基于物聯(lián)網(wǎng)的機場區(qū)域大氣污染監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

付耀國,黃帥金,肖 正,雷 羽,邱登宇,趙金秋

(1.重慶機場集團博士后科研工作站,重慶 401120; 2.重慶交通大學土木工程學院,重慶 400074; 3.重慶機場集團擴建指揮部,重慶 401120; 4.中煤科工集團重慶研究院有限公司,重慶 400037)

0 引言

民用航空器的尾氣排放量逐年增長,己占交通運輸行業(yè)污染物總排放量的12%。飛機運行各階段都會產(chǎn)生大量CO2、SO2、CO、HC、NOx和固體顆粒等有害物質(zhì)。在航空器著陸和起飛(land and take-off,LTO)階段,排放的污染物會直接對機場及其周邊區(qū)域空氣環(huán)境質(zhì)量產(chǎn)生影響[1-2]。研究表明,在LTO循環(huán)的起飛、爬升、進近與滑行這4種模式下,航空器尾氣污染物排放占總排放量的比例分別為13.27%、28.16%、9.81%和48.75%[3]。航空器在滑行及低速飛行狀態(tài)下排放的大氣污染物占總排放量的50%以上。除飛機在近地面的活動所產(chǎn)生的污染氣體以外,在地面上的保障車輛和動力輔助裝置在運轉(zhuǎn)中也會排放污染氣體。這些污染源對旅客和機場周圍居民的生活環(huán)境產(chǎn)生了嚴重的影響[4-7]。因此,有必要對機場及其附近區(qū)域污染物的排放濃度進行監(jiān)控,以分析污染物排放來源、監(jiān)測不同區(qū)域污染物濃度、劃分重點監(jiān)控區(qū)域。這將為針對性地提出區(qū)域大氣污染物防治提供數(shù)據(jù)支撐,從而緩解航空器活動對機場周邊區(qū)域環(huán)境的影響。

本文以西南地區(qū)某大型樞紐機場為研究對象,提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的機場區(qū)域大氣污染監(jiān)控系統(tǒng),實現(xiàn)了機場區(qū)域環(huán)境大氣污染物無人、連續(xù)測量,該系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)人工監(jiān)測取樣的局限性,可有效提高大氣污染監(jiān)測的效率并節(jié)約人力成本。

1 系統(tǒng)總體框架

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

大氣污染物監(jiān)測系統(tǒng)主要包括監(jiān)測終端、區(qū)域中心和管理控制平臺。監(jiān)測終端的大氣污染物傳感器先采集污染物信號,再將其無線發(fā)送到具有數(shù)據(jù)融合功能的路由節(jié)點網(wǎng)絡中。路由節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸給各區(qū)域的中央節(jié)點,并向監(jiān)控終端發(fā)送控制指令[8]。中心節(jié)點對采集到的數(shù)據(jù)進行處理和傳輸,并將其傳輸至監(jiān)控中心。管理平臺對監(jiān)測結(jié)果進行統(tǒng)計分析,并制作空氣污染濃度分布圖等。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

2.1 監(jiān)控終端

監(jiān)控系統(tǒng)由控制器、全球定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS)定位模塊和無線通信模塊組成。本文系統(tǒng)主要由信息顯示模塊、無線通信模塊、大氣污染物傳感器和電源模塊等功能模塊組成。監(jiān)控終端完成對各監(jiān)控區(qū)域的大氣環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)和GPS地理位置信息采集,并將監(jiān)測到的信息綁定后上載到各區(qū)域中心節(jié)點[9]。監(jiān)控終端如圖2所示。

圖2 監(jiān)控終端

2.2 區(qū)域中心節(jié)點

區(qū)域中心節(jié)點以數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)和計算機為核心。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)和監(jiān)測端結(jié)構(gòu)組成基本一致。數(shù)據(jù)連接端采用串口或通用串行總線(universal serial bus,USB)接口,將采集到的大氣污染物數(shù)據(jù)和GPS地理位置信息傳輸?shù)絽^(qū)域處理計算機。

2.3 硬件設(shè)備配置

①大氣污染環(huán)境監(jiān)測模塊。本文系統(tǒng)針對PM2.5、CO、SO2、NOx、O3這5項污染物參數(shù)進行24 h連續(xù)在線的監(jiān)測。數(shù)據(jù)傳輸采用4G-數(shù)據(jù)傳輸單元(data transfer unit,DTU)。傳輸控制協(xié)議通信協(xié)議標準符合《HJT212污染物在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸標準》。采樣頻率為60 s/次。功耗為10～15 W。

②GPS模塊。GPS地理位置接收器選用Gstar GS-216。該接收器內(nèi)置的MTK3329芯片,支持5 Hz航點輸出,靈敏度可達-165 dBm,定位精度低于10 m,能夠?qū)?2個衛(wèi)星進行快速定位和跟蹤。GPS模塊具有防水功能,采用GPS和天線一體化解決方案,適用于室外安裝,同時降低了GPS天線布線的難度和信號長距離傳輸導致的衰減。

③微控制器。微控制器以S3-2440A為基礎(chǔ)。其核心處理器為ARM920T的精簡指令集計算(reduced instruction set computing,RISC)芯片。該芯片具有價格低廉、高性能、功耗低等特點。同時,微控制器提供了外部通用設(shè)備接口,從而降低了整個系統(tǒng)費用[10]。

④無線通信模塊:大氣污染物監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸擬選用CC2530作為無線通信模塊。該模塊發(fā)射功率為4.5 dBm、頻率為2 450 MHz、傳輸速率最高支持26 400 bit/s,集成了RF4CE、IEEE 802.15.4和ZigBee應用。芯片系統(tǒng)解決方案可應用于各種ZigBee PRO、ZigBee的無線網(wǎng)絡節(jié)點,包括路由器、協(xié)調(diào)器和節(jié)點終端[8]。

3 數(shù)據(jù)采集流程

3.1 監(jiān)控終端數(shù)據(jù)采集

監(jiān)控終端負責大氣污染物數(shù)據(jù)的采集和向中心節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)。監(jiān)控終端數(shù)據(jù)采集流程如圖3所示。

圖3 監(jiān)控終端數(shù)據(jù)采集流程圖

終端節(jié)點監(jiān)控數(shù)據(jù)采用離散取樣,即設(shè)定大氣污染數(shù)據(jù)采樣的時間間隔。其在航空器運行頻繁時段加大采樣密度;在夜間休息時段減小或者暫停采樣。終端節(jié)點先對采集到的大氣污染物數(shù)據(jù)進行超限判斷,再對超限數(shù)據(jù)進行傳輸。另外,終端節(jié)點還需判斷是否需要接收和轉(zhuǎn)發(fā)氣體節(jié)點傳輸過來的數(shù)據(jù)。如果沒有轉(zhuǎn)發(fā)任務,則先不激活無線收發(fā)單元,讓其處于休眠狀態(tài),再進行下一次的數(shù)據(jù)采集和傳輸。

3.2 區(qū)域中心數(shù)據(jù)流程

區(qū)域中心主要負責終端節(jié)點組網(wǎng)工作,并對終端設(shè)備進行監(jiān)測。區(qū)域中心與接入網(wǎng)絡的設(shè)備進行通信,以確定是否有數(shù)據(jù)接收、檢驗數(shù)據(jù)的格式是否符合要求,并在滿足條件后接收數(shù)據(jù)。在對串口進行監(jiān)測并接收到數(shù)據(jù)后,其進行數(shù)據(jù)的采集和傳送,將采集到的數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)通信服務器。如果沒有接收到數(shù)據(jù),則執(zhí)行其他任務。此外,區(qū)域中心還負責將管理中心發(fā)送的控制信號傳送給終端節(jié)點,并對其進行控制。區(qū)域中心數(shù)據(jù)傳輸流程如圖4所示。

圖4 區(qū)域中心數(shù)據(jù)傳輸流程圖

3.3 GPS模塊傳輸

終端系統(tǒng)采集到的GPS地理位置信息傳輸遵守NMEA-0183標準,可供選擇的輸出定位信息格式主要有GPGSA、GPRMC、GPGLL、GPGGA、GPGSV和GPVTG等[11]。本文系統(tǒng)選取GPRMC。GPRMC格式占用存儲空間小。GPS地理位置信息通過串口傳輸?shù)椒掌髦小＿@些信息在進行分類和抽取前是1條不能被識別和使用的字節(jié)流。該字節(jié)流需要用專用程序從各字段中提取出相關(guān)的信息,并轉(zhuǎn)化為具有實際意義的位置信息。

4 監(jiān)測點位設(shè)置

4.1 監(jiān)測點位類型

為保證機場環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測的科學性、準確性和合理性,按功能可以將監(jiān)測點位分為環(huán)境空氣質(zhì)量評價點、污染監(jiān)測點、質(zhì)量控制點和區(qū)域背景點這4種類型。

①環(huán)境空氣質(zhì)量評價點。

環(huán)境空氣質(zhì)量評價點是以監(jiān)測機場空氣質(zhì)量整體狀況和變化趨勢為目的而設(shè)置的監(jiān)測點。其點位布設(shè)應滿足監(jiān)測點位于機場紅線范圍內(nèi),并盡可能均勻分布,以覆蓋全部建成區(qū)。

②污染監(jiān)測點。

污染監(jiān)測點是為監(jiān)測機場固定污染源或污染源聚集區(qū)對機場環(huán)境空氣質(zhì)量的影響而設(shè)置的點位,包括飛機尾氣排放區(qū)域、機場內(nèi)道路、加油站、機務維修區(qū)、機場油庫區(qū)等。其點位布設(shè)應滿足:在主導風向比較明顯的情況下,在污染源的下風向布設(shè)監(jiān)測點,以捕捉到最大污染特征為原則進行布設(shè);上風口酌情布設(shè)以作為對照。各布設(shè)點位的設(shè)置條件應盡可能一致,使所獲取的大氣數(shù)據(jù)具有可比性。

③質(zhì)量控制點。

質(zhì)量控制點是為了以標站數(shù)據(jù)校準微站而設(shè)置的點位。其點位布設(shè)應在滿足質(zhì)量控制點原則上設(shè)置在標站周圍半徑10 m內(nèi),用于微站設(shè)備的比對和校準。質(zhì)量控制點應安裝不少于2臺微站。

④區(qū)域背景點。

區(qū)域背景點是以監(jiān)測機場所處區(qū)域空氣質(zhì)量本底水平為目的而設(shè)置的監(jiān)測點。區(qū)域背景點的設(shè)置應結(jié)合機場當?shù)貧庀髼l件和污染物擴散特征設(shè)置在機場紅線的上風向或邊界處。

4.2 監(jiān)測點位選址

城市環(huán)境空氣質(zhì)量評價點的半徑范圍為500 m～4 km。具體視污染物濃度以及空間濃度變化而定。參考城市空氣質(zhì)量評價點范圍,本文將機場用1 km×1 km的網(wǎng)格進行劃分。每個網(wǎng)格內(nèi)至少放置1臺環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備,并盡可能地均勻分布,以動態(tài)監(jiān)測機場空氣質(zhì)量的時空分布特點。以機場及其周邊區(qū)域為監(jiān)控對象,主要的監(jiān)測點有機場跑道、油罐區(qū)、加油站、機務維修區(qū)、地面保障系統(tǒng)和輔助動力設(shè)備、質(zhì)量控制點和區(qū)域背景點。

機場跑道監(jiān)測點選址。機場跑道是機場污染物的主要排放區(qū)域且緊鄰機場紅線,故監(jiān)測點位的選取除了要考慮污染物分布、氣象條件,還要考慮飛機排放對機場外的影響。對于第一跑道,從污染物分布看,高濃度的區(qū)域主要集中在跑道兩端,故在跑道北端和南端各設(shè)置1個微站。同時,為了反映飛機排放對空氣質(zhì)量的影響及變化趨勢,在跑道方向靠近機場紅線處每隔大約1 km設(shè)置1個總揮發(fā)有機物(total volatile organic compounds,TVOC)監(jiān)測微站。其中,跑道兩端的微站作為污染監(jiān)控點,其余4個微站為空氣質(zhì)量評價點。第二跑道、第三跑道參照第一跑道的設(shè)置方式。為了提高跑道周邊微站的數(shù)據(jù)準確度,在每個跑道上增設(shè)1個小型站,以對附近的微站數(shù)值進行校準。因此,國標法小型站共需設(shè)置3個。

油罐區(qū)監(jiān)測點選址。在油罐區(qū)設(shè)置監(jiān)測點除了能夠評價油罐區(qū)空氣質(zhì)量外,還能夠?qū)崟r監(jiān)測油罐區(qū)是否存在泄漏。故本文在機場油庫上下風向50 m距離處各設(shè)置1個監(jiān)測點,并在每個監(jiān)測點設(shè)置TVOC微站。

加油站監(jiān)測點選址。航空加油站監(jiān)測點設(shè)置在加油站下風向區(qū)域,并設(shè)置TVOC微站。

機務維修區(qū)監(jiān)測點選址。機務維修區(qū)主要污染物為非甲烷總烴、甲苯、二甲苯。機務維修區(qū)污染物最大落地濃度占標率很低,對周圍環(huán)境空氣質(zhì)量影響很小,故只在機務維修區(qū)下風向設(shè)置1個監(jiān)測站點,并設(shè)置TVOC微站。

地面保障系統(tǒng)和輔助動力設(shè)備監(jiān)測點選址。地面保障系統(tǒng)和輔助動力設(shè)備監(jiān)測點主要布設(shè)在航站樓周邊偏下風向位置,以客觀反映航站樓周邊環(huán)境空氣質(zhì)量,兼顧評價環(huán)境空氣對航站樓的影響。地面保障系統(tǒng)和輔助動力設(shè)備監(jiān)測點均設(shè)置微站。

質(zhì)量控制點和區(qū)域背景點監(jiān)測點選址。本文采用符合國家標準的大氣污染物監(jiān)測儀器,根據(jù)機場大氣污染物的分布特征選取監(jiān)測地址。監(jiān)測區(qū)域滿足位于機場上風向、遠離機場主要污染物排放區(qū)域、符合質(zhì)量控制點和區(qū)域背景點布設(shè)的要求。同時,本文在監(jiān)測點10 m范圍內(nèi)安裝2臺TVOC微站,通過標站的監(jiān)測數(shù)據(jù)對TVOC微站進行校準。

5 結(jié)論

民用航空器的尾氣排放對機場及其周邊區(qū)域大氣環(huán)境造成影響。為實現(xiàn)機場區(qū)域大氣污染物的實時監(jiān)測和污染區(qū)域可視化,本文設(shè)計了基于物聯(lián)網(wǎng)的機場區(qū)域大氣污染監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)由監(jiān)測終端、區(qū)域中心和管理平臺組成。監(jiān)測終端集成了信息顯示模塊、無線通信模塊、GPS模塊和大氣污染物傳感器等,針對PM2.5、CO、SO2、NOx、O3這5項污染物數(shù)據(jù)進行連續(xù)采集。GPS模塊負責記錄大氣污染物監(jiān)測的地理位置信息,并采用無線網(wǎng)絡將采集數(shù)據(jù)通過區(qū)域中心節(jié)點傳輸?shù)椒掌鳌９芾砥脚_負責發(fā)布大氣污染物監(jiān)控信息和繪制大氣污染地圖并參與監(jiān)控終端控制。該系統(tǒng)對機場周邊的監(jiān)控點位類型進行了劃分,并對監(jiān)控選址進行了分析。通過大氣污染物監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)建,可以實時、準確地掌握機場及其周邊區(qū)域大氣污染物水平,為大氣污染物治理提供依據(jù)。