高速公路大氣環境監測系統研究

李錦華 周應新 錢正富 日向洋一 劉江宇 苗晟源 吳尚峰

(1． 昆明市交通建設工程質量監督局，云南昆明650214; 2． 云南省交通投資建設集團有限公司，云南昆明650228;3． 云南武易高速公路建設指揮部，云南昆明650300; 4． 日本仮設株式會社，北海道札幌063-0836)

1 概述

高速公路是我國建設項目中功能最為便利快捷的基礎設施之一，近年來高速公路事業的快速發展，推動了國民經濟的不斷提高。但高速公路的建設過程中會對周圍的生態環境造成較大的影響，故對高速公路項目的環境監測刻不容緩。武易高速公路位于云南省境內，從武定至易門，貫穿連綿山區，地處生態大省，施工區生活人口密集，工業用地占地面積大，其在施工過程中對于環境和生態的影響較大。在建設過程中要遵循維持生態環境的原則，將其對周圍環境的影響降為最低，全面建設低碳環保高速公路，以此提高武易高速公路的項目品質。故進行實時監測施工過程中的環境污染物濃度，并對該區域的環境狀態進行評價，既可以保證項目建設過程中的環境質量，又可以為高速公路運營期間的環境觀測提供了基礎。

大氣環境監測系統是通過使用計算機手段對現場某些特定污染物的濃度進行實時監測，分析處理從而對大氣環境的狀況進行模擬和控制的系統，目前的監測手段已經實現了過去從間斷的數據采集人工分析向自動連續監測系統的轉變[1]。常用的監測手段有遙感監測、GIS監測和物聯網手段監測，這三者均可實現對數據的實時采集傳輸與處理，要求其監測范圍廣，監測點靈活布置，并且能夠實時準確的反饋環境信息[2]。

綜上所述，針對高速公路建設—運營過程中的環境觀測、數據采集、分析預警等一系列研究活動，對推進低碳環保高速公路的建設、環境的可持續發展具有科學合理的指導意義。本項目通過導入和整合新理念、新技術、新產品，實現了實時、準確、穩定、智能、全面的環境觀測系統，向項目管理部門反饋實時環境信息，控制并削減了高速公路建設過程中對于生態環境的影響，由此全面提高了武易高速公路的建設品質。

2 總系統構建

2.1 系統整體設計

數字監測系統具有監測數據數字化和控制大氣環境質量的功能[3]，本總系統的整體設計以能夠實時把握高速公路在建設施工過程中對周圍環境產生的影響為原則，一旦出現現場監測值超標的情況，能夠及時迅速地向高速公路建設指揮部及施工單位的管理人員通報異常狀況。

本總系統根據上述原則對總系統的技能方面、性能方面、可靠性方面和網絡配置等方面進行了一系列的設計，并對各監測系統的設備分別進行了專用儀器的設定，以便于現場設置和調試。特別是在可靠性設計中，針對從異常檢測、系統報警到確認系統恢復正常這一連貫動作所關聯的系統構成、數據備份、系統恢復的操作過程進行了探討和研究，以確保系統的實用性。無線傳感器網絡可以進行實時的環境監測，測量精度高，很適合用于大氣環境質量的監測[5]。

2.2 系統綜合構建

本總系統的開發包含各監測系統的儀器選定、監測設備的性能設計、監測系統服務器的個別設計等?？傁到y的構建完成后，將研制出的設備分別安裝配置于各個具體的施工現場中，進行各系統單體的性能試驗及總系統的綜合試驗，以確?？傁到y運行的協調性。綜合試驗的目的是確認所開發系統達到并滿足當初設計的要求。本系統通過確認環境監測儀器的監控機能及數據儲存、數據處理、網絡瀏覽器等機能的正常運行，來確定系統達到了性能設計要求。在總系統的構建過程中，為避免或減少網絡外部攻擊的風險，采取了登錄用戶限定、使用復雜密碼、設置訪問限制及使用已知安全性的最新軟件等措施。

智能環境監測系統由環境傳感器、數據采集控制系統、數據庫服務器和網絡服務器構成。環境傳感器的選擇主要取決于識別元件的優劣，其敏感度決定了測量數據的精確度[7]。數據采集控制系統收集模擬信號和數字信號，保存于內部存儲器和現場外置數據存儲器中，經由環境傳感器處理后以模擬信號物理量輸出，雨量以脈沖信號輸出，輸出的監測數據經過無線局域網(WLAN)或4G移動通訊網絡由FTP服務器發送到數據庫服務器，繼而在數據庫服務器內部進行數據處理。數據庫服務器由監測數據更新程序、ATHENA網關程序、監測數據、數據庫加密通信網關等組成。網絡服務器由數據顯示控制軟件Opera,Port FW,Global IP三部分組成。本系統開發了分別適用于iOS和Android系統的應用程序，高速公路建設指揮部及施工單位的管理人員可以通過智能手機隨時掌握施工現場所監測的環境數據，并及時做出緊急應對。

在可靠性設計方面，數據采集控制系統的硬件充分考慮了結構的散熱性，保持模塊端子之間的溫度梯度一致。此外，該系統外殼部分使用了不銹鋼SUS304，還設置了遮光板和雷電防護措施，以防止因陽光照射引起的內部升溫和雷電天氣造成的設備損壞。

3 系統構建與設置

3.1 系統整體構成

本高速公路建設項目需要進行大氣監測系統包括PM10,PM2.5風向風速、溫濕度和雨量監測。本高速公路長達104 km，難以全面掌握沿線各個施工點的環境狀態，為了實現全施工段環境監測，開發了移動車載式大氣監測系統來監測整體施工現場對公路沿線環境造成的影響。

3.2 大氣監測系統

大氣監測系統包括PM10,PM2.5濃度監測和風向風速、溫濕度、雨量監測[9]。本研究基于控制施工作業對周邊環境所致影響的設計要求，推測大氣中浮游粒子狀物質的飛散狀況，在監測PM10,PM2.5濃度的同時，亦監測風向風速、氣溫、濕度和降雨量等數據。例如，當PM10的濃度上升時，根據風向、氣溫及濕度數據，即可判定其起因是由現場施工所致，或者是由其他影響所致。

3.3 系統總體設置

大氣監測系統設置在安豐營樞紐立交橋的三個部位。安豐營樞紐立交橋是國家高速公路網G56杭州到瑞麗的杭瑞高速與武易高速交會的交流道。由于該立交橋主體結構周邊具有人口生活區，故需控制施工過程中PM10,PM2.5的排放。同時在武易高速公路竣工投入使用后，該系統可繼續用于監測路面行駛的交通車輛帶來的大氣污染。

4 主要傳感器特征

4.1 PM10傳感器

綜合考慮本項目的實用性和經濟性，選擇光散射式PM10粉塵儀作為PM10傳感器。光散射式PM10粉塵儀是利用由吸入粒子狀物質產生的散射光量與質量濃度成比例變化的原理，將散射光量轉換成電信號，以粒子狀物質的質量濃度的形式被檢測出來。本儀器具有發光量穩定、受光精度穩定、吸氣泵吸引量穩定等特點，還設有以輸送清潔空氣來凈化光學部的自動清掃結構，從而可獲得穩定的檢測精度。另外，本儀器還在外部空氣吸入口與內部主機吸氣口之間設置了加熱器，以減少由霧氣等微小水分子引起的檢測誤差。

4.2 PM2.5傳感器

PM2.5傳感器是在PM10傳感器的基礎上增設顆粒分離裝置。在PM2.5濃度的測定中，需要預先去除粗大粒子，故增設了離心式顆粒分離裝置。

5 監測數據分析

安豐營大氣監測PM2.5和PM10濃度結果范例如圖1，圖2所示，取全天24 h段進行分析，位于主線橋工地的2號監測點在6：00時的PM2.5濃度值為0.022 mg/m3，伴隨當天施工進度的進行，濃度開始逐漸增長，在15：30達到當日的最大值0.068 mg/m3。當天平均風速約2 m/s，風向為南—南南西，故北側的安豐營2號監測點的PM2.5濃度值上升。西側的安豐營3號監測點(L，G匝道工地)的數值沒有明顯的變動，說明受施工影響較小。PM10的濃度變化趨勢與PM2.5濃度變化趨勢類似，在施工開始的時刻濃

度值開始上升。安豐營1號監測點的PM10濃度值在14：10為0.355 mg/m3。安豐營2號監測點于12：00達到峰值濃度0.192 mg/m3，15：00達到0.188 mg/m3。安豐營3號監測點的PM10濃度沒有發現伴隨施工開始的數值上升。當濕度降低時，浮游粒子的濃度逐漸增高，故保持較濕潤環境有利于環境質量的提高。

6 結語

1)本項目通過定點大氣環境監測系統實現了對武易高速公路施工階段和運營階段的環境監測，從而保證了周圍生態環境不受破壞。

2)本監測系統穩定性高，各系統單體之間協調性好，可通過網絡將數據實時共享，以便于高速公路建設指揮部管理人員及施工監管人員遠程掌握環境信息并及時采取針對性的措施。

3)PM10和PM2.5的濃度在每天清晨時濃度相對較低，隨著施工的進行其濃度逐漸上升。當周圍環境的濕度降低時，濃度含量也會有所增加，風速風向也會對其濃度有所影響。