基于北斗的城市公交車載移動大氣污染物濃度觀測系統設計

姜楓+楊顯軻+崔靜璇+李徐敏+朱旭

摘 要：為了對城市大氣污染進行有效的防控與治理，準確、可靠、高時空分辨率的大氣污染物濃度監測數據是必需的。文章基于北斗衛星導航系統的實時定位功能，以城市公交系統為載體，結合電子通信技術，設計一個城市大氣污染物濃度監測系統，實現北斗導航定位和氣象移動觀測相結合，實時測量城市近地面大氣中CO、NOx、O3和可吸入顆粒物等大氣污染物的濃度，獲得高時空分辨率的監測數據，建立城市近地面大氣污染物濃度觀測網。

關鍵詞：北斗衛星導航系統；城市公交系統；大氣污染物濃度

中圖分類號：X51 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）07-0029-04

Abstract： In order to effectively prevent and control urban air pollution， accurate， reliable and high spatial and temporal resolution monitoring data of air pollutant concentration is necessary. Based on the real-time positioning function of Beidou satellite navigation system， a concentration monitoring system of urban air pollutants is designed based on urban public transport system and electronic communication technology. The concentration of CO， NOx， O3 and respirable particulates in the atmosphere near the ground is measured in real time by combining Beidou navigation and meteorological mobile observation. The monitoring data with high spatial and temporal resolution are obtained， and the monitoring network of atmospheric pollutant concentration near the ground is established.

Keywords： Beidou satellite navigation system； urban public transport system； concentration of atmospheric pollutants

1 研究背景與意義

近年來，大氣污染已經成為世界性問題。隨著工業化、城市化快速發展及能源的消耗量增長，大氣污染已經嚴重影響到人們的日常生活并且給社會帶來了巨大經濟損失。對城市內大氣污染時空分布進行監控，才能有針對性的進行大氣污染防控與治理，因此城市內大氣污染物濃度監控有著重要而實際的意義。

目前，很多學者針對區域的大氣環境污染物的時空分布特征提出了與GIS相結合的分析方法，對污染物的時空分布特征的監控，為更好地治理和預防大氣污染提供理論依據。在2008年Shuenn-Chin Chang和Chun-Te Lee對臺北市臺灣環境保護部門公布的五個空氣質量監測站1997-2003年的數據進行了分析，用以評價分析大氣污染物濃度，但這種用某監測點數據代替其所在整個區域值的做法具有一定的片面性和不合理性。

而從當前國內城市大氣污染物濃度監控現狀來看，整體處于測站密度過低、難以實時測量的狀況。國內近地面大氣污染物濃度觀測主要以地面氣象站觀測和應急移動觀測為主。對于地面氣象站觀測來說，由于固定站點可以做到同一時間測量，資料具有時間一致性的優點，但是因為氣象觀測站建設成本高且受環境限制，分布密度過低，無法適應城市內大氣污染物濃度分布實時監控的需求；而對于移動觀測來說，由于其具有移動性我們可以獲得多點數據，但是由于移動過程導致了時間不同，資料的時間不一致性使得數據沒有了研究濃度分布的價值，此外為獲得盡可能多的數據，我們需要大量的移動觀測車輛，這樣觀測的成本也將非常高，在業務研究污染物濃度實時分布中也失去了實際意義。

但是對于一個城市而言，公交車輛數量往往巨大而且在運行時間較為均勻的分布在城市各地，是一個潛在的移動觀測平臺。故我們基于北斗衛星導航系統的實時定位功能，提出以城市公交系統為平臺，移動觀測大氣污染物濃度的方案，從而可建立城市大氣污染物濃度觀測網。

2 設計方案

本文設計了基于北斗導航系統，以城市公交系統為平臺，結合電子通信技術，移動觀測大氣污染物濃度的方案。當裝有車載系統的公交車運行后，車載系統將會根據北斗導航系統的定位功能，對公交車的當前位置進行定位，并在匹配的地圖中標記，同時通過網絡將車載移動觀測系統測量的大氣污染物濃度觀測值等信息實時回傳到數據處理與管理系統中，進行數據處理與整合，并傳送給可視化顯示系統，用于建立城市大氣污染物濃度觀測網并制作污染物預報產品。

2.1 總體設計結構

該方案由車載系統、數據處理與管理系統、可視化顯示系統和用戶管理系統四個部分組成。移動公交車上安置的車載系統對城市大氣污染物濃度進行實時測量，北斗導航定位系統確定觀測時刻觀測點的地理位置，然后將觀測數據傳輸到數據處理與管理系統，經過處理后的大氣污染物濃度數據在可視化顯示系統實時展現出來，從而達到增加城市大氣污染物濃度觀測點數量，提高城市大氣污染物濃度數據觀測時間分辨率的效果。其總體結構如圖1所示。endprint

2.2 車載系統

車載系統即城市公共交通車載平臺，它主要是實現污染物濃度的測量和確定監測點位置，并將測量數據及定位信息傳送至數據處理與管理系統，其組成部分如圖2所示。

（1）監測污染物的傳感器：包括CO濃度傳感器、SO2濃度傳感器、NOx濃度傳感器和顆粒物濃度傳感器等觀測設備，主要作用是測量各種污染物濃度數據。（2）北斗接收裝置：接收北斗衛星信號，實時定位公交車位置（大氣污染物濃度監測點位置）。（3）系統供電裝置：為整個車載系統供電，可借助于公交車的電路系統供電，并配備蓄電瓶作為應急電源。（4）數據傳輸設備：通過GPRS、北斗短報文等方式將觀測的大氣污染物濃度數據和公交車位置信息傳輸到數據處理與管理系統，并接收用戶控制指令。

車載系統安裝在公交車的頂部，主要原因有以下兩點：（1）系統所用裝置形態較小，安裝后所占空間不大，可以與公交頂上的空調等凸起的裝置平齊放置，這樣既不增加公交車的高度，對公交車正常行駛不造成影響，又不會影響公交車的美觀。（2）公交車行駛過程中，車與車之間的距離都比較接近，若放在其他位置，該裝置可能會過于接近周圍車輛的尾氣管，測得的數據誤差較大，但安置在相對較高的公交車頂上，可減小車輛尾氣管排出的尾氣對觀測結果的影響。

2.3 數據處理與管理系統

數據處理與管理系統主要是對大氣污染物濃度數據、公交車定位數據及其他相關信息進行預處理、整理和數據分發等工作，其組成部分如圖3所示。

（1）數據接收模塊：通過網絡通信接收車載系統中各個大氣污染物濃度的監測數據和公交車定位數據，并同時向用戶管理系統傳輸工作狀態等信息。（2）數據處理模塊：對監測數據進行實時處理，包括修正異常值或者缺測值處理。（3）數據管理模塊：將處理后的數據以二進制或者十進制的方式儲存，為后續使用提供數據源，并接收管理員指令。（4）數據上傳模塊：將處理好的標準化數據上傳到可視化顯示系統。

2.4 可視化顯示系統

可視化顯示系統主要是實時顯示城市大氣污染物濃度量值及進一步加工處理后相關產品或信息，包括區域實時動態分布、污染物的預報產品和數據結果發布模塊（圖4）。

（1）區域實時動態分布：利用處理后的標準數據，顯示城市大氣污染物濃度的實時分布圖以及固定地點污染物濃度隨時間變化的趨勢圖。（2）大氣污染物濃度的預報產品：對處理后的標準數據再加工，制作預報產品，包括區域空氣質量的評估、未來發展趨勢的預報以及出行方面的建議。（3）數據發布：在手機、PC端等不同平臺上發布監測數據結果和相關產品。

2.5 用戶管理系統

用戶管理系統主要包括用戶信息數據庫和管理員信息數據庫，其結構如圖5所示。

（1）用戶信息數據庫。用戶注冊信息：通過用戶管理系統，用戶可注冊成為管理員，可進行系統日常管理操作。

用戶賬戶信息：用戶賬戶分為超級管理員和管理員，前者將賦予系統最高權限（1名），后者負責系統日常操作管理（多名）。

用戶在線信息：管理員登錄或者退出系統。

（2）管理員信息庫。管理員注冊信息：系統顯示管理員的注冊、登錄和在線信息。

北斗接收器監控和查看：管理員可查看某一時刻所有車輛的位置圖、接收器的運行狀況、接收器開關機狀況及其是否異常，并可設置接收機采樣時間間隔。

數據處理管理狀態查看：管理員可查看個數據模塊、數據傳輸裝置及傳輸網絡裝置的工作情況。

可視化系統設置：管理員可設置區域和時間的劃分、顯示系統的模式、預報產品的類型并可以查看數據接收終端。

數據處理：管理員可進行位置和濃度信息下載、歷史記錄數據的查看和生成報表。

3 技術路線

該系統方案的技術路線如圖6所示。

（1）收集數據。基于北斗衛星系統和車載系統中監測污染物濃度傳感器獲得車輛的位置數據和污染物濃度數據，作為本方案的基礎數據。（2）數據處理。基于收集的數據，利用3？滓準則和回歸插補法分別對收集的數據進行異常值處理和缺測值修正，得到比較完整可靠的數據。在這里3？滓準則的原理是先假設一組檢測數據只含有隨機誤差，對其進行計算處理得到標準偏差，按一定概率確定一個區間，認為凡超過這個區間的誤差，就不屬于隨機誤差而是粗大誤差，含有該誤差的數據應予以剔除。回歸插補法的原理是把缺失屬性作為因變量，其他相關屬性作為自變量，利用它們之間的關系建立回歸模型的來預測缺失值，以此完成缺失值插補的方法，是用非標準化的結果預測該變量的缺失值來實現的。（3）可視化顯示。利用預處理后的數據，進行可視化顯示，這里根據用戶的不同需求主要包括兩部分，即實時動態分布和預報產品發布，從而實現大氣污染物系統的建立。

4 可行性分析

4.1 技術可行性

本文設計方案中主要采用了北斗衛星導航系統技術和氣象移動觀測技術，兩項技術皆已發展成熟、實施難度較小。

首先，北斗衛星系統在我國境內全面覆蓋，全天候運行，信號強，精度高，尤其在城市里北斗明顯優于GPS。同時，全國公交車正在逐漸安裝北斗衛星定位系統，以提高交通保障能力，正好可以利用這一優勢實施該系統。其次，我國的氣象移動觀測業務發展也較為成熟，但由于觀測的經濟、時間成本限制，現階段此技術多用于應急觀測。因此，以公交車作為大氣污染物濃度觀測設備的移動平臺，實現常規化觀測。

4.2 運行可行性

從公交系統的運行可行性來看，現階段我國大部分城市的公交系統發展成熟。以北京為例，截止到2014年，北京公交系統各類運營車總數已達22542輛，公交線路1020條，在白天大部分的行駛時間內北京城內分布較為均勻，若我們安裝移動觀測系統車載終端1000套，我們將會得到1000個移動車觀測的數據，考慮北京面積為16.4km2，我們能得到的城市大氣污染物濃度網的分辨率將可以達到百米的量級。而北京現有的氣象觀測站僅有15個，污染物濃度觀測網分辨率為千米量級，因此采用基于北斗系統，利用公交車載系統移動觀測，將會很大程度上提高污染物濃度觀測網密度。endprint

4.3 經濟可行性

本系統的建立一方面可利用移動氣象車輛的原設備改造，成本不高；另一方面觀測設備基于已有的城市公交平臺，可有效降低運行成本。此外系統自動化運行，只需要數個管理員即可維護系統正常運轉；免去傳統人工觀測，有效節約人力財力。

5 創新點

本方案將北斗導航定位和氣象移動觀測相結合，創新性地提出以城市公交系統為載體，實現常規移動觀測城市大氣污染物濃度，解決了大氣污染物濃度觀測網密度過低、難以實行實時監控的問題，為城市大氣污染防控與治理提供有效支撐數據。

6 結束語

本文設計的城市大氣污染物濃度觀測系統是基于北斗導航系統的實時定位功能，充分利用北斗信號覆蓋廣、信號強等特點，以城市公交系統為平臺，移動觀測城市大氣污染物濃度，實現大氣環境常規化監測，而且技術上可行，易實施，運行成本低，數據空間分辨率高，具有較好的應用前景，同時也擴展了北斗的應用范圍，促進北斗產業的發展。

參考文獻：

[1]陳曉情，陳燕青，王潤飛.集成GPS的公交定位及到達時間預測APP設計研究——以太原市為例[J].時代金融，2016（26）：50.

[2]姜雪.西安市空氣污染物濃度統計特征及其氣象影響研究[D].長安大學，2012.

[3]楊東凱，張其善，吳今培.北京公交GPS車輛監控系統研究[J].電子技術應用，2000（04）：25-27.

[4]楊東貞.大氣本底污染的監測方法、原理及儀器[J].氣象，1984（12）：33-34.

[5]于泓博，陶佰睿，于泓琦，等.基于北斗導航的車輛智能服務系統設計[J].齊齊哈爾大學學報（自然科學版），2016（04）：1-5.

[6]趙紹偉，閔照源，劉一鳴.車內空氣污染物的危害及其檢測方法的研究[J].客車技術與研究，2014（06）：52-55.

[7]趙新秀，王解先.CORS用戶管理系統的研究與開發[J].工程勘察，2010（09）：74-76+79.

[8]張高敏，李圣普，王啟明.基于無線網絡的空氣污染物檢測系統設計[J].工業儀表與自動化裝置，2016（03）：74-77.

[9]周怡.基于車輛定位數據的公交運行評價方法[D].東南大學，2015.

[10]2015中國統計年鑒[M].北京：國家統計出版社，2015.

[11]S.C.Chang， C. T. Lee. Evaluation of the temporal variations in an urbanized and industrialized harbor[J].Atmospheric Environment，2008，42：7274-7283.endprint