基于物聯(lián)網(wǎng)的城市環(huán)境智能監(jiān)測平臺研究

孫方 李娟 陳園

摘 ?要：充分利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等新技術，通過智能環(huán)境感知設備的接入，實現(xiàn)城市環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)采集、傳輸、接入、存儲、處理及數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)據(jù)應用等服務，從而打造監(jiān)測一體化的城市環(huán)境智能監(jiān)測平臺。用戶和決策層可以實時查看、準確掌握及監(jiān)控城市區(qū)域內(nèi)各類環(huán)境數(shù)據(jù)，結合智能模型的預測及分析功能，加強各類數(shù)據(jù)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(huán)境保護進行管理模式上的創(chuàng)新。

關鍵詞：城市環(huán)境；智能感知設備；監(jiān)測平臺；環(huán)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(huán)境是人類生存、生產(chǎn)和生活的必備條件。我國一直高度重視城市環(huán)境建設和保護，倡導“保護優(yōu)先、預防為主、綜合治理”的理念。但隨著社會經(jīng)濟的發(fā)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(chǎn)、生活及工業(yè)化活動的加劇，使得城市環(huán)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(huán)境帶來嚴重的破壞。

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

1 ?總體架構

基于物聯(lián)網(wǎng)的城市環(huán)境智能監(jiān)測平臺從技術實現(xiàn)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(tǒng)設計方法及基于SOA的設計思想和理念將云平臺進行適當?shù)姆謱雍吞幚怼Ｔ跐M足現(xiàn)有業(yè)務支撐的情況下，結合物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、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(tǒng)架構，并建立安全可靠的運維體系，遵循并完善標準規(guī)范，如圖1所示。

感知層通過應用衛(wèi)星、無人機、監(jiān)控設備、傳感器、手持設備、車載終端等傳感設備，在物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術下實現(xiàn)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(huán)境數(shù)據(jù)進行一體化采集和匯聚。該層為整個平臺提供新鮮的數(shù)據(jù)動力，為各業(yè)務應用提供數(shù)據(jù)支撐。

網(wǎng)絡層利用各種通信技術實現(xiàn)不同傳感設備監(jiān)測數(shù)據(jù)適配接入，將采集匯聚的各類城市環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸給平臺層進行存儲，并提供數(shù)據(jù)服務。

平臺層是實現(xiàn)城市環(huán)境業(yè)務應用系統(tǒng)開發(fā)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)綜合分析、展示及報表可視化展示等多種方式的業(yè)務應用支撐，全面支撐各類應用場景。系統(tǒng)需要的各類組件、服務、數(shù)據(jù)等資源，由平臺層負責統(tǒng)一管理、配置、調(diào)度和監(jiān)管。系統(tǒng)需按照信息資源規(guī)劃要求凝練相關業(yè)務規(guī)則，開發(fā)相關組件和服務，并實現(xiàn)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(huán)境一站式服務，如城市環(huán)境質量監(jiān)測、預警分析、數(shù)據(jù)共享和可視化平臺以及環(huán)境保護規(guī)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(yè)務應用，利用互聯(lián)網(wǎng)手段，助力城市環(huán)境數(shù)據(jù)的共享和研究，提供城市環(huán)境決策支持服務、規(guī)劃發(fā)展建議、城市環(huán)境各類數(shù)據(jù)共享與交換服務、專業(yè)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(huán)境監(jiān)測的應用場景，通過統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接入標準，支持各種傳感設備獲取需要監(jiān)測的信息。同時，支持2G/3G/4G/5G、窄帶網(wǎng)絡（NB-IOT）、互聯(lián)網(wǎng)絡、北斗、GPS通信網(wǎng)絡等不同方式的接入將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡脚_層進行統(tǒng)一管理。

2.2 ?多源異構海量數(shù)據(jù)存儲與管理

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

2.3 ?流計算模式下的動態(tài)數(shù)據(jù)實時處理

基于Spark技術建立一套高效、可容錯的準實時大規(guī)模流式處理框架，提供對結構或非結構化動態(tài)城市環(huán)境數(shù)據(jù)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(yè)，實現(xiàn)各類城市環(huán)境數(shù)據(jù)的有效處理、集群的自動化運維，支撐各行業(yè)應用的有效運行。

2.4 ?智能分析及數(shù)據(jù)挖掘

依靠云平臺強大的云計算能力，通過實時數(shù)據(jù)接入系統(tǒng)，可以將傳感器、視頻告警、實時位置等數(shù)據(jù)接入分布式數(shù)據(jù)庫中，應用關聯(lián)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(huán)境數(shù)據(jù)進行分析重構，抽離核心邏輯，建立包含區(qū)域的城市地質環(huán)境關聯(lián)識別、監(jiān)測預警、綜合評價等多種模型，提供基于數(shù)學模型的空間分析能力，為城市環(huán)境的應用及服務做好基礎。

3 ?主要功能

3.1 ?數(shù)據(jù)采集

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

3.2 ?數(shù)據(jù)存儲

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

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

對于文本數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)可原樣匯入平臺層存儲；二是數(shù)據(jù)庫文件、Excel文件、JSON文件等可解析的半結構化文本數(shù)據(jù)可根據(jù)需要解析后匯入數(shù)據(jù)表進行存儲管理，也可原樣匯入平臺層進行存儲。數(shù)據(jù)管理功能如圖3所示。

3.3 ?指標體系管理

在現(xiàn)行城市環(huán)境各生態(tài)質量各要素調(diào)查、監(jiān)測網(wǎng)絡體系數(shù)據(jù)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(xù)、可量化及可獲取的指標，建立城市環(huán)境質量監(jiān)測指標體系?；诙嗄觊L序列城市環(huán)境質量監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析預測城市環(huán)境質量評價各因子的發(fā)展趨勢，并劃分為變優(yōu)、穩(wěn)定、變劣等。

3.4 ?評價模型管理

基于城市環(huán)境各生態(tài)質量監(jiān)測對象及指標，構建城市環(huán)境質量評價模型，周期性動態(tài)評價城市環(huán)境質量狀態(tài)的超載程度和發(fā)展趨勢，直接反映城市環(huán)境修復治理工程取得效果質量。根據(jù)不同的城市環(huán)境生態(tài)單元修復工程構建不同的城市環(huán)境質量評價模型，并完成程序化，后期根據(jù)區(qū)域變化，結合當?shù)貙嶋H，可以增減影響指標和參數(shù)比重，重建適宜當?shù)氐某鞘协h(huán)境質量評價模型。

3.5 ?數(shù)據(jù)分析處理

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

3.6 ?業(yè)務和數(shù)據(jù)應用

為滿足城市環(huán)境監(jiān)測云平臺不同用戶的服務需求，在大數(shù)據(jù)、云計算和互聯(lián)網(wǎng)等技術的支持下，完成城市環(huán)境業(yè)務應用平臺的建設。

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

同時提供不用業(yè)務應用的數(shù)據(jù)接口，如基礎數(shù)據(jù)支撐、綜合信息展示、可視化展示和城市數(shù)據(jù)服務共享。云平臺支持分布式城市環(huán)境數(shù)據(jù)采集、傳輸、整合處理，及對這些資源的服務化封裝和統(tǒng)一注冊管理，從而為數(shù)據(jù)集成和業(yè)務協(xié)同系統(tǒng)提供健壯的技術基礎支撐。通過多源數(shù)據(jù)的匯集處理，實現(xiàn)該區(qū)域城市環(huán)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(fā)布，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，共享開放。

數(shù)據(jù)應用重點解決分布式環(huán)境下的服務之間的可靠通信，數(shù)據(jù)的實時同步，統(tǒng)一的信息資源視圖，及不同業(yè)務應用下的數(shù)據(jù)共享。

4 ?結 ?論

本文結合前沿技術及生產(chǎn)生活中的應用場景，研究了基于物聯(lián)網(wǎng)的城市環(huán)境智能監(jiān)測云平臺設計，后續(xù)可結合城市環(huán)境的具體業(yè)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(xù)發(fā)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。