揚(yáng)塵智能監(jiān)管系統(tǒng)的建設(shè)與展望

劉瀚文

摘 要：大氣揚(yáng)塵造成的污染對(duì)自然環(huán)境和公眾健康都造成了嚴(yán)重的危害，因此，對(duì)大氣揚(yáng)塵進(jìn)行有效的監(jiān)管就顯得至關(guān)重要。基于城市空氣質(zhì)量管理的迫切需要，文章介紹了一個(gè)可對(duì)大氣揚(yáng)塵進(jìn)行智能監(jiān)管的系統(tǒng)，展示了該揚(yáng)塵智能監(jiān)管系統(tǒng)的建設(shè)目標(biāo)、系統(tǒng)架構(gòu)、組成和系統(tǒng)功能，并提出深入、充分挖掘監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)共享的理念。

關(guān)鍵詞：大氣揚(yáng)塵；智能監(jiān)管；數(shù)據(jù)挖掘

隨著產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，城區(qū)空氣污染問(wèn)題日益嚴(yán)峻，尤其是大氣顆粒物污染，更是嚴(yán)重影響了公眾的身體健康。而學(xué)者研究結(jié)果表明，“我國(guó)城市都面臨著某些相似的問(wèn)題，例如揚(yáng)塵、二次生成、燃煤和機(jī)動(dòng)車排放是大多數(shù)城市顆粒物污染的重要來(lái)源?！盵1]

目前，在大氣污染治理中存在一些亟待解決的問(wèn)題，“我國(guó)正處于城市建設(shè)的快速發(fā)展期，工程施工每天都在眾多的、分散的地點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行著。而監(jiān)管部門人員數(shù)量有限，不可能每天都到各個(gè)施工地點(diǎn)去巡查”[2]；大氣污染治理環(huán)節(jié)多、揚(yáng)塵來(lái)源廣、管理成本高、信息不能實(shí)現(xiàn)及時(shí)共享。

因此，建立一套針對(duì)大氣揚(yáng)塵的“智能監(jiān)管系統(tǒng)”顯得尤為重要。借助該系統(tǒng)，監(jiān)管部門就可以通過(guò)整體布局，對(duì)區(qū)域內(nèi)建筑工地與企業(yè)工廠等揚(yáng)塵源的狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，提供科學(xué)準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；全面了解區(qū)域內(nèi)的揚(yáng)塵源附近的空氣質(zhì)量及其實(shí)時(shí)變化，探明污染來(lái)源，為各級(jí)環(huán)境監(jiān)管部門的工作提供寶貴的決策依據(jù)。

1 建設(shè)目標(biāo)

通過(guò)建立針對(duì)大氣揚(yáng)塵的“智能監(jiān)管系統(tǒng)”，創(chuàng)新監(jiān)管機(jī)制，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化管理。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各個(gè)建設(shè)工地、企業(yè)工廠等的揚(yáng)塵排放對(duì)區(qū)域環(huán)境影響的總量，可以及時(shí)確定不同區(qū)域揚(yáng)塵排放突出的項(xiàng)目，并且能夠定量確定環(huán)境監(jiān)管執(zhí)法的重點(diǎn)，給環(huán)境監(jiān)測(cè)與管理活動(dòng)提供技術(shù)與數(shù)據(jù)支撐。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

“揚(yáng)塵智能監(jiān)管系統(tǒng)”是一個(gè)集實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、超標(biāo)報(bào)警、數(shù)據(jù)評(píng)估、執(zhí)法監(jiān)督等多項(xiàng)功能于一體的綜合性應(yīng)用平臺(tái)。數(shù)據(jù)平臺(tái)的各層模塊相互提供服務(wù)支撐能力，并存在遞進(jìn)式的服務(wù)關(guān)系，整個(gè)系統(tǒng)劃分為3層。

（1）感知層：核心設(shè)備為在線監(jiān)測(cè)儀，監(jiān)測(cè)、監(jiān)控參數(shù)包括：PM10、PM2.5，還可擴(kuò)展監(jiān)測(cè)噪聲、氣象參數(shù)，并輔以視頻監(jiān)控。

（2）傳輸層：傳輸層支持有線、無(wú)線等方式傳輸各種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

（3）管理平臺(tái)（平臺(tái)層/應(yīng)用層）：通過(guò)建立數(shù)據(jù)服務(wù)云平臺(tái)，依托揚(yáng)塵監(jiān)測(cè)儀器的在線數(shù)據(jù)，進(jìn)行系統(tǒng)分析，提供跨區(qū)域、全時(shí)間、多層次的數(shù)據(jù)挖掘和對(duì)比，為科學(xué)治理?yè)P(yáng)塵提供數(shù)據(jù)支撐。

應(yīng)用層面向基于管理部門、建筑工地、企業(yè)工廠等不同用戶的客戶端系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)基于顆粒物和噪聲、視頻、氣象等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的在線監(jiān)測(cè)與超標(biāo)報(bào)警的功能，并能夠提供面向不同管理層的各種統(tǒng)計(jì)分析與管理建議。

3 在線監(jiān)測(cè)儀

3.1 工作原理

顆粒物濃度檢測(cè)的主要方法有重量法、β射線吸收法、振蕩天平法、激光散射法等。其中重量法、β射線吸收法、振蕩天平法主要應(yīng)用于對(duì)于顆粒物濃度檢測(cè)精度要求較高的場(chǎng)合，“不足之處在于工作量大、步驟繁瑣，測(cè)量過(guò)程不能滿足實(shí)時(shí)性的要求。”[3]“激光散射檢測(cè)法的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)時(shí)在線測(cè)量、測(cè)量速度快、測(cè)量精度較高等，因此，在顆粒物測(cè)定方面得到了廣泛應(yīng)用?！盵4]

光散射法原理：“當(dāng)光照射在空氣中懸浮的顆粒物上時(shí)，將會(huì)形成散射光的現(xiàn)象。在顆粒物性質(zhì)一定的條件下，顆粒物的散射光強(qiáng)度與其質(zhì)量濃度成正比。通過(guò)測(cè)量散射光強(qiáng)度，應(yīng)用質(zhì)量濃度轉(zhuǎn)換系數(shù)，即可求得顆粒物的質(zhì)量與濃度?！盵5]激光散射法原理最為適合“揚(yáng)塵智能監(jiān)管系統(tǒng)”對(duì)于數(shù)據(jù)的精確性、實(shí)時(shí)性的較高要求，因此，本系統(tǒng)配備的在線監(jiān)測(cè)儀將采用光散射法來(lái)檢測(cè)顆粒物濃度。

3.2 設(shè)備組成

在線監(jiān)測(cè)儀是前端感知層的核心設(shè)備，主要由現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)傳感器、顯示單元、無(wú)線傳輸單元、定位單元、設(shè)備控制單元、供電單元等組成。

3.2.1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)傳感器

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)傳感器包括顆粒物傳感器（可檢測(cè)PM2.5、PM10），還可添加噪聲傳感器、氣象傳感器、攝像頭等，可根據(jù)不同的功能需求選擇配置。

3.2.2 顯示單元

設(shè)備采用LED顯示屏方式對(duì)采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)顯示。

3.2.3 無(wú)線通訊單元

設(shè)備采用GPRS方式將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線通訊的方式上傳給數(shù)據(jù)中心并儲(chǔ)存。

3.2.4 定位單元

內(nèi)置GPS模塊，實(shí)時(shí)定位，智能上傳位置信息。

3.2.5 設(shè)備控制單元

設(shè)備控制單元采用單片機(jī)作為主控中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)傳感器數(shù)據(jù)的采集，對(duì)采集數(shù)據(jù)的本地顯示以及數(shù)據(jù)打包上傳等控制功能。

3.2.6 設(shè)備供電單元

設(shè)備采用12 V穩(wěn)壓電源供電，也可以裝配太陽(yáng)能電池，部分使用太陽(yáng)能供電，以提升續(xù)航能力。

4 系統(tǒng)功能

“揚(yáng)塵智能監(jiān)管系統(tǒng)”面向不同管理層面設(shè)計(jì)了分級(jí)管理功能，提供適應(yīng)分級(jí)管理的軟件功能。管理功能主要包括以下內(nèi)容。

4.1 基于電子地圖的數(shù)據(jù)發(fā)布和管理

可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行各種基于Web-GIS的演示和發(fā)布，同時(shí)也可生成各種專題圖、趨勢(shì)分析圖等GIS圖表。

4.2 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能

實(shí)時(shí)顯示在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，包括顆粒物濃度、噪聲等級(jí)、氣象參數(shù)等。并以曲線、圖表等形式展現(xiàn)實(shí)時(shí)、24小時(shí)或任意時(shí)間段的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、小時(shí)均值等。

4.3 統(tǒng)計(jì)報(bào)表功能

自動(dòng)統(tǒng)計(jì)小時(shí)均值，可自動(dòng)生成并存儲(chǔ)；基本統(tǒng)計(jì)報(bào)表包括日?qǐng)?bào)表、周報(bào)表、月報(bào)表、季報(bào)表和年報(bào)表，包括均值、最大和最小值、超標(biāo)率和超標(biāo)倍數(shù)等統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

4.4 查詢功能

可查詢?nèi)我鈺r(shí)間段內(nèi)同一監(jiān)測(cè)點(diǎn)的歷史監(jiān)測(cè)結(jié)果；可查詢同一區(qū)域不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的歷史監(jiān)測(cè)結(jié)果；可查詢不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)同一時(shí)間的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，查詢結(jié)果以圖示和報(bào)表兩種方式顯示?？梢杂肊xcel格式導(dǎo)出所有監(jiān)測(cè)結(jié)果，便于數(shù)據(jù)歸檔、整理與分析。

4.5 超標(biāo)報(bào)警提示

可根據(jù)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)所處位置的環(huán)境敏感程度、管理要求的差異等，設(shè)置不同的告警標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)達(dá)到了相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，產(chǎn)生相應(yīng)的告警。可為每個(gè)站點(diǎn)設(shè)置告警信息處理人，告警產(chǎn)生時(shí)可以自動(dòng)發(fā)送信息通知到該處理人，處理人可以登錄系統(tǒng)并錄入對(duì)該告警的處理情況，系統(tǒng)可以查詢統(tǒng)計(jì)告警處理情況等。

4.6 數(shù)據(jù)對(duì)比分析

實(shí)現(xiàn)不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)顆粒物濃度比較，不同區(qū)域顆粒物濃度比較，不同工程類型、施工工期比較，以便環(huán)境監(jiān)管部門橫向?qū)φ蛰爡^(qū)內(nèi)各項(xiàng)目的揚(yáng)塵污染情況，以作出合理的、有針對(duì)性的環(huán)境監(jiān)管決策。

4.7 趨勢(shì)分析

通過(guò)實(shí)時(shí)和歷史趨勢(shì)分析，本系統(tǒng)可以了解該地某個(gè)時(shí)間段的揚(yáng)塵污染情況，從而為監(jiān)管提供科學(xué)依據(jù)，整合氣象參數(shù)，根據(jù)既往的揚(yáng)塵動(dòng)態(tài)變化分析和積累的函數(shù)模型，對(duì)預(yù)期中的空氣污染情況作出智能預(yù)測(cè)與實(shí)時(shí)預(yù)警。

4.8 站點(diǎn)基本信息管理

監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量、監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置、占地面積、項(xiàng)目負(fù)責(zé)人等基本監(jiān)測(cè)信息，均可按照行政管理區(qū)域?qū)崿F(xiàn)精確查詢。

4.9 數(shù)據(jù)共享

結(jié)合多維度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)收集、整理、無(wú)線上傳和共享，根據(jù)各監(jiān)管部門提供的定制數(shù)據(jù)的應(yīng)用模式，實(shí)現(xiàn)以大數(shù)據(jù)應(yīng)用為基礎(chǔ)的多部門聯(lián)合監(jiān)管。

5 結(jié)語(yǔ)

應(yīng)用“揚(yáng)塵智能監(jiān)管系統(tǒng)”，可將建筑工地、企業(yè)工廠等揚(yáng)塵污染項(xiàng)目納入實(shí)時(shí)在線監(jiān)控和監(jiān)管體系中，實(shí)現(xiàn)揚(yáng)塵污染“早發(fā)現(xiàn)、早預(yù)警、早干預(yù)”，對(duì)提升環(huán)境監(jiān)管能力意義重大。

另外，在現(xiàn)有系統(tǒng)的基礎(chǔ)功能上，還需要充分挖掘分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，如不同季節(jié)數(shù)據(jù)分析對(duì)比、不同項(xiàng)目類型數(shù)據(jù)分析、不同項(xiàng)目主體、不同項(xiàng)目階段數(shù)據(jù)分析等，根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，形成有針對(duì)性、可量化的管理措施，提高管理效率。建立跨區(qū)域或全國(guó)性揚(yáng)塵監(jiān)測(cè)管理的大數(shù)據(jù)平臺(tái)，加強(qiáng)數(shù)據(jù)共享，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)充分挖掘和分析，梳理管理經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)化管理流程，提升整體揚(yáng)塵管理水平。根據(jù)監(jiān)測(cè)需求，拓展應(yīng)用領(lǐng)域，選用不同的氣態(tài)、顆粒物、氣象等傳感設(shè)備，監(jiān)測(cè)不同環(huán)境參數(shù)，展開(kāi)適合不同行業(yè)和管理部門的應(yīng)用。

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