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基于云计算核心的分布式环境监测与保护系统解决方案

来源:智慧云谷发布时间:2015-02-15 05:04浏览量:23766


第一章 概述

(一)前言

      近年来,物联网因被认为是继互联网之后的又一次技术革命而备受关注,开展物联网研究和进行物联网建设已经成为政府和社会的共识。从美国总统奥巴马的?“智慧地球”到国家总理温家宝的?“感知中国”,作为新兴技术产业重要组成部分的物联网已成为全球瞩目的热门话题。

      实施环境保护,需要采用先进的科技手段,建立环境保护监测、预警和应急处置机制。其中,及时发现污染苗头和捕捉污染源,是有效实施环保监测的重要环节;而迅速、准确地反映污染状况,是正确判断和处置污染事件的关键,特别是突发重大污染事件发生时,往往需要远程调度和及时协调社会各方面应急力量,统一指挥领导,快速反应,更加需要及时、准确地收集到前方现场信息,并传递给环保指挥机构作为分析决策的依据,以便于及时做出合理的指挥调度。

(二)智慧环保应用描述

      智慧环保是物联网技术与环境信息化相结合的概念,其特征也可以归结为4个方面:

      1、更透彻的感知(感知层)。智慧云谷采用各种先进的感知设备全面感知环境,包括针对水体各种理化指标和性状的传感器和测量仪表,针对气体中各种有害气体含量的传感器和测量仪表,以及比较成熟的视频监控设备和视频智能分析技术、射频识别(RFID)技术等,综合运用各种设备和技术,获得前所未有的智能感知。

      2、更全面的互连互通(网络层)。通过各种网络设备、网络与先进的感知设备进行连接,将感知设备获取的信息通过星云协议实时传输到智慧环保云管控平台,传输给手机、电脑和iPad等。

      3、更深入的智能化(智慧层)。感知层获得的数据可用于对应的系统,甚至可以作为建模的基础数据,智慧云管控平台实时收集并分析数据,当数据超过各类传感器等设备设置的值时,可实现自动告警,提示环境管理部门或污染源企业及时处理。

      4、更智慧的决策(服务层)。利用云服务系统,建立面向对象的信息服务门户,如政务公开、公众服务及各业务应用系统,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”。

(三)智慧环保运营维护

      1、首先是完善现有的环境监测系统,增强监测点的检测能力。通过增加水、气、土壤、噪声、固废、生态等环境监测控制设备数量和检测手段。提高现有环境监测的密度,更及时有效地发现和遏制固废、废水废气等的排放。重点建设重金属、放射源、固废及危险品转移等监测监控系统,大力推进环境治理设施的建设,开展环境治理设施及监测监控设备的运营服务,保障环境监测、治理体系的正常运转,提升城市环境管理能力。

      2、再者是依托公共服务平台,加强环保、水利、气象等部门间的业务融合。整合所有环境信息资源和数据,建设环境监测数据标准体系,将各类环境信息,通过先进的数据挖掘与处理。智能分析,实现对环境保护和自然灾害等状况作出更为科学准确的测定和预估,实现环境监测数据的统一规范,各部门的信息共享与服务一体化功能,提高环境数据管理、分析和利用水平。

      3、其次是建立环境信息综合分析中心。环境信息综合分析中心由四大分析系统构成:区域排放核算系统、环境质量综合评价系统环境辅助决策系统,环境应急预测预警系统。

(四)方案的目的及意义

      基于云计算核心的环境监测与保护系统,通过云计算将环保领域物联网整合起来,实现社会与环境业务系统的整合,更加精细和动态的方式实现环境管理和决策的智慧,将环境的保护实现最有效化,并通过市场配置机制控制排放、减少排放,达到保护环境的目的。

第二章 公司简介

(一)关于我们

      智慧云谷(Wiscloud)成立于2007年,拥有一流的研发设计团队,始终坚持自主创新,公司拥有自主知识产权的嵌入式操作系统,Wiscloud nebula protocol(星云自动组网协议),WisOS云计算操作系统,为用户提供全球领先的物联网、云计算、游戏等软硬件产品及平台服务,主要产品有:

      物联网&云计算

      基于云计算核心的工业自动化控制设备及云计算控制平台;

      基于云计算核心的自动化节能控制设备及云计算控制平台;

      基于云计算核心的iWiscloud智慧家居控制中心;

      全球领先的无线环境及空气质量传感器;

      具有自动电流及故障检测功能的无线自组网触摸开关;

      全球领先的无插件多人实时网页/手机游戏平台。

      “云”是公司产品的“代言人”,所有产品都是基于云计算核心。

      公司网址:http://www.iwiscloud.com/

(二)硬件基础

      智慧云谷拥有功能完备的大型云计算数据中心,采用先进的网络框架设计,电信、联通、移动千兆光纤接入,目前存储能力已达PB级以上;CDN负载均衡,实现数据更快更稳定的传输;异地替换方案,保证了数据不会丢失,当一个数据中心发生故障时,异地的数据中心会立刻将工作进行替换,确保我们稳定的服务;多台在线式大功率智能UPS可提供48小时以上的后备供电设备发电机;同时数据中心有几十台小型机、大量高端服务器、大型磁盘阵列等设备。强大的硬件设施使我们拥有强大的运算能力,灾难应对和恢复力,能为用户提供高速、安全、稳定的数据服务。

第三章 系统总体设计

(一)系统设计原则

      本方案设计遵循技术先进、功能齐全、性能稳定、节约成本的原则。并综合考虑施工、维护及操作因素,并将为今后的发展、扩建、改造等因素留有扩充的余地。本系统设计内容是系统的、完整的、全面的;设计方案具有科学性、合理性、可操作性。其具有以下原则:

1、先进性与适应性

      系统的技术性能和质量指标达到国际领先水平;同时,系统的安装调试、软件编程和操作使用简便易行,容易掌握,适合中国国情和本项目的特点。该系统集国际众多先进技术与一身,体现了当前计算机控制技术与计算机网络技术的最新发展水平,适应时代发展的要求。同时系统是面向各种管理层次使用的系统。其功能和配置以能给用户提供舒适。安全、方便、快捷为准则,其操作应简便易学。

2、经济性与实用性

      充分考虑用户实际需要和信息技术发展趋势,根据用户现场环境,设计选用功能和适合现场情况、符合用户要求的系统配置方案,通过严密、有机的组合,实现最佳的性能价格比,以便节约工程投资,同时保证系统功能实施的需求,经济适用。

3、可靠性与安全性

      系统的设计具有较高的可靠性,在系统故障或事故造成中断后,能确保数据的准确性、完整性和一致性,并具备迅速恢复的功能,同时系统具有一整套完成的系统管理策略,可以保证系统的运行安全。

4、开放性

      以现有成熟的产品为对象设计,同时还考虑到周边信息通信环境的现状的发展趋势,可以消防、防盗、聚光系统实现联动,可实现远程控制。

5、可扩充性

      系统设计中考虑到今后技术的发展和使用的需要,具有更新、扩充和升级的可能。并根据今后该项目工程的实际要求扩展功能,同时,本方案在设计中留有冗余,以满足今后的发展要求。

6、追求最优化的系统设备配置

      在满足用户对功能、质量、性能、价格和服务等各方面要求的前提下,追求最优化的系统设备配置,以尽量降低系统造价。

7、保留足够的扩展容量

      该项目设置的控制容量保留一定的余地,以便在系统中改造新的控制点;系统中还保留与其他计算机或自动化系统连接的接口;也尽量考虑未来科学的发展和新技术的应用。

8、提高监管力度与综合管理水平

      本项目系统设备控制需要高效率、准确及可靠。本系统通过中央控制系统对各子系统运行情况进行综合控制,时时动态掌握监视及报警情况。闭路电视监控大大减少劳动强度,减少设备运行维护人员;另外,系统的综合统筹管理可使设备按最优组合运行,在最佳情况下运行,既可节能,又可大大减少设备损耗,减少设备维修费用,从而提高监管力度与综合管理水平。

(二)系统结构

      1、智慧云谷基于云计算核心的物联网路灯远程节能自动化控制能够将多达几十万台的控制终端同时连接到云计算中心,可以在同一平台下对多个地区、多个控制点的路灯进行集中控制,更能够进行大范围综合计算与综合控制。






      2、智能传感器精确检测

      智能传感器的核心采集探头采用电化学探头,具有精度高并实时显示数值,使用时间长,不易老化等特点;智能传感器具有上下限设置功能,能够自动发出声光报警, 具有上下限输出开关,可以根据上下限自动控制其他电器的运行,支持485通讯,同时可输出4-20mA电流。








(三)系统特点

1、基于云计算核心

      Wiscloud智慧环保云管控系统基于云计算核心,分组控制与用户不需要自建服务器,不需要固定IP,只要一台能够上网的电脑/平板/手机即可通过云计算平台对多个地区的多个终端进行控制,所有数据记录在云计算数据中心,数据永不丢失,可以方便的进行历史数据查询与分析;

2、最强的控制力

      Wiscloud 智慧环保云管控系统终端主机具有5个485及232通道以及12个专用扩展通道,核心系统支持线程模式,可同时采集多个通道的数据,通过扩展通道可以扩展大量的采集模块以及抄表模块,通过云计算中心能够对每个扩展模块的控制通道进行采集控制,单个终端主机可扩展至多达4096个A/D通道,1792个IO,1024个RS485接口以及512个12位D/A通道,具有极强的扩展及控制能力;

3、无需任何编程

      Wiscloud 智慧环保云管控系统终端机采用触摸屏一体化设计,在施工部署时不需要任何的编程,具有完美的模糊控制理念及控制算法,可以将所有输入输出接口进行任意组合控制,并且可以完全脱离云计算中心自动运行,也可以通过云计算中心进行极端复杂的流程控制;

4、开放

      Wiscloud智慧环保云管控系统开放所有控制终端、控制模块、云计算平台接口,软件企业可以用自己的软件对物联网路灯远程节能自动化控制系统进行控制,形成自己的软/硬件自动化控制产品,物联网及自动化控制企业可以将硬件接入到Wiscloud智慧环保云管控系统的云计算平台中,通过云计算平台进行实时通讯,实时控制,并可集合大量终端进行综合控制,并能够将历史数据保存到云计算中心,网站开发企业通过智慧环保云管控系统的云计算中心及控制终端接口可以在网站上对任何的硬件进行控制。

(四)系统功能

1、基于云计算平台

      拥有自己的云计算中心,无需自建机房和数据中心,可以在手机、平板等任意终端连接到云计算中心,进行高效率的数据运行及运算能力,并可以在云端对所有设备进行设定,实现了随时调用,随时监管,随时控制。

2、兼容性强

      能兼容并学习市面上几乎所有品牌的设备的协议,进行远程操作,无需配备指定设备,利于厂家控制设备成本。

3、稳定性强

      一体化开发的自有系统,直接集成通信模块,信息实时传输、反馈、报警、处理,我们的主机高度集成化,把触摸屏的控制、DTU和主机的处理部分、以及采集部分、下位机通信部分集成一体,任何节点的损坏都不会影响整个系统的运行,运行更加稳定。

4、扩展能力强大

      可达到无缝扩展至10万以上的终端连接数量,独自研发的物联网终端设备的透传协议,使后期新增扩展模块时无需重新编程,模块的通用性强,自带输入、输出、485、Mbus、模拟量采集适应用户的新增需求。

5、控制能力强大

      单机可承载1万以上的终端连接数量且运行毫无负担。物联网控制终端主机具有5个485及232通道以及12个专用扩展通道,嵌入式软件开发时采用了线程模式,可同时采集多个通道的数据,通过扩展通道可以扩展大量的采集模块以及抄表模块,终端主机能够将扩展模块的数据自动打包上传到云计算中心,也可以通过云计算中心对每个扩展模块的控制通道进行控制,单主机通过扩展可实现多达2048以上通道的数据采集以及控制。

6、后期运维方便

      系统不需要专门维护,一旦发生故障,根本不需像老式系统那样等待专业人员现场编程调试,只需请电工按照操作要求重新安装备选模块即可,傻瓜式操作,方便快捷,时效性高。

7、系统成本低

      省去了PLC系统自拉光纤、自架服务器、购买UPS和蓄电池等额外的财力消耗,同时也省下了后期昂贵的系统维护费用。

第四章 智慧环境监测与保护解决方案

      污染源监控和防治是智慧环保建设的关键,需要建立一个完善的污染源监控工程,通过在全市范围内布置大气、水体、固体废弃物、特征污染物、辐射等监管物联网,多方位、全时段地对各种可能的污染源进行监控,实现事故早发现、早预警,为环境事故及时、有效的管理提供有力保障。这个污染源监控工程包含以下几个系统:

      一是流域内城镇排水系统及水污染治理设施监控系统:通过在生产环节和污染治理环节电气控制设备上安装监控和智慧云谷传感器,对各环节生产设备或污染治理设备是否开启、生产或污染治理规模等进行监控,判断企业污染治理设施是否正常运行,不仅监管了城镇排水系统向流域河道内排放的水质是否达标,还对污水治理设施的运行状况进行了监控。

      二是河道运输污染物排放监管系统:对在水域范围内注册的危险品运输船舶和途经该水域的危险品船舶实施全过程的监控跟踪,同时,规范港航管理部门、海事部门对危险品运输船舶的监控, 实现监控资源的共享, 使危险品船舶水上运输过程和在港口区域时监控的无缝对接。

      三是大气环境质量监测系统:在已有的污染源在线监测系统基础上,增设常规大气污染物和特征大气污染物传感器,采用地面、近地、高空感知等方式对大气温度、湿度、硫氧化物、氮氧化物、一氧化碳、二氧化碳、臭氧、PM10、PM2.5等参数进行测量,形成高低空立体空气质量环境自动监测体系,从而更加全面地了解固定污染源的污染物排放情况。

      四是机动车尾气排放监控系统:为机动车排放污染物检测机构和机动车污染防治管理部门提供的一整套系统,对尾气污染状况、空气质量、超排车辆捕获以及特定车辆排放检测场、检测设备、检测数据进行管理、存储和加工,且系统提供双向的数据传输,不仅能采集车辆检测过程、结果数据,更能实现对检测场、检测设备、检测人员、运动中的车辆及低空空气质量的监控与管理。

      五是固危废物动态监管系统:利用智慧环保云管控系统对固危废物产生、贮存、转移、处置利用等全过程进行实时监管、预测预警,确保固危废物安全,同时,能够有效对固废的转运过程进行监督,防止固危废在运输途中被丢弃而对环境造成污染,为固危废处置过程的科学管理提供有力的技术支撑。





(一)在污水检测方面的应用

      环境监测部门作为国家环境保护系统的技术部门,是环境管理工作的重要基础。随着工业化的发展,污水检测越来越引起有关部门和市民的重视,越来越多的人要求环境监测工作透明化;上级主管部门也需要数量大、种类多、更新快的信息。所有这一切,给环境监测部门提出了一个应引起重视的问题:如何对污水检测建立起实用性强、覆盖面广、灵活性好的环保数据采集系统,满足对环境监测信息的需求。

      分布式环境监测与保护系统能对污水检测实现管理与控制的一体化,该系统具有很好的开放性与兼容性,可对不同品牌的软硬件进行整合控制。通过水质探测器能检测到对人体有害的各种元素(重金属、农药残留等),并将实时数据传送到环境云管控平台,为污水的实时检测提供了强大的支持与保障。环境监测部门可以通过统一的环境云管控平台监控到每一个企业的污水排放情况,这样就可以很好地对企业的污水排放进行监管,当检测到污水中有害物质含量超标时,系统自动发出警报,环境监测部门可以及时对有关企业进行监管与整改,有效地提高了政府的监管力度和工作效率,塑造政府服务为民的形象。

(二)在企业中的应用

      在生产性企业中,生产车间是大量人员工作、设备运行的区域,工作和运行时间都非常长,而且工作人员繁多复杂,生产过程中通常会产生粉尘、挥发性气体等环境污染物,对员工身体产生消极影响,使员工工作积极性和工作效率大打折扣,从而导致产品合格率下降,人员流动不稳定,最终影响企业效益。

      分布式环境监测与保护系统可广泛应用于面粉厂、化工厂、服装厂、陶瓷厂等需要环境监测的企业。当传感器检测到工厂的粉尘数量或挥发性有害气体浓度到达一定数值时,会自动打开新风系统、打开门窗等对工厂进行换气通风,使员工可以处于一个健康的工作环境之中。

(三)在家庭中的应用

      分布式环境监测与保护系统通过iWiscloud一系列传感器,对家居环境中的甲醛、一氧化碳、二氧化碳、温湿度、pm2.5等进行检测并即时显示。当发现家中一氧化碳、甲醛、苯等有害元素超标时会发出报警,自动打开空气净化设备、自动通风等。当发现空气不够清新,会自动打开空气过滤设备,打开负离子发生器及制氧机,将家居环境保持在一个清新适宜的状态,让您进入家中就像进入一个森林氧吧,时刻保持心神舒畅。





第五章 实现功能

1、在线监测和远程控制

      可以在线查看、查询、获取各种模拟设备和开关的最新数据、状况。并可以实现定时监测(COD、PH、流量等一次性仪表在一段时间内,按照固定的周期进行数据采集)。智慧环保云管控系统可以实时显示水污染点源:

      (1)污水瞬时流量和累积流量

      (2)CO、CO2、PH的浓度和排放总量等数据,能够对监测现场设备进行远程启动、设定工作时间、调整工作周期、数据二次查询等远程操作,并将分析结果和设备运行日志记录于环保云计算中心中。

      智慧环保云管控平台可以实时显示大气污染点源:

      (1)烟气流量和排放总量

      (2)烟气、烟尘、CO、SO2、Nox的浓度和排放总量等数据。

2、报警处理

      报警有四种:断线报警(包括设备故障报警)、超标报警、开关设备报警和异常情况报警。可以灵活设定报警条件,并和人员的手机、短信绑定,在满足报警条件时,自动发送报警信息。

3、短信服务

      短信服务有:数据传送,可以把企业的数据发送到指定的手机;短信报警(数据报警,断线报警,开关设备报警,监测仪器报警);批量配置企业的报警数据;自写短信,自定义短信的内容和发送对象。

4、查询统计

      所有数据都保存智慧云计算数据中心,并提供多种条件查询方式和查询结果分类、分项排序、统计最大值、最小值、平均值、汇总值等分析处理功能。提供统计各类监测数据功能,如流量统计;COD、氨氮浓度分析;COD、氨氮排放总量统计;烟气流量统计;烟气、烟尘、CO、SO2、NOx浓度分析;烟气、烟尘、CO、SO2、NOx排放总量统计等。提供查询结果打印功能。

5、分析报表

      对于企业的排放汇总数据按指定的时间段进行列表和图形方式分析,并可实现与收费管理系统的结合。列表分析以表格的方式给出上述数据,图形方式通过曲线、柱状和饼状等图形直观的显示。

6、监控源管理

      监控源管理以企业为单位,主要包括监控源的常规信息管理,排污口管理,和治理设施管理;在线监测仪管理可以动态添加排污口,采集仪,智慧云谷各种传感器,各种模拟设备和开关设备的添加,并可以指定模拟设备的标准数值和报警的上下限。

7、数据标记和剔除

      特定的职能管理部门通过云计算数据中心审查分析数据的过程中,对于已经确认异常或无效的数据能够进行手动标记或剔除操作。对于任何的标记或剔除操作,系统自动记忆,作为日志备查。

8、系统管理

      通过智慧云管控平台设置系统的一些参数,包括权限管理、常量管理、设备管理、在线列表和监控源类型设置等。

9、视频数据

      视频监控系统要求实现现场影像的高清晰同步实时传输,在监控中心电视墙等终端上显示,并通过智慧云管控系统网络来实现图像的传输、显示、存储、回放等功能。






第六章 智慧环保价值分析

      本方案中,以“政府、企业、公众”三个角度对智慧环保(环境)进行价值分析。

(一)对政府的价值

      环境保护监测范围:空气污染,水污染,固废污染,化学品污染,噪声污染,核辐射污染等。

      智慧环保(环境)在支持环保部门提升业务能力中可以在环评质量监测、污染源监控、环境应急管理、排污收费管理、污染投诉处理平台、环境信息发布门户网站、核与辐射管理等方面为环保行政部门提供监管手段,提供新鲜的一手数据,提供行政处罚依据,有效提高环保部门的管理效率,提升环境保护效果,解决人员缺乏与监管任务繁重的矛盾,是利用科学技术提高管理水平典型应用,可以实现环保移动办公还可以提供移动执法,移动公文审批,移动查看污染源监控视频等功能。

(二)对企业的价值

      企业利用智慧环保云管控平台可以提高企业管理水平,对企业产生的废水、废气、废渣数量可准确掌握,如果生产线各流程产生的三废排量过高,可影响去污设备(净化装置)的处理效果,三废排量过高,去污设备无法完成净化工作时,企业可停止生产,这样可避免因超标排放或不合格排放所面临的环保部门天价罚单。同时,也承担起企业应有的社会责任。

(三)对公众的价值 

      智慧环保云管控系统可以很好地满足公众对于环境状况的知情权,公众可通过环境信息门户网站了解当前环境的各种监测指标,公众可以通过环境污染举报与投诉处理平台,向环保部门提出投诉与举报,从而帮助环保部门更加有效地管理违规排污企业,保持环境良好。

第七章 结语

      “智慧环保“是”数字环保“的延伸,但随着“智慧环保”概念的提出和发展,其内涵与数字环保相比有着深刻的变革。“智慧环保”是当代信息技术发展的必然结果,也为新时期环境保护的科学发展提供了崭新的思路。提高环境与发展的综合决策能力,实现“数字环保“向“智慧环保”重大跨越,基于云计算核心的智慧环保云管控系统对构建资源节约型、环境友好型社会,实现环境保护的战略目标具有十分重要的意义。
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