基于云計算的突發性水污染事故預警管理系統的開發與應用

陶子樂滔，儲 婭，王 靜，蔡怡馨，彭 云，李 靖（.云南農業大學資源與環境學院，云南　昆明6500；.云南農業大學水利學院，云南　昆明6500；.云南農業大學城鄉規劃設計研究院，云南　昆明6500）

基于云計算的突發性水污染事故預警管理系統的開發與應用

陶子樂滔1，儲 婭1，王 靜2，蔡怡馨2，彭 云3，李 靖3
（1.云南農業大學資源與環境學院，云南昆明650201；2.云南農業大學水利學院，云南昆明650201；3.云南農業大學城鄉規劃設計研究院，云南昆明650201）

為滿足環境應急管理信息化實踐的需要，針對應急預警管理系統對突發性水污染事件中信息流轉的時效性和污染事件深度管理的要求，采用云計算技術，以移動通信平臺為通信傳輸網絡，通過建立云端和移動終端相結合的架構，研究了云計算技術在處理突發性水污染事故中的應用。開發結果體現了云計算技術對數據處理和存儲的優勢，驗證了此架構可以有效地提高信息發布的時效性，降低布設管理系統中應用終端所需的性能成本，并可優化系統應用程序的智能性，降低對系統使用者的技術要求。

云計算；移動終端；突發性水污染事故；應急預警管理系統

隨著我國經濟建設的持續高速發展，化學工業生產強度急劇加大，化學產品跨地域物流日趨頻繁，因人禍、天災等不可預測的原因以及某些人為因素，造成突發性水污染事故頻頻發生。有文獻顯示，突發性水污染事故在各類環境事故中比例最高［1-3］。突發性水污染事故的發生，不僅影響當地水資源利用，破壞當地水生態環境，而且對當地甚至下游大范圍區域內居民的身體健康構成極大威脅，同時也會造成極大的經濟損失。為了將突發性水污染事故所造成的損失降至最低，應第一時間發現、掌握、處理污染事故。目前，對于突發性水污染事故的應急處理方法已經有了大量的研究，而對事故的預警管理系統的開發大多是建立毒理數據庫、污染信息調查系統和應急監測系統，以及對固定某區域進行預警，但對不確定區域突發性水污染事故的預警難以及時有效地獲取事故信息［4-7］。因此，引入云計算的突發性水污染事故預警應急管理系統，對于事故的信息采集、預測、處理和管理具有重要的意義。

云計算技術在環境安全方面的應用很少，常用的預警管理系統多為基于Web的OA架構［8-9］，使得管理系統被束縛在辦公室內，對突發性水污染事故預警的時效性具有一定的缺陷。而對于突發性水污染事故的處理，信息的時效性是非常重要的，第一時間獲取準確的污染信息，包括污染源、污染類別、污染發生地點和污染點水質特征等信息，對于后續的應急處理有十分積極的幫助。為了優化信息傳遞環節，采用移動終端來進行信息采集、傳遞和前期處理是可行且便捷的手段，同時利用云計算的技術手段可克服移動終端對數據深度處理的短板。

1　技術開發

1.1云計算開發技術簡介

云計算是一種運行模式，一個計算基礎設施可以作為一個“云”，企業和個人可以從世界上任何地方任何時間按需訪問“云”中的應用程序［10］。從用戶的角度來看，云計算系統將各種數據都通過網絡保存到遠端的云存儲平臺上，同時云計算系統也將處理數據的服務程序通過遠程的大規模云計算處理平臺進行，這種系統結構云端承擔了大規模數據處理的工作以及減小了用戶對數據管理的負擔［11］。“云”的存在使得某些大規模應用程序的用戶所使用的終端不需要完全滿足應用程序的運行需求，極大地縮減了終端配置的經濟壓力，以及獲得一種“無限資源”模式的計算模式。

在事務管理系統中，大量的應用實例驗證了在事務管理系統中引入云計算技術的可能和優勢［12-15］。在突發性水污染事故的現場，對事故信息采集的數據可以通過網絡直接訪問云端計算處理平臺進行處理，同時在移動平臺上就可獲得計算處理的結果。

1.2系統架構簡介

突發性水污染事故預警管理系統由客戶端和云端兩部分構成，客戶端部分采用J2ME解決方案的移動平臺架構，云端部分按需求采用跨平臺性和穩定性優秀的技術。云端數據存儲平臺采用Microsoft SQL Server 2012，為數據存儲、調用和可視化提供穩定、安全的服務。突發性水污染事故預警管理系統整體采用分層設計，其業務架構如圖1所示。

圖1　突發性水污染事故預警管理系統結構示意圖Eig.1 Schematic diagram of early warning and emergency management system for water pollution accident

突發性水污染事故預警管理系統網絡架構基于移動網絡平臺，移動設備對事故數據的采集與訪問通過移動網絡遠程對云端進行操作。目前，移動通信技術中，4G技術下行速度可達100 Mbps/s、上行速度可達30 Mbps/s，3G技術下行速度可達3.6 Mbps/s、上行速度為384 kbits/s［16-17］，對于系統所需的數據傳遞，移動通信技術的傳輸速度完全可以達到系統需求。突發性水污染事故預警管理系統網絡結構如圖2所示。

圖2　突發性水污染事故預警管理系統網絡結構示意圖Eig.2 Schematic diagram of system network structure

1.3應用平臺

為了提高用戶對事件的響應效率，突發性水污染事故預警管理系統將應用在移動平臺之上，終端配置為智能手機、平板電腦和筆記本電腦等便攜性移動設備。目前，J2ME是對嵌入式設備和智能電子設備領域的最佳解決方案，Sun公司將J2ME定義為:一種以廣泛的消費性產品為目標的高度優化的JAVA運行環境。這種解決方案可以便捷地實現跨平臺的應用，移動端中智能手機用的Android和Windows的操作系統都能夠很好地兼容此解決方案。

突發性水污染事故預警管理系統中引入便攜性移動設備，有效地增強了突發事故一些基礎數據采集的時效性，廣泛應用的智能手機移動平臺可以獲取GPS信息來確定事故發生地點，高像素的攝像頭可以采集事故現場高分辨率圖像，手機處理核心的主頻滿足對事故數據前期判斷，同時對事故數據和信息的收發簡單、快捷。

2　業務應用

突發性水污染事故預警管理系統重點要解決應急管理中工作人員在信息采集、信息上傳下載、數據信息處理、數據分析等方面的實際應用問題。該系統根據信息化建設的原則，遵循跨平臺、分層設計、組件式、多接口模式等設計理念。

2.1事故信息采集

突發性水污染事故多發生在野外或基礎監測設施建設薄弱的地域，所以突發性水污染事故預警管理系統對事故信息第一時間的采集主要交給移動終

端。移動終端可以對事故發生地點、事故現場圖像、事故發生時間、事故發生時氣候狀況、污染現狀視頻等信息進行采集，為系統的使用者對數據、圖像、視頻等信息的查詢、統計分析、信息深度處理提供基礎數據支撐。同時，移動終端可以滿足突發性水污染事故信息采集中的全天候、全地形和時效性的要求，只需要現場人員持有移動終端即可隨時隨地進行事故處理所需的前期基礎信息采集。

2.2事故信息初步處理

移動終端對基礎信息進行采集的同時，由終端內置的突發性水污染事故預警管理系統應用程序對事故信息進行初步的分類、判斷和處理。該應用程序可由內置的小型信息庫判斷事故發生的種類、事故污染級別、污染的可能毒害程度等，并為事故信息標注警報級別，使得決策者能快速、準確和有效地應急處理事故；同時該應用程序可為信息采集提供引導模式的步驟提示，由系統判斷事故處理所需的信息采集內容、采集次序和是否采集完全，操作人員無需專業知識即可為系統采集基礎信息。

此外，移動終端內置的預警管理系統應用程序將對采集的信息和數據按照需求進行壓縮和加密，以提高信息傳輸的速率和安全性。根據移動終端配置，采集的圖像和視頻的數據大小將會對目前普遍使用的移動通信網絡傳輸速率造成很大壓力，如800萬像素的攝像頭所采集的單幅圖像大小約1.8 Mbps、采集的視頻每分鐘約30 Mbps，而經過壓縮處理后壓縮比可達50%～90%，可以有效地提高信息傳輸速率。

2.3事故信息和數據上傳

突發性水污染事故預警管理系統中，移動終端負責將收集的事故信息和初步處理后的數據通過移動通信網絡上傳到云端。移動終端利用目前普遍應用的3G技術或4G技術移動網絡通信，快速地上傳事故信息和數據。假定事故信息包括10張高清晰圖像、1 min有聲視頻、文字和數字數據，經過壓縮后達到12 Mbps，理論上通過3G技術網絡只需要30 s、4G技術網絡只需要0.4 s即可上傳完畢。可見，移動通信網絡完全可以滿足突發性水污染事故預警管理系統對數據傳輸的要求，有效地滿足信息的時效性。

2.4云端存儲、分析和發布

突發性水污染事故預警管理系統結構中的云端負責對收到的數據和信息進行計算模擬、存儲和數據分析等深度處理。云端提供突發性水污染事故預警管理系統中所需的所有服務程序，降低數據查詢和應用終端所需的硬件配置需求，滿足大規模數據處理所需高級別資源需求。

云端的數據存儲服務器主要負責對事故發生的數據進行分類存儲，包括現場數據、其他部門轉發的數據和事故處理過程數據等，為事故影響預測、事故規模模擬和事故處理等提供數據基礎，同時，云端的存儲服務器中的決策庫為決策者提供穩定、高效和安全的事故處理支撐方案。

云端的應用程序服務器主要負責對污染擴散、污染范圍、污染能力和數據可視化進行計算服務，包括理論計算污染物在突發性水污染事件發生后污染物擴散范圍、各時間點污染物能到達的地點、不采取任何措施污染物自然降解或分解所需時間、污染事件影響規模（包括人數、行政區劃范圍和輿論等）和為有關部門提供可視化數據等。

此外，云端在安全協議約束以及決策者授權的條件下對事故信息進行公開發布，并對用戶權限進行管理，即對于不同機密級別的用戶授予不同程度的系統操作權限，以減少誤操作和數據丟失等行為。同時，云端服務器對突發性水污染事故處理在全局層面上進行管理，有效地幫助事故處理中人員責任的界定，滿足每個決策和處理措施都有責任人的電子簽名。

2.5事故信息和數據查詢

突發性水污染事故預警管理系統的移動終端可以對云端進行遠程訪問，進行事故信息和數據的查詢，用戶可以在任何地方、任何時間通過移動通信網絡訪問云端獲取突發性水污染事故的即時信息，不被束縛在固定的PC終端，提高了系統應用的靈活性；事故的決策者在事故發生的第一時間就可以通過訪問云端獲取事故發生的信息，可以有效地優化事故處理響應時間；事故處理的一線技術人員可以通過訪問云端來獲取最新的事故發生地、污染物、氣候、水質和水流流速等數據，有效地幫助他們判定事故處理技術的應用。

2.6系統運行數據流

突發性水污染事故預警管理系統運行由移動端和云端兩個部分協調完成，數據在移動端和云端之間流動和停留。突發性水污染事故預警管理系統數據流如圖3所示。

圖3　突發性水污染事故預警管理系統數據流示意圖Eig.3 Data flow diagram of early warning and emergency management system for water pollution accident

3　結 論

本文提出了基于云計算技術的突發性水污染事故預警管理系統的架構，并討論了該系統結構的合理性和有效性。云計算技術的引入，系統不需要在客戶端安裝復雜的應用程序、擁有高性能的計算模塊和存儲大量的基礎數據等；移動終端的引入，極大地滿足了突發性水污染事故對信息時效性的需求，用戶在各時間、各地點都能夠簡單快捷地訪問云端并上傳或下載數據。該系統架構充分采用了目前較先進的技術手段，保證了全系統高效、即時、安全和穩定的運行，而云計算和移動終端相結合的技術實用易行，能夠有效地克服傳統預警管理系統中數據傳輸的短板和對用戶終端性能要求高的問題，對提高系統響應效率和降低系統造價具有現實意義。

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Development and Application of Early Warning and Emergency Management System for Sudden Water Pollution Accidents Based on Cloud Computing

TAO Ziletao1，CHU Ya1，WANG Jing2，CAI Yixin2，PENG Yun3，LI Jing3
（1.College of Resources and Environment，Yunnan Agricultural University，Kunming 650201，China；2.College of Water Conservancy，Yunnan Agricultural University，Kunming 650201，China；3.College of Architecture and Engineering，Yunnan Agricultural University，Kunming 650201，China）

To realize the informatization of environment emergency management and meet the requirement of the express information transfer and the depth management of pollution incidents in early warning and emergency management system，this paper takes the mobile communication platform as internet transmission networks，applies cloud computing technology to establishing the framework by combining mobile terminal with the cloud and studies the application of cloud computing in the emergency management system for pollution incidents.The results reflect the advantage of cloud computing on data processing and storage，and verify that the framework can effectively improve the efficiency of the information release，reduce the performance cost of the terminal layout in the management system，optimize intellectuality of the application program，and lower the technical requirements for the system users.

cloud computing；mobile terminal；sudden water pollution accident；early warning and emergency management system

X830.7；X52

A

10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2015.05.011

1671-1556（2015）05-0064-04

2014-12-24

2015-03-10

國家科技支撐計劃項目（2012BAD20B06）；水利部科技推廣計劃項目（2014TG1411）

陶子樂滔（1988—），男，碩士研究生，主要研究方向為環境科學。E-mail:490167418@qq.com

李 靖（1969—），男，教授，主要從事水資源與環境工程研究。E-mail:li_jing69@163.com