文/李樹紅

環(huán)境監(jiān)測(cè)、監(jiān)控是環(huán)境治理、環(huán)保執(zhí)法、環(huán)境質(zhì)量變化趨勢(shì)評(píng)價(jià)、環(huán)保管理賴以依存的手段，是環(huán)保管理的順風(fēng)耳、千里眼。利用現(xiàn)代遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等，建設(shè)一套可全自動(dòng)、全天候、全區(qū)域、全參數(shù)、全過程 、不間斷地對(duì)排污情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控的環(huán)境在線監(jiān)控系統(tǒng)，來提高環(huán)境監(jiān)管力度和效率、有效管控污染物排放，是為當(dāng)務(wù)之急。

1 環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)存問題

（1）鑒于經(jīng)費(fèi)投入及技術(shù)水平的限制，目前各地已投入使用的環(huán)境在線監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)位少，主要布署在重點(diǎn)排污企業(yè)的排放口、跨轄區(qū)河流斷面、重點(diǎn)工業(yè)園區(qū)周界、城市空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)等。

（2）數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)方面，目前已建成投入使用的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要采用光纖有線電路加數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕旌夏Ｊ?，具有布署困難、建設(shè)運(yùn)營(yíng)成本高、不能移動(dòng)的缺點(diǎn)，難以適應(yīng)網(wǎng)格化監(jiān)測(cè)站布署、移動(dòng)監(jiān)測(cè)監(jiān)管、隨時(shí)隨地監(jiān)管等的需求。

（3）存儲(chǔ)設(shè)備、服務(wù)器布署于環(huán)保局中心機(jī)房，無法充分利用智能移動(dòng)終端的便利性，已成為進(jìn)一步提高環(huán)境監(jiān)管能力、管理效率的瓶頸。

（4）目前已建成的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以監(jiān)測(cè)為主，數(shù)據(jù)開發(fā)應(yīng)用、研究分析較少。

2 NB-IoT和5G通信

NB-IoT技術(shù)：是一種基于LTE移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的窄帶IoT技術(shù)，傳輸速率≤250kb/s，具有抗干擾能力強(qiáng)、安全可靠、連接容量大、傳輸距離遠(yuǎn)、覆蓋范圍廣、設(shè)備功耗低、部署成本低等優(yōu)點(diǎn)，非常適合遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)控等低速物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

5G通信技術(shù)：4G基站的信號(hào)覆蓋半徑約為500m，數(shù)據(jù)傳輸速率約73Mbps，奠定了NB-IoT大規(guī)模應(yīng)用的基礎(chǔ)。而5G基站的通信半徑約150m～500m，基站的布署更為密集，設(shè)備的功耗更低，其數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)1Gbps，使萬物互聯(lián)及高速無線傳輸應(yīng)用成為可能。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 總體設(shè)計(jì)思路

為了保護(hù)前期在線監(jiān)控設(shè)備的投資，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的平滑升級(jí)，兼容現(xiàn)有系統(tǒng)，基于5G網(wǎng)絡(luò)的智慧環(huán)境在線監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)考慮以下問題：

3.1.1 數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)

由現(xiàn)在的單一有線通信網(wǎng)絡(luò)，轉(zhuǎn)為有線通信網(wǎng)絡(luò)+NB-IoT+5G無線網(wǎng)絡(luò)的混合模式。有線通信網(wǎng)絡(luò)用于現(xiàn)有的監(jiān)控設(shè)備，NB-IoT用于新建的監(jiān)測(cè)站，尤其是野外監(jiān)測(cè)站，5G用于新建視頻監(jiān)測(cè)站或移動(dòng)視頻監(jiān)測(cè)等。

3.1.2 數(shù)據(jù)存貯及計(jì)算方面

由現(xiàn)在的環(huán)保管理部門的中心機(jī)房存貯+中心機(jī)房計(jì)算模式，轉(zhuǎn)為分布式云存貯+云計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)：移動(dòng)監(jiān)測(cè)和監(jiān)管、云辦公及移動(dòng)辦公、低成本跨部門聯(lián)合執(zhí)法及應(yīng)急指揮作戰(zhàn)布署、廣泛及時(shí)的信息發(fā)布、公眾參與監(jiān)督等。

3.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)按各部份所承擔(dān)的功能劃分為現(xiàn)場(chǎng)感知層、通訊傳輸層、應(yīng)用服務(wù)層、用戶層：

現(xiàn)場(chǎng)感知層：由各種傳感器、數(shù)據(jù)采集分析儀器、通信傳輸裝置、控制執(zhí)行組件等組成，用以采集、記錄監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和狀態(tài)、分析結(jié)果、現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)視頻等信息，以及執(zhí)行遠(yuǎn)程控制指令操作。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)按要求的數(shù)據(jù)格式實(shí)時(shí)上傳至服務(wù)器進(jìn)行集中存貯。

通信傳輸層：由光纖有線網(wǎng)絡(luò)、3G/4G NB-IoT及5G無線網(wǎng)絡(luò)等組成，承擔(dān)數(shù)據(jù)傳輸，根據(jù)不同數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的程序進(jìn)行處理，并將下行控制數(shù)據(jù)傳給監(jiān)測(cè)站執(zhí)行操作。

應(yīng)用服務(wù)層：部署于云端，包括數(shù)據(jù)中心及計(jì)算中心，向用戶層提供數(shù)據(jù)匯總、統(tǒng)計(jì)、查詢、計(jì)算、展示、第三方應(yīng)用等服務(wù)及接口。

用戶層：可以通過手機(jī)APP、微信公眾號(hào)或小程序、瀏覽器等查詢、調(diào)取、展示監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和結(jié)果，及向監(jiān)測(cè)站發(fā)送控制指令執(zhí)行指定操作等。

3.3 感知層設(shè)計(jì)

以在線監(jiān)測(cè)分析儀器為核心，由微處理器、各種采樣儀器、預(yù)處理單元、傳感器、分析儀器、通信模塊、攝頭機(jī)、其它控制儀器等組成。

3.4 數(shù)據(jù)存貯及計(jì)算中心設(shè)計(jì)

隨著環(huán)境監(jiān)測(cè)規(guī)模的擴(kuò)展，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)大幅度迅速增長(zhǎng)，需要海量的存儲(chǔ)空間。傳統(tǒng)模式中用戶自建網(wǎng)絡(luò)機(jī)房、存貯系統(tǒng)和服務(wù)器集群，費(fèi)用高、容災(zāi)能力弱、運(yùn)維成本高、管理難。為降低系統(tǒng)建設(shè)成本和運(yùn)維成本，適應(yīng)新形勢(shì)下環(huán)保管理、提高容災(zāi)能力，數(shù)據(jù)存貯及計(jì)算中心考慮租用云計(jì)算運(yùn)營(yíng)商的設(shè)施設(shè)備。

3.5 監(jiān)控中心系統(tǒng)設(shè)計(jì)

監(jiān)控中心實(shí)現(xiàn)對(duì)所有監(jiān)測(cè)站的設(shè)備巡查、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)展示、運(yùn)行參數(shù)設(shè)定管理等。為適應(yīng)環(huán)境應(yīng)急指揮作戰(zhàn)調(diào)度需要，應(yīng)具有視頻會(huì)議功能。為了實(shí)現(xiàn)更好的展示效果，監(jiān)控中心的電視墻將采用超細(xì)間距全彩高清LED顯示屏，實(shí)現(xiàn)無拼接縫顯示，畫面可根據(jù)需要任意分割。

4 應(yīng)用設(shè)計(jì)

（1）污染物排放監(jiān)管：監(jiān)控系統(tǒng)軟件通過對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、匯總、處理、計(jì)算、分析，得到污染物排放及環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)排污單位的污染物排放監(jiān)管。

（2）污染預(yù)警預(yù)報(bào)：通過對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、分析，可以得到環(huán)境質(zhì)量的總體水平及發(fā)展趨勢(shì)，可對(duì)環(huán)境污染進(jìn)行預(yù)警預(yù)報(bào)，為政府的科學(xué)管理決策提供可靠依據(jù)。

（3）聯(lián)合應(yīng)急指揮作戰(zhàn)：發(fā)生重大污染事故時(shí)，聯(lián)合作戰(zhàn)單位通過云技術(shù)快速接入共享信息，實(shí)現(xiàn)跨部門聯(lián)合指揮作戰(zhàn)。

（4）移動(dòng)監(jiān)測(cè)監(jiān)管：對(duì)特殊監(jiān)測(cè)環(huán)境，可以派遣檢測(cè)機(jī)器人或監(jiān)測(cè)無人機(jī)進(jìn)行移動(dòng)監(jiān)測(cè)，并通過智能手機(jī)、平板電腦等移動(dòng)終端隨時(shí)隨地監(jiān)控污染源情況。

（5）污染成因分析與研究：利用無處不在的監(jiān)測(cè)站所采集到的海量污染排放和環(huán)境信息數(shù)據(jù)，通過大數(shù)據(jù)挖掘?qū)δ承┪廴镜某梢蜻M(jìn)行研究與分析，對(duì)科學(xué)環(huán)境治理提供依據(jù)。

（6）地理信息服務(wù)：利用GIS系統(tǒng)將不同類型的環(huán)境信息、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、設(shè)備運(yùn)行情況、報(bào)警信息等直觀地在操作終端界面上顯示，方便監(jiān)控管理。

（7）短信服務(wù)：當(dāng)污染物排放超標(biāo)時(shí)，系統(tǒng)將給相關(guān)監(jiān)管人員發(fā)送相關(guān)信息，以便及時(shí)采取處理措施，杜絕超標(biāo)排放的發(fā)生。

（8）公眾信息共享：向媒體和公眾發(fā)布環(huán)境數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)公眾對(duì)環(huán)境管理的監(jiān)督和參與。

（9）數(shù)據(jù)交換接口：為了實(shí)現(xiàn)跨行業(yè)跨部門的信息共享與數(shù)據(jù)交換，為政府的科學(xué)管理決策和社會(huì)公眾提供準(zhǔn)確的環(huán)境信息，系統(tǒng)提供面向消息中間件的數(shù)據(jù)接口。

5 結(jié)束語

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中具有廣闊的發(fā)展和應(yīng)用潛力，NB-IoT技術(shù)的應(yīng)用及5G高速寬帶網(wǎng)絡(luò)，必將環(huán)境監(jiān)測(cè)引向更智能化的發(fā)展方向。