基于ArcEngine的有色冶煉金屬企業(yè)無組織污染源監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

龐治坤 PANG Zhi-kun；談浩 TAN Hao；顧夏 GU Xia

（①礦冶科技集團有限公司，北京 100160；②甘肅廠壩有色金屬有限責任公司成州鋅冶煉廠，隴南 746000；③白銀有色集團銅業(yè)公司，白銀 730900）

0 引言

近年來隨著有色行業(yè)不斷發(fā)展，隨之而來與有色金屬相關(guān)的大氣污染監(jiān)管形勢也愈加嚴峻。而有色金屬冶煉產(chǎn)生的氣體排放是大氣重金屬污染的重要來源之一。[1～2]在礦石采選和有色金屬冶煉過程中，對大氣排放了大量含有重金屬的工業(yè)煙塵，形成大氣污染，以及重金屬降塵后帶來的土壤污染等嚴重環(huán)境問題。在這個過程中相當一部分的大氣污染屬于無組織排放形式，即不經(jīng)過排氣筒的無規(guī)則排放。對于此部分有色金屬生產(chǎn)企業(yè)的無組織廢氣進行科學(xué)、持續(xù)、準確的監(jiān)測，在大氣環(huán)境污染防治中占有重要地位。

1 無組織污染源監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)建設(shè)的最終目標是建設(shè)一個區(qū)域范圍內(nèi)的綜合化無組織監(jiān)測信息管理平臺，這就必須要做到以下設(shè)計原則：①數(shù)據(jù)庫的規(guī)范性與數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性、②軟件的擴展性、③系統(tǒng)的穩(wěn)定性和兼容性、④集成性與易操作性。并且包含以下功能：用戶管理功能、基礎(chǔ)GIS功能、數(shù)據(jù)庫管理功能、查詢功能、數(shù)據(jù)即時處理功能、數(shù)據(jù)分析等主要功能。基于以上設(shè)計原則，系統(tǒng)主要架構(gòu)見圖1。

圖1 無組織污染源監(jiān)測系統(tǒng)系統(tǒng)架構(gòu)圖

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

考慮到系統(tǒng)使用環(huán)境所需要的操作性、擴展性、安全性和傳輸性，系統(tǒng)采用C/S結(jié)構(gòu)，C/S結(jié)構(gòu)即客戶端—服務(wù)器結(jié)構(gòu)，將分布在區(qū)域內(nèi)各處的無組織監(jiān)測傳感器的相關(guān)信息采用無線傳輸?shù)姆绞竭M行通信，將數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)讲渴鹪诜?wù)器上的SQL數(shù)據(jù)庫中，同時使用局域網(wǎng)對通信數(shù)據(jù)進行物理隔離，確保傳輸?shù)臄?shù)據(jù)以及整個系統(tǒng)的安全。在數(shù)據(jù)傳輸?shù)綄傩詳?shù)據(jù)庫后，屬性數(shù)據(jù)庫關(guān)聯(lián)空間數(shù)據(jù)庫，最后通過客戶端供各類管理人員使用?；谝陨显O(shè)計，本系統(tǒng)采用采用ArcEngine組件式開發(fā)方式進行開發(fā)。在空間數(shù)據(jù)庫層面，選取ArcSDE空間數(shù)據(jù)引擎進行操作。在屬性數(shù)據(jù)庫層面，以SQL Server 2012作為存儲實體。系統(tǒng)的UI（界面設(shè)計）和基本功能開發(fā)在Visual Studio 2012平臺環(huán)境下實現(xiàn)，開發(fā)語言為C#語言，總體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 無組織污染源監(jiān)控系統(tǒng)需求分析

有色金屬冶煉無組織排放主要有企業(yè)生產(chǎn)過程中的運輸、儲存、破碎、篩分、爐窯生產(chǎn)等工業(yè)活動[3]。例如：運輸精礦過程中造成的遺撒、露天堆放的原料和中間產(chǎn)品、裝卸過程中機械落差形成的塵霧等[4～5]。隨著國家環(huán)保監(jiān)管力度不斷加大、“藍天行動”、“凈土行動”相繼出臺，尤其是落實企業(yè)環(huán)境保護主體責任制的實施，環(huán)保管理已經(jīng)從“事后處罰、事后整改”向“事前預(yù)測”、“風險管控”不斷轉(zhuǎn)變。企業(yè)對無組織污染源的監(jiān)控、管理可以使企業(yè)不斷優(yōu)化生產(chǎn)流程和污染物的過程控制，從而避免因環(huán)境問題影響企業(yè)的發(fā)展和經(jīng)營。

2.1 有色金屬冶煉行業(yè)無組織污染產(chǎn)生環(huán)節(jié)分析

確定有色金屬冶煉行業(yè)無組織污染產(chǎn)生環(huán)節(jié)，對布設(shè)無組織源監(jiān)測裝置、確定各監(jiān)測點位和污染物信息、理清各數(shù)據(jù)之間的邏輯關(guān)系有著重要作用，更加方便將來進行統(tǒng)一管理。

①原料運輸過程。有色金屬冶煉在鐵路、道路運輸中，在篷布加蓋不到位的情況下，往往會遇到路面不平整造成精礦、尾礦遺撒和揚塵，形成無組織排放，污染附近土壤。

②上料、加料過程。有色金屬冶煉所用到的原料、中間物料通過料斗、皮帶、廊道運輸以及給料卸料的過程中，由于不同設(shè)備之間的高度落差以及沖擊作用，會形成無組織排放，且產(chǎn)塵量較大。

③冶煉過程。有色金屬冶煉過程中，時有煙氣從加料口或爐門以及爐體之間的縫隙中溢出，溢出的氣體以車間的窗戶、排風扇等排出，形成無組織排放。

④出料過程。金屬冶煉的出料口、出渣口處往往無組織排放較為嚴重，如企業(yè)未設(shè)置行之有效的集氣裝置，則會造成大量無組織粉塵外溢。

⑤堆場及渣場。原料及渣場的露天堆存、抑塵措施不完善，在風力較大時容易起塵，造成無組織污染。

2.2 功能需求分析

①過程監(jiān)控。通過對重點無組織污染源排放環(huán)節(jié)的實時監(jiān)控，將以往的末端治理提升到過程管控，尤其可以實現(xiàn)環(huán)保設(shè)施的正常運轉(zhuǎn)的監(jiān)測以及相關(guān)資源的調(diào)配。例如，當位于道路的無組織污染監(jiān)測裝置預(yù)警后，及時抽調(diào)現(xiàn)場管理人員監(jiān)督車輛加蓋篷布；當位于原料庫附近的無組織污染監(jiān)測裝置預(yù)警后，及時調(diào)派霧炮車進行現(xiàn)場降塵等。

②整合數(shù)據(jù)流。以往企業(yè)內(nèi)部環(huán)保管理系統(tǒng)往往各自為政，數(shù)據(jù)不統(tǒng)一，難以實現(xiàn)各個數(shù)據(jù)之間的實時共享。新系統(tǒng)實用統(tǒng)一、易于兼容且成熟穩(wěn)定的SQL Server數(shù)據(jù)庫，對信息的收集、管理、整合更加高效、便捷。

③數(shù)據(jù)可視化。借助成熟的ArcEngine強大的功能，準確的展示各個無組織污染源位置以及監(jiān)測裝置的位置，同時可以直觀反映各類在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，以及當前的天氣、風速、大氣污染等信息。

④信息安全性。系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)可能涉及到企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營信息、商業(yè)數(shù)據(jù)信息、環(huán)保和安全管理信息、人員信息等重要信息，一些信息一旦泄露，企業(yè)可能會面臨重大的損失，系統(tǒng)的信息安全性一定要得到保障。

⑤綜合管理。對無組織污染源實施有效的管理，建立對應(yīng)的圖層，實現(xiàn)對污染源的有效檢索，及時更新相關(guān)的法律法規(guī)及相關(guān)信息，同時能夠有效接入其他相關(guān)信息并且系統(tǒng)易于擴展。

3 關(guān)鍵技術(shù)和方法

3.1 組件式地理信息系統(tǒng)軟件開發(fā)技術(shù)

組件式地理信息系統(tǒng)軟件開發(fā)技術(shù)是一種面向?qū)ο蟮膽?yīng)用技術(shù)—組件技術(shù)[6～7]。開發(fā)優(yōu)勢有：①占用空間小、價格便宜；②標準化開發(fā)，無需新學(xué)編程語言；③完善的基礎(chǔ)GIS功能；④開發(fā)過程高效、便捷；⑤用戶的廣泛接受度。

3.2 基于ArcEngine的組件式開發(fā)技術(shù)

ArcEngine是全球最大的 GIS廠商 ESRI（Environmental Systems Research Institute，即美國環(huán)境系統(tǒng)研究所公司）推出的產(chǎn)品，其使用范圍廣、使用人數(shù)也是最多。其特征是實用ArcSDE/Geodatabases空間數(shù)據(jù)庫技術(shù)，數(shù)據(jù)采集可以直接使用ArcMap軟件可以使用C#、Visual C++、Visual Basic、Builder等 語 言 開 發(fā)，支 持Windows NT、Unix和Linux操作系統(tǒng)；支持大型機、小型機、工作站、PC服務(wù)器等操作平臺。其優(yōu)點是支持儲存拓普關(guān)系、大數(shù)據(jù)量管理能力的性能較高，功能強大、擴展性強、伸縮性強等。從ArcEngine功能結(jié)構(gòu)來看，可以分為五個層次，分別是基礎(chǔ)服務(wù)、數(shù)據(jù)訪問、地圖分析、地圖展示、開發(fā)組件五個部分組成其體系結(jié)構(gòu)如圖3所示[8]。

圖3 ArcEngine功能體系結(jié)構(gòu)

3.3 搭建多維多源數(shù)據(jù)倉庫

系統(tǒng)規(guī)劃多維多源數(shù)據(jù)倉庫設(shè)計，通過制定數(shù)據(jù)的統(tǒng)一標準，將不同來源數(shù)據(jù)劃分為空間地理數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)、污染源監(jiān)測數(shù)據(jù)、污染源監(jiān)管數(shù)據(jù)、環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)等多個模塊，借助SQL Server搭建一個對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一處理、轉(zhuǎn)換、按照功能需求和統(tǒng)一標準存儲入庫。

3.4 搭建環(huán)境數(shù)據(jù)中心

將基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、多維多源數(shù)據(jù)倉庫和Geodatabse組成一個無組織污染源數(shù)據(jù)的存儲、組織、管理平臺，對無組織污染源信息、產(chǎn)排污節(jié)點信息盡心歸納整理，并對現(xiàn)行的無組織污染源管理和業(yè)務(wù)邏輯進行重新定義和再次組織，以多維多源數(shù)據(jù)倉庫為核心，GIS空間數(shù)據(jù)庫為載體，對無組織污染分析結(jié)果提供直觀的展示。

3.5 無組織污染源數(shù)據(jù)的邏輯性分析

采用專家評價法結(jié)合定量分析法對無組織污染物產(chǎn)生節(jié)點和監(jiān)測裝置擺放位置進行分析，同時基于天氣、風速等因素及其他各項指標構(gòu)建數(shù)據(jù)之間的邏輯關(guān)系。例如，對于當天大氣污染與無組織污染物監(jiān)測數(shù)據(jù)之間的邏輯關(guān)系，風速與無組織污染物擴散范圍之間的邏輯關(guān)系。同時對于有異味的數(shù)據(jù)，由工作人員現(xiàn)場核實進行進一步矯正，以提高數(shù)據(jù)的穩(wěn)定新與規(guī)范性。

4 結(jié)語

有色金屬冶煉過程中，運輸、儲存、破碎、篩分、爐窯生產(chǎn)等工業(yè)活動中不可避免的產(chǎn)生無組織污染，這些污染物具有分布廣、影響范圍大、危害性大等特點，如未及時監(jiān)測和管理將對周圍大范圍的空氣和土壤造成嚴重的環(huán)境影響。在本文所述的有色冶煉金屬行業(yè)無組織污染源監(jiān)控系統(tǒng)，基于無組織污染源監(jiān)測數(shù)據(jù)，污染源分布情況以及廠區(qū)面積、道路、范圍等空間數(shù)據(jù)，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)呈現(xiàn)結(jié)果不斷優(yōu)化優(yōu)化生產(chǎn)流程和污染物的過程控制，可以最大限度的降低有色企業(yè)生產(chǎn)過程中的無組織排放，降低環(huán)境危害。