高速公路建設(shè)期環(huán)境網(wǎng)格化監(jiān)測系統(tǒng)研究

方若全 徐 杰 楊友森 明 珠

（1 江蘇省交通建設(shè)局 江蘇南京 210093 2 江蘇中路工程技術(shù)研究院 江蘇南京 210093）

引言

高速公路作為我國交通工程建設(shè)項(xiàng)目中功能最為齊全便捷的基礎(chǔ)設(shè)施之一，其飛速發(fā)展極大的促進(jìn)了國民經(jīng)濟(jì)提高[1]。然而，在高速公路施工建設(shè)全過程中，將導(dǎo)致施工路段周圍環(huán)境大量污染。同時(shí)，《十四五規(guī)劃》提出“加快推動(dòng)數(shù)字社會(huì)建設(shè)步伐、努力建設(shè)智慧城市、積極探索建設(shè)數(shù)字孿生城市”等，推動(dòng)市政公用設(shè)施、建筑等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和智能化改造。同時(shí)，《十四五國家信息化規(guī)劃》提出要推動(dòng)交通高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展，積極推動(dòng)信息化、數(shù)字化、智能化快速發(fā)展，加快推進(jìn)數(shù)字建設(shè)，深化公共設(shè)施數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型升級(jí)，全方位推動(dòng)基礎(chǔ)設(shè)施能力提升，建設(shè)泛在智能的網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)施、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)通的新型感知基礎(chǔ)設(shè)施以及云網(wǎng)融合的新型算力設(shè)施，構(gòu)筑全國人民暢享的數(shù)字化工作生活方式。因此，對(duì)高速公路建設(shè)項(xiàng)目進(jìn)行空氣環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測至關(guān)重要。

目前，環(huán)境監(jiān)測方法已從人工數(shù)據(jù)采集與處理轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)時(shí)在線數(shù)據(jù)監(jiān)測與處理[2]。常用的監(jiān)測方法包括：GIS 技術(shù)監(jiān)測、遙感技術(shù)監(jiān)測以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)監(jiān)測[3]。例如：陳慧蓉[4]等建立GIS 空間數(shù)據(jù)庫，在空間數(shù)據(jù)的支持下，計(jì)算監(jiān)測區(qū)域的污染指數(shù)，完成海洋生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測。田榮明[5]和吳勇劍[6]等基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)農(nóng)田、海洋等環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。劉皎[7]等基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過ZigBee 傳感器和4G 網(wǎng)絡(luò)，建立大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。然而，高速公路環(huán)境監(jiān)測主要集中于運(yùn)營期的交通噪聲和尾氣排放，對(duì)高速公路建設(shè)期環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)研究相對(duì)較少[8][9]。此外，王莉[10]等通過大氣網(wǎng)格化監(jiān)測技術(shù)，結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)，明確環(huán)境空氣質(zhì)量網(wǎng)格化監(jiān)測使用原則以及措施，并提出環(huán)境污染區(qū)域?qū)崟r(shí)監(jiān)測方案。劉心宇[11]等基于“固定+移動(dòng)”混合部署方式，構(gòu)建網(wǎng)格化大氣環(huán)境質(zhì)量實(shí)時(shí)在線監(jiān)測系統(tǒng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)監(jiān)測目標(biāo)區(qū)域的全覆蓋在線監(jiān)測。歐松[12]等基于用戶數(shù)量源內(nèi)容和需求，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建空氣環(huán)境質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，并對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)化管理與可視化分析。

因此，本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，提出一種網(wǎng)格化環(huán)境空氣質(zhì)量在線實(shí)時(shí)監(jiān)測方法，通過對(duì)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)進(jìn)行分析，基于建設(shè)單位、建立單位和施工單位的角度，研究分析高速公路建設(shè)期環(huán)境網(wǎng)格化在線監(jiān)測系統(tǒng)的功能需求。并在此基礎(chǔ)上，采用B/S 架構(gòu)，結(jié)合MySQL 數(shù)據(jù)庫，利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建高速公路建設(shè)期環(huán)境網(wǎng)格化在線監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測以及數(shù)據(jù)可視化處理，進(jìn)而提高交通行業(yè)環(huán)境監(jiān)督能力，對(duì)推動(dòng)行業(yè)綠色、智慧、高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。

1 系統(tǒng)建設(shè)思路

1.1 建設(shè)目標(biāo)

高速公路建設(shè)期環(huán)境網(wǎng)格化在線監(jiān)測系統(tǒng)是為建設(shè)單位、監(jiān)理單位、施工單位等提供綠色管理數(shù)字化服務(wù)，以加速環(huán)保投訴處理、檢查整改等綠色管理流程效率，實(shí)現(xiàn)人員/設(shè)備/風(fēng)險(xiǎn)源等線上可視化管理、綠色管理相關(guān)資料電子存檔、各類環(huán)境和污染數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測以及數(shù)據(jù)分析處理等作為建設(shè)目標(biāo)。

1.2 功能需求分析

高速公路建設(shè)期環(huán)境網(wǎng)格化在線監(jiān)測系統(tǒng)包括智能監(jiān)測、智能監(jiān)管、協(xié)同辦公以及數(shù)據(jù)分析四大模塊，如圖1 所示。在圖1 中，智能監(jiān)測是將通過智能的方式監(jiān)測到各種所需信息，并且使信息互相關(guān)聯(lián)融通，進(jìn)而做到全方位、全天候地對(duì)環(huán)境保護(hù)問題進(jìn)行監(jiān)督檢查，實(shí)現(xiàn)對(duì)高速公路工程項(xiàng)目建設(shè)全過程中重點(diǎn)區(qū)域的環(huán)境在線監(jiān)測，對(duì)定期監(jiān)測數(shù)據(jù)及報(bào)告的在線歸檔、記錄；智能監(jiān)管主要利用信息化手段對(duì)參建單位綠色行為的約束，包括綠色設(shè)備、綠色活動(dòng)、綠色檢查、綠色費(fèi)用；協(xié)同辦公主要包括組織機(jī)構(gòu)管理、任務(wù)公告、文件流轉(zhuǎn)、信息發(fā)布和檔案管理等，簡化線下審批流程，實(shí)現(xiàn)綠色管理流程的線上審批，對(duì)項(xiàng)目建設(shè)過程中各參建單位綠色管理資料的在線歸檔、記錄，設(shè)置綠色任務(wù)保證綠色行為實(shí)施落地；通過數(shù)據(jù)監(jiān)測分析，對(duì)項(xiàng)目綠色建設(shè)進(jìn)度、環(huán)境監(jiān)測信息的可視化展示。

圖1 綠色管理平臺(tái)功能需求

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 技術(shù)架構(gòu)設(shè)計(jì)

與C/S 相比，B/S（Brower/Server）作為瀏覽器——服務(wù)器結(jié)構(gòu)，具有分布性強(qiáng)、開發(fā)簡單、維護(hù)方便、易擴(kuò)展以及成本低等優(yōu)點(diǎn)[13]。因此，本系統(tǒng)采用B/S 架構(gòu)設(shè)計(jì)高速公路建設(shè)期環(huán)境網(wǎng)格化在線監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)自下而上包括5 個(gè)層次，分別為基礎(chǔ)層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層和展現(xiàn)層，如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

（1）基礎(chǔ)層：該層主要分為系統(tǒng)硬件設(shè)施與系統(tǒng)軟件設(shè)施兩個(gè)部分，其中系統(tǒng)硬件設(shè)施主要由網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、主機(jī)、儲(chǔ)存、緩存、備份和輸入輸出設(shè)施等組成；系統(tǒng)軟件設(shè)施主要由操作系統(tǒng)、語言處理程序、數(shù)據(jù)庫管理軟件、應(yīng)用服務(wù)器等組成。此外，基礎(chǔ)設(shè)施層位于網(wǎng)站結(jié)構(gòu)最底層，為環(huán)境網(wǎng)格化在線監(jiān)測系統(tǒng)提供基礎(chǔ)支撐。

（2）數(shù)據(jù)層：數(shù)據(jù)庫選型作為該層核心問題，既要立足當(dāng)下，提供高可用的服務(wù)，又要著眼未來，給予足夠的擴(kuò)展空間，本文主要利用MySQL 關(guān)系數(shù)據(jù)庫與Redis 文檔型數(shù)據(jù)庫的存儲(chǔ)方案。其中，MySQL 數(shù)據(jù)庫主要用于支持人員信息、環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)信息及推送信息等內(nèi)容管理系統(tǒng)；而Redis 數(shù)據(jù)庫擁有海量性、靈活性及可擴(kuò)展的搜索服務(wù)能力，用于作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、搜索服務(wù)中心。此外，該層主要通過外網(wǎng)數(shù)據(jù)采集工具采集不同監(jiān)測數(shù)據(jù)資源，同時(shí)基于數(shù)據(jù)挖掘工具對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行信息抽取和處理；并且依據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)處理需求，可對(duì)數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)使用進(jìn)行擴(kuò)展配置，例如：自動(dòng)分類、數(shù)據(jù)提取等。

（3）服務(wù)層：該層主要包含用戶管理、權(quán)限分配、工作流、表單工具等支撐應(yīng)用。其中，用戶管理主要由新建用戶、導(dǎo)入用戶、添加用戶、修改用資料、刪除用戶信息等系統(tǒng)注冊(cè)用戶組成。權(quán)限分配主要包括申請(qǐng)人、審批人和系統(tǒng)管理3 大類。工作流基于管理系統(tǒng)工作流引擎。

（4）應(yīng)用層：應(yīng)用層作為整個(gè)平臺(tái)系統(tǒng)的核心，采用面向服務(wù)的思想，由應(yīng)用子系統(tǒng)，如：噪聲監(jiān)測系統(tǒng)、水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)、大氣污染監(jiān)測系統(tǒng)、人員信息管理系統(tǒng)等組成，并基于SOAP 遠(yuǎn)程方法，采用Web Services 技術(shù)為其他外部系統(tǒng)提供調(diào)用接口，進(jìn)而完成與BIM 平臺(tái)和省環(huán)境監(jiān)測平臺(tái)間的數(shù)據(jù)協(xié)同交互。

（5）展示層：用戶可以基于PC 客戶端和移動(dòng)終端（手機(jī)、平板電腦）等登錄高速公路建設(shè)期環(huán)境網(wǎng)格化在線監(jiān)測系統(tǒng)，同時(shí)向登錄用戶展現(xiàn)展示以及傳遞Web 信息資源的應(yīng)用程序，可以顯示W(wǎng)eb 服務(wù)器或文件系統(tǒng)的HTML 文件的內(nèi)容，并提供各種資源訪問與服務(wù)。

2.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)架構(gòu)設(shè)計(jì)

環(huán)境網(wǎng)絡(luò)在線監(jiān)測系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IOT）獲取環(huán)境在線監(jiān)測數(shù)據(jù)；監(jiān)測數(shù)據(jù)具有大數(shù)據(jù)屬性，數(shù)量級(jí)別達(dá)到大數(shù)據(jù)定義。以此為基礎(chǔ)，對(duì)空氣環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理。在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、儲(chǔ)存以及處理的系統(tǒng)架構(gòu)，如圖3 所示。其中，NGINX 負(fù)責(zé)均衡服務(wù)器，用于負(fù)載均衡；Web 用于實(shí)現(xiàn)UI 相關(guān)代碼；Service 實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯相關(guān)代碼；Mysql 開源關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，支持多種存儲(chǔ)引擎，且向用戶提供免費(fèi)開源服務(wù)；Redis 為非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，用于緩存實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和指標(biāo)類型數(shù)據(jù)，進(jìn)而提高系統(tǒng)性能；CFS 為云文件存儲(chǔ)。

圖3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

2.3 網(wǎng)格化數(shù)據(jù)監(jiān)測

高速公路建設(shè)期環(huán)境網(wǎng)格化在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)主要來源于監(jiān)測設(shè)備實(shí)時(shí)采集，如：環(huán)境監(jiān)測設(shè)施、氣象監(jiān)測設(shè)備等，并通過省控網(wǎng)格、增補(bǔ)網(wǎng)格及項(xiàng)目網(wǎng)格共同構(gòu)建三級(jí)網(wǎng)格化監(jiān)測體系，對(duì)高速公路建設(shè)期環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測。該網(wǎng)格化監(jiān)測體系，如圖4 所示。在圖4 中，紅色網(wǎng)格表示一級(jí)網(wǎng)格，即省級(jí)網(wǎng)格，大小為3000×3000m；藍(lán)色網(wǎng)格表示二級(jí)網(wǎng)格，即增補(bǔ)網(wǎng)格，大小為3000×3000m；綠色網(wǎng)格表示三級(jí)網(wǎng)格，即項(xiàng)目級(jí)網(wǎng)格，大小為1000×500m。

圖4 數(shù)據(jù)采集點(diǎn)分布

3 系統(tǒng)工程應(yīng)用

3.1 工程概況

本文以江陰靖江長江隧道為例，其位于江陰大橋和泰州大橋之間，線路北起靖江公新公路，南至江陰芙蓉大道，采用水下隧道形式穿越長江，線路全長約11.825km，其中隧道段長6445m，設(shè)置互通3 座，風(fēng)塔2 座，管理養(yǎng)護(hù)中心1 處。全線按照雙向六車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)計(jì)行車速度80km/h，路基寬度33m。

3.2 監(jiān)測指標(biāo)

在生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的 《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）技術(shù)規(guī)定（試行）》中，空氣質(zhì)量指數(shù)主要基于PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO、O3等六項(xiàng)指標(biāo)計(jì)算得到。然而，針對(duì)高速公路建設(shè)工程而言，空氣污染物主要以懸浮顆粒物為主，部分工藝環(huán)節(jié)可能會(huì)產(chǎn)生有害氣體。因此，本文主要對(duì)PM2.5 和PM10 以及O3進(jìn)行監(jiān)測分析。

3.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

由于江陰、靖江兩地PM2.5 和PM10 主要集中于秋冬季節(jié)，O3集中于夏天。因此，本文選取一級(jí)網(wǎng)格（編號(hào)為TZ-18、WX-42）、二級(jí)網(wǎng)格（編號(hào)為A02、A04）、三級(jí)級(jí)網(wǎng)格（編號(hào)為N-1、S-1）6 個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，選取秋冬季（2020 年11 月和12 月）與夏季（2021 年6 月和7 月）的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。2020 年秋冬季PM2.5、PM10 和O3監(jiān)測數(shù)據(jù)分析如圖5，圖6 所示。由圖5 和圖6 可知，項(xiàng)目所在地靖江、江陰兩地，2020 年秋冬季空氣質(zhì)量總體良好，主要污染物以PM2.5、PM10 為主，三級(jí)網(wǎng)格天數(shù)占比分別達(dá)到了60%及20%以上。

圖5 秋冬季PM2.5、PM10及O3天數(shù)分布

圖6 秋冬季PM2.5、PM10及O3比例分布

此外，2021 年夏季PM2.5、PM10 和O3監(jiān)測數(shù)據(jù)分析如圖7 和圖8 所示。由圖7 和圖8 可知，項(xiàng)目所在地靖江、江陰兩地，6、7 月份空氣質(zhì)量總體良好，主要污染物以PM2.5、PM10 為主，總體占比超過80%，結(jié)果與2020 年度差異較大原因，可能是由于部分網(wǎng)格不含臭氧監(jiān)測指標(biāo)，所以結(jié)果有所偏差。

圖7 夏季PM2.5、PM10及O3天數(shù)分布

圖8 夏季PM2.5、PM10及O3比例分布

結(jié)語

環(huán)境污染作為現(xiàn)代社會(huì)高質(zhì)量發(fā)展中最為突出問題之一，高速公路建設(shè)過程中會(huì)產(chǎn)生較多環(huán)境污染問題。為了加快推進(jìn)生態(tài)環(huán)境體系建設(shè)，完善生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，提高高速公路環(huán)境污染管理能力，本文通過對(duì)高速公路建設(shè)期系統(tǒng)需求進(jìn)行分析，構(gòu)建高速公路建設(shè)期環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)。同時(shí)，結(jié)合江陰靖江長江隧道，建立以省控網(wǎng)格、增補(bǔ)網(wǎng)格及項(xiàng)目網(wǎng)格為主體的三級(jí)網(wǎng)格體系，對(duì)高速公路建設(shè)期環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，進(jìn)而提高交通行業(yè)環(huán)境監(jiān)管能力，促進(jìn)交通行業(yè)生態(tài)環(huán)境高質(zhì)量發(fā)展。