黃欽炎HUANG Qin-yan;林慶豐LIN Qing-feng;黃欣龍HUANG Xin-long
(①廣州交信投科技股份有限公司,廣州510000;②中山大學智能工程學院,廣州510000)
空氣質(zhì)量監(jiān)測作為促進經(jīng)濟社會綠色發(fā)展中的重要一環(huán),以往的技術研究和應用大多存在固定監(jiān)測站成本高、覆蓋范圍不全、難以實時反饋等問題[1]。目前,在大力推行清潔生產(chǎn),發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟的背景下,我國的城市空氣質(zhì)量雖有好轉(zhuǎn),但由于機動車的快速增加,尾氣排放加劇,大氣環(huán)境污染治理依舊嚴峻[2-3],亟需完善空氣質(zhì)量監(jiān)測方法和機制,推進空氣污染治理智能化進程。當前,國家在大多數(shù)城市布設或完善了顆粒物、氣體監(jiān)測設備,形成了國省控點結合的地面污染源檢測網(wǎng)。然而,傳統(tǒng)監(jiān)測模式存在覆蓋范圍不大、數(shù)字化水平不高、監(jiān)測與監(jiān)管結合不緊密、監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量有待提高等問題,且固定監(jiān)測點成本投入較大、只能靜態(tài)收集污染數(shù)據(jù)、不能實時掌握和反饋、日常維護復雜,難以滿足大氣污染治理的綠色發(fā)展需求[4]。
由于交通工具的移動特性,若在交通工具上安裝多種傳感器,便能在城市中獲取覆蓋范圍廣,頻率高的動態(tài)感知數(shù)據(jù)用以相關研究,彌補固定傳感器靜態(tài)感知的不足[1]。有研究指出可以通過可移動的傳感器來感知城市空氣質(zhì)量[5-6],利用車輛的移動性來對城市的整體空氣質(zhì)量進行細粒度感知,彌補固定地面空氣監(jiān)測站的不足。然而,目前仍未見有系統(tǒng)的研究及規(guī)模應用。因此,面對我國空氣污染的嚴峻形勢,亟需采取新方法實現(xiàn)空氣污染治理智能化,并進行應用實踐。
基于此,本文開展了基于移動物聯(lián)的空氣質(zhì)量監(jiān)測大數(shù)據(jù)融合分析應用研究。利用公交系統(tǒng)覆蓋范圍廣,運行軌跡、時間和發(fā)班間隔穩(wěn)定的特點,在公交車輛上搭載移動空氣質(zhì)量監(jiān)測設備實時采集PM2.5、PM10 等空氣污染物監(jiān)測數(shù)據(jù),并與車輛定位等數(shù)據(jù)進行融合,對各污染物進行動態(tài)監(jiān)測,全面掌握路段區(qū)域空氣質(zhì)量污染的時空差異性,快速識別出污染因子,掌握其擴散與傳播機理,并在廣州市進行實踐應用,助力空氣治理智能化、數(shù)字化轉(zhuǎn)型。
研究技術框架主要包括四個部分:
①數(shù)據(jù)采集。通過安裝在公交車上的車載移動式空氣微型監(jiān)測傳感器,實時采集大氣環(huán)境中的PM2.5、PM10 等信息,車載GPS 定位器可實時采集車輛的GPS 位置信息,攝像頭可以采集車輛運行時的環(huán)境視頻數(shù)據(jù)。
②數(shù)據(jù)傳輸。本研究采用標準的環(huán)保部通訊規(guī)范協(xié)議,將實時采集到的PM2.5、PM10、車載GPS 數(shù)據(jù),視頻數(shù)據(jù)傳輸至網(wǎng)格化在線監(jiān)測系統(tǒng)軟件平臺。
③數(shù)據(jù)分析?;诙嘣创髷?shù)據(jù)融合分析,提供實時、準確、可視的管理決策依據(jù),支撐政府環(huán)保部門對空氣質(zhì)量的監(jiān)測和分析挖掘,可指導提出有效的整改措施,實現(xiàn)治理工作的全面協(xié)同和問題的高效辦理,使空氣污染治理更加精細化、智能化,促進降本增效。
④信息發(fā)布。應用可在公交車載屏幕上展示監(jiān)測信息,為乘客提供實時空氣質(zhì)量信息服務,也可以通過手機APP 移動端向市民發(fā)布空氣質(zhì)量相關信息。
研究的整體框架圖如圖1。
圖1 整體框架圖
本文充分利用現(xiàn)有公共交通資源搭載移動式空氣微型監(jiān)測站,既能有效降低建設和維護成本,又彌補了固定監(jiān)測點覆蓋面不廣的短板。通過固定與移動監(jiān)測的動靜結合,使兩種監(jiān)測方式采集的數(shù)據(jù)相互補充,相互校準,真正實現(xiàn)空氣污染的全面監(jiān)測。同時,在數(shù)據(jù)分析過程中,有效地融合多源數(shù)據(jù),有助于實現(xiàn)空氣監(jiān)測區(qū)域化、精準化、智能化,減少人力巡查和治理投入。
本文采用激光光散射法原對空氣質(zhì)量進行監(jiān)測。監(jiān)測傳感器主要由激光源、測量腔、透鏡組、光檢測器、濾波放大電路、微處理器元器件等組成,工作時,由激光源發(fā)出的激光通過透鏡組形成一個薄層面光源。當其照射在由氣流吹入測量腔內(nèi)的氣溶膠時,會產(chǎn)生散射光。散射光經(jīng)過透鏡組再照射到光檢測器上面時,會產(chǎn)生電信號,經(jīng)過放大電路生成模擬信號,得到散射光強度的變化曲線。微處理器可基于米氏理論算法,得到顆粒物的等效粒徑和顆粒數(shù)量,從而輸出結果。
作為傳感器的載體,公交車輛具有以下特性:①行駛時間一般為6:00-22:00,可滿足對空氣質(zhì)量監(jiān)測的時間段要求;②運行軌跡固定,能夠滿足對特定路線和區(qū)域進行持續(xù)監(jiān)測的需求;③公交車輛發(fā)班間隔時間一般不超過15 分鐘,可滿足對空氣監(jiān)測的頻次要求;④公交線路覆蓋范圍廣,可以監(jiān)測城市大部分區(qū)域內(nèi)的空氣質(zhì)量水平。
在公交車輛運行時,通過安裝在公交車上的傳感器,可實現(xiàn)對空氣中PM2.5,PM10 等污染物數(shù)據(jù)的采集,同時,車載GPS 和攝像頭等設備可實時采集公交車輛運行的位置和環(huán)境視頻等數(shù)據(jù),為空氣質(zhì)量監(jiān)測大數(shù)據(jù)融合分析提供基礎。
2.2.1 監(jiān)測設備安裝
選擇合適線路的公交車輛安裝數(shù)據(jù)采集設備。采用車頂安裝方式,利用設備底部的強力磁鐵,無需對車體進行改裝,直接放置即可與車頂牢固連接在一起。
車載微站主機安裝在公交車前端應急逃生口后側(cè),將主機磁體部分向下吸附在安裝車輛車頂即可,主機電源線順延車頂至公交車前門防水刷處,線纜加套波紋管并使用玻璃膠固定,可防止因為長時間暴曬造成線纜老化。使用玻璃膠對波紋管進行固定,可防止在車輛形成過程中造成不必要的刮蹭。
2.2.2 監(jiān)測布點選線
試點應用城市此前所使用的空氣質(zhì)量監(jiān)測手段主要為地面固定監(jiān)測站,存在成本投入高、難以實時跟蹤污染情況等短板[15]。為了滿足更高的環(huán)境治理要求,有必要采用更加科學、高效且經(jīng)濟的監(jiān)測方式。
基于重點監(jiān)測區(qū)域和最大化覆蓋范圍原則,選擇合適的公交線路。根據(jù)公交線路分布情況,共選擇21 條線路,225 臺公交車輛,監(jiān)測范圍覆蓋10 個國控站點,確定研究應用試點范圍,數(shù)據(jù)采集時間段為每天6:00-22:00 及政府環(huán)保部門指定的其他時間段。
通過數(shù)據(jù)采集、挖掘分析,可實現(xiàn)空氣質(zhì)量動態(tài)監(jiān)測和智能決策治理。具體研究應用場景如下:
融合車載GPS 數(shù)據(jù)以及實時采集到的PM2.5、PM10等污染物的含量數(shù)據(jù),可形成帶有每個路段,每種污染物實時污染程度的電子地圖,形成實時路段熱力圖及三維熱力圖;融合車輛運行所采集到的視頻數(shù)據(jù)和實時空氣質(zhì)量數(shù)據(jù),可以迅速定位污染源,初步確定污染原因,如道路施工揚塵,工廠工業(yè)氣體排放等。
實現(xiàn)各污染物多時空維度的實時動態(tài)監(jiān)測和分析,能夠全面掌握路段區(qū)域空氣質(zhì)量污染的時空差異性。通過多維時空交叉統(tǒng)計分析,快速識別出污染因子。(圖2)
圖2 污染因子動態(tài)監(jiān)測識別
對至少1 年的實時數(shù)據(jù)及至少3 年的平均數(shù)據(jù)(包括車輛衛(wèi)星定位、視頻監(jiān)控、空氣質(zhì)量等)進行存儲,根據(jù)路段及時間對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析,供用戶可視化查詢。此外,可對監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化趨勢進行動態(tài)分析、預測,并疊加歷史數(shù)據(jù)進行綜合對比分析,提供可視化界面供用戶查詢。
設定PM2.5、PM10 等污染物的濃度預警限值,實時動態(tài)告警。同時,基于公交車輛運行的規(guī)律性,可對指定監(jiān)測區(qū)域或時段進行重點監(jiān)測。通過挖掘監(jiān)測大數(shù)據(jù)價值,掌握污染源的時空分布規(guī)律,快速鎖定污染源位置及傳輸方向。通過多維度智能分析,支撐提出有針對性的治理手段,跟蹤反饋治理效果,形成閉環(huán)。
將空氣質(zhì)量監(jiān)測采集數(shù)據(jù)與車載數(shù)據(jù)進行融合,實現(xiàn)信息交互,可在公交車載屏幕上展示監(jiān)測信息,為乘客提供實時信息服務,也可通過手機APP 移動端向市民發(fā)布空氣質(zhì)量相關信息,提高公眾環(huán)保參與意識,促進經(jīng)濟社會綠色健康發(fā)展。
本文通過在公交車輛上搭載移動式空氣微型監(jiān)測站,形成了基于大數(shù)據(jù)和移動物聯(lián)網(wǎng)的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)“采集-傳輸-分析-應用”應用價值鏈條,打造了“固+移”監(jiān)測模式,對實時和歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)進行充分挖掘分析,支撐空氣質(zhì)量監(jiān)測時空分辨率的提高,促進治理智能化、數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級。
研究成果在公共交通系統(tǒng)上的部署實踐表明其具有較高的應用價值。未來,可將應用經(jīng)驗推廣至出租車等其他城市交通領域,形成多個移動交通工具空氣質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)絡,多網(wǎng)融合,形成互補,使空氣質(zhì)量網(wǎng)格化監(jiān)測更加精密,達到更有效的治理效果。此外,相關經(jīng)驗還可為固體污染物運輸監(jiān)測治理等提供借鑒,健全城市環(huán)境治理網(wǎng)絡體系。