水环境信息集成与共享系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种水环境信息集成与共享系统，包括：水环境信息采集装置通过无线传感器网络单元与水环境信息交换装置连接，水环境信息采集装置和水环境信息交换装置与基于物联网水环境自动监测系统连接，基于物联网水环境自动监测系统与基于GIS的动态数据库单元进行无缝连接，基于GIS水环境智慧管理系统与基于GIS的动态数据库单元连接。本发明应用无线传感器网络，采集水环境相关数据，建立基于GIS的动态数据库，实现了与物联网监测网络的无缝连接方案，实现对环境的实时、即时监控，形成科学监管、联动治污的合力，提高污染防治信息化监管水平；为社会发布环境信息，便于公众参与污染治理与监督；不断提升环境保护工作效率。
【专利说明】水环境信息集成与共享系统
【技术领域】
[0001] 本发明属于信息系统领域，尤其涉及一种水环境信息集成与共享系统。
【背景技术】
[0002] 西北地区由于属于缺水地区，所以水环境监测与管理就显得更为重要。在信息化 飞速发展的今天，如果只靠人力来监测水环境就显得效率非常低下。国家也越来越重视环 境保护与监测，绿色GDP的提出就体现了国家对环境给经济发展造成的影响的重视。近些 年来，环保产业快速发展，使环境监测行业面临着扩容的要求。环境监测类上公司的未来更 值得期待。一方面是因为环境产业的核心在于预防与治理，而预防需要监测，治理过后的成 效如何也需要监测。另一方面则是因为我国环境监测设备历来投资不足，面临着补课的推 动力。比如说国务院曾明确要求，环保重点城市应做好地表水集中式饮用水源地109项指 标的全分析工作。但目前，具备109项指标全分析能力的，只有江苏、浙江、上海、重庆4个 省级和广州、连云港、南京、杭州、宁波5个重点城市的监测中心（站）；我国基层县区地大 面广，污染源众多，污染治理水平普遍偏低，基层环境监测任务繁重，但环保部的一项调查 显示，全国县级环境监测站达标率仅17%左右。如此的数据，虽然从一个侧面说明了我国过 去环境监测投资力度不大，但也说明了未来环境监测行业将面临着广阔的发展空间。
[0003] 物联网在最近几年显现出非常迅猛的发展势头，也成为众多科学家研究的热点。 物联网的概念早在1999年由ΜΙΤ-ID中心的Ashton教授在研究REID时最早提出来的。经 过十多年的发展，物联网的概念已经超越了早期的概念，尤其在中国，它已经被贴上"中国 式"标签。物联网其实是一个基于互联网、传统电信网等信息承载体，让所有能够被独立寻 址的普通物理对象实现互联互通的网络。它具有普通对象设备化、自治终端互联化和普适 服务智能化3个重要特征。物联网的应用非常广泛。本项目将在环境监测领域，基于互联 网实现三维GIS(Geographic Information System)信息集成与共享，高效的监测流域水环 境，为水环境管理工作提供科学决策支持，实现高效的管理和决策支持。
[0004] 美国国家环保局在1964年开发的STORET COGENT是国际上开发最早的大型水环 境质量管理信息系统。加拿大的国家水数据库NAQUADAT也是较成功的水环境管理信息系 统。随着物联网和地理信息系统GIS的快速发展，出现了一些相对完善、综合性强的，并应 用于环境监测、环境信息预测与评价，环境应急与预警管理、环境规划与决策等的信息系 统。较有代表性的有英国泰晤士河流域的决策支持系统WATERWARE，此系统具有水文过程模 拟、水污染控制、水资源规划管理等功能。
[0005] 我国的环境信息系统建设起步相比欧美国家要晚，以往的水环境信息系统大都是 环境管理信息系统，没有和GIS，物联网结合。不能很好的实现信息集成与共享。随着我国 物联网的蓬勃发展，我国现在物联网技术相比国外差距不大，一些技术甚至在世界上处于 领先水平，现在将物联网应用于环境监测已经成为可能，如江苏省环境监测中心太湖流域 水环境自动监控系统平台，通过分布于太湖流域的大规模无限传感器，即时采集太湖流域 水环境的各项指标数据，传送回中心数据库，再结合GIS，实时监控太湖流域水环境的状况。 许多研究人员和学者也在积极的研究物联网在水环境监测方面的应用。王双森，韩世鹏对 物连网技术如何推进GIS在环境监测中得应用进行了研究，概述了物联网和地理信息系统 如何应用于环境监测工作，使各种环境要素信息采集，处理，传输快速可视化，从而对环境 状况变化做出快速反应。阮仕平等采用Maplnfo公司的Maplnfo Professional?. 0软件平 台、Acess数据库管理系统和VB编程语言将GIS与环境模型集成，开发了铜川新区水环境 管理决策支持系统，该系统的水污染控制辅助决策模块采用水质模型进行水污染控制动态 模拟，实现了用GIS地图将水质目标与污染源的控制动态变化显示的功能。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供一种水环境信息集成与共享系统，旨在解决目前的水环境 信息系统大都是环境管理信息系统，没有和GIS、物联网结合，不能很好的实现信息集成与 共享的问题。
[0007] 本发明是这样实现的，一种水环境信息集成与共享系统，该系统的结构包括：水环 境信息采集装置、水环境信息交换装置、无线传感器网络单元、基于物联网水环境自动监测 系统、基于GIS的动态数据库单元、基于GIS水环境智慧管理系统；
[0008] 水环境信息采集装置中设置有大规模无线传感器，并且水环境信息采集装置通过 无线传感器网络单元与水环境信息交换装置相连接；
[0009] 水环境信息采集装置和水环境信息交换装置与基于物联网水环境自动监测系统 相连接，并且基于物联网水环境自动监测系统中设置有大规模无线传感器；
[0010] 基于物联网水环境自动监测系统与基于GIS的动态数据库单元进行无缝连接，基 于GIS水环境智慧管理系统与基于GIS的动态数据库单元相连接，来进行水环境信息的存 储、处理与评价。
[0011] 进一步，水环境信息采集装置中设置有传感器、多跳自组织传感器网络以及其他 传统信息采集装置，用来协作地感知、采集所覆盖区域中的水环境信息。
[0012] 进一步，水环境信息采集装置应用了数据采集、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、RFID识别技术以及无线传感器网络技术 为代表。
[0013] 进一步，水环境信息交换装置的功能是自动监控信息的采集、交换，使信息系统标 准化，满足水环境信息的调取、查询、分析的需求。
[0014] 进一步，基于GIS水环境智慧管理系统，通过GIS平台中设置了在黄河流域高精度 电子地图上的信息发布单元，并建立了黄河流域地形数据库单元，创建交互式环境单元， 为黄河流域水环境信息的分析和展现提供支持。
[0015] 进一步，本系统还是一种基于3G移动平台的水环境信息传输和交换架构。
[0016] 进一步，本系统利用GIS软件构建了水环境GIS平台，以ActiveX控件形式提供了 应用客户化定制单元，设置了 Web的视图界面显现单元。
[0017] 进一步，本系统在MyEclipse7. 5平台上搭建了软件开发框架，结合GIS实现水环 境二维GIS智慧管理系统。
[0018] 进一步，该水环境信息集成与共享系统对流动水体实时海量监测数据进行了高效 分析和处理运算；
[0019] 系统采用大数据Hadoop中间件，利用聚类算法改进了 Top-k算法，实现海量监测 数据的高效分析和处理运算，具体实现为在Hadoop平台Top-k的TPUT算法基础上，引入了 聚类策略，得到了一种改进的TPUT算法，其算法思想流程如下：输入：Top-k数据查询；输 出：Top-k算法集中查询所得各对象；与TPUT算法初始化相同；中心服务器将tl值采用聚 类统计方法，分为Tl，T2,. . .，Tm(其中m为子节点），将各个对应的值发送到各子节点，各子 节点将得分值不小于Ti的对象及其得分值发送到中心服务器点；中心服务器节点再计算 一次已访问对象的局部聚集值，令第k位最高的下界值为t2,然后中心服务器管理节点得 到己访问对象的局部上界值，当对象的局部上界值小于t2时，此对象被裁剪掉，剩下那些 局部上界值不小于t2的对象的集合为Top-k集合的候选集S。
[0020] 本发明提供的水环境信息集成与共享系统，该系统应用了环保物联网，从而可以 使污染物的排放实现在时间和空间上的可控，实现对环境的实时、即时监控，常规环境管理 因技术手段受限无法做到。通过建立环境物联网，可以为领导准确及时提供环境问题决策 依据，为各级政府、部门提供信息共享与协同工作环境，形成科学监管、联动治污的合力，提 高污染防治信息化监管水平；为社会公众发布环境信息，便于公众参与污染治理与监督； 不断提升环境保护工作效率，推动环保工作实现新跨越、迈上新台阶。并且本发明系统应用 无线传感器网络，采集水环境相关数据，建立基于GIS的动态数据库，并研究与物联网监测 网络实现无缝连接方案，研发智慧管理系统软件平台。通过对水环境信息交换、流动水体实 时海量监测数据高效分析、水环境综合管理系统等关键技术的研究，形成基于物联网的水 环境信息共享与集成系统的相关专利技术，实现水环境的全面感知、智慧治理的开发平台。 从而提供了一个高效、精确、方便的基于GIS的动态数据库、基于GIS水环境智慧管理系统 和物联网监测系统的水环境信息集成与共享系统。
【专利附图】
【附图说明】
[0021] 图1是本发明提供的水环境信息集成与共享系统的结构示意图；
[0022] 图2是本发明提供的水环境信息集成与共享系统的水环境GIS平台的结构示意 图；
[0023] 图3是本发明提供的水环境信息集成与共享系统的水环境GIS平台的该水环境信 息集成与共享系统在MyEclipSe7.5平台上搭建了软件开发框架的结构示意图。
[0024] 图中：1、水环境信息采集装置；2、水环境信息交换装置；3、无线传感器网络单元； 4、基于物联网水环境自动监测系统；5、基于GIS的动态数据库单元；6、基于GIS水环境智 慧管理系统
【具体实施方式】
[0025] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明 进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于 限定本发明。
[0026] 结合附图1对本案例进行说明，本发明实施例是这样实现的，一种水环境信息集 成与共享系统，该系统的结构包括：水环境信息采集装置、水环境信息交换装置、无线传感 器网络单元、基于物联网水环境自动监测系统、基于GIS的动态数据库单元、基于GIS水环 境智慧管理系统；
[0027] 水环境信息采集装置1中设置有大规模无线传感器，并且水环境信息采集装置1 通过无线传感器网络单元3与水环境信息交换装置2相连接；
[0028] 水环境信息采集装置1和水环境信息交换装置2与基于物联网水环境自动监测系 统4相连接，并且基于物联网水环境自动监测系统4中设置有大规模无线传感器；
[0029] 基于物联网水环境自动监测系统4与基于GIS的动态数据库单元5进行无缝连 接，基于GIS水环境智慧管理系统6与基于GIS的动态数据库单元5相连接，来进行水环境 信息的存储、处理与评价。
[0030] 进一步，水环境信息采集装置1中设置有传感器、多跳自组织传感器网络以及其 他传统信息采集装置，用来协作地感知、采集所覆盖区域中的水环境信息。
[0031] 进一步，水环境信息采集装置1应用了数据采集、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、RFID识别技术以及无线传感器网络技 术为代表。
[0032] 进一步，水环境信息交换装置2的功能是自动监控信息的采集、交换，使信息系统 标准化，满足水环境信息的调取、查询、分析的需求。
[0033] 进一步，基于GIS水环境智慧管理系统6,通过GIS平台中设置了在黄河流域高精 度电子地图上的信息发布单元，并建立了黄河流域地形数据库单元，创建交互式环境单 元，为黄河流域水环境信息的分析和展现提供支持。
[0034] 进一步，本系统还是一种基于3G移动平台的水环境信息传输和交换架构。
[0035] 进一步，本系统利用GIS软件构建了水环境GIS平台，以ActiveX控件形式提供了 应用客户化定制单元，设置了 Web的视图界面显现单元。
[0036] 进一步，本系统在MyEclipse7. 5平台上搭建了软件开发框架，结合GIS实现水环 境二维GIS智慧管理系统。
[0037] 进一步，本系统对流动水体实时海量监测数据进行了高效分析和处理运算。
[0038] 本发明提供了一种水环境信息集成与共享系统，该系统的结构包括：水环境信息 采集装置、水环境信息交换装置、无线传感器网络单元、基于物联网水环境自动监测系统、 基于GIS的动态数据库单元、基于GIS水环境智慧管理系统；水环境信息采集装置中设置有 大规模无线传感器，并且水环境信息采集装置通过无线传感器网络单元与水环境信息交换 装置相连接；水环境信息采集装置和水环境信息交换装置与基于物联网水环境自动监测系 统相连接，并且基于物联网水环境自动监测系统中设置有大规模无线传感器；基于物联网 水环境自动监测系统与基于GIS的动态数据库单元进行无缝连接，基于GIS水环境智慧管 理系统与基于GIS的动态数据库单元相连接，来进行水环境信息的存储、处理与评价。
[0039] 本发明提供的水环境信息集成与共享系统，该系统应用了环保物联网，从而可以 使污染物的排放实现在时间和空间上的可控，实现对环境的实时、即时监控，常规环境管理 因技术手段受限无法做到。通过建立环境物联网，可以为领导准确及时提供环境问题决策 依据，为各级政府、部门提供信息共享与协同工作环境，形成科学监管、联动治污的合力，提 高污染防治信息化监管水平；为社会公众发布环境信息，便于公众参与污染治理与监督； 不断提升环境保护工作效率，推动环保工作实现新跨越、迈上新台阶。并且本发明系统应用 无线传感器网络，采集水环境相关数据，建立基于GIS的动态数据库，并研究与物联网监测 网络实现无缝连接方案，研发智慧管理系统软件平台。通过对水环境信息交换、流动水体实 时海量监测数据高效分析、水环境综合管理系统等关键技术的研究，形成基于物联网的水 环境信息共享与集成系统的相关专利技术，实现水环境的全面感知、智慧治理的开发平台。 从而提供了一个高效、精确、方便的基于GIS的动态数据库、基于GIS水环境智慧管理系统 和物联网监测系统的水环境信息集成与共享系统。
[0040] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精 神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1. 一种水环境信息集成与共享系统，其特征在于，该系统的结构包括：水环境信息采 集装置、水环境信息交换装置、无线传感器网络单元、基于物联网水环境自动监测系统、基 于GIS的动态数据库单元、基于GIS水环境智慧管理系统； 水环境信息采集装置中设置有大规模无线传感器，并且水环境信息采集装置通过无线 传感器网络单元与水环境信息交换装置相连接； 水环境信息采集装置和水环境信息交换装置与基于物联网水环境自动监测系统相连 接，并且基于物联网水环境自动监测系统中设置有大规模无线传感器； 基于物联网水环境自动监测系统与基于GIS的动态数据库单元进行无缝连接，基于 GIS水环境智慧管理系统与基于GIS的动态数据库单元相连接，来进行水环境信息的存储、 处理与评价。
2. 如权利要求1所述的水环境信息集成与共享系统，其特征在于，水环境信息采集装 置中设置有传感器、多跳自组织传感器网络以及信息采集装置，用来协作地感知、采集所覆 盖区域中的水环境信息。
3. 如权利要求1所述的水环境信息集成与共享系统，其特征在于，水环境信息采集装 置应用了数据采集、处理技术以及传感器的部署、自组织组网和协同等技术，以传感器采集 感知技术、RFID识别技术以及无线传感器网络技术为代表。
4. 如权利要求1所述的水环境信息集成与共享系统，其特征在于，水环境信息交换装 置的功能是自动监控信息的采集、交换，使信息系统标准化，满足水环境信息的调取、查询、 分析的需求。
5. 如权利要求1所述的水环境信息集成与共享系统，其特征在于，基于GIS水环境智慧 管理系统，通过GIS平台中设置了在黄河流域高精度电子地图上的信息发布单元，并建立 了黄河流域地形数据库单元，创建交互式环境单元。
6. 如权利要求1所述的水环境信息集成与共享系统，其特征在于，该水环境信息集成 与共享系统是基于3G/4G移动平台的水环境信息传输和交换架构。
7. 如权利要求1所述的水环境信息集成与共享系统，其特征在于，该水环境信息集成 与共享系统利用GIS软件构建了水环境GIS平台，以ActiveX控件形式提供了应用客户化 定制单元，设置了 Web的视图界面显现单元。
8. 如权利要求1所述的水环境信息集成与共享系统，其特征在于，该水环境信息集成 与共享系统在MyEclipSe7. 5平台上搭建了软件开发框架，结合GIS实现水环境二维GIS智 慧管理系统。
9. 如权利要求1所述的水环境信息集成与共享系统，其特征在于，该水环境信息集成 与共享系统对流动水体实时海量监测数据进行了高效分析和处理运算； 系统采用大数据Hadoop中间件，利用聚类算法改进了 Top-k算法，实现海量监测数据 的高效分析和处理运算，具体实现为在Hadoop平台Top-k的TPUT算法基础上，引入了聚 类策略，得到了一种改进的TPUT算法，其算法思想流程如下：输入：Top-k数据查询；输出： Top-k算法集中查询所得各对象；与TPUT算法初始化相同；中心服务器将tl值采用聚类统 计方法，分为Tl，T2,. . .，Tm(其中m为子节点），将各个对应的值发送到各子节点，各子节点 将得分值不小于Ti的对象及其得分值发送到中心服务器点；中心服务器节点再计算一次 已访问对象的局部聚集值，令第k位最高的下界值为t2,然后中心服务器管理节点得到己 访问对象的局部上界值，当对象的局部上界值小于t2时，此对象被裁剪掉，剩下那些局部 上界值不小于t2的对象的集合为Top-k集合的候选集S。
【文档编号】G05B19/418GK104102191SQ201410289464
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年6月25日 优先权日:2014年6月25日
【发明者】伍忠东, 李强, 周冬梅, 刘欣, 戴亮, 窦琛琛, 张银元 申请人:兰州交通大学