王大鵬，李德良

（中國鐵道科學研究院集團有限公司 節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所，北京100081）

1 概述

《鐵路“十三五”發(fā)展規(guī)劃》中提出“將生態(tài)環(huán)保理念貫穿鐵路規(guī)劃、建設、運營和養(yǎng)護全過程”。其中，開展鐵路施工期環(huán)境在線監(jiān)測是全面推進鐵路行業(yè)數字化、信息化、智能化發(fā)展的重要工作[1]。環(huán)境在線監(jiān)測工作是鐵路建設過程中環(huán)境保護工程管理的重要手段之一，是鐵路建設項目管理信息系統的重要補充內容[2]。鐵路建設項目施工期對揚塵、噪聲、污水和生態(tài)等要素開展監(jiān)測的數據類型、數據傳輸量等差異較大，而且鐵路建設項目施工點位呈線狀分布、位置分散、環(huán)境多樣。因此，如何根據鐵路施工期環(huán)境在線監(jiān)測數據特點，合理選擇環(huán)境在線監(jiān)測數據傳輸網絡，以確保環(huán)境在線監(jiān)測數據的連續(xù)性和有效性，是鐵路施工期環(huán)境在線監(jiān)測需關注的重要問題。

環(huán)境在線監(jiān)測系統是指利用智能傳感器、衛(wèi)星空間定位、生物特征識別等信息感知設備，利用約定協議，通過網絡傳輸至信息處理中心，從而實現對鐵路建設領域環(huán)境相關工程的智能化識別、監(jiān)控并進行管理的系統[3]。環(huán)境在線監(jiān)測系統架構如圖1所示。

環(huán)境在線監(jiān)測系統在鐵路建設期實施過程中，網絡傳輸層通信信號不穩(wěn)定是目前面臨的主要問題之一。根據現有的施工環(huán)境和網絡環(huán)境，可通過選擇不同的網絡環(huán)境達到目前環(huán)境在線監(jiān)測系統對網絡環(huán)境的傳輸要求。

2 鐵路環(huán)境在線監(jiān)測數據特點

圖1環(huán)境在線監(jiān)測系統架構圖

2.1 結構化數據

結構化數據具有嚴格的數據格式和長度規(guī)范，一般用二維表結構來邏輯表達和實現數據，通過關系型數據庫進行存儲和管理[4]。結構化的數據是有規(guī)律的，具有固定的傳輸方式和存儲格式。污染源和環(huán)境質量的監(jiān)測數據主要為結構化數據，不同的監(jiān)測因子根據相應標準規(guī)范有不同的監(jiān)測要求。

（1）在鐵路建設項目施工過程中污染源監(jiān)測方面，噪聲、污水和大氣是主要監(jiān)測內容。根據《建筑施工場界環(huán)境噪聲排放標準》(GB 12523—2011)要求，路基、橋梁等施工點位需設置噪聲監(jiān)測點位，監(jiān)測頻次不低于2次/d。隧道等施工點位產生的污水主要受施工工藝影響，一般要求監(jiān)測因子為pH、SS、COD、氨氮、石油類等，根據《地表水和污水監(jiān)測技術規(guī)范》(HJ/T 91—2002)要求，在排放口設置監(jiān)測點，監(jiān)測頻次不低于3次/d。施工作業(yè)產生的大氣污染主要為揚塵，根據《大氣污染物綜合排放標準》(GB 16297—1996)，顆粒物等廢氣類監(jiān)測因子在無組織排放點設置最多4個監(jiān)測點，監(jiān)測頻次為4次/h。

（2）在鐵路建設項目施工過程中環(huán)境質量監(jiān)測方面，聲環(huán)境、水環(huán)境和空氣環(huán)境是主要監(jiān)測內容。根據《聲環(huán)境質量標準》(GB 3096—2008)要求，在噪聲敏感區(qū)段設置監(jiān)測點位，監(jiān)測頻次不低于2次/d。水環(huán)境質量監(jiān)測主體主要包括鐵路跨越水體，根據《地表水和污水監(jiān)測技術規(guī)范》(HJ/T 91—2002)要求，在施工點位上下游斷面設置監(jiān)測點位，監(jiān)測頻次一般要求為1次/月。根據《空氣環(huán)境質量標準》(GB 3095—2012)要求，采用自動監(jiān)測設備監(jiān)測時，監(jiān)測設備需全年連續(xù)運行。

（3）地表水環(huán)境和空氣環(huán)境自動監(jiān)測也有相應規(guī)范要求?！兜乇硭詣颖O(jiān)測技術規(guī)范(試行)》(HJ 915—2017)規(guī)定水溫、pH、溶解氧、電導率和濁度等水質監(jiān)測因子監(jiān)測頻次為4 h/次，《環(huán)境空氣顆粒物(PM10和PM2.5)連續(xù)自動監(jiān)測系統運行和質控技術規(guī)范》(HJ 817—2018)和《環(huán)境空氣氣態(tài)污染物(SO2、NO2、O3、CO)連續(xù)自動監(jiān)測系統運行和質控技術規(guī)范》(HJ 818—2018)規(guī)定，顆粒物和氣態(tài)污染物自動監(jiān)測設備需全年連續(xù)運行。

綜上，結構化數據監(jiān)測設備的傳輸頻次需保證不小于4次/h，監(jiān)測設備全年在線。污染類監(jiān)測數據在采集過程中單個數據量小，通常為10～100 B。污染類監(jiān)測點位之間的距離通常在1 km以上，密集度不高。

2.2 非結構化數據

非結構化數據是沒有定義的數據模型，數據結構不規(guī)則或不完整，不使用數據庫二維邏輯表來表達的數據[3]。非結構化數據采集的信息較為豐富，對不同的非結構化數據有不同的提取關鍵信息的方式。

生態(tài)影響的監(jiān)測數據主要為非結構化數據。根據鐵路建設項目環(huán)評一般要求，對生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)和敏感區(qū)需開展植被監(jiān)測，對國家保護動物需開展野生動物監(jiān)測。植被監(jiān)測的主要內容為植物種類組成、群落蓋度、生物量、優(yōu)勢種和多樣性指數等，對植被恢復尤為關注。野生動物監(jiān)測的主要內容為動物的種類、分布及其活動情況。2種監(jiān)測因子所采集的數據形式主要為圖片、聲音和視頻等。在監(jiān)測過程中，生態(tài)類監(jiān)測數據傳輸的特點是單次數據量大，通常為1 KB～1 GB，頻次要求不高，一般為幾天到幾周傳輸1次。

3 數據通信類型及特點

目前，環(huán)境在線監(jiān)測系統的通信基礎網絡傳輸方式主要包括GPRS網絡傳輸、3G/4G網絡傳輸、NBlot網絡傳輸、5G網絡傳輸和北斗短報文傳輸等。

上述研究主要關注引水調控對小型富營養(yǎng)化湖泊生態(tài)和環(huán)境的改善作用，近些年來，隨著太湖、巢湖以及滇池等大型富營養(yǎng)化湖泊藍藻水華暴發(fā)所引發(fā)的飲用水與生態(tài)危機日益嚴重，針對大型富營養(yǎng)化湖泊的引水調控工程受到有關部門的重視[5，25，40-45]，已成為緩解藍藻水華災害的重要水利工程措施。而不同于小型湖泊，大型富營養(yǎng)化湖泊的引水調控工程對湖泊生態(tài)與環(huán)境的改善效果受到多方面因素的影響和制約，短期內難以獲得理想的結果，引水調控工程往往需常態(tài)化運行。因此，引水工程對大型富營養(yǎng)化湖泊水文水動力、物理化學環(huán)境以及生物的影響需進行長期的跟蹤研究。

3.1 GPRS

全球移動通信系統(Global System of Mobile Com‐munication，GSM)是在第一代移動通信系統的基礎上發(fā)展的第二代移動通信系統[5]。GPRS是疊加在現有GSM網絡上的通用分組無線服務技術，其傳輸通道可容納多個用戶，根據用戶的使用情況確定寬帶流量。對定點、定時上線傳輸數據的監(jiān)測設備具有良好的容納性。

以中國移動的全球通網絡為例，目前覆蓋我國所有地(市)和98%以上的縣(市)，是我國最大的移動通信網絡[6]。GPRS網絡平均傳輸速率為150 kbps，最高速率可達380 kbps，可以滿足基本的語音和信息數據的傳輸要求。GPRS網絡傳輸適用于間斷、突發(fā)性、頻繁、少量的數據傳輸，也適用于偶爾的大數據量傳輸。

3.2 3G/4G

3G/4G是在第二代移動通信基礎上提升的一種無線通信技術，是支持更高速的數據傳輸蜂窩移動通信技術，4G網絡是集3G網絡和WLAN一體的一種網絡[7]。

3G網絡的平均傳輸速率為1～6 Mbps，4G網絡的平均傳輸速率10～100 Mbps，可支持高速數據傳輸，能夠同時傳輸聲音、數據、圖像和影像等信息。3G/4G網絡適用于多種數據信息同時大量傳輸。

3.3 NB-loT

NB-loT是一種使用授權頻段的低功耗廣域網蜂窩通信技術，構建于蜂窩網絡，可直接利用GSM網絡、UMTS網絡或LTE網絡部署[8]。

根據《關于深入推進移動物聯網全面發(fā)展的通知》(工信廳通信[2020]25號)，“到2020年底，NB-loT網絡實現縣級以上城市主城區(qū)普遍覆蓋”。NB-loT網絡傳輸速率為160～250 kbps，同一基站前提下，比傳統無線技術接入數提高50～100倍，終端接入數可達5萬。NB-loT網絡具有覆蓋廣、連接多、速率低、成本低、功耗少、架構優(yōu)等特點。

3.4 5G

5G是指第五代移動通信技術，也是最新一代的蜂窩移動通信技術，是繼4G/3G/2G系統之后的延伸技術[9]。5G網絡是一種數字蜂窩網絡，將聲音和圖像的模擬信號數字化，通過轉換形成比特流傳輸。

以中國移動為例，目前已向31個省共計52個城市提供了5G網絡體驗服務[10]。5G網絡的平均傳輸速率433 Mbps，相較其他網絡有高效的傳輸效率，同時在網絡構架上的部署階段具有靈活性。目前，5G網絡的覆蓋度仍較小，5G基站正在逐步布設過程中。

3.5 北斗短報文

北斗短報文通信系統主要包括3個部分：用戶系統、空間系統和地面系統。短報文需要從用戶發(fā)送端發(fā)送至空間衛(wèi)星，由衛(wèi)星傳輸至地面中心站，再由地面中心站傳輸至衛(wèi)星，最后傳輸至用戶接收端[11]。

北斗短報文可直接依靠衛(wèi)星通信，不需要建設基站，目前已基本覆蓋至全國。北斗短報文每次傳輸的短報文大小都有字數限制，根據不同的發(fā)送級別確定具體限制字數。北斗短報文信息大小受限，發(fā)送內容制式固定，通信模塊等設備成本和通信費用較其他網絡高。

4 鐵路建設項目環(huán)境在線監(jiān)測數據傳輸方式的選擇

鐵路線路穿越的區(qū)域范圍一般較大，不同段落區(qū)域可利用的數據通信網絡差異較大。以某貨運鐵路為例，該鐵路全長1 813.5 km，由北向南主要穿越地域包括毛烏素沙漠、黃土高原、黃龍山-南呂梁山、臨汾盆地—峨眉臺地—運城盆地、中條山脈、靈山盆地、東秦嶺山脈、江漢平原、洞庭湖平原和贛西丘陵等，施工環(huán)境極為復雜[12]。根據環(huán)評監(jiān)測要求，對環(huán)境噪聲、水環(huán)境、生態(tài)敏感區(qū)內容進行監(jiān)測；其他內容包括環(huán)境空氣、植被恢復、水土流失和固體廢物等，需根據現場情況進行檢查，個別點位定點監(jiān)測。施工期噪聲敏感點即噪聲監(jiān)測點位1 025處，地表水環(huán)境質量及污水排放監(jiān)測點位346處，地下水監(jiān)測點位148處[13]，生態(tài)影響監(jiān)測點位13處。根據各環(huán)境要素監(jiān)測點位位置及網絡區(qū)域分布情況，各監(jiān)測點位信號區(qū)域數量大致分布情況如表1所示。

表1環(huán)境監(jiān)測點位區(qū)域分布

根據監(jiān)測點位情況分析，噪聲、水質、水位和墑情的監(jiān)測點位采集數據均為結構化數據。其中，監(jiān)測點位位于無網絡信號區(qū)域占監(jiān)測總量最大約0.88%，弱網絡信號區(qū)域占監(jiān)測總量最大約13.85%。生態(tài)影響的監(jiān)測點位采集數據主要為非結構化數據，監(jiān)測點位覆蓋3種網絡信號區(qū)域。鐵路項目在建設過程中，監(jiān)測點位的分布一般包括無網絡信號區(qū)域、弱網絡信號區(qū)域和強網絡信號區(qū)域。環(huán)境在線監(jiān)測數據在不同網絡信號區(qū)域根據監(jiān)測數據的不同類型可選擇不同的數據傳輸方式。

4.1 無網絡、弱網絡信號區(qū)域

結構化數據主要監(jiān)測因子為污染類的監(jiān)測指標，同一基站覆蓋范圍內監(jiān)測點位根據基站覆蓋范圍和監(jiān)測點位距離測算數量約為20個，單個信息量小但需多頻次傳輸。在弱網絡信號區(qū)域，根據GPRS網絡特點，結構化數據監(jiān)測設備可采取定點監(jiān)測即時傳輸方式，單次數據采集完成后即時傳輸至數據庫等接收端即可滿足要求。在無網絡信號區(qū)域，環(huán)境監(jiān)測點位數量少，可采用自建臨時傳輸網絡和北斗短報文方式傳輸數據。其中，自建臨時傳輸網絡基站安裝條件受限、后期維護困難、建設成本高、運營期利用效率低；北斗短報文無需重新建設基站，單條數據傳輸費用較高，但單個建設項目中無網絡信號區(qū)域環(huán)境監(jiān)測點位數量少，因此在滿足監(jiān)測方案的前提下總監(jiān)測費用不高。

在弱網絡信號區(qū)域，非結構化數據可選擇GPRS網絡傳輸，數據量大的信息利用GPRS網絡傳輸過程中易發(fā)生中斷，因而非結構化數據在采集設備傳輸設置時可設置為斷點續(xù)傳的傳輸方式，以保證數據信息的完整傳輸。在無網絡信號區(qū)域，非結構化數據在線傳輸利用既有網絡無法滿足傳輸要求時，可選擇存儲式監(jiān)測設備結合人工監(jiān)測，或者采用無線數傳電臺等自建臨時傳輸網絡。

4.2 強網絡信號區(qū)域

目前，國內強網絡區(qū)域已覆蓋全國主要省市和縣城，約占全國總市縣的51%。鐵路在建設過程中穿越市郊區(qū)或縣城，基本為強網絡信號區(qū)域。在強網絡信號區(qū)域，人口居住密度大，施工期環(huán)境管理更為嚴格，同一環(huán)境監(jiān)測點位監(jiān)測因子多樣化，監(jiān)測數據同時包括結構化數據和非結構化數據。在施工期環(huán)境在線監(jiān)測過程中，同一監(jiān)測點位在初期監(jiān)測因子的基礎上，可能拓展其他監(jiān)測因子。因此，強網絡信號區(qū)域基本滿足結構化數據和非結構化數據的傳輸要求，并有較強的兼容性。結構化數據在強網絡信號區(qū)域可選擇GPRS網絡、3G/4G網絡、NB-loT網絡和5G網絡，建議選擇順序為5G網絡＞NB-loT網絡＞3G/4G網絡＞GPRS網絡；非結構化數據在強網絡區(qū)域可選擇3G/4G網絡、5G網絡，建議選擇順序為5G網絡＞3G/4G網絡。

5 結論

（1）鐵路建設項目施工期環(huán)境在線監(jiān)測系統是施工期環(huán)境保護工程管理的一種重要手段，根據相關標準和管理要求，主要對揚塵、噪聲、污水和生態(tài)等要素開展監(jiān)測。監(jiān)測采集數據主要包括結構化數據和非結構化數據2種類型。其中，污染類監(jiān)測因子采集數據主要為結構化數據，生態(tài)類監(jiān)測因子采集數據主要為非結構化數據。結構化數據具有固定的制式，單個數據量小，傳輸頻次高；非結構化數據不規(guī)則，單次傳輸數據量大，傳輸頻次要求不高。

（2）在無網絡信號區(qū)域，鐵路建設項目結構化數據環(huán)境監(jiān)測點點位數量較少，中低頻次傳輸要求可選擇北斗短報文傳輸；非結構化數據監(jiān)測點位數據可選擇存儲式監(jiān)測設備結合人工監(jiān)測，或者采用無線數傳電臺等自建臨時傳輸網絡。

（3）在弱網絡信號區(qū)域，鐵路建設項目結構化數據監(jiān)測點位較為分散，頻次要求高，可選擇GPRS網絡傳輸；非結構化數據監(jiān)測點位數據傳輸單次傳輸量大，可直接利用GPRS網絡傳輸，但傳輸時間長，需將監(jiān)測設備傳輸形式設置為斷點續(xù)傳的傳輸形式。

（4）在強網絡信號區(qū)域，鐵路建設項目環(huán)境管理要求更加嚴格，在監(jiān)測多種環(huán)境要素的同時，需考慮后期監(jiān)測因子的拓展，在滿足當前網絡傳輸的要求下盡可能選擇兼容性、傳輸速率、安全性等更佳的網絡，可優(yōu)選5G網絡。