紀軼群
(北京市地質環(huán)境監(jiān)測所,北京 100195)
北京是國際上為數(shù)不多的以地下水為主要供水水源的特大型城市之一[1-2],地下水是北京的“生命之水”,即使2014年南水北調進京后,地下水仍在北京市供水中占有重要地位和作用。對北京市地下水開展長期、系統(tǒng)地監(jiān)測與評價,可以全面掌握北京市地下水水位、水環(huán)境狀況及其變化規(guī)律,滿足北京市地下水資源動態(tài)管理的需求,為行業(yè)及政府的決策行為提供科學依據(jù)。
北京市地處山地與華北平原的過渡地帶,三面環(huán)山。區(qū)內第四紀地層由五大水系 (拒馬河水系、永定河水系、溫榆河水系、潮白河水系、薊運河水系) 聯(lián)合作用形成沖積扇群構成, 具有典型的緩傾斜山前沖洪積平原特征[3-5]。因此,北京市地下水主要包括山區(qū)巖溶裂隙水和平原第四系地下水。北京市供水以第四系孔隙地下水為主,僅部分水廠使用基巖巖溶水。第四系孔隙水主要賦存于平原區(qū)河流沖積作用形成的松散沉積物顆粒構成的孔隙網(wǎng)絡之中,地下水徑流方向總體上由西北向東南流動[6]。北京市地下水的監(jiān)測重要依據(jù)是監(jiān)測井的布設,目前有1000余個地下水監(jiān)測點,并已經(jīng)實現(xiàn)了全部自動監(jiān)測[7]。分別監(jiān)測平原區(qū)第一到第四含水層組和山區(qū)基巖水,監(jiān)測頻率為每小時一次。監(jiān)測區(qū)域覆蓋了北京市所有地區(qū),包括了山區(qū)、平原地區(qū),既有人員居住密集區(qū),也有偏遠地區(qū)。監(jiān)測參數(shù)主要包括水位、水溫、電導率等。
目前北京市地下水監(jiān)測過程中,存在一些問題:①數(shù)據(jù)量增長較快,數(shù)據(jù)量增長是原來(非物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集)的百余倍,對人力運維、管理和后期分析提出新挑戰(zhàn);②監(jiān)測數(shù)據(jù)展現(xiàn)方式不夠直觀,數(shù)據(jù)的豐富度、立體化監(jiān)測展現(xiàn)手段不夠;③缺少平臺大數(shù)據(jù)計算和專家決策模型的實現(xiàn),對現(xiàn)場作業(yè)情況缺少智慧化的監(jiān)管手段,以及平臺的后臺管理和現(xiàn)場運維人員作業(yè)現(xiàn)場可視化監(jiān)管。
基于此,構建基于物聯(lián)網(wǎng)技術地下水信息化支撐平臺,通過云計算、物聯(lián)網(wǎng)、GIS等多種技術手段,對地下水監(jiān)測點、地下水監(jiān)測數(shù)據(jù)、地下水工作運維人員、井管理人員和地下水應急事件發(fā)現(xiàn)、響應、調度、調查、處置全業(yè)務流程管理進行控制和約束,實現(xiàn)對地下水監(jiān)測的信息化、科學化管理,達到地下水資源管理及地質災害防治的效果。
感知技術作為信息獲取的重要手段,是物聯(lián)網(wǎng)感知外部信息的起始點[8-9]。水位傳感器是物聯(lián)網(wǎng)感知層的主要器件,是物聯(lián)網(wǎng)及時獲取外部水位場壓力的重要手段。該系統(tǒng)地下水監(jiān)測在傳感器方面,設計使用絕壓式壓力傳感器,可以直接輸出水位數(shù)字信號,保證了全量程的準確度,與傳統(tǒng)的電壓、電流信號輸出相比,信號無干擾和衰減,數(shù)據(jù)采集精度和準確度大大提高。采用316L不銹鋼/陶瓷作為傳感器材質,采用316L不銹鋼/鎳涂層作為探頭外殼材質,可以適應高咸水、地熱水、極低溫水等極端環(huán)境。
物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡層具有連接感知層與應用層,正確、安全傳輸感知數(shù)據(jù)與應用層控制指令的作用[10-12]。該設計網(wǎng)絡層能適應極端氣候條件的數(shù)據(jù)無線傳輸裝置(遙測終端機RTU),支持三網(wǎng)全模的4G、3G、2G通信頻段。并且視網(wǎng)絡狀態(tài),可以更換窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NB-IOT)制式的傳輸模式,在無三網(wǎng)通信信號的時候,還可以使用北斗通信模塊來解決傳輸通信。設備支持多點上報,支持遠程參數(shù)設置和遠程歷史數(shù)據(jù)提取。
地下水水位監(jiān)測應用層,可以分為管理服務層和地下水應用層。管理服務層通過中間軟件實現(xiàn)了地下水感知層與應用層的物理隔離,同時在邏輯上無縫連接。地下水應用層實現(xiàn)對地下水監(jiān)測數(shù)據(jù)的接受、數(shù)據(jù)管理、監(jiān)測設備管理、運行維護管理、綜合分析、成果展示等功能,以滿足地下水監(jiān)測相應的在線業(yè)務聯(lián)動需求。
北京市級政務云平臺、數(shù)據(jù)存儲資源、地下水監(jiān)測設備、移動物聯(lián)網(wǎng)平臺等,主要負責采集、發(fā)送不同區(qū)縣的地下水自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)和為系統(tǒng)提供基礎運行環(huán)境和計算機資源。通過政務云平臺提供系統(tǒng)所需的計算資源、存儲資源以及安全防護設備,監(jiān)測設備實現(xiàn)對監(jiān)測點的數(shù)據(jù)采集,物聯(lián)網(wǎng)平臺接收全域監(jiān)測設備通過GPRS、3G、4G等發(fā)送過來的地下水水位、水溫等監(jiān)測數(shù)據(jù)。
存儲資源考慮海量地下水動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲、管理、調度的需求,引入大數(shù)據(jù)技術,綜合應用關系型數(shù)據(jù)庫和非關系型數(shù)據(jù)庫(NoSQL),滿足海量數(shù)據(jù)管理、調度和分析的需求。
地下水基礎支撐平臺和數(shù)據(jù)同步組件功能實現(xiàn)公共基礎組件庫、應用組件庫、云計算平臺、服務管理、安全管理、系統(tǒng)資源管理等,為業(yè)務實現(xiàn)提供工具和環(huán)境。
平臺層即服務引擎(應用支撐平臺),基于SOA技術,實現(xiàn)了數(shù)據(jù)存取、調度、查詢、統(tǒng)計、分析、可視化等基礎功能,全面支持B/S和C/S客戶端應用系統(tǒng)的開發(fā)和運行。該部分功能實現(xiàn)了面向地下水應用系統(tǒng)的常規(guī)數(shù)據(jù)庫訪問、Web GIS、 Web Service數(shù)據(jù)服務和數(shù)據(jù)交換應用。主要組件支持分布式運行、集中管理和一體化服務。以Web服務、REST API以及功能組件等服務接口暴露給最終用戶的二次開發(fā)服務接口。
通過建立抽象的平臺層,第一,將業(yè)務應用、系統(tǒng)開發(fā)所需的共有功能進行抽象,為業(yè)務應用系統(tǒng)、信息發(fā)布系統(tǒng)的開發(fā)提供便利;第二,通過對核心功能的抽象,實現(xiàn)核心功能的服務化,可以集中在信息服務平臺中對系統(tǒng)性能、可靠性、安全性進行調優(yōu)和完善;第三,通過建立抽象的平臺層,為開發(fā)下一代基于云計算和大數(shù)據(jù)架構的應用系統(tǒng)和網(wǎng)絡服務做好技術支撐。
軟件應用服務層包含各類數(shù)據(jù)分析、應用、展示、分享子系統(tǒng),面向業(yè)務應用人員、政府管理人員以及社會大眾,主要實現(xiàn)對監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析、地下水評價、結果發(fā)布、水情以及政策發(fā)布等。
業(yè)務應用層是面向最終用戶(管理部門、業(yè)務部門和公眾)的業(yè)務應用系統(tǒng)和信息服務系統(tǒng)。其中業(yè)務應用系統(tǒng)集成了多種專業(yè)處理子系統(tǒng)和統(tǒng)計分析工具,專業(yè)人員利用這類工具形成的各種成果可制作成多種用戶易于理解的專題圖表、電子文檔、電子地圖等介質的電子產(chǎn)品,可通過網(wǎng)絡等形式進行發(fā)布,為各級部門提供專業(yè)和科普類的信息服務。業(yè)務應用層可基于統(tǒng)一的服務層和平臺層進行開發(fā),根據(jù)應用場景和用戶需求,提供Web客戶端和移動客戶端。
根據(jù)水文、生態(tài)、環(huán)境、地質等多學科數(shù)據(jù)綜合管理與時空一體化發(fā)展趨勢[13-14],該數(shù)據(jù)庫設計主要包括基礎地理信息空間數(shù)據(jù)、地下水監(jiān)測鉆孔資料數(shù)據(jù)、水文地質空間數(shù)據(jù)、地下水動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)、地下水質量動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)、水量預測數(shù)據(jù)、水資源分析評價、綜合研究成果數(shù)據(jù)、環(huán)境地質問題空間數(shù)據(jù)以及地下水資料情報數(shù)據(jù)等的存儲和管理。
原始數(shù)據(jù)庫采用MySQL、ES(ElasticSearch)兩種數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)。關系型數(shù)據(jù)庫MySQL存儲了監(jiān)測井信息、監(jiān)測設備信息、通信設備信息、報警記錄信息、遠程指令信息、監(jiān)測井圖片、數(shù)據(jù)導入模板、行政分區(qū)、流域分區(qū)、水文分區(qū)以及系統(tǒng)中使用的一些基本參數(shù)如地下水類型、管理方式、監(jiān)測數(shù)據(jù)類型等信息。利用ES較好的全文檢索和語言處理過濾、匹配、聚合等操作能力,存儲了野外自動監(jiān)測設備發(fā)送的原始報文、解析動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)、設備每日日志等統(tǒng)計信息。
動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)采用MySQL數(shù)據(jù)庫,主要對野外的原始報文解析后的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行管理,通過設備接收、人工導入的方式對水位和水質數(shù)據(jù)進行整編、校核、發(fā)布,為監(jiān)測平臺提供數(shù)據(jù)支撐;對監(jiān)測人員在野外進行的設備維護、設備維修、故障上報、水位校測、水樣采集等內容進行存儲,為野外工作人員巡檢提供數(shù)據(jù)支撐。
動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)庫包括靜態(tài)信息和動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù),靜態(tài)信息包括站點信息、設備基本信息、設備維護信息、設備運行狀態(tài)統(tǒng)計、文件存儲信息、數(shù)據(jù)使用統(tǒng)計、系統(tǒng)日志管理、工作規(guī)程管理、水位校測表、水樣采集信息、水質監(jiān)測數(shù)據(jù)表、水質分析數(shù)據(jù)表;動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)表主要是對水位、水溫、氣壓、信號強度等監(jiān)測信息進行分庫分表存儲。
成果數(shù)據(jù)采用MySQL數(shù)據(jù)庫存儲,主要包括屬性數(shù)據(jù)和文件數(shù)據(jù)。屬性數(shù)據(jù)為整編后的地下水位動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)、水溫數(shù)據(jù)以及一些中間產(chǎn)品數(shù)據(jù);成果字段主要包括整編后水位、水溫、氣壓、水質數(shù)據(jù)、站點信息、井信息、設備維護狀態(tài)信息、水位校測數(shù)據(jù)、按一定監(jiān)測周期下的監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析結果數(shù)據(jù),如最大值、最小值、平均值、方差、標準差等。文件數(shù)據(jù)包括地下水年鑒、年報、月報、日報等,以及按要求生成的圖表信息及曲線圖信息(各類統(tǒng)計圖、專題地圖、分析評價表等),為數(shù)據(jù)展示平臺提供數(shù)據(jù)支撐。
數(shù)據(jù)接收與設備管理子系統(tǒng)分為兩大核心模塊。數(shù)據(jù)接收模塊是基于野外自動監(jiān)測數(shù)據(jù)的接收,提高接收數(shù)據(jù)的并發(fā)量以及數(shù)據(jù)接收的穩(wěn)定性,分散數(shù)據(jù)接收壓力,實現(xiàn)讀寫分離,加快系統(tǒng)響應速度。基于不同的廠商與傳輸方式開發(fā)編寫不同的接收與解析功能。設備管理模塊是管理地下水相關的井、通信設備、監(jiān)測設備、數(shù)據(jù)接收情況等信息。掌握數(shù)據(jù)接收的情況、設備狀態(tài)、站點分布、水位波動等信息,同時對現(xiàn)有設備的信息進行添加和修改。
4.1.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)接收和接收情況分析
監(jiān)測數(shù)據(jù)是用來接收地下水自動監(jiān)測設備監(jiān)測源文件以及系統(tǒng)解析數(shù)據(jù)情況,包括水位、埋深、水溫、電壓、氣壓、氣溫等具體數(shù)據(jù)信息。
數(shù)據(jù)接收情況分析是指野外設備在工作過程中由于環(huán)境問題或設備自身問題可能會出現(xiàn)不同情況的故障,該功能對設備的故障情況按廠商進行分類,查看目前為止各廠家正常、異常工作的設備數(shù)量,生成的記錄可以導出,方便用戶維護維修。
4.1.2 物聯(lián)網(wǎng)遠程控制
遠程控制是編輯控制監(jiān)測井設備的指令,當用戶編輯完指令后等下次設備與平臺進行關聯(lián)后,下發(fā)指令到相應的設備,物聯(lián)網(wǎng)自動監(jiān)測設備開始根據(jù)指令進行遠程水位、水溫等水文地質信息參數(shù)遙測。
4.1.3 監(jiān)測井管理
監(jiān)測井管理可以用來添加、編輯監(jiān)測井的基本信息,包括統(tǒng)一編號、級別、類型、地理位置、地面標高、埋深等。并用來展示當前監(jiān)測點的狀態(tài),如接收到數(shù)據(jù)的井的信息、未收到數(shù)據(jù)的井的信息。監(jiān)測詳情里面顯示監(jiān)測井的基本信息、最近接收的數(shù)據(jù)情況、設備的電量狀況。
4.1.4 監(jiān)測設備管理與通信設備管理
監(jiān)測設備管理可以添加、編輯監(jiān)測設備的基本信息,包括設備類型、當前電量、監(jiān)測頻率、探頭信息等。并且可以展示當前監(jiān)測設備電量區(qū)間,點擊可以查看電量不足的設備。
通信設備管理可以添加、編輯通信設備的基本信息,包括設備類型、SIM卡號、安裝日期、當前電量等。并且可以展示當前通信設備的信號質量,方便用戶查看信號質量不足的設備,以此來判斷設備的工作狀況。
監(jiān)測數(shù)據(jù)管理主要是對接收的原始監(jiān)測數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)整編、數(shù)據(jù)逐級校核、檢索統(tǒng)計、預警以及數(shù)據(jù)產(chǎn)品的制作,實現(xiàn)對北京市地下水監(jiān)測數(shù)據(jù)的管理。監(jiān)測井維護管理主要是對監(jiān)測井維修、維護、保修、人工采集等信息進行管理。
數(shù)據(jù)管理主界面上顯示監(jiān)測井的分布與監(jiān)測井運行維護的狀態(tài),并顯示運維信息和運維進度。點擊地圖上的點可以查看該點的已經(jīng)校核數(shù)據(jù)的曲線圖及井的基本信息和維護狀態(tài)。
4.2.1 數(shù)據(jù)查詢
用戶通過查詢檢索條件篩選出符合條件的點,查詢條件可以分為空間條件查詢和屬性條件查詢[15],選擇被查詢點可以查看該點的數(shù)據(jù)信息,包括監(jiān)測井基本信息、水位、水溫、埋深等信息數(shù)據(jù),動態(tài)展示用戶篩選出符合條件的點,然后可以生成曲線圖。
4.2.2 數(shù)據(jù)校核
數(shù)據(jù)校核功能可根據(jù)區(qū)域展示已有數(shù)據(jù)、校核數(shù)據(jù),當用戶選擇了具體要校核的點后,系統(tǒng)將該設備當前月收到的數(shù)據(jù)以24時*31日的表格方式進行展示,方便用戶查看當前缺少的數(shù)據(jù),同時表格上部的曲線圖將會展示接收數(shù)據(jù)的曲線波動。并且加載數(shù)據(jù)時,系統(tǒng)會計算當前月的數(shù)據(jù)是否符合規(guī)范,將不符合的數(shù)據(jù)在表格中通過顏色標記出來,方便用戶查看。
4.2.3 維護、水樣采集、數(shù)據(jù)整編進度管理
分區(qū)域展示各個區(qū)域的維護次數(shù)、水樣采集次數(shù)、數(shù)據(jù)整編進度,方便用戶對當前工作的進展進行查看。
4.2.4 統(tǒng)計報表及地下水年鑒
統(tǒng)計報表是用戶選擇區(qū)域和時間后可以生成的該區(qū)域內所有監(jiān)測點的日報、月報、年報等報表信息,用戶可以下載查看生成的報表。
地下水年鑒是用戶選擇區(qū)域和時間后可以生成的該區(qū)域內所有監(jiān)測點的年鑒信息,用戶可以查看生成的區(qū)域年鑒信息。
地下水綜合分析子系統(tǒng)模塊在地下水監(jiān)測基礎支撐平臺的支持下,應用水文地質專業(yè)領域知識體系和專業(yè)模型,利用科學計算平臺,結合云計算能力,提供各類水文地質數(shù)據(jù)分析工具以及服務。地下水綜合分析系統(tǒng)將方便業(yè)務人員對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行專業(yè)、全面、綜合的應用,將原始的監(jiān)測數(shù)據(jù)轉化為有意義的水文地質分析成果。
地下水綜合分析系統(tǒng)主要包括動態(tài)分析功能模塊、地下水資源均衡分析功能模塊和水質評價功能模塊。
4.3.1 地下水動態(tài)與均衡分析工具
地下水動態(tài)分析工具以地下水動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)庫為數(shù)據(jù)驅動,對地下水水位、化學成分等隨時間和空間的變化規(guī)律進行分析,可為地下水水文動態(tài)變化過程分析提供技術支持。
地下水均衡分析工具基于水均衡理論,集成管理區(qū)域內各類地下水補、排項目。同時發(fā)揮地下水監(jiān)測的水位變化數(shù)據(jù)監(jiān)測優(yōu)勢,利用水位監(jiān)測數(shù)據(jù),結合水文地質參數(shù),計算出區(qū)域地下水儲蓄變化量。將儲蓄變化量與各補給、排泄量進行對比分析,可協(xié)助專業(yè)人員對區(qū)域地下水收支項目進行進一步的評估,提高對區(qū)域地下水均衡程度的認識。
結合業(yè)務特點,分析工具設置了不同的成果表達方式,可輸出各類可視化產(chǎn)品,如離子含量變化折線圖、專題地圖等,直觀展示地下水動態(tài)變化規(guī)律,便于專業(yè)人員快速理解分析結果。同時,結合業(yè)務需求,定制了常見成果產(chǎn)品制作的功能,如地下水等水位線圖、地下水位變差圖等,可輔助專業(yè)人員進行成果生產(chǎn)。
根據(jù)實際業(yè)務需求,地下水動態(tài)與均衡分析模塊由水位動態(tài)圖件制作、離子動態(tài)分析等工具組成。
4.3.2 水化學分析及水質評價工具
水化學分析及水質評價功能以地下水動態(tài)監(jiān)測庫數(shù)據(jù)為依托,進行水化學分析、水質評價工作。
水化學分析工具對地下水動態(tài)監(jiān)測庫、水化學平衡分析形成的工作庫的水質成分數(shù)據(jù)進行分析,形成水化學特征分析圖、離子等值線圖以及檢出物分布圖,為區(qū)域地下水化學成分變化規(guī)律研究提供依據(jù)。
水質評價工具采用單指標評價法、內梅羅指數(shù)法、模糊綜合評價法、層級階梯評價法對水質樣本數(shù)據(jù)進行評價,并對地下水動態(tài)監(jiān)測庫數(shù)據(jù)的評價結果繪制成圖,應用于區(qū)域地下水水質研究、水環(huán)境管理措施制定。
水化學分析及水質評價功能包括數(shù)據(jù)預處理工具、水化學特征分析工具、水化學專題圖制作工具、水質評價工具、污染評價工具,形成不同類型的水化學分析、評價成果,便于直觀地表達成果的含義,為研究人員、決策人員提供理論研究和決策支持依據(jù)。
綜合展示子系統(tǒng)模塊可以實現(xiàn)北京市地下水監(jiān)測站網(wǎng)及監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)一瀏覽、查詢、管理與信息服務調用。采用GIS、可視化、消息推送和Web技術,實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)接收、監(jiān)測設備和數(shù)據(jù)異常報警。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫和業(yè)務應用系統(tǒng)等的統(tǒng)計信息、關鍵參數(shù)通過儀表盤等方式進行實時、動態(tài)展示,為監(jiān)測人員和業(yè)務人員提供快速便捷的系統(tǒng)和數(shù)據(jù)監(jiān)控工具,方便用戶快速發(fā)現(xiàn)定位系統(tǒng)運行的各類信息和問題,可為領導決策分析、現(xiàn)場指揮提供一個直觀便捷的可視化平臺。
綜合展示子系統(tǒng)模塊的核心是利用GIS、BI和智能儀表盤技術,實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)接收、監(jiān)測設備和數(shù)據(jù)異常報警的實時可視化,以及系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫和業(yè)務應用系統(tǒng)等的統(tǒng)計信息、關鍵參數(shù)的可視化展示。
1)采用目前先進的云技術、物聯(lián)網(wǎng)、GIS等信息技術手段,開發(fā)地下水監(jiān)測基礎支撐平臺,統(tǒng)一了數(shù)據(jù)標準,整合了實時—歷史地下水監(jiān)測數(shù)據(jù),實現(xiàn)了地下水監(jiān)測數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)管理、監(jiān)測設備管理、運行維護管理、綜合分析、成果展示等業(yè)務功能。建成的信息系統(tǒng)和政務云環(huán)境,有效提升了地下水監(jiān)測信息化技術水平和服務能力。
2)實現(xiàn)多層次、多來源的地下水數(shù)據(jù)接入與設備管理。建成的數(shù)據(jù)接收與設備管理子系統(tǒng)支持10余種數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議,通過地下水監(jiān)測支撐平臺多級用戶權限管理體系,實現(xiàn)了多層次、多來源地下水監(jiān)測數(shù)據(jù)接收與設備管理。并應用大數(shù)據(jù)技術建立分布式關系型數(shù)據(jù)庫以滿足業(yè)務分析應用,建立分布式非關系型數(shù)據(jù)庫以滿足大量動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的快速檢索與查詢。后續(xù)將逐步實現(xiàn)北京市地下水監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)一接入?yún)R總到該系統(tǒng),可為北京市其他單位共享提供成果數(shù)據(jù)庫。