上海水環(huán)境系統(tǒng)設(shè)施監(jiān)控預(yù)警數(shù)據(jù)分類的研究

龔岳松，呂文斌，高芳琴，潘崇倫

（上海市水務(wù)信息中心，上海 200050）

0 引言

城市水環(huán)境管理是個系統(tǒng)工程，涉及到地表水、地下水、供水、用水、排水、再生水、垃圾處理等多個領(lǐng)域，彼此之間相互聯(lián)系。在上海水環(huán)境系統(tǒng)設(shè)施監(jiān)控預(yù)警數(shù)據(jù)（以下簡稱預(yù)警數(shù)據(jù)）體系研究中，城市水環(huán)境系統(tǒng)設(shè)施的范圍定義為城市排水、污水（包括再生水、污泥、滲濾液）處理等設(shè)施，以及城市河湖水體、生態(tài)緩沖區(qū)[1-2]。

隨著社會經(jīng)濟快速發(fā)展，上海水環(huán)境污染和由此造成的人身傷害日益引起重視，上海水環(huán)境的管理監(jiān)控也顯得愈發(fā)重要。雖然目前上海地區(qū)針對城市水體、排水、污水等管理需求建設(shè)了一批城市水環(huán)境相關(guān)的信息采集和監(jiān)控系統(tǒng)，但由于各部門建設(shè)的水環(huán)境相關(guān)采集系統(tǒng)自成一體，各自立網(wǎng)；各管理部門之間的數(shù)據(jù)相對獨立，在數(shù)據(jù)分類、統(tǒng)計粒度等方面均不統(tǒng)一，缺乏共享機制，數(shù)據(jù)的利用率較低。因此，通過研究預(yù)警數(shù)據(jù)體系，形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)體系框架和管理模式，促進水環(huán)境設(shè)施管理的現(xiàn)代化，是目前需要迫切解決的問題。

1 研究思路

在研究適合上海水環(huán)境系統(tǒng)設(shè)施監(jiān)控預(yù)警數(shù)據(jù)體系過程中，分析系統(tǒng)輸入和輸出數(shù)據(jù)，對預(yù)警數(shù)據(jù)提出分類方法，梳理分類關(guān)系，對各類監(jiān)控預(yù)警數(shù)據(jù)進行規(guī)范，制定合理的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)和存儲模式，形成統(tǒng)一的命名規(guī)范、庫表結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)細粒度，為數(shù)據(jù)的存儲、交換、傳輸?shù)茸龊娩亯|，從而實現(xiàn)各部門之間城市水環(huán)境系統(tǒng)設(shè)施監(jiān)控預(yù)警數(shù)據(jù)的有效交換和共享。

2 分類方法

在對上海水環(huán)境系統(tǒng)設(shè)施監(jiān)控中面臨的多源異構(gòu)、復(fù)雜多變、分布廣泛的數(shù)據(jù)進行分析和匯總后，提出從管理層級、數(shù)據(jù)來源和結(jié)構(gòu) 3 個維度對上海水環(huán)境系統(tǒng)設(shè)施監(jiān)控數(shù)據(jù)進行分層，分類，規(guī)范。同時結(jié)合上海實際，為實現(xiàn)與國家、區(qū)縣等多級互聯(lián)的監(jiān)控預(yù)警網(wǎng)絡(luò)，提出數(shù)據(jù)統(tǒng)一的交換模式的設(shè)計。

2.1 按照管理層級分類

自下往上依次分為生產(chǎn)企業(yè)級、地市（區(qū)縣）管理級、省管理級和國家管理級 4 個級別，關(guān)系圖如圖 1 所示。圖 1 所示數(shù)據(jù)交換平臺按照“統(tǒng)一建設(shè)、分級交換”的體系原則，由國家統(tǒng)建，各省級、地市（區(qū)縣）、企業(yè)級參與負責各自數(shù)據(jù)的交換工作。預(yù)警數(shù)據(jù)在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交換平臺上依次從生產(chǎn)企業(yè)級向地市（區(qū)縣）、省、國家管理級抽取上報，然后再從國家管理級依次向下下達，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一建設(shè)和分級交換，以及數(shù)據(jù)的共享、傳輸?shù)取?/p>

圖1 按管理層級分類關(guān)系圖

2.2 按照數(shù)據(jù)來源分類

可以分為城市排水、污水處理系統(tǒng)、城市相關(guān)水體和生態(tài)緩沖區(qū)等的數(shù)據(jù)。

城市排水系統(tǒng)監(jiān)控對象主要為分流、合流制管網(wǎng)，雨水、污水泵站，以及進入排水設(shè)施的排水管口、河道排放口、排污大戶的排污口。從上?，F(xiàn)有排水體制看，城市排水系統(tǒng)包含分流和合流制 2 種管網(wǎng)系統(tǒng)，分流制管網(wǎng)系統(tǒng)包含污水和雨水 2 種管網(wǎng)系統(tǒng)。其中，污水管網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)主要又包含在線監(jiān)測污水泵站運轉(zhuǎn)狀況、排水系統(tǒng)最終出口水量、排水系統(tǒng)中主要干流（支流）水量、污水管網(wǎng)出口水質(zhì)、重點污染大戶排入污水管網(wǎng)的水質(zhì)、垃圾滲濾液、糞便監(jiān)控、有毒有害氣體監(jiān)測等信息；雨水管網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)主要包含雨水泵站水量監(jiān)測、初期雨水對水環(huán)境的影響和受納水體的水位監(jiān)測等信息。合流制管網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)主要結(jié)合污水和雨水管網(wǎng)的數(shù)據(jù)內(nèi)容，以形成雨水水質(zhì)對水環(huán)境影響的評估信息。

污水處理系統(tǒng)監(jiān)控對象主要為污水處理廠，數(shù)據(jù)主要包含城鎮(zhèn)污水處理廠進水口、出水口的水質(zhì)水量，集中的工業(yè)污水處理廠出水口的水質(zhì)水量，直接排入城市受納水體的大型工業(yè)企業(yè)污水處理設(shè)施出口的水質(zhì)水量，以及污水處理廠運行工況等信息。

城市相關(guān)水體的數(shù)據(jù)主要來源于城市河湖水質(zhì)、暴雨徑流水量和城市生態(tài)緩沖區(qū)。其中，城市河湖水質(zhì)主要包含與城市水體功能相關(guān)的城市水環(huán)境指標（包括生物類指標、城市湖泊水華監(jiān)控、城市水體水質(zhì)感官指標（色度及漂浮物））、進入城市河湖的排放口（重點企業(yè)、污水處理廠、再生水廠）和補充水源的水質(zhì)水量等。暴雨徑流水量主要包含通過河湖水位、泵站、降雨量等研究對城市淹沒的影響數(shù)據(jù)。

城市生態(tài)緩沖區(qū)數(shù)據(jù)主要包含表征城市生態(tài)緩沖區(qū)運行狀況的進、出水口水質(zhì)水量的監(jiān)測數(shù)據(jù)，以及上游污染對城市生態(tài)緩沖區(qū)、污染排放對城市生態(tài)緩沖區(qū)環(huán)境等的影響數(shù)據(jù)。

2.3 按照數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分類

可分為結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)主要指生產(chǎn)和管理過程中產(chǎn)生的監(jiān)測、設(shè)施工況和再生的統(tǒng)計分析等數(shù)據(jù)，可有效地在數(shù)據(jù)庫中存儲；非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)主要指來源于遙感、應(yīng)急預(yù)案、行政法規(guī)等的圖片和文檔數(shù)據(jù)。

3 關(guān)系與流程

按照 3 種分類方法，對上海水環(huán)境系統(tǒng)設(shè)施監(jiān)控預(yù)警數(shù)據(jù)進行分析，梳理不同分類之間的關(guān)系。按照管理層級和數(shù)據(jù)來源梳理的關(guān)系如表1 所示。

按照管理層級和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行關(guān)系梳理，可得如圖 2 所示關(guān)系。

依據(jù)表1 和圖 2 顯示內(nèi)容梳理出 4 個管理層面之間的預(yù)警數(shù)據(jù)流程關(guān)系，如圖 3 所示。圖中，生產(chǎn)企業(yè)級主要負責本單位運營工作，收集污水處理、城市排水、城市相關(guān)水體等的運營和實時監(jiān)測數(shù)據(jù)；地市（區(qū)縣）級主要匯總收集本轄區(qū)內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)上報的設(shè)施基礎(chǔ)、運營監(jiān)管等數(shù)據(jù)，形成包括環(huán)境、設(shè)施、生產(chǎn)和人身等 4 類安全預(yù)警的行業(yè)管理數(shù)據(jù)；省級管理層根據(jù)國家、行業(yè)監(jiān)管和職能服務(wù)的需求，從地市（區(qū)縣）管理級、生產(chǎn)企業(yè)級抽取基礎(chǔ)和運營監(jiān)管等信息，以及預(yù)警管理數(shù)據(jù)，并統(tǒng)一整合與標準化；國家級數(shù)據(jù)則根據(jù)國家、住建部的要求，由省級上報的決策支持、突發(fā)事件數(shù)據(jù)和各類年報等組成。

表1 按照管理層級和數(shù)據(jù)來源梳理的關(guān)系

4 數(shù)據(jù)梳理

根據(jù)預(yù)警數(shù)據(jù)分類關(guān)系及數(shù)據(jù)流程，參閱相關(guān)國家標準規(guī)范，并結(jié)合上海水環(huán)境管理實際情況，歸納形成預(yù)警數(shù)據(jù)主要由事件類、部件類、要素類和管理類 4 個維度組成。其中：事件維度用于描述城市水環(huán)境系統(tǒng)設(shè)施在遭遇風險時所發(fā)生的預(yù)警事件；部件維度用于描述發(fā)生城市水環(huán)境系統(tǒng)設(shè)施預(yù)警事件時，起關(guān)鍵作用的、關(guān)系到預(yù)警事件發(fā)生或撤銷的核心系統(tǒng)設(shè)施；要素維度用于描述在部件維度中已定義的設(shè)施中關(guān)系到預(yù)警事件發(fā)生的關(guān)鍵指標、參數(shù)；管理維度則用于統(tǒng)籌整個體系內(nèi)各類數(shù)據(jù)的匯總管理。

1）預(yù)警事件類。主要采集環(huán)境、設(shè)施、生產(chǎn)、人身等 4 類安全事件，具體如表2 所示。

2）預(yù)警部件類。主要采集管道、泵站、污水廠、其他等 4 類設(shè)施部件的基礎(chǔ)屬性和運維養(yǎng)護信息，具體如表3 所示。

3）預(yù)警要素類。與預(yù)警事件相對應(yīng)，主要采集環(huán)境、設(shè)施、生產(chǎn)和人身等 4 方面安全類數(shù)據(jù)，具體如表4 所示。

4）管理信息類。根據(jù)國家、各地方政府和行業(yè)管理的要求，管理信息類數(shù)據(jù)采集主要來源于下級生產(chǎn)和管理單位上報給上級行業(yè)管理單位的月報、季報或年報等。

圖2 按照管理層級和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)梳理的關(guān)系

圖3 預(yù)警數(shù)據(jù)流程關(guān)系圖

表2 預(yù)警事件分類表

表3 預(yù)警部件分類表

表4 預(yù)警要素分類表

續(xù)表

5 數(shù)據(jù)庫及交換系統(tǒng)設(shè)計

5.1 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

基于對監(jiān)控預(yù)警數(shù)據(jù)的分類研究，提出上海水環(huán)境系統(tǒng)設(shè)施監(jiān)控預(yù)警數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)按照“3 層 4 類”設(shè)計，邏輯結(jié)構(gòu)如圖 4 所示?！? 層”指基礎(chǔ)、核心數(shù)據(jù)庫，以及數(shù)據(jù)倉庫等部分；“4 類”指部件類、事件類、要素類和管理類等數(shù)據(jù)。預(yù)警數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)交換平臺，按照一定的數(shù)據(jù)規(guī)范形成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，存儲到數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)部分；基礎(chǔ)數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)分類、規(guī)范、整合、邏輯處理等過程形成核心數(shù)據(jù)，存儲到核心數(shù)據(jù)部分；核心數(shù)據(jù)按照不同的行業(yè)專題應(yīng)用，經(jīng)過分析、挖掘形成數(shù)據(jù)倉庫數(shù)據(jù)，存儲到數(shù)據(jù)倉庫部分。

圖4 上海市水環(huán)境預(yù)警數(shù)據(jù)庫邏輯結(jié)構(gòu)圖

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)部分位于最底層，實現(xiàn)與原始數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)保持一致的原始數(shù)據(jù)的快速存儲，確保數(shù)據(jù)庫原始信息完整性的需求；核心數(shù)據(jù)部分位于中間層，對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行分類、規(guī)范、整合、運算和邏輯等二次處理，形成具有統(tǒng)一計量單位的核心數(shù)據(jù)，滿足數(shù)據(jù)準確性、一致性需求；數(shù)據(jù)倉庫部分位于頂層，實現(xiàn)對不同水環(huán)境專題應(yīng)用的決策支持、行業(yè)分析，滿足集中調(diào)用、統(tǒng)一口徑、預(yù)警決策等方面的綜合管理需求。

5.2 數(shù)據(jù)交換設(shè)計

為實現(xiàn)生產(chǎn)企業(yè)級，地市（區(qū)縣、行業(yè)）、省和國家管理級之間水環(huán)境管理信息的互動和共享，按照預(yù)警數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)分類方法，設(shè)計了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交換架構(gòu)，每個層次之間采用統(tǒng)一數(shù)據(jù)和功能接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。數(shù)據(jù)交換如圖 5 所示。

圖5 數(shù)據(jù)交換架構(gòu)

靜態(tài)數(shù)據(jù)交換指將行業(yè)監(jiān)管單位基礎(chǔ)信息、生產(chǎn)企業(yè)信息、污染源、設(shè)施信息、RS 數(shù)據(jù)、設(shè)施養(yǎng)護信息的數(shù)據(jù)上傳到上級主管單位，行業(yè)規(guī)范下發(fā)至下級主管部門或生產(chǎn)企業(yè)用于指導(dǎo)生產(chǎn)和行業(yè)監(jiān)管。這類數(shù)據(jù)通常為非實時數(shù)據(jù)，很少變化，故稱為靜態(tài)數(shù)據(jù)。實時數(shù)據(jù)交換指水環(huán)境系統(tǒng)中與生產(chǎn)信息相關(guān)的實時變化的運行監(jiān)管數(shù)據(jù)的交換，這類數(shù)據(jù)主要包括水質(zhì)數(shù)據(jù)，泵站、干線的液位與流量，關(guān)鍵設(shè)備的運行工況數(shù)據(jù)；信息資源目錄檢索交換指非公文類信息的交換，這類數(shù)據(jù)為靜態(tài)和實時類數(shù)據(jù)交換提供統(tǒng)計信息資源目錄索要和描述。

同時，設(shè)計了規(guī)范統(tǒng)一的同構(gòu)和異構(gòu)系統(tǒng)間預(yù)警數(shù)據(jù)采集、發(fā)布、交換、路由、同步等各環(huán)節(jié)?；?WCF Web Service 和身份認證技術(shù)，實現(xiàn)上海水環(huán)境預(yù)警數(shù)據(jù)庫對具有訪問權(quán)限的用戶提供 XML 和JSON 數(shù)據(jù)標準格式接口的數(shù)據(jù)服務(wù)[3-4]。

6 結(jié)語

通過對不同來源數(shù)據(jù)的類型、內(nèi)容、空間關(guān)系等屬性的科學(xué)梳理和歸類，首次形成了上海水環(huán)境監(jiān)控預(yù)警的標準化數(shù)據(jù)體系?；跀?shù)據(jù)體系開發(fā)的數(shù)據(jù)庫及交換系統(tǒng)，已在上海投入實際應(yīng)用，起到了優(yōu)化數(shù)據(jù)資源，提升綜合應(yīng)用的效果。項目研究成果在形成國家、省市、企業(yè)、廠站 4 級層面的信息監(jiān)管機制，支撐各級主管部門管理決策等業(yè)務(wù)工作中發(fā)揮了重要作用，在全國各級水環(huán)境主管部門中具有推廣價值和借鑒意義。

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