城市智能水環(huán)境監(jiān)測(cè)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)用性探討

胡朝偉 李利紅

（1.山東省日照生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心 276800 2.山東我招我聘人力資源有限公司 250000）

0 引言

目前我國(guó)建立的水環(huán)境監(jiān)測(cè)平臺(tái)多以半自動(dòng)化為主，這也降低了數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)募皶r(shí)性，使得很多環(huán)境污染治理措施的推行明顯滯后。在智能化技術(shù)快速發(fā)展的背景下，為平臺(tái)進(jìn)行智能化升級(jí)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行智能化監(jiān)測(cè)平臺(tái)建設(shè)，不僅可以提高數(shù)據(jù)采集的自動(dòng)化，加快了數(shù)據(jù)信息的采集速度；而且能夠提升數(shù)據(jù)分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，為環(huán)境治理方案的推行奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 水環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集設(shè)備

1.1 水質(zhì)傳感器

水質(zhì)傳感器是一種檢測(cè)裝置，內(nèi)部電極液和水中離子濃度差會(huì)在工作電極的膜兩邊產(chǎn)生電化學(xué)電壓，電壓通過高傳導(dǎo)性的內(nèi)部電極引到放大器，參考電極同樣引到放大器的地點(diǎn)。通過檢測(cè)一個(gè)精確的已知離子濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液獲得定標(biāo)曲線，從而檢測(cè)水中的離子濃度。水質(zhì)傳感器是由數(shù)據(jù)感應(yīng)模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、無線通信模塊、電源供應(yīng)模塊四部分組成，滿足信息的采集、傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。數(shù)據(jù)感應(yīng)模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，主要由水質(zhì)采集模塊信號(hào)調(diào)理單元組成；數(shù)據(jù)處理模塊負(fù)責(zé)控制整個(gè)傳感器和處理監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，以及緩存其它節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)，主要由CPU處理單元和存儲(chǔ)器組成；無線通信模塊負(fù)責(zé)與其它節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線通信、交換控制信息、收發(fā)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，主要由DTU組成；供電模塊負(fù)責(zé)對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)的每個(gè)模塊進(jìn)行供電。

1.2 聲學(xué)多普勒流速剖面儀

聲學(xué)多普勒流速剖面儀（下簡(jiǎn)稱ADCP）是一款多功能測(cè)流設(shè)備，它基于多普勒原理，利用矢量合成法，測(cè)量水流的垂直剖面分布。ADCP內(nèi)有個(gè)聲波換能器，向水體發(fā)送和接收聲波脈沖。利用背向散射聲波脈沖的多普勒頻移可以連續(xù)地測(cè)量各層水體的三維流速。換能器向水體中發(fā)射的聲波脈沖碰到水體中不均勾分布的微粒后，產(chǎn)生反射，其中的部分信號(hào)被換能器接收，被反射的聲波脈沖頻率所產(chǎn)生的紅移或藍(lán)移（稱為多普勒頻移），該頻率變化取決于反射體的速度，即流速，ADCP可根據(jù)該多普勒頻移計(jì)算出相對(duì)于的流速。除此之外，ADCP在工作的過程中，可以和全球定位系統(tǒng)關(guān)聯(lián)在一起，這樣可以得到準(zhǔn)確的地理坐標(biāo)，明確測(cè)速的具體位置。

2 平臺(tái)搭建相關(guān)技術(shù)

2.1 SSH框架

進(jìn)行平臺(tái)搭建時(shí)，SSH框架屬于常用的集成框架，其主要的應(yīng)用結(jié)構(gòu)可以分為以下三層：（1）Web應(yīng)用層，該數(shù)據(jù)層的主要作用便是對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集，借助Web應(yīng)用程序?qū)蚣苓M(jìn)行管理時(shí)，能夠很好地實(shí)現(xiàn)視圖與模型地徹底分離，而且對(duì)于已經(jīng)采集到的數(shù)據(jù)信息，也可以利用平臺(tái)進(jìn)行及時(shí)處理，而且一些數(shù)據(jù)信息也可以進(jìn)行重新利用，這也提高應(yīng)用層本身的靈活性與可維護(hù)性，進(jìn)而提高了系統(tǒng)本身的工作效率。（2）業(yè)務(wù)邏輯層，智能化平臺(tái)在工作過程中，需要對(duì)多項(xiàng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，同時(shí)還兼顧了信息的處理，在用戶提出訴求之后，可以根據(jù)業(yè)務(wù)要求進(jìn)行服務(wù)內(nèi)容獲取，從而提高業(yè)務(wù)提供的針對(duì)性。（3）數(shù)據(jù)訪問層，采集到的數(shù)據(jù)信息都具備著較高的實(shí)用價(jià)值，在后期發(fā)展階段也具備了較高的實(shí)用價(jià)值，因此訪問層的作用是進(jìn)行權(quán)限設(shè)置，以此來提高數(shù)據(jù)信息的可靠性。

2.2 ExtJS框架

和SSH框架相類似，進(jìn)行平臺(tái)搭建時(shí)，也會(huì)利用到ExtJS框架來輔助智能監(jiān)測(cè)平臺(tái)的建設(shè)，該平臺(tái)在實(shí)際應(yīng)用中，屬于功能非常強(qiáng)大、軟件包含度高、體系完善度高的Ajax框架，在工作過程中，客戶端不需要安裝任何插件就可以正常使用框架服務(wù)功能，結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展性較強(qiáng)。并且在實(shí)際應(yīng)用中，ExtJS框架在具體的應(yīng)用過程中UI界面可以為用戶提供桌面程序相類似的服務(wù)內(nèi)容，并且在使用過程中，還具備了標(biāo)準(zhǔn)用戶界面和相應(yīng)的操作方式。另外，該框架對(duì)于各類型瀏覽器平臺(tái)的兼容性較高，用戶進(jìn)行信息檢索時(shí)，能夠在短時(shí)間內(nèi)快速獲取到所需的數(shù)據(jù)信息內(nèi)容，這也是搭建開發(fā)平臺(tái)的重要保障之一。

2.3 二級(jí)緩存技術(shù)

為了提高數(shù)據(jù)信息的直觀性，在采集到數(shù)據(jù)信息之后，會(huì)對(duì)其進(jìn)行圖表的制作，相較于單一的數(shù)據(jù)，圖表所占內(nèi)存較大，而且數(shù)據(jù)信息量較大，如果信息傳輸速度較慢，也將直接影響到數(shù)據(jù)信息查詢速度。這樣導(dǎo)致的界面情況會(huì)處于數(shù)據(jù)更新界面，影響到了用戶的體驗(yàn)度。針對(duì)此類情況可以使用二級(jí)緩存技術(shù)進(jìn)行處理，即將查詢頁(yè)面進(jìn)行分頁(yè)，利用傳遞參數(shù)page來獲取目前頁(yè)面的數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)后續(xù)頁(yè)面數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，這樣在用戶下拉訪問下一頁(yè)數(shù)據(jù)時(shí)，已經(jīng)緩沖好的數(shù)據(jù)可以及時(shí)呈現(xiàn)出來，從而提高了用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)信息查詢時(shí)的體驗(yàn)度，而且在應(yīng)用中還可以減輕數(shù)據(jù)庫(kù)的傳輸壓力，提高了訪問過程的反饋速度，提高了系統(tǒng)運(yùn)行功能的可靠性[1]。

2.4 線程池技術(shù)

進(jìn)行水資源智能監(jiān)測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)的主要目的，便是提高數(shù)據(jù)信息的獲取速度，以此來加快異常問題的處理效率。在具體的設(shè)計(jì)過程中，會(huì)在待測(cè)區(qū)域設(shè)計(jì)許多的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，這些監(jiān)測(cè)點(diǎn)每分鐘會(huì)進(jìn)行一次數(shù)據(jù)傳輸，那么在監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量不斷增加的背景下，所需要處理的數(shù)據(jù)總量也呈數(shù)量級(jí)的方式快速增加。并且在數(shù)據(jù)信息處理的過程中，如果每一監(jiān)測(cè)點(diǎn)都建立一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，或者以任務(wù)的形式進(jìn)行該時(shí)間段的處理，雖然單次所需要的處理時(shí)間較少，但是數(shù)據(jù)總量非常大，重復(fù)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理、建庫(kù)，會(huì)消耗許多的資源在線程上。因此需要借助線程池技術(shù)，對(duì)于已有線程進(jìn)行循環(huán)利用，在遇到突發(fā)情況時(shí)也可以進(jìn)行調(diào)整，從而提高了系統(tǒng)功能的穩(wěn)定性[2]。

2.5 GIS技術(shù)

在數(shù)據(jù)信息應(yīng)用的過程中，還需要監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確定位，其主要的作用便是發(fā)現(xiàn)污染數(shù)據(jù)之后，可以迅速定位污染區(qū)域位置，及時(shí)前往該區(qū)域進(jìn)行進(jìn)一步監(jiān)測(cè)，擬定合理地處理措施，從而提高監(jiān)測(cè)結(jié)果的可靠性。在具體的應(yīng)用過程中，會(huì)將監(jiān)測(cè)設(shè)備和全球定位系統(tǒng)關(guān)聯(lián)在一起，定期進(jìn)行一次位置定位，在遇到惡劣天氣導(dǎo)致設(shè)備丟失時(shí)，也可以借助定位快速找回，從而確保了數(shù)據(jù)信息更新的有效性和及時(shí)性[3-4]。

3 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，主要可以分為以下幾個(gè)子系統(tǒng)：第一，傳感器系統(tǒng)，這也是進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)設(shè)備，從實(shí)際應(yīng)用情況來看，使用到的傳感器有GPS傳感器（用于坐標(biāo)點(diǎn)定位）、水質(zhì)傳感器（區(qū)域水質(zhì)數(shù)據(jù)采集）、氣象傳感器（區(qū)域氣象數(shù)據(jù)采集）、羅盤傳感器（監(jiān)測(cè)點(diǎn)方向變化情況）、氮、氨氮、總磷傳感器（進(jìn)行氮、氨氮、總磷濃度的采集）。第二，通訊協(xié)議，這是確保數(shù)據(jù)信息可以順利傳輸?shù)幕A(chǔ)條件，通訊協(xié)議需要具備較高兼容性，同時(shí)搭配相應(yīng)的頻帶寬度，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)募皶r(shí)性。第三，數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，主要工作內(nèi)容是進(jìn)行采集數(shù)據(jù)的分析處理，處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行入庫(kù)處理，以此來提高數(shù)據(jù)信息的應(yīng)用應(yīng)用價(jià)值[5]。

3.2 服務(wù)端的設(shè)計(jì)

在服務(wù)端設(shè)計(jì)過程中，主要包括了以下幾部分內(nèi)容：①數(shù)據(jù)持久層，對(duì)于存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)信息需要保存較長(zhǎng)的時(shí)間，在具體應(yīng)用中，會(huì)使用SSH框架輔助持久層搭建，以此來實(shí)現(xiàn)視圖與模型地徹底分離，一些數(shù)據(jù)信息也可以進(jìn)行重新利用，這也提高應(yīng)用層本身的靈活性與可維護(hù)性[6]。②業(yè)務(wù)邏輯層，智能化平臺(tái)在工作過程中，需要對(duì)多項(xiàng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，同時(shí)還兼顧了信息的處理，在用戶提出申請(qǐng)之后，需要對(duì)其進(jìn)行及時(shí)處理，并且提供的服務(wù)內(nèi)容也會(huì)根據(jù)邏輯算法進(jìn)行精準(zhǔn)定位，以此來提高業(yè)務(wù)提供的針對(duì)性。③數(shù)據(jù)訪問層，在服務(wù)端設(shè)計(jì)過程中，其最終的目的是可以為用戶提供一些針對(duì)性的應(yīng)用服務(wù)，而且監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)都具備著較高的實(shí)用價(jià)值，而且為了確保數(shù)據(jù)信息的安全性，還需要對(duì)訪問層進(jìn)行權(quán)限設(shè)置，從而提升數(shù)據(jù)信息的應(yīng)用價(jià)值[7]。

3.3 Web頁(yè)面的設(shè)計(jì)

在Web頁(yè)面的設(shè)計(jì)過程中，為了滿足基礎(chǔ)的應(yīng)用需求，需要從以下幾方面進(jìn)行功能實(shí)現(xiàn)：第一，對(duì)頁(yè)面區(qū)域進(jìn)行劃分，一般情況下，可以將其劃分為north、west、center三個(gè)區(qū)域，不同區(qū)域的功能也存在著一定地差異性。在north區(qū)域，頁(yè)面顯示的主要內(nèi)容是系統(tǒng)標(biāo)志和一些可供選項(xiàng)，便于用戶縮小查詢范圍；在west區(qū)域，頁(yè)面顯示的主要內(nèi)容是系統(tǒng)細(xì)化后的模塊內(nèi)容，便于用戶進(jìn)一步縮小查詢范圍；在center區(qū)域，頁(yè)面顯示的主要內(nèi)容是系統(tǒng)一些功能敘述，這也便于用戶了解系統(tǒng)的使用功能[8]。第二，頁(yè)面維護(hù)系統(tǒng)，頁(yè)面主要負(fù)責(zé)和用戶進(jìn)行信息交互，使用頻次相對(duì)較高，維護(hù)系統(tǒng)的主要工作便是維持系統(tǒng)的正常運(yùn)行，并且還會(huì)定期更新一些服務(wù)模塊，以此來提高頁(yè)面內(nèi)容的豐富度，給予用戶更好地服務(wù)體驗(yàn)。

3.4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能要求

在完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)后，系統(tǒng)需要具備以下的功能屬性：第一，數(shù)據(jù)瀏覽，之前的章節(jié)中已經(jīng)提到監(jiān)測(cè)點(diǎn)每分鐘都會(huì)進(jìn)行一次數(shù)據(jù)傳輸，而且整理的數(shù)據(jù)信息會(huì)以圖表的形式進(jìn)行呈現(xiàn)，用戶在瀏覽數(shù)據(jù)時(shí)，可以根據(jù)時(shí)間、位置、水深等關(guān)鍵詞來完成信息獲取，提高了信息獲取的便捷性。第二，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)平臺(tái)需要定期進(jìn)行一次數(shù)據(jù)信息的整理，其主要作用便是方便對(duì)近期監(jiān)測(cè)區(qū)域水資源變化情況進(jìn)行分析，常用的整理指標(biāo)有最大值、最小值、污染物含量、溶解氧、平均值等。并且還會(huì)對(duì)這些整理的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行整理，以圖表的方式輸出到系統(tǒng)頁(yè)面，常見的圖表形式有柱狀圖、折線圖、表格等[9]。

3.5 系統(tǒng)測(cè)試分析

3.5.1 功能測(cè)試

進(jìn)入到系統(tǒng)功能測(cè)試階段，主要的測(cè)試內(nèi)容和測(cè)試要求如下：①內(nèi)容：?jiǎn)挝恍畔⒐芾?，要求：是否可以順利完成?nèi)容添加、內(nèi)筒刪除、內(nèi)容更新、內(nèi)容查詢等操作；②內(nèi)容：人員信息管理，要求：是否可以順利完成內(nèi)容添加、內(nèi)筒刪除、內(nèi)容更新、內(nèi)容查詢等操作；③內(nèi)容：監(jiān)測(cè)點(diǎn)和監(jiān)測(cè)設(shè)備信息管理，要求：是否可以順利完成內(nèi)容添加、內(nèi)筒刪除、內(nèi)容更新、內(nèi)容查詢等操作；④內(nèi)容：系統(tǒng)指令設(shè)置，要求：是否可以順利完成周期修改、指令是否可以順利生成和執(zhí)行；⑤內(nèi)容：數(shù)據(jù)處理結(jié)果顯示，要求：是否可以順利完成折線圖、列表、柱狀圖等通用報(bào)表形式輸出；⑥內(nèi)容：數(shù)據(jù)處理結(jié)果審核，要求：是否可以順利完成數(shù)據(jù)審核工作，并對(duì)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)糾正。若上述指標(biāo)均滿足要求，那么表明設(shè)計(jì)的平臺(tái)系統(tǒng)滿足應(yīng)用需求[10]。

3.5.2 性能測(cè)試

進(jìn)入到系統(tǒng)性能測(cè)試階段，主要的測(cè)試內(nèi)容和測(cè)試要求如下：①數(shù)據(jù)子系統(tǒng)性能測(cè)試，主要的測(cè)試內(nèi)容是對(duì)數(shù)據(jù)采集速度、數(shù)據(jù)傳輸速度、系統(tǒng)承載能力等內(nèi)容進(jìn)行采集，試驗(yàn)方式則是通過增加監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量來完成，根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果來評(píng)價(jià)系統(tǒng)的合規(guī)性。②業(yè)務(wù)子系統(tǒng)性能測(cè)試，主要的測(cè)試內(nèi)容是對(duì)單位時(shí)間內(nèi)用戶請(qǐng)求處理效率、訪問數(shù)據(jù)列表時(shí)間間隔、訪問圖表時(shí)間間隔等內(nèi)容，采用增加單位時(shí)間用戶訪問數(shù)量的方式來完成，根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果來評(píng)價(jià)系統(tǒng)的合規(guī)性。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在水資源污染情況不斷加劇的情況下，建立水資源智能監(jiān)測(cè)平臺(tái)十分必要，在具體地設(shè)計(jì)過程中，需要注意信息采集系統(tǒng)、處理系統(tǒng)、存儲(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，結(jié)合相應(yīng)的處理技術(shù)，從而提高監(jiān)測(cè)平臺(tái)建設(shè)的合規(guī)性，也為后續(xù)水資源監(jiān)測(cè)工作的順利推進(jìn)奠定基礎(chǔ)。