物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在生態(tài)環(huán)境信息化中的應(yīng)用

朱發(fā)斌 李豐

摘 要：環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)是指，在傳統(tǒng)環(huán)保行業(yè)引入自動(dòng)化和信息化技術(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)環(huán)境保護(hù)科學(xué)化管理的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)從結(jié)構(gòu)上分，可以分為三層結(jié)構(gòu)。首先是基礎(chǔ)層，此層面主要包括污染治理設(shè)施（污染源）現(xiàn)場(chǎng)端的感知，主要包括現(xiàn)代化的傳感器、分析儀、智能儀表等。其次是通信層，主要作用是實(shí)現(xiàn)感知層數(shù)據(jù)的傳輸，主要包括兩種數(shù)據(jù)傳輸方式，有線傳輸和無(wú)線傳輸。最后是數(shù)據(jù)應(yīng)用層，數(shù)據(jù)應(yīng)用有兩方面的含義，一方面是通過(guò)數(shù)據(jù)分析，得出相關(guān)的結(jié)論支持環(huán)保管理決策;另一方面是通過(guò)遠(yuǎn)程控制來(lái)優(yōu)化環(huán)保治理設(shè)計(jì)的工藝運(yùn)行條件。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)搭建環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，能夠支撐生態(tài)云實(shí)時(shí)感知污染態(tài)勢(shì);利用多源異構(gòu)技術(shù)搭建環(huán)境數(shù)據(jù)中心，能夠支撐生態(tài)云數(shù)據(jù)服務(wù)環(huán)境管理。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);網(wǎng)關(guān);環(huán)境感知;平臺(tái)

中圖分類號(hào)：X84 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1064（2021）10-0-03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.10.027

在鎮(zhèn)江的信息化基礎(chǔ)設(shè)施支撐方面，生態(tài)環(huán)境局仍存在缺少整體規(guī)劃和建設(shè)，監(jiān)控中心信息化設(shè)施明顯落后于實(shí)際需求，前端感知建設(shè)等不足。信息化數(shù)據(jù)來(lái)源于前端的準(zhǔn)確采集設(shè)備的數(shù)據(jù)。

環(huán)境保護(hù)部環(huán)境監(jiān)察局提供的數(shù)據(jù)顯示，截至目前，全國(guó)共建成國(guó)家、省、市三級(jí)監(jiān)控中心349個(gè)，建成率為95.9%;已經(jīng)建成的343個(gè)地方監(jiān)控中心全部與環(huán)保部監(jiān)控中心聯(lián)網(wǎng)，三級(jí)污染源監(jiān)控中心基本建成。

環(huán)境感知層體系的建立，為生態(tài)環(huán)境信息化建設(shè)以及決策提供了有力支撐[1]。

網(wǎng)關(guān)主要以《污染物在線監(jiān)控（監(jiān)測(cè)）系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)》（HJ 212-2017代替HJ/T 212-2005）為基礎(chǔ)，支持污染源（廢水、廢氣）污染物檢測(cè)、各環(huán)境要素（水、氣、噪聲、土壤、輻射等）監(jiān)測(cè)項(xiàng)目檢測(cè);通過(guò)擴(kuò)展協(xié)議，可支持采集企業(yè)能耗、工藝工況、儀器設(shè)備運(yùn)行等數(shù)據(jù)。同時(shí)，整合基于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的多種通信協(xié)議（物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議、HJ/T 477、JT/T 809等），實(shí)現(xiàn)輔助環(huán)境監(jiān)管感知設(shè)備的直接接入。網(wǎng)關(guān)可以實(shí)現(xiàn)污染源“三廢”排放監(jiān)控、工況能耗監(jiān)控、危廢智能終端、環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)、揚(yáng)塵在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控、GPS路線等近350種儀器接入。

環(huán)境感知層是整個(gè)智慧環(huán)保體系的基礎(chǔ)物理層，主要負(fù)責(zé)利用物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備感知并采集環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)入大數(shù)據(jù)中心。環(huán)境感知層包括物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備及智能網(wǎng)關(guān)兩部分，如圖1所示。

1 物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備

智慧環(huán)保體系中的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，包括環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、視頻監(jiān)控設(shè)備、工況監(jiān)控設(shè)備、無(wú)人機(jī)等環(huán)境感知平臺(tái)，可以劃分為環(huán)境感知設(shè)備、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、環(huán)境感知平臺(tái)類設(shè)備三大類。

1.1 環(huán)境感知設(shè)備

其主要包括環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備、視頻監(jiān)控設(shè)備、工況監(jiān)控設(shè)備等。

環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備。監(jiān)測(cè)某區(qū)域或集中污染物排放點(diǎn)的環(huán)境質(zhì)量信息，具體監(jiān)測(cè)因子按區(qū)域污染物排放特點(diǎn)進(jìn)行配置，確?？梢院w能代表區(qū)域污染物排放特征的環(huán)境因子。

視頻監(jiān)控設(shè)備。視頻監(jiān)控設(shè)備主要負(fù)責(zé)監(jiān)控區(qū)域的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)、污染物排放的物理性狀、進(jìn)出區(qū)域的車輛及人員情況，以及關(guān)鍵物料物資的轉(zhuǎn)運(yùn)情況等，可以支撐環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控、環(huán)境遙感、固廢轉(zhuǎn)移及危險(xiǎn)化學(xué)品轉(zhuǎn)移監(jiān)控等。

工況監(jiān)控設(shè)備。工況監(jiān)控設(shè)備主要監(jiān)控企業(yè)的用水、用電消耗等情況，判斷企業(yè)資源消耗情況與環(huán)保設(shè)施的開啟狀態(tài)。

1.2 數(shù)據(jù)采集設(shè)備

環(huán)保數(shù)采儀。智慧環(huán)保體系內(nèi)的數(shù)采儀主要用于采集環(huán)境感知數(shù)據(jù)，符合《污染源在線自動(dòng)監(jiān)控（監(jiān)測(cè)）數(shù)據(jù)采集傳輸儀技術(shù)要求》（HJ 477-2009）和《污染源在線自動(dòng)監(jiān)控（監(jiān)測(cè)）系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)》（HJ 212-2017）。

數(shù)據(jù)采集。數(shù)采儀可采集配套儀器（環(huán)境采樣設(shè)備等）的狀態(tài)和工作參數(shù)（包括校正因子、校正系數(shù)和校正時(shí)間等），用于智慧環(huán)保后續(xù)的數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用。

遠(yuǎn)程控制。其包括遠(yuǎn)程控制數(shù)采儀軟件或硬件重啟、遠(yuǎn)程升級(jí)、各種參數(shù)的遠(yuǎn)程配置等。

數(shù)據(jù)傳輸。無(wú)線通信模塊可斷電復(fù)位，保證永久在線，具有數(shù)據(jù)自動(dòng)補(bǔ)傳功能。支持多中心數(shù)據(jù)傳送，可同時(shí)配置有線和無(wú)線通信方式，支持多種國(guó)內(nèi)主流儀器廠商（HJ 212等）的通信協(xié)議。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。各種歷史數(shù)據(jù)可存儲(chǔ)12個(gè)月以上，具有數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能。

1.3 環(huán)境感知平臺(tái)

其主要包括無(wú)人機(jī)、無(wú)人船等，用于搭載環(huán)境感知設(shè)備完成環(huán)境感知功能，并作為用戶部分業(yè)務(wù)的應(yīng)用手段，如利用無(wú)人機(jī)搭載視頻監(jiān)控進(jìn)行區(qū)域巡查監(jiān)察，利用無(wú)人船定位企業(yè)非法排污口等。

2 智能網(wǎng)關(guān)

智慧環(huán)保利用大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、彈性資源以及流式計(jì)算等相關(guān)技術(shù)，通過(guò)環(huán)境大數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)，解決數(shù)萬(wàn)量級(jí)的環(huán)保數(shù)據(jù)采集設(shè)備的實(shí)時(shí)聯(lián)網(wǎng)、高效通訊及數(shù)據(jù)入庫(kù)與分發(fā)的問(wèn)題，構(gòu)建分布式、高并發(fā)、高可用的污染物環(huán)境感知智能網(wǎng)關(guān)，結(jié)合數(shù)據(jù)有效性審核規(guī)范，高效穩(wěn)定地完成智能協(xié)議路由及數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ);通過(guò)采用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流、離線數(shù)據(jù)接口等方式，實(shí)現(xiàn)所接收數(shù)據(jù)的發(fā)布，并按需提供給各個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)，智能網(wǎng)關(guān)架構(gòu)如圖2所示。

環(huán)境智能網(wǎng)關(guān)如圖3所示，可分為設(shè)備網(wǎng)關(guān)、數(shù)據(jù)服務(wù)、API網(wǎng)關(guān)三大模塊。

2.1 設(shè)備網(wǎng)關(guān)

設(shè)備網(wǎng)關(guān)是整個(gè)通訊中心的核心功能，主要負(fù)責(zé)海量前端設(shè)備發(fā)出的高頻率數(shù)據(jù)包的接收，及實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)實(shí)時(shí)設(shè)備反控功能。

設(shè)備網(wǎng)關(guān)采用云模式設(shè)計(jì)，通過(guò)基于TCP層網(wǎng)絡(luò)均衡服務(wù)進(jìn)行分布式部署，后臺(tái)采用SSDB高速緩存隊(duì)列進(jìn)行數(shù)據(jù)包暫存。

設(shè)備網(wǎng)關(guān)采用linux系統(tǒng)下多進(jìn)程和多線程技術(shù)研發(fā)，網(wǎng)關(guān)內(nèi)部由一個(gè)管理進(jìn)程、若干個(gè)通訊進(jìn)程及一個(gè)數(shù)據(jù)包處理進(jìn)程組成，如圖4所示。

管理進(jìn)程負(fù)責(zé)監(jiān)控通訊進(jìn)程的工作狀態(tài)。管理進(jìn)程作為設(shè)備網(wǎng)關(guān)的大腦，負(fù)責(zé)指揮整個(gè)進(jìn)程的運(yùn)行，其分配的合理性也決定了整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的效率。

根據(jù)服務(wù)器性能通訊進(jìn)程，判斷單進(jìn)程可創(chuàng)建的最大線程數(shù)，每個(gè)進(jìn)程可創(chuàng)建子線程，每個(gè)通訊子線程可同時(shí)與若干個(gè)前端設(shè)備建立鏈接，通過(guò)詢問(wèn)、握手、校驗(yàn)、應(yīng)答等標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，并截取主要數(shù)據(jù)包放入臨時(shí)數(shù)據(jù)包緩存隊(duì)列中。同時(shí)，也可直接對(duì)前端設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程反控，當(dāng)通訊進(jìn)程通過(guò)進(jìn)程通訊技術(shù)接收到反控命令時(shí)，該設(shè)備主動(dòng)鏈接設(shè)備網(wǎng)關(guān)后，第一時(shí)間使通訊完成反控操作[2]。

數(shù)據(jù)包處理進(jìn)程通過(guò)多線程技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包存儲(chǔ)，負(fù)責(zé)將臨時(shí)數(shù)據(jù)包緩存隊(duì)列存放至SSDB中，確保數(shù)據(jù)包不丟失。

由此可以看出，通訊網(wǎng)關(guān)以多進(jìn)程多線程模式設(shè)計(jì)開發(fā)，確保單個(gè)節(jié)點(diǎn)能承擔(dān)更多的前端設(shè)備;經(jīng)第三方測(cè)試，以單臺(tái)服務(wù)器配置16核CPU、32 G內(nèi)存為例，（16-2）進(jìn)程*1024個(gè)線程*5個(gè)TCP鏈接>7萬(wàn)設(shè)備同時(shí)接入，單個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)接入監(jiān)測(cè)設(shè)備的數(shù)量遠(yuǎn)大于20 000個(gè)監(jiān)測(cè)設(shè)備;通過(guò)局域網(wǎng)1 000 M網(wǎng)絡(luò)模擬測(cè)試：10秒內(nèi)3 000設(shè)備聯(lián)網(wǎng)上線，1分鐘內(nèi)15 000設(shè)備聯(lián)網(wǎng)上線，2分鐘內(nèi)25 000設(shè)備聯(lián)網(wǎng)上線。

2.2 數(shù)據(jù)服務(wù)

數(shù)據(jù)服務(wù)作為后臺(tái)的基礎(chǔ)支持，負(fù)責(zé)進(jìn)行數(shù)據(jù)包入庫(kù)處理，按照分類路由，智能解析，按需發(fā)布的原則完成處理工作，如圖5所示。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)采用MySql+HBase（即SQL+NOSQL模式）進(jìn)行存儲(chǔ)，MySql負(fù)責(zé)系統(tǒng)管理、設(shè)備管理、配置信息等業(yè)務(wù)關(guān)系信息的存儲(chǔ);HBase負(fù)責(zé)原始數(shù)據(jù)包、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

2.3 API網(wǎng)關(guān)

API網(wǎng)關(guān)提供系統(tǒng)注冊(cè)、訂閱管理、設(shè)備管理、在線反控、數(shù)據(jù)查詢等在線功能。

2.4 智慧環(huán)保體系內(nèi)可用的網(wǎng)關(guān)類型

污染物在線采集網(wǎng)關(guān)。2017年5月1日實(shí)施的《污染物在線監(jiān)控（監(jiān)測(cè)）系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)》（HJ 212-2017代替HJ/T 212-2005），在原有的污染源在線監(jiān)控的基礎(chǔ)上，將環(huán)境質(zhì)量監(jiān)控、污染源自動(dòng)監(jiān)控、工況過(guò)程監(jiān)控、儀器設(shè)備運(yùn)行參數(shù)等納入?yún)f(xié)議管理范疇，進(jìn)一步明確和規(guī)范了污染物在線數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)，為擴(kuò)大環(huán)境傳感器的接入提供了標(biāo)準(zhǔn)支撐。

其主要包括如下功能：

設(shè)備管理。數(shù)據(jù)發(fā)送主體管理（凡是可以發(fā)送符合HJ 212-2017協(xié)議的數(shù)據(jù)包的軟硬件實(shí)體均稱為設(shè)備，包括環(huán)保數(shù)采儀器、在線儀器、工控機(jī)、其他數(shù)據(jù)通訊中心軟件），主要包括設(shè)備注冊(cè)（獲取唯一標(biāo)識(shí)）、設(shè)備信息維護(hù)（包括基礎(chǔ)信息、管理單位信息、運(yùn)維單位信息等）、設(shè)備審核、設(shè)備停用、設(shè)備刪除等功能。

數(shù)據(jù)接收。網(wǎng)關(guān)將依據(jù)分布式、高并發(fā)、高可用等原則建設(shè)，確?，F(xiàn)場(chǎng)在線設(shè)備通訊正常、數(shù)據(jù)包不丟失。

數(shù)據(jù)解析。網(wǎng)關(guān)依托流式計(jì)算技術(shù)對(duì)符合HJ 212協(xié)議的數(shù)據(jù)就行拆包解析，并結(jié)構(gòu)化入庫(kù)。入庫(kù)過(guò)程中，系統(tǒng)可根據(jù)各個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)審核規(guī)則（如超標(biāo)限制、異常判定等有效性審核規(guī)則）自動(dòng)判定數(shù)據(jù)狀態(tài)，為入庫(kù)數(shù)據(jù)打上數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)。

數(shù)據(jù)發(fā)布。數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)為各個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)訂閱服務(wù)，各個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)可根據(jù)需要實(shí)時(shí)獲取指定設(shè)備的在線數(shù)據(jù)。

設(shè)備反控制。數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)將HJ 212的反控命令封裝接口服務(wù)，各個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)可根據(jù)需要調(diào)用反控命令與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備聯(lián)動(dòng)，如補(bǔ)發(fā)數(shù)據(jù)、現(xiàn)場(chǎng)留樣。

原始數(shù)據(jù)包查詢。數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)提供調(diào)閱數(shù)據(jù)原始數(shù)據(jù)包，便于設(shè)備排查、數(shù)據(jù)核對(duì)。

其他協(xié)議數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)。通過(guò)整合基于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的多種通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)對(duì)其他環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備的直接接入。目前，主要的通信協(xié)議包含：物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議、HJ/T 477、JT/T 809等，主要包括大氣環(huán)境質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)控、企業(yè)工況在線監(jiān)控、機(jī)動(dòng)車遙感遙測(cè)、移動(dòng)式數(shù)據(jù)、揚(yáng)塵在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集等。

自定義服務(wù)數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)。針對(duì)特殊數(shù)據(jù)類型，用戶能通過(guò)自定義服務(wù)數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳，使平臺(tái)完成數(shù)據(jù)接收。

數(shù)據(jù)建模。依托大數(shù)據(jù)中心的信息資源目錄、數(shù)據(jù)交換平臺(tái)及存儲(chǔ)平臺(tái)，用戶可根據(jù)自有數(shù)據(jù)格式、業(yè)務(wù)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式注冊(cè)到數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，并與信息資源目錄進(jìn)行關(guān)聯(lián)，審核通過(guò)后生效。

數(shù)據(jù)接收。平臺(tái)提供模板導(dǎo)入、DB方式、接口方式等三種模式的接收數(shù)據(jù)。

模板導(dǎo)入，根據(jù)數(shù)據(jù)建模，平臺(tái)生成可視化操作頁(yè)面，下載數(shù)據(jù)模板。DB方式，依托數(shù)據(jù)交換平臺(tái)，用戶可配置源數(shù)據(jù)庫(kù)信息、數(shù)據(jù)映射關(guān)系、交換規(guī)則等信息，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)數(shù)據(jù)接收。接口方式，業(yè)務(wù)系統(tǒng)已有大量數(shù)據(jù)接口，用戶可以配置接口信息、數(shù)據(jù)入庫(kù)規(guī)則、交換規(guī)則等信息，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收。

參考文獻(xiàn)

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