大数据背景下智慧环保区域立体网格优化机制及构架研究

曾维佳 翟悦 于林林

摘要：本课题从大数据的技术背景出发，结合辽宁省智慧环保存在的问题，进行区域立体网格融合优化及应用框架构架。摒弃传统的点状环境质量监控技术，利用区域立体网格设计模式，完成感知层、数据传输层和应用服务层构架处理，实现运用大数据智能动态分析、及时预警、精准锁源和强化监管体系，为环境监控、执法、管理和应用提供数据支撑。

Abstract： Starting from the technical background of big data， this topic combines the problems of smart environmental protection in Liaoning Province to optimize the regional three-dimensional grid integration and application framework. It abandons the traditional point-like environmental quality monitoring technology， uses the regional three-dimensional grid design mode， completes the processing of the perception layer， data transmission layer and application service layer， and realizes the intelligent dynamic analysis， timely warning， accurate source lock and the supervision system by the use of big data， to provide data support for environmental monitoring， law enforcement， management and application.

关键词：智慧环保;大数据;立体网格优化;应用架构

Key words： smart environmental protection;big data;three-dimensional grid optimization;application architecture

中图分类号：TU71                                        文獻标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）28-0165-02

1  研究目的与意义

1.1 大数据和智慧环保  智慧环保是基于物联网技术、5G高速网络，以数据为核心，充分利用大数据、云计算等现代信息技术，将数据实现获取、传输、处理、分析和决策服务的过程。通过生态环境监测、预警、防控、执法和分析决策形成一体化的创新、智慧模式。在国家战略驱动下，环境产业迎来了很好的发展机遇，“一带一路”、构建人类命运共同体等全球战略让中国在可持续发展、气候变化等生态环境保护的重大课题上肩负了更大的责任与使命，环境产业将向高质量、纵深化、过程化、精细化和系统化全面过渡，同时，非常需要智慧化的支撑。

1.2 大数据和智慧环保区域立体网格机制形成一体化  智慧环保网格化模式是通过先进的环境监测监控系统，扎实的信息化基础平台建设以及全面完整的业务应用系统，以更加精细化、动态化、立体化的方式实现环境管理和决策的“智能化”“区块”结构，实现“广泛感知、大规模聚集、智能处理、及时响应”的“智能环保”建设目标。

1.2.1 感知层  应用可感知、测量、捕获和传递信息的设备、系统或流程，实现对环境质量、污染污染源、生态情况、辐射等环境因素的“更透彻的感知”。

1.2.2 传输层  利用环保专网、运营商网络，结合5G、卫星通讯等技术，将遥感监测、现场监测仪等获得的感知数据、政府信息共享服务中存储的环境信息进行交互和共享，实现“更全面的互联互通”。

1.2.3 智慧层  以云计算、虚拟化和高性能计算等技术手段，以及可视化技术，整合和分析海量的跨地域、跨行业的环境信息，实现海量数据存储、实时处理、深度挖掘和模型分析，实现“更深入的智能化”。

1.2.4 服务层  利用云服务模式，建立面向对象的信息服务门户，如政务公开、公众服务、互动交流和各业务应用系统，为环境质量、污染防治、生态保护、辐射管理等业务提供“更智慧的决策”。

2  辽宁省智慧环保发展现状分析

2.1 辽宁省智慧环保现状  辽宁省智慧环保从1996年萌芽经历了5个发展阶段，从最开始的在线监测到后来的网络化、物联网、信息资源共享，一直到现在的智慧环保。环境产业经过前10年的快速发展，形成了很大的存量市场，新增市场依然活跃，面向治理效果的系统服务需求更为突出。物联网、云计算、移动互联网等新一代信息技术在环保领域的深度融合应用是环保企业必须主动迎接的战略选择，智慧环保是未来发展大势所趋。

2.2 辽宁省智慧环保存在的问题

2.2.1 生态环境监测、预警与防控割裂，绿色发展与经济发展割裂  中国的环保理念存在的误区是“一刀切”治理，将生态环境监测、预警与防控割裂，将绿色发展与经济发展割裂。监测、预警与防控没有先后关系，生态资源不能单凭监测结果进行预警和防控，预警和防控过程不能“孤军”作战，必须“借道”监测过程科学舆情。因此，推动实现由生态环境监测、预警与防控构成的绿色发展与经济等领域建设的有机融合，才能真正让绿水青山成为金山银山。

2.2.2 区域立体网格化监测技术亟需加强  传统的近地环境监测技术仅能对单点环境结果进行监测，无法帮助确定环境问题的引发起源和整体扩散状态。因此，“区域三维网格化监测”将常规近地监测技术与地面遥感探测技术有效结合，建立全覆蓋一体化监测网络，形成三维监测体系，综合分析了区域污染的形成过程、污染表现特征、污染源在时间和空间纬度上的迁移来源，并利用环境因子和数据云对污染预测进行同化，提高了预测精度。

2.2.3 监测数据存储分析处理过程低效  在环境监测中采集到的原始数据量庞大、格式复杂、冗余度高，传统的数据处理模型花费的预处理代价高、实时性较差。因此，需要构建一个可靠的、具有良好扩展性能的、能够保存并处理海量数据的分布式处理方案。本课题引入大数据技术，对各类数据资源进行数据清洗、格式转换、去除重复的统一优化，提高智慧环保平台的自动监测和数据有效处理;另一方面也能够通过数据分析结果进行准确预警和防控，避免污染和灾情发生。

2.2.4 未建立互通、互联、互用、互补的数据共享平台  环保产业的演变历程，从1.0环保产业，到2.0的环境产业，再到3.0和4.0的绿色产业和两山产业，从传统在线监测，获取基本的数据，到面向效果的联网监测，数据的准确性也得到了提高。5G通信技术为智慧化带来的是生产方式变革，物联网、云计算、移动互联网等新一代信息技术在环保领域的深度融合应用是环保企业必须主动迎接的战略选择，实现环境信息的互通、互连、互用、互补，形成环境信息、知识、经验和技术的共享和应用刻不容缓。

3  区域立体网格优化机制及应用构架

3.1 区域立体网格融合优化  区域化立体网格数据共享系统建设要求以生态保护红线、环境质量底线、资源利用上线和环境准入负面清单为手段，强化空间、总量、准入环境管理，协调好发展与底线的关系，确保发展不超载。提出了“立体监测、精准研判、靶向管控、科学评估”为城市污染精准治理提供利了技术支撑和管理手段。

通过网格化监测实现集数据采集、存储、传输和管理于一体的单元布点管理模式，按照“网定格、格定则、责定人”的理念，建立“横向到边，纵向到底”的区域网格化监管平台。应用和集成智能环保技术，因地制宜灵活布点，实时统计网格中监测数据，同时结合大数据、物联网和智能采集系统，实时控制污染源、无组织排放热点、降低污染程度等综合管理，为节能减排、环境绿化方案提供可靠的数据信息和科学的辅助管理决策。

3.1.1 传统环境质量监测  传统环境质量监测多采用点状监控，由各级环境监测站构成，采取点状监控的模式，监测数据直接上传至环境监测总站，为各级政府的环境质量考核提供依据。该方式以监测站为主体，布局分散，无法做到各级各类监测数据系统互联共享、自动预警。

3.1.2 立体网格优化监测  与点状监控有所不同，网格化监控采用最新的基于NB-LoT小型化、微型化组合监测技术，以“全面布点、全面联网”为宗旨，通过大范围、高密度的网格组合布点，形成全区域无死角的立体检测在线监控网格，为科学治污、精准治污提供布局基础。

网格化监控与传统环境质量监测首要的差异，在于布点显著加密。一方面，进行网格化基础点位设置，在国控点周围多方位加密布点，另一方面，除网格化基础点位以外，对城市重要道路、敏感区域、建筑工地、产业集中区等污染多发地区也进行多维度布点，每10分钟传输一次数据，实时发现污染点，快速响应。同时，网格化监控从原有的监测点主体向政府主体转变，形成政府主导、部门协同、社会参与、公众监督的生态环境监测新格局。

3.2 区域立体网格应用框架  区域立体网格化监测终端系统由感知层、数据传输层和应用服务层三部分组成。

3.2.1 感知层智能监测设备  感知层智能化监测设备多采用现场端各类只能监测感知设备，对环境要素进行全面智能感知。前端设备包括主要设备和辅助设备。其中，主要设备指各类监测仪器和数据采集主控设备，如大气监测仪器包括PM2.5、PM10、气压、光照强度、空气温度湿度、风速风向，可通过数据采集设备进行各类数据上传工作。辅助设备主要包含安装仪器设备所需要的的安装固定装置等。

3.2.2 数据传输  数据传输可选用3G、4G、5G、GPRS无线传输方式，无线传输方便灵活，并可安全存储数据和设备工作状态。

3.2.3 应用服务层  应用服务层包括应用展示层、应用支持层、应用实例层和基础数据层四部分组成。

①应用展示层。应用展示层可通过WEB端、APP端和LED端等多种方式向用户展示平台界面。②应用支持层。应用支持层以大数据、云计算为手段，整合和分析立体网格中的环境信息，实现海量数据存储，实时处理和深度挖掘与分析。③应用实例层。应用实例层主要是对立体网格监测区域中各项数据参数进行监测预警及分析，对污染物的扩散曲线趋势进行推算等工作。④基础数据层和难以共享等问题。基础数据层可存储区域及设备数据、实时监测数据、历史数据整合等信息，解决信息资源管理分散、基础数据存储散乱、标准化差、应用服务适用度单一和难以共享等问题。

4  结语

通过构建基于NB-LoT的区域环境立体网格监测系统，可以全面监测区域污染状况，明确污染物的时空分布特征和污染源，建立污染的快速溯源分析能力。可对典型污染时段的“污染过程、污染特征、污染趋势”进行综合分析，并可追溯分析具体原因。同时，通过基于实时监测数据和数值模型的数据综合分析，建立和完善实时监测、预测预警、防控的业务应用系统，为污染保证方案和区域环境质量改善提供全面的数据支持。

参考文献：

[1]李琳.辽宁省环境保护“智慧化”多元感知体系发展研究[J].数码世界，2020，3.

[2]刘锐.“互联网+”智慧环保技术发展研究[J].中国工程科学，2020，7.

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[4]刘士清.环保大数据在智慧环保监管领域的应用探究[J].中国资源综合利用，2020（06）.

[5]王英俊.“互联网+”智慧环保生态环境多元感知体系发展分析[J].环境与发展2020（02）.

基金项目：2019年度辽宁省社会科学规划基金项目一般项目“大数据驱动下辽宁省生态环境监测、预警与防控立体网格优化构架研究”（项目编号：L19BGL044）。

作者简介：曾维佳（1984-），女，辽宁沈阳人，硕士，副教授，大连科技学院数字技术学院专任教师，研究方向为数据处理、信息安全、管理优化;翟悦（1984-），女，辽宁抚顺人，硕士，副教授，大连科技学院数字技术学院专任教师，研究方向为故障诊断、公共服务管理、网络安全;于林林（1982-），女，辽宁大连人，硕士，副教授，大连科技学院数字技术学院专任教师，研究方向为智能信息系统、计算机应用。