歐 松，易 丹

環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)精細化管理與可視化分析平臺設(shè)計與實現(xiàn)

歐 松，易 丹

（深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電工程學(xué)院，廣東 深圳 518055）

文章構(gòu)建了一個大型環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，用于環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)精細化管理與可視化分析．監(jiān)測和管理的數(shù)據(jù)為5個大類，系統(tǒng)基于用戶數(shù)據(jù)源內(nèi)容和需求可選項接入：大氣[一般污染指標、氣象、油煙、和企業(yè)排污數(shù)據(jù)等]、水[地表水、地下水、海水、工業(yè)廢水、市政（居民）污水和水文數(shù)據(jù)等]、噪聲[工業(yè)源、運輸源、建工源等]、輻射源和固廢等．系統(tǒng)定義為基于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集+大數(shù)據(jù)+人工智能的集成，具有數(shù)據(jù)采集、存儲、數(shù)據(jù)分析和展示等功能，為一個覆蓋全、范圍廣的水體、空氣、土壤生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，為環(huán)境管理與治理以及有需求用戶提供數(shù)據(jù)支撐，形成生態(tài)資產(chǎn)清單，推進環(huán)境污染治理與服務(wù)．系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)和應(yīng)用．

環(huán)境監(jiān)測；物聯(lián)網(wǎng)；大數(shù)據(jù)；環(huán)境污染

2017年7月，國務(wù)院印發(fā)的“新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃”中要求建設(shè)安全便捷的智能社會，推進社會治理智能化，提出智能環(huán)保的概念或理念[1]：智能環(huán)保．建立涵蓋大氣、水、土壤等環(huán)境領(lǐng)域的智能監(jiān)控大數(shù)據(jù)平臺體系，建成陸海統(tǒng)籌、天地一體、上下協(xié)同、信息共享的智能環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)平臺．該規(guī)劃同時還要求構(gòu)建泛在安全高效的智能化基礎(chǔ)設(shè)施體系．大力推動智能化信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，提升傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施的智能化水平，形成適應(yīng)智能經(jīng)濟、智能社會和國防建設(shè)需要的基礎(chǔ)設(shè)施體系．加快推動以信息傳輸為核心的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化信息基礎(chǔ)設(shè)施，向集融合感知、傳輸、存儲、計算、處理于一體的智能化信息基礎(chǔ)設(shè)施轉(zhuǎn)變．2018年11月25日，由國家發(fā)展改革委和中國經(jīng)濟體制改革研究會主辦的“中國改革論壇”上，提出了關(guān)于全面深化經(jīng)濟改革的十條政策建議．其中第九條“以空氣、水體、土壤等環(huán)境治理為出發(fā)點，推進生態(tài)文明體制建設(shè)”中建議[2]：盡快建成覆蓋全、范圍廣的水體、空氣、土壤生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，強化體制機制建設(shè)數(shù)據(jù)支撐，形成生態(tài)資產(chǎn)清單，推進環(huán)境污染治理．國內(nèi)大規(guī)模的環(huán)境和大氣監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)近年也有很大的進展[3,4]．

我們設(shè)計和實施的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)平臺是按該規(guī)劃的智能化理念為目標而做的項目．設(shè)計的系統(tǒng)方案集物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)為一體的解決方案，也是一網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，布局實時協(xié)同人工智能的技術(shù)應(yīng)用，建設(shè)面向協(xié)同人工智能的智能感知物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)和設(shè)施建設(shè)，建設(shè)一體化信息網(wǎng)絡(luò)，推進未來互聯(lián)網(wǎng)或物聯(lián)網(wǎng)與通信網(wǎng)的融合．該系統(tǒng)也是大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施，依托國家數(shù)據(jù)共享交換平臺、數(shù)據(jù)開放平臺等公共基礎(chǔ)設(shè)施，建設(shè)政府治理和公共服務(wù)大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫，支撐國家治理大數(shù)據(jù)應(yīng)用．

1 系統(tǒng)功能需求

1.1 主要功能描述和特點

系統(tǒng)設(shè)計的目標能夠?qū)崟r采集和監(jiān)控各類環(huán)境和污染數(shù)據(jù)，并為管理部門提供監(jiān)管和管理服務(wù)，以及數(shù)據(jù)的分析處理等．要求：1）各類環(huán)境污染源和氣象水文數(shù)據(jù)模塊搭建圖文一體化的環(huán)境污染源數(shù)據(jù)系統(tǒng)；2）以地理信息系統(tǒng)（GIS）電子地圖形式展示各類環(huán)境污染源[散亂污企業(yè)分布展示，各類環(huán)境污染風險源和類型]分布，自動對采集的數(shù)據(jù)進行歸集、整理和檢索；3）提供多條件組合查詢，并具用戶自定義查詢條件功能．

1.2 在線和離線功能

接入各類環(huán)境監(jiān)測和調(diào)查數(shù)據(jù)．在線監(jiān)測數(shù)據(jù)管理和污染預(yù)警基于各類不同的數(shù)據(jù)源．例如，大氣環(huán)境的數(shù)據(jù)源包括不限于如下數(shù)據(jù)源：空氣監(jiān)測站點、揚塵污染在線監(jiān)控、工業(yè)廢氣在線監(jiān)控、餐飲油煙在線監(jiān)控、環(huán)境空氣微型監(jiān)測站點、移動式環(huán)境空氣監(jiān)測車及多功能抑塵車等數(shù)據(jù)源．

在大氣環(huán)境管理領(lǐng)域，平臺系統(tǒng)對接收的污染物和氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)進行整理、統(tǒng)計和趨勢分析，并能形成報表輸出，同時可與大氣污染模擬軟件兼容結(jié)合，對環(huán)境空氣污染狀況、變化趨勢以及氣象條件影響因素進行深度分析．

1.3 日常巡查管理功能

1）多個平臺集成：平臺系統(tǒng)包括但不限于同時可實現(xiàn)對抑塵車、大氣環(huán)境移動監(jiān)測車等設(shè)備行駛軌跡跟蹤查詢、作業(yè)調(diào)度管理等功能．

2）日常巡查：為日常巡查人員提供辦事的流程和事項的管理，包括信息核對、更新、錄入；發(fā)現(xiàn)事項上報、處理、反饋等情況，各巡查人員還可即時上傳每天的巡查情況，如遇到處理不了的情形可通過該系統(tǒng)逐級上報，各級再進行分流處理．

1.4 實時監(jiān)管和執(zhí)法管理

1.4.1 動態(tài)反映現(xiàn)場實際情況

污染源數(shù)據(jù)庫動態(tài)管理功能可以隨時隨地查詢工作人員所在地周邊污染源的情況，例如揚塵、工業(yè)VOCs、餐飲油煙、鍋爐廢氣等，即時采集并上傳新的排放源的坐標、名稱、企業(yè)圖片、污染狀況照片等信息．

1.4.2 監(jiān)管人員現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集

隨時隨地查詢監(jiān)管人員所在地周邊環(huán)境污染源的情況，便于環(huán)保監(jiān)管部門即時發(fā)現(xiàn)和處理環(huán)境污染情況，實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)各類污染源數(shù)據(jù)的動態(tài)更新．

(1)政府應(yīng)不斷增強稅收和財政支持力度。以全域旅游發(fā)展為基點，落實稅收優(yōu)惠政策，加大財政投入、加大轉(zhuǎn)移支付力度，建立各項具體的建設(shè)資金項目，如交通、環(huán)保、水利等方面。州政府每年從本級財政拿出1 500萬元支持旅游產(chǎn)業(yè)發(fā)展，創(chuàng)建國家4A、5A級景區(qū)，分別可獲得20萬元、100萬元獎勵，創(chuàng)建四星級、五星級賓館，分別可獲得20萬元、50萬元獎勵等，政府還可以積極引入各大國企的資金，如鄂旅投、省交投等省屬國有企業(yè)“十三五”時期對恩施州旅游領(lǐng)域投資將超過600億元，為企業(yè)拓寬融資渠道。

2 數(shù)據(jù)采集范圍與物聯(lián)網(wǎng)

數(shù)據(jù)采集為實時采集，同時可以對歷史數(shù)據(jù)溯源．溯源涵蓋區(qū)域歷史污染數(shù)據(jù)溯源和區(qū)域環(huán)境風險源分布等．

2.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)分類

監(jiān)測數(shù)據(jù)為5個大類．基于環(huán)境數(shù)據(jù)項目分類，系統(tǒng)基于用戶數(shù)據(jù)源內(nèi)容和需求可選項接入：1）大氣[一般污染指標、氣象、油煙、和企業(yè)排污數(shù)據(jù)等]；2）水[地表水、地下水、海水、工業(yè)廢水、市政（居民）污水和水文數(shù)據(jù)等]；3）噪聲[工業(yè)源、運輸源、建工源等]；4）輻射源[電磁輻射、放射性污染等]；5）固廢[餐飲、居民、工業(yè)、建筑、醫(yī)院等]．

另外，基于數(shù)據(jù)的采集、歷史數(shù)據(jù)區(qū)域污染源和數(shù)據(jù)歷史溯源，系統(tǒng)可以生成區(qū)域環(huán)境風險源分布[環(huán)境風險較高企業(yè)分布和風險等級、危險物品存儲分布和風險等級]．

2.2 大氣數(shù)據(jù)項分類和指標

大氣環(huán)境數(shù)據(jù)模塊：1）空氣質(zhì)量監(jiān)測因子[PM2.5、PM10、TSP、SO2、NO、CO、O3]；2）環(huán)境氣象監(jiān)測因子[風速、風向、氣壓、降雨量、溫度、濕度]；3）油煙[油煙濃度、顆粒物濃度、VOC等]；4）企業(yè)排污[酸堿廢氣、含氰廢氣、粉塵、焊煙]；5）其它[甲醛]．

2.3 水污染數(shù)據(jù)分類和指標

水環(huán)境數(shù)據(jù)模塊：1）地表水、污染源[總氮、總磷、氨氮、總鉻、CODmn、硫化物、總砷、總鉛]；2）地下水[pH、濁度、水溫、溶解氧、電導(dǎo)率、水位]；3）水文[河流流量、水位、流速、降雨量和蒸發(fā)量等]；4）海水[周邊海域]；5）工業(yè)廢水[污水處理廠、排污管道]；6）市政（居民）污水；7）其它．

2.4 噪聲數(shù)據(jù)項分類和指標

噪聲模塊：1）工業(yè)源[聲強{分貝}；2）運輸源[聲強{分貝}]；3）建工源[聲強{分貝}]；4）其它[聲強{分貝}]．內(nèi)容含不同噪聲源分布和強度．

2.5 輻射源數(shù)據(jù)分類和指標

環(huán)境輻射監(jiān)測模塊．

2.6 固廢數(shù)據(jù)分類和指標

固廢模塊：餐飲；居民；工業(yè)；建筑；醫(yī)院；其它．

3 系統(tǒng)設(shè)計

設(shè)計與實施的系統(tǒng)總體考慮為物聯(lián)網(wǎng)[IoT，Internet of Things]，大數(shù)據(jù)[Big data]和AI的集成，為環(huán)境監(jiān)測或環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)精細化管理體系．

系統(tǒng)應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)[IoT]構(gòu)建了一個環(huán)境數(shù)據(jù)獲取的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；數(shù)據(jù)的量級達到了大數(shù)據(jù)的定義，也具有大數(shù)據(jù)[big data]的屬性；在之基礎(chǔ)上，建立數(shù)據(jù)分析和評估系統(tǒng)的可視化平臺，對環(huán)境質(zhì)量可以多視角監(jiān)測[monitor]，數(shù)據(jù)獲取，存儲和智能分析與決策等．

環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)實質(zhì)作用是構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)并獲取數(shù)據(jù)．圖1為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，監(jiān)測點為數(shù)據(jù)采集模塊，將采集的數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器．該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)．圖2為系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集，存儲、處理和展示的系統(tǒng)架構(gòu)．

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)架構(gòu)

所涉及的系統(tǒng)功能：

1）該系統(tǒng)構(gòu)建了一個環(huán)境數(shù)據(jù)獲取、分析和評估系統(tǒng)的可視化平臺，對環(huán)境質(zhì)量可以多視角監(jiān)測[monitor]；也具有大數(shù)據(jù)[big data]的屬性；

2）環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)是一類典型的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，在一區(qū)域范圍內(nèi)，設(shè)計一類大氣、土壤、水域、海洋和樓宇的實時監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，通過通訊系統(tǒng)，將數(shù)據(jù)存儲在云端；

3）對一區(qū)域的環(huán)境數(shù)據(jù)實時動態(tài)管理，實現(xiàn)智能化和精細化管理與決策．

4 系統(tǒng)實現(xiàn)與大數(shù)據(jù)分析處理

4.1 數(shù)據(jù)采集點布局

數(shù)據(jù)來源的位置展示，圖3為一大氣采集點布局，圖4為土壤監(jiān)測數(shù)據(jù)采集點布局．平臺內(nèi)置的地圖應(yīng)用可實時展示數(shù)據(jù)來源的地理信息．數(shù)據(jù)源信息可維護：

1）平臺可以實時添加現(xiàn)場信息設(shè)備；

2）平臺的監(jiān)測設(shè)備信息管理及展示功能，可以通過最后易用易懂的方式來管理數(shù)據(jù)來源．

圖4展示了利用地圖海量點技術(shù)，可以將上萬個地理信息展示在大屏幕上．

系統(tǒng)所獲取的數(shù)據(jù)量具有大數(shù)據(jù)居的特征[5][數(shù)據(jù)量大（high-volume），變化快（high- velocity），變量維數(shù)大（high-variety）]，系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理與計算流程應(yīng)用大數(shù)據(jù)的計算視圖（圖5）．

4.2 數(shù)據(jù)展示與發(fā)布

4.2.1 數(shù)據(jù)展示

系統(tǒng)可同時展示多個數(shù)據(jù)檢測項目展示及時間段變化趨勢．圖6顯示數(shù)據(jù)點的大氣污染數(shù)據(jù)和噪聲數(shù)據(jù)．同時顯示超標信息，平臺可設(shè)置國家標準的檢測閾值，實時數(shù)據(jù)與閾值進行比較并標注顯示．可將實時設(shè)備傳遞的異常數(shù)據(jù)檢測并提示為無效信息．

4.2.2 Web發(fā)布

系統(tǒng)也采用移動端的方式發(fā)布數(shù)據(jù)和應(yīng)用，以方便不同的應(yīng)用需求（如圖7所示）．

4.3 環(huán)境大數(shù)據(jù)應(yīng)用

采集的數(shù)據(jù)應(yīng)用云方式作數(shù)據(jù)存儲，以方便多種途徑的實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的有效利用．數(shù)據(jù)分析采用建模和推斷的方式，并輔以人工智能．環(huán)境所有監(jiān)管和決策都需要數(shù)據(jù)分析．重要的是要知道數(shù)據(jù)和環(huán)境問題的關(guān)聯(lián)，并探索數(shù)據(jù)分析如何輔助解決這些問題，例如污染的成因分析．

系統(tǒng)也具有高級分析與決策能力，數(shù)據(jù)的分析工作是為提高決策能力．監(jiān)管通過可衡量的指標的分析與決策，可以大幅度提過信息獲取和準確決策的能力．

圖3 大氣數(shù)據(jù)采集深圳南山區(qū)布局[局部]

圖4 土壤數(shù)據(jù)采集點深圳地區(qū)分布

圖5 大數(shù)據(jù)的計算視圖

圖7 Web移動端數(shù)據(jù)展示

5 結(jié) 語

本文給出的系統(tǒng)設(shè)計和實施，對建設(shè)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測提供了一個有益的方案，并且得到了有效的應(yīng)用．由于系統(tǒng)所獲取的數(shù)據(jù)量具有大數(shù)據(jù)居的特征，對其應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)方法、采用挖掘和人工智能等作進行進一步的相關(guān)分析，如污染的成因分析，對污染治理有著十分重要的意義．

[1] 國務(wù)院關(guān)于印發(fā)新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃的通知，國發(fā)〔2017〕35號[EB/OL]．[2017-07-08]．http:// www.gov.cn/zhengce/content/2017-07/20/content_5211996.htm．

[2] 彭森．關(guān)于全面深化經(jīng)濟改革的十條政策建議[EB/OL]．[2018-11-25]．http://www.aisixiang.com/data/113657.html．

[3] 湯莉莉，刀谞，秦瑋，等．大氣超級站網(wǎng)建設(shè)及在江蘇區(qū)域的集成應(yīng)用實踐[J]．中國環(huán)境監(jiān)測，2017，33（5）：15-20．

[4] 王 蓮，林鵬飛，王李偉，等．基于 SCADA 的物聯(lián)網(wǎng)大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J]．吉林大學(xué)學(xué)報（信息科學(xué)版），2018，36（2）：178-183．

[5] Victor Mayer-Schongerger．大數(shù)據(jù)時代[M]．杭州：浙江人民出版社，2013．

Fine Management and Visual Analysis Platform Design and Implementation of Environmental Quality Data

OU Song, Yi Dan

（）

This article describes a large environmental quality monitoring system with5large categories of monitoring data. Based on user data source content and requirements, the system has several access options, such asatmosphere(general pollution indicators, weather, fumes, and corporate sewage data, etc.), water( surface water, groundwater, seawater, industrial wastewater, municipal (residential) sewage and hydrological data, etc.),noise(industrial sources, transportation sources, construction sources, etc.),radiation sources, solid waste, and so on. The system is defined as the integration of data acquisition based on the Internet of Things, big data and artificial intelligence, with functions such as data acquisition, storage, data analysis and presentation. The system provides a comprehensive and wide-ranging monitoring network of water, air and soil ecological environment. It has been implemented and applied to provide data support for environmental management and needy users, form a list of ecological assets, and to promote environmental pollution control.

environmental monitoring; Internet of Things; big data; environmental pollution

2019-06-25

歐松，男，湖南人，博士，高級工程師．主要研究方向自動控制．

TP311.52；X831

A

1672-0318（2020）01-0016-07

10.13899/j.cnki.szptxb.2020.01.003