李修嶺

（中國鐵路蘭州局集團(tuán)有限公司，甘肅 蘭州 730030）

1 引言

截至2021年底，高鐵已通達(dá)93%的50萬人口以上城市，高鐵出行日漸成為主流。但隨著客流量的增加，高鐵車廂中的空氣質(zhì)量引起人們廣泛關(guān)注。列車車廂空氣品質(zhì)不僅關(guān)乎健康，更是影響出行舒適度。因此，空氣品質(zhì)保持較優(yōu)水平尤為重要。目前，國內(nèi)主要依靠人工經(jīng)驗(yàn)調(diào)節(jié)列車車廂空氣，無法實(shí)時(shí)精確調(diào)控。因而，亟需構(gòu)建空氣環(huán)境監(jiān)測平臺(tái)，實(shí)時(shí)監(jiān)測車廂空氣質(zhì)量。

目前，氣體監(jiān)測裝置的設(shè)計(jì)多使用紅外檢測、半導(dǎo)體傳感器以及電化學(xué)法。張胥等[1]基于非分光紅外檢測法設(shè)計(jì)了3組分氣體無線檢測裝置。白雪[2]以STM32F103為主控芯片設(shè)計(jì)了便攜的CO實(shí)時(shí)監(jiān)測裝置。但現(xiàn)有設(shè)計(jì)中多存在所測氣體不全面、數(shù)據(jù)觀測不便的問題，且大多采用的微處理器均無開源擴(kuò)展功能，還需軟件開發(fā)、設(shè)計(jì)控制頁面，整體軟、硬件投入過大，無法在各個(gè)列車車廂普遍使用。

列車車廂涉及氣體環(huán)境復(fù)雜且由于是密閉空間，氣體環(huán)境波動(dòng)相對較大，監(jiān)測平臺(tái)設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于便攜式、多組分、可視化，因此，利用樹莓派4B小巧便捷、成本低、數(shù)據(jù)傳輸及處理能力強(qiáng)、開發(fā)性高的特點(diǎn)[3]，結(jié)合多種傳感器搭建實(shí)時(shí)氣體環(huán)境監(jiān)測平臺(tái)并進(jìn)行質(zhì)量評價(jià)，可彌補(bǔ)傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)不足，主要研究內(nèi)容如下：

（1）研究列車車廂的空氣品質(zhì)現(xiàn)狀，總結(jié)列車車廂所需監(jiān)測類型及空氣品質(zhì)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

（2）提出一種滿足實(shí)時(shí)監(jiān)測需求的移動(dòng)式氣體環(huán)境監(jiān)測平臺(tái)的搭建方案，為其他領(lǐng)域氣體監(jiān)測平臺(tái)的構(gòu)建提供新思路。

（3）基于Python數(shù)據(jù)處理技術(shù)，結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)當(dāng)前列車廂實(shí)時(shí)空氣質(zhì)量評價(jià)，為制定精確改善列車車廂內(nèi)空氣品質(zhì)的策略提供參數(shù)參考。

2 車廂氣體環(huán)境監(jiān)測平臺(tái)搭建方案

列車車廂氣體環(huán)境監(jiān)測平臺(tái)搭建包括感知層、傳輸層、平臺(tái)層及應(yīng)用層，涉及多個(gè)模塊，主要包括樹莓派4B、電源電池、各類傳感器模塊、北斗定位模塊、顯示器和時(shí)鐘模塊，整體組裝成為一件監(jiān)測裝置，其設(shè)計(jì)構(gòu)造如圖1所示，車廂氣體環(huán)境監(jiān)測平臺(tái)搭建方案整體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 車廂氣體環(huán)境監(jiān)測平臺(tái)搭建方案整體架構(gòu)圖

感知層由樹莓派4B、多種傳感器及北斗模塊構(gòu)成，完成數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，經(jīng)傳輸層處理與傳輸，基于Python系統(tǒng)在平臺(tái)層展示實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過Python數(shù)據(jù)分析處理技術(shù)對當(dāng)前列車車廂實(shí)時(shí)空氣質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)，車廂工作人員即可根據(jù)評價(jià)結(jié)果精準(zhǔn)調(diào)整車廂內(nèi)空氣環(huán)境。

2.1 感知層

感知層是物聯(lián)網(wǎng)的皮膚和五官，位于物聯(lián)網(wǎng)3層結(jié)構(gòu)中的最底層，其功能為“感知”，即通過傳感網(wǎng)絡(luò)獲取環(huán)境信息。感知層是物聯(lián)網(wǎng)的核心，是信息采集的關(guān)鍵部分。作為整個(gè)列車車廂實(shí)時(shí)空氣環(huán)境監(jiān)測平臺(tái)的基礎(chǔ)，由傳感器及時(shí)鐘、北斗模塊搭載中央操作設(shè)備，針對當(dāng)前車廂空氣環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。中央操作設(shè)備使用開源設(shè)計(jì)控制器樹莓派4B，相關(guān)傳感器則在可連接、測量精確、穩(wěn)定性強(qiáng)以及多個(gè)傳感器不沖突的基礎(chǔ)上選擇。

2.1.1 中央操作設(shè)備

中央操作設(shè)備是整個(gè)搭建方案的核心，選用樹莓派4B。它是一款硬件尺寸小、功能多、具有豐富接口、使用靈活方便的開源型控制電腦。系統(tǒng)基于Linux，具有高效的數(shù)據(jù)能力、較高的開放性及實(shí)時(shí)性，便于開發(fā)系統(tǒng)后續(xù)擴(kuò)展[4]。樹莓派4B主板可接入面包板以便安裝更多的傳感器模塊，在此基礎(chǔ)上發(fā)揮其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力。

樹莓派4B開發(fā)板主要部件有千兆以太網(wǎng)口、內(nèi)存芯片、電源、USB、CPU等，具有良好的運(yùn)算與處理能力；除藍(lán)牙5.0，還擁有2.4/5.0G Hz雙頻無線WLAN；包含USB3.0、USB2.0各2個(gè)接口和40個(gè)通用I/O接口等對外接口。

對樹莓派4B進(jìn)行開發(fā)環(huán)境的搭建后即可與相關(guān)檢測、傳輸模塊等結(jié)合使用。在無電源環(huán)境下，可借助專配電池便攜使用。因此，針對環(huán)境復(fù)雜、動(dòng)態(tài)移動(dòng)的列車車廂，基于樹莓派4B進(jìn)行平臺(tái)搭建能滿足監(jiān)測需求。

2.1.2 檢測類型及其傳感器選擇

（1）檢測類型的確定

列車車廂中，人員活動(dòng)、通風(fēng)效率等因素都會(huì)引起一定空氣質(zhì)量變化[5]，根據(jù)環(huán)境空氣質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)中的污染物項(xiàng)目規(guī)定，考慮列車車廂空氣環(huán)境的現(xiàn)存問題，結(jié)合人體在高速運(yùn)行列車中對空氣環(huán)境的需求、感受[6]，確定了所需檢測類型及其原因，詳見表1。

表1 檢測類型及其原因

在列車行駛過程中，途經(jīng)隧道、高原地區(qū)會(huì)導(dǎo)致車廂O2不足，同時(shí)列車車廂內(nèi)乘客及機(jī)組人員占比較大，而車廂CO2濃度與乘客人數(shù)呈正相關(guān)[7]，因此，對于O2、CO2的監(jiān)測應(yīng)加以關(guān)注，使其含量處于合適范圍。車廂內(nèi)外溫差較大時(shí)易引起人外感風(fēng)寒；車廂溫度過低則會(huì)使人感到寒冷。因此，車廂溫濕度也應(yīng)予以關(guān)注。

（2）傳感器選擇

針對O2、CO、CO2、PM10、PM2.5、甲醛、溫濕度檢測項(xiàng)，在考慮測量精度、穩(wěn)定性及適用性基礎(chǔ)上選擇傳感器類型[8]，經(jīng)過選型比較分析后，最終選擇的傳感器型號(hào)及工作原理見表2。

表2 傳感器類型及工作原理

2.2 傳輸層

傳輸層是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵層次之一，主要負(fù)責(zé)向2個(gè)主機(jī)中進(jìn)程之間的通信提供服務(wù)。傳輸層的服務(wù)一般要經(jīng)歷傳輸連接建立、數(shù)據(jù)傳送、傳輸連接釋放這3個(gè)階段才算完成一個(gè)完整的服務(wù)過程。將傳輸層定義為使感知層采集的當(dāng)前列車車廂實(shí)時(shí)空氣環(huán)境數(shù)據(jù)上傳至方案平臺(tái)層的過程，包含數(shù)據(jù)采集、判斷、處理、上傳4個(gè)環(huán)節(jié)，以下將從傳輸層基本構(gòu)成以及傳感器數(shù)據(jù)傳輸過程2個(gè)方面進(jìn)行闡述。

2.2.1 基本構(gòu)成

傳輸層搭建需要無線傳輸模塊、電源模塊、通用異步收發(fā)器（UART）、所采集到的相關(guān)數(shù)據(jù)、PCF8591模塊、GPIO引腳接口、跳線以及樹莓派開發(fā)系統(tǒng)等。其部分構(gòu)成項(xiàng)及作用見表3。

表3 部分構(gòu)成項(xiàng)及作用

2.2.2 傳感器數(shù)據(jù)傳輸

樹莓派開發(fā)系統(tǒng)收到開始監(jiān)測指令后，驅(qū)動(dòng)各項(xiàng)監(jiān)測模塊同步實(shí)時(shí)進(jìn)行循環(huán)測量與控制，動(dòng)態(tài)持續(xù)采集車廂內(nèi)空氣環(huán)境數(shù)據(jù)。獲取各采集項(xiàng)輸出的檢測數(shù)據(jù)后，進(jìn)行相應(yīng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，調(diào)整、統(tǒng)一輸出格式和長度[9]，完成數(shù)據(jù)判斷、處理過程。傳輸頻率的設(shè)置通過樹莓派Python中的serial庫函數(shù)確定UART串口參數(shù)，以固定頻率通過無線傳輸模塊將數(shù)據(jù)傳輸至平臺(tái)層，完成數(shù)據(jù)分類存儲(chǔ)及顯示。

2.3 平臺(tái)層

Debian Linux環(huán)境下的樹莓派4B平臺(tái)，常用人工智能語言Python進(jìn)行編程開發(fā)。它是一種開源、高級解釋型語言，有跨平臺(tái)操作性、嵌入式可移植性特點(diǎn)，可通過RPI.GPIO庫的應(yīng)用控制樹莓派4B的GPIO來實(shí)現(xiàn)平臺(tái)控制整套監(jiān)測設(shè)備。平臺(tái)界面的設(shè)計(jì)則基于Python自帶GUI的tkinter模塊，具有多種圖形接口。同時(shí)實(shí)現(xiàn)程序控制以及人機(jī)交互圖形界面開發(fā)，開發(fā)應(yīng)用簡便，界面簡單直觀，適于列車車廂空氣環(huán)境監(jiān)測平臺(tái)的搭建。

平臺(tái)數(shù)據(jù)采集基于模塊化思路進(jìn)行設(shè)計(jì)，包含溫濕度傳感器數(shù)據(jù)采集程序、氧氣傳感器數(shù)據(jù)采集程序、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序等。溫濕度數(shù)據(jù)包含日期、時(shí)間、地點(diǎn)、溫度、濕度5個(gè)參數(shù)，而其他氣體傳感器數(shù)據(jù)包含日期、時(shí)間、地點(diǎn)、狀態(tài)（含量/濃度）4個(gè)參數(shù)。平臺(tái)層接收到相關(guān)數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)傳入后臺(tái)，進(jìn)行分類存儲(chǔ)的同時(shí)將當(dāng)前的車廂空氣質(zhì)量展示在顯示器上。平臺(tái)層的整個(gè)控制過程如圖3所示，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)觀測、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。

圖3 平臺(tái)層控制過程

2.4 應(yīng)用層

經(jīng)平臺(tái)層獲得實(shí)時(shí)空氣環(huán)境各項(xiàng)氣體測量數(shù)據(jù)后，為便于車廂工作人員直觀掌握車廂空氣品質(zhì)狀態(tài)，結(jié)合空氣品質(zhì)國家標(biāo)準(zhǔn)，對各類氣體含量、濃度等方面進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)評價(jià)，輸出各項(xiàng)氣體質(zhì)量等級，輔助工作人員確定科學(xué)合理地調(diào)控決策。

2.4.1 空氣品質(zhì)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

針對O2、CO、甲醛等需實(shí)時(shí)監(jiān)測的車廂空氣質(zhì)量相關(guān)指標(biāo)，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)查找。CO、CO2、甲醛、PM10、溫度和相對濕度在《公共場所衛(wèi)生指標(biāo)及限值要求》（GB 37488—2019）中，均有相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。其余檢測項(xiàng)參考國家《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 18883—2002）。各項(xiàng)列車車廂空氣品質(zhì)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表4。

表4 列車車廂空氣品質(zhì)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2.4.2 評價(jià)結(jié)果

依據(jù)上述列車車廂空氣品質(zhì)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對比處理各項(xiàng)數(shù)據(jù)，即可輸出列車車廂內(nèi)當(dāng)前空氣中的各類氣體質(zhì)量情況，如二氧化碳濃度、PM2.5等級等相關(guān)信息，見圖4所示。同時(shí)根據(jù)工作人員需要，可繪制實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)的可視化視圖[10]，便于列車車廂工作人員在動(dòng)態(tài)監(jiān)測基礎(chǔ)上把握車廂氣體環(huán)境變化趨勢，精準(zhǔn)調(diào)節(jié)車廂空氣品質(zhì)。

圖4 評價(jià)結(jié)果顯示

3 結(jié)論

針對高鐵車廂空氣質(zhì)量問題，提出了監(jiān)測指標(biāo)及其評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，提出了檢測指標(biāo)及其評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)了一套列車車廂空氣環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測方案，基于樹莓派4B搭建平臺(tái)，借助多種傳感器實(shí)現(xiàn)對車廂內(nèi)部空氣環(huán)境的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)測，具有監(jiān)測全面、精確度高、便攜性好、開發(fā)難度和成本低的特點(diǎn)。并且通過樹莓派4B的功能可擴(kuò)展性及豐富接口，還可連接更多硬件，實(shí)現(xiàn)后續(xù)改良與應(yīng)用。

對于列車車廂這種移動(dòng)性的封閉空間，實(shí)時(shí)的空氣環(huán)境監(jiān)測方案，既能解決列車車廂內(nèi)空氣環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測的技術(shù)難題，滿足車廂內(nèi)空氣環(huán)境智能調(diào)節(jié)的要求，保障出行者健康，提升乘坐舒適感，又能控制車廂內(nèi)空氣循環(huán)系統(tǒng)低能耗運(yùn)行，降低成本。因此，該方案設(shè)計(jì)對提升乘客的體驗(yàn)滿意度、節(jié)能減耗及后續(xù)列車車廂空氣品質(zhì)改善策略的研究具有重要意義。