基于物聯網的城市環境智能監測平臺研究

孫方 李娟 陳園

摘 ?要：充分利用物聯網、大數據、云計算等新技術，通過智能環境感知設備的接入，實現城市環境監測數據采集、傳輸、接入、存儲、處理及數據挖掘和數據應用等服務，從而打造監測一體化的城市環境智能監測平臺。用戶和決策層可以實時查看、準確掌握及監控城市區域內各類環境數據，結合智能模型的預測及分析功能，加強各類數據的綜合應用和評價，為各級領導科學決策提供有力支撐，為城市環境保護進行管理模式上的創新。

關鍵詞：城市環境；智能感知設備；監測平臺；環境保護

中圖分類號：TP39 ? ? 文獻標識碼：A ? 文章編號：2096-4706（2023）14-0157-05

Research on Urban Environment Intelligent Monitoring Platform Based on Internet of Things

SUN Fang， LI Juan， CHEN Yuan

（Information Engineering Institute， Wuchang Institute of Technology， Wuhan ?430065， China）

Abstract： Make full use of new technologies such as the Internet of Things， big data， and cloud computing， and realize urban environmental monitoring data collection， transmission， access， storage， processing， data mining and data application services through the access of intelligent environmental sensing equipment， so as to create an integrated urban environmental intelligent monitoring platform. Users and decision-makers can view， accurately grasp and monitor all kinds of environmental data in urban areas in real time， combined with the prediction and analysis function of intelligent models， strengthen the comprehensive application and evaluation of various data， provide strong support for scientific decision-making by leaders at all levels， and innovate management models for urban environmental protection.

Keywords： urban environment; intelligent sensing device; monitoring platform; environmental protection

0 ?引 ?言

環境是人類生存、生產和生活的必備條件。我國一直高度重視城市環境建設和保護，倡導“保護優先、預防為主、綜合治理”的理念。但隨著社會經濟的發展，城市人口密集，樓房工廠林立、馬路縱橫、交通堵塞、人類生產、生活及工業化活動的加劇，使得城市環境不斷惡化。同時，干旱、高溫、洪澇、地震、臺風等自然災害也給城市環境帶來嚴重的破壞。

為進一步做好城市環境保護，借助物聯網、云計算、大數據、移動互聯網、人工智能等技術手段，貫徹“綠水青山就是金山銀山”的環境保護思想，加強居住區域內人口、地質、地貌、水文、氣候、動植物、土壤等諸要素數據進行智能化監控，實現集成管理海量多源異構城市環境數據，智能分析挖掘出深層次有用信息，建立城市環境數據集成、交換、服務共享機制，實現可及時有效實現各類信息資源統一和共享智能城市環境監測云平臺。通過城市環境監測云平臺的研究，加強城市數據綜合應用和集成分析，整合各類數據資源，為環境監測、場所管理提供人性化的環境監控服務，創新政府治理模式，為城市環境保護、治理和預警提供更客觀，有效的依據。

1 ?總體架構

基于物聯網的城市環境智能監測平臺從技術實現和提供服務的角度，采用面向服務和組件、自頂向下逐步迭代的系統設計方法及基于SOA的設計思想和理念將云平臺進行適當的分層和處理。在滿足現有業務支撐的情況下，結合物聯網、云計算、大數據、服務計算等技術，引入新的軟件體系架構進行革新，建立感知層、傳輸層、平臺層、應用層、服務層五層系統架構，并建立安全可靠的運維體系，遵循并完善標準規范，如圖1所示。

感知層通過應用衛星、無人機、監控設備、傳感器、手持設備、車載終端等傳感設備，在物聯網和大數據技術下實現從宏觀到局部，從局部到微觀的多種來源、多種尺度、異源異構的城市環境數據進行一體化采集和匯聚。該層為整個平臺提供新鮮的數據動力，為各業務應用提供數據支撐。

網絡層利用各種通信技術實現不同傳感設備監測數據適配接入，將采集匯聚的各類城市環境數據傳輸給平臺層進行存儲，并提供數據服務。

平臺層是實現城市環境業務應用系統開發的重要工具，在整個體系架構中起著承上啟下的關鍵作用，對接入數據和物理資源進行管理，提供安全管理、服務管理、設備管理、接入管理、智能識別、數據存儲、數據綜合分析、展示及報表可視化展示等多種方式的業務應用支撐，全面支撐各類應用場景。系統需要的各類組件、服務、數據等資源，由平臺層負責統一管理、配置、調度和監管。系統需按照信息資源規劃要求凝練相關業務規則，開發相關組件和服務，并實現組件和服務的共享復用。

應用層提供致力于為各類用戶提供可靠的城市環境一站式服務，如城市環境質量監測、預警分析、數據共享和可視化平臺以及環境保護規劃建議等個性化服務。

服務層主要面向政府部門、公益組織、科研機構等，訪問平臺層提供的業務應用，利用互聯網手段，助力城市環境數據的共享和研究，提供城市環境決策支持服務、規劃發展建議、城市環境各類數據共享與交換服務、專業研究與應用服務及社會公眾科普服務等。

2 ?關鍵技術

2.1 ?多種設備和通信鏈路支持

結合城市環境監測的應用場景，通過統一的數據接入標準，支持各種傳感設備獲取需要監測的信息。同時，支持2G/3G/4G/5G、窄帶網絡（NB-IOT）、互聯網絡、北斗、GPS通信網絡等不同方式的接入將采集的數據傳輸到平臺層進行統一管理。

2.2 ?多源異構海量數據存儲與管理

項目數據嚴重依賴于采集時間、監測點多信息量大，具有典型的時序大數據特征。對于時序數據的存儲和處理往往采用關系型數據庫的方式進行處理，但由于關系型數據庫天生的劣勢導致其無法進行高效的存儲和數據的查詢。采用基于或圍繞Hadoop衍生擴展而出的相關大數據技術，充分利用Hadoop開源的優勢，通過建立統一的時空數據模型，將采集到的各類城市環境數據存儲起來，建立相應的數據庫，通過擴展和封裝Hadoop來實現對行業結構化/半結構數據化大數據存儲、分析的支撐，并進行管理和調用。針對時空監測數據查詢、統計、分析和預警等需求，采用分布式節點部署，自動對數據存儲進行負載調整，實現對多源異構海量數據的高速并行讀取，不僅解決傳統數據庫無法有效管理非結構化數據且效率低問題，還大幅提高數據容災能力。針對時間序列城市環境監測數據利用大數據技術可在存儲、查詢和展現進行優化，從而獲得極高的數據壓縮能力、極優的查詢性能，特別適用于存儲監測數據等物聯網應用場景的數據。

2.3 ?流計算模式下的動態數據實時處理

基于Spark技術建立一套高效、可容錯的準實時大規模流式處理框架，提供對結構或非結構化動態城市環境數據流進行實時地采集和分析，依靠并行計算架構將流式計算分解成一系列短小的批處理作業，實現各類城市環境數據的有效處理、集群的自動化運維，支撐各行業應用的有效運行。

2.4 ?智能分析及數據挖掘

依靠云平臺強大的云計算能力，通過實時數據接入系統，可以將傳感器、視頻告警、實時位置等數據接入分布式數據庫中，應用關聯分析、聚類分析、分類分析、回歸分析等算法對匯聚的多源城市環境數據進行分析重構，抽離核心邏輯，建立包含區域的城市地質環境關聯識別、監測預警、綜合評價等多種模型，提供基于數學模型的空間分析能力，為城市環境的應用及服務做好基礎。

3 ?主要功能

3.1 ?數據采集

城市環境數據格式多樣、數據量大小不一、監測頻率也各不相同，但是都需要匯入到平臺層進行統一管理，因此需要建立城市環境數據接入標準，包括各類城市環境數據上傳標準、設備通信協議等。依靠監測機制，以及各類監測設備與監測手段，通過建立基于感知設備進行智能監測數據采集，基于GPRS/4G、NB-IOT等數據傳視通信方式，將智能監測數據實時回傳至云平臺中，云平臺通過接收/解算服務實現數據的處理及可視化，如圖2所示。

3.2 ?數據存儲

監測數據存儲主要是實現長時間尺度和大區域尺度的城市環境各類監測數據管理，實現監測數據實時識別錄入。云平臺數據存儲部分采用海量分布式數據存儲和處理機制，主要負責前端設備的各種數據，包括結構化、非結構化、應用數據等；通過配置可支持海量數據存儲，可隨時按需要部署及在線擴展。

數據存儲系統使用分布式數據庫集群進行數據持久化存儲，使用高速緩存存儲高讀寫頻率數據。統一訪問接口針對高速緩存和數據持久化存儲提供一直的訪問接口，對外屏蔽高速緩存與數據持久存儲的差異，同時提供對海量數據的高速訪問。

對于文本數據的采集處理，平臺提供兩種方式：一是視頻、音頻、文檔等不可解析的非結構化文本數據可原樣匯入平臺層存儲；二是數據庫文件、Excel文件、JSON文件等可解析的半結構化文本數據可根據需要解析后匯入數據表進行存儲管理，也可原樣匯入平臺層進行存儲。數據管理功能如圖3所示。

3.3 ?指標體系管理

在現行城市環境各生態質量各要素調查、監測網絡體系數據獲取的基礎上，結合質量評價指標體系和評價結果，篩選敏感的、可連續、可量化及可獲取的指標，建立城市環境質量監測指標體系。基于多年長序列城市環境質量監測數據，分析預測城市環境質量評價各因子的發展趨勢，并劃分為變優、穩定、變劣等。

3.4 ?評價模型管理

基于城市環境各生態質量監測對象及指標，構建城市環境質量評價模型，周期性動態評價城市環境質量狀態的超載程度和發展趨勢，直接反映城市環境修復治理工程取得效果質量。根據不同的城市環境生態單元修復工程構建不同的城市環境質量評價模型，并完成程序化，后期根據區域變化，結合當地實際，可以增減影響指標和參數比重，重建適宜當地的城市環境質量評價模型。

3.5 ?數據分析處理

數據分析處理主要依托于分布式并行計算服務和插件式開發的挖掘算法，針對不同地區、不同城市單元，結合當地實際，自定義模型指標和參數，選取數據或指標進行模型計算。通過對城市環境數據進行海量信息處理，分布式并行計算服務保障了對大規模數據處理的可行性和高效性，可插拔式的挖掘算法對該系統功能的擴展提供了一個簡單可行的途徑。數據挖掘算法是結合城市環境業務分析的需要，主要提供的算法包括關聯分析、聚類分析、分類分析、回歸分析等。數據分析處理功能示意圖如圖4所示。

3.6 ?業務和數據應用

為滿足城市環境監測云平臺不同用戶的服務需求，在大數據、云計算和互聯網等技術的支持下，完成城市環境業務應用平臺的建設。

城市環境業務應用平臺是各類城市環境數據采集、管理的基礎數據生產、轉化為數據產品、信息產品的核心紐帶，是支撐業務部門服務輸出的工具平臺，通過業務應用平臺保障城市環境保護修復工程的實施和監管，輸出各類成果數據，為政府提供監管和決策支持。如通過監測采集的水質和水環境數據，建立該區域污染源與水環境質量的關聯識別，統計涉水企業及污水處理廠與對應受納水體的數據信息，明確涉水企業及污水處理廠的污水排放量、出水水質和標準，在線監測流域水環境質量，分析排污企業對水環境質量的影像程度，對超標排放企業進行重點監管，提出有針對性的整改對策，從而實現對點源的動態管控。基于動態監測的數據，對區域類環境承載力進行定期評價。以污染企業排放、水體富營養化等環境風險為主要監測預警對象。設定污染閾值，超過閾值自動報警，進行風險監測預警，將各類開發活動控制在承載能力之內。建立環境質量、企業污染物排放分級預警體系和環境質量與企業污染物排放之間聯動分析機制，對城市環境污染事故做到早發現、早接入、早控制。排污企業污染排放分析預警功能如圖5所示。

同時提供不用業務應用的數據接口，如基礎數據支撐、綜合信息展示、可視化展示和城市數據服務共享。云平臺支持分布式城市環境數據采集、傳輸、整合處理，及對這些資源的服務化封裝和統一注冊管理，從而為數據集成和業務協同系統提供健壯的技術基礎支撐。通過多源數據的匯集處理，實現該區域城市環境信息的綜合顯示和可視化展示，達到快速、直觀、全面的了解的目的。同時以服務的形式對外進行共享和發布，以實現數據互聯互通，共享開放。

數據應用重點解決分布式環境下的服務之間的可靠通信，數據的實時同步，統一的信息資源視圖，及不同業務應用下的數據共享。

4 ?結 ?論

本文結合前沿技術及生產生活中的應用場景，研究了基于物聯網的城市環境智能監測云平臺設計，后續可結合城市環境的具體業務目標，進行深入研究和細化，應用到實際場景中，進一步推動城市管理信息化，提高城市管理效率，促進城市可持續發展提供決策支持。

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作者簡介：孫方（1988—），女，漢族，湖北隨州人，高級工程師，碩士研究生，研究方向：計算機應用。