基于智慧環(huán)保的珠海市生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)體系設計

摘要：隨著智能化技術的飛速發(fā)展，越來越多的“環(huán)保+物聯(lián)網”應用落地，環(huán)境監(jiān)管必須與時俱進。基于智慧環(huán)保理念，利用大數(shù)據(jù)和信息管理等強大的功能，初步構建珠海市環(huán)境大數(shù)據(jù)信息平臺，助力珠海市環(huán)境監(jiān)管形成一盤棋、一本賬，使得環(huán)境決策更高效、更精準和更智慧。

關鍵詞：智慧環(huán)保；環(huán)境監(jiān)管；大數(shù)據(jù)體系；數(shù)據(jù)挖掘

中圖分類號：X321；TP181 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）07-00-04

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.07.025

Design on Ecological Environment Big Data System of Zhuhai City Based on Smart Environmental Protection

ZHANG Wanying， CHEN Jialin， WEI Qiang

（Zhuhai Ecological Environment Bureau， Zhuhai 519000， China）

Abstract： With the rapid development of intelligent technology， more and more “environmental protection + Internet of Things” applications are being implemented， and environmental supervision must keep up with the times. Based on the concept of smart environmental protection， by utilizing powerful functions such as big data and information management， the environmental big data information platform of Zhuhai city is preliminary established to assist the environmental supervision of Zhuhai city in forming a unified game and account， making environmental decisions more efficient， accurate， and intelligent.

Keywords： smart environmental protection; environmental supervision; big data system; data mining

“十四五”時期，我國數(shù)字經濟邁向深化應用、規(guī)范發(fā)展和普惠共享的新階段。為應對新形勢和新挑戰(zhàn)，應把握數(shù)字化發(fā)展的新機遇，拓展經濟發(fā)展的新空間，推動我國數(shù)字經濟健康發(fā)展。要完善生態(tài)文明領域統(tǒng)籌協(xié)調機制，促進經濟社會發(fā)展全面綠色轉型，加快推動綠色低碳發(fā)展，持續(xù)改善環(huán)境質量。為全面貫徹落實生態(tài)文明建設和國家大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略要求，助力國家打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)，必須推動全國生態(tài)環(huán)境信息化實現(xiàn)一盤棋。在國家大力發(fā)展數(shù)字經濟的政策驅動下，各行各業(yè)都在向智能化轉型，越來越多的“環(huán)保+物聯(lián)網”應用落地[1-2]。

新時代，生態(tài)環(huán)境保護壓力和挑戰(zhàn)并存，部門間數(shù)據(jù)分散、信息破碎、應用條塊和服務割裂等問題給環(huán)境監(jiān)管提出新課題。珠海市位于廣東省南部，瀕臨南海，是向世界展示粵港澳大灣區(qū)生態(tài)文明建設成就的重要窗口。珠海市需要創(chuàng)新生態(tài)環(huán)境保護模式，提高環(huán)境監(jiān)管和決策水平，以走在最前列的奮斗姿態(tài)打造全國生態(tài)文明新典范。因此，必須推陳出新，借助科技力量，利用大數(shù)據(jù)和信息管理等強大的功能，構建珠海市環(huán)境大數(shù)據(jù)信息平臺，讓海量數(shù)據(jù)跑起來、用起來，助力珠海市環(huán)境監(jiān)管形成一盤棋、一本賬，使得環(huán)境決策更高效、更精準和更智慧。

1 珠海市智慧環(huán)保的現(xiàn)狀

隨著城市數(shù)字化建設的不斷深入，互聯(lián)網平臺已成為生態(tài)環(huán)境部門監(jiān)管的重要手段。但是，各生態(tài)領域初期均以獨立發(fā)展為原則，導致生態(tài)環(huán)保系統(tǒng)繁雜，各種在用信息系統(tǒng)繁多，信息系統(tǒng)間還存在數(shù)據(jù)來源不同、數(shù)據(jù)歸集缺乏標準體系和運行網絡環(huán)境差異等困境。所以，打破數(shù)據(jù)孤島，將數(shù)字環(huán)保轉型為智慧環(huán)保是環(huán)保信息化發(fā)展的必然結果[3-5]。針對生態(tài)環(huán)境領域信息化建設現(xiàn)狀，珠海市急需構建自己的環(huán)境大數(shù)據(jù)體系。目標是以環(huán)境數(shù)據(jù)運算與發(fā)掘為核心，利用物聯(lián)網、云計算等信息技術，構建高度感知的環(huán)保基礎大數(shù)據(jù)體系，即時、動態(tài)和全面地監(jiān)測水環(huán)境、大氣環(huán)境、土壤環(huán)境和污染源等對象，有效推動污染減排，加強環(huán)境風險的預防與管控，助力生態(tài)文明建設。

2 珠海市環(huán)境大數(shù)據(jù)體系的構建思路

2.1 建設目標

圍繞珠海市生態(tài)環(huán)境保護工作，基于數(shù)字生態(tài)與智慧生態(tài)的管理需求，擬對現(xiàn)有各類環(huán)保業(yè)務信息系統(tǒng)進行升級整合，建設一網、一圖和一平臺組成的智慧生態(tài)大數(shù)據(jù)體系，構建六大應用系統(tǒng)。以圖形圖像的可視化技術為依托，搭載三維可視化數(shù)字孿生系統(tǒng)，將各系統(tǒng)的業(yè)務數(shù)據(jù)疊加在虛擬場景之上，建立可視化的數(shù)字孿生城市，實現(xiàn)珠海市生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)全生命周期智慧化管理與應用，全面感知和綜合研判珠海市生態(tài)環(huán)境態(tài)勢。

2.2 總體架構設計

參考《環(huán)保物聯(lián)網 總體框架》（HJ 928—2017）的體系結構，以“全知、全智和全方位”為主導思想進行系統(tǒng)總體架構設計。珠海市環(huán)境大數(shù)據(jù)體系總體框架如圖1所示。該框架自下而上分為感知層、傳輸層、智慧層和服務層，同時配套建立環(huán)境信息安全保障機制和環(huán)境數(shù)據(jù)標準規(guī)范體系。建設配套的信息安全保障體系，可以確保系統(tǒng)安全運行，保障全體系的物理安全、網絡安全、主機安全、應用安全和數(shù)據(jù)安全，防止不法分子獲取包含地理環(huán)境、地質結構、生態(tài)環(huán)境實時情況等具有高度保密性的數(shù)據(jù)信息。規(guī)范體系內運行數(shù)據(jù)，打破不同系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)壁壘，保證全平臺數(shù)據(jù)可跨系統(tǒng)正常調用，降低數(shù)據(jù)庫存儲量。

2.2.1 感知層

感知層通過集成具備感知、測量、捕獲和傳輸信息功能的設備與系統(tǒng)，構建全知的一體化環(huán)境感知與監(jiān)測網絡，實現(xiàn)對污染源、環(huán)境質量、生態(tài)系統(tǒng)及輻射等方面環(huán)境因素的全面信息收集。采集的數(shù)據(jù)經由邊緣物聯(lián)網的網關技術，被高效且準確地傳送至中心數(shù)據(jù)庫，以供后續(xù)分析與利用。

2.2.2 傳輸層

傳輸層依賴多元化的通信技術，利用有線互聯(lián)網、運營商移動網、環(huán)保專網、政務網、衛(wèi)星網絡和物聯(lián)網，對邊緣終端系統(tǒng)存儲的環(huán)境數(shù)據(jù)進行傳輸、交互和共享。傳輸層采用多種物聯(lián)網通信協(xié)議，確保信息傳輸安全穩(wěn)定。

2.2.3 智慧層

智慧層分為兩部分，即生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)中心和智慧云中心。生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)中心對下層傳送的數(shù)據(jù)進行深度整合，為智慧云中心數(shù)據(jù)分析提供支持。智慧云中心采用數(shù)據(jù)挖掘、機器學習等方式，對多元數(shù)據(jù)進行融合分析，構建一系列模擬、分析、預測和決策模型，在數(shù)據(jù)處理階段實施實時處理機制，深度挖掘數(shù)據(jù)的潛在價值，并運用先進的模型分析方法，推動數(shù)據(jù)朝智能化的方向演進，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的智能應用。

2.2.4 服務層

服務層基于智慧云中心分析結果，建設集合六大應用的生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)管理應用體系，實現(xiàn)珠海市一圖全面感知。六大應用分別為生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)布系統(tǒng)、環(huán)境質量預測預報系統(tǒng)、污染源動態(tài)監(jiān)管系統(tǒng)、應急預警指揮系統(tǒng)、污染追因溯源系統(tǒng)和環(huán)境監(jiān)察執(zhí)法系統(tǒng)。

3 珠海市環(huán)境大數(shù)據(jù)體系的應用

3.1 建設成果

珠海市環(huán)境大數(shù)據(jù)平臺將整合生態(tài)環(huán)境部門現(xiàn)有信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)資源，通過梳理、歸類將所有系統(tǒng)進行模塊化集成，高度兼容，覆蓋環(huán)境質量綜合監(jiān)測、污染源監(jiān)管等業(yè)務領域，憑借人機交互方式，實現(xiàn)數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)監(jiān)測等功能。該平臺可廣泛應用于監(jiān)測、應急指揮和分析研判等場景，從而打通數(shù)據(jù)孤島，打破部門壁壘。

3.1.1 生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)布系統(tǒng)

通過大數(shù)據(jù)體系底層構建的“天地空”一體化監(jiān)測網，全面收集珠海市的生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)，并將其整合至統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫中。結合地理信息系統(tǒng)，生態(tài)環(huán)境部門可通過三維可視化技術直觀地在數(shù)據(jù)發(fā)布系統(tǒng)中實時查看當前數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，如環(huán)境數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)以及分析評價數(shù)據(jù)。系統(tǒng)同步向公眾公開珠海市的水、大氣等環(huán)境質量狀況，便于公眾查詢，滿足公眾的環(huán)境知情權。

3.1.2 環(huán)境質量預測系統(tǒng)

基于環(huán)境質量智能分析模型，對已有環(huán)境質量數(shù)據(jù)進行智能綜合分析，實現(xiàn)水環(huán)境、大氣環(huán)境、土壤環(huán)境的在線監(jiān)測和遙感監(jiān)測，新建和優(yōu)化重污染天氣預警體系。結合珠海市環(huán)境影響評價的審批信息，對未來環(huán)境態(tài)勢進行預測和研判，實現(xiàn)大數(shù)據(jù)關聯(lián)分析、質量變化規(guī)律情景分析和溯源分析等。拓展社會化監(jiān)測信息采集和融合應用，支撐生態(tài)環(huán)境質量現(xiàn)狀精細化分析和實時可視化表達，提高源解析精度，增強生態(tài)環(huán)境質量趨勢分析和預警能力，為生態(tài)環(huán)境保護決策、管理和執(zhí)法提供數(shù)據(jù)支持。

3.1.3 污染源動態(tài)監(jiān)管系統(tǒng)

以地理信息系統(tǒng)為基礎，采用三維可視化技術，實現(xiàn)區(qū)域地質、水文、環(huán)境和社會數(shù)據(jù)的空間可視化。建立珠海市重點污染源、輻射源和風險企業(yè)等環(huán)保專題圖層。圍繞一源一檔，健全環(huán)保檔案，細化到污染物排放口和治理設施。選定相應污染源后，可直接查詢環(huán)保檔案，甚至能迅速查詢污染防治措施的設計處理能力和排放標準以及各類污染物的排放量，通過不同顏色直觀形象地展現(xiàn)是否超標，實現(xiàn)污染源動態(tài)監(jiān)管，同時實現(xiàn)各環(huán)保業(yè)務系統(tǒng)圖層化管理。

3.1.4 應急預警指揮系統(tǒng)

建立音視頻融合指揮調度及后臺監(jiān)控中心，對排放超標、有害氣體泄漏等突發(fā)事件進行態(tài)勢顯示與快速定位，并運用環(huán)境應急預警決策模型，為事件處置提供決策思路，最大限度降低突發(fā)事件的影響，提高突發(fā)事件處理效率。應急預警指揮系統(tǒng)可以快速、準確地預判突發(fā)性環(huán)境風險，為應急處置贏得時間。

3.1.5 污染追因溯源系統(tǒng)

運用視頻監(jiān)控、熱成像光譜、水質水量自動監(jiān)控和污染溯源等智能感知手段，在主要河流上布設前端設備，建立“源（污染源）-網（市政、工業(yè)污水管網）-廠（污水處理廠）-河（受納水體）”水污染預警溯源監(jiān)測網絡體系。前端檢測到超標情況后，系統(tǒng)會立即觸發(fā)報警機制，并迅速啟動污染溯源儀進行實時取樣。隨后，通過應用水樣圖譜與污染源指紋庫圖譜的對比技術，即水質指紋識別技術，系統(tǒng)能夠構建水質的多特征溯源圖譜。這一流程能夠在極短的時間內完成溯源分析，迅速鎖定潛在排污源，改變以往“人海戰(zhàn)術”的溯源模式，促進流域科學精準治理。

3.1.6 環(huán)境監(jiān)察執(zhí)法系統(tǒng)

智慧云中心配備的視頻設備具備先進的圖像識別和行為分析能力，可以實現(xiàn)24 h監(jiān)控。一旦檢測到異常情況，迅速固定相關證據(jù)，并立即觸發(fā)預警系統(tǒng)，實時將其轉交給相應的負責人員。接入環(huán)保移動執(zhí)法系統(tǒng)等數(shù)據(jù)，對執(zhí)法單位、人員和被執(zhí)行對象等要素進行可視化監(jiān)測。支持處罰決定書文號、行政相對人名稱、案由、處罰依據(jù)、處罰金額和處罰日期等行政處罰信息的詳細查詢，并可對執(zhí)法行為數(shù)量、糾正執(zhí)法數(shù)量和監(jiān)督方式等指標進行多維可視化分析，輔助管理者全面掌握環(huán)境執(zhí)法工作動態(tài)，提高環(huán)境執(zhí)法監(jiān)督力度。利用環(huán)境違法舉報線索和信訪投訴等環(huán)境信息采集數(shù)據(jù)，同步結合企業(yè)的工商稅務等信息，對歷年衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進行識別、解譯，再與無人機巡查、移動終端核查相結合，精確打擊企業(yè)未批先建、未驗先投、偷排漏排和超標排放等違法行為，預警企業(yè)違法風險，支撐環(huán)境監(jiān)察執(zhí)法從被動響應向主動查究違法行為轉變，實現(xiàn)有效監(jiān)管。

3.2 應用效果

珠海市生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)平臺運用新思路、新技術和新方法，開展生態(tài)環(huán)境綜合決策和環(huán)境監(jiān)管等創(chuàng)新應用，為生態(tài)環(huán)境決策和管理提供技術支撐。同時，推進環(huán)境治理體系和治理能力現(xiàn)代化，實現(xiàn)數(shù)據(jù)資源開放共享、業(yè)務協(xié)同，解決沉睡數(shù)據(jù)喚醒、多方數(shù)據(jù)融合和雜亂數(shù)據(jù)治理等難題，有效推動生態(tài)環(huán)境保護工作從“數(shù)治”轉變?yōu)椤爸侵巍薄?/p>

3.2.1 提升數(shù)據(jù)匯聚能力

提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集、分析和處理等支撐服務，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸交換、管理監(jiān)控與共享開放，支撐分布式計算、流式數(shù)據(jù)處理、大數(shù)據(jù)關聯(lián)分析、趨勢分析和空間分析等，有效應用環(huán)境大數(shù)據(jù)，為生態(tài)環(huán)境決策和管理提供服務。

3.2.2 提高資源利用率

有效盤活已有資產，改變以往一個部門的設備只用于本部門的狀態(tài)，提高資源利用率，有效節(jié)省人力、物力和財力。

3.2.3 創(chuàng)建統(tǒng)一數(shù)據(jù)生態(tài)

建立珠海市生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)平臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)互通、信息融合，形成生態(tài)環(huán)境信息“一張圖”、環(huán)境監(jiān)管“一張網”和環(huán)保數(shù)據(jù)“一平臺”，有效解決污染不清、信息孤島等問題。要打造完整的數(shù)據(jù)應用生態(tài)圈，持續(xù)優(yōu)化數(shù)據(jù)應用。

3.3 成果亮點

珠海市生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)平臺滿足珠海市基本環(huán)境管理要求，亮點突出。

3.3.1 數(shù)字孿生技術

數(shù)字孿生概念涵蓋數(shù)字映射和數(shù)字鏡像，旨在通過信息化平臺模擬物理實體、運行流程或系統(tǒng)，形成一種與之高度相似的數(shù)字模型。數(shù)字孿生技術能夠使人在信息化平臺上實時掌握物理實體的狀態(tài)信息，甚至實現(xiàn)對物理實體內部預定義接口組件的遠程控制。大數(shù)據(jù)平臺應用數(shù)字孿生技術，將現(xiàn)實城市中的生態(tài)環(huán)境治理全程映射在虛擬的數(shù)字孿生世界，可實現(xiàn)不同管控場景下污染預測模擬、情景還原動態(tài)可視化人機調度等。生態(tài)環(huán)境部門可實時掌握珠海市生態(tài)環(huán)境的現(xiàn)狀、異常和變化趨勢，發(fā)現(xiàn)環(huán)境變化規(guī)律，提升生態(tài)環(huán)境決策的科學性、精準性與高效性。

3.3.2 數(shù)據(jù)智能挖掘體系

大數(shù)據(jù)平臺智慧層運用深度學習和神經網絡技術，建設數(shù)據(jù)智能挖掘體系，將已有數(shù)據(jù)模型通用計算下沉至前端設備。邊緣計算可提高人工智能分析的實時性，降低傳輸成本，滿足場景不斷增加的靈活操作要求。此外，數(shù)據(jù)智能挖掘體系能通過不斷擴充的數(shù)據(jù)庫信息進行深度學習，不斷優(yōu)化計算分析模型，構建新模型，建設一個“越用越新，不斷成長”的平臺。

4 結論

智慧環(huán)保體系建設是智慧城市建設的重要內容，是提高生態(tài)環(huán)境智慧監(jiān)管水平的有力抓手。基于智慧環(huán)保，可設計珠海市生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)體系。其間必須充分利用地理信息系統(tǒng)、云計算和數(shù)據(jù)挖掘等信息技術，深入分析城市生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)，對城市生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展趨勢進行科學預測，制定有效的環(huán)境政策。總之，構建生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)體系能促進珠海市數(shù)字環(huán)保向智慧環(huán)保轉變，為智慧城市建設奠定良好基礎。

參考文獻

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