基于GIS的城市智能環(huán)衛(wèi)監(jiān)測系統(tǒng)設計

孫昱昌+吳競妍+高凱+張亮+王同亮+施國萍

【摘 要】為解決城市環(huán)衛(wèi)中道路揚塵數(shù)據(jù)和路面塵土污染量數(shù)據(jù)獲取困難、實效性差等問題，構建了基于GIS的城市智能環(huán)衛(wèi)監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)的傳感器由車輛搭載，負責采集道路揚塵濃度數(shù)據(jù)、車輛位置數(shù)據(jù)和車速數(shù)據(jù)，并完成實時數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)監(jiān)測中心依據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)擬合出道路塵土污染量，利用GIS實現(xiàn)道路揚塵濃度和路面塵土污染量數(shù)據(jù)的可視化、清潔路徑的最優(yōu)規(guī)劃和歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析等功能。

【關鍵詞】GIS；GPS；GPRS；道路揚塵；智能環(huán)衛(wèi)

中圖分類號： TP274 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2017）23-0126-003

【Abstract】Urban intelligent sanitation monitoring system based on GIS can solve some problems in urban sanitation， such as the difficulty and poor effectiveness to obtain the concentration of road dust and the amount of road dust pollution.The sensor of the system， carried by a vehicle，collects the data of road dust concentration，location and speed of vehicle.The center of data monitoring matches the amount of road dust pollution according to the monitoring data， and realizes some functions such as the visualization of road dust concentration and the amount of road dust pollution， the optimal planning of clean path and the statistical analysis.

【Key words】GIS；GPS；GPRS；Road dust；Intelligent sanitation

0 引言

以2012年“國家智慧城市試點工作”啟動為標志，我國迅速進入智慧城市規(guī)劃和建設的高潮期，智能環(huán)衛(wèi)系統(tǒng)作為“智慧城市”的重要組成部分，近年來也有所發(fā)展。目前智能環(huán)衛(wèi)系統(tǒng)的應用主要有：對環(huán)衛(wèi)車輛、人員的智能化管理，對城市垃圾和區(qū)域衛(wèi)生狀況的監(jiān)測等[1][2]。然而，智能環(huán)衛(wèi)的發(fā)展在監(jiān)測揚塵方面還有所不足，揚塵作為城市空氣污染物的主要成分之一，嚴重影響了城市居民的生活質量[3]。目前國內已有對工地揚塵進行監(jiān)測的研究[4]，而對于道路揚塵以及道路揚塵的重要來源——路面塵土，卻還未能做到高效的實時的監(jiān)測。

基于GIS的城市智能環(huán)衛(wèi)監(jiān)測系統(tǒng)主要是利用搭載在車輛上的傳感器對城市道路揚塵進行監(jiān)測，并依據(jù)一定的數(shù)學模型對路面塵土量作出擬合。采用GIS技術將監(jiān)測狀態(tài)直觀地呈現(xiàn)出來，并利用最優(yōu)路徑的算法對清潔車輛進行調度，對需要清掃的道路進行清潔作業(yè)，相較于目前“遍歷”式的清掃方式，減少了道路清潔的成本。此外，通過對歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，還可以對城市道路規(guī)劃、綠化建設和住宅選址等提供決策依據(jù)。

1 系統(tǒng)組成和框架

1.1 系統(tǒng)總體結構設計

城市環(huán)衛(wèi)系統(tǒng)結構如圖所示，系統(tǒng)可分為硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分：

硬件系統(tǒng)，主要承擔數(shù)據(jù)采集、傳輸?shù)娜蝿?，GPS模塊采集定位數(shù)據(jù)、速度數(shù)據(jù)、監(jiān)測時間數(shù)據(jù)，激光粉塵傳感器模塊采集PM2.5、PM10濃度數(shù)據(jù)，經處理器處理后，將一幀數(shù)據(jù)交由SIM900A模塊通過GPRS網絡將數(shù)據(jù)發(fā)送至服務器。

軟件系統(tǒng)，主要具有數(shù)據(jù)的解析、存儲、查詢以及監(jiān)測數(shù)據(jù)可視化、清潔路徑規(guī)劃和統(tǒng)計分析等功能。服務器接收傳感器傳回的數(shù)據(jù)并進行解析，每一條記錄對應空間上的一個點，將這些點與道路弧段進行匹配并賦予弧段相應的屬性，根據(jù)弧段數(shù)據(jù)及相應的屬性信息，不斷刷新圖層，完成監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時顯示和清潔路徑規(guī)劃功能。

1.2 道路揚塵量與路面塵土污染量擬合方案

目前，國內路面塵土污染量的獲取主要采用美國環(huán)保署（EPA）公布的方法：首先選定采樣區(qū)域，然后使用簸箕和掃帚或吸塵器進行樣品采集，最后將樣品送回實驗室，處理并計算出路面塵土污染量。這種方法雖然精度高，但時效性差、成本高。

式中（E+C）為路面塵土污染量引起的揚塵和汽車的尾氣排放、剎車和輪胎磨損引起的揚塵之和，即車載傳感器所監(jiān)測得到的揚塵量。根據(jù)該式，可由監(jiān)測的道路揚塵數(shù)據(jù)擬合出路面塵土污染量。

2 硬件系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

基于GIS的城市智能環(huán)衛(wèi)監(jiān)測系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)主要由stm32單片機、GPS定位模塊、激光粉塵傳感器模塊和SIM900A模塊構成。各模塊與單片機之間采用串口通信方式。

該傳感器是一種車載式的傳感器，為延長各個模塊的使用壽命，可使用一個智能化的開機方案：以車輛行駛狀態(tài)作為開關機依據(jù)，保持單片機和GPS模塊處于開機狀態(tài)，不斷接收GPS數(shù)據(jù)。以2m/s作為閾值，當車速大于閾值，則可判定其處于行駛狀態(tài)，此時喚醒其他模塊開始工作；當車速連續(xù)5分鐘內小于閾值，則可判定汽車已經停止行駛，關閉其他模塊。這樣可以有效地延長其他模塊的使用壽命。

在各模塊可以正常工作且確認無線通信正常后，開始接收GPS模塊數(shù)據(jù)和激光粉塵傳感器的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行解析處理，存入緩沖區(qū)中，最后再通過GPRS網絡將數(shù)據(jù)傳回軟件系統(tǒng)，完成一次數(shù)據(jù)的采集。延時10秒后，進行下一次采集。整體工作流程如圖2所示。endprint

GPS模塊指令解析時采用NMEA-0183協(xié)議。NMEA-0183協(xié)議是美國國家海洋電子協(xié)會為海用電子設備制定的標準格式[9]。其中，我們需要的是$GPRMC（推薦定位信息）這一幀數(shù)據(jù)。當GPS模塊將接收到數(shù)據(jù)后，解析出位置、速度、航向等信息存入到緩沖區(qū)中。

激光粉塵傳感器模塊通過光散射原理及相關算法計算PM2.5和PM10的濃度。模塊采用異步串行通信方式（UART），處理器接收到應答幀數(shù)據(jù)，在計算出PM2.5濃度和PM10濃度后存入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中。

GPRS是連接整個城市環(huán)衛(wèi)監(jiān)測系統(tǒng)硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的橋梁。當GPS定位模塊和激光粉塵傳感器模塊采集完數(shù)據(jù)之后，利用GPRS將數(shù)據(jù)傳回，其數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、速率快和成本低廉的特點，為整個系統(tǒng)能夠流暢運轉提供了保障。本系統(tǒng)使用SIM900A模塊來實現(xiàn)GPRS的數(shù)據(jù)傳輸。

3 軟件系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

軟件系統(tǒng)以Visual Studio 2010為開發(fā)平臺，主要利用ArcGIS Engine進行二次開發(fā)，具有以下功能：數(shù)據(jù)解析、管理、存儲、監(jiān)測數(shù)據(jù)可視化、清潔路徑規(guī)劃、統(tǒng)計分析等。軟件系統(tǒng)框架如圖（3）所示：

傳感器將數(shù)據(jù)傳回服務器，暫存于文件系統(tǒng)中。通過對文件系統(tǒng)的監(jiān)聽，不斷將最新傳回的數(shù)據(jù)取出，經過解析處理后，由GIS應用系統(tǒng)將其實時顯示出來，完成數(shù)據(jù)的可視化以及滿足必要時的清潔路徑規(guī)劃需求。同時，將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中，以備統(tǒng)計分析時使用。

3.1 數(shù)據(jù)的實時讀取與管理

硬件系統(tǒng)不斷傳回的數(shù)據(jù)以文本的形式更新到計算機文件系統(tǒng)中，為進一步使用，首先要對數(shù)據(jù)進行實時地讀取和處理。

監(jiān)測數(shù)據(jù)約每10秒傳回一次，當有大量傳感器在同時傳輸數(shù)據(jù)時，文件更新的時間間隔便不容易把握。這里，我們可以對文件系統(tǒng)進行偵聽。當數(shù)據(jù)被更新入文件系統(tǒng)，立即觸發(fā)數(shù)據(jù)讀取和處理事件。處理后的數(shù)據(jù)可以進一步被應用軟件調用，并存儲在數(shù)據(jù)庫中。

3.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)的可視化

監(jiān)測數(shù)據(jù)的可視化表現(xiàn)為，與監(jiān)測點匹配的道路弧段以監(jiān)測的揚塵濃度或擬合得到的路面塵土污染量為依據(jù)，被渲染為不同的顏色。

在對弧段渲染之前，先要將監(jiān)測點與道路弧段進行匹配。首先，以監(jiān)測點為中心，5m長為半徑，如圖（5）所示作出一個緩沖區(qū)，進行空間查詢，得到與緩沖區(qū)相交或被緩沖區(qū)包含的目標弧段，如果沒有目標弧段被包含，則以5m為步長擴大緩沖區(qū)，直到存在目標弧段為止，如圖（6）所示；如果得到的目標弧段不止一條，則計算監(jiān)測點與這些目標弧段間的距離，并將監(jiān)測點與距離最近的弧段相匹配，如圖（6）中，將監(jiān)測點數(shù)據(jù)賦予弧段b。

在將監(jiān)測點與弧段匹配后，監(jiān)測點的揚塵濃度數(shù)據(jù)或路面塵土量數(shù)據(jù)作為該弧段渲染的依據(jù)，按照一定的渲染方案，對該弧段賦上顏色并刷新圖層，完成一幀數(shù)據(jù)的可視化。如圖7所示，不同顏色（寬度）代表了不同的清潔等級。

3.3 清潔路徑規(guī)劃設計

在進行清潔路徑規(guī)劃前，首先將所有需要被清潔的弧段上的節(jié)點取出，作為規(guī)劃路徑時必須要通過的節(jié)點。然后采用相應算法對路徑做出規(guī)劃。

本系統(tǒng)的最優(yōu)路徑規(guī)劃基于Dijkstra算法改進而來。Dijkstra算法，是求解最短路徑的經典算法[10]，但該算法是一種單源最優(yōu)路徑規(guī)劃算法，本系統(tǒng)在規(guī)劃清潔路徑時，需要將若干個待清潔的特定節(jié)點作為目標。為此，可以采用貪心算法：利用Dijkstra算法，首先找出所有特定節(jié)點中距離出發(fā)點路徑最短的節(jié)點記為節(jié)點1，然后再以節(jié)點1為出發(fā)點找出除已經過的點以外的距離節(jié)點1路徑最短的節(jié)點記為節(jié)點2，不斷重復直到所有待清潔的特定節(jié)點全部被標記。最后將以上所得的每段的最短路徑合并，即為整個清潔路線規(guī)劃出的路徑。如圖8所示，星形代表出發(fā)點，叉形標記為測試時待清潔的弧段。

3.4 統(tǒng)計分析模塊

統(tǒng)計分析模塊主要有求算各路段某一時間段內的路面塵土污染量（也可以是PM2.5或PM10濃度）各統(tǒng)計量的功能、查詢某一特定時間段內平均路面污染量大于某一閾值的所有路段和統(tǒng)計某一特定時間段內日平均路面污染量大于某一閾值的天數(shù)等功能。

為實現(xiàn)這些功能，需要在數(shù)據(jù)庫中為城市道路矢量圖的各個弧段建立表，弧段編號作為表名，每個表中包含四個字段：時間、PM2.5濃度、PM10、路面塵土污染量。在日常的監(jiān)測中不斷向數(shù)據(jù)庫中更新數(shù)據(jù)，需要時，結合數(shù)據(jù)庫處理方法和相關數(shù)學模型進行統(tǒng)計分析。

4 結論

基于GIS的城市環(huán)衛(wèi)監(jiān)測系統(tǒng)，利用傳感器獲取城市道路揚塵數(shù)據(jù)，時效性高，覆蓋范圍廣；基于AP-42 方法擬合出路面塵土量，在滿足環(huán)衛(wèi)監(jiān)測需求的同時大大降低了獲取成本；應用軟件系統(tǒng)的可視化功能和路徑規(guī)劃功能可以提高環(huán)衛(wèi)部門的工作效率。整個系統(tǒng)對建設智能環(huán)衛(wèi)、節(jié)約資源以及對城市未來的道路規(guī)劃、綠化建設等具有重要意義。

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