邵璇 田文君

摘 要 對(duì)水質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，做好水質(zhì)預(yù)警監(jiān)測(cè)工作，成為保護(hù)水資源、實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)利用的重要工作。文章從大數(shù)據(jù)發(fā)展，大數(shù)據(jù)的體系結(jié)構(gòu)，構(gòu)建大數(shù)據(jù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)平臺(tái)，構(gòu)建水質(zhì)監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)模型，基于大數(shù)據(jù)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)，在大數(shù)據(jù)平臺(tái)實(shí)施水質(zhì)監(jiān)測(cè)與異常捕獲等幾個(gè)方面，對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)相關(guān)問題展開論述，為做好基于大數(shù)據(jù)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)工作提供參考。

關(guān)鍵詞 大數(shù)據(jù)；水質(zhì)監(jiān)測(cè)；數(shù)據(jù)采集；監(jiān)測(cè)平臺(tái)

中圖分類號(hào) G2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6708（2018）208-0075-02

近年來，水環(huán)境污染造成了嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失，破壞生態(tài)環(huán)境。城市河流湖泊生態(tài)系統(tǒng)遭到損壞，嚴(yán)重威脅到人們的生產(chǎn)與生活用水。對(duì)環(huán)保的重視力度從國家層面不斷加大，在水質(zhì)檢測(cè)信息化建設(shè)方面政府的投入逐漸增加，在全國范圍內(nèi)推廣應(yīng)用全自動(dòng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)預(yù)警站點(diǎn)。由于水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)防范形勢(shì)日益嚴(yán)峻，我國對(duì)水質(zhì)檢測(cè)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警的能力有待提高，以滿足水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)管控的需求。大量研究成果為水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)預(yù)警能力提升提供了支撐，但仍然存在許多問題。主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：現(xiàn)有數(shù)據(jù)有效利用較少、難以滿足業(yè)務(wù)需求、平臺(tái)化與流程化的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)沒有實(shí)現(xiàn)，使得水環(huán)境評(píng)價(jià)預(yù)警難以滿足生態(tài)環(huán)保需求。

大數(shù)據(jù)是信息化發(fā)展的產(chǎn)物，是指高速獲取、傳輸、存儲(chǔ)與分析大量種類與來源繁多的復(fù)雜數(shù)據(jù)，利用相對(duì)經(jīng)濟(jì)的方法提取其價(jià)值，通過處理海量數(shù)據(jù)，獲得高價(jià)值產(chǎn)品與服務(wù)。

隨著水環(huán)境監(jiān)測(cè)要求的提高，水質(zhì)監(jiān)測(cè)的新問題包括：大數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)監(jiān)控、精準(zhǔn)度。本文在分析大數(shù)據(jù)與水質(zhì)檢測(cè)特性的基礎(chǔ)上，給出了通用化的大數(shù)據(jù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)架構(gòu)，成為水質(zhì)大數(shù)據(jù)分析與處理的關(guān)鍵，為進(jìn)一步深入探討基于大數(shù)據(jù)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)打下基礎(chǔ)。

1 基于大數(shù)據(jù)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)

基于大數(shù)據(jù)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)在信息與計(jì)算機(jī)以及傳統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)等基礎(chǔ)上，不斷積累發(fā)展起來，實(shí)現(xiàn)了水質(zhì)監(jiān)測(cè)的信息化與智能化需求，是水質(zhì)監(jiān)測(cè)與新興技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物?；诖髷?shù)據(jù)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)綜合利用了大數(shù)據(jù)與云計(jì)算技術(shù)，在水質(zhì)監(jiān)測(cè)中，采集到海量數(shù)據(jù)后，運(yùn)用云計(jì)算技術(shù)的分布式存儲(chǔ)與并行計(jì)算，滿足水質(zhì)監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)的計(jì)算與存儲(chǔ)需求。

大數(shù)據(jù)技術(shù)針對(duì)數(shù)據(jù)量大、具有實(shí)時(shí)性、動(dòng)態(tài)性的數(shù)據(jù)，利用新的模型與系統(tǒng)工具數(shù)據(jù)挖掘，獲取信息并應(yīng)用。大數(shù)據(jù)技術(shù)以云計(jì)算數(shù)據(jù)處理和分布式存儲(chǔ)為基礎(chǔ)。大數(shù)據(jù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)的發(fā)展，是云計(jì)算技術(shù)在水質(zhì)監(jiān)測(cè)中的高級(jí)實(shí)現(xiàn)。大數(shù)據(jù)技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 大數(shù)據(jù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)平臺(tái)的構(gòu)建

數(shù)據(jù)來源。水質(zhì)檢測(cè)與評(píng)價(jià)中，主要從3個(gè)方面獲取數(shù)據(jù)：一是通過人工方式采集數(shù)據(jù)，人工定點(diǎn)對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)區(qū)域進(jìn)行取樣，獲取相關(guān)水質(zhì)信息，對(duì)水域周圍的環(huán)境狀況進(jìn)行問卷調(diào)查、水域周邊地貌狀況；二是過傳感器現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)采集的水質(zhì)數(shù)據(jù)；三是通過網(wǎng)絡(luò)抓取的水域?qū)俚匚廴驹匆约芭欧盼?、天氣預(yù)報(bào)情況等數(shù)據(jù)信息。對(duì)水質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)檢測(cè)，不但要采集水質(zhì)相關(guān)特征數(shù)據(jù)，還要對(duì)周邊環(huán)境，排污狀況，區(qū)域水源，地形地貌等，由于數(shù)據(jù)類型的多樣性，需要配以多樣化的存儲(chǔ)方式。需要進(jìn)行整理與歸類，量化統(tǒng)一后再標(biāo)準(zhǔn)化存儲(chǔ)。

水質(zhì)特征：常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)是根據(jù)地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)確定的，目標(biāo)層是對(duì)城市河流健康狀況的評(píng)價(jià)，指標(biāo)層劃分為水質(zhì)綜合標(biāo)識(shí)指數(shù)、感觀水質(zhì)狀況和水體黑臭指數(shù)。借助大數(shù)據(jù)平臺(tái)，把采集到的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)資料量化處理、統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式，并進(jìn)行分布式存儲(chǔ)后，利用大數(shù)據(jù)平臺(tái)所提供的資源進(jìn)行分布式計(jì)算，建立水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型對(duì)水質(zhì)狀況進(jìn)行分析。

水質(zhì)監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)模型的構(gòu)建。構(gòu)建數(shù)學(xué)模型是進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)綜合評(píng)價(jià)預(yù)警的關(guān)鍵。隨著數(shù)學(xué)理論針對(duì)水資源監(jiān)測(cè)管理領(lǐng)域的應(yīng)用研究不斷深入，計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，使得諸多數(shù)學(xué)模型與數(shù)學(xué)方法在實(shí)際中的應(yīng)用更加廣泛；由于水體本身的多元特性，而且相當(dāng)復(fù)雜，有眾多因素會(huì)對(duì)水質(zhì)產(chǎn)生影響，沒有統(tǒng)一可尋的規(guī)律性，這些因素共同作用，使得對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)充滿了模糊性。因此，在水質(zhì)監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)中缺乏被廣泛接受與使用的方法，對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)中的水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)預(yù)警模型的構(gòu)建，一直處于不斷開發(fā)、改進(jìn)與發(fā)展中。

數(shù)據(jù)平臺(tái)實(shí)施水質(zhì)監(jiān)測(cè)與異常捕獲。水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)平臺(tái)能夠遠(yuǎn)程監(jiān)控水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)分析水質(zhì)數(shù)據(jù)，捕獲異常情況。數(shù)據(jù)平臺(tái)的告警子系統(tǒng)通過智能計(jì)算水質(zhì)數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確判斷異常狀況，捕獲異常并推送告警信息到監(jiān)測(cè)終端。以溫控測(cè)量為監(jiān)測(cè)指標(biāo)為例，當(dāng)測(cè)量溫度監(jiān)測(cè)為非法值時(shí)，監(jiān)測(cè)平臺(tái)顯示異常結(jié)果。其中的詳細(xì)信息中，包括儀表類型、非法數(shù)值等。對(duì)監(jiān)測(cè)異常結(jié)果以關(guān)注后推送的方式進(jìn)行實(shí)時(shí)提醒；依據(jù)異常告警次數(shù)，對(duì)站點(diǎn)進(jìn)行告警排行，以數(shù)據(jù)報(bào)告的形式將特定固定時(shí)段的告警次數(shù)提供給管理者，以便采取適當(dāng)?shù)奶幚泶胧?/p>

基于大數(shù)據(jù)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)。以監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集、處理、結(jié)果分析、狀態(tài)呈現(xiàn)為主流程，將基于大數(shù)據(jù)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果通過可視化的形式呈現(xiàn)出來。在基于大數(shù)據(jù)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)中，劃分為4個(gè)層次：基礎(chǔ)差、數(shù)據(jù)層、中間層和表現(xiàn)層。其中，基礎(chǔ)層主要部署了相關(guān)的水質(zhì)數(shù)據(jù)采集設(shè)備，包括水質(zhì)數(shù)據(jù)傳感器、在線監(jiān)測(cè)儀、定點(diǎn)監(jiān)測(cè)儀等水質(zhì)數(shù)據(jù)采集設(shè)備；數(shù)據(jù)層是存儲(chǔ)水質(zhì)等相關(guān)數(shù)據(jù)信息的，部署了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫和水質(zhì)數(shù)據(jù)庫；中間層主要從數(shù)據(jù)層的數(shù)據(jù)庫中獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，完成水質(zhì)數(shù)據(jù)獲取與數(shù)值數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)等數(shù)據(jù)挖掘服務(wù)，并做好數(shù)據(jù)管理工作，如水質(zhì)數(shù)據(jù)管理、后臺(tái)管理、圖表統(tǒng)計(jì)等；表現(xiàn)層主要提供水質(zhì)控制目標(biāo)，地圖顯示以及水質(zhì)監(jiān)測(cè)狀態(tài)等?；诖髷?shù)據(jù)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)如圖2所示。

3 結(jié)論

構(gòu)建基于大數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)平臺(tái)，對(duì)水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警，技術(shù)設(shè)計(jì)目標(biāo)是：收集影響水質(zhì)的相關(guān)指標(biāo)參數(shù)，并統(tǒng)一格式化存儲(chǔ)，分類管理與分析監(jiān)測(cè)指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)影響水質(zhì)的關(guān)鍵參數(shù)指標(biāo)。以大數(shù)據(jù)平臺(tái)為依托，合理選擇模型算法，利用對(duì)海量數(shù)據(jù)的分析學(xué)習(xí)與模型訓(xùn)練結(jié)果，構(gòu)建分析預(yù)警模型，實(shí)時(shí)發(fā)送監(jiān)測(cè)信息到前臺(tái)。對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究，主要從3個(gè)方面開展工作：用于進(jìn)行水環(huán)境監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)來源不同，采集方式差異較大，為了統(tǒng)一查詢分析數(shù)據(jù)，需要統(tǒng)一存儲(chǔ)和訪問不同來源數(shù)據(jù)；研究基于大數(shù)據(jù)平臺(tái)的數(shù)據(jù)挖掘以及相關(guān)數(shù)據(jù)分析方法，提取影響水質(zhì)的關(guān)鍵因子；構(gòu)建水質(zhì)評(píng)價(jià)預(yù)警模型，并經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，最終選擇一個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度高的模型。

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