稻图像进行分析处理,并据此获取水稻的生长状态,进而实现对水稻长势进行监测。论证了依据单株水稻图像形态参数的提取来判断水稻长势状况的可行性。株高、叶尖距以及叶基角是3个表征水稻长势的主导因素,而这些参数通过图像处理可以比较容易、精确的获取,所以采用这3个参数作为图像处理技术对水稻长势监测的重要指标。自主开发了专用软件,以“实时信息”为基础,能满足不同作物及气候条件下的精确采集和控制要求。它是对高新技术的集成利用,系统的设置充分,包括监测技术、数字通信技术、视频技术、计算机辅助决策支持技术。在管理软件中建立了多类传感器的计算公式,能够对绝大多数模拟量输出的传感器自由连接。为了提高监测系统的准确性和可靠性,系统采用最先进的传感器,传感器完全国产,目的是不想依赖外国。同时,对监视得到的信号采用硬件滤波电路和软件滤波技术去除干扰。

4.2 讨论

1)通过作物长势的监测可及时了解作物的生长状况、肥力、病虫害及作物营养状况,便于采取各种管理措施,从而保证作物的正常生长;可以预报作物的田间灌水时间和灌水量,并依据实际情况及时修正预报结果,可做到真正意义上的动态计划用水。

2)水稻生长环境参数采集和数据分析是研究水稻增产的必要条件,数据提供给水稻专家和科研统计工作者,是分析水稻增产的重要措施之一。依据水稻的生长状态信息对其生长因素进行控制,对于最大限度地节约能源并使水稻高产具有重要意义。

3)进行监视控制系统的田间实际应用,验证监视系统的可靠性,并提出修正改进方案,来验证研究的监视系统不断满足实际增加的工作要求。

参考文献

[1]赵广建.凋萎系数与土壤有机质含量的定量关系研究[J].山西水土保持科技,2008(1):12-13.

[2]王熙著.农业机械电子监控技术研究[M].哈尔滨:东北林业大学出版社,2005:13-46.

[3]李爱传.电容式粮食水份监测系统研究[J].农业网络信息,2009(2):114-116.

[4]高国治.低丘红壤南酸枣与花生复合系统物种间水肥光竞争的研究—Ⅱ南酸枣与花生利用光能分析[J].中国生态农业学报,2004(2):97-99.

[5]刘继承.作物长势监测的应用研究现状与展望[J].江西农业学报,2007,19(3):17-20.

[6]李郁竹.冬小麦气象卫星遥感动态监测与估产[M].北京:气象出版社,1993.

控制与监测系统 篇10

随着经济的发展,服务水平要求不断提高,计算机系统,尤其是7X24运行的金融联机业务处理系统,系统高可用性要求也越来越高。人工的系统检查、应急处理控制已无法满足联机系统的高可用性要求,自动化的健康检查及控制已成为此类系统的必要组成部分。但是,现有的健康检查及控制方案中系统运行状态阀值都是人为设定的,精度、灵敏度较低,且随着业务的发展,系统负载越来越重,运行指标不断改变,阈值需要随之不断重设。

本文介绍一种自适应的自动化健康检查及控制方法,应用系统运行正常与否的依据,不是人为设定的参数,而是系统自身正常运行的历史状态数据。这种自适应的机制从根本上改进了系统健康监测的异常鉴别机制,相比现有系统的人为设定方式,本方法有着极高的精度和灵敏度,不仅避免了范围太小容易误报、范围太宽又容易漏报的尴尬,而且能根据自身运行情况自动调节,从根本上解决了不断调整阈值的问题。

1 应用系统健康模型

应用系统健康模型是指为保证应用系统的高可用性,而需要进行监测与控制的对象、方法及策略。

应用系统健康模型是由应用系统的设计架构、业务负载、异常应对策略等因素决定的。以设计架构为例,以下几个常见的因素严重影响着应用系统的健康模型:

• 应用系统部署设计,如服务器、数据库、磁盘

• 应用服务器资源设计,如文件、消息队列、共享内存、信号量、Socket资源

• 应用服务器进程设计,如父子进程、多线程

针对应用系统健康模型的对象、方法、策略,本方法设计了以下四个模型:

• 状态关系模型

• 历史数据模型

• 差异分析模型

• 决策模型

其中,状态关系模型用于对象,历史数据模型与差异分析模型用于方法,决策模型用于策略。

2 状态关系模型

状态关系模型是应用系统状态的各个组成部分相互关系的定义模型。在这个模型中,一个应用系统的各个监测对象定义为一个监测单元,监测单元间的关系是层级关系,上级的状态由其所有下级的状态决定,应用系统处于最顶级。

此模型反映了应用系统在健康监测与控制方面的一个逻辑结构,每个监测单元在实际的应用系统中都可能有若干实体,比如主机1、主机2,进程A、进程B。

监测单元是树形结构。每个监测单元有若干个监测项,有一个状态,状态有若干个标识位,分别标识本单元的监测项和所有下级单元的各个监测项状态。

一个典型的例子如图1所示,应用系统的下级单元是主机,主机的下级单元有服务、共享内存、消息队列、数据库访问、加密机访问,服务的下级单位是进程。应用系统的监测项有错误码占比、每妙交易笔数、日交易量、日交易金额,数据库访问、加密机访问的监测项是可用性和响应时间,共享内存的监测项是可用性和剩余空间,消息队列的监测项是消息个数,进程的监测项是处理时间和处理间隔。

3 历史数据模型

历史数据模型定义了历史状态数据的累积方法。本系统有两种模型可供选择:完全平均或者加权平均。

(1) 完全平均

完全平均即简单的算术平均,将新近的数据以与历史数据一样的权重并入历史数据:

其中,Fn是前n个数据的均值,Xn是第n个数据的值。

此方法计算出来的均值是所有历史数据的绝对平均,用于比较稳定、不经常变化的监测对象,尤其是不会随着业务变化而变化的场景。比如,上例中共享内存的可用性、数据库的可用性等。

(2) 加权平均

加权平均,也称为指数平滑法,将新近的数据以比历史数据高的权重并入历史数据:

其中,α为加权因子(0<α<1)。

此方法计算出来的均值更接近于最近的数据,能反映监测对象的变化趋势,用于比较不稳定、经常变化的监测对象,尤其是会随着业务变化而变化的场景。比如,应用系统的每秒交易笔数、进程的处理时间等。

4 差异分析模型

差异分析模型定义分析监测单元的状态与历史状态的差异是否在合理水平的方法。状态关系模型中,监测对象的状态由监测项和下级监测单元决定,因此差异分析可分为两类:监测项差异分析模型以及监测单元差异分析模型。

(1) 监测项差异分析模型

在状态关系模型中,监测项是具体业务或技术指标,差异分析模型采用平均差的修正用法。

平均差是总体所有单位的平均值与其算术平均数的离差绝对值的算术平均数。平均差的计算公式为:

${\rm M}D=\frac{{\displaystyle \sum |}x-\overline{x}|}{{\rm N}}$

当实际值与历史平均值的差异的绝对值大于MD的时候,认为是异常。

本模型采用此方法,但做如下修正:

• 算术平均数采用历史数据模型得到的历史均值;

• 设置一个容忍度,当实际值与平均值的偏离比率超过此值时,认为是异常。容忍度用于去除噪音数据,发现真正的异常。容忍度作为历史数据模型中的一个指标,采用完全平均方法得到;

• 专门设置历史数据搜集阶段:在健康检查与控制功能启用前,先收集一定时间系统正常运行的指标数据,作为历史数据,此阶段为历史数据收集阶段,上面公式的N即此阶段的搜集次数。

(2) 监测单元的差异分析模型

在状态关系模型中,一个监测单元的状态由监测项及下级监测单元构成,监测单元的差异分析模型用于通过下级监测单元的状态计算上级监测单元的状态位。计算方式有如下选择:

• 唯一决定:若所属下级监测单元的任何一个实体出现某异常,则认为此下级单元异常;

• 全集决定:若所属下级监测单元的所有实体全部出现某异常,则认为此下级单元异常;

• 阈值决定:若所属下级监测单元的异常实体个数超过阈值,则认为此下级单元异常;

• 关键元素决定:为下级监测单元的各个实体定义重要等级,若一个重要实体出现异常,则认为此下级单元异常。

5 决策模型

决策模型定义了基于监测单元状态的异常判定方法、控制机制及其相互间的对应关系,系统依靠决策模型做决策,必要时发出控制指令,实现自动化的控制。

异常判定方法定义了监测单元状态获取及逻辑运算的各种接口,典型的例子如下:

• 状态获取

获取某个监测单元的某一状态位

获取某个监测单元实体的某一状态位

获取某个监测单元的所有状态位

获取某个监测单元实体的所有状态位

获取某个监测单元的实体个数

• 逻辑运算

相等不等运算

与或非运算

存在运算

控制机制定义了在异常情况下如何控制应用系统进行异常容错处理,典型的例子如下:

• 报警 通知系统运维人员手工处理;

• 主机隔离 在部署多台应用主机的情况下,通知应用系统将异常的主机隔离,不要再发送请求到异常主机;

• 数据库切换 在部署多个数据库服务器的情况下,通知应用系统切换到其他可用的热备份数据库,不要再访问异常数据库。

异常判定方法与控制机制的对应关系定义了在某种异常场景下采用某种控制机制。典型的例子如下:

• 一台主机多个同样功能的进程中的一个进程异常退出:报警。

• 一台主机的数据库访问异常且其他主机的数据库访问正常:隔离该主机。

• 所有主机的数据库访问异常:数据库切换。

6 系统架构

基于上述应用系统健康模型,一种典型的健康监测与控制系统(下面简称为健康系统)的架构设计如图2所示。系统采用客户端-服务端架构,客户端称为健康Slave,服务端称为健康Master。

健康Slave是健康系统的部署在应用系统主机的组件,每台欲监测的应用主机都部署一个,负责与应用主机交互,收集应用系统的状态数据定期汇报给健康Master,以及接收健康Master的控制指令并发送给应用系统,分别由状态收集和指令转发两个模块完成。

健康Master是部署在单独主机的组件,是健康系统的核心,整个应用系统部署一个。健康Master的状态接收模块接收各健康Slave的状态数据,差异分析模块根据历史状态模型的定义,采用差异分析模型的方法进行差异分析,若分析结果是状态正常,则将此结果通知数据加工模块,采用历史数据模型的方法合并到历史状态数据并记录到历史状态数据库;若分析结果是状态异常,则将此结果通知决策模块,决策模块采用决策模型进行决策,产生控制指令,发送给欲控制应用主机的健康Slave,实施异常应对措施。

7 结 语

本文提出了一种通过自适应的机制实现应用系统自动化的健康监测及控制的方法。首先,分析了应用系统的健康模型的关键点;然后,介绍了如何通过状态关系模型、历史数据模型、差异分析模型、决策模型来设计自适应机制的健康模型;最后,给出了一个典型的系统架构实现。基于本方法,应用系统的健康监测与控制能从根本上改进异常鉴别机制,既能获得高精度、高灵敏度,又支持自动化的动态调节。中国银联POS收单接入系统的健康监测与控制是基于此方法的典型应用,目前此系统已运行近两年,7X24小时处理中国银联约300万直联商户、日均约1000万笔联机交易,该系统获得了中国人民银行2010年度银行科技发展三等奖。

摘要：针对联机业务计算机处理系统不断增强的高可用性要求,介绍如何采用自适应的思想。通过状态关系模型、历史数据模型、差异分析模型及决策模型来分别设计计算机应用系统健康模型的对象、方法及策略,实现健康监测与控制,并展示一种基于此模型的典型系统实现架构。相比现有方法,自适应的机制能得到更高的灵敏度和精度。

关键词：高可用性,自适应,健康监测与控制

参考文献

[1]Robert G Brown,Richard F Meyer,D’Esopo D A.The FundamentalTheorem of Exponential Smoothing[R].INFORMS,1961.

[2]张忠平.指数平滑法[M].中国统计出版社,1996.

[3]钟新联.统计基础知识[M].中国财政经济出版社,1998.

[4]Evan Marcus,Hal Stern.高可用性系统设计[M].清华大学出版社,2005.