韓立 王栓寶 宋勝女 劉蘇
摘 要:基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧環(huán)境監(jiān)測(cè)是實(shí)現(xiàn)國(guó)家提出綠色環(huán)境的重要手段。其核心技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。該技術(shù)結(jié)合數(shù)據(jù)可視化技術(shù)、嵌入式技術(shù)、大數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)等,能實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)跨區(qū)域多點(diǎn)實(shí)時(shí)環(huán)境監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)分析、智能決策,提高生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)和保護(hù)工作的質(zhì)量和效率。
關(guān)鍵詞:物聯(lián)網(wǎng)技術(shù);智慧環(huán)境監(jiān)測(cè);智能決策
1 智慧環(huán)境監(jiān)測(cè)的必要性和重要性
“十四五”關(guān)于環(huán)保方面提出加快推動(dòng)綠色低碳發(fā)展,持續(xù)改善環(huán)境質(zhì)量,增強(qiáng)全社會(huì)生態(tài)環(huán)保意識(shí),深入打好污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)。智慧環(huán)境監(jiān)測(cè)是把物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[1]應(yīng)用到環(huán)境監(jiān)測(cè)中,實(shí)現(xiàn)一體化的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò),將數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、報(bào)警系統(tǒng)、信息傳遞集中于一體。利用大數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)深層次地分析和挖掘數(shù)據(jù),對(duì)工作形成決策輔助支持,從而確保大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)的精準(zhǔn)性、實(shí)時(shí)性,提升我國(guó)綠化環(huán)境,加強(qiáng)環(huán)保水平,為實(shí)現(xiàn)我國(guó)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的目標(biāo)提供有利條件。
基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧環(huán)境監(jiān)測(cè)是典型三層架構(gòu),自上而下分別是應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層以及感知層(見圖1)。
感知層完成數(shù)據(jù)的采集,可定時(shí)、定點(diǎn)對(duì)某一環(huán)境的各個(gè)參數(shù)以及具體分布情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)和研究,對(duì)樣本進(jìn)行相應(yīng)地分析,以此發(fā)現(xiàn)環(huán)境中存在的不利因素。組成感知層的是多個(gè)信息采集節(jié)點(diǎn)即各種硬件傳感器智能卡、電子標(biāo)簽、識(shí)別碼、攝像頭等感知設(shè)備,將無線傳感器[1]網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于環(huán)境智慧監(jiān)測(cè)領(lǐng)域,具有易于布置、靈活通信、低功耗、低成本等特點(diǎn)。感知層能量采集技術(shù)可以克服傳統(tǒng)化學(xué)電池供電存在的易爆、污染環(huán)境、更換麻煩等缺點(diǎn),還可根據(jù)工作環(huán)境中可能的能源種類,將兩種或兩種以上的能量轉(zhuǎn)換方式集成到同一器件,實(shí)現(xiàn)更有效地?zé)o線傳感器供電。
網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā),利用無線網(wǎng)、移動(dòng)網(wǎng)、固定網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、廣電網(wǎng)等傳輸網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)感知層所采集信息的傳輸與處理,實(shí)現(xiàn)多方的交互,是整個(gè)環(huán)境監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)的核心組成部分,主要由監(jiān)測(cè)服務(wù)器、遠(yuǎn)程控制服務(wù)器、中轉(zhuǎn)服務(wù)器組成。在數(shù)據(jù)傳輸過程中,可采用安全系數(shù)更高的加密算法。數(shù)據(jù)整合技術(shù)對(duì)于減少原始數(shù)據(jù)的冗余,提高數(shù)據(jù)傳輸效率有很大的優(yōu)勢(shì),并且利用數(shù)據(jù)融合技術(shù)也能夠有效提高數(shù)據(jù)信息的準(zhǔn)確度,減少因信息模糊或失效等原因造成的損失。
應(yīng)用層主要包括環(huán)境監(jiān)測(cè)的特定應(yīng)用服務(wù),用于完成信息的分析處理和決策,以實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測(cè)信息的識(shí)別、感知、分析和預(yù)測(cè),發(fā)揮智能作用。通過數(shù)據(jù)可視化技術(shù),完成對(duì)數(shù)據(jù)大屏的實(shí)時(shí)更新,實(shí)時(shí)了解環(huán)境狀態(tài)信息,通過大數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)挖掘數(shù)據(jù)深層價(jià)值,實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測(cè)水平的有力提升,推進(jìn)環(huán)保工作的有效開展。
2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧環(huán)境監(jiān)測(cè)中的制約因素
(1)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不規(guī)范不完善,缺乏標(biāo)準(zhǔn)化的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和普及。受環(huán)境因素的影響和監(jiān)測(cè)體系復(fù)雜的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的限制,易出現(xiàn)多次重復(fù)檢測(cè)現(xiàn)象,造成資源的嚴(yán)重浪費(fèi),目前仍未能實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境變化過程的有效監(jiān)督。因此,需要統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,加快系統(tǒng)建設(shè),以充分發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)[2]。只有提高生產(chǎn)率,制定形成統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),才能使物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)具有更加的普適性,實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境變化過程的全方位的有效監(jiān)督。
(2)環(huán)境監(jiān)測(cè)規(guī)模不能滿足全面應(yīng)用的要求,監(jiān)測(cè)能力有限,精確度不高,傳感器功能單一。起步階段的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用的傳感器等設(shè)備功能簡(jiǎn)單,監(jiān)測(cè)能力有限,精確度不高,數(shù)據(jù)單一,降低了監(jiān)測(cè)的可靠性,各參數(shù)之間的變化影響不易發(fā)現(xiàn),實(shí)用性難以滿足全面應(yīng)用的要求。此外,現(xiàn)有的通信系統(tǒng)很難與較為先進(jìn)的技術(shù)兼容,信息資源難以整合,無法綜合應(yīng)用。
(3)環(huán)境監(jiān)測(cè)從業(yè)人員和具有物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)綜合素質(zhì)人員太少,技術(shù)人員能力有限。監(jiān)測(cè)工作需要專業(yè)人員來實(shí)現(xiàn),但從業(yè)人員對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的掌握程序有限,缺乏專業(yè)知識(shí)和操作能力,無法有效解決物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用過程中的問題。不能充分體現(xiàn)計(jì)算機(jī)應(yīng)有的價(jià)值和性能,不能利用大數(shù)據(jù)挖掘出預(yù)警信息,不能更好地做智能決策,故需要重組優(yōu)化人員結(jié)構(gòu),令其既懂監(jiān)測(cè)又懂計(jì)算機(jī)物聯(lián)網(wǎng)知識(shí)。
(4)系統(tǒng)管理水平較低。我國(guó)尚不完善的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng),受體制等諸多因素束縛,系統(tǒng)管理水平有待提高[3]。為使其整體管理水平更加適應(yīng)實(shí)際工作的要求,物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)尤應(yīng)把完善物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)和相關(guān)的管理制度作為重任。
(5)檢測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)無法共享。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)三層中的感知層和應(yīng)用層產(chǎn)生了大量的數(shù)據(jù),但是形成數(shù)據(jù)無法共享,不能整合資源,統(tǒng)籌安排,對(duì)數(shù)據(jù)不能進(jìn)行深層次分析與挖掘,不能為監(jiān)測(cè)技術(shù)提供科學(xué)條件。
3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的優(yōu)化措施
(1)深度挖掘環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),提供智能決策?,F(xiàn)場(chǎng)終端設(shè)備監(jiān)測(cè)點(diǎn)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)類型多樣化,通過大數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)從大量的環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中提取出有用的信息,數(shù)據(jù)共享,結(jié)合類分析法、環(huán)境質(zhì)量證級(jí)法、環(huán)境預(yù)測(cè)法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,通過圖表形式顯示給用戶,當(dāng)達(dá)到臨界值時(shí)可設(shè)為預(yù)警點(diǎn),并產(chǎn)生預(yù)警提示功能,為不同的用戶提供智能決策,提升環(huán)保質(zhì)量。
(2)構(gòu)建完善的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立統(tǒng)一的終端設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸、監(jiān)測(cè)平臺(tái)物聯(lián)網(wǎng)工作信息平臺(tái),使環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)共享。監(jiān)測(cè)平臺(tái)以監(jiān)測(cè)服務(wù)器為中心,根據(jù)不同監(jiān)測(cè)人員的需求對(duì)接收到的環(huán)境監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行不同的處理,通過物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享,建立分析模型,對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,制定預(yù)警方案和解決方案,建立起事前預(yù)警、事中監(jiān)測(cè)、事后處理的完整系統(tǒng)。三層的軟硬件都充分發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)先進(jìn)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)完善監(jiān)測(cè)技術(shù)且配合工作,加強(qiáng)技術(shù)控制,增加監(jiān)測(cè)范圍,完善監(jiān)測(cè)要素[4],以保證物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)中各個(gè)環(huán)節(jié)的銜接和功能的完整,達(dá)到監(jiān)測(cè)環(huán)境污染、保護(hù)環(huán)境的目的。
(3)優(yōu)化環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)。實(shí)時(shí)獲取監(jiān)控?cái)?shù)據(jù),進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞、預(yù)警預(yù)測(cè)以及信息決策,設(shè)置不同的訪問權(quán)限以保證數(shù)據(jù)的安全,對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行充分地考察,了解監(jiān)測(cè)需求,自動(dòng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,確定預(yù)警類型,制定清晰的系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo),實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)共享,深度數(shù)據(jù)挖掘,優(yōu)化數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì),優(yōu)化整合環(huán)境監(jiān)測(cè)信息,跟蹤顯示數(shù)據(jù)圖表。
(4)建立智慧環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫。智慧環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)環(huán)境決策起著指導(dǎo)性的作用,建立數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)大量環(huán)境信息用于大氣環(huán)境的分析和治理。據(jù)根準(zhǔn)確的信息資源、可靠的數(shù)據(jù)分析,開展數(shù)據(jù)挖掘,提升動(dòng)力環(huán)境監(jiān)控效能,對(duì)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)和工作人員做出具體的指導(dǎo)和方案。
(5)培養(yǎng)高素質(zhì)的智慧環(huán)境監(jiān)測(cè)隊(duì)伍。國(guó)家加強(qiáng)專業(yè)人才培養(yǎng)建設(shè),培養(yǎng)既懂物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)又懂環(huán)境監(jiān)測(cè)的綜合素質(zhì)人才,提高知識(shí)和技能水平。在高校環(huán)境監(jiān)測(cè)專業(yè)增加大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)課程,培養(yǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)人員的信息素養(yǎng),確保環(huán)境監(jiān)測(cè)人員掌握運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的能力,不斷促進(jìn)環(huán)境監(jiān)測(cè)工作有效性的提升
(6)提升智慧環(huán)境監(jiān)測(cè)保障。政府應(yīng)加大資金投入,推進(jìn)制度體系的發(fā)展和完善,強(qiáng)化專業(yè)人才的技能支撐,提升質(zhì)量管理的思想意識(shí),提高傳感器等設(shè)備的精準(zhǔn)度和適用范圍,努力研發(fā)先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備,加強(qiáng)物聯(lián)網(wǎng)共享平臺(tái)的建設(shè),建立健全物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)共享平臺(tái)。
基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧環(huán)境監(jiān)測(cè),可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)管理和控制,進(jìn)一步提升監(jiān)測(cè)水平。通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸,通過大數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)挖掘進(jìn)行輔助決策,為環(huán)境保護(hù)管理部門及需求者提供信息支撐,在環(huán)境監(jiān)測(cè)中實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的無線化,具有較高的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
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(編輯 姚 鑫)