基于移動物聯(lián)的空氣質(zhì)量監(jiān)測大數(shù)據(jù)分析應(yīng)用

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(xué)智能工程學(xué)院，廣州510000）

0 引言

空氣質(zhì)量監(jiān)測作為促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會綠色發(fā)展中的重要一環(huán)，以往的技術(shù)研究和應(yīng)用大多存在固定監(jiān)測站成本高、覆蓋范圍不全、難以實(shí)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(jì)的背景下，我國的城市空氣質(zhì)量雖有好轉(zhuǎn)，但由于機(jī)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(yán)峻[2-3]，亟需完善空氣質(zhì)量監(jiān)測方法和機(jī)制，推進(jìn)空氣污染治理智能化進(jìn)程。當(dāng)前，國家在大多數(shù)城市布設(shè)或完善了顆粒物、氣體監(jiān)測設(shè)備，形成了國省控點(diǎn)結(jié)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(jié)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(diǎn)成本投入較大、只能靜態(tài)收集污染數(shù)據(jù)、不能實(shí)時掌握和反饋、日常維護(hù)復(fù)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(guān)研究，彌補(bǔ)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(jìn)行細(xì)粒度感知，彌補(bǔ)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(yīng)用。因此，面對我國空氣污染的嚴(yán)峻形勢，亟需采取新方法實(shí)現(xiàn)空氣污染治理智能化，并進(jìn)行應(yīng)用實(shí)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(yīng)用研究。利用公交系統(tǒng)覆蓋范圍廣，運(yùn)行軌跡、時間和發(fā)班間隔穩(wěn)定的特點(diǎn)，在公交車輛上搭載移動空氣質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備實(shí)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(jìn)行融合，對各污染物進(jìn)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(kuò)散與傳播機(jī)理，并在廣州市進(jìn)行實(shí)踐應(yīng)用，助力空氣治理智能化、數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

1 研究框架概述

研究技術(shù)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(shí)時采集大氣環(huán)境中的PM2.5、PM10 等信息，車載GPS 定位器可實(shí)時采集車輛的GPS 位置信息，攝像頭可以采集車輛運(yùn)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(biāo)準(zhǔn)的環(huán)保部通訊規(guī)范協(xié)議，將實(shí)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。基于多源大數(shù)據(jù)融合分析，提供實(shí)時、準(zhǔn)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(dǎo)提出有效的整改措施，實(shí)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(xì)化、智能化，促進(jìn)降本增效。

④信息發(fā)布。應(yīng)用可在公交車載屏幕上展示監(jiān)測信息，為乘客提供實(shí)時空氣質(zhì)量信息服務(wù)，也可以通過手機(jī)APP 移動端向市民發(fā)布空氣質(zhì)量相關(guān)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(shè)和維護(hù)成本，又彌補(bǔ)了固定監(jiān)測點(diǎn)覆蓋面不廣的短板。通過固定與移動監(jiān)測的動靜結(jié)合，使兩種監(jiān)測方式采集的數(shù)據(jù)相互補(bǔ)充，相互校準(zhǔn)，真正實(shí)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(shí)現(xiàn)空氣監(jiān)測區(qū)域化、精準(zhǔn)化、智能化，減少人力巡查和治理投入。

2 監(jiān)測原理及設(shè)備安裝布點(diǎn)選線

2.1 監(jiān)測原理

本文采用激光光散射法原對空氣質(zhì)量進(jìn)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(dāng)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(qiáng)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(jié)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(yùn)行軌跡固定，能夠滿足對特定路線和區(qū)域進(jìn)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(yùn)行時，通過安裝在公交車上的傳感器，可實(shí)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(shè)備可實(shí)時采集公交車輛運(yùn)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(chǔ)。

2.2 監(jiān)測設(shè)備安裝與布點(diǎn)選線

2.2.1 監(jiān)測設(shè)備安裝

選擇合適線路的公交車輛安裝數(shù)據(jù)采集設(shè)備。采用車頂安裝方式，利用設(shè)備底部的強(qiáng)力磁鐵，無需對車體進(jìn)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(jī)安裝在公交車前端應(yīng)急逃生口后側(cè)，將主機(jī)磁體部分向下吸附在安裝車輛車頂即可，主機(jī)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?yàn)殚L時間暴曬造成線纜老化。使用玻璃膠對波紋管進(jìn)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(diǎn)選線

試點(diǎn)應(yīng)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(shí)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(xué)、高效且經(jīng)濟(jì)的監(jiān)測方式。

基于重點(diǎn)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(diǎn)，確定研究應(yīng)用試點(diǎn)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。

3 研究應(yīng)用場景

通過數(shù)據(jù)采集、挖掘分析，可實(shí)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(yīng)用場景如下：

3.1 多源大數(shù)據(jù)融合的實(shí)時監(jiān)控

融合車載GPS 數(shù)據(jù)以及實(shí)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(shí)時污染程度的電子地圖，形成實(shí)時路段熱力圖及三維熱力圖；融合車輛運(yùn)行所采集到的視頻數(shù)據(jù)和實(shí)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(yáng)塵，工廠工業(yè)氣體排放等。

3.2 污染因子識別

實(shí)現(xiàn)各污染物多時空維度的實(shí)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

3.3 數(shù)據(jù)存儲與動態(tài)分析預(yù)測

對至少1 年的實(shí)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(jìn)行存儲，根據(jù)路段及時間對數(shù)據(jù)進(jìn)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(jìn)行動態(tài)分析、預(yù)測，并疊加歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合對比分析，提供可視化界面供用戶查詢。

3.4 大數(shù)據(jù)驅(qū)動的智能化閉環(huán)治理

設(shè)定PM2.5、PM10 等污染物的濃度預(yù)警限值，實(shí)時動態(tài)告警。同時，基于公交車輛運(yùn)行的規(guī)律性，可對指定監(jiān)測區(qū)域或時段進(jìn)行重點(diǎn)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)。

3.5 基于移動物聯(lián)的多源信息服務(wù)

將空氣質(zhì)量監(jiān)測采集數(shù)據(jù)與車載數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，實(shí)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(shí)時信息服務(wù)，也可通過手機(jī)APP 移動端向市民發(fā)布空氣質(zhì)量相關(guān)信息，提高公眾環(huán)保參與意識，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會綠色健康發(fā)展。

4 結(jié)束語

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(yīng)用”應(yīng)用價值鏈條，打造了“固+移”監(jiān)測模式，對實(shí)時和歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)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(jìn)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(shí)踐表明其具有較高的應(yīng)用價值。未來，可將應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)推廣至出租車等其他城市交通領(lǐng)域，形成多個移動交通工具空氣質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，多網(wǎng)融合，形成互補(bǔ)，使空氣質(zhì)量網(wǎng)格化監(jiān)測更加精密，達(dá)到更有效的治理效果。此外，相關(guān)經(jīng)驗(yàn)還可為固體污染物運(yùn)輸監(jiān)測治理等提供借鑒，健全城市環(huán)境治理網(wǎng)絡(luò)體系。