周子立

摘 要：隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市規(guī)模的日益擴(kuò)大，環(huán)境衛(wèi)生監(jiān)測(cè)與地理信息（GIS）預(yù)警系統(tǒng)研究已經(jīng)被廣泛關(guān)注。本文介紹了采用M2M物聯(lián)網(wǎng)高可靠通用通訊網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、自動(dòng)化的數(shù)據(jù)采集；采用LDAP技術(shù)，實(shí)現(xiàn)跨層級(jí)數(shù)據(jù)匯總；結(jié)合IDSS及數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，為決策提供數(shù)據(jù)支持；利用WebGIS技術(shù)，實(shí)現(xiàn)城市環(huán)境衛(wèi)生監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)的可視化。為相關(guān)研究提供了技術(shù)支撐，值得推廣。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；環(huán)境衛(wèi)生；監(jiān)測(cè)；GIS；預(yù)警系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391 X5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：With the development of economy and enlargement of the city size，the monitoring of environmental health and GIS early warning system has been widely concerned.This paper introduces the use of high reliable communication gateway based on M2M network to achieve accurate data acquisition，real time，automation.Using LDAP to realize cross level data collection.Combine with IDSS and data mining technology，to provide data support for decision making.Using WebGIS technology，realize the visualization of city environmental health monitoring and early warning system.Provide technical support for related research，worthy of promotion.

Keywords：IOT；environmental health；monitoring；GIS；early warning system

1 引言（Introduction）

我國(guó)正處于全面深化經(jīng)濟(jì)體制改革，加速現(xiàn)代化建設(shè)，力爭(zhēng)十三五期間全面建成小康社會(huì)的重要?dú)v史時(shí)期。但在傳統(tǒng)發(fā)展模式的驅(qū)動(dòng)下，GDP的不斷增長(zhǎng)多是建立在資源過(guò)量消耗和環(huán)境污染等不健康發(fā)展基礎(chǔ)之上。對(duì)于我國(guó)當(dāng)前存在的實(shí)際問(wèn)題及環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，相關(guān)部門(mén)應(yīng)開(kāi)展有針對(duì)性的調(diào)研，為建立相應(yīng)的環(huán)境監(jiān)測(cè)與預(yù)警體系做好準(zhǔn)備并盡快在核心城區(qū)實(shí)施，只有這樣才能減少或避免環(huán)境污染事件所帶來(lái)的生態(tài)環(huán)境破壞，最大限度減少資源消耗體量、減少人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，保持社會(huì)穩(wěn)定，促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)健康協(xié)調(diào)發(fā)展[1]。

在環(huán)境檢測(cè)中應(yīng)用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）是預(yù)警系統(tǒng)的新的生長(zhǎng)點(diǎn)，傳感器技術(shù)的微型化、智能化、廉價(jià)性及數(shù)據(jù)信號(hào)的無(wú)線傳輸使其得到快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)最初主要使用耗電低的濕度、溫度、亮度等傳感器，節(jié)點(diǎn)設(shè)備上的能源需求主要由無(wú)線傳輸裝置和處理器提供[2]。雖然無(wú)線傳輸裝置和處理器的發(fā)展方向是不斷的微型化，但由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要大量功能不同的傳感器，其中一些傳感器耗電量很大，對(duì)于遠(yuǎn)距離為這些節(jié)點(diǎn)及相應(yīng)傳感器提供能源仍然是一個(gè)難以解決的問(wèn)題。另外，傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的不統(tǒng)一、硬件平；臺(tái)的不統(tǒng)一、操作系統(tǒng)的不統(tǒng)一都是需要解決的困難。

為推動(dòng)城市環(huán)境預(yù)警系統(tǒng)提供更加準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、專(zhuān)業(yè)的預(yù)警信息，綜合信息采集傳輸與處理、數(shù)據(jù)可視化等單項(xiàng)技術(shù)、集成環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警模型設(shè)定等，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)并以地理信息系統(tǒng)（GIS）為基礎(chǔ)的城市環(huán)境衛(wèi)生監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)正成為研究的趨勢(shì)。

物聯(lián)網(wǎng)是利用RFID、WSN、無(wú)線數(shù)據(jù)通信等技術(shù)構(gòu)建的巨大信息網(wǎng)絡(luò)，它可克服單純使用WSN的缺點(diǎn)，再基于網(wǎng)絡(luò)中強(qiáng)大的中心計(jì)算機(jī)群和專(zhuān)家?guī)?，?shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)采集的自動(dòng)化，提高數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性，真正實(shí)現(xiàn)對(duì)污染事件的有效預(yù)警。將GIS技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行融合，構(gòu)建基于GIS的可視化的預(yù)警信息動(dòng)態(tài)綜合解析、反應(yīng)迅速、智能化程度高的合成體系，實(shí)時(shí)顯示環(huán)境變化的動(dòng)態(tài)情況，以此來(lái)加快環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警平臺(tái)系統(tǒng)的建設(shè)步伐[3]。

2 國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究狀況（Related research status at home and abroad）

2.1 國(guó)外環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)發(fā)展迅速

隨著環(huán)境污染事故的隨機(jī)性發(fā)生造成的損失明顯上升，環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)警的重要性被逐漸重視起來(lái)，自20世紀(jì)80年代以來(lái)，全球范圍都對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)警問(wèn)題給予了重視特別是發(fā)達(dá)國(guó)家更是把環(huán)保問(wèn)題作為國(guó)家二次起飛的基礎(chǔ)。聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署在1989年提出了“地區(qū)級(jí)緊急事故的意識(shí)和準(zhǔn)備”（APELL計(jì)劃），美國(guó)EPA也在1993年發(fā)布了“化學(xué)品事故排放風(fēng)險(xiǎn)管理計(jì)劃”。

經(jīng)過(guò)最近20多年環(huán)保研究實(shí)施領(lǐng)域的協(xié)同攻關(guān)，大多數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)在環(huán)境監(jiān)測(cè)及風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警系統(tǒng)實(shí)施方面取得了成功并在相應(yīng)設(shè)備制造上實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、系統(tǒng)開(kāi)發(fā)批量化、產(chǎn)品質(zhì)量國(guó)際化、技術(shù)轉(zhuǎn)讓多元化，其中部分環(huán)境監(jiān)測(cè)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警技術(shù)已應(yīng)用于公共服務(wù)領(lǐng)域并取得很好效果。如黑海范圍內(nèi)油污污染預(yù)警及處理系統(tǒng)以及威尼斯水城水域及空氣污染預(yù)警系統(tǒng)都已建成并使用，成效明顯。隨著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)概念的提出及各類(lèi)傳感器產(chǎn)品的商業(yè)化，環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)在生態(tài)、空氣質(zhì)量、土壤、水體、天氣、全球溫度變化等各個(gè)領(lǐng)域得到了應(yīng)用，現(xiàn)已形成同時(shí)監(jiān)測(cè)大氣質(zhì)量，水源質(zhì)量，土壤重金屬含量甚至核放射強(qiáng)度等多種環(huán)保指標(biāo)的自適應(yīng)監(jiān)測(cè)體系[4]，可以做到早發(fā)現(xiàn)、早預(yù)警、早處理，最大限度減少各種損失。

2.2 國(guó)內(nèi)環(huán)境預(yù)警系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)有待進(jìn)一步發(fā)展

借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和GIS的發(fā)展，綜合基礎(chǔ)環(huán)境信息與環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)警模型，建立人機(jī)交互界面以及由基礎(chǔ)信息層、專(zhuān)題應(yīng)用層、決策支持層組成的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)快速模擬分析和智能決策支持的發(fā)展方向，這將極大地提高環(huán)境監(jiān)測(cè)和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警的監(jiān)控速度及有效性。此前，環(huán)境相關(guān)科研人員已開(kāi)展了大量有關(guān)環(huán)境監(jiān)測(cè)和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)規(guī)則、流程的探討與研究，積累了一些環(huán)境監(jiān)測(cè)和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警系統(tǒng)研發(fā)及應(yīng)用的成功案例。如“珠江口區(qū)域海上溢油應(yīng)急預(yù)報(bào)信息系統(tǒng)”和“大連海域溢油模擬信息系統(tǒng)”均能快速地預(yù)測(cè)模擬并可視化顯示海上溢油的漂移擴(kuò)散、性質(zhì)變化并準(zhǔn)確定位[5]；沿長(zhǎng)江下游地區(qū)開(kāi)發(fā)的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)探索了將地理信息技術(shù)運(yùn)用于區(qū)域環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控管理的方法，為偶發(fā)事故處理提供決策依據(jù)；大連環(huán)保信息中心在沿海區(qū)域開(kāi)發(fā)的重大污染事故區(qū)域預(yù)警系統(tǒng)，能為應(yīng)急指揮人員提供所需的多種環(huán)境信息，形成了一套完整合理的操作流程。綜上所述，我國(guó)在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方面已做了大量研究并在應(yīng)用領(lǐng)域獲得成效[6]。然而在環(huán)境污染事件預(yù)警體系的研究工作還有待加強(qiáng)，而在環(huán)境監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用推廣方面也需要資金政策支持，畢竟改革開(kāi)放30多年累積的環(huán)境污染問(wèn)題不是幾家企業(yè)或部門(mén)能解決的，需要全社會(huì)的共同努力，在自主研發(fā)基礎(chǔ)上進(jìn)口一些高端設(shè)備，這也是今后科研努力的突破方向。

3 具體研究方法及技術(shù)路線（Specific research methods and technical routes）

為了實(shí)現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)的城市環(huán)境衛(wèi)生監(jiān)測(cè)與GIS預(yù)警系統(tǒng)，同時(shí)保證系統(tǒng)具有自動(dòng)化采集數(shù)據(jù)、跨層級(jí)數(shù)據(jù)匯總、可視化監(jiān)控等功能，系統(tǒng)采取了如圖1所示的技術(shù)路線。

3.1 采用M2M物聯(lián)網(wǎng)高可靠通用通訊網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、自動(dòng)化的數(shù)據(jù)采集

本研究針對(duì)M2M終端數(shù)據(jù)傳輸安全性差、設(shè)備接入的復(fù)雜度高、接入容量擴(kuò)展性低、大容量下可靠性差等問(wèn)題進(jìn)行深入研究，通過(guò)構(gòu)建一個(gè)支持多種通訊協(xié)議、支持多種數(shù)據(jù)類(lèi)型、支持多種終端OS、支持多種設(shè)備的基于物聯(lián)網(wǎng)M2M的高可靠通用通訊網(wǎng)關(guān)，來(lái)提高服務(wù)器的終端并發(fā)接入量，保證數(shù)據(jù)的高可靠性，屏蔽協(xié)議的多樣性，保障數(shù)據(jù)通訊的安全性。

3.2 采用LDAP技術(shù)，實(shí)現(xiàn)跨層級(jí)數(shù)據(jù)匯總，方便數(shù)據(jù)共享與系統(tǒng)聯(lián)控

系統(tǒng)利用LDAP技術(shù)通過(guò)構(gòu)建系統(tǒng)信息節(jié)點(diǎn)樹(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)多級(jí)環(huán)衛(wèi)系統(tǒng)的支持。信息節(jié)點(diǎn)服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)原理借鑒了LDAP服務(wù)器的思想。它將系統(tǒng)中的實(shí)體對(duì)象映射成節(jié)點(diǎn)，將系統(tǒng)映射成節(jié)點(diǎn)樹(shù)。一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以出現(xiàn)在多棵不同的系統(tǒng)樹(shù)中，可以配置節(jié)點(diǎn)在不同的樹(shù)中顯示的屬性、權(quán)限等信息。從而實(shí)現(xiàn)了實(shí)體資源在不同系統(tǒng)中的共享，很好的支持了級(jí)聯(lián)部署，使得系統(tǒng)可以同時(shí)部署在各級(jí)部門(mén)，實(shí)現(xiàn)逐級(jí)匯報(bào)，統(tǒng)一監(jiān)控。

3.3 建立預(yù)警專(zhuān)家系統(tǒng)，對(duì)特定事件進(jìn)行預(yù)警

系統(tǒng)通過(guò)建立預(yù)警專(zhuān)家系統(tǒng)，根據(jù)終端監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)，全面地分析周?chē)鷳B(tài)環(huán)境指標(biāo)，預(yù)測(cè)環(huán)境走勢(shì)，預(yù)報(bào)可能對(duì)環(huán)境帶來(lái)的影響，同時(shí)把專(zhuān)家意見(jiàn)建議反饋給決策者并及時(shí)向社會(huì)發(fā)布。預(yù)警專(zhuān)家系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。

3.4 結(jié)合IDSS及數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，為決策提供支持

系統(tǒng)結(jié)合IDSS技術(shù)及數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，通過(guò)對(duì)采集數(shù)據(jù)整合分析，為及時(shí)、準(zhǔn)確地做出決策提供支持。

IDSS（決策支持系統(tǒng)）是輔助決策者通過(guò)數(shù)據(jù)、模型和知識(shí)，以人機(jī)交互方式進(jìn)行半結(jié)構(gòu)化或非結(jié)構(gòu)化決策的應(yīng)用系統(tǒng)。它是基于一般信息管理系統(tǒng)發(fā)展起來(lái)的更具智能化的新一代信息管理系統(tǒng)。可為決策者提供問(wèn)題處理依據(jù)、大數(shù)據(jù)支持下的預(yù)警模型、決策過(guò)程中可能遇到的問(wèn)題、方案實(shí)施的外部環(huán)境，完善系統(tǒng)內(nèi)部各種信息數(shù)據(jù)，利用系統(tǒng)分析軟件為決策者制定最佳決策方案確保決策質(zhì)量。IDSS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3.5 利用WebGIS技術(shù)，實(shí)現(xiàn)城市環(huán)境衛(wèi)生監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)的可視化

系統(tǒng)利用WebGIS技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的可視化監(jiān)測(cè)與預(yù)警，同時(shí)支持圖層自定義及圖源用戶(hù)級(jí)標(biāo)定。

4 結(jié)論（Conclusion）

隨著各國(guó)對(duì)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的重視，環(huán)境監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)系統(tǒng)得到了更廣范圍的應(yīng)用，同時(shí)新一代環(huán)境監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)也在研發(fā)，所有這些都將大大提高人們生活環(huán)境質(zhì)量。近年來(lái)我國(guó)也加大了環(huán)保預(yù)警方面的投入，相信在深化經(jīng)濟(jì)體制改革浪潮中環(huán)保領(lǐng)域定會(huì)后來(lái)居上。由于國(guó)人對(duì)人文居住環(huán)境的要求愈發(fā)強(qiáng)烈，城市環(huán)境衛(wèi)生管理面臨許多新的課題和任務(wù)。本研究針對(duì)目前城市基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)采集傳輸效率低、各級(jí)部門(mén)之間信息共享程度差、整體管理水平程度差等問(wèn)題進(jìn)行探討，通過(guò)建立一個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)的集M2M接入網(wǎng)關(guān)、跨層級(jí)系統(tǒng)構(gòu)建、專(zhuān)家級(jí)預(yù)警系統(tǒng)、IDSS、WebGIS等為一體的環(huán)境衛(wèi)生監(jiān)測(cè)與預(yù)警管理平臺(tái)，來(lái)提高數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性、部門(mén)監(jiān)管的有效性，分析決策的可靠性，以降低城市環(huán)境衛(wèi)生監(jiān)測(cè)和預(yù)警的成本、提高工作效率，為各級(jí)環(huán)保監(jiān)測(cè)部門(mén)提供決策支持。

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