田序偉，尉子璇，符岳全，楊凱，鄭冰

（1.浙江數(shù)智交院科技股份有限公司，浙江 杭州 410000；2.浙江海港嘉興港務(wù)有限公司，浙江 嘉興 314201）

隨著世界經(jīng)濟(jì)貿(mào)易的發(fā)展，海上運(yùn)輸體量占交通行業(yè)的比例越來(lái)越大，海上運(yùn)輸承擔(dān)了我國(guó)95%以上的外貿(mào)貨物運(yùn)輸量。2022 年預(yù)計(jì)我國(guó)沿海港口吞吐量超過(guò)100 億噸，全國(guó)港口完成集裝箱吞吐量2.95 億TEU[1]。隨著行業(yè)的高速發(fā)展，與之而來(lái)的環(huán)境問(wèn)題也越來(lái)越嚴(yán)重。港口內(nèi)機(jī)械作業(yè)設(shè)備及機(jī)動(dòng)車、船舶等交通工具數(shù)量的增加，導(dǎo)致港口大氣污染排放量也急劇上升，嚴(yán)重影響港口空氣質(zhì)量水平[2]。

2019 年《交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)綱要》指出，要“嚴(yán)格執(zhí)行國(guó)家和地方污染物控制標(biāo)準(zhǔn)，推進(jìn)港口污染防治，打造綠色高效的現(xiàn)代物流系統(tǒng)，提升基礎(chǔ)設(shè)施智能化與綠色化水平?！苯陙?lái)，有學(xué)者從我國(guó)港口大氣污染排放清單[3]、港口綠色規(guī)劃設(shè)計(jì)[4]、港口環(huán)境管理關(guān)鍵技術(shù)[5]等方面進(jìn)行了一定研究，提升了我國(guó)港口大氣污染防治的基礎(chǔ)理論水平。部分干散貨碼頭也安裝了環(huán)境監(jiān)測(cè)站、揚(yáng)塵噴淋系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)粉塵監(jiān)測(cè)管理平臺(tái)等[6]，提升了港口大氣污染治理能力。

然而現(xiàn)階段對(duì)港口大氣污染的管控手段和治理能力仍然不足，大氣污染監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的有效信息未被充分挖掘。為深入探索港口大氣污染演變機(jī)理，提升大氣污染治理水平，以南方某港區(qū)為應(yīng)用對(duì)象，設(shè)計(jì)研發(fā)了基于時(shí)空地理信息的港口大氣污染協(xié)同管控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)港口大氣污染監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集、分析、溯源、演變、管控的全生命周期管理，為港口大氣污染防治提供了有效手段。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

平臺(tái)采用云服務(wù)架構(gòu)，基于B/S 模式，采用前后端分離架構(gòu)，使用VUE/HTML5 和Spring Boot 框架進(jìn)行開(kāi)發(fā)，總體設(shè)計(jì)如圖1 所示。系統(tǒng)界面地圖功能基于Mapbox GL JS 進(jìn)行開(kāi)發(fā)，支持多種地圖樣式和自定義樣式，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用了PostgreSQL 數(shù)據(jù)庫(kù)，并使用PostGIS 擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與查詢，提供強(qiáng)大的地理信息處理和分析能力。系統(tǒng)后端使用Spring Boot 框架提供RESTful API 接口，以支持前后端之間的數(shù)據(jù)交互和業(yè)務(wù)處理。在統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和安全保障體系的支撐和約束下，按照統(tǒng)一的數(shù)據(jù)基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)分散、多源、異構(gòu)的地理空間數(shù)據(jù)與大氣污染監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的規(guī)范化集成、建庫(kù)、分析與展示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

圖2 系統(tǒng)時(shí)空演變分析模塊示例

平臺(tái)集港口大氣污染監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析顯示、港口大氣污染溯源計(jì)算與可視化展示、港口大氣污染監(jiān)測(cè)預(yù)警與演變趨勢(shì)研判、港口環(huán)境管理與決策等多種功能為一體。平臺(tái)是多維度云監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理中心、溯源算法集成的載體、可視化效果的呈現(xiàn)界面。在運(yùn)行機(jī)制上，平臺(tái)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)輸入計(jì)算模型進(jìn)行溯源計(jì)算，然后將溯源計(jì)算結(jié)果進(jìn)行時(shí)空地理信息呈現(xiàn)。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)

本平臺(tái)通過(guò)布設(shè)多種大氣監(jiān)測(cè)感知設(shè)備與視頻監(jiān)控設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)港區(qū)大氣污染的多維立體信息感知。大氣監(jiān)測(cè)感知設(shè)備主要包括：①大氣顆粒物激光掃描雷達(dá)，實(shí)現(xiàn)對(duì)港區(qū)垂直和水平范圍的氣溶膠消光系數(shù)的實(shí)時(shí)探測(cè)；②一體式氣象監(jiān)測(cè)站，實(shí)現(xiàn)對(duì)港區(qū)溫度、濕度、風(fēng)速、降雨量等氣象要素的采集；③空氣質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)儀，通過(guò)網(wǎng)格化多點(diǎn)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)港區(qū)固定污染源、移動(dòng)污染源的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集，包括PM2.5、PM10、SO2、NOx、CO、O3等污染物；④VOCS 在線監(jiān)測(cè)儀，監(jiān)測(cè)大氣中揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCS），包括苯、甲苯、二甲苯、乙醛、甲醛等，用于污染物來(lái)源解析。視頻監(jiān)控設(shè)備主要包括攝像機(jī)及無(wú)人機(jī)巡航設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)港區(qū)大氣監(jiān)測(cè)日常巡查和特殊情況下的應(yīng)急監(jiān)控，通過(guò)搭載粉塵無(wú)線監(jiān)測(cè)儀可實(shí)時(shí)采集堆場(chǎng)上空、碼頭上空大氣污染物數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸回監(jiān)測(cè)中心。

除了上述環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)外，還包括港區(qū)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、地理信息數(shù)據(jù)、元數(shù)據(jù)、日志數(shù)據(jù)等，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)管理工具進(jìn)行分類和歸檔。將PostgreSQL 數(shù)據(jù)庫(kù)架構(gòu)分為三個(gè)層次，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層、數(shù)據(jù)處理層以及數(shù)據(jù)服務(wù)層。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層，用于存儲(chǔ)所有數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理層對(duì)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和簡(jiǎn)單的計(jì)算與統(tǒng)計(jì)等。數(shù)據(jù)服務(wù)層，向外提供數(shù)據(jù)服務(wù)接口，數(shù)據(jù)以API 的方式提供給前端或計(jì)算中樞，也可以將數(shù)據(jù)推送其他省市級(jí)環(huán)境管理平臺(tái)當(dāng)中。

2.2 多維度大氣污染數(shù)據(jù)分析及時(shí)空地理顯示

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)港口大氣污染實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)顯示以及大數(shù)據(jù)分析功能，通過(guò)可視化插件工具，如各類圖表組件、熱力圖組件等實(shí)現(xiàn)對(duì)港口大氣污染數(shù)據(jù)的多維度統(tǒng)計(jì)分析，包括固定污染源、移動(dòng)污染源占比，各類污染物監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、揮發(fā)性有機(jī)化合物占比統(tǒng)計(jì)分析，港口空氣質(zhì)量變化趨勢(shì)圖等。

系統(tǒng)通過(guò)使用Mapbox GL JS 進(jìn)行地圖服務(wù)，可以實(shí)現(xiàn)港口大氣污染實(shí)時(shí)地圖顯示，包括監(jiān)測(cè)點(diǎn)位地圖和污染源分布地圖，并且可以通過(guò)地圖渲染功能和加速地圖加載等措施提升地圖的可視化效果和性能。

通過(guò)Mapbox GL JS 提供的地圖顯示功能，將港口的大氣污染監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)展示在地圖上，通過(guò)在地圖上標(biāo)記監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，并使用不同的符號(hào)或顏色表示不同的污染級(jí)別或指標(biāo)數(shù)值。利用Mapbox GL JS 的繪圖功能，在地圖上標(biāo)記污染源的位置，例如工廠、排放口等，直觀地展示污染源的分布情況，并幫助分析污染的來(lái)源和擴(kuò)散情況。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)和需求進(jìn)行定制化的地圖渲染，可以根據(jù)污染程度使用不同的顏色渲染地圖，使污染區(qū)域更加突出和可視化。通過(guò)使用矢量瓦片技術(shù)，大幅加速地圖的加載速度，確保在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的場(chǎng)景下，地圖能夠快速加載并展示實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

2.3 港區(qū)大氣污染溯源及實(shí)時(shí)源解析

系統(tǒng)基于先進(jìn)的監(jiān)測(cè)設(shè)備，通過(guò)建立密集的監(jiān)測(cè)網(wǎng)格和多參數(shù)監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)獲取大氣污染數(shù)據(jù)，并結(jié)合PMF源解析技術(shù)[7]和高斯煙羽模型[8]，追溯和定位污染源的來(lái)源與影響，以實(shí)現(xiàn)對(duì)港區(qū)大氣污染的精準(zhǔn)溯源和源解析。

系統(tǒng)通過(guò)激光掃描雷達(dá)、網(wǎng)格化多點(diǎn)監(jiān)測(cè)和高精度氣象監(jiān)測(cè)站構(gòu)建的多維度云監(jiān)測(cè)組網(wǎng)獲取大氣物理流場(chǎng)數(shù)據(jù)和大氣化學(xué)特征因子數(shù)據(jù)。系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)后輸入信息處理模塊進(jìn)行模型計(jì)算。在大氣物理流場(chǎng)計(jì)算中，基于高斯煙羽擴(kuò)散模型原理，通過(guò)考慮排放源的高度、位置、風(fēng)速、風(fēng)向等參數(shù)，計(jì)算污染物的濃度分布，模擬污染物在港區(qū)大氣中的傳輸擴(kuò)散過(guò)程。在污染源解析計(jì)算中，應(yīng)用PMF 源解析技術(shù)，解析不同污染源對(duì)于監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的貢獻(xiàn)程度和化學(xué)特征，并推斷源特征譜，提供對(duì)污染源的定性和定量分析。利用地理信息系統(tǒng)處理區(qū)域、分辨率、地形地貌、建筑物和路況等相關(guān)數(shù)據(jù)，提供空間環(huán)境背景信息，并與溯源結(jié)果進(jìn)行空間關(guān)聯(lián)分析。

利用可視化技術(shù)將大氣物理流場(chǎng)、化學(xué)特征因子、污染源解析結(jié)果以圖表、地圖等形式進(jìn)行展示，實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣污染溯源過(guò)程的可視化呈現(xiàn)。綜合分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、物理流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果和PMF 源解析結(jié)果，生成綜合溯源結(jié)論，明確污染物來(lái)源和貢獻(xiàn)程度，并提供相應(yīng)的評(píng)估指標(biāo)?；谒菰唇Y(jié)果和評(píng)估指標(biāo)，為決策者提供科學(xué)依據(jù)和建議，支持港區(qū)大氣污染的治理和規(guī)劃決策。

2.4 大氣污染監(jiān)測(cè)預(yù)警與演變趨勢(shì)研判

系統(tǒng)基于港區(qū)監(jiān)測(cè)組網(wǎng)獲取的大氣污染監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，設(shè)置相應(yīng)的預(yù)警閾值和等級(jí)，通過(guò)與系統(tǒng)中的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超過(guò)預(yù)警閾值時(shí)，觸發(fā)相應(yīng)的預(yù)警策略。一旦觸發(fā)預(yù)警，系統(tǒng)將自動(dòng)發(fā)送預(yù)警信息包括警報(bào)通知、預(yù)警級(jí)別、污染物類型等，通過(guò)系統(tǒng)界面符號(hào)閃爍、短信等渠道向相關(guān)用戶發(fā)送預(yù)警信息。此外，系統(tǒng)還能生成詳細(xì)的報(bào)告，包括污染事件記錄、數(shù)據(jù)分析結(jié)果和建議措施，為決策者提供科學(xué)依據(jù)。

系統(tǒng)采用深度學(xué)習(xí)模型——LSTM 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[9]構(gòu)建港區(qū)大氣空氣質(zhì)量指數(shù)預(yù)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)未來(lái)時(shí)間段內(nèi)港區(qū)大氣污染指標(biāo)的預(yù)測(cè)。系統(tǒng)通過(guò)收集港區(qū)多維度云監(jiān)測(cè)網(wǎng)收集的大氣污染監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，包括數(shù)據(jù)清洗、特征提取和歸一化處理等，建立LSTM 深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)。以過(guò)去八個(gè)小時(shí)的大氣污染特征因子（AQI、PM2.5、O3、PM10、SO2、NO2、CO、溫度、風(fēng)力、降雨量、濕度）作為輸入，對(duì)深度學(xué)習(xí)模型進(jìn)行訓(xùn)練，預(yù)測(cè)未來(lái)1 小時(shí)的港區(qū)空氣質(zhì)量指數(shù)，生成趨勢(shì)曲線和預(yù)測(cè)結(jié)果，并提供可視化展示和分析報(bào)告，以幫助決策者了解港區(qū)大氣污染的演變趨勢(shì)。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

3.1 大氣污染監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)分析

系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示港區(qū)大氣污染實(shí)時(shí)地圖，集成顯示激光雷達(dá)、大氣污染監(jiān)測(cè)站點(diǎn)及氣象監(jiān)測(cè)站點(diǎn)等位置與狀態(tài)信息，顯示設(shè)備運(yùn)行情況及氣象監(jiān)測(cè)污染等級(jí)，實(shí)時(shí)顯示空氣質(zhì)量，按照日、周、月等不同時(shí)間維度通過(guò)折線圖顯示空氣質(zhì)量變化情況。系統(tǒng)支持監(jiān)測(cè)站點(diǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查看，通過(guò)點(diǎn)擊設(shè)備符號(hào)，查看監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，包括監(jiān)測(cè)設(shè)備ID、設(shè)備類型、位置、監(jiān)測(cè)內(nèi)容等。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)污染源地圖標(biāo)記，直觀展示污染源分布情況，以港區(qū)為底圖，標(biāo)記港區(qū)周邊化工企業(yè)、港區(qū)內(nèi)煤炭堆場(chǎng)作業(yè)區(qū)、集裝箱堆場(chǎng)作業(yè)區(qū)、泊位船舶作業(yè)區(qū)等污染源地理位置，顯示污染源分布及污染物狀態(tài)，通過(guò)多維圖表顯示空氣中各類污染物濃度占比及狀態(tài)趨勢(shì)變化。

系統(tǒng)按照監(jiān)測(cè)站點(diǎn)及不同的污染物來(lái)源，記錄對(duì)應(yīng)的污染物監(jiān)測(cè)信息，支持污染監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)查詢，按照時(shí)間、設(shè)備類型、污染物類型等字段查詢對(duì)應(yīng)的設(shè)備監(jiān)測(cè)記錄。

3.2 大氣污染監(jiān)測(cè)預(yù)警報(bào)警

系統(tǒng)基于設(shè)備監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、預(yù)警閾值設(shè)置策略觸發(fā)監(jiān)測(cè)預(yù)警，報(bào)警信息集成于系統(tǒng)首頁(yè)界面，顯示報(bào)警站點(diǎn)、報(bào)警時(shí)間和報(bào)警通知等。系統(tǒng)后臺(tái)生成詳細(xì)的報(bào)警報(bào)告，包括污染事件記錄、數(shù)據(jù)分析結(jié)果和建議措施，為決策者提供科學(xué)依據(jù)。報(bào)告內(nèi)容包括記錄ID、時(shí)間戳、監(jiān)測(cè)站點(diǎn)、污染指標(biāo)、報(bào)警級(jí)別、報(bào)警數(shù)值、報(bào)警閾值、報(bào)警類型、報(bào)警狀態(tài)、處理人員、處理時(shí)間、處理結(jié)果等。

3.3 大氣污染時(shí)空演變分析

系統(tǒng)支持污染溯源分析及污染物來(lái)源分析，按照污染源類型顯示污染源時(shí)間分布變化，以趨勢(shì)圖的方式，展現(xiàn)不同類型污染源在日、周、月等時(shí)間維度下，污染物占比趨勢(shì)變化。顯示不同污染源類型下各污染源點(diǎn)位污染物詳細(xì)信息，對(duì)同一污染源類型下各污染源點(diǎn)進(jìn)行排序。

系統(tǒng)基于大氣激光雷達(dá)激光監(jiān)測(cè)的消光系數(shù)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)港口環(huán)境數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)云圖實(shí)時(shí)顯示，對(duì)消光系數(shù)及顆粒物時(shí)空演變情況進(jìn)行分析?；诟劭诒O(jiān)測(cè)歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)采集的大氣監(jiān)測(cè)和氣象數(shù)據(jù)，通過(guò)深度學(xué)習(xí)模型實(shí)現(xiàn)港口空氣質(zhì)量指數(shù)預(yù)測(cè)。

3.4 大氣污染協(xié)同管理與決策

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)污染源定位及邊界污染濃度控制。設(shè)計(jì)污染源定位列表，顯示大氣監(jiān)測(cè)站點(diǎn)位和污染源分布點(diǎn)位，通過(guò)點(diǎn)擊點(diǎn)位名稱定位到圖層監(jiān)測(cè)站點(diǎn)和污染源點(diǎn)位，顯示監(jiān)測(cè)點(diǎn)位信息。用戶可通過(guò)編輯設(shè)置監(jiān)測(cè)站及污染源點(diǎn)位閾值，實(shí)現(xiàn)對(duì)該點(diǎn)位污染濃度控制，用戶可通過(guò)編輯控制污染物名稱、預(yù)警濃度閾值和報(bào)警持續(xù)時(shí)間閾值等調(diào)整報(bào)警觸發(fā)條件。