揚塵智能監管系統的建設與展望

劉瀚文

摘 要：大氣揚塵造成的污染對自然環境和公眾健康都造成了嚴重的危害，因此，對大氣揚塵進行有效的監管就顯得至關重要。基于城市空氣質量管理的迫切需要，文章介紹了一個可對大氣揚塵進行智能監管的系統，展示了該揚塵智能監管系統的建設目標、系統架構、組成和系統功能，并提出深入、充分挖掘監測數據，加強監測數據共享的理念。

關鍵詞：大氣揚塵；智能監管；數據挖掘

隨著產業經濟發展和城市規模的不斷擴大，城區空氣污染問題日益嚴峻，尤其是大氣顆粒物污染，更是嚴重影響了公眾的身體健康。而學者研究結果表明，“我國城市都面臨著某些相似的問題，例如揚塵、二次生成、燃煤和機動車排放是大多數城市顆粒物污染的重要來源。”[1]

目前，在大氣污染治理中存在一些亟待解決的問題，“我國正處于城市建設的快速發展期，工程施工每天都在眾多的、分散的地點同時進行著。而監管部門人員數量有限，不可能每天都到各個施工地點去巡查”[2]；大氣污染治理環節多、揚塵來源廣、管理成本高、信息不能實現及時共享。

因此，建立一套針對大氣揚塵的“智能監管系統”顯得尤為重要。借助該系統，監管部門就可以通過整體布局，對區域內建筑工地與企業工廠等揚塵源的狀況進行實時自動化監測，提供科學準確的監測數據；全面了解區域內的揚塵源附近的空氣質量及其實時變化，探明污染來源，為各級環境監管部門的工作提供寶貴的決策依據。

1 建設目標

通過建立針對大氣揚塵的“智能監管系統”，創新監管機制，實現數字化管理。實時監測各個建設工地、企業工廠等的揚塵排放對區域環境影響的總量，可以及時確定不同區域揚塵排放突出的項目，并且能夠定量確定環境監管執法的重點，給環境監測與管理活動提供技術與數據支撐。

2 系統架構

“揚塵智能監管系統”是一個集實時監測、數據采集、數據分析、超標報警、數據評估、執法監督等多項功能于一體的綜合性應用平臺。數據平臺的各層模塊相互提供服務支撐能力，并存在遞進式的服務關系，整個系統劃分為3層。

（1）感知層：核心設備為在線監測儀，監測、監控參數包括：PM10、PM2.5，還可擴展監測噪聲、氣象參數，并輔以視頻監控。

（2）傳輸層：傳輸層支持有線、無線等方式傳輸各種監測數據。

（3）管理平臺（平臺層/應用層）：通過建立數據服務云平臺，依托揚塵監測儀器的在線數據，進行系統分析，提供跨區域、全時間、多層次的數據挖掘和對比，為科學治理揚塵提供數據支撐。

應用層面向基于管理部門、建筑工地、企業工廠等不同用戶的客戶端系統，實現基于顆粒物和噪聲、視頻、氣象等實時數據的在線監測與超標報警的功能，并能夠提供面向不同管理層的各種統計分析與管理建議。

3 在線監測儀

3.1 工作原理

顆粒物濃度檢測的主要方法有重量法、β射線吸收法、振蕩天平法、激光散射法等。其中重量法、β射線吸收法、振蕩天平法主要應用于對于顆粒物濃度檢測精度要求較高的場合，“不足之處在于工作量大、步驟繁瑣，測量過程不能滿足實時性的要求。”[3]“激光散射檢測法的優點是實時在線測量、測量速度快、測量精度較高等，因此，在顆粒物測定方面得到了廣泛應用。”[4]

光散射法原理：“當光照射在空氣中懸浮的顆粒物上時，將會形成散射光的現象。在顆粒物性質一定的條件下，顆粒物的散射光強度與其質量濃度成正比。通過測量散射光強度，應用質量濃度轉換系數，即可求得顆粒物的質量與濃度。”[5]激光散射法原理最為適合“揚塵智能監管系統”對于數據的精確性、實時性的較高要求，因此，本系統配備的在線監測儀將采用光散射法來檢測顆粒物濃度。

3.2 設備組成

在線監測儀是前端感知層的核心設備，主要由現場監測傳感器、顯示單元、無線傳輸單元、定位單元、設備控制單元、供電單元等組成。

3.2.1 現場監測傳感器

現場監測傳感器包括顆粒物傳感器（可檢測PM2.5、PM10），還可添加噪聲傳感器、氣象傳感器、攝像頭等，可根據不同的功能需求選擇配置。

3.2.2 顯示單元

設備采用LED顯示屏方式對采集的實時數據進行現場顯示。

3.2.3 無線通訊單元

設備采用GPRS方式將現場數據通過無線通訊的方式上傳給數據中心并儲存。

3.2.4 定位單元

內置GPS模塊，實時定位，智能上傳位置信息。

3.2.5 設備控制單元

設備控制單元采用單片機作為主控中心，實現對現場傳感器數據的采集，對采集數據的本地顯示以及數據打包上傳等控制功能。

3.2.6 設備供電單元

設備采用12 V穩壓電源供電，也可以裝配太陽能電池，部分使用太陽能供電，以提升續航能力。

4 系統功能

“揚塵智能監管系統”面向不同管理層面設計了分級管理功能，提供適應分級管理的軟件功能。管理功能主要包括以下內容。

4.1 基于電子地圖的數據發布和管理

可對數據進行各種基于Web-GIS的演示和發布，同時也可生成各種專題圖、趨勢分析圖等GIS圖表。

4.2 實時監測功能

實時顯示在線監測數據，包括顆粒物濃度、噪聲等級、氣象參數等。并以曲線、圖表等形式展現實時、24小時或任意時間段的監測數據、小時均值等。

4.3 統計報表功能

自動統計小時均值，可自動生成并存儲；基本統計報表包括日報表、周報表、月報表、季報表和年報表，包括均值、最大和最小值、超標率和超標倍數等統計數據。

4.4 查詢功能

可查詢任意時間段內同一監測點的歷史監測結果；可查詢同一區域不同監測點的歷史監測結果；可查詢不同監測點同一時間的監測數據，查詢結果以圖示和報表兩種方式顯示。可以用Excel格式導出所有監測結果，便于數據歸檔、整理與分析。

4.5 超標報警提示

可根據監測站點所處位置的環境敏感程度、管理要求的差異等，設置不同的告警標準，當監測數據達到了相應標準時，產生相應的告警。可為每個站點設置告警信息處理人，告警產生時可以自動發送信息通知到該處理人，處理人可以登錄系統并錄入對該告警的處理情況，系統可以查詢統計告警處理情況等。

4.6 數據對比分析

實現不同監測點顆粒物濃度比較，不同區域顆粒物濃度比較，不同工程類型、施工工期比較，以便環境監管部門橫向對照轄區內各項目的揚塵污染情況，以作出合理的、有針對性的環境監管決策。

4.7 趨勢分析

通過實時和歷史趨勢分析，本系統可以了解該地某個時間段的揚塵污染情況，從而為監管提供科學依據，整合氣象參數，根據既往的揚塵動態變化分析和積累的函數模型，對預期中的空氣污染情況作出智能預測與實時預警。

4.8 站點基本信息管理

監測點數量、監測點位置、占地面積、項目負責人等基本監測信息，均可按照行政管理區域實現精確查詢。

4.9 數據共享

結合多維度數據的實時收集、整理、無線上傳和共享，根據各監管部門提供的定制數據的應用模式，實現以大數據應用為基礎的多部門聯合監管。

5 結語

應用“揚塵智能監管系統”，可將建筑工地、企業工廠等揚塵污染項目納入實時在線監控和監管體系中，實現揚塵污染“早發現、早預警、早干預”，對提升環境監管能力意義重大。

另外，在現有系統的基礎功能上，還需要充分挖掘分析監測數據，如不同季節數據分析對比、不同項目類型數據分析、不同項目主體、不同項目階段數據分析等，根據數據分析結果，形成有針對性、可量化的管理措施，提高管理效率。建立跨區域或全國性揚塵監測管理的大數據平臺，加強數據共享，對監測數據充分挖掘和分析，梳理管理經驗，優化管理流程，提升整體揚塵管理水平。根據監測需求，拓展應用領域，選用不同的氣態、顆粒物、氣象等傳感設備，監測不同環境參數，展開適合不同行業和管理部門的應用。

[參考文獻]

[1]李培，王新，柴發合，等.我國城市大氣污染控制綜合管理對策[J].環境與可持續發展，2011（5）：8-14.

[2]劉建軍.建筑工程施工現場揚塵污染在線監控系統研究[J].科技視界，2013（28）：45.

[3]路廣，李杏華，肖云龍.光全散射法在城市揚塵在線監測系統中的應用[J].紅外與激光工程，2016（11）：1-6.

[4]張所容.基于激光檢測法的大氣揚塵實時在線監測研究[J].工業安全與環保，2018（7）：68-71.

[5]中華人民共和國衛生部.WS/T206-2001，公共場所空氣中可吸入顆粒物（PM10）測定方法—光散射法[S].北京：中華人民共和國衛生部，2002-05-01.