智慧环保体系建设与实践

定　　价：116 元

丛书名：数字环保系列丛书

• 作者：姚新等主编
• 出版时间：2014/8/1
• ISBN：9787030413192
• 出 版 社：科学出版社

• 中图法分类：X-12 
• 页码：304
• 纸张：胶版纸
• 版次：1
• 开本：大32开

内容简介

         《智慧环保体系建设与实践》系统地阐述了智慧环保的内涵及发展历程，从智慧环保理论基础、智慧环保核心技术等方面对智慧环保的构成体系进行总体论述。 同时， 在“数据资源中心” 工程建设、“智慧环保空间信息共享服务平台”、“智慧环保业务应用平台”、“智慧环保环境决策支持系统”、“智慧环保标准规范体系” 工程建设、“智慧环保系统集成”、“典型案例” 中全新阐述了智慧环保的理念和技术体系。

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编辑推荐

        《智慧环保体系建设与实践》可以为国家、省、市各级环保部门建立完善的“智慧环保体系”提供参考， 也可以作为环保工作者开展相关系统工程建设的专业工具书使用。

作者介绍

       姚新，中科宇图天下科技有限公司总裁，是3S技术应用及数字环保建设方面的专家。2006年出任在科技部、国家环境保护总局支持下由中国科学院遥感应用研究所、北京师范大学环境学院、中科宇图天下科技有限公司共同成立的数字环保实验室常务副主任，拥有丰富的数字环保实践经验。先后在行业内多个专业刊物上发表重要文章，组织开发了“环境污染事故应急系统”、“放射源监控与管理系统”、“环境地理信息系统”等10多项环保软件产品，获得多项著作权登记证书和一项专利证书，并成功组织实施了多项数字环保建设项目。

目 录

目录
第一章 智慧环保概述 1
第一节 智慧环保的基本概念 1
一、数字环保 1
二、智慧环保 2
三、智慧环保与数字环保概念辨析 2
第二节 智慧环保的总体框架与内涵 3
一、“测得准”的智能多元化环境感知 4
二、“传得快”的高速网络传输 4
三、“搞得清”的智慧信息处理 5
四、“管得好”的智能管理服务 5
第三节 国外信息化建设经验对我国智慧环保建设的启示 6
一、美国 6
二、日本 8
三、德国 9
四、借鉴与启示 9
第四节 我国环境信息化发展现状 11
一、环境信息化发展战略及目标逐步确立 12
二、环境信息化发展的保障条件日益具备 13
三、环境信息化基础网络建设稳步推进 13
四、环保核心业务信息化逐步推进 13
五、环境信息化标准规范体系不断完善 14
六、环境信息与统计能力逐步提高 15
七、环保电子政务建设成效显著 15
第五节 我国发展智慧环保面临的机遇与挑战 16
一、我国智慧环保的发展机遇 16
二、我国智慧环保面临的主要挑战 19
第六节 我国智慧环保的发展策略 21
一、以标准化为纲，促进系统建设规范化 21
二、以数据流为轴，提高信息资源共享的水平和能力 22
三、以顶层设计为本，破解业务系统建设偏失 22
四、以流程规范为重，通过整合与重构推进业务协同 22
五、以数据挖掘和模型技术为径，提升综合决策能力 23
第二章 智慧环保理论基础 24
第一节 面向可持续发展的复合生态系统理论 25
一、可持续发展的含义与原则 25
二、生态系统研究的演变 26
三、复合生态系统的含义 26
四、复合生态系统的特点 27
第二节 智慧地球与地球信息科学理论 30
一、智慧地球概述 30
二、地球信息科学的含义 32
三、地球信息科学的产生 32
四、地球信息科学的研究内容 33
五、地球信息科学的应用 34
第三节 互联网进化论 34
一、互联网进化论的含义 34
二、互联网进化论的基本原理 34
三、互联网进化论的九个规律 36
第四节 “大数据”理论 37
一、大数据的含义 37
二、大数据的产生 38
三、大数据的挑战 39
第五节 普适计算理论 43
一、普适计算的含义 43
二、普适计算的发展 44
三、普适计算的特点 45
四、普适计算面临的挑战 45
第三章 智慧环保核心技术 47
第一节 物联网技术 47
一、物联网概述 47
二、物联网关键技术 48
第二节 泛在网与网络融合技术 52
一、泛在网概述 52
二、泛在融合网络下的业务技术研究 54
三、泛在网在环保行业的应用 57
第三节 云计算技术 57
一、云计算概述 57
二、云计算的关键技术 60
三、云计算与相关计算形式 61
四、云计算的应用 62
第四节 面向大数据的数据挖掘技术 63
一、数据挖掘的定义 63
二、数据挖掘国内外研究现状 63
三、数据挖掘的对象 65
四、数据挖掘流程 65
五、数据挖掘存在的问题 66
六、数据挖掘的发展展望 67
第五节 人工智能技术 68
一、人工智能的定义 68
二、人工智能国内外研究现状 69
三、人工智能的研究目标与表现形式 71
四、人工智能的应用现状 72
五、人工智能的发展前景 72
第六节 环境模型模拟技术 73
一、水质模型 73
二、空气质量模型 95
第四章 智慧环保物联网感知和传输体系建设 106
第一节 环保物联网概念 106
第二节 环保物联网感知与传输层建设内容 107
一、智慧环保物联网感知层建设 107
二、智慧环保物联网传输层建设 116
第三节 环保物联网应用特点 121
一、建设和应用的高复杂性与高难度 121
二、对信息资源整合共享提出高要求 121
三、对传感器设备与技术提出挑战 121
四、需要政企共同投入、社会各方共同参与 122
第五章 智慧环保数据资源中心工程建设 123
第一节 环保数据资源中心概述 123
一、环境数据中心的定义 123
二、环境数据资源中心发展现状 124
第二节 数据资源中心建设目标和内容 125
一、建设目标 125
二、建设内容 126
第三节 关键技术与发展展望 128
一、技术要求 128
二、关键技术 128
第四节 发展展望 132
第六章 智慧环保空间信息共享服务平台 133
第一节 空间信息共享服务平台概述 133
第二节 关键技术问题 137
第三节 未来展望 137
第七章 智慧环保业务应用平台工程建设 139
第一节 环境管理业务应用概述 139
一、环境管理部门职责概述 139
二、环境管理信息化建设概述 143
第二节 业务应用平台建设目标与内容 146
一、业务应用平台建设目标 146
二、业务应用平台建设内容 147
第三节 业务应用平台建设关键问题 164
一、污染源监管与总量减排体系 164
二、环境质量监测与评估考核体系 166
三、环境风险预警与应急体系 166
第四节 业务应用平台建设展望 167
第八章 智慧环保环境决策支持系统工程建设 168
第一节 决策支持系统概述 168
一、决策支持系统的概念 168
二、决策支持系统的结构 169
三、决策支持系统的类型 170
四、决策支持系统的发展趋势 174
第二节 环境决策支持系统概述 176
一、环境决策支持系统定义 176
二、环境决策支持系统结构 176
三、环境决策支持系统面临的挑战 176
第三节 环境决策支持系统研究进展 178
一、水环境规划与管理 178
二、大气环境质量管理 179
三、污染场地管理决策支持系统 180
四、突发环境事件应急管理 181
五、其他环境决策支持系统 184
第四节 环境决策支持系统的设计 184
一、系统的开发方式的选择 184
二、系统的基本功能的设计 185
三、系统的开放接口的设计 185
四、开发EDSS的关键技术 185
第九章 智慧环保标准规范体系工程建设 193
第一节 环境数据信息标准规范体系 193
一、发展历程 193
二、制定方法与原则 194
三、标准体系架构 194
四、标准建设现状 196
第二节 环境数据信息运营管理体系 202
一、运行维护的原则 203
二、运营维护工作内容 204
三、ITIL国际标准介绍 205
四、运营维护制度规范 206
五、运营维护工作流程 207
第三节 环境数据信息安全保障体系 207
一、安全保障体系技术要求 207
二、信息系统安全等级划分 208
三、安全技术体系 208
四、安全管理体系 208
第十章 智慧环保系统集成 210
第一节 系统集成概述 210
第二节 硬件集成 211
一、仪器设备控制集成 211
二、网络集成 212
第三节 软件集成 213
一、集成层次 213
二、集成接口 214
三、数据集成 215
四、流程集成 217
五、应用集成 218
第十一章 智慧环保典型案例 220
第一节 四川省环境信息化“十二五”规划 220
一、系统概述 220
二、建设目标 223
三、建设内容 224
四、系统特色 227
五、实施效果 228
第二节 北京市智慧环保顶层设计 230
一、项目概述 230
二、建设目标 230
三、建设内容 231
四、案例特色 246
五、实施效果 247
第三节 河北省环境监控云平台建设规划 247
一、项目概述 247
二、建设目标 248
三、建设内容 248
四、项目特色 264
五、实施效果 264
第四节 广州亚运会空气质量数值预测预报系统 265
一、系统概述 265
二、建设目标 265
三、建设内容 266
四、系统特色 278
五、实施效果 278
参考文献 279
附录一 289
附录二 290

文 摘

第一章　智慧环保概述
第一节　智慧环保的基本概念
经过多年的努力.我国环境质量局部有所改善.但是全国环境总体恶化趋势没有得到根本遏制.生态环境现状离人民群众的要求相差甚远.环境保护的压力相当沉重.未来一段时期.我国仍处于能源资源消耗高增长期和环境污染高风险期.控制污染物总量、改善环境质量、防范环境风险.着力解决影响人民群众健康的突出环境问题仍是环境保护的重点工作.随着环境问题越来越复杂.环境任务越来越重.环境监管难度越来越大.要完成污染减排任务.保护生态环境.提高环境质量.有效防范各类环境突发事件.确保环境安全.维护社会稳定.就必须转变工作方式.打破传统的环境监管模式.因而.需要运用现代科技信息手段创新管理.打造 “智慧环保 ”利器.达到更透彻的感知、更全面的互通互联、更深入的智能化.更智慧的决策支持.创新环保工作新模式.全面提高环境监管工作效能.
为了充分发挥数字技术在环保领域中的巨大作用.“数字环保 ”的理念应运而生.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 ”转变.从而革命性地推动环境保护事业的历史性转变.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.
一、数字环保 
“数字环保 ”是近年来在数字地球、地理信息系统、全球定位系统、环境管理与决策支持系统等技术的基础上衍生的大型系统工程.“数字环保 ”可以理解为以环保为核心.由基础应用、延伸应用、高级应用和战略应用的多层环保监控管理平台集成.将信息、网络、自动控制、通信等高科技应用到全球、国家、省级、地市级等各层次的环保领域中.进行数据汇集、信息处理、决策支持、信息共享等服务.实现环保的数字化.
为了将 “数字环保 ”更好地应用于环保产业的发展.需要在 “数字环保 ” 概念的基础上.建立包括环境数据中心、环境地理信息系统、环境监管信息集成系统、环境在线监控系统、环境应急管理系统、移动执法系统等在内的一系列数字环保整体解决方案.并针对环保部、省级环保厅 (局)、地市级环保局及企业提出不同的业务框架.利用ＩＴ技术.集ＧＰＳ、ＲＳ、ＧＩＳ于一体.建立适合环境保护领域应用的综合多功能型的遥感信息技术.对环保的数据要求和业务要求进行深入挖掘和整理.实现对环保业务的严密整合和深度支持.解决 “数字环保 ”领域所面临的环境质量监测管理、污染防治管理、核与辐射监测管理、突发环境事件应急管理等环境问题.从而提高我国的环保信息化水平和监管执法水平.
二、智慧环保
２００９年初.ＩＢＭ提出了 “智慧地球 ”的概念.美国总统奥巴马将 “智慧地球”上升为美国国家战略.“智慧地球 ”的核心是以一种更智慧的方法.通过利用新一代信息技术来改变政府、企业和人们相互交互的方式.以便提高交互的明确性、效率、灵活性和响应速度.实现信息基础架构与基础设施的完美结合.随着 “智慧地球 ”概念的提出.在环保领域中如何充分利用各种信息通信技术.才能感知、分析、整合各类环保信息.并对各种需求做出智能的响应.使决策更加切合环境发展的需要.“智慧环保 ”概念应运而生. 
“智慧环保 ”是在原有 “数字环保 ”的基础上.借助物联网技术.把感应器和装备嵌入到各种环境监控对象 (物体 )中.通过超级计算机和云计算将环保领域的物联网整合起来.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 ”是 “数字环保 ”概念的延伸和拓展.是信息技术进步的必然趋势. 
“智慧环保 ”的总体架构包括感知层、传输层、智慧层和服务层.感知层是利用任何可以随时随地感知、测量、捕获和传递信息的设备、系统或流程.实现对环境质量、污染源、生态、辐射等环境因素的更透彻感知.传输层即利用环保专网、运营商网络.结合３Ｇ、卫星通信等技术.将个人电子设备、组织和政府信息系统中存储的环境信息进行交互和共享.实现更全面的互联互通.智慧层是以云计算、虚拟化和高性能计算等技术手段整合和分析海量的环境信息.实现海量存储、实时处理、深度挖掘和模型分析.实现更深入的智能化.服务层则是建立面向对象的业务应用系统和信息服务门户.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、智慧环保与数字环保概念辨析 
“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)
环境管理决策的侧重点 :“数字环保 ”强调和数据的采集的自动化、综合办公的无纸化.以及业务管理的信息化.而 “智慧环保 ”进一步拓展了传统环境信息数据采集的广度和深度.注重数据挖掘和环境模型技术的应用.在满足环境业务信息化的基础上.可科学指导环境管理的定量化宏观决策.


要实现从 “数字环保 ”到 “智慧环保 ”的跨越.关键是要在原有 “数字环保”的基础上.重点加强感知层与智慧层的建设 :一是利用物联网技术.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.
数字环保向智慧环保的转变将会不可避免地影响环保产业服务模式和服务产品的转变.服务模式从传统的产品供给模式向云服务模式转变.从提供单一产品到提供多元的环保产品.如数据采集、传输、处理等相关软硬件产品以及空气质量评估、生态环境评估等应用系统.为广大普通用户和企业提供环境保护信息.例如环境检测设备从简单的采集检测向集采集、传输与智能化处理一体化的功能产品转变.环境应用系统也会更加注重与专业模型的结合.提供综合性决策服务等.
实现 “智慧环保 ”的价值将体现在以下几个方面 :一是提高工作效率.二是促进环保工作规范化、标准化与自动化.三是促进数据资源共享、系统整合.避免重复建设与形成 “信息孤岛”.实现环境信息资源的管理与高效应用.四是有利于实现 “环境质量及其变化说得清、污染源排放情况说得清、环境风险说得清”.提高环境监管与应急防范能力.五是提高综合决策能力.
总体而言.从数字环保到智慧环保实现了从数据的采集与管理向数据挖掘转变.从数字技术应用向智能综合决策服务转变.从传统的环境信息化向环境信息应用服务智能化转变.
第二节　智慧环保的总体框架与内涵 
“智慧环保 ”将以环境信息的全面高效感知为基础.以信息安全及时传输和 深入智能处理为手段.紧紧围绕 “说清 ”与 “管好”.实现环境保护业务协同化、管理现代化、决策科学化.为我国环境保护可持续发展战略目标做出贡献.对生态文明和美丽中国建设具有深刻的意义.“智慧环保 ”总体架构见图１￣１.

图１￣１　 “智慧环保 ”总体架构 
“智慧环保 ”是物联网和云计算技术与环境信息化相结合的产物.是物联网技术在环境保护这一特定领域的应用.其技术应用与传统的物联网既有共同点又有特殊之处.其技术架构可以拓展为４层:感知层、传输层、智慧层和服务层.
一、“测得准 ”的智能多元化环境感知 
“测得准 ”的智能多元化环境感知是指利用传感器、多跳自组织传感器网络以及任何可以随时随地感知、测量、捕获和传递信息的设备、系统或流程.实现对环境质量、污染源、生态、辐射等环境因素的 “更透彻的感知”.主要包括数据采集、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、射频识别(ＲＦＩＤ)技术、卫星遥感技术、全球定位系统、地理信息系统以及无线传感器网络技术为代表.
二、“传得快 ”的高速网络传输 
“传得快 ”的高速网络传输是指利用环保专网、电子政务网、运营商网络及卫星通信网络.将个人、企业、社团组织和环境监测与管理信息系统中储存的环 
境信息进行交互和共享.实现 “更全面的互联互通”.需要利用异构的网络接入技术和基础核心网络技术.包括基础ＮＧＮ (下一代网络.ｎｅｘｔｇｅｎｅｒｅｒａｔｉｏｎｎｅｔｗｏｒｋ)核心网和ＦＴＴＨ (光纤到户.ｆｉｂｅｒｔｏｔｈｅｈｏｍｅ)、３Ｇ、Ｗｉ￣Ｆｉ、蓝牙、Ｚｉｇｂｅｅ (紫蜂宽带)、ＵＷＢ (超宽带.ｕｌｔｒａｗｉｄｅｂａｎｄ)等接入技术.
三、“搞得清 ”的智慧信息处理 
“搞得清 ”的智慧信息处理以云计算、虚拟化和高性能计算等技术手段和科学的环境分析模型.整合和分析多维度海量的跨地域、跨行业的环境信息.实现海量数据存储、实时处理、深度挖掘和模型分析.实现 “更深入的智能化”.
面向多维海量环保信息.建设先进的高性能计算和海量数据存储支撑平台.在专家并行处理系统、环保数据挖掘和地理信息技术应用方面.将提供可靠高效的高性能智能计算支撑环境.在这个功能强大的计算平台上.通过数据挖掘和分析工具、集成环保专家知识、结合环保理论模型和环保专家经验模型.对大量实时和历史数据的挖掘、评测与关联性分析.深度获取和积累相关环保知识 (如蓝藻成因分析).更广泛地掌握其中的科学规律.全面提升分析决策的智慧化程度.包括准确判断环境状况和变化趋势 (如蓝藻暴发).对环保危急事件进行预警、态势分析、应急联动提供准确的分析.掌握水、气、土壤等多相生态环境变迁和关联性的规律.对完善环境法律、法规体系、环保行业监测规程和技术标准、环保发展战略的规划等提供充分的科学依据.
智能信息处理不仅可以为面向服务的信息管理平台建设提供强有力的知识决策支持.也可以支持感知层的分布式信息融合.为前端的感知提供精准化、智慧化的科学依据.此外.智能信息处理还可以基于智能数据可视化技术.进一步提升数据显示和表达中的智慧化程度.可将各类型传感器感知到的基础数据以图形方式直观表达.并对这些图元数据作可视分析.从而能够让各个层面的用户直观认识和理解这些感知数据.实现辅助决策的目的.
四、“管得好 ”的智能管理服务 
“管得好 ”的智能管理服务是指利用云服务模式.建立面向对象的业务应用系统和信息服务门户.向社会公众发布环境信息.方便公众参与污染治理与监督.为环境保护科学研究提供全面的科学数据.为节能减排、污染防治、生态保护、核与辐射管理等环保业务提供 “更智慧的决策”.
在管理中心统一的平台上根据环保局管理工作和相关业务的需求.按照环保数据规范.建设监测中心、监控执法中心、数据交换与共享中心、应急指挥中心、办公中心等管理分中心.形成内外结合的、高度可视化的综合管理服务系统 平台.为各业务部门、管理决策部门、环保专家、行政执法人员、企业、公众和其他应用部门提供智能化、可视化的环保信息管理应用和综合服务平台.
通过项目的建设.“感知环境.智慧环保 ”工程将在环保监控物联网技术规程、环保信息化服务流程、环保数据管理机制和新一代环保信息系统应用细则等方面形成国家级的标准示范.在未来环保行业标准、政策法规、发展战略的中长期规划中发挥引领作用.