基于云计算的应急监测系统研究(1).pdf

基于云计算的应急监测系统研究 王明贤刘敬平 江苏大学 环境与安全学院， 江苏 镇江 212013 摘要 云计算是一种新兴的计算模型， 是在网格计算的基础上发展而来的。主要介绍了云计算技术与应急监测相结合的 系统， 分析了应急监测系统构建在云计算平台的可行性， 并详细论述了应急监测系统基于云计算平台的总体设计和功能 模块。该研究成果有利于建立高效、 稳定、 灵活的应急监测系统， 以提高对突发环境污染事件的应急监测及处置能力。 关键词 云计算; 应急监测; 系统; GIS DOI 10. 13205/j． hjgc． 201408033 ＲESEAＲCH INTO EMEＲGENCY MONITOＲING SYSTEM BASED ON CLOUD COMPUTING Wang MingxianLiu Jingping School of Environment and Safety of Jiangsu University，Zhenjiang 212013，China AbstractCloud computing is a new computational model，its development is based on grid computing． It was introduced the system of combining cloud computing technique with emergency monitoring，and analyzed the feasibility to develop the emergency monitoring system on cloud computing plat． Finally，the overall design and function modules of emergency monitoring system on cloud computing plat was thoroughly discussed． The research result is beneficial not only to build efficient，static and flexible emergency monitoring system，but also to enhance the capability of emergency monitoring and handling emergency environment pollution． Keywordscloud computing;emergency monitoring;system;GIS 收稿日期 2013 －11 －08 0引言 近年来， 随着我国经济飞速发展， 人口的快速增 长， 企业规模的不断扩大， 环境污染日益严重， 突发性 事故也逐渐增多。由于突发性事故的随机性、 不确定 性， 给我国经济及环境造成极大的损失。做好突发性 环境事件的预警、 监测和应急处置， 可以有效地减少 突发事件的发生 ［1- 2 ］。 应急监测是突发性污染事故处理中的首要环节， 要求监测人员在尽可能短的时间内根据现场情况， 运 用定性、 半定量、 定量等监测方法， 确定污染物的种 类、 浓度、 扩散范围及事故后果［3 ］。 近几年来， 应急监测工作的信息化程度逐渐提 高， 将数据库、 MIS、 地理信息系统与应急监测的流程 相结合， 研发出应急监测信息管理系统。一般包含基 础信息管理模块、 地理信息管理模块、 应急监测资源 模块等。现有的系统一般能实现各类信息的查询和 分析， 空间数据的采集及空间定位、 数据分析， 现场视 频监控， 对污染物扩散的变化过程、 浓度分布、 污染范 围等信息的预测［4 ］。系统需囊括大量的属性信息及 空间信息数据， 并且进行各种模型的预测计算， 这些 都运行在本地计算机或远程服务器中， 所需空间大， 且运行较慢， 成本较高。云计算是一种新型的计算模 式， 对于建立应急监测系统有着巨大的优势。本文基 于云计算技术平台强大存储和计算能力， 结合 GIS 提 出了一套全风险的突发事件应急监测管理系统， 以提 高应急监测业务的信息存储服务及数据处理能力。 1云计算与应急监测 王佳隽 ［5 ］提出云计算是一种新型的、 以数据为 中心、 数据密集型的超级计算模式。核心思想是基于 互联网， 由虚拟的计算机整合资源向用户提供所需的 软、 硬件服务， 所采取的标准及服务都是公开的。罗 军舟 ［6 ］分析了云计算的五大优势 快速搭建， 方便应 用; 规模按需搭建， 节约成本; 资源数据共享; 数据存 931 监测与评价 Environmental Monitoring ＆ Assessment 储可靠安全以及云计算强大的计算能力。云计算已 成功运用于各领域的信息管理系统， 应急监测与云计 算平台相结合的内容包括 1. 1搭建平台 以前的应急监测信息管理系统均搭建在本地计 算机或远程服务器中， 运行太慢， 且成本较高。将应 急监测系统搭建在云计算平台上， 不需要昂贵的硬件 集群及软件组件， 也不需要深入研究云计算内部的技 术细节， 只需利用云平台的云接口来搭建。根据所管 辖企业数量、 规模及应急监测能力按需购买云计算服 务， 资源利用更合理。 1. 2信息数据存储 应急监测过程中涉及的企业信息、 化学品信息、 风险源信息等属性信息; 相关的空间信息， 监测所获 得的大量数据。这些都以数据形式存储于信息系统 中。云计算的分布式存储能力不仅提供了足够的存 储空间， 而且保证了数据的安全性。 1. 3数据分析计算 应急监测过程中 扩散模型的计算 水扩散模 型、 大气扩散模型等 、 发展趋势的分析、 空间分析、 事故影响范围计算、 环境质量评估等环节涉及到大量 繁杂的运算， 将数据计算方法、 GIS 与云计算强大能 力结合。云计算平台将计算任务分布到大量的分布 式计算机上， 可以更全面的处理数据。 2云计算支持应急监测系统的可行性 2. 1云计算市场应用状况 2006 年由 Google CEO 埃里克施密特首次提出 “云计算” 概念， 经过 6 年的研究探讨， 已经成功运用 到多个领域。互联网领域中 Amazon 的 web Service、 百度和腾讯的云扩展服务等， 网络安全领域中信息分 析、 海量病例存储分析等， 科研领域中地震监测、 海洋 信息监控等， 图形图像处理领域中的海量图片检索 等， 以及衍生出的第三方中介服务如中国国家超级计 算天津中心都是成功的应用实例。 2. 2应急监测系统的特点 对于应急监测系统， 其核心部分， 一是大量数据 的整合， 二是事故扩散模型计算和发展推演。应急监 测过程建立在对基础数据掌握的前提上。 基础数据包括企业基本信息、 化学品基本信息、 风险源基本信息、 监测方法仪器信息、 地理信息数据、 环境敏感点地理信息、 事故发生时气象数据、 水文数 据、 周围环境地理信息等。这些信息数据需用统一的 接口汇总过来， 制定并生成应急监测报告。同时事故 扩散模型利用这些数据， 选择相对应的模型分析计 算， 得出事故发展趋势及影响区域， 依据计算结果调 整监测方案， 提供决策支持。云计算的超强存储及计 算力可以很好地支持实现。 2. 3国家及政府的支持 云计算的应用成为当代的主旋律。很多国家和 政府都加大了对云计算技术的投资和运用。我国政 府也在不断加大对云计算的推动力量 一是推动云计 算市场， 如政府大力建设面向社会公共信息服务的 云; 二是对云计算制定发展规划、 措施， 如我国两部委 日前批准对 5 个云计算试点城市的 12 个重点项目， 投入国家专项资金支持， 随后逐步推广至全国; 三是 针对云计算的数据安全性和隐私权等， 将出台前瞻性 的法律法规来保护 ［7 ］。 3基于云计算的应急监测系统的总体设计 3. 1云计算应急监测系统技术架构设计 基于云计算的应急监测系统的技术架构应基于 云计算架构建立， 分为云计算资源层、 云计算技术层 和云计算服务层。层级关系见图 1。 图 1云计算应急监测系统架构 Fig．1The frame diagram of cloud computing emergency monitoring system 1 云计算资源层 包括云计算平台的硬件基础 设施及软件基础设施。硬件基础设施包括计算机、 服 务器、 存储设备、 网络设施、 计算设备、 通讯设备等; 软 件基础设施包括 windows 操作系统、 应用服务器、 文 件服务器及数据库服务器。这些是构建云计算平台 041 环境工程 Environmental Engineering 的基础必备内容。 2 云计算技术层 主要提供应急监测所需属性 信息和空间信息、 分析事故趋势的扩散模型、 GIS 的 空间分析。把这些应用和软件当做服务提供给云计 算服务层。云计算技术层负责云计算服务层与云计 算平台之间的联系交互， 这层的存储资源及计算资源 按统一标准封装成 Web service 服务， 并基于 SOA 体 系架构进行规划管理。外部系统通过应急监测系统 Web service 数据接口调用属性信息和空间信息， 经 过 “云” 中模型计算处理后， 通过 Web service 数据接 口提供显示结果。 3 云计算服务层 面向用户提供事故影响区域 分析， 危害程度分析结果、 监测预案平行评估结果、 优 化预案、 事故推演图、 疏散路线及救援路线。在下级 服务器上建立应急监测系统， 用户通过访问系统界面 获得上述信息。 3. 2相关功能和应用的部署实现 1 实现云存储 对于系统中涉及的两类数据 属 性数据如企业信息、 危化品信息、 监测标准方法、 应急 监测预案等， GIS 管理的空间信息如区域地图、 企业 地理分布、 危化品位置、 监测点地理位置、 环境敏感点 等， 将这两类数据根据特点分类， 实行聚类存储， 形成 文件块进行存储， 并行访问。 2 数据分析计算 云计算应急监测系统一方面 利用扩散模型 泄漏计算模型、 气体扩散模型、 火灾 计算模型、 爆炸计算、 溢油计算模型 来计算事故影 响范围; 另一方面利用 GIS 的空间分析功能对监测点 数据处理， 得出事故发展趋势等结论。这些模型及数 据存在着各种各样的差异， 由特定的虚拟化软件策略 采取局部匹配， 避免地形数据的误差匹配， 从而准确 利用模型计算及与 GIS 的空间分析。 3 以 Web service 的形式实现云计算应急监测系 统。Web service 基于常规的产业标准及成熟的技 术， 如 HTTP 和 XML， 不仅容易开发且节省接口的花 费。应急监测系统中的应用以基于云计算的架构方 式部署到 web 集群服务器上。 3. 3系统功能管理模块及设计 云计算应急监测系统分为四个主要功能模块 云 存储模块、 云计算分析模块、 消息通告模块和事故恢 复监测模块， 如图 2 所示。 图 2应急系统功能模块 Fig． 2Function module of the emergency system 云存储模块提供应急监测过程中所需的全部属 性信息及空间信息。将企业基本信息、 化学品基本信 息、 监测仪器及方法信息及风险源信息分别建立数据 库存储到云上， 安全可靠而且存储信息量大。与 GIS 结合将涉及到的空间信息 企业地理位置、 风险源位 置、 环境敏感点位置、 周围地理环境信息及监测点位 置上传到数据库中， 由云后台技术层保存。 云计算分析模块 当事故发生时， 系统从后台的 扩散模型 泄漏计算、 气体扩散计算、 火灾计算、 爆炸 计算 中选取适用的模型计算。录入事故发生时间、 地点、 污染物名称、 气象状况 例如风速、 风向、 晴天 或阴天等 、 污染物浓度、 泄漏量等。根据上述录入 信息初步估计事故影响范围; 当所获取的信息有限 时， 利用 GIS 空间分析功能对监测点数据做缓冲区分 析， 同时在事故污染影响范围内标识出企业、 居民区、 学校、 医院、 水源地等环境敏感点最终评定事故等级， 形成应急监测方案。 消息通告模块 将系统形成的电子版或者纸质版 的应急监测报告交给现场监测技术人员， 指导进行现 场应急监测工作，并将现场环境数据及采样数据反 馈给系统， 实时控制现场变化情况。针对事故可能影 响到的区域， 需要疏散或者采取其他防护措施的实行 141 监测与评价 Environmental Monitoring ＆ Assessment 短信或电话通知。 事故恢复监测模块对环境敏感点的监测数据进 行持续监控分析， 在事故处理后的几周要记录跟踪监 测点的污染物浓度是否符合标准， 恢复正常， 完成跟 踪监测。对此次事故的整个应急监测过程中的应急 监测报告、 应急响应程序、 现场处理过程、 现场防护措 施、 监测仪器设备使用等情况进行应急监测分析评 价， 并形成报告书。 4总结 云计算是一种基于网格计算发展起来的新兴计 算模型，具有存储量大、 计算能力强、 运行稳定、 灵活 性好、 成本低廉等优点。基于云计算设计架构应急监 测系统， 使应急监测技术进入一个新的信息化阶段。 本文提出了基于云计算平台的新型应急监测系统， 包 括云存储模块、 云计算分析模块、 消息通告模块、 事故 恢复监测模块。当突发性事故发生时， 该系统可以快 速响应， 生成应急监测方案; 并且根据事故现场采集 的数据， 实时更新系统， 使指挥中心高效、 快速地采取 预防、 应急措施，从而形成一套科学的突发性事故管 理体系。云计算采用的虚拟化技术、 分布式存储、 动 态资源池管理， 给应急监测系统提供更加便捷、 安全、 开放的计算服务与数据存储。云技术正处于实际应 用的初级阶段， 有一些安全隐患和技术缺陷， 但随着 对云技术的深入研究， 基于云技术的信息管理系统将 会越来越多地投入实践。 参考文献 ［1］刘铁民，李湖生，邓云峰． 突发公共事件应急信息系统平站结 合［J］． 中国安全科学学报， 2005， 1 5 3- 7. ［2］Zhu Yichun，Du Maoan． An emergency monitoring about sudden water pollutionaccidentindrinkingwatersources ［C］ ∥ Proceedings of 2010 IEEE International Conference on Emergency Management and Management Sciences， 2010. ［3］王明贤，陈英，张先宝，等． 突发性大气环境污染事故应急监 测布点研究［J］． 中国环境监测， 2007， 23 4 9- 12. ［4］陈文君，陈锁忠，都娥娥，等． 突发性大气污染事故应急监测 系统的设计与开发［J］． 地球信息科学学报，2011， 13 1 65- 72. ［5］王佳隽，吕智慧，吴杰，等． 云计算技术发展分析及其应用探 讨［J］． 计算机工程与设计， 2010， 31 20 4404- 4409. ［6］罗军舟，金嘉晖，宋爱波，等． 云计算 体系架构与关键技术 ［J］． 通信学报， 2011， 32 7 3- 21. ［7］刘玉其． 六成 CIO 看好云计算 云时代谁领风骚［EB/OL］． http / /www． cnii． com．2012 －10 －03. ［8］任钢，王国栋． 云计算架构下的安全生产应急预测预警系统 的设计和应用［J］． 软件工程， 2012， 33 7 1- 4． 第一作者 王明贤 1963 － ， 男， 硕士， 副教授， 研究方向为环境信息 技术。 通讯作者 刘敬平。 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 jingpingliuu163． com 上接第 134 页 On Air Quality Standards ， 希望国内苯系物污染得到 有关专家的关注， 尽快建立相关标准。 参考文献 ［1］徐宏伟， 侯淑媛． 苯及苯系物接触人员白细胞减少影响因素分 析［J］． 职业卫生与应急救援， 2007， 25 3 129- 131. ［2］李凤苏． 苯及苯系物对作业人员健康状况的影响［J］． 职业与 健康， 2008， 24 17 1760- 1762. ［3］査建溪， 林惠芳， 张巧红， 等． 低浓度苯系物对作业工人的健康 影响［J］． 职业与健康， 2010， 26 16 1828- 1829. ［4］杨磊， 易桂林． 我国劳动卫生标准接触限值的研究进展和问题 ［J］． 中华劳动卫生职业病杂志， 2003， 21 4 317- 319. ［5］GB Z22002 工作场所有害因素职业接触限值［ S］ ． ［6］王宇亮， 张玉洁， 刘俊峰， 等． 2009 年北京市苯系物污染水平和 变化特征［J］． 环境化学， 2011， 30 2 412- 417. ［7］王宇亮． 北京市苯系物污染水平和变化特征［ D］ ． 北京 北京林 业大学， 2010. ［8］张俊刚， 王跃思， 吴方堃， 等． 北京市大气中 BTEX 工作日与非 工作日的浓度变化［ J］ ． 环境化学， 2009， 28 1 112- 116. ［9］罗晓璐， 沈学优． 杭州市城市空气中苯系物的污染现状及来源 解析［J］． 浙江大学学报． 理学版， 2003， 30 5 570- 573. ［ 10］苗欣， 孙成， 王禹， 等． 南京市交通干道大气环境中挥发性有机 物的研究［J］． 环境保护科学， 2003， 29 5 6- 9. ［ 11］Beyhan Pekey， Hande Yilmaz．The use of passive sampling to monitor spatial trends of volatile organic compoundsVOCsat an industrialcity of Turkey［J］． Microchemical Journal， 2011， 97 213- 219. ［ 12］Debora Perez- Ｒial， Purificacion Lopez- Maha，Soledad Muniategui- Lorenzo， et al． Temporal distribution behaviour and reactivities of BTEX compounds in a suburban Atlantic area during a year［J］． Journal of Environmental Monitoring， 2009 11 1216- 1225. ［ 13］叶丛雷， 谢品华， 秦敏， 等． 广州市交通主干道空气中苯系物的 测量［J］． 环境科学， 2012， 33 11 3718- 3724. ［ 14］张爱东， 郭明明， 修光利， 等． 上海市交通干道空气中苯系物冬 季污染特征初探［J］． 上海环境科学， 2005， 24 3 119- 123. ［ 15］陆思华， 白郁华， 宽运， 等． 北京市机动车排放挥发性有机化合 物的特征［J］． 中国环境科学， 2003， 23 2 127- 130. ［ 16］苗欣， 孙成， 王禹， 等． 南京市交通干道大气环境中挥发性有机 物的研究［J］． 环境保护科学， 2003， 29 5 6- 9. ［ 17］罗晓璐， 沈学优． 杭州市城市空气中苯系物的污染现状及来源 解析［J］． 浙江大学学报． 理学版， 2003， 30 5 570- 573. ［ 18］Murena F． Air quality nearby road traffic tunnel portalsBTEX monitoring［J］． Journal of Environmental Sciences， 2007， 19 5 578 －583. 第一作者 庞梦舟 1989 － ， 男， 硕士研究生， 主要从事大气污染与防 治相关研究。pangmengzhou88126． com 通讯作者 帕丽达 牙合甫 1968 － ， 博士， 副教授， 主要研究领域为大 气污染防治与应用化学。paridayakup163． com 241 环境工程 Environmental Engineering