建筑施工場所揚塵噪聲在線監(jiān)測系統(tǒng)研究與設(shè)計

蘭 琪

(山西省自動化研究所，山西 太原 030012)

隨著城市建設(shè)規(guī)模的不斷擴展，工程建設(shè)所造成的環(huán)境污染問題日益突出，主要體現(xiàn)在建筑施工所帶來的揚塵污染與改善大氣環(huán)境質(zhì)量之間的矛盾、噪聲侵害與居民居住舒適度之間的矛盾等方面，如何對其進行有效的治理與管控已經(jīng)成為城市環(huán)保領(lǐng)域近年來亟待解決的難題[1]。

現(xiàn)行的治理措施首先是要在前期建設(shè)項目審批上把好源頭關(guān)，嚴格執(zhí)行環(huán)境影響評價制度，其次就是在施工過程中進行有效的監(jiān)管和治理，這便對工程建設(shè)中環(huán)境狀況監(jiān)測的手段提出更高的要求，如何保證及時準確地獲取特定地點甚至特定時間的環(huán)境狀態(tài)參數(shù)是評估工程對環(huán)境影響程度的重要前提，由此，本文針對此問題展開了關(guān)于建筑工地揚塵噪聲在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究。

1 主要研究內(nèi)容

揚塵噪聲在線監(jiān)測系統(tǒng)用于對施工現(xiàn)場環(huán)境進行24小時不間斷的無人值守自動監(jiān)測，并把監(jiān)測數(shù)據(jù)通過有線或無線等方式傳入上層云平臺進行數(shù)據(jù)分析，是集數(shù)據(jù)采集、實時展示、統(tǒng)計分析、預(yù)警及報警等功能為一體的揚塵噪聲綜合監(jiān)測系統(tǒng)。

1.1 系統(tǒng)技術(shù)原理

揚塵噪聲在線監(jiān)測系統(tǒng)主要分為環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)及工地環(huán)境在線監(jiān)測云平臺三大部分，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 揚塵噪聲在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

揚塵噪聲在線監(jiān)測系統(tǒng)就是設(shè)置于施工現(xiàn)場，利用各種傳感器實時測定周圍的環(huán)境參數(shù)，諸如溫度、濕度、噪音、PM2.5、PM10、風(fēng)力、風(fēng)向、氣壓等環(huán)境信息以及現(xiàn)場視頻信息，然后傳入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將數(shù)據(jù)經(jīng)過取整、濾波、映射等處理后進行輸出，將環(huán)境信息顯示于數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)便于現(xiàn)場人員進行觀測，同時將環(huán)境與視頻信息上傳至云平臺進行存儲分析，還可與相關(guān)部門平臺進行對接，將環(huán)境信息實時上報，并以此為依據(jù)開展施工現(xiàn)場指導(dǎo)工作，其現(xiàn)場安裝效果如圖2所示。

圖2 揚塵噪聲在線監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場安裝效果

1.2 硬件配置

本系統(tǒng)的硬件配置包括揚塵監(jiān)測模塊、噪聲監(jiān)測模塊、視頻監(jiān)控模塊、氣象監(jiān)測模塊、數(shù)據(jù)采集與處理模塊等部分，模塊化的設(shè)計可以為后期維護升級等工作帶來極大的便利。

1.2.1 揚塵監(jiān)測模塊

揚塵監(jiān)測模塊具有自動除塵除濕及溫度保護功能，維護量小，通過RS485接口使用Modbus協(xié)議進行通訊，其原理如圖3所示。使用精密流量控制的真空泵吸入攜帶揚塵顆粒物的空氣作為待測試氣體送入設(shè)有傳感器測量組件的光學(xué)測量室，測量組件采用Gustav Mie粒子光散射法對待測氣體進行連續(xù)自動監(jiān)測，當激光照射到通過檢測位置的顆粒物時會產(chǎn)生微弱的光散射，在特定方向上的光散射波形與顆粒直徑有關(guān)，通過不同粒徑的波形分類統(tǒng)計及換算公式可以得到不同粒徑的實時顆粒物數(shù)量濃度[2]，然后根據(jù)傳感器輸出信號結(jié)合系數(shù)標定方法可以得到空氣中統(tǒng)一單位的揚塵質(zhì)量濃度，測量量程能夠達到0.001～10 mg/m3。

1.2.2 噪聲監(jiān)測模塊

噪聲監(jiān)測模塊將環(huán)境噪聲經(jīng)過噪聲傳感器、放大器、AD轉(zhuǎn)換等設(shè)備的處理，然后通過噪聲A計權(quán)計算方法將其計算為分貝值，再經(jīng)過信號轉(zhuǎn)換后通過RS485接口將信號輸出，測量范圍能夠達到30～130 dB，如圖4所示。

圖3 揚塵顆粒物測量原理

圖4 噪聲檢測原理

1.2.3 視頻監(jiān)控模塊

視頻監(jiān)控模塊由高清球形攝像機和硬盤錄像機組成，攝像機可按監(jiān)控區(qū)域設(shè)置多個預(yù)置點位實現(xiàn)定時定點巡檢和超標圖片抓拍功能，攝像機內(nèi)置全向云臺，采用H.264雙碼流壓縮，碼率可實現(xiàn)2 kB～512 kB連續(xù)調(diào)節(jié)，紅外夜視距離達到120 m，使用標準RJ45接口進行通訊，設(shè)備通電運行后將攝像機采集的視頻圖像源源不斷地存儲到硬盤錄像機中，作為監(jiān)管人員進行管理工作的重要依據(jù)，系統(tǒng)測量的噪聲、揚塵等檢測值可直接疊加于視頻監(jiān)控畫面上，協(xié)助監(jiān)管人員完成施工現(xiàn)場的揚塵情況監(jiān)管工作。

1.2.4 氣象監(jiān)測模塊

氣象監(jiān)測模塊包含有風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度、大氣壓等環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測，為揚塵和噪聲監(jiān)測數(shù)據(jù)的后期分析提供氣象參數(shù)依據(jù)。風(fēng)速監(jiān)測采用三風(fēng)杯風(fēng)速傳感器測量，風(fēng)杯使用碳纖維材質(zhì)，內(nèi)置信號處理單元能根據(jù)用戶需求輸出0～2.5 V電壓作為相應(yīng)風(fēng)速信號，測量范圍為0～45 m/s；風(fēng)向監(jiān)測采用配備有精密電位器的低慣性輕金屬風(fēng)向標傳感器響應(yīng)風(fēng)向，動態(tài)性較好，觀測方便，其輸出具有良好的線性特征，啟動風(fēng)速為≤0.5 m/s；溫濕度與氣壓監(jiān)測采用百葉箱型高精度全數(shù)字化監(jiān)測傳感器，可準確、快速檢測出大氣溫度、大氣濕度及大氣壓力，內(nèi)置信號處理單元根據(jù)用戶需求輸出0～2.5 V電壓信號，溫度測量范圍-50 ℃～80 ℃，濕度測量范圍0～100%RH，氣壓測量范圍10～1 100 hPa。

1.2.5 數(shù)據(jù)采集與處理模塊

本模塊負責對各種監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)換、檢查與存儲等，并可按照后臺設(shè)定指令完成相應(yīng)校準、系數(shù)調(diào)優(yōu)、數(shù)據(jù)定時發(fā)送、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測等功能，可以對采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行初步的統(tǒng)計分析處理，其主要組件是全封閉式低功耗工控機，配備有6個COM口，日常使用功率可低至12 W。工控機在可編程性、穩(wěn)定性、可擴展性等方面均優(yōu)于相比于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集板，其上位機數(shù)據(jù)采集與傳輸程序采用C#語言編寫，另外還配備有7寸人機界面，便于后期檢修與維護升級時對設(shè)定參數(shù)、傳輸程序的更改。

1.3 工地環(huán)境在線監(jiān)測云平臺

工地環(huán)境在線監(jiān)測云平臺可實時獲取由安裝于現(xiàn)場的揚塵噪聲監(jiān)測系統(tǒng)所上報的所有工地現(xiàn)場環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，同時，云平臺可以設(shè)定各項環(huán)境監(jiān)測指標的閾值，當對應(yīng)的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)超過設(shè)定值時可發(fā)出預(yù)警信息，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)與預(yù)警信息通過網(wǎng)頁推送、短信等渠道呈現(xiàn)予相關(guān)用戶。

具有相關(guān)權(quán)限的用戶登陸平臺后，可按所屬區(qū)域在GIS地圖上展示各個監(jiān)測點位的位置、設(shè)備狀態(tài)及環(huán)境信息，有利于用戶進行總體上的評估，也可以按各項實時數(shù)據(jù)對各監(jiān)測點進行列表排序顯示，方便各監(jiān)測點之間的排查工作。同時，平臺所記錄的環(huán)境信息詳細歷史數(shù)據(jù)及均值等信息可以通過曲線變化趨勢的方式呈現(xiàn)，便于用戶進行單點分析，平臺部分界面如圖5所示。

圖5 工地環(huán)境在線監(jiān)測云平臺部分界面

2 實施案例

系統(tǒng)經(jīng)過初步組裝調(diào)試后，選擇市區(qū)中位于不同區(qū)域的若干施工工地進行試點運行，每個施工工地根據(jù)工地占地面積設(shè)置監(jiān)測點個數(shù)，理論上占地面積在4 000 m2以上20 000 m2以下至少設(shè)置1個監(jiān)測點，占地面積在20 000 m2以上每增加10 000 m2宜增設(shè)1個監(jiān)測點[3]。經(jīng)過數(shù)月的測試運行，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，未出現(xiàn)重大故障，數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性與準確性均能得到保障，可在各施工工地進一步推廣。

3 總結(jié)

本系統(tǒng)實現(xiàn)了全天候、全區(qū)域、全時段的施工場所揚塵噪聲連續(xù)監(jiān)測與管理，顯著改善了相關(guān)人員與部門的工作效率，同時，揚塵噪聲數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測有利于從源頭上減少工地環(huán)境污染；通過云平臺對環(huán)境信息數(shù)據(jù)的歷史記錄和后期分析統(tǒng)計，可以為管理人員的決策管理提供有力技術(shù)支持，具有指導(dǎo)性作用，為工地施工管理的數(shù)字化和智能化奠定了基礎(chǔ)。

隨著研究的繼續(xù)推進，本系統(tǒng)可以從以下幾個方面進一步完善：首先，增強本系統(tǒng)與降塵系統(tǒng)的聯(lián)動性，如霧炮噴淋系統(tǒng)、圍墻噴淋系統(tǒng)、塔吊噴淋系統(tǒng)等降塵系統(tǒng)，在相關(guān)指標達到預(yù)設(shè)值后，系統(tǒng)自動發(fā)出指令開啟降塵系統(tǒng)，直到環(huán)境指標達到設(shè)定的優(yōu)良為止；其次，增加移動端平臺的監(jiān)測與控制功能，隨著可移動手持設(shè)備的普及，用戶從PC端轉(zhuǎn)向移動端的需求日益增強，開發(fā)移動客戶端可以使用戶更加便捷地瀏覽各監(jiān)測點信息并及時做出相應(yīng)策略；另外，需挖掘歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)的潛在利用率，讓其發(fā)揮出更多價值，可增加后期數(shù)據(jù)的分析與預(yù)測功能，例如通過風(fēng)速風(fēng)向等信息對揚塵的運動趨勢做出科學(xué)預(yù)測和報警，以及根據(jù)不同的氣象條件科學(xué)地修正監(jiān)測數(shù)據(jù)等功能。

[1] 趙晨陽.建筑施工揚塵監(jiān)測與危害程度評價研究[D].北京：首都經(jīng)濟貿(mào)易大學(xué),2015.

[2] 任麗娜,張良,陳春生.激光散射法測量煙幕質(zhì)量濃度的試驗研究[J].中國粉體技術(shù),2011,17(3):8-11.

[3] 孫猛,高翔,劉茂輝,等.揚塵在線監(jiān)測在施工工地揚塵污染監(jiān)管中的應(yīng)用研究[J].環(huán)境科學(xué)與管理,2016,41(11):142-145.