大數(shù)據(jù)背景下智慧環(huán)保區(qū)域立體網(wǎng)格優(yōu)化機(jī)制及構(gòu)架研究

曾維佳 翟悅 于林林

摘要：本課題從大數(shù)據(jù)的技術(shù)背景出發(fā)，結(jié)合遼寧省智慧環(huán)保存在的問題，進(jìn)行區(qū)域立體網(wǎng)格融合優(yōu)化及應(yīng)用框架構(gòu)架。摒棄傳統(tǒng)的點(diǎn)狀環(huán)境質(zhì)量監(jiān)控技術(shù)，利用區(qū)域立體網(wǎng)格設(shè)計模式，完成感知層、數(shù)據(jù)傳輸層和應(yīng)用服務(wù)層構(gòu)架處理，實現(xiàn)運(yùn)用大數(shù)據(jù)智能動態(tài)分析、及時預(yù)警、精準(zhǔn)鎖源和強(qiáng)化監(jiān)管體系，為環(huán)境監(jiān)控、執(zhí)法、管理和應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。

Abstract： Starting from the technical background of big data， this topic combines the problems of smart environmental protection in Liaoning Province to optimize the regional three-dimensional grid integration and application framework. It abandons the traditional point-like environmental quality monitoring technology， uses the regional three-dimensional grid design mode， completes the processing of the perception layer， data transmission layer and application service layer， and realizes the intelligent dynamic analysis， timely warning， accurate source lock and the supervision system by the use of big data， to provide data support for environmental monitoring， law enforcement， management and application.

關(guān)鍵詞：智慧環(huán)保;大數(shù)據(jù);立體網(wǎng)格優(yōu)化;應(yīng)用架構(gòu)

Key words： smart environmental protection;big data;three-dimensional grid optimization;application architecture

中圖分類號：TU71??????????????????????????????????????? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A????????????????????????????????? 文章編號：1006-4311（2020）28-0165-02

1? 研究目的與意義

1.1 大數(shù)據(jù)和智慧環(huán)保? 智慧環(huán)保是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、5G高速網(wǎng)絡(luò)，以數(shù)據(jù)為核心，充分利用大數(shù)據(jù)、云計算等現(xiàn)代信息技術(shù)，將數(shù)據(jù)實現(xiàn)獲取、傳輸、處理、分析和決策服務(wù)的過程。通過生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、預(yù)警、防控、執(zhí)法和分析決策形成一體化的創(chuàng)新、智慧模式。在國家戰(zhàn)略驅(qū)動下，環(huán)境產(chǎn)業(yè)迎來了很好的發(fā)展機(jī)遇，“一帶一路”、構(gòu)建人類命運(yùn)共同體等全球戰(zhàn)略讓中國在可持續(xù)發(fā)展、氣候變化等生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重大課題上肩負(fù)了更大的責(zé)任與使命，環(huán)境產(chǎn)業(yè)將向高質(zhì)量、縱深化、過程化、精細(xì)化和系統(tǒng)化全面過渡，同時，非常需要智慧化的支撐。

1.2 大數(shù)據(jù)和智慧環(huán)保區(qū)域立體網(wǎng)格機(jī)制形成一體化? 智慧環(huán)保網(wǎng)格化模式是通過先進(jìn)的環(huán)境監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，扎實的信息化基礎(chǔ)平臺建設(shè)以及全面完整的業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)，以更加精細(xì)化、動態(tài)化、立體化的方式實現(xiàn)環(huán)境管理和決策的“智能化”“區(qū)塊”結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)“廣泛感知、大規(guī)模聚集、智能處理、及時響應(yīng)”的“智能環(huán)保”建設(shè)目標(biāo)。

1.2.1 感知層? 應(yīng)用可感知、測量、捕獲和傳遞信息的設(shè)備、系統(tǒng)或流程，實現(xiàn)對環(huán)境質(zhì)量、污染污染源、生態(tài)情況、輻射等環(huán)境因素的“更透徹的感知”。

1.2.2 傳輸層? 利用環(huán)保專網(wǎng)、運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合5G、衛(wèi)星通訊等技術(shù)，將遙感監(jiān)測、現(xiàn)場監(jiān)測儀等獲得的感知數(shù)據(jù)、政府信息共享服務(wù)中存儲的環(huán)境信息進(jìn)行交互和共享，實現(xiàn)“更全面的互聯(lián)互通”。

1.2.3 智慧層? 以云計算、虛擬化和高性能計算等技術(shù)手段，以及可視化技術(shù)，整合和分析海量的跨地域、跨行業(yè)的環(huán)境信息，實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)存儲、實時處理、深度挖掘和模型分析，實現(xiàn)“更深入的智能化”。

1.2.4 服務(wù)層? 利用云服務(wù)模式，建立面向?qū)ο蟮男畔⒎?wù)門戶，如政務(wù)公開、公眾服務(wù)、互動交流和各業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)，為環(huán)境質(zhì)量、污染防治、生態(tài)保護(hù)、輻射管理等業(yè)務(wù)提供“更智慧的決策”。

2? 遼寧省智慧環(huán)保發(fā)展現(xiàn)狀分析

2.1 遼寧省智慧環(huán)保現(xiàn)狀? 遼寧省智慧環(huán)保從1996年萌芽經(jīng)歷了5個發(fā)展階段，從最開始的在線監(jiān)測到后來的網(wǎng)絡(luò)化、物聯(lián)網(wǎng)、信息資源共享，一直到現(xiàn)在的智慧環(huán)保。環(huán)境產(chǎn)業(yè)經(jīng)過前10年的快速發(fā)展，形成了很大的存量市場，新增市場依然活躍，面向治理效果的系統(tǒng)服務(wù)需求更為突出。物聯(lián)網(wǎng)、云計算、移動互聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)在環(huán)保領(lǐng)域的深度融合應(yīng)用是環(huán)保企業(yè)必須主動迎接的戰(zhàn)略選擇，智慧環(huán)保是未來發(fā)展大勢所趨。

2.2 遼寧省智慧環(huán)保存在的問題

2.2.1 生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、預(yù)警與防控割裂，綠色發(fā)展與經(jīng)濟(jì)發(fā)展割裂? 中國的環(huán)保理念存在的誤區(qū)是“一刀切”治理，將生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、預(yù)警與防控割裂，將綠色發(fā)展與經(jīng)濟(jì)發(fā)展割裂。監(jiān)測、預(yù)警與防控沒有先后關(guān)系，生態(tài)資源不能單憑監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行預(yù)警和防控，預(yù)警和防控過程不能“孤軍”作戰(zhàn)，必須“借道”監(jiān)測過程科學(xué)輿情。因此，推動實現(xiàn)由生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、預(yù)警與防控構(gòu)成的綠色發(fā)展與經(jīng)濟(jì)等領(lǐng)域建設(shè)的有機(jī)融合，才能真正讓綠水青山成為金山銀山。

2.2.2 區(qū)域立體網(wǎng)格化監(jiān)測技術(shù)亟需加強(qiáng)? 傳統(tǒng)的近地環(huán)境監(jiān)測技術(shù)僅能對單點(diǎn)環(huán)境結(jié)果進(jìn)行監(jiān)測，無法幫助確定環(huán)境問題的引發(fā)起源和整體擴(kuò)散狀態(tài)。因此，“區(qū)域三維網(wǎng)格化監(jiān)測”將常規(guī)近地監(jiān)測技術(shù)與地面遙感探測技術(shù)有效結(jié)合，建立全覆蓋一體化監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，形成三維監(jiān)測體系，綜合分析了區(qū)域污染的形成過程、污染表現(xiàn)特征、污染源在時間和空間緯度上的遷移來源，并利用環(huán)境因子和數(shù)據(jù)云對污染預(yù)測進(jìn)行同化，提高了預(yù)測精度。

2.2.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲分析處理過程低效? 在環(huán)境監(jiān)測中采集到的原始數(shù)據(jù)量龐大、格式復(fù)雜、冗余度高，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理模型花費(fèi)的預(yù)處理代價高、實時性較差。因此，需要構(gòu)建一個可靠的、具有良好擴(kuò)展性能的、能夠保存并處理海量數(shù)據(jù)的分布式處理方案。本課題引入大數(shù)據(jù)技術(shù)，對各類數(shù)據(jù)資源進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗、格式轉(zhuǎn)換、去除重復(fù)的統(tǒng)一優(yōu)化，提高智慧環(huán)保平臺的自動監(jiān)測和數(shù)據(jù)有效處理;另一方面也能夠通過數(shù)據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)警和防控，避免污染和災(zāi)情發(fā)生。

2.2.4 未建立互通、互聯(lián)、互用、互補(bǔ)的數(shù)據(jù)共享平臺? 環(huán)保產(chǎn)業(yè)的演變歷程，從1.0環(huán)保產(chǎn)業(yè)，到2.0的環(huán)境產(chǎn)業(yè)，再到3.0和4.0的綠色產(chǎn)業(yè)和兩山產(chǎn)業(yè)，從傳統(tǒng)在線監(jiān)測，獲取基本的數(shù)據(jù)，到面向效果的聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性也得到了提高。5G通信技術(shù)為智慧化帶來的是生產(chǎn)方式變革，物聯(lián)網(wǎng)、云計算、移動互聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)在環(huán)保領(lǐng)域的深度融合應(yīng)用是環(huán)保企業(yè)必須主動迎接的戰(zhàn)略選擇，實現(xiàn)環(huán)境信息的互通、互連、互用、互補(bǔ)，形成環(huán)境信息、知識、經(jīng)驗和技術(shù)的共享和應(yīng)用刻不容緩。

3? 區(qū)域立體網(wǎng)格優(yōu)化機(jī)制及應(yīng)用構(gòu)架

3.1 區(qū)域立體網(wǎng)格融合優(yōu)化? 區(qū)域化立體網(wǎng)格數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)建設(shè)要求以生態(tài)保護(hù)紅線、環(huán)境質(zhì)量底線、資源利用上線和環(huán)境準(zhǔn)入負(fù)面清單為手段，強(qiáng)化空間、總量、準(zhǔn)入環(huán)境管理，協(xié)調(diào)好發(fā)展與底線的關(guān)系，確保發(fā)展不超載。提出了“立體監(jiān)測、精準(zhǔn)研判、靶向管控、科學(xué)評估”為城市污染精準(zhǔn)治理提供利了技術(shù)支撐和管理手段。

通過網(wǎng)格化監(jiān)測實現(xiàn)集數(shù)據(jù)采集、存儲、傳輸和管理于一體的單元布點(diǎn)管理模式，按照“網(wǎng)定格、格定則、責(zé)定人”的理念，建立“橫向到邊，縱向到底”的區(qū)域網(wǎng)格化監(jiān)管平臺。應(yīng)用和集成智能環(huán)保技術(shù)，因地制宜靈活布點(diǎn)，實時統(tǒng)計網(wǎng)格中監(jiān)測數(shù)據(jù)，同時結(jié)合大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)和智能采集系統(tǒng)，實時控制污染源、無組織排放熱點(diǎn)、降低污染程度等綜合管理，為節(jié)能減排、環(huán)境綠化方案提供可靠的數(shù)據(jù)信息和科學(xué)的輔助管理決策。

3.1.1 傳統(tǒng)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測? 傳統(tǒng)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測多采用點(diǎn)狀監(jiān)控，由各級環(huán)境監(jiān)測站構(gòu)成，采取點(diǎn)狀監(jiān)控的模式，監(jiān)測數(shù)據(jù)直接上傳至環(huán)境監(jiān)測總站，為各級政府的環(huán)境質(zhì)量考核提供依據(jù)。該方式以監(jiān)測站為主體，布局分散，無法做到各級各類監(jiān)測數(shù)據(jù)系統(tǒng)互聯(lián)共享、自動預(yù)警。

3.1.2 立體網(wǎng)格優(yōu)化監(jiān)測? 與點(diǎn)狀監(jiān)控有所不同，網(wǎng)格化監(jiān)控采用最新的基于NB-LoT小型化、微型化組合監(jiān)測技術(shù)，以“全面布點(diǎn)、全面聯(lián)網(wǎng)”為宗旨，通過大范圍、高密度的網(wǎng)格組合布點(diǎn)，形成全區(qū)域無死角的立體檢測在線監(jiān)控網(wǎng)格，為科學(xué)治污、精準(zhǔn)治污提供布局基礎(chǔ)。

網(wǎng)格化監(jiān)控與傳統(tǒng)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測首要的差異，在于布點(diǎn)顯著加密。一方面，進(jìn)行網(wǎng)格化基礎(chǔ)點(diǎn)位設(shè)置，在國控點(diǎn)周圍多方位加密布點(diǎn)，另一方面，除網(wǎng)格化基礎(chǔ)點(diǎn)位以外，對城市重要道路、敏感區(qū)域、建筑工地、產(chǎn)業(yè)集中區(qū)等污染多發(fā)地區(qū)也進(jìn)行多維度布點(diǎn)，每10分鐘傳輸一次數(shù)據(jù)，實時發(fā)現(xiàn)污染點(diǎn)，快速響應(yīng)。同時，網(wǎng)格化監(jiān)控從原有的監(jiān)測點(diǎn)主體向政府主體轉(zhuǎn)變，形成政府主導(dǎo)、部門協(xié)同、社會參與、公眾監(jiān)督的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測新格局。

3.2 區(qū)域立體網(wǎng)格應(yīng)用框架? 區(qū)域立體網(wǎng)格化監(jiān)測終端系統(tǒng)由感知層、數(shù)據(jù)傳輸層和應(yīng)用服務(wù)層三部分組成。

3.2.1 感知層智能監(jiān)測設(shè)備? 感知層智能化監(jiān)測設(shè)備多采用現(xiàn)場端各類只能監(jiān)測感知設(shè)備，對環(huán)境要素進(jìn)行全面智能感知。前端設(shè)備包括主要設(shè)備和輔助設(shè)備。其中，主要設(shè)備指各類監(jiān)測儀器和數(shù)據(jù)采集主控設(shè)備，如大氣監(jiān)測儀器包括PM2.5、PM10、氣壓、光照強(qiáng)度、空氣溫度濕度、風(fēng)速風(fēng)向，可通過數(shù)據(jù)采集設(shè)備進(jìn)行各類數(shù)據(jù)上傳工作。輔助設(shè)備主要包含安裝儀器設(shè)備所需要的的安裝固定裝置等。

3.2.2 數(shù)據(jù)傳輸? 數(shù)據(jù)傳輸可選用3G、4G、5G、GPRS無線傳輸方式，無線傳輸方便靈活，并可安全存儲數(shù)據(jù)和設(shè)備工作狀態(tài)。

3.2.3 應(yīng)用服務(wù)層? 應(yīng)用服務(wù)層包括應(yīng)用展示層、應(yīng)用支持層、應(yīng)用實例層和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層四部分組成。

①應(yīng)用展示層。應(yīng)用展示層可通過WEB端、APP端和LED端等多種方式向用戶展示平臺界面。②應(yīng)用支持層。應(yīng)用支持層以大數(shù)據(jù)、云計算為手段，整合和分析立體網(wǎng)格中的環(huán)境信息，實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)存儲，實時處理和深度挖掘與分析。③應(yīng)用實例層。應(yīng)用實例層主要是對立體網(wǎng)格監(jiān)測區(qū)域中各項數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測預(yù)警及分析，對污染物的擴(kuò)散曲線趨勢進(jìn)行推算等工作。④基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層和難以共享等問題。基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層可存儲區(qū)域及設(shè)備數(shù)據(jù)、實時監(jiān)測數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)整合等信息，解決信息資源管理分散、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)存儲散亂、標(biāo)準(zhǔn)化差、應(yīng)用服務(wù)適用度單一和難以共享等問題。

4? 結(jié)語

通過構(gòu)建基于NB-LoT的區(qū)域環(huán)境立體網(wǎng)格監(jiān)測系統(tǒng)，可以全面監(jiān)測區(qū)域污染狀況，明確污染物的時空分布特征和污染源，建立污染的快速溯源分析能力。可對典型污染時段的“污染過程、污染特征、污染趨勢”進(jìn)行綜合分析，并可追溯分析具體原因。同時，通過基于實時監(jiān)測數(shù)據(jù)和數(shù)值模型的數(shù)據(jù)綜合分析，建立和完善實時監(jiān)測、預(yù)測預(yù)警、防控的業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)，為污染保證方案和區(qū)域環(huán)境質(zhì)量改善提供全面的數(shù)據(jù)支持。

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基金項目：2019年度遼寧省社會科學(xué)規(guī)劃基金項目一般項目“大數(shù)據(jù)驅(qū)動下遼寧省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、預(yù)警與防控立體網(wǎng)格優(yōu)化構(gòu)架研究”（項目編號：L19BGL044）。

作者簡介：曾維佳（1984-），女，遼寧沈陽人，碩士，副教授，大連科技學(xué)院數(shù)字技術(shù)學(xué)院專任教師，研究方向為數(shù)據(jù)處理、信息安全、管理優(yōu)化;翟悅（1984-），女，遼寧撫順人，碩士，副教授，大連科技學(xué)院數(shù)字技術(shù)學(xué)院專任教師，研究方向為故障診斷、公共服務(wù)管理、網(wǎng)絡(luò)安全;于林林（1982-），女，遼寧大連人，碩士，副教授，大連科技學(xué)院數(shù)字技術(shù)學(xué)院專任教師，研究方向為智能信息系統(tǒng)、計算機(jī)應(yīng)用。