我国智慧环保体系建设探讨-20121008-2

我国“智慧环保”体系建设探讨 刘锐1，2 詹志明3 谢涛1* 姚新4 候立涛4

(1中科宇图资源环境科学研究院，北京100101；2北京师范大学，北京100875；3国家环境保护部办公厅信息办，北京210016；4中科宇图天下科技有限公司，北京100101)

1 引言

自从2008年11月IBM提出“智慧地球”概念后，世界各国智慧城市的建设风起云涌，国内抢夺智慧城市制高点的竞争也如火如荼。与此同时智慧环保、智慧交通、智慧医疗、智慧物流等各细分行业也开始了相应的研究，力图将“智慧”技术应用于各个领域。

2009年8月，温家宝总理在无锡考察物联网的工作进展，发表重要讲话，并确定无锡为“感知中国”中心。自此各地掀起了重新认识无线传感技术和物联网的巨大浪潮，2009年也被称为“中国物联网元年”。

“感知环境，智慧环保”是结合物联网技术对水体水源、大气、噪声、放射源、废弃物等进行感知、处置与管理，建设成为一个集智能感知能力、智能处理能力和综合管理能力于一体的新一代网络化智能环保系统，达到\"测得准、传得快、算得清、管得好\"的总体目标，旨在推进污染减排、加强环境保护，实现环境与人、经济乃至整个社会的和谐发展。

2 “智慧环保”的理念

“智慧环保”是在原有“数字环保”的基础上，借助物联网技术，把传感器和装备嵌入到

作者简介:刘锐( 1957-) , 男, 四川成都人，博士，教授, 主要研究领域环境信息化、GIS工程，电子信箱：***************

各种环境监控对象（物体）中，通过超级计算机和云计算将环保领域物联网整合起来，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”的总体架构包括：感知层、传输层、智慧层和服务层。通过现有的数字环保平台，逐步构筑起环保领域的物联网，推动数字环保向“智慧环保”的转变，对于提高环境与发展的综合决策能力，提升环境监管的现代化水平，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。

“智慧环保”是数字环保的延伸，它的内涵与数字环保相比有着深刻的变革。主要体现在新型技术支撑手段的应用和面向综合性决策智能化两个方面。

（1）技术支撑体系：数字环保主要是面向环境管理工作，以数据仓库、地理信息系统、计算机技术等为主要支撑技术，而智慧环保是面向综合决策，主要以新兴的物联网、云计算、人工智能、数据挖掘、业务模型等技术为支撑。

（2）环保综合决策侧重点：数字环保强调环保决策办公的无纸化、自动化和数据的采集管理，即更注重计算机、GIS等信息技术的作用，而智慧环保更加注重智能数据采集、数据挖掘，模型模拟、智能综合性决策等问题，例如环境形势分析与预测、环境情景模拟分析、政策模拟分析等。

智慧环保的价值主要体现在：（1）提高工作效率；（2）促进环保工作规范化、标准化与自动化；（3）促进数据资源共享、系统整合，避免重复建设与“信息孤岛”，实现环境信息资源的管理与高效应用；（4）有利于实现“环境质量及其变化说的清、污染源排放情况说的清、环境风险说的清”，提高环境监管与应急防范能力；（5）提高环境保护综合决策与服务能力。

3 “智慧环保”关键支撑技术

实现“智慧环保”，需要以下几项关键支撑技术：

（1） 物联网技术

环保物联网技术是指通过各种传感设备（传感器、射频设备技术、全球定位系统、红外感应器、激光扫描等）采集声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等各种信息并与互联网、无线专网进行交互传输信息的一个巨大网络，能够实现物与物、物与人的网络连接、识别、管理和控制。具体地说，就是把感应器嵌入和装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道等各种物体中，并且被普遍连接，形成物联网。它实现了物体信息智能化识别、定位、跟踪、监控与管理，在智慧环保中，是数据实时获取、更新与管理的重要手段。物联网技术主要包括传感与RFID融合技术、物联网节点及网关技术、物联网通信与频管技术、物联网接入与组网技术、物联网软件与算法、物联网交互与控制、物联网计算与服务等。

（2） 云计算技术

云计算技术是网格计算（Grid Computing ）、分布式计算（Distributed Computing）、并行计算（Parallel Computing）、效用计算（Utility Computing）、网络存储（Network Storage Technologies）、虚拟化（Virtualization）、负载均衡（Load Balance）等传统计算机技术和网络技术发展融合的产物。“云计算” 是以服务为特征的一种网络计算，它以新的业务模式提供高性能、低成本的持续计算和存储服务，支撑各类信息化应用。

（3） 智能GIS技术

采用了多维GIS融合技术，将“时间维（Time）、空间维（Space）和仿真（VR）技术”相结合的三维GIS平台，真正实现“物联网前端感知、应用时态分析、管理虚拟仿真、多维GIS空间分析”一体化的GIS可视化应用创新模式，将三维GIS的发展带入了多维GIS时代。

（4） “天空地”一体化遥感监测技术

遥感技术是指借助对电磁波敏感的仪器，在不与探测目标接触的情况下，记录目标物对电磁波的辐射、反射、散射等信息，揭示目标物的特征、性质及其变化的综合探测技术，包括主动和被动微波遥感技术、合成的光圈原理联合干涉测量技术、激光雷达技术、传感器技术等。利用包括地面遥感车、气球、飞艇、火箭、人造卫星、航天飞机和太空观测站等多个观测地球的平台相互配合使用，搭载各种用途的传感器，实现对全球陆地、大气、海洋等进行立体、实时观测和动态监测，是未来获取地球表面和深部时空信息的重要手段，也是智慧环保获取基础数据的重要来源。天空地一体化遥感监测技术是智慧环保实现的重要基础支撑技术之一。

（5） 海量数据挖掘技术

数据挖掘是发现数据中有用模式的过程，通过大量观测数据的处理来确定数据的趋势和模式，与传统数据分析相比，其本质区别在于在无明确假设的前提下挖掘信息、发现知识，因此具有未知、有效和实用三个特征。海量数据的搜集、强大的多处理器计算机、数据挖掘算法作为支持数据挖掘的基础技术已逐渐发展成熟。目前常用的数据挖掘方法包括神经网络法、遗传算法、决策树方法、粗集方法、覆盖正例排斥反例方法和模糊集方法等。

（6） 环境模型模拟技术

地理信息系统与环境模型进行集成应用为环境决策提供技术支持已经成为环境保护决策的

重要发展趋势。环境模型模拟技术的最终目的是要还原一个实际系统的行为特征，模拟其物理原型的数学模型。如EFDC水质模型，通过构建多参数有限差分构建三维地表水动力模型，实现河流、湖泊、水库、湿地系统、河口和海洋等水体的水动力学和水质模拟，从而达到最佳模拟效果，为环境评价和政策制定提供有效决策依据。

4 我国“智慧环保”体系的构建

“智慧环保”是以广泛准确的多源环境数据获取能力，快速有效的数据传输能力、智能的信息分析处理能力和综合性的辅助决策支撑与管理能力为特点的环境信息化体系，是“测得准、传得快、搞得清、管得好”的一种状态（图1）。

图1 智慧环保体系架构

自“九五”、“十五”、“十一五”以来，我国环境信息化建设取得成效显著，表现为基础网络建设稳步推进、环保核心业务信息化逐步推进、环境信息化标准规范体系不断完善、环境信

息与统计能力逐步提高、环保电子政务建设成效显著等，但是距离智慧环保仍然存在一定差距，表现在环境信息化标准规范不健全、环境信息资源缺乏共享机制、环境信息系统整合能力不足、综合辅助决策能力有待提高、环境信息多源感知能力待提升等方面。实现从数字环保向智慧环保跨越，可从以下几个方面进行着手：

（1） 技术方面：一是发展物联网技术，建设实时、自适应进行环境参数感知的感知系统；二是利用云计算、模糊识别等各种智能计算技术，整合现有信息资源，建设具有高速计算能力、海量存储能力和并行处理能力的智能环境信息处理平台，为最终实现“智慧环保”的各项应用服务提供平台支撑与信息服务。

（2） 人才方面：构建以学校教育为基础，在职培训为重点，基础教育与职业教育相互结合的信息化人才培养体系。同时应进一步探究校企合作培养模式，以信息化项目为依托，培养高级人才、创新型人才和复合型人才。

（3）政策方面：1）加强技术扶持；2）建设相关标准规范，为实现系统整合、资源共享提供基础；3）加强“智慧环保”的机制与制度建设。

我国智慧环保系统的设计应从总体上把握基础空间数据、各类环境数据的内容、特点，从细节上紧密结合环保局的实际情况和对信息技术的需求，站在最终实现“智慧环保”的战略高度进行建设，利用先进的物联网技术、信息技术手段，实现现有多源信息的数字化、空间结构化、网络化和标准化，把已有的数据充分开发利用起来，推进信息资源的共享，形成环境信息化总体框架。系统建成后应满足环境信息管理和应用需求。

系统建立在网络通讯平台、基础设施环境健全的基础上，通过内网门户实现业务协同、办公管理、应急管理、GIS 应用、碳排放跟踪管理、总量管理等六大应用功能；通过对各应用信

息系统及在线监控体系的集成，建设环境数据中心，进行环境信息整合和资源共享。运用外网门户（环保局网站）等为公众提供良好的环境信息服务，并建立环境信息标准规范体系、环境信息运行管理体系、环境信息安全保障体系，为整个环境信息化系统提供综合保障。系统总体功能架构如下（图2）：

图2 智慧环保总体功能架构

具体地讲，主要包括如下内容：

（1） 建立一体化的业务管理系统

一体化的业务管理系统包括从建设项目审批、建设项目试生产、建设项目验收到排污许可证、排污收费、污染源日常管理、污染源监测、限期整改、限期治理、行政处罚、环保信访、环境质量监测、固体废物转移管理、核与辐射管理等。系统使得污染源从产生开始，自动将相关信息转后续监管部门共享，并且后续的信息自动归聚到同一污染源，随时反映污染源的动态管理状况；同时加强对环境质量数据的管理，并且在污染源排污状况与环境质量状况之间建立

联系，从而达到通过对点源的管理改善宏观环境质量的目标。建立全生命周期的污染源管理机制，实现了污染源从产生到许可、日常管理再到注销的全过程管理。

建立移动执法系统，可以通过移动终端或者笔记本进行现场执法、污染源信息查询、任务管理、执法手册查询、应急信息查询等功能，为执法人员快速执法提供了强有力的支撑。系统的稽查考核功能，可以方便领导随时了解执法人员任务完成情况，并可随时了解执法人员当前的位置，回放执法人员执法轨迹。

（2） 建立环保局数据资源中心

环境数据中心是“智慧环保”整体功能的核心组成部分，通过全面整合环保业务监管数据、监测数据以及环境质量数据，统一管理和使用全局信息资产，有效支持业务发展需要，为局领导及时全面了解环保各项工作提供有力手段，并为战略决策提供数据支持。同时，也为各级管理人员提供有效的分析平台，提高管理水平。

为更有效管理全局信息资源，提高信息利用价值，数据中心以环境资源目录的形式组织并展现覆盖环保业务相关领域的信息资产，以便提供符合用户业务需求的环保信息服务。

（3） 建立基础地理信息平台，实现环保一张图

建立统一的基础地理信息平台，可以提供各类专题图查询（如行政区划图、环境功能区划图、城市总体规划图、污染源分布图等）、空间分析功能（包括点图查询、缓冲区分析、区域分析、流域分析等）以及环境影响评价功能（主要包括各类水、气、声的模型，对水、气的污染物扩散，污染物影响进行分析）。

另外根据环境质量监测结果，结合GIS模型，对环境质量进行综合分析，为环境决策提供技术支持。

（4） 建立应急管理系统

应急管理系统包括应急预防、应急准备、应急响应、应急评估及恢复四个阶段的管理。平时主要维护危险化学品的应急信息及危险源信息，建立环境应急预案管理机制，对各应急机构的队伍建设、应急物资保障进行管理。当突发环境事故发生时，在系统辅助下快速启动应急响应流程，完成接警、调查、任务指派、情况反馈、指挥决策等功能，快速应对与控制事故。

（5） 建立碳排放跟踪管理系统

通过建立碳排放跟踪管理系统，为节能减排和未来碳排放权交易制度打好基础。

（6） 建立排污总量跟踪管理系统

根据国家十二五减排工作的需要，对纳入排污许可证管理的企业，按污染因子对占85%的污染物总量的企业进行实时跟踪，实现浓度和总量的双控管理，为未来排污权有偿使用与交易制度做打好基础。

（7） 建立综合办公系统

通过建立综合办公系统，实现局内行政办公、收发文管理以及固定资产、后勤等，实现电子化办公，提高工作效率。

（8） 建立对外的公众服务平台

公众服务平台主要包括网上环保局、环境信息公开、网上工作平台、移动办公等内容，为企业、公众提供了服务平台和一对一的沟通平台，方便企业、公众办事及查询各类环境信息。

5 我国“智慧环保”体系建设的主要任务

现阶段我国“智慧环保“体系建设的主要任务包括：

（1）支撑“削减总量”，建立污染源监管与总量减排体系

根据“十二五”污染减排管理工作的实际需求，为确保减排污染物数据“查得清、摸得准、核得严”，应结合强化结构减排、细化工程减排、实化监管减排的具体要求，采用信息化技术，应强化污染源监控，完善污染减排信息资源，形成总量减排决策支持能力。具体内容包括：

污染排放全过程监控体系建设：2011年，国务院发布了《国务院关于加强环境保护重点工作的意见》，明确提出要全面提高环境保护监督管理水平的要求。为进一步提高污染源自动监控水平，实现由“点末端监控”向“全过程监控”的转变，需建立健全污染排放全过程监控体系，对污染产生、污染治理过程、污染排放等在线数据进行监测、采集。通过建立相关模型，实现污染治理设施运行状态分析、排放数据真实性判定，同时可将信息实时传输到主管部门的污染源中心端——过程监控系统。系统可扩展，为排污收费、总量核定、排污权交易及其他关联部门的应用提供依据。

总量减排系统建设：为支撑总量减排工作的开展，“十二五”期间，需要建设污染物总量控制管理系统，实现总量统计、COD、SO2、氨氮、NOx排放量核算，核算参数设置，分区管理等功能，为全面掌握总量排放信息，总量减排实施进度提供信息支撑平台，为总量减排措施的采取提供决策依据。建立污染源排放清单数据平台，开发工业污染场地信息管理决策系统。

环境管理综合业务建设：环境管理综合业务包括建设项目管理、排污许可管理、危废及固废管理、行政处罚、环境监察移动执法管理等内容。形成统计分析支撑和业务流程规范化的工作能力是环境管理综合业务体系建的目的。“十二五”期间，应按照“从环境管理业务与环境信息化脱节分离，向环境管理业务和环境信息化有机融合转变；从各业务板块自成系统，向整体推进和业务协同转变”的要求，进一步推进核心环境管理业务的信息化和业务协同。

（2）支撑“改善质量”，建立环境质量监测与评估考核体系

天地一体化的环境应急监控体系：从传统的地面监测向天地一体化的立体监测转变是环境监测的发展的必然趋势。“十二五”期间，应积极响应新的环境质量标准的发布，重视发展卫星遥感等高科技环境监测手段，深化环境监测工作。提高卫星、航空等遥感数据在环境监测领域应用的深度和广度。完善环境遥感监测技术体系，提高水、空气、生态遥感监测能力，初步形成环境监测“天地一体化”格局。

绩效评估体系：为适应环境管理从“总量控制管理”阶段向“质量管理”阶段的转变，需以环境质量为重要依据，建立环境管理评估考核体系。并通过信息系统支撑环境管理的绩效评估，为量化各级环保部门环境管理成效提供信息化支撑。

（3）支撑“防范风险”，建立环境预警与应急体系

近年来，随着我国经济的迅猛发展，生产领域不断拓宽，社会活动强度日益增大，重大环境污染事件频繁发生。我国各级政府高度重视环境应急管理工作，应全面加强环境预警与应急体系建设，提升环境风险防范水平、提高环境预警水平以及提升突发环境事故处理水平。

环境风险源管理系统：以一企一档为核心，建立环境风险源的监控管理系统，对风险企业

的工艺流程、风险物质、人员素质、应急预案等进行信息化管理，在GIS平台上显示风险源周围的敏感点信息、环境风险场状况、交通状况等信息，为应急防范及决策支持提供依据。

环境应急管理系统：从实用化、智能化的角度出发，全面升级环境应急管理系统。健全环境应急管理的风险防范、应急预案、应急响应和恢复评估机制；持续完善环境应急管理系统建设，为环境风险源防范、预测预警、应急响应与指挥调度、事件后评估等提供全面信息化支撑。

核与辐射安全监管系统：根据国家核与辐射安全工作的总体规划，结合核安全管理、辐射管理业务的实际需求，重点建设以核设施安全监管、辐射环境管理为重点的核与辐射安全管理业务子系统，为环境管理和决策提供数据支持。

（4）提升管理决策水平，建立环境信息资源共享与服务体系

信息共享体系建设：为实现“一数一源、一源多用、数据共享”的环境信息化建设目标，需要建立环境数据中心，集成整合来自各种环境业务应用系统中的数据，实现对不同位置、不同格式数据的共享和访问。与此同时，为了能够为环境管理决策提供高质量的综合数据支持，需利用ETL、数据仓库、OLAP等数据处理和加工工具，对数据进行整理、转换、匹配、校验、整合和分析，实现环境数据的共享和综合利用。

信息服务体系建设：为实现环境信息资源化、信息服务规范化目标，需建立信息资源服务平台，为各级领到决策、内部信息共享和公共信息发布三类不同层次的信息服务需求，有针对性的及时、准确、多渠道提供环境信息服务。

6 构建“智慧环保”体系的建议

（1）以标准化为纲，促进系统建设规范化

“智慧环保”体系的建设与发展必须加快制定统一的环境信息标准规范，大力推进标准的贯彻落实。对多年的环境数据进行整合，梳理出明确规范的编码体系和数据规则，再通过对历年业务数据的收集和整理，归纳并建立统一规范的环境数据标准和信息管理体系。各业务系统的建设应遵循统一的标准规范。

各级环保部门的“智慧环保”体系建设应以环境数据中心建设为契机，开展环境信息化地方标准的研制工作。在进行标准体系建设时，要考虑与国家环境信息化标准的结合，并结合地方环境信息化的现状，重点进行数据和管理规范的建设。

（2）以数据流为轴，提高信息资源共享的水平和能力

应严格遵循环境保护行业标准和环境信息化标准，以多维、立体化的思维模式，从数据库架构升级、数据结构改善、数据字典规范化、数据内容核准与筛选4个方面入手，对原有数据库架构和数据结构进行升级改造，确保数据的准确性、唯一性，全力打造出科学完善的数据模型体系，为监测信息化的高级应用提供根本的数据保障和技术支持。

通过数据中心建设，形成各级环保部门的环境信息资源目录体系；推动数据共享机制的建立，构建环境信息资源共建共享技术指引；逐步形成各级环保部门的环境信息统一编码规则和元数据库数据字典。

在数据中心建设过程中，应开展信息资源规划，以污染源全生命周期管理、总量减排等为主线，进行数据的梳理整合，构建全域数据模型。在《环境信息分类与代码》标准的约束下，生成全域数据模型。全域数据模型主要用以指导支撑各级环保部门的环保局各类业务系统数据

模型的设计，逐步深化并持续改进。

（3）以顶层设计为本，破解业务系统建设偏失

将“智慧环保”体系建没涉及的各方面要素作为一个整体进行统筹考虑，在各个局部系统设计和实施之前进行总体架构分析和设计，理清每个建没项目在整体布局中的位置，以及横向和纵向关联关系，提出各分系统之间统一的标准和架构参照。

可引入先进成熟的联邦事业架构（FEA，Federal Enterprise Architecture）、电子政府交互框架（e-GIF，e-Government Interoperability Framework）、面向电子政务应用系统的标准体系架构（SAGA， Standard and Architecture for e-Government Application）等理论框架为指导，对各级环保部门的环保业务系统进行分析，确保“智慧环保”体系方向正确、框架健壮，确保各业务系统边界明确、流程清晰。同时，项目建设不应急于求成，而要按照“再现-优化-创新”三段式发展，循序渐进地推动各项业务应用系统的标准化和规范化，最终达到通过信息技术支持行政管理机制创新和变革的效果。

（4）以流程规范为重，通过整合与重构推进业务协同

传统环境管理方式中的职责不清、工作流程随意性大的是制约环境信息化发展的重要管理因素。“智慧环保”离不开业务流程的优化。某种程度上讲，“智慧环保”伴随的流程再造过程，是变“职能型”为“流程型”模式，超越职能界限的全面的改造工程。如果环境管理业务流程不能事先理顺，不能优化，就盲目进行信息系统的开发，即便一些部门内部的流程可以运转起来，部门间的流程还是无法衔接的。

各级环保部门的的“智慧环保”体系建设，应充分重视业务流程的梳理和规范化的作用，

以标准、规范的工作流程逐渐替代依赖个人经验管理环境事务的方式。一方面对已有的应用系统要进行深入整合，实现重点业务领域的跨部门协同；另一方面随时适应各级环保部门的环保局组织体系的调整，重构一些重大综合应用系统、特别是面向公众的一些社会管理、公共服务的系统，提高公共服务能力和社会化管理水平。

（5）以数据挖掘和模型技术为径，提升综合决策能力

引入先进的模型技术，构建环境模型模拟与预测体系，利用环境信息感知平台获取的数据，为环境管理提供模拟、分析与预测。升级空气质量集成预报系统，形成臭氧和PM2.5的业务预报能力。开发基于地理信息系统的各级环保部门的重要湖库和河流水质综合评价和预警系统。建设污染源排放清单数据平台，实现大气和水污染源数据的动态更新。

通过环境时空数据挖掘分析，开展环境经济形势联合诊断与预警分析，以及基于“社会经济发展—污染减排—环境质量改善”的环境预测模拟，开展环境形势分析与预测，识别经济社会发展中的重大环境问题；开展环境规划政策模拟分析，探索建立各类政策模拟分析模型系统，实现环境税、排污收费、排污权交易、生态补偿、价格补贴等手段对经济社会的影响的预测，开展环境经济政策实施的成本分析；开展环境风险源分类分级评估、环境风险区划等工作，支撑环境风险源分类分级分区管理政策的制定。

7 结束语

“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，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。有关“智慧环保”的概念与内涵仍在不断丰富，其建设模式也在不断探索中。

“智慧环保”的发展主要体现在新型技术支撑手段的应用和面向综合性决策智能化两个方面。一方面，随着新兴的云计算、人工智能、数据挖掘、环境模型等技术的不断发展，“智慧环保”的技术支撑体系正在发生深刻变革。另一方面，随着环境保护工作的不断深入，面向环境管理中的综合性决策需求也日益迫切。如何有效的进行环境形势分析与预测，结合经济社会发展形势与趋势，建立环境经济形势分析指数与预警方法，开发短、中、长期环境预测模型系统，开展环境形势分析与预测，识别经济社会发展中的重大环境问题；如何针对环境目标与方案的不确定性问题，建立多情景方案、模型方法及决策支持平台，开展不同目标可达性及多方案的优选模拟理论与应用研究；如何以投入产出模型、CGE模型、费用效益分析、系统动力学模型等为基础，开展环境政策的模拟分析，对环境政策投入对经济社会和环境的贡献度进行测算分析，是未来“智慧环保”在宏观决策层面关注的重点领域。