基于物聯網的城市環境衛生監測與GIS預警系統的研究

周子立

摘 要：隨著經濟的發展和城市規模的日益擴大，環境衛生監測與地理信息（GIS）預警系統研究已經被廣泛關注。本文介紹了采用M2M物聯網高可靠通用通訊網關，實現準確、實時、自動化的數據采集；采用LDAP技術，實現跨層級數據匯總；結合IDSS及數據挖掘技術，為決策提供數據支持；利用WebGIS技術，實現城市環境衛生監測與預警系統的可視化。為相關研究提供了技術支撐，值得推廣。

關鍵詞：物聯網；環境衛生；監測；GIS；預警系統

中圖分類號：TP391 X5 文獻標識碼：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）

我國正處于全面深化經濟體制改革，加速現代化建設，力爭十三五期間全面建成小康社會的重要歷史時期。但在傳統發展模式的驅動下，GDP的不斷增長多是建立在資源過量消耗和環境污染等不健康發展基礎之上。對于我國當前存在的實際問題及環境風險，相關部門應開展有針對性的調研，為建立相應的環境監測與預警體系做好準備并盡快在核心城區實施，只有這樣才能減少或避免環境污染事件所帶來的生態環境破壞，最大限度減少資源消耗體量、減少人員傷亡和財產損失，保持社會穩定，促進國民經濟持續健康協調發展[1]。

在環境檢測中應用無線傳感器網絡（WSN）是預警系統的新的生長點，傳感器技術的微型化、智能化、廉價性及數據信號的無線傳輸使其得到快速發展和廣泛應用。無線傳感器網絡技術最初主要使用耗電低的濕度、溫度、亮度等傳感器，節點設備上的能源需求主要由無線傳輸裝置和處理器提供[2]。雖然無線傳輸裝置和處理器的發展方向是不斷的微型化，但由于無線傳感器網絡需要大量功能不同的傳感器，其中一些傳感器耗電量很大，對于遠距離為這些節點及相應傳感器提供能源仍然是一個難以解決的問題。另外，傳感器網絡標準的不統一、硬件平；臺的不統一、操作系統的不統一都是需要解決的困難。

為推動城市環境預警系統提供更加準確、實時、專業的預警信息，綜合信息采集傳輸與處理、數據可視化等單項技術、集成環境風險預警模型設定等，運用物聯網技術并以地理信息系統（GIS）為基礎的城市環境衛生監測與預警系統正成為研究的趨勢。

物聯網是利用RFID、WSN、無線數據通信等技術構建的巨大信息網絡，它可克服單純使用WSN的缺點，再基于網絡中強大的中心計算機群和專家庫，實現對環境數據采集的自動化，提高數據采集的實時性，真正實現對污染事件的有效預警。將GIS技術與物聯網技術進行融合，構建基于GIS的可視化的預警信息動態綜合解析、反應迅速、智能化程度高的合成體系，實時顯示環境變化的動態情況，以此來加快環境風險預警平臺系統的建設步伐[3]。

2 國內外相關研究狀況（Related research status at home and abroad）

2.1 國外環境監測預警系統發展迅速

隨著環境污染事故的隨機性發生造成的損失明顯上升，環境監測預警的重要性被逐漸重視起來，自20世紀80年代以來，全球范圍都對環境監測預警問題給予了重視特別是發達國家更是把環保問題作為國家二次起飛的基礎。聯合國環境規劃署在1989年提出了“地區級緊急事故的意識和準備”（APELL計劃），美國EPA也在1993年發布了“化學品事故排放風險管理計劃”。

經過最近20多年環保研究實施領域的協同攻關，大多數發達國家已經在環境監測及風險預警系統實施方面取得了成功并在相應設備制造上實現了標準化、系統開發批量化、產品質量國際化、技術轉讓多元化，其中部分環境監測風險預警技術已應用于公共服務領域并取得很好效果。如黑海范圍內油污污染預警及處理系統以及威尼斯水城水域及空氣污染預警系統都已建成并使用，成效明顯。隨著無線傳感器網絡概念的提出及各類傳感器產品的商業化，環境監測預警系統在生態、空氣質量、土壤、水體、天氣、全球溫度變化等各個領域得到了應用，現已形成同時監測大氣質量，水源質量，土壤重金屬含量甚至核放射強度等多種環保指標的自適應監測體系[4]，可以做到早發現、早預警、早處理，最大限度減少各種損失。

2.2 國內環境預警系統相關技術有待進一步發展

借助物聯網技術和GIS的發展，綜合基礎環境信息與環境監測預警模型，建立人機交互界面以及由基礎信息層、專題應用層、決策支持層組成的環境風險預警系統是實現環境風險監測快速模擬分析和智能決策支持的發展方向，這將極大地提高環境監測和風險預警的監控速度及有效性。此前，環境相關科研人員已開展了大量有關環境監測和風險預警系統設計開發規則、流程的探討與研究，積累了一些環境監測和風險預警系統研發及應用的成功案例。如“珠江口區域海上溢油應急預報信息系統”和“大連海域溢油模擬信息系統”均能快速地預測模擬并可視化顯示海上溢油的漂移擴散、性質變化并準確定位[5]；沿長江下游地區開發的環境風險監控預警系統探索了將地理信息技術運用于區域環境風險監控管理的方法，為偶發事故處理提供決策依據；大連環保信息中心在沿海區域開發的重大污染事故區域預警系統，能為應急指揮人員提供所需的多種環境信息，形成了一套完整合理的操作流程。綜上所述，我國在環境風險預警系統開發方面已做了大量研究并在應用領域獲得成效[6]。然而在環境污染事件預警體系的研究工作還有待加強，而在環境監控預警系統應用推廣方面也需要資金政策支持，畢竟改革開放30多年累積的環境污染問題不是幾家企業或部門能解決的，需要全社會的共同努力，在自主研發基礎上進口一些高端設備，這也是今后科研努力的突破方向。

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

為了實現基于物聯網的城市環境衛生監測與GIS預警系統，同時保證系統具有自動化采集數據、跨層級數據匯總、可視化監控等功能，系統采取了如圖1所示的技術路線。

3.1 采用M2M物聯網高可靠通用通訊網關，實現準確、實時、自動化的數據采集

本研究針對M2M終端數據傳輸安全性差、設備接入的復雜度高、接入容量擴展性低、大容量下可靠性差等問題進行深入研究，通過構建一個支持多種通訊協議、支持多種數據類型、支持多種終端OS、支持多種設備的基于物聯網M2M的高可靠通用通訊網關，來提高服務器的終端并發接入量，保證數據的高可靠性，屏蔽協議的多樣性，保障數據通訊的安全性。

3.2 采用LDAP技術，實現跨層級數據匯總，方便數據共享與系統聯控

系統利用LDAP技術通過構建系統信息節點樹，來實現對多級環衛系統的支持。信息節點服務器的實現原理借鑒了LDAP服務器的思想。它將系統中的實體對象映射成節點，將系統映射成節點樹。一個節點可以出現在多棵不同的系統樹中，可以配置節點在不同的樹中顯示的屬性、權限等信息。從而實現了實體資源在不同系統中的共享，很好的支持了級聯部署，使得系統可以同時部署在各級部門，實現逐級匯報，統一監控。

3.3 建立預警專家系統，對特定事件進行預警

系統通過建立預警專家系統，根據終端監測到的數據，全面地分析周圍生態環境指標，預測環境走勢，預報可能對環境帶來的影響，同時把專家意見建議反饋給決策者并及時向社會發布。預警專家系統構成如圖2所示。

3.4 結合IDSS及數據挖掘技術，為決策提供支持

系統結合IDSS技術及數據挖掘技術，通過對采集數據整合分析，為及時、準確地做出決策提供支持。

IDSS（決策支持系統）是輔助決策者通過數據、模型和知識，以人機交互方式進行半結構化或非結構化決策的應用系統。它是基于一般信息管理系統發展起來的更具智能化的新一代信息管理系統。可為決策者提供問題處理依據、大數據支持下的預警模型、決策過程中可能遇到的問題、方案實施的外部環境，完善系統內部各種信息數據，利用系統分析軟件為決策者制定最佳決策方案確保決策質量。IDSS系統的結構如圖3所示。

3.5 利用WebGIS技術，實現城市環境衛生監測與預警系統的可視化

系統利用WebGIS技術實現對環境的可視化監測與預警，同時支持圖層自定義及圖源用戶級標定。

4 結論（Conclusion）

隨著各國對環境風險的重視，環境監測與預測系統得到了更廣范圍的應用，同時新一代環境監測與預警系統也在研發，所有這些都將大大提高人們生活環境質量。近年來我國也加大了環保預警方面的投入，相信在深化經濟體制改革浪潮中環保領域定會后來居上。由于國人對人文居住環境的要求愈發強烈，城市環境衛生管理面臨許多新的課題和任務。本研究針對目前城市基礎設施數據采集傳輸效率低、各級部門之間信息共享程度差、整體管理水平程度差等問題進行探討，通過建立一個基于物聯網的集M2M接入網關、跨層級系統構建、專家級預警系統、IDSS、WebGIS等為一體的環境衛生監測與預警管理平臺，來提高數據采集的實時性、部門監管的有效性，分析決策的可靠性，以降低城市環境衛生監測和預警的成本、提高工作效率，為各級環保監測部門提供決策支持。

參考文獻（References）

[1] 何秀萍.試論城市環境衛生監測體系建設[J].環境衛生工程，2007，6：36-38.

[2] 戴禮森.基于無線傳感網的礦井環境監測系統[J].無線互聯科技，2012，7：8-10.

[3] 王立群.基于物聯網與GIS的環境質量管理信息系統設計[J].環境科學導刊，2012，3：1-2.

[4] 湯琳，吳阿娜.崇明島生態環境預警監測網絡優化研究[J].中國環境監測，2013，6：67-71.

[5] 戴婧，等.風險排序及在環境風險管控中的應用[J].環境監控與預警，2016，1：1-4.

[6] 范秀娟，等.城市環境監控預警系統的構建與研究[J].環境科學與管理，2014，3：55-59.