纪轶群

(北京市地质环境监测所，北京 100195)

北京是国际上为数不多的以地下水为主要供水水源的特大型城市之一[1-2]，地下水是北京的“生命之水”，即使2014年南水北调进京后，地下水仍在北京市供水中占有重要地位和作用。对北京市地下水开展长期、系统地监测与评价，可以全面掌握北京市地下水水位、水环境状况及其变化规律，满足北京市地下水资源动态管理的需求，为行业及政府的决策行为提供科学依据。

北京市地处山地与华北平原的过渡地带，三面环山。区内第四纪地层由五大水系 (拒马河水系、永定河水系、温榆河水系、潮白河水系、蓟运河水系) 联合作用形成冲积扇群构成, 具有典型的缓倾斜山前冲洪积平原特征[3-5]。因此，北京市地下水主要包括山区岩溶裂隙水和平原第四系地下水。北京市供水以第四系孔隙地下水为主，仅部分水厂使用基岩岩溶水。第四系孔隙水主要赋存于平原区河流冲积作用形成的松散沉积物颗粒构成的孔隙网络之中，地下水径流方向总体上由西北向东南流动[6]。北京市地下水的监测重要依据是监测井的布设，目前有1000余个地下水监测点，并已经实现了全部自动监测[7]。分别监测平原区第一到第四含水层组和山区基岩水，监测频率为每小时一次。监测区域覆盖了北京市所有地区，包括了山区、平原地区，既有人员居住密集区，也有偏远地区。监测参数主要包括水位、水温、电导率等。

目前北京市地下水监测过程中，存在一些问题：①数据量增长较快，数据量增长是原来(非物联网数据采集)的百余倍，对人力运维、管理和后期分析提出新挑战；②监测数据展现方式不够直观，数据的丰富度、立体化监测展现手段不够；③缺少平台大数据计算和专家决策模型的实现，对现场作业情况缺少智慧化的监管手段，以及平台的后台管理和现场运维人员作业现场可视化监管。

基于此，构建基于物联网技术地下水信息化支撑平台，通过云计算、物联网、GIS等多种技术手段，对地下水监测点、地下水监测数据、地下水工作运维人员、井管理人员和地下水应急事件发现、响应、调度、调查、处置全业务流程管理进行控制和约束，实现对地下水监测的信息化、科学化管理，达到地下水资源管理及地质灾害防治的效果。

1 构建地下水监测物联网基础

1.1 水位监测感知层

感知技术作为信息获取的重要手段，是物联网感知外部信息的起始点[8-9]。水位传感器是物联网感知层的主要器件，是物联网及时获取外部水位场压力的重要手段。该系统地下水监测在传感器方面，设计使用绝压式压力传感器，可以直接输出水位数字信号，保证了全量程的准确度，与传统的电压、电流信号输出相比，信号无干扰和衰减，数据采集精度和准确度大大提高。采用316L不锈钢/陶瓷作为传感器材质，采用316L不锈钢/镍涂层作为探头外壳材质，可以适应高咸水、地热水、极低温水等极端环境。

1.2 水位监测网络层

物联网的网络层具有连接感知层与应用层，正确、安全传输感知数据与应用层控制指令的作用[10-12]。该设计网络层能适应极端气候条件的数据无线传输装置(遥测终端机RTU)，支持三网全模的4G、3G、2G通信频段。并且视网络状态，可以更换窄带物联网(NB-IOT)制式的传输模式，在无三网通信信号的时候，还可以使用北斗通信模块来解决传输通信。设备支持多点上报，支持远程参数设置和远程历史数据提取。

1.3 水位监测应用层

地下水水位监测应用层，可以分为管理服务层和地下水应用层。管理服务层通过中间软件实现了地下水感知层与应用层的物理隔离，同时在逻辑上无缝连接。地下水应用层实现对地下水监测数据的接受、数据管理、监测设备管理、运行维护管理、综合分析、成果展示等功能，以满足地下水监测相应的在线业务联动需求。

2 北京市地下水监测信息系统架构

2.1 基础设施服务层IaaS

北京市级政务云平台、数据存储资源、地下水监测设备、移动物联网平台等，主要负责采集、发送不同区县的地下水自动化监测数据和为系统提供基础运行环境和计算机资源。通过政务云平台提供系统所需的计算资源、存储资源以及安全防护设备，监测设备实现对监测点的数据采集，物联网平台接收全域监测设备通过GPRS、3G、4G等发送过来的地下水水位、水温等监测数据。

存储资源考虑海量地下水动态监测数据存储、管理、调度的需求，引入大数据技术，综合应用关系型数据库和非关系型数据库(NoSQL)，满足海量数据管理、调度和分析的需求。

2.2 平台服务层PaaS

地下水基础支撑平台和数据同步组件功能实现公共基础组件库、应用组件库、云计算平台、服务管理、安全管理、系统资源管理等，为业务实现提供工具和环境。

平台层即服务引擎(应用支撑平台)，基于SOA技术，实现了数据存取、调度、查询、统计、分析、可视化等基础功能，全面支持B/S和C/S客户端应用系统的开发和运行。该部分功能实现了面向地下水应用系统的常规数据库访问、Web GIS、 Web Service数据服务和数据交换应用。主要组件支持分布式运行、集中管理和一体化服务。以Web服务、REST API以及功能组件等服务接口暴露给最终用户的二次开发服务接口。

通过建立抽象的平台层，第一，将业务应用、系统开发所需的共有功能进行抽象，为业务应用系统、信息发布系统的开发提供便利；第二，通过对核心功能的抽象，实现核心功能的服务化，可以集中在信息服务平台中对系统性能、可靠性、安全性进行调优和完善；第三，通过建立抽象的平台层，为开发下一代基于云计算和大数据架构的应用系统和网络服务做好技术支撑。

2.3 软件应用服务层SaaS

软件应用服务层包含各类数据分析、应用、展示、分享子系统，面向业务应用人员、政府管理人员以及社会大众，主要实现对监测数据的统计分析、地下水评价、结果发布、水情以及政策发布等。

业务应用层是面向最终用户(管理部门、业务部门和公众)的业务应用系统和信息服务系统。其中业务应用系统集成了多种专业处理子系统和统计分析工具，专业人员利用这类工具形成的各种成果可制作成多种用户易于理解的专题图表、电子文档、电子地图等介质的电子产品，可通过网络等形式进行发布，为各级部门提供专业和科普类的信息服务。业务应用层可基于统一的服务层和平台层进行开发，根据应用场景和用户需求，提供Web客户端和移动客户端。

3 系统数据库构建

根据水文、生态、环境、地质等多学科数据综合管理与时空一体化发展趋势[13-14],该数据库设计主要包括基础地理信息空间数据、地下水监测钻孔资料数据、水文地质空间数据、地下水动态监测数据、地下水质量动态监测数据、水量预测数据、水资源分析评价、综合研究成果数据、环境地质问题空间数据以及地下水资料情报数据等的存储和管理。

3.1 原始数据库构建

原始数据库采用MySQL、ES(ElasticSearch)两种数据库存储数据。关系型数据库MySQL存储了监测井信息、监测设备信息、通信设备信息、报警记录信息、远程指令信息、监测井图片、数据导入模板、行政分区、流域分区、水文分区以及系统中使用的一些基本参数如地下水类型、管理方式、监测数据类型等信息。利用ES较好的全文检索和语言处理过滤、匹配、聚合等操作能力，存储了野外自动监测设备发送的原始报文、解析动态监测数据、设备每日日志等统计信息。

3.2 监测数据库构建

动态监测数据采用MySQL数据库，主要对野外的原始报文解析后的监测数据进行管理，通过设备接收、人工导入的方式对水位和水质数据进行整编、校核、发布，为监测平台提供数据支撑；对监测人员在野外进行的设备维护、设备维修、故障上报、水位校测、水样采集等内容进行存储，为野外工作人员巡检提供数据支撑。

动态监测数据库包括静态信息和动态监测数据，静态信息包括站点信息、设备基本信息、设备维护信息、设备运行状态统计、文件存储信息、数据使用统计、系统日志管理、工作规程管理、水位校测表、水样采集信息、水质监测数据表、水质分析数据表；动态监测数据表主要是对水位、水温、气压、信号强度等监测信息进行分库分表存储。

3.3 成果数据库构建

成果数据采用MySQL数据库存储，主要包括属性数据和文件数据。属性数据为整编后的地下水位动态监测数据、水温数据以及一些中间产品数据；成果字段主要包括整编后水位、水温、气压、水质数据、站点信息、井信息、设备维护状态信息、水位校测数据、按一定监测周期下的监测数据的统计分析结果数据，如最大值、最小值、平均值、方差、标准差等。文件数据包括地下水年鉴、年报、月报、日报等，以及按要求生成的图表信息及曲线图信息(各类统计图、专题地图、分析评价表等)，为数据展示平台提供数据支撑。

4 系统主要功能

4.1 数据接收与设备管理

数据接收与设备管理子系统分为两大核心模块。数据接收模块是基于野外自动监测数据的接收，提高接收数据的并发量以及数据接收的稳定性，分散数据接收压力，实现读写分离，加快系统响应速度。基于不同的厂商与传输方式开发编写不同的接收与解析功能。设备管理模块是管理地下水相关的井、通信设备、监测设备、数据接收情况等信息。掌握数据接收的情况、设备状态、站点分布、水位波动等信息，同时对现有设备的信息进行添加和修改。

4.1.1 监测数据接收和接收情况分析

监测数据是用来接收地下水自动监测设备监测源文件以及系统解析数据情况，包括水位、埋深、水温、电压、气压、气温等具体数据信息。

数据接收情况分析是指野外设备在工作过程中由于环境问题或设备自身问题可能会出现不同情况的故障，该功能对设备的故障情况按厂商进行分类，查看目前为止各厂家正常、异常工作的设备数量，生成的记录可以导出，方便用户维护维修。

4.1.2 物联网远程控制

远程控制是编辑控制监测井设备的指令，当用户编辑完指令后等下次设备与平台进行关联后，下发指令到相应的设备，物联网自动监测设备开始根据指令进行远程水位、水温等水文地质信息参数遥测。

4.1.3 监测井管理

监测井管理可以用来添加、编辑监测井的基本信息，包括统一编号、级别、类型、地理位置、地面标高、埋深等。并用来展示当前监测点的状态，如接收到数据的井的信息、未收到数据的井的信息。监测详情里面显示监测井的基本信息、最近接收的数据情况、设备的电量状况。

4.1.4 监测设备管理与通信设备管理

监测设备管理可以添加、编辑监测设备的基本信息，包括设备类型、当前电量、监测频率、探头信息等。并且可以展示当前监测设备电量区间，点击可以查看电量不足的设备。

通信设备管理可以添加、编辑通信设备的基本信息，包括设备类型、SIM卡号、安装日期、当前电量等。并且可以展示当前通信设备的信号质量，方便用户查看信号质量不足的设备，以此来判断设备的工作状况。

4.2 数据管理

监测数据管理主要是对接收的原始监测数据进行数据整编、数据逐级校核、检索统计、预警以及数据产品的制作，实现对北京市地下水监测数据的管理。监测井维护管理主要是对监测井维修、维护、保修、人工采集等信息进行管理。

数据管理主界面上显示监测井的分布与监测井运行维护的状态，并显示运维信息和运维进度。点击地图上的点可以查看该点的已经校核数据的曲线图及井的基本信息和维护状态。

4.2.1 数据查询

用户通过查询检索条件筛选出符合条件的点，查询条件可以分为空间条件查询和属性条件查询[15]，选择被查询点可以查看该点的数据信息，包括监测井基本信息、水位、水温、埋深等信息数据，动态展示用户筛选出符合条件的点，然后可以生成曲线图。

4.2.2 数据校核

数据校核功能可根据区域展示已有数据、校核数据，当用户选择了具体要校核的点后，系统将该设备当前月收到的数据以24时*31日的表格方式进行展示，方便用户查看当前缺少的数据，同时表格上部的曲线图将会展示接收数据的曲线波动。并且加载数据时，系统会计算当前月的数据是否符合规范，将不符合的数据在表格中通过颜色标记出来，方便用户查看。

4.2.3 维护、水样采集、数据整编进度管理

分区域展示各个区域的维护次数、水样采集次数、数据整编进度，方便用户对当前工作的进展进行查看。

4.2.4 统计报表及地下水年鉴

统计报表是用户选择区域和时间后可以生成的该区域内所有监测点的日报、月报、年报等报表信息，用户可以下载查看生成的报表。

地下水年鉴是用户选择区域和时间后可以生成的该区域内所有监测点的年鉴信息，用户可以查看生成的区域年鉴信息。

4.3 综合分析模块

地下水综合分析子系统模块在地下水监测基础支撑平台的支持下，应用水文地质专业领域知识体系和专业模型，利用科学计算平台，结合云计算能力，提供各类水文地质数据分析工具以及服务。地下水综合分析系统将方便业务人员对监测数据进行专业、全面、综合的应用，将原始的监测数据转化为有意义的水文地质分析成果。

地下水综合分析系统主要包括动态分析功能模块、地下水资源均衡分析功能模块和水质评价功能模块。

4.3.1 地下水动态与均衡分析工具

地下水动态分析工具以地下水动态监测数据库为数据驱动，对地下水水位、化学成分等随时间和空间的变化规律进行分析，可为地下水水文动态变化过程分析提供技术支持。

地下水均衡分析工具基于水均衡理论，集成管理区域内各类地下水补、排项目。同时发挥地下水监测的水位变化数据监测优势，利用水位监测数据，结合水文地质参数，计算出区域地下水储蓄变化量。将储蓄变化量与各补给、排泄量进行对比分析，可协助专业人员对区域地下水收支项目进行进一步的评估，提高对区域地下水均衡程度的认识。

结合业务特点，分析工具设置了不同的成果表达方式，可输出各类可视化产品，如离子含量变化折线图、专题地图等，直观展示地下水动态变化规律，便于专业人员快速理解分析结果。同时，结合业务需求，定制了常见成果产品制作的功能，如地下水等水位线图、地下水位变差图等，可辅助专业人员进行成果生产。

根据实际业务需求，地下水动态与均衡分析模块由水位动态图件制作、离子动态分析等工具组成。

4.3.2 水化学分析及水质评价工具

水化学分析及水质评价功能以地下水动态监测库数据为依托，进行水化学分析、水质评价工作。

水化学分析工具对地下水动态监测库、水化学平衡分析形成的工作库的水质成分数据进行分析，形成水化学特征分析图、离子等值线图以及检出物分布图，为区域地下水化学成分变化规律研究提供依据。

水质评价工具采用单指标评价法、内梅罗指数法、模糊综合评价法、层级阶梯评价法对水质样本数据进行评价，并对地下水动态监测库数据的评价结果绘制成图，应用于区域地下水水质研究、水环境管理措施制定。

水化学分析及水质评价功能包括数据预处理工具、水化学特征分析工具、水化学专题图制作工具、水质评价工具、污染评价工具，形成不同类型的水化学分析、评价成果，便于直观地表达成果的含义，为研究人员、决策人员提供理论研究和决策支持依据。

4.4 综合展示模块

综合展示子系统模块可以实现北京市地下水监测站网及监测数据的统一浏览、查询、管理与信息服务调用。采用GIS、可视化、消息推送和Web技术，实现监测数据接收、监测设备和数据异常报警。系统数据库和业务应用系统等的统计信息、关键参数通过仪表盘等方式进行实时、动态展示，为监测人员和业务人员提供快速便捷的系统和数据监控工具，方便用户快速发现定位系统运行的各类信息和问题，可为领导决策分析、现场指挥提供一个直观便捷的可视化平台。

综合展示子系统模块的核心是利用GIS、BI和智能仪表盘技术，实现监测数据接收、监测设备和数据异常报警的实时可视化，以及系统数据库和业务应用系统等的统计信息、关键参数的可视化展示。

5 结论

1)采用目前先进的云技术、物联网、GIS等信息技术手段，开发地下水监测基础支撑平台，统一了数据标准，整合了实时—历史地下水监测数据，实现了地下水监测数据接收、数据管理、监测设备管理、运行维护管理、综合分析、成果展示等业务功能。建成的信息系统和政务云环境，有效提升了地下水监测信息化技术水平和服务能力。

2)实现多层次、多来源的地下水数据接入与设备管理。建成的数据接收与设备管理子系统支持10余种数据传输协议，通过地下水监测支撑平台多级用户权限管理体系，实现了多层次、多来源地下水监测数据接收与设备管理。并应用大数据技术建立分布式关系型数据库以满足业务分析应用，建立分布式非关系型数据库以满足大量动态监测数据的快速检索与查询。后续将逐步实现北京市地下水监测数据统一接入汇总到该系统，可为北京市其他单位共享提供成果数据库。