基于云架構(gòu)的農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地安全管理決策平臺

潘守慧，王開義，王志彬

(北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心/國家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心，北京 100097)

近年來，以農(nóng)業(yè)面源污染[1-2]和土壤重金屬污染[3-4]為代表的農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境安全問題，對我國農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境安全和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全造成了嚴(yán)重威脅，并引起了社會的廣泛關(guān)注。農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境安全作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)，其直接關(guān)系到農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量安全和食品安全[5-6]，且與人們的健康安全密切相關(guān)。近年來，以“湖南鎘大米”事件為代表的因產(chǎn)地環(huán)境污染而導(dǎo)致的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全問題日益凸顯，已引起政府部門的高度重視。2013年以來，國務(wù)院先后出臺了《大氣污染防治行動計劃》(簡稱“大氣十條”)《水污染防治行動計劃》(簡稱“水十條”)《土壤污染治理行動計劃》(簡稱“土十條”)等政策措施，各級地方政府針對上述政策出臺了相關(guān)的實施細(xì)則或配套政策，并著手開展了相關(guān)的污染防治普查或監(jiān)測工作，農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地安全數(shù)據(jù)急劇增長，但與之相配套的管理信息系統(tǒng)建設(shè)卻相對滯后，導(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地安全數(shù)據(jù)缺乏有效的統(tǒng)一管理，各種普查或監(jiān)測數(shù)據(jù)分布零散、共享程度較低，因此，迫切須要利用信息技術(shù)對海量農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地安全數(shù)據(jù)進行有效整合和管理。近年來，許多學(xué)者開展了這方面的研究工作。如宋金茜等以南京市八卦洲農(nóng)業(yè)土壤為例，運用地理信息系統(tǒng)(geographic information system，簡稱GIS)和地統(tǒng)計學(xué)方法研究As、Cd、Cr、Hg、Pb等5種重金屬風(fēng)險等級的分布特征[7]。李文峰等構(gòu)建了基于網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)(web geographic information system，簡稱WebGIS)的食用農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評價系統(tǒng)，可實現(xiàn)產(chǎn)地環(huán)境的綜合評價和數(shù)據(jù)查詢[8]。羅娜等構(gòu)建了基于Flex和表述性狀態(tài)轉(zhuǎn)移(representational state transfer，簡稱REST)的產(chǎn)地重金屬安全等級WebGIS系統(tǒng)[9]。季輝等針對農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地安全管理決策需求，設(shè)計并實現(xiàn)一種基于WebGIS的農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地安全信息管理系統(tǒng)[10]。鄧旭仁等提出一種面向服務(wù)架構(gòu)的國家級產(chǎn)地環(huán)境管理評價系統(tǒng)[11]。黃秀梅等研發(fā)了基于ASP.NET 2.0、WebGIS、SQL Server的農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境安全預(yù)警數(shù)據(jù)庫[12]。詠梅等構(gòu)建了一種農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量污染預(yù)測系統(tǒng)，可實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境的信息查詢與污染預(yù)測以及環(huán)境污染物的空間分析[13]。侯彥林通過分析農(nóng)田重金屬污染的“物質(zhì)-驅(qū)動力-環(huán)境因素”的相互關(guān)系，初步構(gòu)建了我國農(nóng)田重金屬污染預(yù)警系統(tǒng)[14]。上述研究對于構(gòu)建大型農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地安全管理平臺奠定了良好基礎(chǔ)，但它們大多是針對農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地安全管理中某個細(xì)分專門領(lǐng)域進行的信息系統(tǒng)構(gòu)建，如產(chǎn)地環(huán)境評價系統(tǒng)、污染預(yù)警系統(tǒng)等，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量相對較小、系統(tǒng)功能較為單一，而缺乏面向大規(guī)模數(shù)據(jù)、高并發(fā)環(huán)境下農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地安全信息系統(tǒng)構(gòu)建的研究。若不能對海量的、多源異構(gòu)的農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地安全數(shù)據(jù)進行有效融合、統(tǒng)一管理、信息共享，將難以滿足全國范圍內(nèi)省(市、區(qū))、地市、縣(市、區(qū))不同級別監(jiān)管部門的管理決策需求。

針對上述問題，本研究基于云計算中軟件即服務(wù)的理念，設(shè)計并實現(xiàn)基于云架構(gòu)的農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地安全管理決策平臺，以期實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地安全數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理、現(xiàn)場查詢、可視化展示、決策支持，并為農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地安全管理決策提供支撐。

1 關(guān)鍵技術(shù)

1.1 云計算

云計算是一種利用互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)隨時隨地、按需、便捷訪問共享資源池的計算模式[15]，由美國Google公司提出。通過云計算可實現(xiàn)計算資源的按需分配和彈性調(diào)度，用戶可以省去數(shù)據(jù)中心建設(shè)與管理、大規(guī)模數(shù)據(jù)處理、應(yīng)用部署等操作，在降低運維成本的同時，可獲得高質(zhì)量的服務(wù)。云計算具有超大規(guī)模、虛擬化、彈性服務(wù)、按需服務(wù)、泛在接入等特點。根據(jù)云計算提供服務(wù)類別的不同，從體系結(jié)構(gòu)上，將云計算提供的服務(wù)分為3個層次，分別為基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)(infrastructure as a service，簡稱IaaS)、平臺即服務(wù)(platform as a service，簡稱PaaS)和軟件即服務(wù)(software as a service，簡稱SaaS)。其中，IaaS層提供基礎(chǔ)設(shè)施部署服務(wù)，為用戶按需提供實體或虛擬的計算、存儲和網(wǎng)絡(luò)等資源，是云計算的基礎(chǔ)，服務(wù)對象是需要硬件資源的用戶；PaaS層提供應(yīng)用程序部署與管理服務(wù)，服務(wù)對象是程序開發(fā)者；SaaS層提供基于互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用程序服務(wù)，面向的是云計算終端用戶[15]。

1.2 GIS技術(shù)

地理信息系統(tǒng)，別稱地學(xué)信息系統(tǒng)，是一種存儲、操作和顯示地理空間數(shù)據(jù)的信息系統(tǒng)，可對空間信息進行分析和處理[16]。WebGIS是GIS技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，與傳統(tǒng)GIS技術(shù)相比，WebGIS具有跨平臺運行、易于集成、易軟件重用、擴展性好等優(yōu)點。目前，許多地圖服務(wù)商提供應(yīng)用程序接口(application programming interface，簡稱API)，如谷歌地圖、百度地圖、高德地圖等。本研究基于百度地圖API進行系統(tǒng)的可視化展示，該API支持HTML 5特性和異步加載機制。目前，百度地圖API包括JavaScript、Web服務(wù)、Android、iOS等多個版本，具有地理檢索、自動導(dǎo)航、基于位置的服務(wù)(location based services，簡稱LBS)、周邊搜索、地理編碼及逆地理編碼等功能。

1.3 Web Service技術(shù)

Web Service是一種能夠被描述并通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)布、發(fā)現(xiàn)、協(xié)調(diào)和配置的自包含、自描述、松散耦合的應(yīng)用程序，具有跨語言、跨平臺、配置靈活、可擴展性強等優(yōu)點[17]。該技術(shù)可使用開放的可擴展置標(biāo)語言(extensible markup language，簡稱XML)標(biāo)準(zhǔn)來描述、發(fā)布、發(fā)現(xiàn)、協(xié)調(diào)和配置Web Service應(yīng)用程序，與其他主流接口標(biāo)準(zhǔn)相比，具有耦合度低、擴展性高、易于開發(fā)與部署、適用場景多等諸多優(yōu)勢。在Web Service中，所有業(yè)務(wù)調(diào)用都被抽象成服務(wù)。從體系結(jié)構(gòu)上看，Web Service包含服務(wù)提供者、服務(wù)請求者、服務(wù)注冊中心3種角色，這3種角色之間主要有發(fā)布、查找、綁定3種Web服務(wù)操作。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1 總體結(jié)構(gòu)

采用瀏覽器/服務(wù)器模式(browser/server，簡稱B/S模式)設(shè)計系統(tǒng)，該系統(tǒng)可被分為瀏覽器端和服務(wù)器端，其中應(yīng)用程序部署在服務(wù)器端，由Web服務(wù)器提供相關(guān)的應(yīng)用服務(wù)，用戶使用瀏覽器訪問系統(tǒng)提供的服務(wù)。該架構(gòu)可以快速進行應(yīng)用部署，后續(xù)也可以方便地進行版本升級和系統(tǒng)維護。

系統(tǒng)在體系結(jié)構(gòu)上進行分層設(shè)計，共分為基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)支撐層、應(yīng)用支撐層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層等4個層次，系統(tǒng)總體框架體系如圖1所示。

其中，最底層為基礎(chǔ)設(shè)施層，它是系統(tǒng)運行的基礎(chǔ)，包括Web服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、文件服務(wù)器以及內(nèi)容分發(fā)、負(fù)載均衡等；數(shù)據(jù)支撐層主要用于為系統(tǒng)提供各種數(shù)據(jù)資源支撐以及相關(guān)的數(shù)據(jù)管理技術(shù)，包括數(shù)據(jù)的導(dǎo)入、清洗、整合以及索引創(chuàng)建等；應(yīng)用支撐層的主要目標(biāo)是為相關(guān)業(yè)務(wù)應(yīng)用提供技術(shù)支撐，包括Web Service、數(shù)據(jù)加密、安全認(rèn)證、全文檢索等；業(yè)務(wù)應(yīng)用層處于最頂層，主要目標(biāo)是為各種用戶終端提供應(yīng)用服務(wù)，包括采樣管理、污染源管理、統(tǒng)計分析、決策支持等。

2.2 技術(shù)框架

采用JAVA語言編寫系統(tǒng)，該系統(tǒng)支持JDK 1.7以上版本。通過整合集成SpringMVC、Hibernate 4.0、Spring 4.0、Struts2、SiteMesh等技術(shù)框架，搭建基于模型-視圖-控制器(model-view-controller，簡稱MVC)設(shè)計模式的系統(tǒng)開發(fā)框架。從圖2可以看出，該框架被分為顯示層、控制層、業(yè)務(wù)邏輯層、資源訪問層等4層。其中，顯示層用于前臺頁面的顯示；控制層主要負(fù)責(zé)前臺頁面的請求轉(zhuǎn)發(fā)；業(yè)務(wù)邏輯層的功能是處理業(yè)務(wù)邏輯，是整個框架體系的核心，起到承上啟下的作用；資源訪問層的功能是做數(shù)據(jù)持久化工作，主要負(fù)責(zé)與數(shù)據(jù)庫的交互(包括增、刪、改、查等操作)。該技術(shù)框架可實現(xiàn)業(yè)務(wù)與視圖的分離，具有低耦合性、高內(nèi)聚性、高重用性、高可維護性以及便于工程化管理等特點。

在數(shù)據(jù)存儲方面，系統(tǒng)支持Oracle、MySQL、SQL Server等主流數(shù)據(jù)庫軟件，其中默認(rèn)采用Oracle數(shù)據(jù)庫軟件進行數(shù)據(jù)存儲。在系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境方面，本系統(tǒng)采用Eclipse進行系統(tǒng)開發(fā)，并采用Maven插件進行項目管理，采用SVN插件進行系統(tǒng)版本管理。

系統(tǒng)運行環(huán)境：操作系統(tǒng)為Windows Server 2008；虛擬機環(huán)境為J2EE 1.7以上版本；Web應(yīng)用服務(wù)器為Apache+Tomcat 7.0；客戶端為Chrome瀏覽器或Internet Explorer瀏覽器10.0以上版本。

2.3 接口設(shè)計

為與外部系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換，系統(tǒng)提供一系列的Web Service接口。外部終端設(shè)備(智能手機、平板電腦等)通過調(diào)用Web Service接口可以與本系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換和信息共享，實現(xiàn)內(nèi)外部系統(tǒng)集成。在本研究中，共有3個外部系統(tǒng)與本系統(tǒng)集成，分別是基于Android手機的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、基于Android平板的數(shù)據(jù)查詢系統(tǒng)、農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地安全評估與禁產(chǎn)區(qū)劃分系統(tǒng)(圖3)。

3 系統(tǒng)功能與實現(xiàn)

系統(tǒng)平臺主要包括采樣管理、污染源管理、問卷調(diào)查、統(tǒng)計分析、決策支持、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、權(quán)限管理等功能模塊，主界面如圖4所示。

系統(tǒng)采用基于角色的訪問控制(role based access control，簡稱RBAC)模型進行系統(tǒng)訪問控制，可根據(jù)業(yè)務(wù)需要進行系統(tǒng)功能權(quán)限和數(shù)據(jù)權(quán)限的靈活配置，能適應(yīng)省(市、區(qū))、地市、縣(市、區(qū))3級部門的數(shù)據(jù)管理和決策需求。

3.1 采樣管理

采樣管理模塊具有監(jiān)測點管理、采樣任務(wù)管理、采樣數(shù)據(jù)管理、檢測數(shù)據(jù)管理等功能。

在監(jiān)測點管理中，該模塊可以直接在地圖上可視化標(biāo)注監(jiān)測點，系統(tǒng)會基于標(biāo)注位置自動計算出該監(jiān)測點的經(jīng)緯度和所屬行政區(qū)劃信息，并基于系統(tǒng)自定義的編碼規(guī)則為監(jiān)測點進行編號，標(biāo)注完成后提交后臺審核。用戶可以根據(jù)“行政區(qū)域”和“狀態(tài)”進行監(jiān)測點的查詢，查詢結(jié)果可在地圖上進行可視化展示，不同顏色的圖標(biāo)表示不同的狀態(tài)。

在采樣任務(wù)管理中，系統(tǒng)以項目為單位進行采樣任務(wù)管理，一般將經(jīng)費來源或研究目的相同的采樣任務(wù)作為一個項目。系統(tǒng)設(shè)置靈活的采樣任務(wù)分配方式，支持1個項目分階段進行多次信息采集，且支持直接指派、外部招標(biāo)、整體委派等多種類型的任務(wù)分配。此外，為保證采集樣品的統(tǒng)一性、唯一性、規(guī)范性，本系統(tǒng)設(shè)計統(tǒng)一的樣品編碼方法，樣品編碼由項目信息、地域信息、流水碼等3類信息、共20位數(shù)字構(gòu)成，具體細(xì)分為采樣年份(2位)、項目編號(2位)、項目階段(2位)、省(市、區(qū))級代碼(2位)、地市代碼(2位)、縣(市、區(qū))代碼(2位)、鄉(xiāng)(鎮(zhèn))代碼(3位)、流水碼(5位)等8個部分。在分配采樣任務(wù)時，系統(tǒng)會自動生成包含二維碼的樣品標(biāo)簽(圖5)。在采樣現(xiàn)場，采集人員可通過終端設(shè)備掃描二維碼標(biāo)簽，快速錄入樣品編碼，并自動與監(jiān)測點、項目等信息進行關(guān)聯(lián)和綁定。

在采樣數(shù)據(jù)管理中，可對采集終端提交的數(shù)據(jù)進行審核，也可按項目、年度、監(jiān)測點、所屬區(qū)域等條件進行采樣數(shù)據(jù)的組合查詢。

在檢測數(shù)據(jù)管理中，可對實驗室檢測的樣品數(shù)據(jù)進行錄入，系統(tǒng)支持通過Excel文件快速導(dǎo)入，通過樣品編碼可自動實現(xiàn)與監(jiān)測點、采樣項目等數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)。

3.2 污染源管理

污染源管理模塊主要用于對工礦企業(yè)和污水灌區(qū)等2類污染源的管理。用戶可以在地圖上可視化地標(biāo)注工礦企業(yè)污染源和繪制污水灌區(qū)的區(qū)域范圍，同時可對相關(guān)污染源進行審核認(rèn)證和詳細(xì)信息查看，其界面如圖6所示。

3.3 問卷調(diào)查

問卷調(diào)查模塊主要用于農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地安全管理決策中的各種問卷管理，包括問卷的發(fā)布、修改、刪除、預(yù)覽等操作，系統(tǒng)支持多選、單選、填空、打分等常見的問卷題目類型，并支持題目之間的邏輯跳轉(zhuǎn)。系統(tǒng)可根據(jù)問卷題目、有效期、狀態(tài)等進行組合查詢。此外，系統(tǒng)還具有自動篩選和匯總數(shù)據(jù)、報表自動生成等功能，通過問卷篩選功能可以快速篩選出符合條件的有效問卷；通過匯總功能可以對各題目的每個選項進行頻數(shù)和頻率統(tǒng)計，統(tǒng)計分析結(jié)果可以快速導(dǎo)出到Excel文件中。與傳統(tǒng)紙質(zhì)問卷調(diào)查方式相比，具有靈活方便、工作效率高等優(yōu)點。

3.4 統(tǒng)計分析

統(tǒng)計分析模塊主要用于對采樣數(shù)據(jù)進行多維度的統(tǒng)計分析、數(shù)據(jù)挖掘，并生成相應(yīng)的統(tǒng)計圖和報表。支持按監(jiān)測點、采集項目、行政區(qū)劃、重金屬種類、農(nóng)作物種類、歷年變化趨勢等維度進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，結(jié)果以數(shù)據(jù)報表、餅圖、柱狀圖、箱線圖等形式呈現(xiàn)。(1)按監(jiān)測點統(tǒng)計。對所選監(jiān)測點的歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，包括土壤或農(nóng)產(chǎn)品的鎘、汞、砷、鉛、鉻、銅等重金屬含量與評估結(jié)果。(2)按采集項目統(tǒng)計。統(tǒng)計所選項目涉及行政縣(市、區(qū))、監(jiān)測點數(shù)、采集樣品數(shù)、土壤超標(biāo)點位數(shù)與超標(biāo)率、土壤和農(nóng)產(chǎn)品雙超的點位數(shù)與超標(biāo)率以及每種重金屬元素含量的最大值、最小值和中位數(shù)。(3)按行政區(qū)域統(tǒng)計。統(tǒng)計所選行政區(qū)域涉及的監(jiān)測點數(shù)、采集樣品數(shù)、土壤樣品超標(biāo)點位數(shù)與超標(biāo)率、土壤和農(nóng)產(chǎn)品樣品雙超的點位數(shù)與超標(biāo)率以及每種重金屬元素含量的最大值、最小值和中位數(shù)。(4)按重金屬種類統(tǒng)計。統(tǒng)計某種重金屬在每個監(jiān)測點的含量、超標(biāo)點位率、地理空間上的分布等。(5)按農(nóng)作物種類進行統(tǒng)計。列出所選農(nóng)作物涉及的監(jiān)測點數(shù)、超標(biāo)點位數(shù)以及超標(biāo)率。(6)按歷年變化趨勢統(tǒng)計。列出某區(qū)域在各年度的監(jiān)測點數(shù)，土壤的超標(biāo)點位數(shù)以及超標(biāo)率、土壤與農(nóng)產(chǎn)品雙超的超標(biāo)點位數(shù)以及超標(biāo)率。

3.5 決策支持

通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行挖掘分析，并結(jié)合問卷調(diào)查結(jié)果等數(shù)據(jù)構(gòu)建智能決策模型，并基于百度地圖進行可視化展示。

3.5.1 基于地圖的監(jiān)測數(shù)據(jù)可視化展示 根據(jù)不同的地圖縮放比例，分別顯示不同的信息。當(dāng)?shù)貓D處于省(市、區(qū))、地市級縮放比例時，顯示該省(市、區(qū))、地市的相關(guān)統(tǒng)計信息，如該區(qū)域的監(jiān)測點數(shù)、土壤超標(biāo)點位數(shù)與超標(biāo)率、土壤和農(nóng)產(chǎn)品雙超的點位數(shù)與超標(biāo)率、污染源數(shù)量以及該區(qū)域的背景信息(經(jīng)濟社會狀況、耕作制度等)、污染源分布、農(nóng)民種植意愿等。當(dāng)?shù)貓D處于縣(市、區(qū))、鄉(xiāng)(鎮(zhèn))及以下縮放比例時，系統(tǒng)會在地圖上標(biāo)識出工礦污染源、污水灌區(qū)、監(jiān)測點等，點擊可以查看對應(yīng)的詳細(xì)信息。如圖7所示，圖標(biāo)的形狀用于區(qū)分不同類型(工礦污染源、監(jiān)測點、污水灌區(qū)等)的監(jiān)測對象，圖標(biāo)的顏色用于區(qū)分監(jiān)測對象的狀態(tài)。

3.5.2 農(nóng)產(chǎn)品禁產(chǎn)區(qū)可視化展示 基于各監(jiān)測點的歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)和農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地安全禁產(chǎn)區(qū)劃分模型，在地圖上展示農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地安全等級邊界和禁產(chǎn)區(qū)結(jié)果。

3.5.3 種植結(jié)構(gòu)調(diào)整智能決策 基于歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)、周邊污染源、農(nóng)民種植意愿等調(diào)查數(shù)據(jù)構(gòu)建種植結(jié)構(gòu)調(diào)整智能決策模型，并給出對應(yīng)的決策建議，如該區(qū)域內(nèi)哪些片區(qū)須要調(diào)整種植結(jié)構(gòu)，調(diào)整后適宜種植的作物等。

4 結(jié)論

針對農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地安全管理決策過程中的現(xiàn)實需求，設(shè)計并實現(xiàn)一種基于云架構(gòu)的農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地安全管理決策平臺。該平臺是基于云架構(gòu)理念設(shè)計的，不僅功能強大，而且可擴展性強、通用性好，可適用于省(市、區(qū))、地市、縣(市、區(qū))等不同級別監(jiān)管部門的農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地安全數(shù)據(jù)管理和決策支持，有助于提高我國農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地安全的管理決策水平。