分布式智能大氣監(jiān)測設(shè)備數(shù)據(jù)采集與分析技術(shù)應(yīng)用研究

摘要：通過介紹一種多時空因素下分布式智能大氣環(huán)境監(jiān)測設(shè)備，以及分析相關(guān)數(shù)據(jù)采集與技術(shù)，加強對區(qū)域大氣環(huán)境質(zhì)量和污染要素的長期及短期觀測，并基于多種氣象和環(huán)境空氣質(zhì)量模式，開展城市和區(qū)域大氣環(huán)境質(zhì)量模擬，對常規(guī)污染因子及氣象參數(shù)進行24 h 連續(xù)在線監(jiān)測。重點研究設(shè)備的適應(yīng)性、敏感數(shù)據(jù)的安全傳輸方式與加密算法、獨立于氣象監(jiān)測框架下的大氣監(jiān)測標準可行性，以期通過實際案例分析驗證該設(shè)備的實用性和市場前景。

關(guān)鍵詞：大氣監(jiān)測；智能設(shè)備；數(shù)據(jù)采集；數(shù)據(jù)分析；多時空因素

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，大氣污染問題日益突出，對人類健康和生態(tài)環(huán)境造成嚴重威脅，實時、準確地監(jiān)測大氣環(huán)境質(zhì)量對于污染防治和環(huán)境管理至關(guān)重要。由于傳統(tǒng)的大氣監(jiān)測方式存在效率低、維護成本高等問題，因而本文提出一種基于多時空因素的分布式智能大氣監(jiān)測設(shè)備，可實現(xiàn)污染物與氣象參數(shù)的自動監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析，為大氣環(huán)境監(jiān)管提供有力支撐。

1 分布式智能大氣環(huán)境監(jiān)測設(shè)備的研發(fā)

1.1 設(shè)備組成與技術(shù)優(yōu)勢

分布式智能大氣環(huán)境監(jiān)測設(shè)備采用模塊化設(shè)計，集成了多個傳感器模塊、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊，實現(xiàn)了環(huán)境參數(shù)的實時在線監(jiān)測，其技術(shù)指標如表1 所示。傳感器模塊包括PM2.5、PM10、CO、SO2、NO2、O3、VOC 等常規(guī)污染物傳感器，以及風速、溫度、濕度等氣象參數(shù)傳感器，因此選用高精度、快響應(yīng)的檢測器件，保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性和實時性[1]。

數(shù)據(jù)處理單元采用低功耗微處理器，通過優(yōu)化算法和策略，在降低能耗的同時提高了數(shù)據(jù)處理和存儲效率。通信模塊支持4G、NBIoT、LoRa 等無線協(xié)議，可靈活適應(yīng)不同應(yīng)用場景，實現(xiàn)穩(wěn)定可靠的遠程數(shù)據(jù)傳輸。

綜合而言，分布式智能大氣環(huán)境監(jiān)測設(shè)備具有高精度、高可靠、響應(yīng)快、模塊化、免維護、適應(yīng)惡劣環(huán)境、低功耗的技術(shù)優(yōu)勢，突破了傳統(tǒng)監(jiān)測設(shè)備的局限性，可全天候、高精度、低功耗地進行環(huán)境監(jiān)測，為環(huán)境管理提供了新的技術(shù)手段，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1.2 適應(yīng)性研究

為確保分布式智能大氣環(huán)境監(jiān)測設(shè)備在不同環(huán)境條件下均可穩(wěn)定運行，針對不同氣候區(qū)和地形條件，優(yōu)化傳感器選型和布點方案，確保監(jiān)測數(shù)據(jù)的代表性和準確性；針對極端溫度、濕度和污染條件，改進設(shè)備的防護措施和校準方法，提高監(jiān)測結(jié)果的可靠性；針對不同供電條件和通信環(huán)境，通過調(diào)整設(shè)備的功耗管理策略和數(shù)據(jù)傳輸方案，保證設(shè)備的長期自主運行。

在全國范圍內(nèi)選取多個氣候條件和地形特征差異顯著的地區(qū)對設(shè)備進行適應(yīng)性測試。在嚴寒、酷熱、潮濕等極端天氣條件下，評估設(shè)備的防護性能和測量穩(wěn)定性；在山地、盆地、沿海等復雜地形環(huán)境中， 驗證監(jiān)測數(shù)據(jù)的空間代表性和一致性；在電力供應(yīng)不穩(wěn)定、通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋不完善的偏遠地區(qū)，測試設(shè)備的能耗特性和數(shù)據(jù)傳輸可靠性。

通過一系列實地測試和優(yōu)化改進，全面提升設(shè)備的適應(yīng)性和穩(wěn)定性，即使在惡劣的環(huán)境條件下，設(shè)備也能夠持續(xù)穩(wěn)定運行，提供高質(zhì)量的監(jiān)測數(shù)據(jù)。實地測試結(jié)果表明，設(shè)備的各項性能指標均滿足設(shè)計要求且適應(yīng)性良好，因此可以在全國范圍內(nèi)大規(guī)模推廣應(yīng)用，并為城市和區(qū)域大氣環(huán)境監(jiān)測提供可靠的技術(shù)支撐。

2 敏感數(shù)據(jù)安全傳輸方式及加密算法

2.1 數(shù)據(jù)遠程加密傳輸

為保證敏感監(jiān)測數(shù)據(jù)在傳輸過程中的安全性和保密性，在設(shè)備端，對采集的原始數(shù)據(jù)使用AES-256 算法進行對稱加密，生成安全的加密密鑰，確保數(shù)據(jù)在本地存儲和傳輸過程中的機密性；上傳數(shù)據(jù)時，使用RSA 或ECC 等非對稱加密算法對AES 密鑰進行加密，防止密鑰在網(wǎng)絡(luò)傳輸中被竊取；在服務(wù)器端，采用透明數(shù)據(jù)加密等專業(yè)數(shù)據(jù)庫加密方案，對存儲的敏感數(shù)據(jù)進行可靠保護。此外，還可通過構(gòu)建基于SSL/TLS 的安全通信通道，實現(xiàn)設(shè)備與服務(wù)器之間的“端到端”加密傳輸，有效防止數(shù)據(jù)被篡改或竊聽[2]。

為確保密鑰的安全性和可用性，建立包括密鑰生成、分發(fā)、更新、備份和銷毀等環(huán)節(jié)的完善的密鑰管理機制。同時，通過定期更新和備份密鑰，降低密鑰泄露風險，保障數(shù)據(jù)安全。

綜合應(yīng)用加密傳輸和密鑰管理措施，不僅能為敏感監(jiān)測數(shù)據(jù)的遠程傳輸提供全方位的安全保障，還能最大限度地降低數(shù)據(jù)泄露和篡改風險，確保數(shù)據(jù)的機密性、完整性和可用性。

2.2 設(shè)備功耗優(yōu)化

為實現(xiàn)分布式智能大氣環(huán)境監(jiān)測設(shè)備的長期自主運行，選用MEMS 傳感器和ARMCortex-M 系列MCU 低功耗的傳感器和微處理器，在滿足性能需求的同時，降低器件功耗。針對數(shù)據(jù)采集和處理環(huán)節(jié)，對采樣率、數(shù)據(jù)壓縮、存儲策略等進行優(yōu)化，并根據(jù)監(jiān)測指標的特點進行動態(tài)調(diào)整，在保證數(shù)據(jù)質(zhì)量的前提下使能耗最小化。

由于數(shù)據(jù)傳輸模塊的優(yōu)化是設(shè)備功耗管理的重點，因而選擇功耗最優(yōu)的LoRa、NB-IoT等無線通信協(xié)議，通過利用其低功耗、長距離傳輸?shù)奶匦詼p少數(shù)據(jù)傳輸?shù)念l次和持續(xù)時間，通過數(shù)據(jù)壓縮、批量傳輸、非連續(xù)傳輸?shù)炔呗赃M一步降低通信功耗。

設(shè)計智能電源管理模塊，采用光伏電池板和大容量電池實現(xiàn)能量采集與存儲。開發(fā)智能能量調(diào)度算法，根據(jù)設(shè)備運行狀態(tài)和能量收支情況，動態(tài)優(yōu)化能量分配策略，在設(shè)備運行和數(shù)據(jù)傳輸之間實現(xiàn)能量平衡，使設(shè)備的能量利用效率最大化。

經(jīng)過多方面功耗優(yōu)化，分布式智能大氣環(huán)境監(jiān)測設(shè)備的電池續(xù)航時間得到顯著提升，實現(xiàn)了長達數(shù)月乃至數(shù)年的連續(xù)監(jiān)測；同時，設(shè)備的運維成本大幅降低，為大規(guī)模布設(shè)和長期運行提供了可靠保障。

2.3 異常情況預(yù)警與報警

為及時發(fā)現(xiàn)和處置大氣環(huán)境監(jiān)測設(shè)備的異常情況，設(shè)備端采用基于規(guī)則、閾值、趨勢的異常檢測算法，通過實時分析傳感器讀數(shù)、設(shè)備狀態(tài)、通信質(zhì)量等關(guān)鍵指標，及時發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)和故障征兆。同時，結(jié)合環(huán)境特征和歷史數(shù)據(jù)，建立設(shè)備運行的基線模型，通過偏差分析等方法識別異常模式，提高異常檢測的靈敏度和準確性。

針對不同等級的異常情況，制定相應(yīng)的報警策略和處置流程。當出現(xiàn)輕微異常時，通過數(shù)據(jù)標記、設(shè)備自我診斷等方式進行記錄和跟蹤，為后續(xù)的故障分析和預(yù)防提供依據(jù)[3]；當出現(xiàn)嚴重異常時，通過觸發(fā)聲光報警、短信通知、平臺告警等多種方式，提醒運維人員及時開展遠程或現(xiàn)場的排查和處置。

通過異常情況的實時預(yù)警和快速響應(yīng)，有效提高了設(shè)備的可靠性和數(shù)據(jù)的完整性。基于對歷史異常數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，識別設(shè)備故障、數(shù)據(jù)異常的規(guī)律和原因， 為優(yōu)化監(jiān)測方案、改進設(shè)備設(shè)計、完善運維策略提供了數(shù)據(jù)支撐，使系統(tǒng)的魯棒性和智能化水平不斷得到提升。

3 獨立于氣象監(jiān)測框架下的大氣監(jiān)測標準可行性探討

目前，大氣環(huán)境監(jiān)測主要依賴于氣象部門的監(jiān)測框架和標準，在一定程度上限制了大氣環(huán)境監(jiān)測的靈活性和專業(yè)性。為了更好地適應(yīng)大氣環(huán)境監(jiān)測的特殊需求，對建立獨立于氣象監(jiān)測框架下的大氣監(jiān)測標準進行可行性探討。

通過分析現(xiàn)有氣象監(jiān)測標準和大氣環(huán)境監(jiān)測特點，發(fā)現(xiàn)兩者在監(jiān)測對象、監(jiān)測要素、監(jiān)測頻次和監(jiān)測方法等方面存在差異。其中，大氣環(huán)境監(jiān)測更關(guān)注污染物和污染物濃度對人體健康的影響，需要更高的時空分辨率和更專業(yè)的監(jiān)測技術(shù)。因此，制定專門的大氣環(huán)境監(jiān)測標準，規(guī)范監(jiān)測設(shè)備的技術(shù)指標、布點原則、運維要求和數(shù)據(jù)質(zhì)量控制非常必要。

以分布式智能大氣環(huán)境監(jiān)測設(shè)備為基礎(chǔ)，充分考慮設(shè)備的性能特點和實際應(yīng)用需求，制定適用于城市和區(qū)域尺度的大氣環(huán)境監(jiān)測標準，力求覆蓋大氣環(huán)境監(jiān)測的各個環(huán)節(jié)，將監(jiān)測指標、采樣頻次、數(shù)據(jù)傳輸和異常處置等各個方面都涵蓋到，同時對設(shè)備布點、安裝和維護等做出規(guī)范要求。科學、實用、可操作的大氣環(huán)境監(jiān)測標準，不僅奠定了大氣環(huán)境監(jiān)測規(guī)范化和標準化的基礎(chǔ)，其制定和實施還有助于提高大氣環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性、一致性和可比性，為大氣污染防治和環(huán)境管理決策提供可靠依據(jù)。

4 實際應(yīng)用案例分析

4.1 項目背景

日照市作為山東省的重要沿海城市，近年來受經(jīng)濟發(fā)展迅速影響，城市面臨的大氣污染問題日益嚴峻。因此，為了加強對大氣環(huán)境的管理，日照市生態(tài)環(huán)境部門決定建設(shè)智慧環(huán)保綜合管理平臺，對該市的大氣環(huán)境質(zhì)量進行實時監(jiān)測和分析。

4.2 系統(tǒng)部署與應(yīng)用效果

日照市智慧環(huán)保綜合管理平臺項目組，根據(jù)日照市的地理環(huán)境特點和污染源分布情況，科學設(shè)計大氣環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的布局方案，在該市范圍內(nèi)部署100 余個分布式智能大氣環(huán)境監(jiān)測設(shè)備，實現(xiàn)對PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO、O3 等主要污染物和氣象要素的全天候、高密度監(jiān)測[4]；通過搭建高可靠、低時延的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，將監(jiān)測數(shù)據(jù)實時上傳至云端數(shù)據(jù)中心，經(jīng)質(zhì)量控制和分析處理后，以可視化的方式將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)展示在智慧環(huán)保綜合管理平臺上，為環(huán)保部門提供直觀、全面的大氣環(huán)境信息。日照市智慧環(huán)保綜合管理平臺大氣環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)情況如表2 所示。

5 分布式智能大氣環(huán)境監(jiān)測設(shè)備市場前景展望

隨著生態(tài)文明建設(shè)的不斷推進，各地對大氣環(huán)境監(jiān)測和管理的需求日益增長。分布式智能大氣環(huán)境監(jiān)測設(shè)備憑借先進的技術(shù)性能和可靠的實際應(yīng)用效果，在環(huán)境監(jiān)測市場上展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

5.1 市場競爭優(yōu)勢明顯

從市場容量來看，我國有數(shù)百個地級以上城市需要建設(shè)智慧環(huán)保管理平臺，對分布式智能大氣環(huán)境監(jiān)測設(shè)備的需求量十分可觀。以山東省為例，僅2022 年就有近千萬元的大氣環(huán)境監(jiān)測設(shè)備采購需求，預(yù)計未來幾年這一需求還將持續(xù)增長。而分布式智能大氣環(huán)境監(jiān)測設(shè)備因其出色的性價比和服務(wù)質(zhì)量，在市場競爭中占據(jù)了明顯優(yōu)勢。

5.2 市場拓展空間良好

從應(yīng)用場景來看，分布式智能大氣環(huán)境監(jiān)測設(shè)備可廣泛應(yīng)用于城市環(huán)境、工業(yè)園區(qū)、交通樞紐、自然保護區(qū)等特定區(qū)域，以及對重大活動、突發(fā)事件等特殊時段的大氣環(huán)境監(jiān)測，因而具有良好的市場拓展空間。

5.3 市場影響力與占有率需持續(xù)擴大

從發(fā)展趨勢來看，隨著大氣污染防治形勢的日益嚴峻，以及國家和地方政府對大氣環(huán)境監(jiān)測要求的不斷提高[5]，分布式智能大氣環(huán)境監(jiān)測設(shè)備除了緊跟行業(yè)發(fā)展趨勢、不斷優(yōu)化設(shè)備性能、拓展監(jiān)測指標、完善數(shù)據(jù)分析功能以滿足市場和用戶的多樣化需求外，還要探索大氣監(jiān)測數(shù)據(jù)與其他環(huán)境信息的融合應(yīng)用，為生態(tài)環(huán)境管理提供更加綜合、智能的解決方案，從而持續(xù)擴大市場影響力和占有率。

6 結(jié)束語

綜上所述，分布式智能大氣監(jiān)測設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)對區(qū)域大氣環(huán)境的實時在線監(jiān)測，以及通過數(shù)據(jù)分析為空氣質(zhì)量評估提供可靠依據(jù)。同時，該設(shè)備具有精度高、模塊化、低功耗等優(yōu)點，可應(yīng)對各種惡劣環(huán)境，且數(shù)據(jù)傳輸采用多種加密方式能保證敏感數(shù)據(jù)的安全性。另外，日照市的應(yīng)用案例也證明了分布式智能大氣監(jiān)測設(shè)備的實用性，因而未來將有望在更多城市推廣應(yīng)用，可為生態(tài)環(huán)境信息化建設(shè)與“兩高”項目、“雙碳”項目提供有力保障。

參考文獻

[1] 高瑞，薛晶晶.大氣環(huán)境綜合監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2024，14（7）：5-7.

[2] 李文青，史雨梅.方差分析在實時環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)分析中的應(yīng)用[J].經(jīng)濟研究導刊，2021（26）：44-46.

[3] 朱蕭璇.大氣污染在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)（碩士論文）[D].濟南：山東大學，2022.

[4] 林俐.環(huán)保管理系統(tǒng)在環(huán)境監(jiān)測及環(huán)保統(tǒng)計工作中的應(yīng)用[J].中國科技信息，2021（10）：126-127.

[5] 駱天浩.精準化環(huán)境監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)（碩士論文）[D].南京：南京郵電大學，2022.

作者簡介

彭楠（1980—），男，漢族 ，山東莒南人，高級工程師，大學本科，主要從事能源行業(yè)數(shù)字化應(yīng)用研究。

加工編輯：馮為為、唐藝桐

收稿日期：2024-07-26