葛 竹

(山西省信息產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司,山西 太原 030012)

0 引言

近年來，城市工業(yè)化的快速發(fā)展帶來了不可避免的大氣污染，顆粒物(揚(yáng)塵)污染成為城市大氣環(huán)境污染的主要因素之一，其對(duì)人類的生活環(huán)境及生命健康危害極大[1]。城市的顆粒物(揚(yáng)塵)超標(biāo)排放、事故頻發(fā)等現(xiàn)象是企業(yè)、政府管理部門急需解決的問題。因此科學(xué)制定和有效落實(shí)重污染天氣應(yīng)對(duì)和應(yīng)急減排措施，設(shè)計(jì)一種監(jiān)測精準(zhǔn)、智能預(yù)警、具備完善應(yīng)急管理功能的大氣環(huán)境監(jiān)測平臺(tái)已迫在眉睫[2]。

目前，國內(nèi)也有很多系統(tǒng)開發(fā)商開發(fā)了類似功能的平臺(tái)，其一般具有顯著的地域特色，有較大的局限性。本文采用系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則，前端設(shè)計(jì)的大氣監(jiān)測系統(tǒng)以自動(dòng)化、精確化為目標(biāo)，采用β射線與激光前散射相結(jié)合的監(jiān)測方式，可兼顧監(jiān)測的準(zhǔn)確性與實(shí)時(shí)性；結(jié)合后端設(shè)計(jì)的智能化應(yīng)急預(yù)警管理平臺(tái)，可在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集中化、平臺(tái)云端化的同時(shí)提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)挖掘、輔助決策的能力。

1 前端大氣監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前，國內(nèi)外使用的揚(yáng)塵濃度檢測儀器種類較多，通過美國環(huán)境保護(hù)署(EPA)認(rèn)證的自動(dòng)監(jiān)測設(shè)備就有11種，其中包括光散射法、壓電晶體差頻法、微量振蕩天平法以及β射線法等。但是，考慮到監(jiān)測儀器的準(zhǔn)確性以及穩(wěn)定性，《環(huán)境空氣顆粒物(PM10和PM2.5 )連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)及檢測方法》明確規(guī)定只能使用微量振蕩天平法和β射線法對(duì)PM10及PM2.5 進(jìn)行監(jiān)測[3]。其中微量振蕩天平法通過測量沉積顆粒物的錐形石英管振蕩頻率來測量顆粒物質(zhì)量濃度，測量敏感度較高，但維護(hù)成本較高并存在粘附和過載問題，而且受溫濕度影響較大。β射線法是利用濾膜上的顆粒物對(duì)β射線的衰減來監(jiān)測顆粒物質(zhì)量濃度，具有測量準(zhǔn)確度高、維護(hù)量小和成本低等優(yōu)點(diǎn)[4]。

本文設(shè)計(jì)的大氣監(jiān)測系統(tǒng)主要采用自動(dòng)采樣技術(shù)及微處理器系統(tǒng)自動(dòng)控制技術(shù)，保證采樣的連續(xù)性和實(shí)時(shí)性，可實(shí)現(xiàn)對(duì)TSP、PM10、PM2.5同時(shí)在線監(jiān)測和測量。利用前散射法獲得揚(yáng)塵的瞬時(shí)相對(duì)變化，利用β射線法測量揚(yáng)塵的小時(shí)濃度，并用小時(shí)值校準(zhǔn)瞬時(shí)值，獲得高分辨的實(shí)時(shí)揚(yáng)塵濃度。再利用衰減補(bǔ)償技術(shù)、零點(diǎn)和漂移自動(dòng)標(biāo)定技術(shù)，達(dá)到更加精準(zhǔn)的測量值。

系統(tǒng)主要由主機(jī)、控制器、氣泵、加熱器、采樣頭、溫濕度傳感器、路由器等模塊組成。主機(jī)自帶處理器和機(jī)械傳動(dòng)裝置，并有一個(gè)內(nèi)部帶備用電池的隨機(jī)存儲(chǔ)器(RAM)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，支持觸屏功能，屏幕為4.5寸480*854分辨率的電容屏，通過屏幕可進(jìn)行設(shè)置參數(shù)、測試機(jī)械傳動(dòng)裝置物理性能等操作?？刂破魍ㄟ^RS232串行通訊口讀取主機(jī)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫，且設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面，可進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)展示和歷史數(shù)據(jù)查詢，通過路由器可將數(shù)據(jù)上傳到相關(guān)服務(wù)器。系統(tǒng)實(shí)物圖如圖1所示。

圖1 大氣監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)物圖

2 后端軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的軟件平臺(tái)是集合顆粒物、大氣、氣象多環(huán)境要素的智能化應(yīng)急預(yù)警管理平臺(tái)。平臺(tái)把環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)與污染源監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)相結(jié)合，從監(jiān)控到分析，為客戶提供了準(zhǔn)確的、智能的、有效的決策支持依據(jù)，可協(xié)助監(jiān)管部門實(shí)現(xiàn)對(duì)污染企業(yè)更好的管理、對(duì)環(huán)境質(zhì)量更好的保護(hù)。平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.2 平臺(tái)基本功能

平臺(tái)可在線顯示各前端污染源的實(shí)時(shí)揚(yáng)塵和氣象參數(shù)數(shù)據(jù)；實(shí)現(xiàn)對(duì)在線監(jiān)測系統(tǒng)參數(shù)的遠(yuǎn)程調(diào)控；歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析；在線數(shù)據(jù)下載、現(xiàn)場圖像實(shí)時(shí)查詢等功能；具有污染物超標(biāo)報(bào)警功能，權(quán)限管理功能，可向不同層面的管理者展示所需的信息。各模塊具體功能如下：

1)揚(yáng)塵監(jiān)測

可結(jié)合電子地圖定位每個(gè)前端系統(tǒng)所在位置，實(shí)時(shí)展示監(jiān)測站點(diǎn)，并根據(jù)污染程度，用不同的顏色標(biāo)識(shí)。點(diǎn)擊站點(diǎn)，可查看當(dāng)前站點(diǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)顯示界面可實(shí)時(shí)顯示PM2.5、PM10、噪聲、氣象五參數(shù)，同時(shí)顯示監(jiān)測點(diǎn)信息包括名稱、地址等。

2)揚(yáng)塵告警

◆監(jiān)控預(yù)警：上傳存儲(chǔ)報(bào)警的監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過報(bào)警核實(shí)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控預(yù)警。

◆離線設(shè)備告警：結(jié)合電子地圖中紅色標(biāo)識(shí)位置，實(shí)時(shí)展示離線設(shè)備的具體信息，比如離線設(shè)備檢測地點(diǎn)、數(shù)采儀編碼、設(shè)備離線時(shí)間等。并且可以導(dǎo)出為excel文件。

3)視頻監(jiān)測

可通過視頻攝像機(jī)，單屏、4屏、9屏實(shí)時(shí)查看當(dāng)前監(jiān)控狀況，揚(yáng)塵及噪聲實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)疊加到視頻畫面，同時(shí)可支持追憶超標(biāo)或者事故現(xiàn)場任意時(shí)間段內(nèi)附有噪聲、揚(yáng)塵、PM10、PM2.5數(shù)據(jù)的視頻回放功能?？蓪⒃肼?、PM10、PM2.5數(shù)據(jù)疊加至視頻畫面，使中心的監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控圖像信息與噪聲、PM10和PM2.5數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)報(bào)警抓拍功能。

4)系統(tǒng)管理

通過參數(shù)配置、報(bào)警時(shí)間設(shè)定，對(duì)使用單位、設(shè)備監(jiān)測點(diǎn)、用戶顯示設(shè)備、氣象參數(shù)限制等進(jìn)行系統(tǒng)管理。

3 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)的大氣環(huán)境監(jiān)測平臺(tái)主要由前端大氣監(jiān)測系統(tǒng)和后端智能軟件平臺(tái)組成。前端系統(tǒng)利用前散射法獲得揚(yáng)塵的瞬時(shí)相對(duì)變化，利用β射線法測量揚(yáng)塵的小時(shí)濃度，并用小時(shí)值校準(zhǔn)瞬時(shí)值，可獲取精準(zhǔn)的實(shí)時(shí)揚(yáng)塵濃度。后端平臺(tái)可對(duì)各監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)管理，及時(shí)搜集環(huán)境監(jiān)測信息，有效避免污染態(tài)勢的進(jìn)一步發(fā)展，普遍提高重點(diǎn)區(qū)域的環(huán)境保護(hù)意識(shí)和監(jiān)管部門的快速反應(yīng)能力，加強(qiáng)揚(yáng)塵污染防治，促進(jìn)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的持續(xù)改善，加快生態(tài)文明建設(shè)的步伐。