基于GIS的城市智能環衛監測系統設計

孫昱昌+吳競妍+高凱+張亮+王同亮+施國萍

【摘 要】為解決城市環衛中道路揚塵數據和路面塵土污染量數據獲取困難、實效性差等問題，構建了基于GIS的城市智能環衛監測系統。該系統的傳感器由車輛搭載，負責采集道路揚塵濃度數據、車輛位置數據和車速數據，并完成實時數據傳輸。數據監測中心依據監測數據擬合出道路塵土污染量，利用GIS實現道路揚塵濃度和路面塵土污染量數據的可視化、清潔路徑的最優規劃和歷史數據統計分析等功能。

【關鍵詞】GIS；GPS；GPRS；道路揚塵；智能環衛

中圖分類號： TP274 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2017）23-0126-003

【Abstract】Urban intelligent sanitation monitoring system based on GIS can solve some problems in urban sanitation， such as the difficulty and poor effectiveness to obtain the concentration of road dust and the amount of road dust pollution.The sensor of the system， carried by a vehicle，collects the data of road dust concentration，location and speed of vehicle.The center of data monitoring matches the amount of road dust pollution according to the monitoring data， and realizes some functions such as the visualization of road dust concentration and the amount of road dust pollution， the optimal planning of clean path and the statistical analysis.

【Key words】GIS；GPS；GPRS；Road dust；Intelligent sanitation

0 引言

以2012年“國家智慧城市試點工作”啟動為標志，我國迅速進入智慧城市規劃和建設的高潮期，智能環衛系統作為“智慧城市”的重要組成部分，近年來也有所發展。目前智能環衛系統的應用主要有：對環衛車輛、人員的智能化管理，對城市垃圾和區域衛生狀況的監測等[1][2]。然而，智能環衛的發展在監測揚塵方面還有所不足，揚塵作為城市空氣污染物的主要成分之一，嚴重影響了城市居民的生活質量[3]。目前國內已有對工地揚塵進行監測的研究[4]，而對于道路揚塵以及道路揚塵的重要來源——路面塵土，卻還未能做到高效的實時的監測。

基于GIS的城市智能環衛監測系統主要是利用搭載在車輛上的傳感器對城市道路揚塵進行監測，并依據一定的數學模型對路面塵土量作出擬合。采用GIS技術將監測狀態直觀地呈現出來，并利用最優路徑的算法對清潔車輛進行調度，對需要清掃的道路進行清潔作業，相較于目前“遍歷”式的清掃方式，減少了道路清潔的成本。此外，通過對歷史監測數據的統計分析，還可以對城市道路規劃、綠化建設和住宅選址等提供決策依據。

1 系統組成和框架

1.1 系統總體結構設計

城市環衛系統結構如圖所示，系統可分為硬件系統和軟件系統兩大部分：

硬件系統，主要承擔數據采集、傳輸的任務，GPS模塊采集定位數據、速度數據、監測時間數據，激光粉塵傳感器模塊采集PM2.5、PM10濃度數據，經處理器處理后，將一幀數據交由SIM900A模塊通過GPRS網絡將數據發送至服務器。

軟件系統，主要具有數據的解析、存儲、查詢以及監測數據可視化、清潔路徑規劃和統計分析等功能。服務器接收傳感器傳回的數據并進行解析，每一條記錄對應空間上的一個點，將這些點與道路弧段進行匹配并賦予弧段相應的屬性，根據弧段數據及相應的屬性信息，不斷刷新圖層，完成監測數據的實時顯示和清潔路徑規劃功能。

1.2 道路揚塵量與路面塵土污染量擬合方案

目前，國內路面塵土污染量的獲取主要采用美國環保署（EPA）公布的方法：首先選定采樣區域，然后使用簸箕和掃帚或吸塵器進行樣品采集，最后將樣品送回實驗室，處理并計算出路面塵土污染量。這種方法雖然精度高，但時效性差、成本高。

式中（E+C）為路面塵土污染量引起的揚塵和汽車的尾氣排放、剎車和輪胎磨損引起的揚塵之和，即車載傳感器所監測得到的揚塵量。根據該式，可由監測的道路揚塵數據擬合出路面塵土污染量。

2 硬件系統設計與實現

基于GIS的城市智能環衛監測系統的硬件系統主要由stm32單片機、GPS定位模塊、激光粉塵傳感器模塊和SIM900A模塊構成。各模塊與單片機之間采用串口通信方式。

該傳感器是一種車載式的傳感器，為延長各個模塊的使用壽命，可使用一個智能化的開機方案：以車輛行駛狀態作為開關機依據，保持單片機和GPS模塊處于開機狀態，不斷接收GPS數據。以2m/s作為閾值，當車速大于閾值，則可判定其處于行駛狀態，此時喚醒其他模塊開始工作；當車速連續5分鐘內小于閾值，則可判定汽車已經停止行駛，關閉其他模塊。這樣可以有效地延長其他模塊的使用壽命。

在各模塊可以正常工作且確認無線通信正常后，開始接收GPS模塊數據和激光粉塵傳感器的數據，并對數據進行解析處理，存入緩沖區中，最后再通過GPRS網絡將數據傳回軟件系統，完成一次數據的采集。延時10秒后，進行下一次采集。整體工作流程如圖2所示。endprint

GPS模塊指令解析時采用NMEA-0183協議。NMEA-0183協議是美國國家海洋電子協會為海用電子設備制定的標準格式[9]。其中，我們需要的是$GPRMC（推薦定位信息）這一幀數據。當GPS模塊將接收到數據后，解析出位置、速度、航向等信息存入到緩沖區中。

激光粉塵傳感器模塊通過光散射原理及相關算法計算PM2.5和PM10的濃度。模塊采用異步串行通信方式（UART），處理器接收到應答幀數據，在計算出PM2.5濃度和PM10濃度后存入數據緩沖區中。

GPRS是連接整個城市環衛監測系統硬件系統和軟件系統的橋梁。當GPS定位模塊和激光粉塵傳感器模塊采集完數據之后，利用GPRS將數據傳回，其數據傳輸穩定、速率快和成本低廉的特點，為整個系統能夠流暢運轉提供了保障。本系統使用SIM900A模塊來實現GPRS的數據傳輸。

3 軟件系統設計與實現

軟件系統以Visual Studio 2010為開發平臺，主要利用ArcGIS Engine進行二次開發，具有以下功能：數據解析、管理、存儲、監測數據可視化、清潔路徑規劃、統計分析等。軟件系統框架如圖（3）所示：

傳感器將數據傳回服務器，暫存于文件系統中。通過對文件系統的監聽，不斷將最新傳回的數據取出，經過解析處理后，由GIS應用系統將其實時顯示出來，完成數據的可視化以及滿足必要時的清潔路徑規劃需求。同時，將數據存入數據庫中，以備統計分析時使用。

3.1 數據的實時讀取與管理

硬件系統不斷傳回的數據以文本的形式更新到計算機文件系統中，為進一步使用，首先要對數據進行實時地讀取和處理。

監測數據約每10秒傳回一次，當有大量傳感器在同時傳輸數據時，文件更新的時間間隔便不容易把握。這里，我們可以對文件系統進行偵聽。當數據被更新入文件系統，立即觸發數據讀取和處理事件。處理后的數據可以進一步被應用軟件調用，并存儲在數據庫中。

3.2 監測數據的可視化

監測數據的可視化表現為，與監測點匹配的道路弧段以監測的揚塵濃度或擬合得到的路面塵土污染量為依據，被渲染為不同的顏色。

在對弧段渲染之前，先要將監測點與道路弧段進行匹配。首先，以監測點為中心，5m長為半徑，如圖（5）所示作出一個緩沖區，進行空間查詢，得到與緩沖區相交或被緩沖區包含的目標弧段，如果沒有目標弧段被包含，則以5m為步長擴大緩沖區，直到存在目標弧段為止，如圖（6）所示；如果得到的目標弧段不止一條，則計算監測點與這些目標弧段間的距離，并將監測點與距離最近的弧段相匹配，如圖（6）中，將監測點數據賦予弧段b。

在將監測點與弧段匹配后，監測點的揚塵濃度數據或路面塵土量數據作為該弧段渲染的依據，按照一定的渲染方案，對該弧段賦上顏色并刷新圖層，完成一幀數據的可視化。如圖7所示，不同顏色（寬度）代表了不同的清潔等級。

3.3 清潔路徑規劃設計

在進行清潔路徑規劃前，首先將所有需要被清潔的弧段上的節點取出，作為規劃路徑時必須要通過的節點。然后采用相應算法對路徑做出規劃。

本系統的最優路徑規劃基于Dijkstra算法改進而來。Dijkstra算法，是求解最短路徑的經典算法[10]，但該算法是一種單源最優路徑規劃算法，本系統在規劃清潔路徑時，需要將若干個待清潔的特定節點作為目標。為此，可以采用貪心算法：利用Dijkstra算法，首先找出所有特定節點中距離出發點路徑最短的節點記為節點1，然后再以節點1為出發點找出除已經過的點以外的距離節點1路徑最短的節點記為節點2，不斷重復直到所有待清潔的特定節點全部被標記。最后將以上所得的每段的最短路徑合并，即為整個清潔路線規劃出的路徑。如圖8所示，星形代表出發點，叉形標記為測試時待清潔的弧段。

3.4 統計分析模塊

統計分析模塊主要有求算各路段某一時間段內的路面塵土污染量（也可以是PM2.5或PM10濃度）各統計量的功能、查詢某一特定時間段內平均路面污染量大于某一閾值的所有路段和統計某一特定時間段內日平均路面污染量大于某一閾值的天數等功能。

為實現這些功能，需要在數據庫中為城市道路矢量圖的各個弧段建立表，弧段編號作為表名，每個表中包含四個字段：時間、PM2.5濃度、PM10、路面塵土污染量。在日常的監測中不斷向數據庫中更新數據，需要時，結合數據庫處理方法和相關數學模型進行統計分析。

4 結論

基于GIS的城市環衛監測系統，利用傳感器獲取城市道路揚塵數據，時效性高，覆蓋范圍廣；基于AP-42 方法擬合出路面塵土量，在滿足環衛監測需求的同時大大降低了獲取成本；應用軟件系統的可視化功能和路徑規劃功能可以提高環衛部門的工作效率。整個系統對建設智能環衛、節約資源以及對城市未來的道路規劃、綠化建設等具有重要意義。

【參考文獻】

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