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)制定和有效落實重污染天氣應(yīng)對和應(yīng)急減排措施，設(shè)計一種監(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，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)計原則，前端設(shè)計的大氣監(jiān)測系統(tǒng)以自動化、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)確性與實時性；結(jié)合后端設(shè)計的智能化應(yīng)急預(yù)警管理平臺，可在實現(xiàn)數(shù)據(jù)集中化、平臺云端化的同時提高系統(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

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)計的大氣監(jiān)測系統(tǒng)主要采用自動采樣技術(shù)及微處理器系統(tǒng)自動控制技術(shù)，保證采樣的連續(xù)性和實時性，可實現(xiàn)對TSP、PM10、PM2.5同時在線監(jiān)測和測量。利用前散射法獲得揚(yáng)塵的瞬時相對變化，利用β射線法測量揚(yáng)塵的小時濃度，并用小時值校準(zhǔn)瞬時值，獲得高分辨的實時揚(yáng)塵濃度。再利用衰減補(bǔ)償技術(shù)、零點(diǎn)和漂移自動標(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)械傳動裝置，并有一個內(nèi)部帶備用電池的隨機(jī)存儲器(RAM)存儲數(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)的實時數(shù)據(jù)并存儲到數(shù)據(jù)庫，且設(shè)計人機(jī)交互界面，可進(jìn)行實時數(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)實物圖如圖1所示。

圖1 大氣監(jiān)測系統(tǒng)實物圖

2 后端軟件平臺設(shè)計

2.1 平臺總體結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計的軟件平臺是集合顆粒物、大氣、氣象多環(huán)境要素的智能化應(yīng)急預(yù)警管理平臺。平臺把環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)與污染源監(jiān)控數(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)管部門實現(xiàn)對污染企業(yè)更好的管理、對環(huán)境質(zhì)量更好的保護(hù)。平臺系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 平臺系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.2 平臺基本功能

平臺可在線顯示各前端污染源的實時揚(yáng)塵和氣象參數(shù)數(shù)據(jù)；實現(xiàn)對在線監(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)計分析；在線數(shù)據(jù)下載、現(xiàn)場圖像實時查詢等功能；具有污染物超標(biāo)報警功能，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前端系統(tǒng)所在位置，實時展示監(jiān)測站點(diǎn)，并根據(jù)污染程度，用不同的顏色標(biāo)識。點(diǎn)擊站點(diǎn)，可查看當(dāng)前站點(diǎn)實時數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)顯示界面可實時顯示PM2.5、PM10、噪聲、氣象五參數(shù)，同時顯示監(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：上傳存儲報警的監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過報警核實，實現(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)識位置，實時展示離線設(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屏實時查看當(dāng)前監(jiān)控狀況，揚(yáng)塵及噪聲實時數(shù)據(jù)疊加到視頻畫面，同時可支持追憶超標(biāo)或者事故現(xiàn)場任意時間段內(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監(jiān)控圖像信息與噪聲、PM10和PM2.5數(shù)據(jù)，可實現(xiàn)報警抓拍功能。

4)系統(tǒng)管理

通過參數(shù)配置、報警時間設(shè)定，對使用單位、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)計的大氣環(huán)境監(jiān)測平臺主要由前端大氣監(jiān)測系統(tǒng)和后端智能軟件平臺組成。前端系統(tǒng)利用前散射法獲得揚(yáng)塵的瞬時相對變化，利用β射線法測量揚(yáng)塵的小時濃度，并用小時值校準(zhǔn)瞬時值，可獲取精準(zhǔn)的實時揚(yáng)塵濃度。后端平臺可對各監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)管理，及時搜集環(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。