智慧環保體系在環境治理中的應用

李信茹，周民,2，米屹東,2，蘇海磊，陳海燕，王凡凡，楊碩，沈亞琴，魏源*

1.環境基準與風險評估國家重點實驗室，中國環境科學研究院 2.河海大學環境學院 3.銅陵市鳳凰山景區

環保事業產生的海量數據處理分析是開展環境保護工作的重要基礎[1]。目前的環境管理體系仍采用人工監測污染源和記錄數據，這大大增加了環境數據獲取及分析處理的時間，同時，由于人為測定的時效性，環境管理決策人員無法獲取污染源等地的實時環境數據，從而無法及時偵測和應對可能發生的異常事件。由于環保數據海量龐雜，數據獲取和分類成為環保系統面臨的難題，因此智慧環保體系一詞應運而生。智慧環保體系通過自動化的監測系統實時獲取環境監測站點數據，再通過大數據處理技術對環境數據進行分析[2]，最終實現對污染源等環境監測站點的實時監控，有效預防環境突發事件的同時最短時間內提出應急管理措施。環境保護工作的實際開展需要自然資源部、生態環境部等多部門協同合作，因此，環境數據的共享是各部門間開展環境保護工作的重要基礎。智慧環保體系將各部門獲取的環境數據統一傳輸到云平臺層進行處理，再歸置至相應部門，實現了部門間數據共享，降低了部門間數據獲取的難度，解決了部門間存在的“信息孤島”現象。當前環境工作體系面臨著實時數據獲取困難、部門間信息共享困難、環境數據分析技術落后等問題。基于此，筆者介紹了以物聯網技術為基礎的智慧環保體系架構及其所需遵循的相關標準體系，并對智慧環保在環境治理中的實例進行分析，總結了智慧環保在不同環境保護工作中的體系，以期為智慧環保體系在環境治理中的實際應用提供理論參考。

1 數字環保—智慧環保的發展及轉變

1.1 數字環保概念

隨著對環境保護工作重視度的提高，環境保護任務越來越艱巨，標準也越來越高。當前，環境保護正向著信息化蓬勃發展，如何處理海量化、無序化的信息已經成為環保任務面臨的挑戰之一。

數字環保主要通過虛擬現實(virtual reality，VR)技術、3S技術、云計算技術和海量存儲技術等對環保信息進行處理、分析和整合，確保有序高效地完成環保業務工作。VR技術主要是通過已有的大量數據建立虛擬世界[3]，環保工作者可以通過這一虛擬世界更透徹地認知污染源監測、生態規劃、環境管理等工作，為預測未來環境發展趨勢、環境演替規律提供科學依據。3S技術是地理信息系統(geography information systems，GIS)、全球定位系統(global positioning systems，GPS)和遙感(remote sensing，RS)技術的總稱。RS技術主要用于環境信息獲取，它能通過衛星或飛機以電磁波的形式收集環境信息，并識別地物。GIS依托計算機軟件和硬件，對獲取的環境空間信息進行綜合處理和分析。GIS的空間信息處理和分析能力較強，通過GIS獲得的環境制圖能有效反映各環境要素間的拓撲關系，并為污染源監測、環境實時信息獲取及處理分析提供基礎知識。GPS具有全天候、實時性、快速性、準確性等特點，通過對各種對象的準確定位，使其在測繪[4]、環境[5]、礦產[6]等領域廣泛應用。RS、GPS和GIS三者之間并不是相互獨立的，通過3S技術集成，能夠構成更為完整的監測系統(圖1和圖2)。這一集成技術目前在很多方面都有應用，例如Zheng等[7]應用3S技術對水文參數模型進行了分析，證實2個相似流域參數距離較小，說明二者在幾何空間上很接近。谷金英等[8]結合2013年北京市TM遙感影像和地面樣地調查，構建三維綠量模擬方程，調查了北京大尺度上的森林綠化情況，結果表明通過結合3S技術和理論模型能夠準確地反映城市綠化情況，為研究城市森林生態功能，提高環保產業效益和布局優化提供基礎數據資料。

圖1 3S技術之間的關系[9]Fig.1 Relationships between 3S technologies

圖2 3S技術一體化[10]Fig.2 Integration of 3S technologies

1.2 數字環保向智慧環保的轉變

IBM(International Business Machines Corporation)于2008年11月首次提出了智慧地球(smarter planet)的概念[11];2009年8月，其發布了《智慧地球贏在中國》計劃書，正式拉開了中國智慧地球發展戰略的序幕。智慧地球的主要任務是把新一代的IT技術充分應用到生活的方方面面，通過傳感器將各種生活設備連接起來形成物聯網，再利用超級計算機和云計算等將物聯網聯合起來，實現網絡地球建設和人類社會系統的整合[12]。智慧地球的核心和基礎是物聯網。為了滿足智慧城市建設過程中海量環保數據的分析、整合和處理的要求，智慧環保的理念應運而生。物聯網技術在數字環保應用的基礎上形成了智慧環保體系，即將裝備和多種感應傳感器應用到環境中以獲取多種環境信息，并利用云計算、數據挖掘等處理環境信息，通過環境保護事業與環境物聯網技術的結合，最終提出更智慧的決策和管理方式[13]。智慧環保以綠色環保理念為基礎，以物聯網作為核心技術。物聯網技術為智慧環保體系提供的數據量、集成度、可訪問性和及時性改變了之前單一的以采樣—測定—數據分析為基礎的環境治理方式。例如，國外的許多學者已將人工智能、大數據分析、機器學習、3D物體識別算法和遺傳學習等技術應用于生態過程的研究和管理，而這些技術的創新發展極大地提高了非生物條件下生物及微生物群落時空變化的評估能力[14]。除了生態環境管理研究，更多的學者將智慧環保體系的應用放在了地理安全和災害管理方面[15]。Resch等[16]開發了一種保護分布式地理服務基礎設施的輕量級AAA方法以解決分布式地理基礎設施信息獲取和處理的安全問題。Goodchild等[17]綜述了地理災害發生前后的地理空間數據獲取及分析，通過自愿地理信息(volunteered geographic information)這一特殊的地理空間工具，研究地理災害過程中潛在信息和事后調查信息。但是，智慧環保體系在污染防治、生態破壞修復等方面的應用仍存在不足。

目前人們的需求已逐漸從簡單的物質必需品轉變為享受優雅生活的精神需求，這一變化促使傳統的環境治理模式向智慧環保體系轉變。如何利用大幅度發展的信息技術實現人們的生態環境需求是當前面臨的重要難題。而這一難題催生了智慧環保體系的產生及應用。

2 利用物聯網技術構建智慧環保體系

2.1 基于物聯網的智慧環保體系總體架構

智慧環保體系由智慧感知層、傳輸層、智慧云平臺層、云服務層和終端用戶層組成(圖3)[18]。感知層是通過傳感器、視頻監控、衛星遙感等感知設備獲取污染源、環境質量、輻射層面、生態多樣性等方面的實時(real-time)數據，實現“更透徹的感知”。感知層發展的基礎是傳感網絡技術。隨著環境經濟的發展，環境感知的硬件和軟件成本大幅降低，無線網絡技術快速創新，使環境傳感器網絡(environmental sensor networks，ESN)開始形成和發展。ESN是應用于污染源監測、環境質量變化等方面的無線傳感器網絡，其檢測覆蓋范圍極其廣泛。例如，喬欣等[19]提出的基于Zigbee技術的巢湖水質監測系統，能通過相應傳感器節點的設計，獲取溫度、pH、溶解氧參數，全天候、實時對巢湖水質進行監測，收集到的數據能夠直接遠距離傳輸到相應的計算軟件模塊，從而實現了巢湖水質監測的遠程實時監控和數據傳輸。除了水質監測，ESN同樣能應用到大氣中。李春明等[20]通過構建室內空氣質量在線監測系統，實現了對甲醛、總揮發性有機物、一氧化碳、二氧化碳等指標的實時監測，再將已經設置好的無線傳感器模塊應用到車間、礦井和化工廠中，擴大了空氣傳感器網絡的使用范圍，極大地提高了傳感器網絡的實用性。

圖3 基于“物聯網模式”的智慧環保架構Fig.3 Smart environmental protection framework based on Internet of Things

傳輸層是利用衛星網絡、移動通信等技術，收集感知層獲取的環境數據，實現環境數據交互共享，從而實現“更全面的互聯互通”。

智慧云平臺層的工作運行基礎是傳感網絡技術手段和通信網絡技術。云平臺層首先整合來自傳輸層的海量數據，再通過數據挖掘、海量存儲技術、超級計算技術、虛擬化等對數據進行分析處理，實現“更深入的智能化”。智慧環保體系的建設過程中需要面對海量的、多樣化的數據，如何妥善處理及分析環境數據，并根據環境數據做出智慧決策是智慧環保的重點。智慧云平臺層承擔環境數據處理分析的工作，并將分析好的數據傳遞到云服務層使公眾能實時了解環境信息。這不僅極大地提高了監測工作的透明度和公眾參與度，也大大減輕了工作人員的工作壓力，更有利于工作人員結合實際情況和環境數據做出科學合理的決策。云計算、數據挖掘及GIS技術是智慧云平臺層十分重要的數據處理分析技術。云計算能通過網絡將復雜龐大的計算機程序分成多個子程序，再經由多臺服務器對數據進行計算并將結果反饋給使用者。數據挖掘融合了人工智能、數據庫技術和機器學習等多種理論和技術，通過分析大量數據能揭示許多有意義的新的關系、趨勢和模式。通過GIS能夠得到全面、實時、準確、客觀和有效的環境監測信息，GIS能處理多源環境信息，并將環境的變化情況及規律以圖片的形式直觀表達出來，實現對環境的動態監測。

智慧環保體系中可能涉及的核心技術的優缺點對比見表1。

表1 基于物聯網的智慧環保體系中核心技術優缺點對比Table 1 Comparison of core technologies in the smart environmental protection system based on Internet of Things

云服務層。構建云服務平臺，建設業務系統及信息平臺，提高數據透明度，方便各使用機構及公民獲取數據，為環境管理、污染源治理、生態環境保護、輻射管理實現“更智慧的決策”。

應用層及用戶端。智慧環保最終的目標是為了做出更智能的決策。通過感知層、傳輸層和服務層，數據已經經歷了收集、處理、分析的形態，需要進一步分配到相應的部門或單位進行應用。如何使用處理分析完成的數據并以此為依據作出合理、智能的決策是應用層存在的意義。

生態環境保護的主要目標是維護和提升生態系統完整性及其生態服務功能。經濟社會活動產生的環境污染和對生態系統的破壞是當前生態環境保護工作面臨的巨大挑戰。智慧環保體系的感知層和智慧云平臺層能實現環境信息的智能處理，并通過集中多個層面的環境資源，建立高效安全的環境信息系統，實現環境信息的智能處理。智慧環保體系的信息收集仍以人工監測為主，通過污染現狀監測和信息收集，智慧環保體系能提供環境問題的基礎數據，提高科研工作者及廣大人民群眾對環境治理工作的重視及關注程度。

2.2 物聯網在智慧環保體系構建中的應用

智慧環保體系的每個層次都需要物聯網的參與。智慧感知層是整個智慧環保體系的基礎，發揮著信息收集的作用。智慧感知層通過智能網關系統與現場的環境檢測設備及傳感器、監控攝像等檢測系統獲取所需要的環保數據、相應設備的數據，現場環境狀況及可能存在的環境報警信息，為服務層提供所需的數據，實現對監測環境的一體化感知和認識。這一過程中物聯網作為技術支持為數據獲取提供支撐。傳輸層是通過各種傳輸網絡，將智慧感知層獲取的數據安全、準確和高效地傳輸到管理層。環保領域數據具有多樣性，對傳輸要求較高。針對不同的傳輸業務需求，所能選取的無線廣域網也有所不同。針對功耗較低、覆蓋較廣的業務傳輸工作需求，主要選用低功耗的無線廣域網，常見的窄帶物聯網有NB-IoT網絡[21]、LoRa網絡[22]和基于LTE優化的e MTC網絡[23]等。針對長距離實時傳輸及大數據傳輸，需要使用4G、5G、以太網和WIFI等帶寬更大的傳輸網絡。智慧云平臺層主要實現對傳輸層來源的數據進行智能管理，并對獲得的監測數據進行存儲和可視化分析展示，全程為服務層提供全面的數據支撐。IoT設備管理服務平臺[24]是目前較常用的支撐上下層服務的智慧云平臺層設備。針對環保領域，環境管理部門構建了環保IoT設備管理平臺，這一平臺能通過使用智慧環保邊緣智能網關實現監測現場設備的接入、數據獲取及遠程配置和調控，同時提供數據接口供服務層使用。云服務層所針對的服務對象和用戶類別較多，需要對數據進行更為精細的劃分及分析，從而實現對各種環境問題的預警預報和追蹤溯源，為環保部門及環保行業提供精細化服務和科學決策依據。整個云服務層通過智慧環保智能網關為環保行業提供有效數據，對外提供的服務是，針對一些比較嚴重和需要及時處理的污染信息，云服務層能及時反饋到應用平臺，為污染追蹤溯源提供有效依據。終端用戶層對數據的獲取需要依賴物聯網技術，通過智慧環保智能網關，用戶能更方便快捷地獲取所需的環保數據。

2.3 智慧環保體系建設面臨的問題

(1)環境監測設備成熟度低。數據獲取是整個環境物聯網的基礎。只有獲取完善、可靠的數據才能為智慧環保體系運行提供數據支撐，基礎數據缺失導致智慧環保體系分析對象缺失，最終嚴重阻礙智慧環保體系的運行。

(2)信息孤島現象嚴重。各部門之間缺少統籌規劃和組織協調，導致獲取的環境信息相對封閉、業務系統相對獨立。此外，部門之間尚未建設完備的共享平臺，數據采集具有重復性，數據利用率低，這些問題大大降低了工作效率，導致資源浪費嚴重，信息共享率低，很大程度上增加了環保工作者的工作量。

(3)信息透明度低。環保工作不能只依賴于環保部門工作人員，而應該協調公眾，提高公眾參與度。由于缺乏統一的標準，各部門之間對涉密、非涉密的工作數據規定各不相同，能與公眾分享的數據也相對有限。公眾只能通過已公布的環境數據了解地方環境質量，但事實上公眾往往很難通過環境數據形成對環境質量的自我判斷，長此以往，公眾對于環境保護工作的關心和參與度逐漸下降。同時，信息不透明在某種程度上忽視了公眾在環保工作中的作用，這不利于公眾配合環保工作，無形中增加了環保工作開展的難度。

(4)環境信息龐雜，無法共享。環境保護系統不僅具有豐富的環境監測在線數據、污染源普查數據、節能減排數據等環保相關數據，還有人事部門的人事數據，科技部門的標準數據等，這些數據目前是由各部門分開管理使用，存放于不同的數據平臺，很難做到數據共享，同時由于缺少統一的數據平臺，數據無法被統一整合。科學研究的數據獲取一直是研究人員面臨的困難，數據共享平臺的開通，能夠加強各部門的合作，有利于整體環保研究工作的開展。

2.4 智慧環保環境信息化標準體系構建

智慧環保環境信息化標準體系建設包括環境信息標準規范、環境信息運行管理和環境信息安全保障三大類(圖4)，這三大類標準最終服務于環境基礎設施標準。

圖4 環境信息化標準體系構架[25]Fig.4 Environmental informatization standard system framework diagram

當前環境信息化存在著數據更新不及時、透明度低、各自為政的問題，急需統一規范化的標準體系。建立信息標準體系，能夠為環境保護工作提供指導和規范，使環保部門人員的工作有章可循，最終將所有環保信息部門歸納到同一個標準體系下工作。環境信息標準規范是推動和促進環境信息化發展的依據和保障，加快環境信息化標準體系建設是智慧環保工作的重要內容之一。

智慧信息運行管理需要從監測系統建設、運行及管理等方面進行分析，從管理及決策角度提出環境保護方案及建議。智慧信息運行管理通過完善環境信息運行管理系統，加強環境信息網絡維護，故障報告和應急處理工作，以保證整個智慧環保體系安全高效穩定的運行。

智慧環保體系需要統籌兼顧實時監測環境數據、國家電子政務數據及業務應用系統，對數據安全性要求較高。因此，智慧環保體系必須以環境數據為基礎，建設一個完整、多方面、多層次的安全保障體系，其中全方位、易于管理和維護的安全防御體系是智慧環保體系建設的保障。

智慧標準體系的最終目標是保障智慧環保體系正常、合理的運行，最根本宗旨是滿足人們對美好生態環境的需求，因此整個標準體系需要政府把關，通過政府出面統籌完成信息的整合，為智慧環保體系建成統一可行的標準體系。

3 智慧環保體系在環境治理中的應用

城市是環境治理的平臺，智慧環保體系需要以城市為依托，有針對性地對城市土壤、大氣、水體、噪聲等要素建設完善的監管體系。目前，智慧環保在城市治理上的應用尚屬探索階段。由于智慧環保的城市治理的建設經驗、模式等方面存在不足，需要將智慧環保體系由以人工監測管理為主的環保模式轉變為以物聯網為主的智慧模式，通過物聯網自動實時監測，加強環境管控，提高城市環境質量，減少環境能源和資源的浪費，提高整體環境能效。智慧環保的建設經驗、模式能夠為智慧環保城市治理的推進提供良好的范例和可行的路徑，為將來全面推進智慧環保體系建設打下堅實的社會和技術基礎。城市環境治理是整個城市建設的重要模塊，智慧環境治理作為智慧城市建設的嘗試和創新，其應用和實現效果對未來智慧城市發展方向和治理水平具有直接影響，對城市治理具有重要的指導意義和現實意義。污染源監控管理信息系統、生態環境保護管理系統、核安全與輻射管理信息系統和環境應急信息管理系統是目前應用智慧環保體系最多的幾個環境行業。

3.1 污染源監控管理信息系統

環境質量好壞直接影響人類健康和生態環境安全，保證環境質量良好、減少和控制環境污染是人類在自然界生存及與自然和諧相處的保障。保證環境質量的前提是隨時隨地掌握環境質量情況，而污染源監控工作是了解環境質量狀況的根本性手段。然而，常規環境監測技術目前面臨著樣品采集困難、數據更新不及時等問題。環境污染源自動監測管理信息系統能有效解決這一問題。通過常規環境監測與信息通信技術的結合，將高密度的傳感器和監控網絡布置到環境空間中，能隨時獲取海量的環境數據，完成實時數據獲取和環境監測。例如，南京市建鄴區的水環境自動監測系統能根據區內水環境質量現狀及要求分配不同采樣點。監測位點設置方面，在保證監測數據可靠性的同時，根據區內莫愁湖和南湖湖泊水系分布現狀，將監測位點設置在河面4個方向。監測指標方面，遵循“代表性指標必須要監測，其他指標酌情考慮”的原則有針對性地選擇監測點參數指標。通過建立完整的智慧環境監測體系，解決了以往人工采樣的低效率問題[26]。Yan等[27]通過建設自動采樣傳感器獲取環境監測點位數據，再通過向科研人員和專業人士收集信息，將水質監測和先進數據技術聯系起來，以支持生態系統服務評估，并將所有的數據分解、合成進行大數據分析，用于評估與水質相關的生態系統服務。最后，從大數據生態系統的角度，探討生態系統服務評價中水質評價的技術障礙和機遇。自動監測系統能屏蔽人工檢測受到的天氣、排污等因素影響，實時獲取水體質量變化，對突發事件做出預警，減少重大環境災害發生的可能性。近年來，國家對大氣環境質量的要求越來越高，大氣環境質量監測系統也一直在發展進步。智慧環保大氣實時監測系統對獲取數據進行大氣質量統計分析，再根據分析結果提供空氣污染精細化服務，同時提供相應數據平臺和手機APP進行數據顯示，方便用戶實時查看和監管數據。圖5 展示了智慧環保大氣環境系統架構。該監測系統有效提高了數據實時性和信息透明度。公眾能隨時隨地查看大氣質量，有利于公眾深入了解大氣質量變化對其生活的影響，同時，公眾會更加配合未來科研工作者開展的實地調查工作。

圖5 智慧環保大氣環境實時監測分析服務平臺架構[27]Fig.5 Schematic diagram of the architecture of intelligent environmental protection atmospheric environment real-time monitoring and analysis service platform

3.2 生態環境保護管理系統

生態監測是利用物理、化學、生態學手段，對生態環境中的特定地域范圍生態系統或生態系統中各要素的類型、數量、結構和功能進行定期、系統性監測[28-29]。一般來說，生態監測根據監測對象的空間尺度可以分為宏觀和微觀生態監測。宏觀生態監測的對象是某特定生態系統。在宏觀生態監測過程中，研究人員應用生態效果圖技術、遙感技術，輔以專業的信息處理分析系統，構建科學合理的地理信息系統，最終獲取生態系統信息，了解生態系統的變化，對任何可能的突發緊急事件采取緊急措施。微觀生態監測對象的地域等級可以包括幾個生態系統組成的景觀生態區，也可以是代表單一的生態類型。微觀生態監測需要大量工作基站，采用物理、化學和生物學方法對生態系統各組成成分進行分析并提取數據信息。微觀生態監測是宏觀生態監測的基礎，宏觀生態監測又是微觀生態監測的主導方向，一個完整的生態監測網絡應當同時具備宏觀和微觀2種尺度生態監測方案。如圖6所示，生態環境實時監測分析服務平臺首先通過野外傳感器對生態環境中各種參數進行自動檢測，并經由通信網絡獲取實時數據，數據經過自動處理和分析后交予數據使用門戶，由管理者進行進一步分析和操作。

圖6 智慧環保生態環境實時監測分析服務平臺架構[38]Fig.6 Schematic diagram of intelligent environmental protection ecological environment real-time monitoring and analysis service platform architecture

同常規的環境生態監測技術相比，遙感技術與生態監測技術的結合不僅能夠提高生態監測的效率，更重要的是能解決一些常規監測技術無法解決的問題。例如，薇甘菊是一種入侵性極強的雜草，20世紀80年代初入侵我國后造成了巨大的經濟損失。盡管我國學者一直在研究其生長特性、入侵機制和防控策略[30-31]，但是防控效果不理想，區域性的爆發時有發生且難以監測。遙感技術具有一定的時空分辨率，能有效區分環境中入侵物種和本土物種[32]。孫中宇等[33]提出了無人機遙感技術識別和監測薇甘菊爆發點，通過連接無人機飛行平臺、可見光相機和影像處理系統成功建立低空遙感系統，該系統基于低空獲取高分辨率的紅綠藍波段影像，并利用波段運算、深度學習和影像分割對薇甘菊進行識別，最終確定薇甘菊爆發點。某一區域尺度上對薇甘菊的擴散機制、預警防控研究主要依賴于空間上識別和定量化，而無人機遙感因其特殊的分辨率能有效進行入侵植物識別和定量研究[34]，有望推動區域尺度上預警、防控入侵植物的研究。除了單一入侵物種研究之外，生態監測的區域也可以覆蓋整個植被范圍。受氣候條件影響，植物生長狀況變化較為明顯，及時開展植被生態質量監測，了解植被生長狀況是生態系統監測的重要組成部分[35]。信息化在農業上的應用也逐漸增多。在完善的農業環境監測系統的支持下，農民可以簡單地使用數字操作系統，在短時間內提高農作物產量并降低成本。智慧農業系統能通過已有的數據對農田肥料用量和植物生長狀況進行精確估算，降低農藥過量施用對土壤造成的危害[36]。錢拴等[37]采集MODIS衛星與NDVI數據，相關氣象數據，植被類型、土地質地和利用方式等數據進行植被覆蓋率和初級生產力(net primary productivity，NPP)的估算，并構建植被生態質量變化趨勢監測評價模型。利用該模型對比2017年植被生態質量指數和多年均值，繪制全國地理空間植被綜合生態質量指數多年變化趨勢圖，較為直觀地展示了我國年植被生態質量優劣的分布格局，也反映了植被-氣候帶的對應關系。

3.3 環境應急信息管理系統

近年來，我國環境緊急突發事件頻發，如2005年松花江水污染事件，“8·12”天津濱海新區爆炸事故，廣西鎘污染事件，“11·24”甘肅銻泄漏事件等，這些突發事件嚴重威脅了人體健康。如何妥善處置各類突發環境事件，扎實完成環境風險防控工作，減少突發事件中人員傷亡和經濟損失，并做出合理的應急方案是當前應對環境突發事件的最主要目標。

智慧環保體系下環境應急信息管理系統能在第一時間給出相應的應急預案，做出最為合理的人員調配和物資分配。環境應急信息管理系統需要搭建一套應對突發環境事故的管理系統和平臺，對重點河流、工廠園區等地進行實時監控，最終目標是提高政府部門應對環境突發事件的能力，增強部門間聯動，以最快速度對突發事件做出響應[39]。環境應急信息管理系統主要由8個系統組成(圖7)。

圖7 環境應急信息管理系統Fig.7 Environmental emergency information management system

數據交換平臺是整個突發事件應急信息管理系統的基礎。數據庫包括環境數據信息和管理部門的管理數據。通過數據交換平臺將應急管理涉及的部門納入到同一個大的數據獲取及交流網絡，增強部門間交流，實現多部門、多層次的協同合作。

預測預警平臺是對可能發生的環境突發事件的信息進行預警分級的直接平臺。預警系統包括信息監測和報告生成、隱患分析和風險評價、預警分級和發布的功能。通過信息監測生成報告，工作人員能直接獲取地區基本信息及可能出現的不正常參數，第一時間發現異常，通過風險評估系統對事故嚴重性進行分級，決策人員可以通過事故預警分級采取相應的應急措施，并通報公眾以減少公眾恐慌。

數據預案系統和決策支持系統共同作用能對突發事件做出合理可行的決策。環境應急管理信息系統能在突發事件發生后迅速作出反應，提出切實可行的應急方案。而數據預案系統能按照預警分級、事件預案類別、分析模型提前做出一套預警方案，這套預警方案會根據預設條件的改變而做出調整，由于環境突發事件具有不確定性，所以數據預案系統可以作為突發事件發生后管理決策的參考。傳統的決策系統很多時候需要依靠決策者個人的經驗和直覺判斷，而處理復雜的環境突發事件時，決策的影響因素增加，這就要求決策者在指定決策時需要考慮更多要素。當前，環境突發事件越來越復雜，僅靠決策者經驗和直覺判斷并不能做出一份相對完善的應急管理決策，借助決策支持系統，以信息和計算機、仿真技術為基礎，通過空間數據處理系統，結合能支撐決策活動的智能人機系統，能提供更為科學合理的應急管理決策和方案。

指揮調度系統能實現應急決策指揮數據的發布、實時會議溝通及數據信息反饋和顯示。整個應急指揮系統能為所有參與突發事件應急管理的決策者及工作人員提供便利的、實時交流的平臺。環境應急事故現場處理是指揮調度的目標。工作人員需要根據現場實際情況調整指揮決策，而現場處置與反饋系統能實時反映現場情況，有利于指揮調度系統指導工作人員根據實際情況進行決策調整，因此現場處置與反饋系統作為應急管理系統中決策和現場行動的連接系統，需要具有較高的機動性和響應能力。災后評估系統一般從社會、經濟和生態環境3個方面對危險物質和災害損失進行評估。通過相應的監測手段，災后評估系統需要對自然生態環境所遭受的污染及生態破壞程度、經濟社會損失進行評估，再根據災害分級建設相應的損失補償機制。

培訓演練系統應當貫穿于整個環境應急信息管理系統。其功能是通過模擬實際情況，加強應急平臺相關工作人員對應急管理系統和突發事件處理的熟悉度。通過應急事件培訓演練系統，相關人員可以深入了解自身在整個環境應急信息管理系統的崗位職責，有利于增強整個應急系統的協作性。

3.4 核安全與輻射信息管理系統

核技術目前廣泛應用于國防、醫學、環境保護等領域[40-42]，然而核素不穩定產生的電離輻射和不當的安全防護措施都有可能造成嚴重的環境污染問題。核輻射波及的范圍較大，放射物質一旦進入湖泊、河流等生態環境中，會嚴重危害生態環境和人類健康，因此核安全問題更應受到重視。構建合理可靠的核安全與輻射信息管理系統，借助物聯網技術對放射性污染源進行24 h連續監測，避免核設施破壞及放射性物質泄漏，或是在事故發生后第一時間做出相應應急預案，減少人員傷亡和經濟損失，是目前核科學技術發展亟待解決的重要問題。核安全與輻射信息管理系統分為實時數據采集獲取、無線數據傳輸和核輻射應急處理決策3個部分。首先，對已有的核資源進行實際考察，根據核資源數量和分布建立基本的數據庫。為了獲取實時數據信息，建設移動源污染監測設備，實現動態化計算管理。其次，建立以物聯網技術為基礎的輻射監測網絡。建設一個相對完善和自動預警的全國性輻射監測網絡是實現動態監測核輻射事故的最根本措施。這一系統能第一時間感應環境變化，對突發事件做出響應，并及時給應急管理部門提供信息，極大地提高了應急管理部門應對突發核輻射事故的反應速度。最后，建立核安全突發事件的應急決策系統。通過構建適合我國情況的核輻射突發事件應急系統，對我國可能出現的核輻射突發事件做出分析和預警，為決策者做出合理科學的應急防護措施提供技術支持，是核輻射應急決策系統最主要的目標。劉占陽等[43]建立了以濱海核電站海上γ輻射劑量率為基礎的智能化自動監測系統，該系統能在無人值守的情況下為核電站提供實時有效的監測數據，能有效提高管理層對核電站信息的掌握程度和速度，對可能產生的問題做出最快響應。核輻射自動監測作為智慧環保體系的一環，能有效減少環境突發事件產生的可能，同時，完善了智慧環保在環境管理系統中的應用。

4 智慧環保體系在環境治理中應用面臨的困難及發展方向

環境監測技術是制約整個智慧環保體系發展的重要因素。以土壤監測為例，各省(區、市)地勢和地理資源各有特點[44]，人為采樣難度大、效率低、耗時長，因此土壤自動監測設備在土壤監測中尤其重要。相較大氣和水體，旱地土壤和濕地在測定時更為復雜，對自動監測設備的要求也更高。FDR土壤水分自動監測儀是新研發的土壤水分監測設備，主要是通過土壤的介電特性來反演土壤水分含量，其構造合理，精度較高[45]，可以適用于小范圍內土壤環境監測。土壤作為不均勻的介質，取樣點的隨機性會導致其數據具有較大誤差，為了降低這種誤差，一般在土壤環境指標監測時需要充分混合土壤樣品，但自動監測儀的監測位點是確定的，這就造成環境土壤樣品自動監測系統誤差相對較大。因此，提高土壤樣品自動監測系統的精度成為當前土壤環境質量監測面臨的問題。環境質量監測工作是環境污染治理、環境管理的基礎，及時、迅速地掌握環境質量狀況需要強大的環境質量監測系統支持。環境質量自動監測儀精度的提高是整個環境質量自動監測系統準確及時開展工作的重要起點，也是整個智慧環保體系工作的基礎。

越來越多的生態大數據項目的建立增加了環境信息風險發生的可能[46]。智慧環保體系需要以大數據和物聯網為依托，海量環境信息貫穿了整個智慧環保體系，如何保證環境信息安全，防止數據泄露是智慧環保的重要議題之一。例如，環境質量檢測結果大多數是可公開的，對保密要求低，但是一些環境行業的數據具有敏感性，如自然保護區、風景名勝區、國家重點文物等地的環境數據需要進行保密[47]，這就涉及信息泄露，網絡安全的問題。為了滿足環境自動檢測數據傳輸和網絡安全要求，需要在局域網各連接口建立安全可靠的鏈接并定時更新維護，提高對信息安全的重視程度。整體來說，智慧環保體系網絡安全要求如下：需要高效的網絡管理軟件完成對海量環境信息的處理；需要構建網絡拓撲結構直觀準確地了解環境數據網絡實際運行情況；需要網絡管理軟件對故障網絡進行預警，以保證管理人員及時做出響應，保障環境信息網絡系統的正常運行[48]。

我國智慧環保產業發展前景廣闊，推動智慧環保體系的產業化和商業化是推動環保和經濟同時發展的重要措施。自2015年國務院印發《促進大數據發展行動綱要的通知》，2016年國家發展和改革委員會印發《“互聯網+”綠色生態三年行動實施方案》以來，智慧環保已經成為蓬勃發展的朝陽產業。當前，智慧環保產業市場需求巨大，各省(區、市)對環保尤其是智慧環保產業的重視度逐漸提高，大大推動了智慧環保體系向產業化和商業化發展。當前，我國智慧環保建設仍是以政府為主導、市場運營為輔的模式[49]。如衢州市智慧環保體系是典型的政府購買服務、企業組織運行、公眾參與的三位一體智慧環保建設模式[50]，同時也是目前應用較為廣泛的智慧環保產業商業化模式。政府購買服務的商業化模式增加了政府資金缺口，加大了政府壓力，不利于一些經濟落后地區推行智慧環保政策，因此如何增加智慧環保和環境治理的商業化模式，推動企業參與智慧環保體系建設，減輕政府負擔是智慧環保在環境治理應用上的關鍵問題之一。

未來，智慧環保體系發展的方向主要是深度和廣度2個方面。廣度就是擴大智慧環保體系的應用范圍。當前，智慧環保體系涵蓋了水體(地表水和地下水)[51]、土壤[52]、大氣[53]、噪聲[54]等多個方面，涉及環境質量自動檢測、污染源監測、環境應急系統處理及環境突發事件處理等多個層面。海洋環境自動監測，核輻射和電磁輻射安全管理及化學廢物、危險品安全管理等其他環境管理的重要組成部分尚未得到重視。固體廢物和化學危險廢物處理一直是實驗室、化工產業面臨的重要問題。固體廢物，尤其是危險廢物處理不當極容易產生安全事故，通過智慧環保體系中的危險廢物運輸自動監測系統，對危險廢物的運輸路線及運輸過程中的性質進行監測，可以保證化工企業管理人員隨時掌握危險廢物在運輸過程中發生的化學、物理變化，并能在發現異常變化的第一時間做出應對，降低事故發生的可能性及危害性。深度就是通過提高智慧環保體系自身的準確性和時效性，提升整個系統的應用水平。監測技術和數據處理網絡始終是智慧環保體系發展的制約因素。提高環境監測數據的準確度能從根本上提高智慧環保體系網絡對環境的感知能力，強大的數據處理系統能保證整個系統正確的運行，有效的環境信息安全管理系統能保障整個系統安全平穩地運行。