基于時空地理信息的港口大氣污染協(xié)同管控平臺研發(fā)

田序偉，尉子璇，符岳全，楊凱，鄭冰

（1.浙江數(shù)智交院科技股份有限公司，浙江 杭州 410000；2.浙江海港嘉興港務(wù)有限公司，浙江 嘉興 314201）

隨著世界經(jīng)濟(jì)貿(mào)易的發(fā)展，海上運(yùn)輸體量占交通行業(yè)的比例越來越大，海上運(yùn)輸承擔(dān)了我國95%以上的外貿(mào)貨物運(yùn)輸量。2022 年預(yù)計(jì)我國沿海港口吞吐量超過100 億噸，全國港口完成集裝箱吞吐量2.95 億TEU[1]。隨著行業(yè)的高速發(fā)展，與之而來的環(huán)境問題也越來越嚴(yán)重。港口內(nèi)機(jī)械作業(yè)設(shè)備及機(jī)動車、船舶等交通工具數(shù)量的增加，導(dǎo)致港口大氣污染排放量也急劇上升，嚴(yán)重影響港口空氣質(zhì)量水平[2]。

2019 年《交通強(qiáng)國建設(shè)綱要》指出，要“嚴(yán)格執(zhí)行國家和地方污染物控制標(biāo)準(zhǔn)，推進(jìn)港口污染防治，打造綠色高效的現(xiàn)代物流系統(tǒng)，提升基礎(chǔ)設(shè)施智能化與綠色化水平。”近年來，有學(xué)者從我國港口大氣污染排放清單[3]、港口綠色規(guī)劃設(shè)計(jì)[4]、港口環(huán)境管理關(guān)鍵技術(shù)[5]等方面進(jìn)行了一定研究，提升了我國港口大氣污染防治的基礎(chǔ)理論水平。部分干散貨碼頭也安裝了環(huán)境監(jiān)測站、揚(yáng)塵噴淋系統(tǒng)，開發(fā)粉塵監(jiān)測管理平臺等[6]，提升了港口大氣污染治理能力。

然而現(xiàn)階段對港口大氣污染的管控手段和治理能力仍然不足，大氣污染監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效信息未被充分挖掘。為深入探索港口大氣污染演變機(jī)理，提升大氣污染治理水平，以南方某港區(qū)為應(yīng)用對象，設(shè)計(jì)研發(fā)了基于時空地理信息的港口大氣污染協(xié)同管控平臺，實(shí)現(xiàn)對港口大氣污染監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集、分析、溯源、演變、管控的全生命周期管理，為港口大氣污染防治提供了有效手段。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

平臺采用云服務(wù)架構(gòu)，基于B/S 模式，采用前后端分離架構(gòu)，使用VUE/HTML5 和Spring Boot 框架進(jìn)行開發(fā)，總體設(shè)計(jì)如圖1 所示。系統(tǒng)界面地圖功能基于Mapbox GL JS 進(jìn)行開發(fā)，支持多種地圖樣式和自定義樣式，數(shù)據(jù)存儲采用了PostgreSQL 數(shù)據(jù)庫，并使用PostGIS 擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)存儲與查詢，提供強(qiáng)大的地理信息處理和分析能力。系統(tǒng)后端使用Spring Boot 框架提供RESTful API 接口，以支持前后端之間的數(shù)據(jù)交互和業(yè)務(wù)處理。在統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和安全保障體系的支撐和約束下，按照統(tǒng)一的數(shù)據(jù)基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)分散、多源、異構(gòu)的地理空間數(shù)據(jù)與大氣污染監(jiān)測數(shù)據(jù)的規(guī)范化集成、建庫、分析與展示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

圖2 系統(tǒng)時空演變分析模塊示例

平臺集港口大氣污染監(jiān)測數(shù)據(jù)分析顯示、港口大氣污染溯源計(jì)算與可視化展示、港口大氣污染監(jiān)測預(yù)警與演變趨勢研判、港口環(huán)境管理與決策等多種功能為一體。平臺是多維度云監(jiān)測的數(shù)據(jù)存儲與處理中心、溯源算法集成的載體、可視化效果的呈現(xiàn)界面。在運(yùn)行機(jī)制上，平臺將監(jiān)測數(shù)據(jù)輸入計(jì)算模型進(jìn)行溯源計(jì)算，然后將溯源計(jì)算結(jié)果進(jìn)行時空地理信息呈現(xiàn)。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)庫建設(shè)

本平臺通過布設(shè)多種大氣監(jiān)測感知設(shè)備與視頻監(jiān)控設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對港區(qū)大氣污染的多維立體信息感知。大氣監(jiān)測感知設(shè)備主要包括：①大氣顆粒物激光掃描雷達(dá)，實(shí)現(xiàn)對港區(qū)垂直和水平范圍的氣溶膠消光系數(shù)的實(shí)時探測；②一體式氣象監(jiān)測站，實(shí)現(xiàn)對港區(qū)溫度、濕度、風(fēng)速、降雨量等氣象要素的采集；③空氣質(zhì)量在線監(jiān)測儀，通過網(wǎng)格化多點(diǎn)監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)對港區(qū)固定污染源、移動污染源的監(jiān)測數(shù)據(jù)采集，包括PM2.5、PM10、SO2、NOx、CO、O3等污染物；④VOCS 在線監(jiān)測儀，監(jiān)測大氣中揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCS），包括苯、甲苯、二甲苯、乙醛、甲醛等，用于污染物來源解析。視頻監(jiān)控設(shè)備主要包括攝像機(jī)及無人機(jī)巡航設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對港區(qū)大氣監(jiān)測日常巡查和特殊情況下的應(yīng)急監(jiān)控，通過搭載粉塵無線監(jiān)測儀可實(shí)時采集堆場上空、碼頭上空大氣污染物數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸回監(jiān)測中心。

除了上述環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)外，還包括港區(qū)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、地理信息數(shù)據(jù)、元數(shù)據(jù)、日志數(shù)據(jù)等，通過數(shù)據(jù)庫管理工具進(jìn)行分類和歸檔。將PostgreSQL 數(shù)據(jù)庫架構(gòu)分為三個層次，數(shù)據(jù)存儲層、數(shù)據(jù)處理層以及數(shù)據(jù)服務(wù)層。數(shù)據(jù)存儲層，用于存儲所有數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理層對存儲在數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和簡單的計(jì)算與統(tǒng)計(jì)等。數(shù)據(jù)服務(wù)層，向外提供數(shù)據(jù)服務(wù)接口，數(shù)據(jù)以API 的方式提供給前端或計(jì)算中樞，也可以將數(shù)據(jù)推送其他省市級環(huán)境管理平臺當(dāng)中。

2.2 多維度大氣污染數(shù)據(jù)分析及時空地理顯示

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對港口大氣污染實(shí)時監(jiān)測顯示以及大數(shù)據(jù)分析功能，通過可視化插件工具，如各類圖表組件、熱力圖組件等實(shí)現(xiàn)對港口大氣污染數(shù)據(jù)的多維度統(tǒng)計(jì)分析，包括固定污染源、移動污染源占比，各類污染物監(jiān)測數(shù)據(jù)、揮發(fā)性有機(jī)化合物占比統(tǒng)計(jì)分析，港口空氣質(zhì)量變化趨勢圖等。

系統(tǒng)通過使用Mapbox GL JS 進(jìn)行地圖服務(wù)，可以實(shí)現(xiàn)港口大氣污染實(shí)時地圖顯示，包括監(jiān)測點(diǎn)位地圖和污染源分布地圖，并且可以通過地圖渲染功能和加速地圖加載等措施提升地圖的可視化效果和性能。

通過Mapbox GL JS 提供的地圖顯示功能，將港口的大氣污染監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時展示在地圖上，通過在地圖上標(biāo)記監(jiān)測點(diǎn)位，并使用不同的符號或顏色表示不同的污染級別或指標(biāo)數(shù)值。利用Mapbox GL JS 的繪圖功能，在地圖上標(biāo)記污染源的位置，例如工廠、排放口等，直觀地展示污染源的分布情況，并幫助分析污染的來源和擴(kuò)散情況。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)的特點(diǎn)和需求進(jìn)行定制化的地圖渲染，可以根據(jù)污染程度使用不同的顏色渲染地圖，使污染區(qū)域更加突出和可視化。通過使用矢量瓦片技術(shù)，大幅加速地圖的加載速度，確保在實(shí)時監(jiān)測的場景下，地圖能夠快速加載并展示實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)。

2.3 港區(qū)大氣污染溯源及實(shí)時源解析

系統(tǒng)基于先進(jìn)的監(jiān)測設(shè)備，通過建立密集的監(jiān)測網(wǎng)格和多參數(shù)監(jiān)測，實(shí)時獲取大氣污染數(shù)據(jù)，并結(jié)合PMF源解析技術(shù)[7]和高斯煙羽模型[8]，追溯和定位污染源的來源與影響，以實(shí)現(xiàn)對港區(qū)大氣污染的精準(zhǔn)溯源和源解析。

系統(tǒng)通過激光掃描雷達(dá)、網(wǎng)格化多點(diǎn)監(jiān)測和高精度氣象監(jiān)測站構(gòu)建的多維度云監(jiān)測組網(wǎng)獲取大氣物理流場數(shù)據(jù)和大氣化學(xué)特征因子數(shù)據(jù)。系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)后輸入信息處理模塊進(jìn)行模型計(jì)算。在大氣物理流場計(jì)算中，基于高斯煙羽擴(kuò)散模型原理，通過考慮排放源的高度、位置、風(fēng)速、風(fēng)向等參數(shù)，計(jì)算污染物的濃度分布，模擬污染物在港區(qū)大氣中的傳輸擴(kuò)散過程。在污染源解析計(jì)算中，應(yīng)用PMF 源解析技術(shù)，解析不同污染源對于監(jiān)測點(diǎn)位的貢獻(xiàn)程度和化學(xué)特征，并推斷源特征譜，提供對污染源的定性和定量分析。利用地理信息系統(tǒng)處理區(qū)域、分辨率、地形地貌、建筑物和路況等相關(guān)數(shù)據(jù)，提供空間環(huán)境背景信息，并與溯源結(jié)果進(jìn)行空間關(guān)聯(lián)分析。

利用可視化技術(shù)將大氣物理流場、化學(xué)特征因子、污染源解析結(jié)果以圖表、地圖等形式進(jìn)行展示，實(shí)現(xiàn)對大氣污染溯源過程的可視化呈現(xiàn)。綜合分析監(jiān)測數(shù)據(jù)、物理流場計(jì)算結(jié)果和PMF 源解析結(jié)果，生成綜合溯源結(jié)論，明確污染物來源和貢獻(xiàn)程度，并提供相應(yīng)的評估指標(biāo)。基于溯源結(jié)果和評估指標(biāo)，為決策者提供科學(xué)依據(jù)和建議，支持港區(qū)大氣污染的治理和規(guī)劃決策。

2.4 大氣污染監(jiān)測預(yù)警與演變趨勢研判

系統(tǒng)基于港區(qū)監(jiān)測組網(wǎng)獲取的大氣污染監(jiān)測數(shù)據(jù)，設(shè)置相應(yīng)的預(yù)警閾值和等級，通過與系統(tǒng)中的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)超過預(yù)警閾值時，觸發(fā)相應(yīng)的預(yù)警策略。一旦觸發(fā)預(yù)警，系統(tǒng)將自動發(fā)送預(yù)警信息包括警報(bào)通知、預(yù)警級別、污染物類型等，通過系統(tǒng)界面符號閃爍、短信等渠道向相關(guān)用戶發(fā)送預(yù)警信息。此外，系統(tǒng)還能生成詳細(xì)的報(bào)告，包括污染事件記錄、數(shù)據(jù)分析結(jié)果和建議措施，為決策者提供科學(xué)依據(jù)。

系統(tǒng)采用深度學(xué)習(xí)模型——LSTM 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[9]構(gòu)建港區(qū)大氣空氣質(zhì)量指數(shù)預(yù)測模型，實(shí)現(xiàn)對未來時間段內(nèi)港區(qū)大氣污染指標(biāo)的預(yù)測。系統(tǒng)通過收集港區(qū)多維度云監(jiān)測網(wǎng)收集的大氣污染監(jiān)測數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，包括數(shù)據(jù)清洗、特征提取和歸一化處理等，建立LSTM 深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)。以過去八個小時的大氣污染特征因子（AQI、PM2.5、O3、PM10、SO2、NO2、CO、溫度、風(fēng)力、降雨量、濕度）作為輸入，對深度學(xué)習(xí)模型進(jìn)行訓(xùn)練，預(yù)測未來1 小時的港區(qū)空氣質(zhì)量指數(shù)，生成趨勢曲線和預(yù)測結(jié)果，并提供可視化展示和分析報(bào)告，以幫助決策者了解港區(qū)大氣污染的演變趨勢。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

3.1 大氣污染監(jiān)測大數(shù)據(jù)分析

系統(tǒng)實(shí)時顯示港區(qū)大氣污染實(shí)時地圖，集成顯示激光雷達(dá)、大氣污染監(jiān)測站點(diǎn)及氣象監(jiān)測站點(diǎn)等位置與狀態(tài)信息，顯示設(shè)備運(yùn)行情況及氣象監(jiān)測污染等級，實(shí)時顯示空氣質(zhì)量，按照日、周、月等不同時間維度通過折線圖顯示空氣質(zhì)量變化情況。系統(tǒng)支持監(jiān)測站點(diǎn)實(shí)時數(shù)據(jù)查看，通過點(diǎn)擊設(shè)備符號，查看監(jiān)測數(shù)據(jù)，包括監(jiān)測設(shè)備ID、設(shè)備類型、位置、監(jiān)測內(nèi)容等。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)污染源地圖標(biāo)記，直觀展示污染源分布情況，以港區(qū)為底圖，標(biāo)記港區(qū)周邊化工企業(yè)、港區(qū)內(nèi)煤炭堆場作業(yè)區(qū)、集裝箱堆場作業(yè)區(qū)、泊位船舶作業(yè)區(qū)等污染源地理位置，顯示污染源分布及污染物狀態(tài)，通過多維圖表顯示空氣中各類污染物濃度占比及狀態(tài)趨勢變化。

系統(tǒng)按照監(jiān)測站點(diǎn)及不同的污染物來源，記錄對應(yīng)的污染物監(jiān)測信息，支持污染監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢，按照時間、設(shè)備類型、污染物類型等字段查詢對應(yīng)的設(shè)備監(jiān)測記錄。

3.2 大氣污染監(jiān)測預(yù)警報(bào)警

系統(tǒng)基于設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)、預(yù)警閾值設(shè)置策略觸發(fā)監(jiān)測預(yù)警，報(bào)警信息集成于系統(tǒng)首頁界面，顯示報(bào)警站點(diǎn)、報(bào)警時間和報(bào)警通知等。系統(tǒng)后臺生成詳細(xì)的報(bào)警報(bào)告，包括污染事件記錄、數(shù)據(jù)分析結(jié)果和建議措施，為決策者提供科學(xué)依據(jù)。報(bào)告內(nèi)容包括記錄ID、時間戳、監(jiān)測站點(diǎn)、污染指標(biāo)、報(bào)警級別、報(bào)警數(shù)值、報(bào)警閾值、報(bào)警類型、報(bào)警狀態(tài)、處理人員、處理時間、處理結(jié)果等。

3.3 大氣污染時空演變分析

系統(tǒng)支持污染溯源分析及污染物來源分析，按照污染源類型顯示污染源時間分布變化，以趨勢圖的方式，展現(xiàn)不同類型污染源在日、周、月等時間維度下，污染物占比趨勢變化。顯示不同污染源類型下各污染源點(diǎn)位污染物詳細(xì)信息，對同一污染源類型下各污染源點(diǎn)進(jìn)行排序。

系統(tǒng)基于大氣激光雷達(dá)激光監(jiān)測的消光系數(shù)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)港口環(huán)境數(shù)據(jù)動態(tài)云圖實(shí)時顯示，對消光系數(shù)及顆粒物時空演變情況進(jìn)行分析。基于港口監(jiān)測歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時采集的大氣監(jiān)測和氣象數(shù)據(jù)，通過深度學(xué)習(xí)模型實(shí)現(xiàn)港口空氣質(zhì)量指數(shù)預(yù)測。

3.4 大氣污染協(xié)同管理與決策

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)污染源定位及邊界污染濃度控制。設(shè)計(jì)污染源定位列表，顯示大氣監(jiān)測站點(diǎn)位和污染源分布點(diǎn)位，通過點(diǎn)擊點(diǎn)位名稱定位到圖層監(jiān)測站點(diǎn)和污染源點(diǎn)位，顯示監(jiān)測點(diǎn)位信息。用戶可通過編輯設(shè)置監(jiān)測站及污染源點(diǎn)位閾值，實(shí)現(xiàn)對該點(diǎn)位污染濃度控制，用戶可通過編輯控制污染物名稱、預(yù)警濃度閾值和報(bào)警持續(xù)時間閾值等調(diào)整報(bào)警觸發(fā)條件。