環(huán)境安全預警系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展

環(huán)境安全預警系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展

環(huán)境安全是當前社會可持續(xù)發(fā)展的主要問題。環(huán)境安全預警系統(tǒng)是對環(huán)境污染、生態(tài)破壞的警兆進行識別,通過監(jiān)測分析警源和警情變化,利用定性、定量相結(jié)合的預警模型確定其變化趨勢及速度,預先對某種長期或者突發(fā)性環(huán)境警情進行警報以達到保證環(huán)境安全目的的系統(tǒng)。伴隨著環(huán)境安全問題的產(chǎn)生和信息技術的發(fā)展而出現(xiàn):20世紀中上葉,環(huán)境公害事件頻發(fā),為了防止此類事件的再度發(fā)生,早期的水、大氣污染預警系統(tǒng)逐步建立,并在歐美各國發(fā)揮了重要作用。近年來,利用網(wǎng)絡、GIS等先進的信息技術,建立環(huán)境安全預警系統(tǒng)保障環(huán)境安全,已成為環(huán)境保護領域的研究熱點[3~7]。本文旨在通過分析已有的研究成果和技術進展,提出環(huán)境安全預警系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)建立的技術方案,以期更好地為環(huán)境安全管理提供決策支持。1質(zhì)量、生態(tài)安全預警從研究的內(nèi)容上來分,環(huán)境安全預警系統(tǒng)分為水環(huán)境、大氣環(huán)境和生態(tài)安全等幾大類,其中水和大氣側(cè)重于環(huán)境質(zhì)量預警,生態(tài)安全側(cè)重于生態(tài)承載力預警。最近,土壤、農(nóng)產(chǎn)品等方面的環(huán)境安全問題引起各國學者的高度重視,此類預警系統(tǒng)研究成為新焦點。從警情發(fā)生的狀態(tài)上來分,環(huán)境安全預警系統(tǒng)可分為漸變型和突發(fā)性兩類。前者是對環(huán)境指標進行短期或長期的預測并作出預警判斷,后者是對瞬時出現(xiàn)的環(huán)境污染和生態(tài)破壞事件進行警報。2環(huán)境安全與安全系統(tǒng)研究的重點環(huán)境安全預警系統(tǒng)研究尚在起步階段從目前的環(huán)境安全預警需求和預警的技術方法發(fā)展情況看,研究的重點主要有以下幾方面:2.1環(huán)境預警的理論研究預警系統(tǒng)起源于軍事領域,形成了由明確警義、尋找警源、分析警兆和預報警度構(gòu)成的預警邏輯結(jié)構(gòu)。但在實際的系統(tǒng)設計開發(fā)過程中,一些環(huán)境安全預警系統(tǒng)缺少預警邏輯結(jié)構(gòu)的構(gòu)建,使得預警系統(tǒng)等同于一般的環(huán)境管理系統(tǒng),預警功能不突出。陳國階、湯潔等對環(huán)境預警理論進行了有益的探索,提出了環(huán)境預警的含義及預警步驟,為系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)的建立提供了理論依據(jù)。Glasgowa等介紹了以魚類生理指標為警兆的海洋赤潮預警系統(tǒng),該系統(tǒng)采用先定警兆再定警情警度的方式,保證了預警的有效性和準確性。雷孝恩等分析了警源對警情的貢獻率,進而修正了預報警度?？梢?構(gòu)建完善的預警邏輯結(jié)構(gòu),能有效降低預測的不準確度,保證預警的有效性和準確性。2.2生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡是環(huán)境安全預警系統(tǒng)的基礎,監(jiān)測網(wǎng)絡的不完善將直接導致預警信息的缺失,從而影響預警結(jié)果。因而,近年來環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡的研建方興未艾。Parr等提出LTERM方法,即通過高度整合調(diào)查、監(jiān)測、建模、古生態(tài)恢復和遙感技術對生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)進行長期的調(diào)查和監(jiān)測,并將人為因素作為預警環(huán)境的重要參數(shù),是對預警監(jiān)測體系中警源監(jiān)測的重要補充。Glasgowa等從空中大區(qū)域尺度和地面流域尺度,生物和理化指標以及計算機存儲和信息傳輸技術等多個角度,闡述了較全面的環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡系統(tǒng)。該研究針對一些有毒有害物質(zhì)無法實現(xiàn)區(qū)域性實時動態(tài)在線監(jiān)測的問題,詳細介紹了利用魚類對有毒藻類進行警兆識別,發(fā)現(xiàn)警兆立即取樣進行詳細分析的警情分析方法,為完善實時預警監(jiān)測網(wǎng)絡提供了行之有效的實施方案。2.3基于webgis的預警預警系統(tǒng)網(wǎng)絡與GIS結(jié)合形成的WebGIS是GIS發(fā)展的必然趨勢,特別是WebService技術與GIS的融合,誕生了面向服務的新一代WebGIS體系框架,為預警信息的共享發(fā)布和預警預報研究提供了有效的開放式交互平臺。2.4模型有效性及高效性分析預測預警模型是環(huán)境預警系統(tǒng)的核心。當前大氣環(huán)境數(shù)值預報模型、水質(zhì)預測模型以及神經(jīng)網(wǎng)絡算法、遺傳算法等極大地豐富了預測預警模型的構(gòu)建方法,但是由于環(huán)境因子的復雜性和多變性,預測預警模型的有效性長期以來一直受到嚴峻的挑戰(zhàn)。為了獲得有效的結(jié)果,使用的模型必須盡可能地給出預警結(jié)果的置信度,即在模型使用中考慮和分析所有不確定性的來源,分析模型的不確定性和靈敏性。這類方法通常需要計算機模擬實現(xiàn),利用自動建模、數(shù)據(jù)挖掘等人工智能技術進行模型驗證和修正,建立系統(tǒng)的反饋機制是預測預警模型研究的重要發(fā)展方向。3環(huán)境安全預警系統(tǒng)的建立3.1“高”預警流程邏輯結(jié)構(gòu)是環(huán)境安全預警系統(tǒng)的靈魂,也是系統(tǒng)構(gòu)建的首要步驟,是根據(jù)預警系統(tǒng)的基本原理和環(huán)境監(jiān)控要求及其特點建立的一個多維度的復合結(jié)構(gòu)模型(見圖1)。預警邏輯結(jié)構(gòu)的預警指標、時間、空間和層次四個維度分別代表了預警原理、時間尺度、空間尺度和預警對象四層涵義。(1)預警指標維度。該維度是預警邏輯結(jié)構(gòu)的核心。根據(jù)預警系統(tǒng)的基本原理,包括警情、警度、警源和警兆四部分。其基本流程是:監(jiān)控警源、識別警兆、分析警情和預報警度。警源是警情產(chǎn)生的根源,根據(jù)污染物排放方式分為點源和非點源兩種,其中非點源的監(jiān)控難度大,目前主要采用調(diào)查統(tǒng)計和遙感監(jiān)測兩種手段。警兆是發(fā)生警情的先導指標,具有隱蔽性和瞬時性的特點,因此識別難度較大,總結(jié)和借鑒國外及經(jīng)濟預警的經(jīng)驗,識別方法有警源變化、統(tǒng)計經(jīng)驗和相關生物監(jiān)測三類。警情的分析和警度確定主要從環(huán)境惡化方向、惡化速度和惡化狀態(tài)三方面著手以確定警度級別。(2)時間維度。時間是預警的重要參數(shù),預警發(fā)布與警情發(fā)生的時間間隔越短,警情越緊急。根據(jù)這一時間間隔的長短,系統(tǒng)分為突發(fā)性預警、短期預警中長期預警和長期預警四個時間階段其中突發(fā)性環(huán)境安全事故的預警顯得尤為重要。警源的監(jiān)控和警兆的識別是保證突發(fā)性事件預警有效性的重要措施。(3)空間維度。該維度涉及到預警的地理空間和預警管理尺度范圍。地理空間范圍主要從利用“3S”技術對預警幾何空間數(shù)據(jù)進行尺度分析的角度來劃分,包括點、線、面和體的空間分析和預警模型運算。預警管理尺度主要從行政以及土地利用類型角度劃分,包括市域、國域及流域等。(4)層次維度。該維度主要從環(huán)境安全預警對象的角度進行劃分,并隨著不同類型環(huán)境污染事件的發(fā)生和環(huán)境預警研究的深入而逐漸豐富,主要包括單因子、多因子和綜合預警三大類。3.2系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)該架構(gòu)由系統(tǒng)的用戶需求和系統(tǒng)架構(gòu)技術發(fā)展共同決定從系統(tǒng)信息的流程來看預警系統(tǒng)的用戶可分為預警信息發(fā)布者和預警信息接收者兩大類。從系統(tǒng)架構(gòu)及GIS技術發(fā)展來看,構(gòu)建基于網(wǎng)絡的GIS是環(huán)境安全預警系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。其中,構(gòu)建基于WebServices技術的GIS是實現(xiàn)遠程預測預警分析互操作和預警應急聯(lián)動處理的最有效平臺。但在局域網(wǎng)中,同構(gòu)的應用程序使用Web服務進行通信的效率較低,而采用COM/DCOM等技術則具有較強的性能,同時受網(wǎng)絡帶寬和網(wǎng)絡安全等因素影響,構(gòu)建完全基于Web的GIS還有一定的限制。由此可見,單一的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)無法滿足多層次系統(tǒng)用戶的需求以及系統(tǒng)運行效能的最優(yōu)化要求,必須采用多層系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)(見圖2),才能達到數(shù)據(jù)邏輯與系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)邏輯的一致。松緊結(jié)合的系統(tǒng)架構(gòu)在局域網(wǎng)內(nèi)部系統(tǒng)采用C/S結(jié)構(gòu),由客戶端和服務器組成,包括數(shù)據(jù)庫服務器、應用程序服務器兩部分,分別實現(xiàn)預警數(shù)據(jù)庫管理,預警應用程序的管理和運行;在Internet上,系統(tǒng)采用WebServices結(jié)構(gòu),服務器端以Web為主體,通過注冊數(shù)據(jù)及應用服務,向客戶端瀏覽器提供預警信息發(fā)布、預警分析互操作以及預警應急聯(lián)動等服務。從上述的分析來看,構(gòu)建多層次體系結(jié)構(gòu)的環(huán)境安全預警系統(tǒng),有利于環(huán)境安全信息共享,減少系統(tǒng)重復建設,節(jié)約信息資源,提高系統(tǒng)效能。3.3數(shù)據(jù)管理和查詢從信息管理的角度來講,信息系統(tǒng)的基本功能包括數(shù)據(jù)管理(數(shù)據(jù)的輸入、輸出、修改和維護等)、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)查詢?nèi)糠?。結(jié)合環(huán)境安全預警系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析結(jié)果系統(tǒng)的功能見圖3。4環(huán)境安全預警系統(tǒng)綜合理論及技術方案選擇環(huán)境安全預警系統(tǒng)是一項保障生態(tài)環(huán)境安全的新方法、新手段,也是一項融匯了環(huán)境安全