基于環(huán)境保護大數(shù)據(jù)的監(jiān)測與智能診斷研究

胡前明，金 松

（中國建筑第二工程局有限公司，北京 101100）

對環(huán)境質(zhì)量的監(jiān)測中，采集的信息包括空氣污染、水污染、土壤污染以及重金屬污染等方面，這些數(shù)據(jù)會形成一個大數(shù)據(jù)信息組，需要研究人員對該大數(shù)據(jù)組進行有效篩查和分析，建立有關的統(tǒng)計回歸模型。但環(huán)境保護的大數(shù)據(jù)通常會受到一系列因素的約束，例如信息采集設備、各種環(huán)境的影響，會導致收集的環(huán)境信息并不準確，也就無法有效地分析出環(huán)境情況。加上許多化工行業(yè)的安全預警機制較為薄弱，不能及時發(fā)現(xiàn)和消除安全隱患，這關乎于企業(yè)和國家的經(jīng)濟利益和環(huán)境安全，對此，需要通過大數(shù)據(jù)技術對環(huán)境保護的監(jiān)測和診斷進行優(yōu)化，從而促進環(huán)境保護。

1 大數(shù)據(jù)技術在環(huán)境保護應用中的現(xiàn)狀

2016年，我國生態(tài)環(huán)境部頒布了《生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)建設總體方案》，這一方案的頒布使國家在大數(shù)據(jù)技術方面的投入有所加大，目的就是希望提高生態(tài)環(huán)境的保護治理能力。而同時，方案里提出了關于生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)的總架構(gòu)，如圖1所示。

圖1 生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)管理工作機制示意圖

從圖1可以看出，生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)的管理工作機制包含了大數(shù)據(jù)應用平臺、管理平臺和環(huán)保云平臺三大平臺，以及標準規(guī)范體系和信息安全體系。雖然由于各地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展不一、機構(gòu)不完善等問題，大數(shù)據(jù)平臺的建設和應用還并不全面和完善，但其依然在環(huán)境管理上發(fā)揮了一定的作用。

1.1 大數(shù)據(jù)在化工生產(chǎn)中的應用現(xiàn)狀

目前，我國對環(huán)境污染進行研究的對象主要是空氣污染和水污染方面。土壤污染和固體廢棄物污染等雖然也是阻礙環(huán)境保護的重要因素，但由于其數(shù)據(jù)可得性具有限制，涉及這些污染物的環(huán)境保護問題還沒有得到重點的研究，但通過環(huán)境保護大數(shù)據(jù)所獲得的統(tǒng)計數(shù)據(jù)為研究人員進一步了解中國環(huán)境變化以及污染因素提供了很大的幫助。

在化工領域中，大數(shù)據(jù)技術的應用主要體現(xiàn)在化工生產(chǎn)的原料、風險評估以及安全管理等方面。在對化工生產(chǎn)原料進行勘探時，應用大數(shù)據(jù)最多的是油氣，它能夠?qū)Ａ康臍v史數(shù)據(jù)進行分析，有效提高油氣的采收率和產(chǎn)量，并且通過對地震等自然災害的綜合分析，改變油氣的開發(fā)方式，能夠為化工生產(chǎn)提供更智能的服務。

在對化工管道的內(nèi)外部進行監(jiān)測時，大數(shù)據(jù)的信息庫可以在管道數(shù)據(jù)庫的基礎上，對管道腐蝕的情況和相關數(shù)據(jù)進行分析，在得知管道會發(fā)生腐蝕的管段和概率后，在化工生產(chǎn)中就能篩選出最可能發(fā)生事故的地點，這比傳統(tǒng)監(jiān)測方式的成本低，并且準確度高，對于加強化工生產(chǎn)中的安全管理有重要意義。

雖然在化工行業(yè)中大數(shù)據(jù)技術應用的現(xiàn)狀取得了不小的成效，但可以發(fā)現(xiàn)化工行業(yè)只是將此技術應用于提高生產(chǎn)效率方面，缺少在環(huán)境保護方面的應用。但由于化工生產(chǎn)對環(huán)境具有很大的影響，大數(shù)據(jù)技術除了對化工生產(chǎn)起到提高效率及增強安全管理的作用以外，化工廠也應該建設基于環(huán)境保護的大數(shù)據(jù)系統(tǒng)，對環(huán)境進行有效的監(jiān)測和診斷，這是實現(xiàn)與化工效益同等重要的問題。

1.2 大數(shù)據(jù)技術給環(huán)境保護帶來的好處

當人們想要研究某一個科學問題時，即使是面對海量廣泛的數(shù)據(jù)，也會竭盡所能地主動挖掘這些數(shù)據(jù)中蘊含的信息，也許這些信息就是解決某一個問題的關鍵所在。而隨著用于環(huán)境保護的大數(shù)據(jù)技術的出現(xiàn)和發(fā)展，除了給環(huán)境研究灌注了新的動力，而且也帶來了許多好處。

（1）利用大數(shù)據(jù)對環(huán)境進行分析，可以對排放的污染物以更加微觀的角度來進行觀察和分析，從而避免原來由于宏觀上的研究而忽視了某些微小的個體差異。

（2）大數(shù)據(jù)在環(huán)境保護的應用使原本的環(huán)境經(jīng)濟成本得到精細化，在核算環(huán)境經(jīng)濟的成本和收益時，可以針對多種影響因素進行分析，有助于優(yōu)化環(huán)境保護措施。

（3）由于其他領域的大數(shù)據(jù)也逐漸深入人們的生活，用于環(huán)境保護的大數(shù)據(jù)與其他領域的大數(shù)據(jù)相互結(jié)合，可以展現(xiàn)出在環(huán)境保護中更全面的研究視角。

1.3 大數(shù)據(jù)技術在環(huán)境保護中面臨的挑戰(zhàn)

基于環(huán)境保護的大數(shù)據(jù)無疑能夠給環(huán)境保護的科學研究帶來許多正面影響，但由于它面臨的一些挑戰(zhàn)，環(huán)境保護大數(shù)據(jù)的應用還有待完善和發(fā)揮出它最大的效果。在處理數(shù)據(jù)和研究方法方面，環(huán)境研究人員在來源多樣、具有復雜差異的眾多數(shù)據(jù)中獲取、識別和校驗數(shù)據(jù)時需要克服極大的學科門檻，因為環(huán)境問題是從自然科學問題中引申出來的，對龐大繁雜的數(shù)據(jù)進行處理自然并不是環(huán)境研究人員的強項所在，因此對于他們來說是一個極大的挑戰(zhàn)。同時，由于對專業(yè)知識的理解和應用不同，當環(huán)境中出現(xiàn)不同的污染物時，不同污染物對環(huán)境影響的時間、空間以及影響對象都是不同的，并且都需要具有說服力的理論或數(shù)據(jù)來支持這些差異的發(fā)現(xiàn)，但因為研究人員研究思路的不同，往往會在與其他研究人員的交流中出現(xiàn)屏障。

環(huán)境保護大數(shù)據(jù)的研究人員不僅僅局限于具備關于環(huán)境專業(yè)的知識，還需要清楚在采用大數(shù)據(jù)進行研究時所需的技術和方法，也就是說，研究人員還需提升例如機器的學習、復雜的網(wǎng)絡分析以及自然語義的處理等方面的能力，在掌握了關于環(huán)境保護大數(shù)據(jù)的新技術以后，才能夠與其他領域的研究人員進行協(xié)作，開展更加深入的研究。

2 環(huán)境保護大數(shù)據(jù)技術在環(huán)境監(jiān)測中的問題

2.1 與傳統(tǒng)工作理念存在沖突

大數(shù)據(jù)是隨著環(huán)境、時間等不斷變化的，在大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫中，所呈現(xiàn)出來的就是在不斷更新和積累的一個數(shù)據(jù)庫，雖然自動更新的功能為不少研究者減輕了一些負擔，但在對大數(shù)據(jù)進行研究時，兩者還是會存在不可避免的問題。

2.1.1 對數(shù)據(jù)的理解不一

在大數(shù)據(jù)中呈現(xiàn)出來的往往具有連續(xù)性的數(shù)據(jù)流，其中包含了許多信息，但只是單獨看這些數(shù)據(jù)其實并不能得到什么有效的信息，通常需要將數(shù)據(jù)相互關聯(lián)起來，才能夠反映出數(shù)據(jù)庫真正想要傳遞的信息。但在傳統(tǒng)工作上，研究人員往往不會對收集而來的所有數(shù)據(jù)都進行分析，而是通過某一個指標來看待問題，例如污染物濃度，可能只是依據(jù)這一個數(shù)據(jù)的變化，就會決定是否開展后續(xù)的工作。

因此，習慣了傳統(tǒng)工作方式的研究人員在接觸環(huán)境大數(shù)據(jù)系統(tǒng)時，研究人員對數(shù)據(jù)庫反映出來的信息會較難理解，并且忽略了對數(shù)據(jù)的確認和篩選，由于存在無效和敏感的數(shù)據(jù)，得出的結(jié)果可能就并不準確，還會造成一定的損失。

2.1.2 解決問題的思路不一

在傳統(tǒng)的工作理念中，當研究人員遇到問題時，會先找出并分析問題產(chǎn)生的原因，并且尋找可以解決問題的方法，但在環(huán)境保護的大數(shù)據(jù)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)庫可以對各種數(shù)據(jù)進行分析，對問題分析的結(jié)果在一定程度上取代了因果關系，能夠讓研究者了解問題發(fā)生的經(jīng)過，而略過了傳統(tǒng)工作中的因果關系分析，甚至于數(shù)據(jù)庫可以直接改變數(shù)據(jù)的預期，給出關于事件的結(jié)果預期和建議。

2.2 在技術層面面臨的問題

2.2.1 有效數(shù)據(jù)在整合時的難度較大

數(shù)據(jù)的收集是大數(shù)據(jù)系統(tǒng)前期的主要工作，但收集的數(shù)據(jù)質(zhì)量其實難以保障，因為在當前的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的時效性較差，容易出現(xiàn)收集的數(shù)據(jù)有效性不高的情況。從客觀角度來看，這是由于大數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡前端進行數(shù)據(jù)搜集和處理的設備不夠先進，若監(jiān)測設備的點位放置不合理，都有可能導致數(shù)據(jù)的精確度不夠，在整體數(shù)據(jù)中的代表性不強。而隨著大數(shù)據(jù)系統(tǒng)的運行，監(jiān)測設備會逐漸出現(xiàn)老化和故障，在信息整合時的難度也會加大。

2.2.2 系統(tǒng)建設的成本高

除了將大數(shù)據(jù)技術應用于環(huán)境監(jiān)測中需要花費系統(tǒng)建設成本以外，在云計算和數(shù)據(jù)分析庫等其他技術方面中也同樣需要投入大量資金。而隨著環(huán)境保護大數(shù)據(jù)系統(tǒng)逐漸廣泛和持續(xù)性地應用，在維護軟件、更新算法等方面還會產(chǎn)生大部分的運行成本，因此，在建設環(huán)境保護大數(shù)據(jù)系統(tǒng)時，不能忽略其在技術上將會發(fā)生的成本，而正是因為系統(tǒng)建設成本高，才會導致環(huán)境保護大數(shù)據(jù)難以在環(huán)境監(jiān)測和智能診斷中被廣泛應用。

3 大數(shù)據(jù)技術對環(huán)境監(jiān)測和智能診斷的重要性

3.1 大數(shù)據(jù)系統(tǒng)對環(huán)境監(jiān)測工作的重要性

環(huán)境監(jiān)測就是對環(huán)境中各類污染物的產(chǎn)生、流向、排放和治理問題進行專業(yè)化的抽樣分析，管理者通過查看環(huán)境監(jiān)測中反映出來的情況，就能夠了解環(huán)境的整體污染情況，并且預測環(huán)境質(zhì)量的變化趨勢，這對于建筑公司來說，無非是一個非常有效的幫手。

化工工作方面需要格外注意化工生產(chǎn)給環(huán)境帶來的污染，如果能通過環(huán)境保護大數(shù)據(jù)來對工作中的環(huán)境進行監(jiān)測，就能夠及時通過系統(tǒng)的算法來分析與環(huán)境質(zhì)量相關的數(shù)據(jù)，針對分析的結(jié)果來制定下一步的工作方向。建有大量基礎監(jiān)控點形成的環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡，能夠?qū)Νh(huán)境實行動態(tài)監(jiān)測，便于相關部門及時收到環(huán)境信息，同時，由于檢測人員的工作時間非常有限，通過大數(shù)據(jù)系統(tǒng)進行的環(huán)境監(jiān)測也能夠有效提高工作效率。

3.2 大數(shù)據(jù)系統(tǒng)對環(huán)境智能診斷的重要性

用傳統(tǒng)方式對環(huán)境進行診斷時，由于人工的限制，可能需要每個月或每個季度才能對環(huán)境進行一次監(jiān)測和診斷，但是將大數(shù)據(jù)技術利用到智能診斷中，大數(shù)據(jù)的對比分析功能可以讓研究者準確地得到當下環(huán)境的空氣質(zhì)量情況，具有非常強的診斷效果，并且能夠在大數(shù)據(jù)系統(tǒng)中對空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)設定固定的區(qū)間，從而將環(huán)境污染的程度進行排序，這不僅為研究人員提供了便利，還能夠讓環(huán)境診斷工作變得高效，在解決環(huán)境問題時也不會措手不及。

4 如何在環(huán)境監(jiān)測和智能診斷中應用大數(shù)據(jù)技術

既然環(huán)境保護大數(shù)據(jù)系統(tǒng)的建設成本如此高，那在各領域里是否還有必要運用這一系統(tǒng)技術來促進環(huán)境保護呢？答案自然是有必要的，這也會在時代發(fā)展中逐漸成為一種統(tǒng)一趨勢，因為其對數(shù)據(jù)的處理和分析效率不僅能節(jié)省出不少時間成本，也是研究人員所無法比較的。

4.1 基于大數(shù)據(jù)技術設計有效的環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)

在對環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)進行設計時，需要考慮到軟件與硬件的設計都要與系統(tǒng)的實際需求保持一致，也就是因地制宜地設計系統(tǒng)，以便于系統(tǒng)能夠更好地適應環(huán)境，帶來更好的監(jiān)測效果。

在大數(shù)據(jù)技術應用在環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設計過程中，硬件方面主要是關于監(jiān)測站點的設置，合適的監(jiān)測站能夠保證對數(shù)據(jù)的搜集是有效的，獲得的數(shù)據(jù)信息通過互聯(lián)網(wǎng)可以快速地反饋給監(jiān)控中心，通過數(shù)據(jù)庫服務器和內(nèi)網(wǎng)應用服務器對數(shù)據(jù)進行進一步的解析，而在這一過程中需要對數(shù)據(jù)設置合理的鏈接結(jié)構(gòu)，保證傳送給監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)準確、及時并且可靠。

在對數(shù)據(jù)的應用層進行設計時，可以將其分為五個模塊，分別是數(shù)據(jù)查詢模塊、數(shù)據(jù)評價模塊、發(fā)展趨勢預測模塊、報警模塊以及數(shù)據(jù)模塊。這五個模塊能夠根據(jù)監(jiān)測站獲取信息的情況對數(shù)據(jù)進行有效利用，并且在發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)超出最高環(huán)境污染區(qū)間時能夠及時地啟用報警模塊，將環(huán)境重度污染這一信息及時地反饋給監(jiān)測中心，但在從監(jiān)控中心傳達到公眾用戶的層面，若是公司是為了有效控制內(nèi)部工作而建立的獨立的環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，則可以去掉這一環(huán)節(jié)。

4.2 將環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)應用于化工行業(yè)

由于化工廠釋放出的廢料和廢氣對環(huán)境污染的現(xiàn)象非常嚴重，有些甚至影響到了周圍居民的正常生活，因此對于化工行業(yè)來說，報警模塊的設立有利于工廠及時放緩或更改正在進行的工作，對過量的污水進行規(guī)范排放等，在市民或公眾得知這一信息后，也能夠?qū)ψ约旱某鲂杏媱澾M行調(diào)整，并且增強個人的環(huán)境保護意識。

在工廠設立監(jiān)測站時，除了對一般的污染物質(zhì)進行監(jiān)測以外，還應當添加對污水、煙氣、有毒有害氣體等的監(jiān)控系統(tǒng)，并且可以在化工場地安裝與實時監(jiān)測系統(tǒng)相關聯(lián)的自動裝置，當監(jiān)測到環(huán)境中的廢氣pH不在正常范圍時能夠?qū)崿F(xiàn)自動噴淋，對酸性廢氣噴淋堿性液體，對堿性廢氣噴淋酸性液體，達到自主污染防治作業(yè)的效果，從而提高化工場地的環(huán)境，滿足化工行業(yè)需要遵循的環(huán)保要求。

5 結(jié)束語

為了經(jīng)濟、社會等方面的協(xié)調(diào)發(fā)展，我國化工園區(qū)的規(guī)劃數(shù)量逐漸增多，而在化工生產(chǎn)中會使用大量的煤、石油和天然氣等能源，會產(chǎn)生許多廢氣、廢液和廢渣等物質(zhì)，這些物質(zhì)沒有消除的辦法，便只能排放在環(huán)境中，不僅對環(huán)境造成了極大的破壞，也對人類的健康產(chǎn)生了重大影響。因此，各化工廠應當加強對周邊環(huán)境的監(jiān)管，有效控制在化工生產(chǎn)時造成的環(huán)境污染，合理應用大數(shù)據(jù)技術，提升化工廠的環(huán)境監(jiān)管和智能診斷的效果。