智慧环保物联网及技术应用示范.pdf

中国环境科学学会学术年会论文集 20 12 智慧环保物联网及技术应 用示范 尹 晓远 李红华 杨竞佳 中科宇图天下科技有限公司 摘要环境信息化建设事业已经在我国开展多年 各项信息新技术应用于环境领域 并且取得了显 著成效 物联网是继互联网之后的又一次信息技术革命 物联网技术广泛应用于各行各业 环境保护 就是物联网技术应用的典型领域 作为 智慧环保 概念的核心技术 物联网应用成为推动环境管 理升级 培育和发展战略性新型环保产业的重要手段 对促进我国环保事业的发展具有重要且深远的 意义 本文对 智慧环保 的由来进行了介绍 并对其概念进行了定义 解释了物联网与 智慧环 保 的关系 以及物联网和环保物联网的含义 并且分析了智慧环保物联网系统的发展 和应用现状 同时 本文还阐述了应用于智慧环保领域中的物联网技术架构 分析了其架构与传统物联网架构的异 同之处 以及架构中每一个层面的具体内容 本文还介绍了四个物联网技术应用于智慧环保领域的优 秀应用示范 包括国控污染源在线监控系统 山西省污染源自动监控管理系统 感知环境 智慧环 保 项 目以及南水北调中线工程水源地及沿线水质监测 预警关键技术研究与示范项目 最后总结讨论 了智慧环保物联网发展过程中存在的问题以及未来的发展方向 关键词智慧环保物联网技术应用环境在线监控智能管理监测预警 一 智慧环保 概述 一 智慧环保 概念的提出 20 09 年初 I BM提出了 智慧地球 的概念 上任伊始的美国总统奥巴马给予了迅速的回 应 并将 智慧地球 上升为国家战略 引起全世界注目 智慧地球 的核心概念 就是利用 新一代信息技术 改变政府 企业和人们相互交互的方式 以提高交互的明确性 效率 灵活性 和响应速度 通过更智慧的方式实现信息基础架构与基础设施的完美结合川 随着 智慧地球 概念的提出 人们更加关注在环保领域 中如何更加充分地利用各种信息 通信技术 感知 分析 整合各类环保信息 对各种需求做出智能的响应 从而使决策更加切合 环境发展的需要 智慧环保 概念 由此产生 智慧环保 就是在现有的环境信息化平台基础上 再借助物联网技术 把感应器和装备 嵌人到各种环境监控对象中 通过超级计算机和云计算将环保领域中应用的物联网整合起来 实 现人类社会与环境业务系统的整合 以更加精细和动态的方式实现环境管理和决策的 智慧 智慧环 保 已经成为环境信息化发展的必然趋势 二 环保物联网介绍 物联网技术是智慧环保的核心 那么什么是物联网呢 美国 Au t 一 I D实验室 是研究物联 网的国际机构 前身叫Au t o一 I D中心 1 99 9 年成立于美国麻省理工大学 20 03 年更名为Au t ID 实验室 首先提出 T h e I nter neto f things 物联网 概念 它建立在统一物品编码 R FID 技术和互联网的基础上 200 5 年 在突尼斯举行的信息社会世界峰会 WSIs 上 仃U发布了 I Tu互联网报告200 5 物联网 正式提出 物联网 的概念川 20 09年n 月3日 温家宝总 理发表讲话 提出要着力突破传感网 物联网关键技术 明确告诉世界中国已经把物联网确定为 国家科研和产业发展的战略 4 1 物联网的定义 早期的物联网是指依托射频识别 RF I D 技术的物流网络 随着技术和应用的发展 物联 网的内涵已经发生了较大变化 第二章 环境经济与环境管理 物联网 顾名思义就是物物相连的互联网 是指通过各种信息传感设备与技术 实时监测 任何需要监控 连接 互动的物体或过程 采集其声 光 热 电 力学 化学 生物 位置等 各种需要的信息 与互联网结合 形成一个巨大网络 实现对物品的智能化识别 定位 跟踪 监控和管理 5 2 环保物联网的定义 环保物联网 就是物联网技术在环保领域 的智能应用 通过综合应用传感器 全球定位 系 统 视频监控 卫星遥感 红外探测 射频识别等装置与技术 实时采集污染源 环境质量 生 态等信息 构建全方位 多层次 全覆盖的生态环境监测网络 推动环境信息资源高效 精准的 传递 通过构建海量数据资源中心和统一的服务支撑平台 支持污染源监控 环境质量监测 监 督执法及管理决策等环保业务的全程智能 从而达到促进污染减排与环境风险防范 培育环保战 略性新型产业 促进生态文明建设和环保事业科学发展的目的 三 智慧环保物联网现状 全球应用于智慧环保领域的物联 网技术发展仍处于初级阶段 但已经有了很多应用案例 例 如美国开发的用于实时监测城市环境污染数据的 C i tyse n s e 监测系统和用于监测大鸭岛海 鸟 栖息情况的生态监测系统 澳大利亚用于监测蟾蛛分布情况的生态监测系统等 瑞士巴塞尔大 学 苏黎世大学与苏黎世联邦理工学院去年联合启动的 P er m a Se ns e 阿尔卑斯山地质和环境状 况的大范围深层次长期监控项目等等 这些应用案例在污染防治 生态保护等领域起到了良好的 示范作用 我国面向环境保护的物联网产业建设还处于起步阶段 但近两年随着环保物联网技术发展的 不断推广 成都 无锡 山东等先后被确立为国家环保物联网示范省 市 并且有了许多智慧环 保物联网技术的应用案例 例如我国在无锡部署 的太湖水环境监测示范工程 山西省的污染源自 动监控管理系统 正在建设中的南水北调中线工程水源地及沿线水质监测预警关键技术研究与示 范工程 以及计划实施的湖南 智慧湘潭 工程等 随着环保物联网技术的不断成熟和应用规 模的不断扩大 一个集监测 监控和监管三位一体的全国智慧环保物联 网应用体系初步形成 二 智慧环保物联网技术应用 一 智慧环保物联网的技术 架构 智慧环保的物联网作为物联网技术在 环境保护这一特定领域 的应用 其技术应 用于传统的物联网既有共同点又有特殊之 处 其技术架 构可以拓展为 4 层 感知 层 传输层 智慧层和服务层 图l 圈 l 感 知层 利用传感 器 多跳自 组织传感器网络以及任何可以随时随地感 知 测量 捕获和传递信息的设备 系统 或流程 实现对环境质量 污染源 生 态 辐射等环境因素的 更透 彻的感 知 主要包括数据采集 处理技术以及 传感器的部署 自组织组网和协同等技 术 以传感器等采集感知技术 RF ID 识 别技术以及无线传感器网络技术为代表 2 传输层 利用环保专网 运营 图1智效环保物联网的技术结构 中国环境科学学会学术年会论文集 2 01 2 商网络 将个人电子设备 组织和政府信息系统 中储存的环境信息进行交互和共享 实现 更 全面的互联互通 需要利用异构的网络接人技术和基础核心网络技术 包括基础NGN核心网 和 fTrH 3G WI Fi 蓝牙 Zig h ee UWB 等接人技术 3 智慧层 以云计算 虚拟化和高性能计算等技术手段 整合和分析海量 的跨地域 跨 行业的环境信息 实现海量数据存储 实时处理 深度挖掘和模型分析 实现 更深人 的智能 化 4 服务层 利用云服务模式 建立面向对象的业务应用系统和信息服务门户 为环境质 量 污染防治 生态保护 辐射管理等业务提供 更智慧的决策 二 智慧环保物联网的应用案例 1 物联网技术在污染源监控 中的应用 l 国控重点污染源自动监控系统 20 08年 环保部在全 国3 1个省 自治区 直辖市 6 个督查中心和33 3个地级市部署的国控污染源在线监控系统是物联网在环保领域的行业级实践 该系统是污染减排指标体系 监测体系和考核体系 三大体系 建设的重要组成部分 项目的 目标是通过 自动化 信息化等技术手段 更加科学 准确 实时地掌握重点污染源的主要污染物 排放数据 污染治理设施运行情况等与污染物排放相关的各类信息 确保污染减排工作取得实 效 切实改善环境质量 项 目分三级六类 建设国家 省 自治区 直辖市 地市三级 30 0 多个污染源监控 中心并 联网 对占全国主要污染物工业排放负荷6 5 的近万家工业污染源和近70 0家城市污水处理厂 安装污染源自动监控设备 并与环保部门联 网 实现实时监控 数据采集 异常报警和信息传 输 形成统一的监控网络 国家组织省 地市 近万家排污企业共同实施 实现了数万个点位的信息联通 实现对排污 口 环保治理设施以及生产工艺的全方位监控 构建了一个庞大的环保物联网体系 打造了集监 测 监视和监控三位一体的量化执法体系 该系统使得环保部门以自动化 信息化为主要特征 逐步形成由环境卫星 宏观 环境质量自动监测 区域流域 重点污染源自动监控 微观 三个空间尺度构成的 天地一体化 的环境监管体系 2 山西省污染源自动监控管理系统 山西省自动监控系统采用现代化监测技术 信息网 络技术和自动监控技术对排污单位实行全程监督控制的管理系统 全天2 4小时对企业主要污染 物排放浓度 污染防治设施运行状态进行实时监测 一旦发现超标排污或重大环境污染事故时 能够及时采取监控措施 启动报警控制系统 该系统实现了既监结果 又监工况 实时物料衡算 与末端监测数据进行比对 保障环境污 染治理设施正常运行 在此基础上 该系统还可以进一步实现总量控制 减排调度 排污权交易 和应急管理等环境综合管理职能 该系统已经实现了对山西全省境才80 9家排污单位的全面监控 显著提升了环境管理水平 环境保护部20 1 1年第二季度公告山西省国控污染源自动监控系统验收率 联网率均超过 9 5 数据有效性审核率超过8 0 主要指标全部名列全国前茅 s 2 物联网技术在湖泊环境管理方面的应用 感知环境 智慧环保 和 感知太湖 智慧水利 两个国家环境监控物联网应用示范工程 项 目程由中科院 环保部和水利部等多个部门合作而成 图2 川 目前 感知太湖 智慧水利 项目已经通过专家评审 该系统基于无锡水利局信息 中心现 有先进指挥控制平台 利用物联网技术对蓝藻湖泛发生进行感知和智能车船调度 并实现相关业 务数据的集中管理 建设了一个具有智能感知 智能调度和智能管理能力的一体化综合管理及服 务系统 基于物联网技术的先进感知系统 该系统可对太湖内饮用水的水质 水量等水文指标实 第二章 环境经济与环境管理 时监测 进行全程定位 跟踪和监控 同时实现蓝藻打捞船的智能调度 蓝藻运输车的智能调度 以及水利管理人员与智慧水利信息中 合之 间的实时双向信息交互 最终将物联网技术与现有信息 中心资源进行整合 对蓝藻打捞 运输 处理 再利用过程的数据集中管理 实现太湖蓝藻湖泛 的智能化应急管理 图2 感知太湖 系统整体构 架 感知环境 智慧环保 项目于20 1 1年启动 目前 智慧环保 环境监测监控的智能中枢 系统已经完工并且将于 20 12 年5月投人使用 该项目主要建设 内容可分为四个层次 分别是 感知互动层 网络传输层 基础支撑层和智慧应用层 主要针对水体 大气 污染源 危险品源 等几类典型环境保护对象 实现实时状态感知和高可靠信息传输 集监测中心 执法中心 指挥 中心 应急中心等于一体 建立监测预警系统 污染源监控系统 环保电子政务系统 环境应急 指挥系统和教育展示互动系统五大智慧应用系统 以环保业务应用和信息资源综合分析与决策服 务为主体 全面提升环境管理智能化水平 在无锡整体环境保护治理当中 能够实现全天候实时 动态监测 实现环保业务的智慧管理 3 物联网技术在大型调水工程中的应用 南水北调中线工程水源地及沿线水质监测预警关键技术研究与示范是正在建设中的国家科技 支撑计划重大项目 该项目具有国内外刚刚兴起的物联网特征 该项目按照物联网的三层体系架构 从感知层 传输层和应用服务层三个层次开展关键技术 研究 针对这三个层面 根据数据流和各层次的逻辑关系 设置了三个课题 课题 1 主要研究感 知层各类水质检测仪器 智能化网络通讯的硬件集成技术 以及不同水 质监测载体的组网技术 集成低能耗 小型化和高精度的常规传感器和有机指标自动检测设备 同时根据中线水质检测需 求研究新的水质检测感知技术和数据传输技术 从物联网水质监测应用架构看 课题 1位于最底 层 主要解决检测数据获取问题 课题2位于应用层 对课题 1所采集的监测数据进行评价 建 立水质模拟模型和污染风险预警预报技术体系 开发水质监测预警物联网中间件 课题3是一个 综合课题 涉及传输层和应用层 既解决数据从感知层到应用层 应用层各 系统之间的传输接 口 传输过程中的数据压缩和网路优化问题 又研究应用层课题l与课题2两个系统的集成技术 和水质监测预警成套软件和构建水质监测预警系统计算机网络和数据传输平台 最终形成基于物 联网的多载体智能水质监测预警系统 第二章 环境经济与环境管理96 3 物联网建设和应用 其次 通过科学的统筹 确定环保物联网建设的总体框架和推进策略 准确 划定环保物联网应用建设的范围 第三 构建适应环保物联网建设和应用的管 理体系与管理机 制 有序推进环保物联网建设和应用 同时 还要加强人力资源建设 通过人才培养 引进和储 备 保证有充足的高端 综合性人才投人到环保物联网的建设中去 最终将中国的环保物联网事 业推人到健康有序的发展轨道上 川 参考文献 l I BM 智慧地球赢在中国 EB OL 2 X 9 2 徐敏 孙海林 从 数字环保 到 智慧环保 J 环境监测管理与技术 20 11 2 3 4 3 仃U Inter n et R epo r ts 20 05 TheI nter netofThin邵