城市智能水環境監測平臺的設計與實用性探討

胡朝偉 李利紅

（1.山東省日照生態環境監測中心 276800 2.山東我招我聘人力資源有限公司 250000）

0 引言

目前我國建立的水環境監測平臺多以半自動化為主，這也降低了數據信息傳輸的及時性，使得很多環境污染治理措施的推行明顯滯后。在智能化技術快速發展的背景下，為平臺進行智能化升級奠定了堅實的基礎，結合實際情況進行智能化監測平臺建設，不僅可以提高數據采集的自動化，加快了數據信息的采集速度；而且能夠提升數據分析結果的準確性，為環境治理方案的推行奠定堅實的基礎。

1 水環境監測數據采集設備

1.1 水質傳感器

水質傳感器是一種檢測裝置，內部電極液和水中離子濃度差會在工作電極的膜兩邊產生電化學電壓，電壓通過高傳導性的內部電極引到放大器，參考電極同樣引到放大器的地點。通過檢測一個精確的已知離子濃度的標準溶液獲得定標曲線，從而檢測水中的離子濃度。水質傳感器是由數據感應模塊、數據處理模塊、無線通信模塊、電源供應模塊四部分組成，滿足信息的采集、傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。數據感應模塊負責監測區域內信息的采集和數據轉換，主要由水質采集模塊信號調理單元組成；數據處理模塊負責控制整個傳感器和處理監測數據，以及緩存其它節點發來的數據，主要由CPU處理單元和存儲器組成；無線通信模塊負責與其它節點進行無線通信、交換控制信息、收發監測數據，主要由DTU組成；供電模塊負責對傳感器節點的每個模塊進行供電。

1.2 聲學多普勒流速剖面儀

聲學多普勒流速剖面儀（下簡稱ADCP）是一款多功能測流設備，它基于多普勒原理，利用矢量合成法，測量水流的垂直剖面分布。ADCP內有個聲波換能器，向水體發送和接收聲波脈沖。利用背向散射聲波脈沖的多普勒頻移可以連續地測量各層水體的三維流速。換能器向水體中發射的聲波脈沖碰到水體中不均勾分布的微粒后，產生反射，其中的部分信號被換能器接收，被反射的聲波脈沖頻率所產生的紅移或藍移（稱為多普勒頻移），該頻率變化取決于反射體的速度，即流速，ADCP可根據該多普勒頻移計算出相對于的流速。除此之外，ADCP在工作的過程中，可以和全球定位系統關聯在一起，這樣可以得到準確的地理坐標，明確測速的具體位置。

2 平臺搭建相關技術

2.1 SSH框架

進行平臺搭建時，SSH框架屬于常用的集成框架，其主要的應用結構可以分為以下三層：（1）Web應用層，該數據層的主要作用便是對數據信息進行采集，借助Web應用程序對框架進行管理時，能夠很好地實現視圖與模型地徹底分離，而且對于已經采集到的數據信息，也可以利用平臺進行及時處理，而且一些數據信息也可以進行重新利用，這也提高應用層本身的靈活性與可維護性，進而提高了系統本身的工作效率。（2）業務邏輯層，智能化平臺在工作過程中，需要對多項業務數據進行整理，同時還兼顧了信息的處理，在用戶提出訴求之后，可以根據業務要求進行服務內容獲取，從而提高業務提供的針對性。（3）數據訪問層，采集到的數據信息都具備著較高的實用價值，在后期發展階段也具備了較高的實用價值，因此訪問層的作用是進行權限設置，以此來提高數據信息的可靠性。

2.2 ExtJS框架

和SSH框架相類似，進行平臺搭建時，也會利用到ExtJS框架來輔助智能監測平臺的建設，該平臺在實際應用中，屬于功能非常強大、軟件包含度高、體系完善度高的Ajax框架，在工作過程中，客戶端不需要安裝任何插件就可以正常使用框架服務功能，結構的擴展性較強。并且在實際應用中，ExtJS框架在具體的應用過程中UI界面可以為用戶提供桌面程序相類似的服務內容，并且在使用過程中，還具備了標準用戶界面和相應的操作方式。另外，該框架對于各類型瀏覽器平臺的兼容性較高，用戶進行信息檢索時，能夠在短時間內快速獲取到所需的數據信息內容，這也是搭建開發平臺的重要保障之一。

2.3 二級緩存技術

為了提高數據信息的直觀性，在采集到數據信息之后，會對其進行圖表的制作，相較于單一的數據，圖表所占內存較大，而且數據信息量較大，如果信息傳輸速度較慢，也將直接影響到數據信息查詢速度。這樣導致的界面情況會處于數據更新界面，影響到了用戶的體驗度。針對此類情況可以使用二級緩存技術進行處理，即將查詢頁面進行分頁，利用傳遞參數page來獲取目前頁面的數據，同時對后續頁面數據進行緩存，這樣在用戶下拉訪問下一頁數據時，已經緩沖好的數據可以及時呈現出來，從而提高了用戶進行數據信息查詢時的體驗度，而且在應用中還可以減輕數據庫的傳輸壓力，提高了訪問過程的反饋速度，提高了系統運行功能的可靠性[1]。

2.4 線程池技術

進行水資源智能監測平臺設計的主要目的，便是提高數據信息的獲取速度，以此來加快異常問題的處理效率。在具體的設計過程中，會在待測區域設計許多的監測點，這些監測點每分鐘會進行一次數據傳輸，那么在監測點數量不斷增加的背景下，所需要處理的數據總量也呈數量級的方式快速增加。并且在數據信息處理的過程中，如果每一監測點都建立一個數據庫，或者以任務的形式進行該時間段的處理，雖然單次所需要的處理時間較少，但是數據總量非常大，重復的數據存儲、處理、建庫，會消耗許多的資源在線程上。因此需要借助線程池技術，對于已有線程進行循環利用，在遇到突發情況時也可以進行調整，從而提高了系統功能的穩定性[2]。

2.5 GIS技術

在數據信息應用的過程中，還需要監測點坐標進行準確定位，其主要的作用便是發現污染數據之后，可以迅速定位污染區域位置，及時前往該區域進行進一步監測，擬定合理地處理措施，從而提高監測結果的可靠性。在具體的應用過程中，會將監測設備和全球定位系統關聯在一起，定期進行一次位置定位，在遇到惡劣天氣導致設備丟失時，也可以借助定位快速找回，從而確保了數據信息更新的有效性和及時性[3-4]。

3 系統詳細設計與實現

3.1 數據采集系統設計

在數據采集系統設計中，主要可以分為以下幾個子系統：第一，傳感器系統，這也是進行數據采集的基礎設備，從實際應用情況來看，使用到的傳感器有GPS傳感器（用于坐標點定位）、水質傳感器（區域水質數據采集）、氣象傳感器（區域氣象數據采集）、羅盤傳感器（監測點方向變化情況）、氮、氨氮、總磷傳感器（進行氮、氨氮、總磷濃度的采集）。第二，通訊協議，這是確保數據信息可以順利傳輸的基礎條件，通訊協議需要具備較高兼容性，同時搭配相應的頻帶寬度，提高數據傳輸的及時性。第三，數據分析系統，主要工作內容是進行采集數據的分析處理，處理后的數據進行入庫處理，以此來提高數據信息的應用應用價值[5]。

3.2 服務端的設計

在服務端設計過程中，主要包括了以下幾部分內容：①數據持久層，對于存儲的數據信息需要保存較長的時間，在具體應用中，會使用SSH框架輔助持久層搭建，以此來實現視圖與模型地徹底分離，一些數據信息也可以進行重新利用，這也提高應用層本身的靈活性與可維護性[6]。②業務邏輯層，智能化平臺在工作過程中，需要對多項業務數據進行整理，同時還兼顧了信息的處理，在用戶提出申請之后，需要對其進行及時處理，并且提供的服務內容也會根據邏輯算法進行精準定位，以此來提高業務提供的針對性。③數據訪問層，在服務端設計過程中，其最終的目的是可以為用戶提供一些針對性的應用服務，而且監測點數據都具備著較高的實用價值，而且為了確保數據信息的安全性，還需要對訪問層進行權限設置，從而提升數據信息的應用價值[7]。

3.3 Web頁面的設計

在Web頁面的設計過程中，為了滿足基礎的應用需求，需要從以下幾方面進行功能實現：第一，對頁面區域進行劃分，一般情況下，可以將其劃分為north、west、center三個區域，不同區域的功能也存在著一定地差異性。在north區域，頁面顯示的主要內容是系統標志和一些可供選項，便于用戶縮小查詢范圍；在west區域，頁面顯示的主要內容是系統細化后的模塊內容，便于用戶進一步縮小查詢范圍；在center區域，頁面顯示的主要內容是系統一些功能敘述，這也便于用戶了解系統的使用功能[8]。第二，頁面維護系統，頁面主要負責和用戶進行信息交互，使用頻次相對較高，維護系統的主要工作便是維持系統的正常運行，并且還會定期更新一些服務模塊，以此來提高頁面內容的豐富度，給予用戶更好地服務體驗。

3.4 系統實現功能要求

在完成系統設計后，系統需要具備以下的功能屬性：第一，數據瀏覽，之前的章節中已經提到監測點每分鐘都會進行一次數據傳輸，而且整理的數據信息會以圖表的形式進行呈現，用戶在瀏覽數據時，可以根據時間、位置、水深等關鍵詞來完成信息獲取，提高了信息獲取的便捷性。第二，數據統計系統，監測平臺需要定期進行一次數據信息的整理，其主要作用便是方便對近期監測區域水資源變化情況進行分析，常用的整理指標有最大值、最小值、污染物含量、溶解氧、平均值等。并且還會對這些整理的數據信息進行整理，以圖表的方式輸出到系統頁面，常見的圖表形式有柱狀圖、折線圖、表格等[9]。

3.5 系統測試分析

3.5.1 功能測試

進入到系統功能測試階段，主要的測試內容和測試要求如下：①內容：單位信息管理，要求：是否可以順利完成內容添加、內筒刪除、內容更新、內容查詢等操作；②內容：人員信息管理，要求：是否可以順利完成內容添加、內筒刪除、內容更新、內容查詢等操作；③內容：監測點和監測設備信息管理，要求：是否可以順利完成內容添加、內筒刪除、內容更新、內容查詢等操作；④內容：系統指令設置，要求：是否可以順利完成周期修改、指令是否可以順利生成和執行；⑤內容：數據處理結果顯示，要求：是否可以順利完成折線圖、列表、柱狀圖等通用報表形式輸出；⑥內容：數據處理結果審核，要求：是否可以順利完成數據審核工作，并對錯誤數據進行自動糾正。若上述指標均滿足要求，那么表明設計的平臺系統滿足應用需求[10]。

3.5.2 性能測試

進入到系統性能測試階段，主要的測試內容和測試要求如下：①數據子系統性能測試，主要的測試內容是對數據采集速度、數據傳輸速度、系統承載能力等內容進行采集，試驗方式則是通過增加監測點數量來完成，根據數據統計結果來評價系統的合規性。②業務子系統性能測試，主要的測試內容是對單位時間內用戶請求處理效率、訪問數據列表時間間隔、訪問圖表時間間隔等內容，采用增加單位時間用戶訪問數量的方式來完成，根據數據統計結果來評價系統的合規性。

4 結語

綜上所述，在水資源污染情況不斷加劇的情況下，建立水資源智能監測平臺十分必要，在具體地設計過程中，需要注意信息采集系統、處理系統、存儲系統的設計，結合相應的處理技術，從而提高監測平臺建設的合規性，也為后續水資源監測工作的順利推進奠定基礎。