智慧城市智慧环保建设方案发展规划.docx
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智慧城市智慧环保建设方案发展规划
导读:
智慧城市是什么？
为什么要建智慧城市？
一、智慧城市是什么?
"智慧城市"理念问世以来，国内外相关企业、研究机构和专家，纷纷对其进行了定义和研究。
归纳起来，主要集中于以下三点：
第一，智慧城市建设必然以信息技术应用为主线。
智慧城市可以被认为是城市信息化的高级阶段，必然涉及到信息技术的创新应用，而信息技术是以物联网、云计算、移动互联和大数据等新兴热点技术为核心和代表。
第二，智慧城市是一个复杂的，相互作用的系统。
在这个系统中，信息技术与其它资源要素优化配置并共同发生作用，促使城市更加智慧的运行。
第三，智慧城市是城市发展的新兴模式。
智慧城市的服务对象面向城市主体——政府、企业和个人，它的结果是城市生产、生活方式的变革、提升和完善，终极表现为人类拥有更美好的城市生活。
综上所述，智慧城市的本质在于信息化与城市化的高度融合，是城市信息化向更高阶段发展的表现。
智慧城市将成为一个城市的整体发展战略，作为经济转型、产业升级、城市提升的新引擎，达到提高民众生活幸福感、企业经济竞争力、城市可持续发展的目的，体现了更高的城市发展理念和创新精神。
二、智慧城市的4个特征
基于云计算、物联网、移动互联网、大数据等基础信息架构，不间断地通过信息终端和信息服务，信息需求者可按需随时获取，从而增强环境的友好性，提高城市管理的效率和科学性。
融合
智慧城市的本质是融合，以信息融合为基础的城市运行系统之间的交融协作，从而达成有效的服务和管理。
以人为本
以人为本是智慧城市建设的精髓，智慧城市核心是构筑面向市民的泛在的、机会均等的城市服务。
优化资源配置
通过信息技术与其它资源要素优化配置并共同发生作用，从而减少城市的资源消耗和浪费。
三、智慧城市建设的目的是什么
1、各国纷纷启动智慧城市建设项目
发达国家纷纷完善基础设施建设的同时，新兴国家也都在力争一步到位构建最高端的智慧城市基础设施。
美国、欧洲自不必说，中国、印度、韩国、新加坡等亚洲国家，还有澳大利亚、非洲、南美等地，纷纷致力于研究智能电网下的可再生能源的大规模开发，同时不断启动涵盖电动汽车、节能建筑等高端低碳环保基础设施的智慧城市建设项目，项目数量已经达到三、四百个。
智慧城市项目工程建设金额庞大。
据日本野村综合研究所预测，仅美国、欧洲、日本的智能电网建设在2030年前就需累计投资100万亿日元（约6万亿元人民币）。
而美国博斯公司（Booz&Company）预测，全世界的智慧城市基础设施建设投资额在2030年前最少将增至41万亿美元（约254万亿元人民币）。
由于所涉金额庞大，甚至很多人都认为难以预测具体规模。
2、智慧城市建设目标各不相同
近几年，智慧城市建设在世界各地火热开工。
但是，各国的建设目的、方式方法各不相同。
让我们看一看美国、欧洲、韩国以及日本的智慧城市建设思路。
（一）美国：
培育新兴产业
美国的目的，用一句话说是培育新兴产业。
美国政府计划免费向每个家庭配发智能电表，通过信息通信技术，解决日益老化的电力系统问题。
这一举措并非仅为发展智能电网及智能电表，基于智能电表这一基础设施，培育更多新兴服务才是最终目的。
就像美国互联网平台架构完善后，很快诞生了Google等巨头互联网服务公司一样，美国同样希望充分挖掘智能电表的作用，创造能源领域的无数新商业机会。
（二）欧洲：
节能减排
欧盟计划制定2013年后的后京都议定书框架协议，以强化气候问题的应对对策，并提出2020年实现所谓的“20/20/20by2020”长期战略目标。
旨在2020年相对于1990年，实现温室气体减排20%、将可再生能源的使用比率提高20%、节能20%。
为了实现这三个20%目标，欧盟在各大城市推广了竞争模式。
各大城市纷纷启动智慧城市建设示范项目，最具效果的示范项目将获得在欧洲各国间推广的大力扶持。
（三）韩国：
基础设施出口
韩国的目的是“基础设施出口”。
人口较少的韩国向来谋求产业出口的各种机会。
备受关注的“济州岛项目”就是以韩国企业为主，计划将整个岛屿建设成智慧城市，目的是向海外推广建设模式，承揽建设工程。
建成后的济州岛智慧城市，主要作用亦将成为一个面向海外市场的展示窗口。
（四）日本：
四个主题
在世界范围内陆续启动的巨大智慧城市建设市场面前，日本认为，如不尽快发展，在智慧城市基础设施建设领域，将输给欧美企业。
为此，日本启动的建设项目较多，涉及面较广。
主题涵盖“新能源汽车”、“智能电网”、“智能家庭”、“节能环保”等广泛领域。
3、启示
2013年1月和8月，住建部先后公布了两批共193个智慧城市试点名单，掀起了中国智慧城市建设高潮，智慧城市相关的展会、论坛此起彼伏。
实际上，在住建部试点工作开展之前，工信部2012年就启动了智慧城市试点（浙江省、常州市、扬州市），主要以电信运营商为主体，开展相关技术研发、无线通信、运营服务等工作。
虽然都称为智慧城市，但住建部与工信部侧重点有所不同，工信部是从信息技术角度来抓，更强调工业化和信息化的两化深度融合以及七大国家战略新兴产业在智慧城市载体上的落地。
随着我国城镇化进入高速发展时期，目前，每年都有1500万人口从农村涌入城市，相当于每年要诞生一个北京规模城市的需求。
为此，住建部则是从城镇化角度来抓，突出城市建设和管理运营，定位于新型城镇化的落地，主要目的在于解决涌入城市人口的就业与住房问题。
智慧城市的本质在于信息化与城市化的高度融合，是城市信息化向更高阶段发展的表现。
3月16日发布的《国家新型城镇化规划（2014-2020年）》将在未来一段时期指导全国城镇化发展的顶层设计，其中提到推进智慧城市建设，统筹城市发展的物质资源、信息资源和智力资源利用，推动物联网、云计算、大数据等新一代信息技术创新应用，实现与城市经济社会发展深度融合。
美国的培育新兴产业、欧洲的节能减排、日本的多元化发展等等都为我国的智慧城市建设提供了新的思路、新的启发。
智慧城市的建设可以从解决住房问题出发，延伸到其他领域，从而带动产业发展、经济增长、社会进步。
同时，毫无疑问，智慧城市建设的工程项目金额庞大，是一个巨大的市场，我们也应参考韩国的“出口”做法，在国际上加强对已建成或在建中智慧城市的宣传工作，就像中国高铁一样，争取将中国的建设模式向其他发展中国家推广，开拓更多的国际市场，进一步提升国际影响力。
智慧城市建设方案
第五部分智慧环保建设方案
智慧环保云方案
一、背景及意义
目前环保局已经拥有包括“阳光政务系统”、“12369投诉系统”、“排污申报收费系统”、“污染应急指挥控制系统”、“机动车排气监测系统”、“污染源在线监测系统”、“环境空气质量监测系统”、“危险固体废弃物管理系统”、“核与辐射管理系统”在内的多套业务系统，可进行业务审批、意见收集、任务指派、排污申报与收费等各项业务功能。
存在的问题主要是这些系统各自为政，数据无法有效共享与集成，导致同类数据在不同系统中存在冗余和不一致问题，同时这些系统间缺乏统一的数据管理模式，导致数据保存不规范、不完整。
这些数据的冗余、不一致和缺失使得在日常业务工作中，虽然各系统能发挥自己的做用，处理各自业务功能，但各系统中的数据无法进行有效融合，不能支持全局的数据应用、处理和分析功能，导致出现明明有数据可是却无法找到，无法使用的局面。
通过本次项目研究，一方面利用信息网格技术，动态集成现有系统的业务数据，打破各系统间隔阂，解决环保局范围内各系统的数据集成问题，实现全局范围的数据共享、分析与使用。
另一方面，利用云存储和云计算技术，打造一个具有高容量、高可维护性、高性价比、高容错的云平台，支撑海量信息的存储和处理。
二、目标与内容
2.1项目目标
本次课题的研究目标是建立一个集成环保局范围内各在用系统的平台，该平台集成各种环保相关的信息系统的数据库数据、用户投诉数据，以及来至传感器的各种声、光、气、水、温数据。
该平台能在对信息进行分析处理的情况下，利用网络服务器通过电脑、智能手机、平板设备等移动终端提供包括企业信息查询、污染应急指挥控制、污染源在线监控等各类服务，可以形成对信息的全面掌握、实时监测、智能分析、历史积累。
2.2主要研发内容
（1）现有信息系统的数据集成
对在用的业务系统进行分析，明确需要集成的数据，以及数据间的相互关系后，制定一个统一的数据格式，然后采用信息网格技术实现数据的抽取与集成。
（2）基于物联网技术的信息自动采集与分析
利用各类传感器实现环境监测中各种声、光、气、水、温数据的自动采集，并导入到用的分析系统中进行数据分析。
（3）基于云存储的中心数据库的建设
在集成业务系统数据和环境监测信息的基础上建设一个基于云存储的、可扩展，具有统一规范数据格式的中心数据库，将各业务系统核心数据抽取到中心数据库进行存储，确保信息的完整和安全可靠。
（4）基于云计算与语义技术的环保数据处理和分析方法
利用云计算平台的强大处理能力，结合语义技术进行数据的处理和挖掘，将数据转换为信息；
（5）智慧环保云平台的建立
在中心数据库上开发建立包括企业信息全寿命管理（即从企业登记开始到企业注销的全程信息管理）、数据精确分析、处置决策、趋势分析等在内的应用，并为其它系统预留数据调用接口，最终建成一个涵盖在用系统数据，支持全局信息管理分析与应用的“智慧环保”系统。
三、思路与方法
3.1总体技术路线
总体技术路线如图1所示。
可分为三个方面开展。
图1“智慧环保云”实施技术路线图
3.1.1业务系统的分析
（1）对在用业务系统的关键流程、关键业务数据、数据间逻辑关系进行分析，确定需要集成的数据为数据集成和建立中心数据库做准备
（2）利用信息网格技术实现关键业务数据进行按需提取。
（3）对来自各业务系统的数据进行集成，建立一个面向环保系统的业务数据库。
（4）将传感器数据与业务数据结合，建立中心数据库。
（5）在中心数据库的数据支持下，利用云计算与语义技术进行数据分析，为业务处理、决策提供信息支持。
（6）在中心数据库上开发建立包括企业信息全寿命管理（即从企业登记开始到企业注销的全程信息管理）、数据精确分析、处置决策、趋势分析等在内的应用，并为其它系统预留数据调用接口。
（7）完成“智慧环保云”的部署工作。
3.1.2云存储平台搭建
通过采购存储硬件，在现有的云存储软件的基础上，搭建一套大容量的云存储系统，该系统用于保存业务数据已经运行业务处理平台。
3.1.3传感器数据分析与处理
了解目前在用的传感器类型，确定信息接收和分析处理的方法，将传感器数据集成进系统中。
3.2总体技术架构
系统包括三个部分：
数据层，中心数据库层及应用层，系统整体架构如图2所示
图2系统体系结构
（1）数据层
数据层有各业务系统中的关键性业务数据和各类传感器采集的数据组成，它们为整个“智慧环保”系统提供数据来源。
（2）中心数据库层
中心数据库层由一个基于云存储的综合数据库构成，在这里对来至数据层的各类数据进行汇总、处理、集成与管理，确保数据的唯一性和确定性，并为上层应用提供数据支持。
（3）应用层
应用层包含各类基于全局数据的应用，包括：
企业信息的全寿命管理、数据的精确分析、城市物量统计、辅助决策等同时提供一个数据接口，可为其它系统提供按需的数据服务。
四、进度安排
序号
阶段
工作内容
起止日期
阶段成果形式
1
可行性调研阶段
该阶段主要进行项目的可行性论证，熟悉现有业务系统、理清各系统间关系、进一步明确“智慧环保”系统应具备的功能，同时进行技术可行性分析。
结合调研结果，撰写项目可行性报告
2
业务系统分析阶段
找出关键业务流程和关键业务数据，确定需要集成的数据、确定数据的格式和相互间逻辑关系
完成业务系统分析，形成中心数据库数据字典，完成项目的概要设计。
2
传感器数据分析与处理阶段
理清需要处理的传感器数据、了解数据处理方式并将其整合到项目中
完成传感器的数据分析工作，针对每类传感器数据出具分析报告，包括数据类型、采集方式、数据保存格式等信息。
2
云存储平台建设阶段
主要进行硬件设计与采购，搭建存储的软硬件平台
完成具有海量存储能力的云存储平台。
3
数据提取与集成阶段
利用网格技术，开发适用与环保系统的信息集成中间件完成数据的集成工作。
开发信息系统中间件软件
4
中心数据库的建立
结合存储硬件平台，数据字典、传感器数据，建立一套中心数据库，将业务数据、传感器数据统一提取保存在中心数据库中
系统中心数据库的建立
5
业务处理平台建设阶段
根据业务需要，开发基于中心数据库的业务处理平台，形成包括企业信息全寿命管理（即从企业登记开始到企业注销的全程信息管理）、数据精确分析、处置决策、趋势分析等应用在内的业务处理平台
研发一套业务处理平台
6
“智慧环保云”的部署与推广
完成“智慧环保云”的部署工作，提供项目的详细设计、数据库字典、用户手册、维护手册。
部署系统，提供目的详细设计、数据库字典、用户手册、维护手册。
五、成果及效益
预期成果为是一个集成各种系统的平台，通过网络服务器提供各种信息服务。
集成各种环保相关的信息系统，输入是各种声、光、气、水、温等传感器的数据，各种数据库数据，及用户投诉数据，输出是各种信息服务，通过电脑、移动终端等提供服务。
可以形成全面掌握、实时监测、智能分析、历史积累等能力。
依靠云计算、物联网和信息网格技术，构建“智慧环保云”，做第一家“说得清”的环保管理者，依靠先进技术提升管理水平，在全国做出优质示范。
全面掌握：
对各种来源数据进行汇聚，原来散落在不同系统、描述不同内容的局部数据发挥整体作用。
精确分析：
可以以某个企业、某个区域、某个时段等作为分析对象，依靠数据的相互印证和补充而实现精确分析。
及时预警：
各种物联网传感器、接入系统和人工测量的结果的自动综合可以及时发现环境危险信号，将危险消灭在萌芽状态中。
长效管理：
依靠云计算平台的海量存储能力，不断积累历史数据，可以对监测对象和整体环境趋势进行长期的跟踪和分析。
PM2.5云监测系统前端方案
1．概述
南京云创存储的PM2.5云监测方案，是基于PM2.5测试的辅助测试。
主要是反映局部区域的相关参考值，从而和宏观上反映城市的整体的空气质量的监测站点的监测方式形成互补。
1.1背景
目前许多城市的环境监测中心站点较少，分布分散，环境监测的数据仅从宏观上反映城市的整体的空气质量，但是不能从微观上反映局部区域、特定区域的空气质量的好坏，这就需要建设更多的环境监测站点，提供更多的实时的环境监测数据。
国外一套PM2.5环境监测系统价格在10万美金，国产价格在10-50万人民币，价格昂贵。
建设更多的环境监测站点需要巨大的资金投入，成本太高。
云创存储的PM2.5云监测系统价格大约在1万人民币，非常廉价，能够解决资金投入问题，同时满足一定的测量精度，和现有的空气环境自动监测系统形成互补，为环保部门服务。
目前350米以下都有颗粒污染物，污染程度比较严重，加之信息化工作处于低端水平，以及公众对于PM2.5的关注度不断提升，使得PM2.5的监测重要性日益突出。
廉价的PM2.5环境监测系统与目前的传统监测站点的监测方式形成互补，满足公众环境需求，提升政府形象。
1.2意义
部署廉价的PM2.5环境监测系统，配合城市现有的环境监测站点，准确、及时、全面地反映环境质量现状及发展趋势，为环境管理、污染源控制、环境规划等提供科学依据，并结合天气状况、城市交通、人口密度、工业产值等元素，进行系统的研究，为保护环境，改善城市的大气环境质量改善起到技术支撑作用。
具体可归纳为:
（1）根据环境质量标准，评价环境质量。
（2）根据污染分布情况，追踪寻找污染源，为实现监督管理、控制污染提供依据。
（3）构建云计算海量数据处理平台，存储本区域海量数据，积累长期监测资料，为研究环境容量、实施总量控制、目标管理、预测预报环境质量提供数据。
（4）为保护人类健康、保护环境、合理使用自然资源、制订环境法规、标准、规划等服务。
2．设计
2.1系统架构
2.1.1总体架构
前端设备采集到相关的信息，通过GPRS进行无线数据传输，在有公网IP的服务器上进行数据接收和初步的处理，然后数据存入数据立方进行存储和计算，并且通过WEB服务器进行数据的最后处理和公布。
具体的架构详见图1。
图1PM2.5云监控平台架构
PM2.5前端设备主要是由电源模块、采集模块和通信模块组成，前端内部架构具体详见图1。
实际的PM2.5监测设备详见图2。
图2前端设备的架构
图3前端设备实物图
2.1.2部署方式
在城市的不同区域布局并有效使用PM2.5的监测系统，从而能够比较全面地掌握城市不同区域，在不同时间段、不同气候特点（包括气温、风向、季节）下的PM2.5的实时监测数据。
PM2.5环境监测系统环境数据采集设备采用先进的传感器、低功耗单片机技术和网络通讯技术相结合，可提供方便的数据查询方式，直接通过浏览器可以直接访问测试数据。
目前环境监测站的监测设备一般部署在离地面高度20m-25m之间，而云创存储的PM2.5环境监测系统环境监测设备根据实际的情况来进行部署。
设备小巧，部署方式灵活，可以部署在电线杆等公共设施上。
详细见图4。
图4部署在电线杆上前端设备
2.2传感器
根据如下的需求：
1）辅助测试PM2.5值，测试不需要太高的精度，主要是用来辅助PM2.5测试曲线；
2）超低低成本的需求；
选择的传感器详见图5。
图5DSM501颗粒传感器
传感器的特点：
PWM脉宽调制输出
采用粒子计数原理
可灵敏检测直径1微米以上的粒子
内置加热器可实现自动吸入空气
小尺寸重量轻
易安装使用
传感器的原理结构图详见图6.
图6传感器的原理结构图
模块内置一个加热器，热引起上升气流使外部空气流进模块内部。
空气通过检测通道，利用光的原理、通过光和透镜以及处理模块来进行检测。
具体的检测方法和通道如图7所示。
图7传感器的检测
另外，传感器的透镜需要视环境状况隔一段时间进行清洁，约6个月一次。
清洁时用棉签一头醮清水轻擦，然后用另一头擦干。
不可以用酒精等有机溶剂擦拭透镜。
2.3计算
通过传感器的检测颗粒，输出相关的PWM波，低电平的波形width是10ms-90ms，利用这个PWM波形来进行获取相关的参数，详见图8。
通过获取低电平的占空比，从而通过图9获取到对应的数值。
图8传感器的采样
图9传感器采样的曲线图
通过如下的计算，可以得到其中一个通道的采样值。
通道的LOWPluse的占空比设定为L，测试的采样值为P。
则：
如果获取到的L<0.08，则：
P=0.1*L*100*10（ug/m3）;
如果获取到的0.08=P=（（（L*100–8）/6.5+0.8））*10（ug/m3）;
通过相关的采样，可以采样得到传感器的两个通道的值，一个通道是1um以上的粒子的值P1，另外一个通道是可以进行设置的，这里设置为可以检测2.5以上的粒子的值P2。
PM2.5是指大气中直径小于或等于2.5微米的颗粒物，也称为可入肺颗粒物（暂无标准中文名）。
所以在这里要计算最终的采样值PL，需要进行如下的计算：
PL=P1-P2;
这里就可以计算出大气中直径小于或等于2.5微米的颗粒物。
2.4采集部分
虽然肉眼看不见空气中的颗粒物，但是颗粒物却能降低空气的能见度，使蓝天消失，天空变成灰蒙蒙的一片，这种天气就是灰霾天。
根据《2010年灰霾试点监测报告》，在灰霾天，PM2.5的浓度明显比平时高，PM2.5的浓度越高，能见度就越低。
虽然空气中不同大小的颗粒物均能降低能见度，不过相比于粗颗粒物，更为细小的PM2.5降低能见度的能力更强。
能见度的降低其本质上是可见光的传播受到阻碍。
当颗粒物的直径和可见光的波长接近的时候，颗粒对光的散射消光能力最强。
可见光的波长在0.4-0.7微米之间，而粒径在这个尺寸附近的颗粒物正是PM2.5的主要组成部分。
理论计算的数据也清楚地表明这一点：
粗颗粒的消光系数约为0.6平方米/克，而PM2.5的消光系数则要大得多，在1.25-10平方米/克之间，其中PM2.5的主要成分硫酸铵、硝酸铵和有机颗粒物的消光系数都在3左右，是粗颗粒的5倍。
所以，PM2.5是灰霾天能见度降低的主要原因。
目前国内外环保部门监测PM2.5普遍采用滤膜称重、β射线吸收和微量振荡天平等方法。
除了以上三种测试方法外，还有利用光散射的原理测定颗粒物浓度的方法。
该测定方法的原理是：
空气中的颗粒物浓度越高，对光的散射就越强。
测定光的散射后，就可以算出颗粒物浓度。
该测试方式测定速度快，自动化程度高，操作简单。
本次设备使用的是红外光散射法来进行测试相关的数据。
通过相关的探头来进行采集相关的数据。
通过采集的通道利用红外光散射来进行获取颗粒浓度。
采集空气的通道有固定的加热源，通过加热源来进行空间的动态的采集。
将相关的颗粒浓度转换成相关的数据通过无线通信进行数据传输。
2.5通信部分
前端设备的通信主要是通过GPRS进行数据的无线传输。
具体的数据传输的网络示意图详见图10。
图10GPRS数据传输
数据在前端设备基于TCP/IP协议，经过GPRS的数据传输，通过移动网络传输数据，利用公网的服务器接受数据，然后将数据入库后，进行数据的处理，最后通过WEB服务器将数据展现出来。
注意:
每个前端设备有一个供应商的SIM卡进行数据通信，该SIM卡需要有GPRS业务，同时使用的地点必须有供应商的信号。
例如使用中国移动的SIM卡，该卡需要有GPRS的业务，同时放置PM2.5测试前端的地点需要有中国移动的信号才可以正常的通信。
2.6电源部分
供电方式有两种，一种是锂电池和市电互补的供电方式，另一种是太阳能供电供电方式。
2.6.1锂电池供电
锂电池供电方式是基于市电可以提供的情况下进行的。
如果部署的PM2.5设备附近有市电，
这样可以方便进行充电。
或者是市电和锂电池进行互补方式进行供电。
同时进行对电池进行电压监测，检测供电电压是否正常，电源供电是否正常。
锂电池是12V电压，50Ah的规格，可以在没有充电或者没有市电互补的情况下持续10*24h的供电。
具体的实物见图11。
图11锂电池供电方式的前端设备实物图
2.6.2太阳能供电
太阳能供电方式是基于太阳能进行可持续性的充电，从而避免了提供充电或者接入市电的情况。
太阳能供电是利用蓄电池和太阳能互补的方式进行供电，通过太阳能控制器来进行互补。
在太阳能供电不能满足供电需求的时候，利用蓄电池进行供电。
利用20W的太阳能板，在一定的环境中，可以满足设备的供电要求。
蓄电池的规格是12V电压，20Ah的规格，在完全没有太阳能的情况下，可以支持3*24h的无间断供电。
该供电方式同时提供电压监测功能。
具体的实物详见图12。
图12太阳能供电方式的前端设备实物图
3．特点
1、价格低廉，大规模部署
廉价的PM2.5环境监测设备每个节点只需1万元，即可满足PM2.5监测、数据传输功能，无需国外昂贵的监测设备，和现有的环境监测点形成有利互补，对PM2.5数据发布有参考意义。
2、云计算海量数据处理技术
架构云计算海量数据处理平台，采用先进的云计算处理技术，对环境监测的数据入库和关联查询快速响应，支持
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