霧霾實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馬萬(wàn)征　李靜　馬萬(wàn)敏

摘 要：該文設(shè)計(jì)了一套霧霾實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)，它是基于ARCGIS開(kāi)發(fā)而成的，支持多種操作系統(tǒng)，主要功能包含監(jiān)測(cè)設(shè)置、監(jiān)測(cè)預(yù)警及報(bào)警、統(tǒng)計(jì)分析、參數(shù)設(shè)置、日志管理的功能，操作簡(jiǎn)單。該軟件對(duì)霧霾的在線監(jiān)測(cè)及治理具有非常重要的意義。

關(guān)鍵詞：霧霾；在線監(jiān)測(cè)；預(yù)警；空氣

中圖分類號(hào) X84 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2018）01-0062-03

Abstract：Real-time online monitoring and pre-warning software for haze is based on ARCGIS. The software supports multiple operating systems. Major functions include monitoring，pre-warning，statistical analysis，parameter setup and log management. The operation is very simple. The software is of great significance to the online monitoring and management for haze.

Key words：Haze：Online monitoring；Pre-warning；Atmosphere

1 研究背景

PM2.5是指環(huán)境空氣中空氣動(dòng)力學(xué)直徑小于等于2.5μm的漂浮顆粒物[1]，直徑不到人類的頭發(fā)絲粗細(xì)的1/20[2]，是引發(fā)霧霾天氣的元兇。2015年8月5日，中國(guó)科學(xué)家首次揭示了PM2.5空氣污染物的納米力學(xué)性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)其中的煤煙聚集物因其高粘附性和聚合性對(duì)人體最具毒害性[3]。PM2.5對(duì)人類造成的傷害主要包括呼吸道受刺激、咳嗽、呼吸困難、降低肺功能、加重哮喘、導(dǎo)致慢性支氣管炎、非致命性的心臟病、心肺病患者的過(guò)早死等[4]。一份來(lái)自聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署的報(bào)告稱，PM2.5的濃度每上升20μg/m3，中國(guó)和印度每年約有34萬(wàn)人死亡[5]。2012年2月29日，國(guó)務(wù)院發(fā)布的新修訂的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)PM2.5濃度限值做出了以下規(guī)定，要求PM2.5年平均濃度值在0.035mg/Nm3以下，24h平均濃度值在0.075mg/Nm3以下，并逐漸納入各省市強(qiáng)制監(jiān)測(cè)范圍。

由于近年來(lái)由細(xì)顆粒物PM2.5引起的空氣污染現(xiàn)象愈加嚴(yán)重，人類開(kāi)始重視對(duì)PM2.5的防治工作，以美國(guó)為代表的幾個(gè)發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛制定出PM2.5監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。隨后Rinehart[6]等在美國(guó)加利福尼亞地區(qū)建立20個(gè)觀測(cè)站，用以研究PM2.5的空氣質(zhì)量；Appel[7]，Senaratne[8]和Sisler[9]等對(duì)PM2.5有關(guān)因素進(jìn)行分析；Waston[10]，Schichtel[11]等對(duì)城市PM2.5危害進(jìn)行研究；Chameides[12]等研究氣溶膠光學(xué)厚度和區(qū)域霾污染對(duì)水稻和小麥產(chǎn)量的影響[13]。

隨著空氣質(zhì)量的急劇惡化，陰霾天氣現(xiàn)象出現(xiàn)次數(shù)增多，危害加重，因此，研究霧霾氣體中PM2.5的在線監(jiān)測(cè)及去除迫在眉睫[14]。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)組織形式 實(shí)現(xiàn)霧霾實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)需要多種數(shù)據(jù)的支持。為使數(shù)據(jù)組織明晰、便于數(shù)據(jù)管理，系統(tǒng)采用文件地理數(shù)據(jù)庫(kù)和Access數(shù)據(jù)庫(kù)2種方式存儲(chǔ)應(yīng)用的數(shù)據(jù)。其中文件數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)和地圖密切相關(guān)的數(shù)據(jù)，主要包括地圖數(shù)據(jù)和測(cè)站位置數(shù)據(jù)。Access數(shù)據(jù)存儲(chǔ)用戶信息數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)儀屬性數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)儀監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（圖1）。

2.2 系統(tǒng)總體功能設(shè)計(jì)

2.2.1 系統(tǒng)需求 （1）基本地圖功能：對(duì)檢測(cè)儀器進(jìn)行可視化管理，對(duì)測(cè)站的監(jiān)測(cè)范圍進(jìn)行可視化分析，對(duì)地圖的基本操作，全圖、放大、縮小、漫游、前一視圖、后一視圖。（2）數(shù)據(jù)導(dǎo)入功能：導(dǎo)入監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行展示（以Excel表格的形式）等。（3）分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)：對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分段顯示，超過(guò)一定的值進(jìn)行警報(bào)。

2.2.2 系統(tǒng)需求分析結(jié)果 根據(jù)需求將系統(tǒng)主要分為三大功能模塊：基本功能模塊、儀器管理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊?；竟δ苣K主要對(duì)系統(tǒng)用到的圖層進(jìn)行操作；儀器管理功能模塊用來(lái)對(duì)儀器的初始化配置、監(jiān)測(cè)儀器參數(shù)設(shè)置（圖2）。

3 主要功能及特色

3.1 軟件登錄 點(diǎn)擊電腦桌面上的霧霾實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)，首次登錄用戶需要輸入賬號(hào)和密碼進(jìn)行登錄，輸入完正確的賬號(hào)和密碼之后，點(diǎn)擊界面下方的登錄按鈕。用戶即可進(jìn)入該軟件。用戶進(jìn)入該軟件之后，便會(huì)展現(xiàn)軟件的主界面。

3.2 系統(tǒng)主界面介紹 系統(tǒng)主界面非為三大部分：工具欄、測(cè)站列表、地圖展示（包含狀態(tài)信息）。

3.3 監(jiān)測(cè)儀配置

3.3.1 監(jiān)測(cè)儀初始化 監(jiān)測(cè)儀配置里面主要包含監(jiān)測(cè)儀名稱、監(jiān)測(cè)儀編號(hào)、監(jiān)測(cè)儀類型、監(jiān)測(cè)儀協(xié)議、監(jiān)控方式、監(jiān)測(cè)儀地址等，連接監(jiān)測(cè)儀之后，把對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)儀信息填入，然后點(diǎn)擊確定，在配置結(jié)果欄打印出儀器配置的結(jié)果，如打印日志顯示：“監(jiān)測(cè)儀配置成功！”“監(jiān)測(cè)儀數(shù)據(jù)采集初始化成功”表明監(jiān)測(cè)儀配置完成并能進(jìn)行監(jiān)測(cè)儀的連接。

3.3.2 監(jiān)測(cè)儀連接 監(jiān)測(cè)儀配置成功之后，點(diǎn)擊監(jiān)測(cè)儀連接，在監(jiān)測(cè)儀連接配置窗體中，可以對(duì)監(jiān)測(cè)儀連接協(xié)議、檢測(cè)控制方式、監(jiān)測(cè)儀地址進(jìn)行顯性設(shè)置。當(dāng)設(shè)置不符合儀器連接標(biāo)準(zhǔn)是點(diǎn)擊“連接”按鈕后會(huì)在配置結(jié)果中打印出錯(cuò)誤信息。結(jié)果顯示監(jiān)測(cè)儀自動(dòng)霧霾監(jiān)測(cè)初始化成功，表明監(jiān)測(cè)儀連接成功一切配置正?？梢赃M(jìn)行數(shù)據(jù)上傳。

3.3.3 監(jiān)測(cè)儀參數(shù)設(shè)置 監(jiān)測(cè)儀參數(shù)設(shè)置主要包括監(jiān)測(cè)儀編號(hào)、所在城市、監(jiān)測(cè)儀名稱、監(jiān)測(cè)范圍、維護(hù)負(fù)責(zé)人、工作狀態(tài)、維護(hù)時(shí)間等信息，根據(jù)具體的監(jiān)測(cè)儀，設(shè)置相應(yīng)的監(jiān)測(cè)參數(shù)。

3.3.4 監(jiān)測(cè)儀控制器設(shè)置 監(jiān)測(cè)儀控制器參數(shù)設(shè)置主要包括編號(hào)、監(jiān)測(cè)儀控制器型號(hào)，產(chǎn)品監(jiān)測(cè)粒子的類型、光源、流量、采集時(shí)間、電源、電池工作壽命、外形尺寸等。endprint

3.3.5 監(jiān)測(cè)儀報(bào)警設(shè)置 監(jiān)測(cè)儀報(bào)警設(shè)置主要包含以下幾項(xiàng)：警戒值、允許誤差、最小值、最大值、自動(dòng)報(bào)警的開(kāi)啟和關(guān)閉、采集間隔等。

3.4 數(shù)據(jù)處理

3.4.1 數(shù)據(jù)采集 連接好監(jiān)測(cè)儀，對(duì)監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行初始化、配置、參數(shù)設(shè)置，預(yù)警參數(shù)設(shè)置等之后，點(diǎn)擊數(shù)據(jù)采集，軟件開(kāi)始采集監(jiān)測(cè)儀監(jiān)測(cè)的霧霾數(shù)據(jù)。

3.4.2 導(dǎo)入數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)可以通過(guò)連接監(jiān)測(cè)儀直接進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，也可以利用現(xiàn)有的Excel數(shù)據(jù)文件，點(diǎn)擊數(shù)據(jù)導(dǎo)入，在彈出的數(shù)據(jù)導(dǎo)入界面中，選擇已有的數(shù)據(jù)所在路徑，點(diǎn)擊“開(kāi)始導(dǎo)入數(shù)據(jù)”按鈕進(jìn)行數(shù)據(jù)導(dǎo)入。

3.4.3 查看數(shù)據(jù) 通過(guò)監(jiān)測(cè)儀采集完數(shù)據(jù)之后，點(diǎn)擊查看數(shù)據(jù)，可以查看采集到的霧霾數(shù)據(jù)。

3.4.4 數(shù)據(jù)分析 用戶在使用系統(tǒng)時(shí)，可以在數(shù)據(jù)處理下點(diǎn)擊數(shù)據(jù)分析，系統(tǒng)采用不同顏色表示不同霧霾閾值。

4 結(jié)果與分析

霧霾實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)具備如下特點(diǎn)：

（1）軟件的新穎性：將各種數(shù)據(jù)通過(guò)該軟件進(jìn)行精確的計(jì)算，并通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，充分體現(xiàn)了“互聯(lián)網(wǎng)+”的相關(guān)理念要求。

（2）產(chǎn)品的新穎性：將傳感器接收到的各種數(shù)據(jù)和信號(hào)通過(guò)計(jì)算機(jī)和本軟件相互聯(lián)系，時(shí)時(shí)刻刻監(jiān)控實(shí)驗(yàn)的程度，數(shù)據(jù)的變化，如果超過(guò)預(yù)定值就會(huì)發(fā)出警報(bào)，就應(yīng)改變模擬條件和數(shù)據(jù)參量，不僅可以促進(jìn)裝置上不斷優(yōu)化，還有機(jī)的調(diào)動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)的和諧輔助工作，極大地提高了產(chǎn)品的可行性和真實(shí)性。

5 結(jié)論

近年來(lái)，由于空氣污染造成的霧霾天氣在我國(guó)頻繁出現(xiàn)，引起人們廣泛注意。尤其是在工業(yè)發(fā)達(dá)、人口密集的華北和中東部地區(qū)，霧霾天氣出現(xiàn)的頻率高，覆蓋的面積廣霧霾是大氣污染物PM2.5被提出后才引起人們格外注意的天氣現(xiàn)象。其不僅危害人們的身體健康，而且其對(duì)輸變電設(shè)備的影響也引起了電力系統(tǒng)人們的擔(dān)心。

因此，各大高校實(shí)驗(yàn)室和相關(guān)企業(yè)部門實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)對(duì)霧霾在線監(jiān)測(cè)及預(yù)警做出大量研究，在這樣的大環(huán)境下，此產(chǎn)品和軟件應(yīng)運(yùn)而生。將會(huì)大面積推廣，為各霧霾的治理及預(yù)防、實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)科研做貢獻(xiàn)，方便實(shí)驗(yàn)進(jìn)行。

參考文獻(xiàn)

[1]王勇，劉嚴(yán)萍，李江波，等.水汽和風(fēng)速對(duì)霧霾中PM2.5/PM10變化的影響[J].災(zāi)害學(xué)，2015，30（1）：5-7.

[2]楊洪斌，鄒旭東，汪宏宇，等.大氣環(huán)境中PM2.5的研究進(jìn)展與展望[J].氣象與環(huán)境學(xué)報(bào)，2012，28（3）：77- 82.

[3]王秦，陳曦，何公理，等.北京市城區(qū)冬季霧霾天氣PM2.5中元素特征研究[J].光譜學(xué)和光譜分析.2013，6：1441-1445.

[4]李占五.治理PM2.5污染需要采取綜合措施[J].中外能源，2013，18（9）：7-13.

[5]楊新興，馮麗華，尉鵬.大氣顆粒物PM2.5及其危害[J].中國(guó)環(huán)境學(xué)科研究院，2012，1（6）：22-30.

[6]Rinehart L R，F(xiàn)ujita E M，Choe J C.Spatial distribution of PM2.5 associated organic compounds in central California[J].Atmospheric Environment，2005（40）：290-303.

[7]Appel B R，Tokiwa J H，Hsu J，et al.Visibility as related to atmospheric aerosol constituents[J].Atmospheric Environment，1985，19（9）：1525-1534.

[8]Senartne I.Elemental composition in source identification of brown haze in Auckland，New Zealand[J].Atmospheric Environment，2004，38（19）：3049-3059.

[9]Sisler J F，Malm W C.The relative importance of soluble aerosols to spatial and seasonal trends of impaired visibility in the United States[J].Atmospheric Environment，1994，28（5）：851-862.

[10]Watson J G，Visibility.Science and regulation[J].Journal of the Air & Waste Management Association，2002，52（6）：628-713.

[11]Schichtel B A，Husar R B，F(xiàn)alke S R，et al. Haze trends over the United States，1980-1995[J].Atmospheric Environment，2001，35（30）：5205-5210.

[12]Chameides W L，Yu H，Lin S C，et al.Case study of the effects of atmospheric aerosols and regional haze on agriculture An opportunity to enhance crop yields in Chine through emission controls[J].Journal of Geophysical Research，1999，96（24）：1029-2001.

[13]謝心慶，鄭薇.國(guó)內(nèi)外PM2.5研究進(jìn)展綜述[J].電力科技與環(huán)保，2015，31（4）.

[14]陶巍巍，許曉楠，華海寧.PM2.5監(jiān)測(cè)技術(shù)及防控措施研究[J].山東交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，2：80-83.

（責(zé)編：張宏民）endprint