周穎芝　楊宏偉

摘要針對快速城市化過程中引起的城市近郊環(huán)境污染加重，對農(nóng)業(yè)用水和農(nóng)村生活造成了嚴重影響的環(huán)境問題，以及河網(wǎng)復(fù)雜的特點，從區(qū)域整體性和系統(tǒng)性的出發(fā)，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，借助GIS平臺，構(gòu)建了包括環(huán)境自動監(jiān)測系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)和環(huán)境預(yù)警及管理系統(tǒng)的太湖新城環(huán)境預(yù)警與管理平臺，為區(qū)域環(huán)境風(fēng)險評估與預(yù)警平臺構(gòu)建提供技術(shù)支撐，并為近郊的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境保護提供重要信息。

關(guān)鍵詞太湖新城；物聯(lián)網(wǎng)；預(yù)警與管理平臺

中圖分類號S126文獻標(biāo)識碼A文章編號0517-6611（2014）04-01250-02

基金項目國家水體污染控制與治理科技重大專項（2012ZX07101013）。

作者簡介周穎芝（1989- ），女，江蘇無錫人，碩士研究生，研究方向：網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。*通訊作者，副研究員，博士，碩士生導(dǎo)師，從事GIS研究。

目前，我國已經(jīng)進入了環(huán)境污染事件的高發(fā)期，環(huán)境事件層出不窮。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國1998～2006年平均每年發(fā)生1 600多起，而且近年來呈波動上升的趨勢。一些重大的環(huán)境事件如2005年松花江水污染事件、廣東北江鎘污染事件等[1]，因缺乏有效的監(jiān)控和預(yù)警，未能及早發(fā)現(xiàn)、及時處理，嚴重危害了人民群眾的生命財產(chǎn)安全，造成了巨大的經(jīng)濟損失，產(chǎn)生了深遠的社會影響。因此，對區(qū)域水環(huán)境生態(tài)進行全面的監(jiān)測監(jiān)控、預(yù)警評估及風(fēng)險管理顯得非常重要。

國際上關(guān)于環(huán)境預(yù)警方面研究較多，早在1985年萊茵河保護委員會建立了環(huán)境預(yù)警中心[2-3]；1997年多瑙河流域針對水污染事故頻繁發(fā)生的問題建立了環(huán)境事故預(yù)警系統(tǒng)[4]。近年來，我國在環(huán)境預(yù)警方面也開展了大量的研究工作，如松花江污染應(yīng)急決策支持系統(tǒng)[5]、長江沿江開發(fā)環(huán)境風(fēng)險監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)[6]。然而基于物聯(lián)網(wǎng)與GIS技術(shù)的環(huán)境預(yù)警平臺方面的研究鮮有文獻報道。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為一種新興的多學(xué)科交叉領(lǐng)域，廣泛應(yīng)用于軍事、環(huán)境監(jiān)測和預(yù)報、公共安全、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、大型工業(yè)園區(qū)和倉庫等領(lǐng)域[7-8]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有支持大規(guī)模節(jié)點隨機布設(shè)、自動組網(wǎng)、多跳傳輸、協(xié)同感知、長期無人值守等重要特點，對于監(jiān)控眾多的污染源點極為重要。

1研究區(qū)域概況

太湖新城緊依太湖的梅梁灣和貢湖灣，總面積約180 km2。區(qū)域內(nèi)水網(wǎng)密布（圖1），共有大小河道約300條，總長約350 km。在21世紀初區(qū)域內(nèi)是以耕地、果園、村鎮(zhèn)、水面和工礦企業(yè)為主的近郊村鎮(zhèn)，人口約20萬，目前正建設(shè)成為一個規(guī)劃人口100萬的中心城區(qū)。快速的城市化發(fā)展、城市規(guī)模的擴大可能導(dǎo)致環(huán)境的進一步惡化。產(chǎn)業(yè)高度集中于城市，在經(jīng)濟活動過程中通過資源利用和能源消耗不斷排放出污染物，從而產(chǎn)生了很大的環(huán)境壓力，而經(jīng)濟活動聚集所導(dǎo)致的人口集中又會加大環(huán)境質(zhì)量破壞所帶來的損失[9-10]。研究區(qū)域緊鄰太湖，目前太湖新城河道水質(zhì)狀況明顯劣于貢湖水質(zhì)。由此可見，太湖新城河網(wǎng)水環(huán)境的好壞也將直接影響到太湖重要水源地貢湖灣的水質(zhì)。因此，建立該區(qū)域環(huán)境預(yù)警與管理平臺具有非常重要的現(xiàn)實意義。

2環(huán)境預(yù)警平臺總體設(shè)計

環(huán)境預(yù)警平臺是根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的3層結(jié)構(gòu)設(shè)計[11-12]：①以水氣自動監(jiān)測的感知延伸層；②以3G網(wǎng)絡(luò)、中程傳感網(wǎng)和微傳感網(wǎng)的多層傳輸異構(gòu)接入的網(wǎng)絡(luò)層；③以GIS為平臺的數(shù)據(jù)處理、模型計算和信息發(fā)布為主的業(yè)務(wù)與應(yīng)用層（圖2）。平臺采用B/S結(jié)合C/S的架構(gòu)方式，應(yīng)用WebGIS技術(shù)圖2環(huán)境預(yù)警與管理平臺設(shè)計框架開發(fā)。

3系統(tǒng)的設(shè)計與功能

3.1感知層——數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用多源的數(shù)據(jù)采集方式，全天候的水文氣象和水質(zhì)在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合人工監(jiān)測數(shù)據(jù)，確保環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的連續(xù)性和準(zhǔn)確性。

氣象數(shù)據(jù)采集采用YFQXZ10自動氣象站。對空氣溫度、相對濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、雨量、氣壓、太陽輻射、土壤溫度、土壤濕度等多種氣象要素進行全天候現(xiàn)場監(jiān)測。

水質(zhì)在線監(jiān)測分為基站式和浮標(biāo)式。基站式采用德國WTW公司設(shè)備監(jiān)測水溫、電導(dǎo)率、酸堿度、溶解氧、濁度、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、硝酸鹽氮、氰化物、總酚、石油類、水深、流速等；浮標(biāo)式通常采用美國YSI公司的YSI6600型和HACH公司的HYDROLA-B型水質(zhì)傳感器。

3.2網(wǎng)絡(luò)層——數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)為了保證整個區(qū)域環(huán)境監(jiān)測的覆蓋度和重點區(qū)域的環(huán)境監(jiān)控，平臺設(shè)計了多層傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)傳輸方式（圖3），即上層電信/聯(lián)通3G和互聯(lián)網(wǎng)傳輸、中層無線傳感網(wǎng)傳輸和底層分簇微傳感網(wǎng)傳輸。

基于3層傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸示意圖上層傳輸主要用于基站式在線水質(zhì)監(jiān)測，通常RS232/RS458連接電腦并通過有線網(wǎng)絡(luò)傳輸至控制中心。浮標(biāo)式水質(zhì)自動監(jiān)測采用GPRS或CDMA進行通信。

中層傳輸主要采用無線傳感網(wǎng)技術(shù)。控制系統(tǒng)模塊采用超低功耗16位MCU PIC128GA110，并預(yù)設(shè)了充足的外接接口，使得每個控制系統(tǒng)模塊可以同時控制4個RS232接口的傳感器。通信組網(wǎng)模塊采用擴頻通信體制，其擴頻增益隨QoS動態(tài)調(diào)整，傳輸速率設(shè)定為9.6 kbps，通信算法在DSP中實現(xiàn)。目前大部分采用的是ZigBee協(xié)議[13-14]。它是基于IEEE802.15.4的一種新興短距離無線通信技術(shù)，其特點是低功耗、低速率、低復(fù)雜度、低成本等，但網(wǎng)絡(luò)同步實現(xiàn)比較困難，帶來的問題是沖突和重傳現(xiàn)象比較嚴重，功耗浪費較多?；赥DMA[15]的傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC層算法，結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點設(shè)計的自適應(yīng)TDMA協(xié)議，但沒有解決同步問題。該研究設(shè)計了一種基于動態(tài)TDMA的傳感網(wǎng)協(xié)議，讓傳感器節(jié)點自組成網(wǎng)，形成多跳數(shù)據(jù)通路，并利用GPS時間進行同步和時隙池劃分，解決了全網(wǎng)同步問題，而且不會發(fā)生無線信息沖突。

底層采用分簇微傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸，主要針對重點防控區(qū)域布設(shè)。微網(wǎng)節(jié)點設(shè)計的重點是控制模塊功能設(shè)計，主要包含節(jié)點驅(qū)動設(shè)計和傳感器接口設(shè)計（圖4）。該研究設(shè)計的微網(wǎng)節(jié)點所用射頻模塊可工作于433 M，可支持FSK、GFSK、OOK多種調(diào)制模式，數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達100 kbps，同時射頻模塊內(nèi)部提供數(shù)據(jù)包處理、數(shù)據(jù)緩沖、突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸、清晰信道評估、連接質(zhì)量指示和射頻喚醒等功能。

微傳感網(wǎng)控制模塊設(shè)計3.3應(yīng)用層——數(shù)據(jù)處理與管理系統(tǒng)應(yīng)用層主要包括兩大系統(tǒng)：數(shù)據(jù)管理與處理系統(tǒng)和環(huán)境模擬預(yù)測與管理決策系統(tǒng)。數(shù)據(jù)管理與處理子系統(tǒng)主要負責(zé)海量數(shù)據(jù)的處理、存儲、管理、計算等。該研究數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵是如何將多源數(shù)據(jù)進行標(biāo)準(zhǔn)化，并通過關(guān)系數(shù)據(jù)庫Oracle11i平臺進行管理。針對采集數(shù)據(jù)的多源異構(gòu)特點，采用XML的異構(gòu)數(shù)據(jù)交換技術(shù)進行數(shù)據(jù)時空轉(zhuǎn)換和插值等處理。將自動監(jiān)測數(shù)據(jù)、人工監(jiān)測數(shù)據(jù)與空間信息有機結(jié)合，形成標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)倉庫，并采用WebGIS平臺管理實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，繪制參數(shù)的圖表和空間分布圖。

作為應(yīng)用層最重要的是為地方政府提供決策信息。為了能更加準(zhǔn)確地估計環(huán)境污染引起的災(zāi)害，該系統(tǒng)耦合了一維水動力模型和河網(wǎng)水質(zhì)模型，并集成至GIS平臺，可對污染物擴散進行模擬。一旦某一地點出現(xiàn)環(huán)境事故，通過GIS系統(tǒng)可了解事發(fā)地點周圍的信息，對可能影響的范圍作出判斷，并對事故損失結(jié)果進行分析，決策部門可根據(jù)預(yù)警信息，制定與修改應(yīng)急方案，公布警告信息。