基于云計算的突發(fā)性水污染事故預(yù)警管理系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用

陶子樂滔，儲 婭，王 靜，蔡怡馨，彭 云，李 靖（.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，云南　昆明6500；.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院，云南　昆明6500；.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計研究院，云南　昆明6500）

基于云計算的突發(fā)性水污染事故預(yù)警管理系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用

陶子樂滔1，儲 婭1，王 靜2，蔡怡馨2，彭 云3，李 靖3
（1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，云南昆明650201；2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院，云南昆明650201；3.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計研究院，云南昆明650201）

為滿足環(huán)境應(yīng)急管理信息化實踐的需要，針對應(yīng)急預(yù)警管理系統(tǒng)對突發(fā)性水污染事件中信息流轉(zhuǎn)的時效性和污染事件深度管理的要求，采用云計算技術(shù)，以移動通信平臺為通信傳輸網(wǎng)絡(luò)，通過建立云端和移動終端相結(jié)合的架構(gòu)，研究了云計算技術(shù)在處理突發(fā)性水污染事故中的應(yīng)用。開發(fā)結(jié)果體現(xiàn)了云計算技術(shù)對數(shù)據(jù)處理和存儲的優(yōu)勢，驗證了此架構(gòu)可以有效地提高信息發(fā)布的時效性，降低布設(shè)管理系統(tǒng)中應(yīng)用終端所需的性能成本，并可優(yōu)化系統(tǒng)應(yīng)用程序的智能性，降低對系統(tǒng)使用者的技術(shù)要求。

云計算；移動終端；突發(fā)性水污染事故；應(yīng)急預(yù)警管理系統(tǒng)

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的持續(xù)高速發(fā)展，化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)強(qiáng)度急劇加大，化學(xué)產(chǎn)品跨地域物流日趨頻繁，因人禍、天災(zāi)等不可預(yù)測的原因以及某些人為因素，造成突發(fā)性水污染事故頻頻發(fā)生。有文獻(xiàn)顯示，突發(fā)性水污染事故在各類環(huán)境事故中比例最高［1-3］。突發(fā)性水污染事故的發(fā)生，不僅影響當(dāng)?shù)厮Y源利用，破壞當(dāng)?shù)厮鷳B(tài)環(huán)境，而且對當(dāng)?shù)厣踔料掠未蠓秶鷧^(qū)域內(nèi)居民的身體健康構(gòu)成極大威脅，同時也會造成極大的經(jīng)濟(jì)損失。為了將突發(fā)性水污染事故所造成的損失降至最低，應(yīng)第一時間發(fā)現(xiàn)、掌握、處理污染事故。目前，對于突發(fā)性水污染事故的應(yīng)急處理方法已經(jīng)有了大量的研究，而對事故的預(yù)警管理系統(tǒng)的開發(fā)大多是建立毒理數(shù)據(jù)庫、污染信息調(diào)查系統(tǒng)和應(yīng)急監(jiān)測系統(tǒng)，以及對固定某區(qū)域進(jìn)行預(yù)警，但對不確定區(qū)域突發(fā)性水污染事故的預(yù)警難以及時有效地獲取事故信息［4-7］。因此，引入云計算的突發(fā)性水污染事故預(yù)警應(yīng)急管理系統(tǒng)，對于事故的信息采集、預(yù)測、處理和管理具有重要的意義。

云計算技術(shù)在環(huán)境安全方面的應(yīng)用很少，常用的預(yù)警管理系統(tǒng)多為基于Web的OA架構(gòu)［8-9］，使得管理系統(tǒng)被束縛在辦公室內(nèi)，對突發(fā)性水污染事故預(yù)警的時效性具有一定的缺陷。而對于突發(fā)性水污染事故的處理，信息的時效性是非常重要的，第一時間獲取準(zhǔn)確的污染信息，包括污染源、污染類別、污染發(fā)生地點(diǎn)和污染點(diǎn)水質(zhì)特征等信息，對于后續(xù)的應(yīng)急處理有十分積極的幫助。為了優(yōu)化信息傳遞環(huán)節(jié)，采用移動終端來進(jìn)行信息采集、傳遞和前期處理是可行且便捷的手段，同時利用云計算的技術(shù)手段可克服移動終端對數(shù)據(jù)深度處理的短板。

1　技術(shù)開發(fā)

1.1云計算開發(fā)技術(shù)簡介

云計算是一種運(yùn)行模式，一個計算基礎(chǔ)設(shè)施可以作為一個“云”，企業(yè)和個人可以從世界上任何地方任何時間按需訪問“云”中的應(yīng)用程序［10］。從用戶的角度來看，云計算系統(tǒng)將各種數(shù)據(jù)都通過網(wǎng)絡(luò)保存到遠(yuǎn)端的云存儲平臺上，同時云計算系統(tǒng)也將處理數(shù)據(jù)的服務(wù)程序通過遠(yuǎn)程的大規(guī)模云計算處理平臺進(jìn)行，這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)云端承擔(dān)了大規(guī)模數(shù)據(jù)處理的工作以及減小了用戶對數(shù)據(jù)管理的負(fù)擔(dān)［11］。“云”的存在使得某些大規(guī)模應(yīng)用程序的用戶所使用的終端不需要完全滿足應(yīng)用程序的運(yùn)行需求，極大地縮減了終端配置的經(jīng)濟(jì)壓力，以及獲得一種“無限資源”模式的計算模式。

在事務(wù)管理系統(tǒng)中，大量的應(yīng)用實例驗證了在事務(wù)管理系統(tǒng)中引入云計算技術(shù)的可能和優(yōu)勢［12-15］。在突發(fā)性水污染事故的現(xiàn)場，對事故信息采集的數(shù)據(jù)可以通過網(wǎng)絡(luò)直接訪問云端計算處理平臺進(jìn)行處理，同時在移動平臺上就可獲得計算處理的結(jié)果。

1.2系統(tǒng)架構(gòu)簡介

突發(fā)性水污染事故預(yù)警管理系統(tǒng)由客戶端和云端兩部分構(gòu)成，客戶端部分采用J2ME解決方案的移動平臺架構(gòu)，云端部分按需求采用跨平臺性和穩(wěn)定性優(yōu)秀的技術(shù)。云端數(shù)據(jù)存儲平臺采用Microsoft SQL Server 2012，為數(shù)據(jù)存儲、調(diào)用和可視化提供穩(wěn)定、安全的服務(wù)。突發(fā)性水污染事故預(yù)警管理系統(tǒng)整體采用分層設(shè)計，其業(yè)務(wù)架構(gòu)如圖1所示。

圖1　突發(fā)性水污染事故預(yù)警管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Eig.1 Schematic diagram of early warning and emergency management system for water pollution accident

突發(fā)性水污染事故預(yù)警管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)基于移動網(wǎng)絡(luò)平臺，移動設(shè)備對事故數(shù)據(jù)的采集與訪問通過移動網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程對云端進(jìn)行操作。目前，移動通信技術(shù)中，4G技術(shù)下行速度可達(dá)100 Mbps/s、上行速度可達(dá)30 Mbps/s，3G技術(shù)下行速度可達(dá)3.6 Mbps/s、上行速度為384 kbits/s［16-17］，對于系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)傳遞，移動通信技術(shù)的傳輸速度完全可以達(dá)到系統(tǒng)需求。突發(fā)性水污染事故預(yù)警管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　突發(fā)性水污染事故預(yù)警管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖Eig.2 Schematic diagram of system network structure

1.3應(yīng)用平臺

為了提高用戶對事件的響應(yīng)效率，突發(fā)性水污染事故預(yù)警管理系統(tǒng)將應(yīng)用在移動平臺之上，終端配置為智能手機(jī)、平板電腦和筆記本電腦等便攜性移動設(shè)備。目前，J2ME是對嵌入式設(shè)備和智能電子設(shè)備領(lǐng)域的最佳解決方案，Sun公司將J2ME定義為:一種以廣泛的消費(fèi)性產(chǎn)品為目標(biāo)的高度優(yōu)化的JAVA運(yùn)行環(huán)境。這種解決方案可以便捷地實現(xiàn)跨平臺的應(yīng)用，移動端中智能手機(jī)用的Android和Windows的操作系統(tǒng)都能夠很好地兼容此解決方案。

突發(fā)性水污染事故預(yù)警管理系統(tǒng)中引入便攜性移動設(shè)備，有效地增強(qiáng)了突發(fā)事故一些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集的時效性，廣泛應(yīng)用的智能手機(jī)移動平臺可以獲取GPS信息來確定事故發(fā)生地點(diǎn)，高像素的攝像頭可以采集事故現(xiàn)場高分辨率圖像，手機(jī)處理核心的主頻滿足對事故數(shù)據(jù)前期判斷，同時對事故數(shù)據(jù)和信息的收發(fā)簡單、快捷。

2　業(yè)務(wù)應(yīng)用

突發(fā)性水污染事故預(yù)警管理系統(tǒng)重點(diǎn)要解決應(yīng)急管理中工作人員在信息采集、信息上傳下載、數(shù)據(jù)信息處理、數(shù)據(jù)分析等方面的實際應(yīng)用問題。該系統(tǒng)根據(jù)信息化建設(shè)的原則，遵循跨平臺、分層設(shè)計、組件式、多接口模式等設(shè)計理念。

2.1事故信息采集

突發(fā)性水污染事故多發(fā)生在野外或基礎(chǔ)監(jiān)測設(shè)施建設(shè)薄弱的地域，所以突發(fā)性水污染事故預(yù)警管理系統(tǒng)對事故信息第一時間的采集主要交給移動終

端。移動終端可以對事故發(fā)生地點(diǎn)、事故現(xiàn)場圖像、事故發(fā)生時間、事故發(fā)生時氣候狀況、污染現(xiàn)狀視頻等信息進(jìn)行采集，為系統(tǒng)的使用者對數(shù)據(jù)、圖像、視頻等信息的查詢、統(tǒng)計分析、信息深度處理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。同時，移動終端可以滿足突發(fā)性水污染事故信息采集中的全天候、全地形和時效性的要求，只需要現(xiàn)場人員持有移動終端即可隨時隨地進(jìn)行事故處理所需的前期基礎(chǔ)信息采集。

2.2事故信息初步處理

移動終端對基礎(chǔ)信息進(jìn)行采集的同時，由終端內(nèi)置的突發(fā)性水污染事故預(yù)警管理系統(tǒng)應(yīng)用程序?qū)κ鹿市畔⑦M(jìn)行初步的分類、判斷和處理。該應(yīng)用程序可由內(nèi)置的小型信息庫判斷事故發(fā)生的種類、事故污染級別、污染的可能毒害程度等，并為事故信息標(biāo)注警報級別，使得決策者能快速、準(zhǔn)確和有效地應(yīng)急處理事故；同時該應(yīng)用程序可為信息采集提供引導(dǎo)模式的步驟提示，由系統(tǒng)判斷事故處理所需的信息采集內(nèi)容、采集次序和是否采集完全，操作人員無需專業(yè)知識即可為系統(tǒng)采集基礎(chǔ)信息。

此外，移動終端內(nèi)置的預(yù)警管理系統(tǒng)應(yīng)用程序?qū)Σ杉男畔⒑蛿?shù)據(jù)按照需求進(jìn)行壓縮和加密，以提高信息傳輸?shù)乃俾屎桶踩浴８鶕?jù)移動終端配置，采集的圖像和視頻的數(shù)據(jù)大小將會對目前普遍使用的移動通信網(wǎng)絡(luò)傳輸速率造成很大壓力，如800萬像素的攝像頭所采集的單幅圖像大小約1.8 Mbps、采集的視頻每分鐘約30 Mbps，而經(jīng)過壓縮處理后壓縮比可達(dá)50%～90%，可以有效地提高信息傳輸速率。

2.3事故信息和數(shù)據(jù)上傳

突發(fā)性水污染事故預(yù)警管理系統(tǒng)中，移動終端負(fù)責(zé)將收集的事故信息和初步處理后的數(shù)據(jù)通過移動通信網(wǎng)絡(luò)上傳到云端。移動終端利用目前普遍應(yīng)用的3G技術(shù)或4G技術(shù)移動網(wǎng)絡(luò)通信，快速地上傳事故信息和數(shù)據(jù)。假定事故信息包括10張高清晰圖像、1 min有聲視頻、文字和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，經(jīng)過壓縮后達(dá)到12 Mbps，理論上通過3G技術(shù)網(wǎng)絡(luò)只需要30 s、4G技術(shù)網(wǎng)絡(luò)只需要0.4 s即可上傳完畢。可見，移動通信網(wǎng)絡(luò)完全可以滿足突發(fā)性水污染事故預(yù)警管理系統(tǒng)對數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊螅行У貪M足信息的時效性。

2.4云端存儲、分析和發(fā)布

突發(fā)性水污染事故預(yù)警管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的云端負(fù)責(zé)對收到的數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行計算模擬、存儲和數(shù)據(jù)分析等深度處理。云端提供突發(fā)性水污染事故預(yù)警管理系統(tǒng)中所需的所有服務(wù)程序，降低數(shù)據(jù)查詢和應(yīng)用終端所需的硬件配置需求，滿足大規(guī)模數(shù)據(jù)處理所需高級別資源需求。

云端的數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器主要負(fù)責(zé)對事故發(fā)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類存儲，包括現(xiàn)場數(shù)據(jù)、其他部門轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)和事故處理過程數(shù)據(jù)等，為事故影響預(yù)測、事故規(guī)模模擬和事故處理等提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，同時，云端的存儲服務(wù)器中的決策庫為決策者提供穩(wěn)定、高效和安全的事故處理支撐方案。

云端的應(yīng)用程序服務(wù)器主要負(fù)責(zé)對污染擴(kuò)散、污染范圍、污染能力和數(shù)據(jù)可視化進(jìn)行計算服務(wù)，包括理論計算污染物在突發(fā)性水污染事件發(fā)生后污染物擴(kuò)散范圍、各時間點(diǎn)污染物能到達(dá)的地點(diǎn)、不采取任何措施污染物自然降解或分解所需時間、污染事件影響規(guī)模（包括人數(shù)、行政區(qū)劃范圍和輿論等）和為有關(guān)部門提供可視化數(shù)據(jù)等。

此外，云端在安全協(xié)議約束以及決策者授權(quán)的條件下對事故信息進(jìn)行公開發(fā)布，并對用戶權(quán)限進(jìn)行管理，即對于不同機(jī)密級別的用戶授予不同程度的系統(tǒng)操作權(quán)限，以減少誤操作和數(shù)據(jù)丟失等行為。同時，云端服務(wù)器對突發(fā)性水污染事故處理在全局層面上進(jìn)行管理，有效地幫助事故處理中人員責(zé)任的界定，滿足每個決策和處理措施都有責(zé)任人的電子簽名。

2.5事故信息和數(shù)據(jù)查詢

突發(fā)性水污染事故預(yù)警管理系統(tǒng)的移動終端可以對云端進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問，進(jìn)行事故信息和數(shù)據(jù)的查詢，用戶可以在任何地方、任何時間通過移動通信網(wǎng)絡(luò)訪問云端獲取突發(fā)性水污染事故的即時信息，不被束縛在固定的PC終端，提高了系統(tǒng)應(yīng)用的靈活性；事故的決策者在事故發(fā)生的第一時間就可以通過訪問云端獲取事故發(fā)生的信息，可以有效地優(yōu)化事故處理響應(yīng)時間；事故處理的一線技術(shù)人員可以通過訪問云端來獲取最新的事故發(fā)生地、污染物、氣候、水質(zhì)和水流流速等數(shù)據(jù)，有效地幫助他們判定事故處理技術(shù)的應(yīng)用。

2.6系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)流

突發(fā)性水污染事故預(yù)警管理系統(tǒng)運(yùn)行由移動端和云端兩個部分協(xié)調(diào)完成，數(shù)據(jù)在移動端和云端之間流動和停留。突發(fā)性水污染事故預(yù)警管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)流如圖3所示。

圖3　突發(fā)性水污染事故預(yù)警管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)流示意圖Eig.3 Data flow diagram of early warning and emergency management system for water pollution accident

3　結(jié) 論

本文提出了基于云計算技術(shù)的突發(fā)性水污染事故預(yù)警管理系統(tǒng)的架構(gòu)，并討論了該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的合理性和有效性。云計算技術(shù)的引入，系統(tǒng)不需要在客戶端安裝復(fù)雜的應(yīng)用程序、擁有高性能的計算模塊和存儲大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)等；移動終端的引入，極大地滿足了突發(fā)性水污染事故對信息時效性的需求，用戶在各時間、各地點(diǎn)都能夠簡單快捷地訪問云端并上傳或下載數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)架構(gòu)充分采用了目前較先進(jìn)的技術(shù)手段，保證了全系統(tǒng)高效、即時、安全和穩(wěn)定的運(yùn)行，而云計算和移動終端相結(jié)合的技術(shù)實用易行，能夠有效地克服傳統(tǒng)預(yù)警管理系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩贪搴蛯τ脩艚K端性能要求高的問題，對提高系統(tǒng)響應(yīng)效率和降低系統(tǒng)造價具有現(xiàn)實意義。

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Development and Application of Early Warning and Emergency Management System for Sudden Water Pollution Accidents Based on Cloud Computing

TAO Ziletao1，CHU Ya1，WANG Jing2，CAI Yixin2，PENG Yun3，LI Jing3
（1.College of Resources and Environment，Yunnan Agricultural University，Kunming 650201，China；2.College of Water Conservancy，Yunnan Agricultural University，Kunming 650201，China；3.College of Architecture and Engineering，Yunnan Agricultural University，Kunming 650201，China）

To realize the informatization of environment emergency management and meet the requirement of the express information transfer and the depth management of pollution incidents in early warning and emergency management system，this paper takes the mobile communication platform as internet transmission networks，applies cloud computing technology to establishing the framework by combining mobile terminal with the cloud and studies the application of cloud computing in the emergency management system for pollution incidents.The results reflect the advantage of cloud computing on data processing and storage，and verify that the framework can effectively improve the efficiency of the information release，reduce the performance cost of the terminal layout in the management system，optimize intellectuality of the application program，and lower the technical requirements for the system users.

cloud computing；mobile terminal；sudden water pollution accident；early warning and emergency management system

X830.7；X52

A

10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2015.05.011

1671-1556（2015）05-0064-04

2014-12-24

2015-03-10

國家科技支撐計劃項目（2012BAD20B06）；水利部科技推廣計劃項目（2014TG1411）

陶子樂滔（1988—），男，碩士研究生，主要研究方向為環(huán)境科學(xué)。E-mail:490167418@qq.com

李 靖（1969—），男，教授，主要從事水資源與環(huán)境工程研究。E-mail:li_jing69@163.com