场地污染监测预警与决策一体化系统的设计与实现.pdf

监测技术场地污染监测预警与决策一体化系统的设计与实现朱华陈倩刘宏舒孙大鹏周慧池辽庞亮(四川省地质工程勘察院集团有限公司四川 成都 四川省天晟源环保股份有限公司四川 成都 四川省天晟源信息技术有限公司四川 成都 鞍钢股份有限公司辽宁 鞍山 鞍山钢铁集团有限公司辽宁 鞍山)摘 要:通过分析我国相关场地污染现状和需求设计了场地污染监测预警与决策一体化系统利用物联网设备实时监测采集污染数据并通过数据传输技术 进行数据传输再使用三维地理框架 反映监测区域的污染情况保证对污染处理响应的实时性和高效性指出三维虚拟地理技术与大数据、物联网技术结合是系统的发展方向关键词:场地污染物联网数据处理三维地理监测预警中图分类号:文献标志码:文章编号:()收稿日期:修订日期:基金项目:国家重点研发计划基金资助项目()作者简介:朱华()男四川凉山州人硕士研究生研究方向为物联网、大数据平台 (.):.:()当前我国土壤和地下水环境质量不容乐观我国冶炼、焦化、化工、油气开采等重点行业场地及周边地区土壤污染物超标率 与冶炼化工相关的工业废弃地等场地所在的大面积土壤遭到污染 同时土壤中的污染物质向地下水中迁移造成地下水污染 由于地下水的径流、排泄及地下水位的波动地下水中的污染物浸润土壤造成双重污染严重威胁着生态环境和人民健康 因此对土壤和地下水实施有效污染监测并采取应对措施刻不容缓 今利用物联网技术采集地下水和土壤污染数据用大数据技术进行分析并利用 插件进行三维可视化反映监测区域的污染程度对污染进行评估并显示相应的预警方案第 卷 第 期环境监测管理与技术 年 月 场地污染实时响应监测系统需求分析系统以某石化园区的场地污染实测数据为基础对该场地的土壤和水进行实时监测当提取的环境数据超过污染指标限值时及时响应旨在以保护园区场地生态环境为目标以采集实时数据为基础实现对场地污染数据的监测预警与决策一体化 一体化系统的实现满足了对污染数据的实时监测功能、监测优化功能、智能模拟功能、预警决策功能、污染数据存储功能等多方面的需求 实时监测功能可以满足物联网支持下设备反馈的实时数据提取需求监测优化可以满足监测指标筛选和布点方案优化等需求智能模拟可以通过三维场景对污染物的迁移状态进行展示满足数据的可视化需求预警决策功能可以满足决策评估人员对污染评估和防治措施的辅助决策数据存储功能的实现保障了数据的安全性和稳定性 场地污染监测预警与决策一体化系统方案设计 环境污染实时响应监测系统整体架构设计针对环境污染监测网不同监测数据的分散和异构特点采用数据清洗、转换、集成与挖掘对接多源污染数据基于污染监测数据在线处理及实时转发响应技术构建物联网系统将实时监测数据推送到应用系统 系统利用物联网平台的污染监测实时数据、污染迁移智能模拟技术和二三维 动态展示技术对场地污染进行监测预警与决策系统总体逻辑结构见图 逻辑结构分 层:基础设施层、数据采集层、数据资源层、服务支撑层、应用层和用户层 基础设施层主要为上层的应用系统提供基础的运行环境支撑包括各种实时监测设备、机器人、视频监控设备、服务器、数据库、文件存储以及所处的网络环境、安全设施、管理设施等数据采集层主要是对在线监测环境数据进行接入包含机器人采集、土壤监测、渗漏量等数据数据资源层是数据存储中心主要对应数据库中的各种数据服务支撑层在整个系统中起到业务支撑作用应用层主要为用户提供业务应用系统是在以上各层的基础上搭建灵活、高效、可扩展的应用模块可分为分析类应用和业务类应用用户层为按角色分析归纳的各类系统使用人员包括检测设备厂家人员、系统监测人员、管理人员、环境专家及上级管理部门等用户 总体功能设计场地污染监测预警与决策一体化系统设计主要结构单元包括:大屏一张图 单元该单元是系统软件进行数据展示、三维模拟的主要界面需图 系统逻辑架构.第 卷 第 期朱华等.场地污染监测预警与决策一体化系统的设计与实现 年 月要满足用户在使用操作方面的高效性、简洁性需求后台管理单元给用户提供数据上传、数据修改、数据筛查、数据删除、接口管理的唯一单元并且对大屏单元的所有数据信息有直接管理的权限污染监测单元对污染物监测数据进行监测的核心单元对污染数据进行数据收集、数据清洗、数据统计、数据存储和服务发布污染预警单元是污染物评估预警体系的核心单元负责从接收污染数据到前端显示预警信息之间所有的流程污染决策单元当某污染物达到预警风险程度时制定相应的治理决策方案包括收集每种污染物在不同污染程度时的决策方案库、对预警信息的实时响应、决策数据的发布数据管理单元对系统数据进行管理的功能单元能对整个软件的所有数据进行编辑的核心底层实现设备接入单元用于接入污染现场的硬件监测设备数据单元 环境污染监测响应系统 实地环境污染数据采集上述构建的环境污染实时响应监测系统所需的环境污染数据分为土壤表面数据和土壤内部数据均以物联网技术为基础 土壤表面的 由 底盘的无人车作为数据采集工具将传感器采集的数据通过传输模块进入数据采集层土壤内部的污染数据由安装在厂区固定点位监测井中的 射线荧光光谱重金属在线监测设备采集并上传数据辅以其他模块最终达到辅助相关人员做出决策的目的 有机物污染数据采集时使用的硬件设备为 空气传感器 无人车根据导航指令在场地内巡检当 空气传感器检测到 弥漫时通过当前风向判断污染区域方位导航算法根据污染区域方位规划行进路径使用间隔采点的方式获取稀疏的 浓度数据为进一步判断污染源提供依据 基于 预估污染源污染范围控制无人车在污染源附近密集采点确定污染扩散情况为了解决普通线性回归模型中的时空非平稳性问题在地理加权回归模型()的基础上采用时空地理回归模型()是一种有效探测时空非平稳特征的空间分析方法先计算时空权重矩阵来反映时间和空间位置对事物的影响再统一计算各特征变量的回归系数 数据处理与通信技术通过传感器获取的数据需要进行分析处理结合系统要求对数据处理的吞吐量与延迟率有较高要求故选择 进行数据处理 数据的实时响应也是环境污染实时监测响应系统的一个关键之处故选择 技术 是一个.下的类库可以在.的 项目中实现实时通信 系统与服务器解析接入的数据之间通过 进行交换沟通在系统创建连接和连接服务当有数据采集时服务器代码立即向系统推送订阅内容而不是让服务器等待 当 可用时即浏览器支持 使用 当不支持时 将使用其他技术最终获得相同效果 通过 实时推送保证监管信息的实时性展示和监管数据更新的时效性 是 最理想的传输方式因其延迟低、无须占用多余的服务器内存能满足客户端和服务器之间的全双工通信 目前主流使用场景有弹幕、多人游戏、视频会议聊天等 场地水土污染物迁移可视化与模拟上述系统的污染迁移模块首先通过钻孔数据、其他地质资料、数据、卫星影像数据、公共设施数据建模并进行三维场景构建其次导入通过监测井和无人车获取的污染数据对污染数据进行规则化后建模再进行污染数据和三维场景的耦合和自适应实现数据可视化和自适应模拟最后提供场景分析工具对数据进行查询、分析 场地水土污染物迁移可视化与模拟模块基于虚幻 引擎搭建 由于虚幻 出色的性能、效率和画质被应用于各种三维场景广泛应用于游戏、电影、房地产、工业制造等各个专业领域 系统采用虚幻引擎的像素流技术进行集成通过像素流送可将打包的虚幻引擎应用程序在桌面 或云端服务器上运行使用者通过任意浏览器进行连接桌面端和移动端均可以访问并从虚幻引擎应用程序流送渲染的帧和音频 场地水土污染物迁移可视化与模拟的过程如下()依据研究区的东西、南北走向及垂直高度研究区内的水文地质条件及含水层边界的几何形状基于安置的监测井点位将其平面剖分为多行和多列、垂直方向分为多层 行数乘以列数乘以层数即采样区域的有效计算单元格数()统计各点污染程度形成研究区内的污染物污染程度离散分布图形成污染物污染程度分布第 卷 第 期朱华等.场地污染监测预警与决策一体化系统的设计与实现 年 月场图 由于观测点数据在深度上为多层可形成多层的污染物污染程度场图 每个观测点的污染程度计算方式采用公式()()式中:为单个网格的污染程度值为采样单元污染程度值依据上述计算过程可得出某个网格污染程度结果用数据表示为(、)其中、为空间坐标点 为时间 为污染程度 将污染程度数值结果与三维基础环境模型进行叠加 污染物数值计算结果和三维环境模型均基于地理坐标建立故二者的叠加相对容易只需要地理坐标一致即可 污染程度可视化映射即对数值计算结果的可视化表达 依据污染程度值分为 个等级可视化颜色从蓝色到红色渐进即污染程度低的点用蓝色表示污染程度高的点用红色表示()污染程度可视化之后采用光线透射算法展示污染物在整个区域的扩散迁移情况效果见图 前端管理大屏三维现实场景模拟系统主要平台为 端故前端整体的三维场景展示选择 作为二三维一体化的 信息处理和展现框架 是一种 开源三维地图引擎其前端框架基于最新网页语言 支持 进行硬件加速图形化具有动态地理空间数据可视化、性能佳、精度高、视觉质量优、易用等特点 只须通过一个 浏览器 便可创建世界级 地球仪真正无插件浏览且自适应电脑、手机、平板等跨平台多终端设备 因其开源的特点在进行某些应用的时候需要考虑数据的安全问题 系统只在石化园区内部运行数据的交换和传输均通过局域网不会与外部网络进行交互并且由于需要大量高清的底图影像及矢量 数据考虑到安全性采用基于 服务器规范的 实现开源地图服务发布软件 将其部署在内网服务器并发布为内部地图服务在物理与代码规范上都保证了数据的安全性 污染场地预警管理场地污染物是地下水的直接污染源通过 所述的污染迁移模拟模型获取污染物迁移的模拟情况并进行预警管理 分析不同类型污染物的物化性质、毒理学特征和迁移行为以及场地类型等确定具体需要监测的污染物种类快速识别污染源的特征并采取相应的预警方案同时判断污染源对地下水造成污染的风险大小 技术实现前端大屏:通过监测区域安置的采集装置基于物联网技术获取各项污染物的结构化数据并传输到后台数据库通过建模软件生成的三维地形模型结合三维空间数据和属性数据的非结构化数据同样传输到前端大屏并显示 该功能主要显示场地概况(展示监测区域的位置、地质、地下水、土壤、污染情况的简要信息)当前的北京时间与场地的气温数据厂区的三维地形场景渗漏设备点位图层和机器人设备图层并支持点击显示设备名称、位置、功能加载固定点位监测图层监测点位数据统计展示 系统主界面见图 实时信息监测功能:通过采集装置接收的监测数据会实时传输到系统的实时信息监测区域方便用户掌握实时监测数据及采集装置工作情况污染迁移模拟功能:通过收集的污染物数据和 图 污染迁移模拟效果.图 前端大屏和渗漏监测.第 卷 第 期朱华等.场地污染监测预警与决策一体化系统的设计与实现 年 月具体点位信息得到污染迁移的三维可视化模拟效果并显示在相应位置根据预置的污染等级评估方法污染迁移的三维可视化模拟将呈现不同的效果预警决策功能:该功能将获取的监测数据通过预置的评估方案提出相应的治理方案系统后端数据管理功能:后台管理功能主要分为场地基础信息管理、数据监测管理、实时监测设备接口管理、系统管理 监测区域基础信息管理:主要有区域管理(基本信息、图层信息、模型信息等)监测设备(名字、状态、上传记录等)机器人管理通过该信息管理功能用户可以了解关于监测区域相关的具体信息如监测区域名称、地址等数据监测管理:主要分为工作台监测设备数据(土壤监测、渗漏监测、机器人监测数据)展示污染物迁移状态展示 数据监测管理主要是方便管理人员在系统后端通过列表形式查看具体的设备情况、数据监测信息等 结语通过建立场地污染预警与决策一体化系统对污染的发生进行及时监控对生态环境保护具有一定必要性 基于场地污染中污染数据的多源性、结构复杂等特点如何更好地将大数据、物联网技术与三维虚拟地理技术运用结合起来是系统以后发展的重要方向参考文献吴俭邓一荣林龙勇等.广州市建设用地土壤污染风险管控和修复现状问题与对策.环境监测管理与技术():.张思兰梅绪东徐烽淋等.基于 的页岩气开发生态环境数据管理系统设计.环境监测管理与技术():.覃文忠王建梅刘妙龙.混合地理加权回归模型算法研究.武汉大学学报:信息科学版():.张钰娟赵阳阳陶坤旺等.社会经济权重约束下的时空地理加权回归方法.测绘科学():.郭磊马俊瑞刘旭.基于物联网的城市管理统一业务受理平台设计与应用.北京测绘():.张月惠晨晨邹圣新等.基于 技术的校园智慧消防平台系统设计研究.电脑知识与技术():.陈志明蒋文凯吴云华.基于 的无人机集群作战仿真演示系统.兵器装备工程学报():.杨芊王洪涛.关于工业园区突发环境事件应急管理体系的思考.环境监测管理与技术():.(上接第 页)向雨张鸿辉刘小平.多源数据融合的城市体检评估 以长沙市为例.热带地理():.张文忠何炬谌丽.面向高质量发展的中国城市体检方法体系探讨.地理科学():.陈妮应丰王静等.基于 的高分辨率遥感图像土地利用信息提取.遥感技术与应用():.高菲张均曾九利.成都市绿色城市发展与规划探索.规划师():.张梦李志红黄宝荣等.绿色城市发展理念的产生、演变及其内涵特征辨析.生态经济():.许浩金婷刘伟.苏锡常都市圈蓝绿空间规模与格局演变特征.南京林业大学学报(自然科学版)():.陈天谭凝.基于 数据的蓝绿空间改善城市热环境分析 以天津市为例.南方建筑():.高祥伟张志国费鲜芸.城市公园绿地空间分布均匀度网格评价模型.南京林业大学学报(自然科学版)():.:.(/):.刘冰张斌廖俊杰等.基于 与 的水土保持生态功能区生态状况评估.环境监测管理与技术():.苏龙飞徐华平高飞等.一种面向对象下城市可见光航空影像植被信息提取方法.测绘通报():.戴莉莉李海涛顾海燕等.特征优选下的遥感影像面向对象分类规则构建.测绘科学():.郑雅兰王雷光陆翔.高分二号全色 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