基于大數(shù)據(jù)的機(jī)動(dòng)車環(huán)污檢測系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

李劍 曹文雅

（河北云聯(lián)網(wǎng)絡(luò)科技有限公司 河北省石家莊市 050000）

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和國家環(huán)保工作的縱深推進(jìn)，機(jī)動(dòng)車排氣污染排放占大氣污染物排放比重越來越大，導(dǎo)致空氣中各種污染物的數(shù)量和濃度呈逐年上升趨勢，嚴(yán)重危及人類的健康。雖然各市、省都在建立機(jī)動(dòng)車污染大氣防止系統(tǒng)，但由于各類系統(tǒng)數(shù)據(jù)較為分散，無法形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式，并且隨著時(shí)間的推移，數(shù)據(jù)量呈現(xiàn)爆炸式增長，這也大大的為管理人員造成了數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、及時(shí)性的困擾。本文從機(jī)動(dòng)車環(huán)污檢測系統(tǒng)出發(fā)，在原有數(shù)據(jù)收集基礎(chǔ)上建立以Hadoop 為集群的大數(shù)據(jù)集群，在數(shù)據(jù)收集時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并直接將數(shù)據(jù)灌入大數(shù)據(jù)集群中，在短時(shí)間內(nèi)將大量數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)計(jì)算，最終為領(lǐng)導(dǎo)層提供全省機(jī)動(dòng)車現(xiàn)狀及污染物排放數(shù)據(jù)支撐。

2 相關(guān)工作

2.1 Hadoop平臺(tái)簡介

Hadoop 由HDFS、MapReduce、YARN、Common 四個(gè)模塊組成，HDFS：高吞吐量的分布式文件系統(tǒng)；MapReduce：分布式的離線并行計(jì)算框架；YARN：任務(wù)調(diào)度與資源管理；Common：為其它模塊提供基礎(chǔ)設(shè)施。如圖1所示。

2.2 Hadoop核心設(shè)計(jì)

Hadoop 核心設(shè)計(jì)如圖2所示。

2.2.1 HDFS

是Hadoop 中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理的基礎(chǔ)，是一個(gè)高度容錯(cuò)的系統(tǒng)，能檢測和應(yīng)對(duì)硬件故障。它以流式訪問模式訪問應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)，這大大提高了整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐量，因而非常適合用于具有超大數(shù)據(jù)集的應(yīng)用程序中。

HDFS 架構(gòu)采用主從架構(gòu)（master/slave）。一個(gè)典型的HDFS集群包含一個(gè)NameNode 節(jié)點(diǎn)和多個(gè)DataNode 節(jié)點(diǎn)。HDFS 通過NameNode、DataNode 和Client 來進(jìn)行文件系統(tǒng)的管理，NameNode 是分布式文件系統(tǒng)中的管理者，主要負(fù)責(zé)文件系統(tǒng)中的命名空間、集群配置信息和存儲(chǔ)塊的復(fù)制等；DataNode 是文件存儲(chǔ)的基本單元，它將文件塊存儲(chǔ)在本地文件系統(tǒng)中，并且周期性地將所有存在的文件塊信息發(fā)送給NameNode；Client 是需要獲取分布式系統(tǒng)文件的應(yīng)用程序。

MapReduce 是一個(gè)高性能的分布式計(jì)算框架，用于對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行并行分析和處理。與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)倉庫和分析技術(shù)相比，MapReduce 更適合處理結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。MapReduce 任務(wù)運(yùn)行在多個(gè)服務(wù)器上，指定一個(gè)Map（映射）函數(shù)，用來把一組鍵值對(duì)映射成一組新的鍵值對(duì)，指定并發(fā)的Reduce（歸約）函數(shù)，用來保證所有映射的鍵值對(duì)中的每一個(gè)共享相同的鍵組。把一堆雜亂無章的數(shù)據(jù)按照某種特征歸納起來，然后處理并得到最后的結(jié)果。Map 面對(duì)的是雜亂無章的互不相關(guān)的數(shù)據(jù)，它解析每個(gè)數(shù)據(jù)，從中提取出數(shù)據(jù)的特征（Key 和Value）。經(jīng)過MapReduce的Shuffle 階段之后，在Reduce 階段看到的都是已經(jīng)歸納好的數(shù)據(jù)。

2.3 ETL工具Kettle簡介

Kettle 是一個(gè)組件化的集成系統(tǒng)，包括如下幾個(gè)主要部分：

（1）Spoon：圖形化界面工具(GUI 方式)，Spoon 允許你通過圖形界面來設(shè)計(jì)Job 和Transformation，可以保存為文件或者保存在數(shù)據(jù)庫中。也可以直接在Spoon 圖形化界面中運(yùn)行Job 和Transformation。

圖1

（2）Pan：Transformation 執(zhí)行器(命令行方式)，Pan 用于在終端執(zhí)行Transformation，沒有圖形界面。

（3）Kitchen：Job 執(zhí)行器(命令行方式)，Kitchen 用于在終端執(zhí)行Job，沒有圖形界面。

（4）Carte：嵌入式Web 服務(wù)，用于遠(yuǎn)程執(zhí)行Job 或Transformation，Kettle 通過Carte 建立集群。

（5）Encr：Kettle 用于字符串加密的命令行工具，如：對(duì)在Job 或Transformation 中定義的數(shù)據(jù)庫連接參數(shù)進(jìn)行加密。

圖2

3 研究概況

此次研究數(shù)據(jù)來源主要包含：車輛定期檢驗(yàn)數(shù)據(jù)、車輛遙感抓拍數(shù)據(jù)、車輛路檢路查數(shù)據(jù)、車輛黑煙車抓拍數(shù)據(jù)、車輛OBD 遠(yuǎn)程在線監(jiān)控車輛數(shù)據(jù)。此次研究采用以上五類數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，采用Hadoop 集群對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行ETL 數(shù)據(jù)清洗、轉(zhuǎn)換、歸類，形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)資源池，供系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)取及展示，通過一系列數(shù)據(jù)處理后，查看系統(tǒng)在保證數(shù)據(jù)一致性、完整性、實(shí)時(shí)性的基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)取時(shí)性能指標(biāo)是否滿足日常需求，為領(lǐng)導(dǎo)層提供決策支撐。

心怡說：“我們的爺爺奶奶，外公外婆，他們是50后或60后，他們剩下的日子不是很多了，我的外公外婆身體也不好了，我很難受?！边@時(shí)，教室里一片沉默。

4 詳細(xì)描述

此次研究涉及到的五類數(shù)據(jù)量級(jí)依次為：定期檢驗(yàn)數(shù)據(jù)、遙感抓拍數(shù)據(jù)、路檢路查數(shù)據(jù)、黑煙車抓拍數(shù)據(jù)采取2018年-2019年兩年（4TB）的全省數(shù)據(jù)進(jìn)行研究；OBD 遠(yuǎn)程在線監(jiān)控車輛數(shù)據(jù)采用2019年1-6月份（10TB）的數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。

此次研究搭建的系統(tǒng)采用Hadoop 分布式系統(tǒng)的基礎(chǔ)架構(gòu)；采用Hbase 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分布式存儲(chǔ)；采用Hive 數(shù)據(jù)倉庫工具對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取、轉(zhuǎn)化、加載、查詢、分析等；采用sqoop 在Hive 與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，采用zookeeper 為整個(gè)分布式應(yīng)用提供一致性服務(wù)，包含配置維護(hù)、分布式同步等。集群采用1 主節(jié)點(diǎn)5 從節(jié)點(diǎn)及1 主節(jié)點(diǎn)10 從節(jié)點(diǎn)的兩種方式進(jìn)行。

依次將五類數(shù)據(jù)灌入到Hadoop 集群中，車輛信息以定期檢驗(yàn)數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，建立基于一車一檔的車輛基本信息，將定期檢驗(yàn)、遙感抓拍、路檢路查、黑煙車抓拍數(shù)據(jù)中的超標(biāo)數(shù)據(jù)建立超標(biāo)數(shù)據(jù)資源庫，按照汽油、柴油對(duì)車輛進(jìn)行分類，柴油車中按照車輛總質(zhì)量進(jìn)行詳細(xì)分類，對(duì)于重型柴油車篩選出高排放車輛并建立高排放車輛資源池，進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控。將OBD 遠(yuǎn)程在線監(jiān)控車輛進(jìn)行車輛信息匹配，獲取各個(gè)車輛的排放階段以及上傳的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，以國標(biāo)為依據(jù)進(jìn)行超標(biāo)數(shù)據(jù)篩選，對(duì)OBD 遠(yuǎn)程在線監(jiān)控車輛進(jìn)行ETL 數(shù)據(jù)提取、轉(zhuǎn)化、加載后存入至正式資源庫中，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)計(jì)算，供數(shù)據(jù)匹配及查詢分析。將高排放車輛匹配OBD 遠(yuǎn)程在線監(jiān)控車輛，進(jìn)行車輛運(yùn)行軌跡數(shù)據(jù)篩選，并耦合至地圖中，根據(jù)排放因子對(duì)高排放車輛污染物計(jì)算，在地圖中標(biāo)注出污染較為嚴(yán)重的主要國道、省道、高速、鄉(xiāng)道等。以黑煙車數(shù)據(jù)抓拍為基礎(chǔ)，匹配定期檢驗(yàn)、遙感抓拍、路檢路查數(shù)據(jù)，進(jìn)行匹配溯源，以車輛品牌、車輛型號(hào)、發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)等為粒度，進(jìn)行數(shù)據(jù)分類展示。

在進(jìn)行OBD 遠(yuǎn)程在線監(jiān)控車輛時(shí)，系統(tǒng)首次引用了污染管控及環(huán)境參數(shù)，在天氣晴朗及重污染天氣下，分別對(duì)某地區(qū)環(huán)境污染物濃度進(jìn)行監(jiān)測。同一環(huán)境參數(shù)下，過往車輛對(duì)于此地區(qū)的環(huán)境污染物濃度影響較大。

在系統(tǒng)滿足以上所有指標(biāo)的基礎(chǔ)上，生成以上五類數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)總量為1TB，作為系統(tǒng)實(shí)時(shí)性性能指標(biāo)測試的基礎(chǔ)，在以上14TB數(shù)據(jù)處理后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行查看，是否滿足目前應(yīng)用與管理的要求，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化測試。將1TB 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)灌入集群中，查看集群負(fù)載及運(yùn)行狀況，在系統(tǒng)中查看數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)展示效果，是否滿足需求。

5 預(yù)期結(jié)果

5 節(jié)點(diǎn)集群對(duì)于上述15TB 數(shù)據(jù)處理上能基本滿足應(yīng)用需要，但在實(shí)時(shí)性上無法保證是否滿足系統(tǒng)性能要求；10 節(jié)點(diǎn)集群則能完全滿足上述15TB 數(shù)據(jù)處理，并且在實(shí)時(shí)性上可以滿足系統(tǒng)性能要求，對(duì)于節(jié)點(diǎn)數(shù)量的不同，主要差別在于數(shù)據(jù)容量及數(shù)據(jù)處理能力上，經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)后，實(shí)驗(yàn)表明在以上數(shù)據(jù)量級(jí)的基礎(chǔ)上，1 主節(jié)點(diǎn)10 從節(jié)點(diǎn)完全滿足管理部門日常需要并且在數(shù)據(jù)容量擴(kuò)展上也基本滿足數(shù)據(jù)存儲(chǔ)要求，數(shù)據(jù)完整性、一致性、實(shí)時(shí)性上能做到快速處理并呈現(xiàn)的要求。

6 總結(jié)

通過Hadoop 集群對(duì)15TB 的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及展示，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)在性能要求上，10 節(jié)點(diǎn)的集群相較于5 節(jié)點(diǎn)的集群，數(shù)據(jù)處理能力上有很大的提升，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性上面，最大延遲在90 秒之內(nèi)，符合目前應(yīng)用與管理的要求。溯源的超標(biāo)數(shù)據(jù)及高排放數(shù)據(jù)，經(jīng)過應(yīng)用系統(tǒng)及視頻監(jiān)控系統(tǒng)確認(rèn)后，均為可利用的超標(biāo)數(shù)據(jù)，此類數(shù)據(jù)進(jìn)行分類歸檔，為后續(xù)業(yè)務(wù)檢查及執(zhí)法提供數(shù)據(jù)來源及執(zhí)法依據(jù)。

在進(jìn)行OBD 遠(yuǎn)程在線監(jiān)控車輛時(shí)，對(duì)某地區(qū)進(jìn)行環(huán)境污染物濃度監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)在同一環(huán)境參數(shù)下，過往車輛對(duì)于地區(qū)的環(huán)境污染物濃度影響較大，系統(tǒng)在這一基礎(chǔ)上，即會(huì)采取重污染天氣應(yīng)急污染管控措施，對(duì)重污染區(qū)域采用限行，工業(yè)企業(yè)減排等手段。對(duì)于發(fā)現(xiàn)高排放車輛連續(xù)使用排放超標(biāo)的情況，可進(jìn)行設(shè)置道路卡口的方式對(duì)此類車輛進(jìn)行攔截，并指定維修點(diǎn)進(jìn)行維修，為防治大氣污染提供有力的數(shù)據(jù)支撐。