城市智能水环境监测平台的设计与实用性探讨

2020-12-11胡朝伟李利红

皮革制作与环保科技 2020年6期

胡朝伟李利红

（1.山东省日照生态环境监测中心 276800 2.山东我招我聘人力资源有限公司 250000）

0 引言

目前我国建立的水环境监测平台多以半自动化为主，这也降低了数据信息传输的及时性，使得很多环境污染治理措施的推行明显滞后。在智能化技术快速发展的背景下，为平台进行智能化升级奠定了坚实的基础，结合实际情况进行智能化监测平台建设，不仅可以提高数据采集的自动化，加快了数据信息的采集速度；而且能够提升数据分析结果的准确性，为环境治理方案的推行奠定坚实的基础。

1 水环境监测数据采集设备

1.1 水质传感器

水质传感器是一种检测装置，内部电极液和水中离子浓度差会在工作电极的膜两边产生电化学电压，电压通过高传导性的内部电极引到放大器，参考电极同样引到放大器的地点。通过检测一个精确的已知离子浓度的标准溶液获得定标曲线，从而检测水中的离子浓度。水质传感器是由数据感应模块、数据处理模块、无线通信模块、电源供应模块四部分组成，满足信息的采集、传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。数据感应模块负责监测区域内信息的采集和数据转换，主要由水质采集模块信号调理单元组成；数据处理模块负责控制整个传感器和处理监测数据，以及缓存其它节点发来的数据，主要由CPU处理单元和存储器组成；无线通信模块负责与其它节点进行无线通信、交换控制信息、收发监测数据，主要由DTU组成；供电模块负责对传感器节点的每个模块进行供电。

1.2 声学多普勒流速剖面仪

声学多普勒流速剖面仪（下简称ADCP）是一款多功能测流设备，它基于多普勒原理，利用矢量合成法，测量水流的垂直剖面分布。ADCP内有个声波换能器，向水体发送和接收声波脉冲。利用背向散射声波脉冲的多普勒频移可以连续地测量各层水体的三维流速。换能器向水体中发射的声波脉冲碰到水体中不均勾分布的微粒后，产生反射，其中的部分信号被换能器接收，被反射的声波脉冲频率所产生的红移或蓝移（称为多普勒频移），该频率变化取决于反射体的速度，即流速，ADCP可根据该多普勒频移计算出相对于的流速。除此之外，ADCP在工作的过程中，可以和全球定位系统关联在一起，这样可以得到准确的地理坐标，明确测速的具体位置。

2 平台搭建相关技术

2.1 SSH框架

进行平台搭建时，SSH框架属于常用的集成框架，其主要的应用结构可以分为以下三层：（1）Web应用层，该数据层的主要作用便是对数据信息进行采集，借助Web应用程序对框架进行管理时，能够很好地实现视图与模型地彻底分离，而且对于已经采集到的数据信息，也可以利用平台进行及时处理，而且一些数据信息也可以进行重新利用，这也提高应用层本身的灵活性与可维护性，进而提高了系统本身的工作效率。（2）业务逻辑层，智能化平台在工作过程中，需要对多项业务数据进行整理，同时还兼顾了信息的处理，在用户提出诉求之后，可以根据业务要求进行服务内容获取，从而提高业务提供的针对性。（3）数据访问层，采集到的数据信息都具备着较高的实用价值，在后期发展阶段也具备了较高的实用价值，因此访问层的作用是进行权限设置，以此来提高数据信息的可靠性。

2.2 ExtJS框架

和SSH框架相类似，进行平台搭建时，也会利用到ExtJS框架来辅助智能监测平台的建设，该平台在实际应用中，属于功能非常强大、软件包含度高、体系完善度高的Ajax框架，在工作过程中，客户端不需要安装任何插件就可以正常使用框架服务功能，结构的扩展性较强。并且在实际应用中，ExtJS框架在具体的应用过程中UI界面可以为用户提供桌面程序相类似的服务内容，并且在使用过程中，还具备了标准用户界面和相应的操作方式。另外，该框架对于各类型浏览器平台的兼容性较高，用户进行信息检索时，能够在短时间内快速获取到所需的数据信息内容，这也是搭建开发平台的重要保障之一。

2.3 二级缓存技术

为了提高数据信息的直观性，在采集到数据信息之后，会对其进行图表的制作，相较于单一的数据，图表所占内存较大，而且数据信息量较大，如果信息传输速度较慢，也将直接影响到数据信息查询速度。这样导致的界面情况会处于数据更新界面，影响到了用户的体验度。针对此类情况可以使用二级缓存技术进行处理，即将查询页面进行分页，利用传递参数page来获取目前页面的数据，同时对后续页面数据进行缓存，这样在用户下拉访问下一页数据时，已经缓冲好的数据可以及时呈现出来，从而提高了用户进行数据信息查询时的体验度，而且在应用中还可以减轻数据库的传输压力，提高了访问过程的反馈速度，提高了系统运行功能的可靠性[1]。

2.4 线程池技术

进行水资源智能监测平台设计的主要目的，便是提高数据信息的获取速度，以此来加快异常问题的处理效率。在具体的设计过程中，会在待测区域设计许多的监测点，这些监测点每分钟会进行一次数据传输，那么在监测点数量不断增加的背景下，所需要处理的数据总量也呈数量级的方式快速增加。并且在数据信息处理的过程中，如果每一监测点都建立一个数据库，或者以任务的形式进行该时间段的处理，虽然单次所需要的处理时间较少，但是数据总量非常大，重复的数据存储、处理、建库，会消耗许多的资源在线程上。因此需要借助线程池技术，对于已有线程进行循环利用，在遇到突发情况时也可以进行调整，从而提高了系统功能的稳定性[2]。

2.5 GIS技术

在数据信息应用的过程中，还需要监测点坐标进行准确定位，其主要的作用便是发现污染数据之后，可以迅速定位污染区域位置，及时前往该区域进行进一步监测，拟定合理地处理措施，从而提高监测结果的可靠性。在具体的应用过程中，会将监测设备和全球定位系统关联在一起，定期进行一次位置定位，在遇到恶劣天气导致设备丢失时，也可以借助定位快速找回，从而确保了数据信息更新的有效性和及时性[3-4]。

3 系统详细设计与实现

3.1 数据采集系统设计

在数据采集系统设计中，主要可以分为以下几个子系统：第一，传感器系统，这也是进行数据采集的基础设备，从实际应用情况来看，使用到的传感器有GPS传感器（用于坐标点定位）、水质传感器（区域水质数据采集）、气象传感器（区域气象数据采集）、罗盘传感器（监测点方向变化情况）、氮、氨氮、总磷传感器（进行氮、氨氮、总磷浓度的采集）。第二，通讯协议，这是确保数据信息可以顺利传输的基础条件，通讯协议需要具备较高兼容性，同时搭配相应的频带宽度，提高数据传输的及时性。第三，数据分析系统，主要工作内容是进行采集数据的分析处理，处理后的数据进行入库处理，以此来提高数据信息的应用应用价值[5]。

3.2 服务端的设计

在服务端设计过程中，主要包括了以下几部分内容：①数据持久层，对于存储的数据信息需要保存较长的时间，在具体应用中，会使用SSH框架辅助持久层搭建，以此来实现视图与模型地彻底分离，一些数据信息也可以进行重新利用，这也提高应用层本身的灵活性与可维护性[6]。②业务逻辑层，智能化平台在工作过程中，需要对多项业务数据进行整理，同时还兼顾了信息的处理，在用户提出申请之后，需要对其进行及时处理，并且提供的服务内容也会根据逻辑算法进行精准定位，以此来提高业务提供的针对性。③数据访问层，在服务端设计过程中，其最终的目的是可以为用户提供一些针对性的应用服务，而且监测点数据都具备着较高的实用价值，而且为了确保数据信息的安全性，还需要对访问层进行权限设置，从而提升数据信息的应用价值[7]。

3.3 Web页面的设计

在Web页面的设计过程中，为了满足基础的应用需求，需要从以下几方面进行功能实现：第一，对页面区域进行划分，一般情况下，可以将其划分为north、west、center三个区域，不同区域的功能也存在着一定地差异性。在north区域，页面显示的主要内容是系统标志和一些可供选项，便于用户缩小查询范围；在west区域，页面显示的主要内容是系统细化后的模块内容，便于用户进一步缩小查询范围；在center区域，页面显示的主要内容是系统一些功能叙述，这也便于用户了解系统的使用功能[8]。第二，页面维护系统，页面主要负责和用户进行信息交互，使用频次相对较高，维护系统的主要工作便是维持系统的正常运行，并且还会定期更新一些服务模块，以此来提高页面内容的丰富度，给予用户更好地服务体验。

3.4 系统实现功能要求

在完成系统设计后，系统需要具备以下的功能属性：第一，数据浏览，之前的章节中已经提到监测点每分钟都会进行一次数据传输，而且整理的数据信息会以图表的形式进行呈现，用户在浏览数据时，可以根据时间、位置、水深等关键词来完成信息获取，提高了信息获取的便捷性。第二，数据统计系统，监测平台需要定期进行一次数据信息的整理，其主要作用便是方便对近期监测区域水资源变化情况进行分析，常用的整理指标有最大值、最小值、污染物含量、溶解氧、平均值等。并且还会对这些整理的数据信息进行整理，以图表的方式输出到系统页面，常见的图表形式有柱状图、折线图、表格等[9]。

3.5 系统测试分析

3.5.1 功能测试

进入到系统功能测试阶段，主要的测试内容和测试要求如下：①内容：单位信息管理，要求：是否可以顺利完成内容添加、内筒删除、内容更新、内容查询等操作；②内容：人员信息管理，要求：是否可以顺利完成内容添加、内筒删除、内容更新、内容查询等操作；③内容：监测点和监测设备信息管理，要求：是否可以顺利完成内容添加、内筒删除、内容更新、内容查询等操作；④内容：系统指令设置，要求：是否可以顺利完成周期修改、指令是否可以顺利生成和执行；⑤内容：数据处理结果显示，要求：是否可以顺利完成折线图、列表、柱状图等通用报表形式输出；⑥内容：数据处理结果审核，要求：是否可以顺利完成数据审核工作，并对错误数据进行自动纠正。若上述指标均满足要求，那么表明设计的平台系统满足应用需求[10]。

3.5.2 性能测试

进入到系统性能测试阶段，主要的测试内容和测试要求如下：①数据子系统性能测试，主要的测试内容是对数据采集速度、数据传输速度、系统承载能力等内容进行采集，试验方式则是通过增加监测点数量来完成，根据数据统计结果来评价系统的合规性。②业务子系统性能测试，主要的测试内容是对单位时间内用户请求处理效率、访问数据列表时间间隔、访问图表时间间隔等内容，采用增加单位时间用户访问数量的方式来完成，根据数据统计结果来评价系统的合规性。