高速公路大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

李錦華 周應(yīng)新 錢正富 日向洋一 劉江宇 苗晟源 吳尚峰

(1． 昆明市交通建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督局，云南昆明650214; 2． 云南省交通投資建設(shè)集團(tuán)有限公司，云南昆明650228;3． 云南武易高速公路建設(shè)指揮部，云南昆明650300; 4． 日本仮設(shè)株式會(huì)社，北海道札幌063-0836)

1 概述

高速公路是我國(guó)建設(shè)項(xiàng)目中功能最為便利快捷的基礎(chǔ)設(shè)施之一，近年來高速公路事業(yè)的快速發(fā)展，推動(dòng)了國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷提高。但高速公路的建設(shè)過程中會(huì)對(duì)周圍的生態(tài)環(huán)境造成較大的影響，故對(duì)高速公路項(xiàng)目的環(huán)境監(jiān)測(cè)刻不容緩。武易高速公路位于云南省境內(nèi)，從武定至易門，貫穿連綿山區(qū)，地處生態(tài)大省，施工區(qū)生活人口密集，工業(yè)用地占地面積大，其在施工過程中對(duì)于環(huán)境和生態(tài)的影響較大。在建設(shè)過程中要遵循維持生態(tài)環(huán)境的原則，將其對(duì)周圍環(huán)境的影響降為最低，全面建設(shè)低碳環(huán)保高速公路，以此提高武易高速公路的項(xiàng)目品質(zhì)。故進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)施工過程中的環(huán)境污染物濃度，并對(duì)該區(qū)域的環(huán)境狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)，既可以保證項(xiàng)目建設(shè)過程中的環(huán)境質(zhì)量，又可以為高速公路運(yùn)營(yíng)期間的環(huán)境觀測(cè)提供了基礎(chǔ)。

大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是通過使用計(jì)算機(jī)手段對(duì)現(xiàn)場(chǎng)某些特定污染物的濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，分析處理從而對(duì)大氣環(huán)境的狀況進(jìn)行模擬和控制的系統(tǒng)，目前的監(jiān)測(cè)手段已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了過去從間斷的數(shù)據(jù)采集人工分析向自動(dòng)連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變[1]。常用的監(jiān)測(cè)手段有遙感監(jiān)測(cè)、GIS監(jiān)測(cè)和物聯(lián)網(wǎng)手段監(jiān)測(cè)，這三者均可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集傳輸與處理，要求其監(jiān)測(cè)范圍廣，監(jiān)測(cè)點(diǎn)靈活布置，并且能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確的反饋環(huán)境信息[2]。

綜上所述，針對(duì)高速公路建設(shè)—運(yùn)營(yíng)過程中的環(huán)境觀測(cè)、數(shù)據(jù)采集、分析預(yù)警等一系列研究活動(dòng)，對(duì)推進(jìn)低碳環(huán)保高速公路的建設(shè)、環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展具有科學(xué)合理的指導(dǎo)意義。本項(xiàng)目通過導(dǎo)入和整合新理念、新技術(shù)、新產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、穩(wěn)定、智能、全面的環(huán)境觀測(cè)系統(tǒng)，向項(xiàng)目管理部門反饋實(shí)時(shí)環(huán)境信息，控制并削減了高速公路建設(shè)過程中對(duì)于生態(tài)環(huán)境的影響，由此全面提高了武易高速公路的建設(shè)品質(zhì)。

2 總系統(tǒng)構(gòu)建

2.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

數(shù)字監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)數(shù)字化和控制大氣環(huán)境質(zhì)量的功能[3]，本總系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)以能夠?qū)崟r(shí)把握高速公路在建設(shè)施工過程中對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生的影響為原則，一旦出現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值超標(biāo)的情況，能夠及時(shí)迅速地向高速公路建設(shè)指揮部及施工單位的管理人員通報(bào)異常狀況。

本總系統(tǒng)根據(jù)上述原則對(duì)總系統(tǒng)的技能方面、性能方面、可靠性方面和網(wǎng)絡(luò)配置等方面進(jìn)行了一系列的設(shè)計(jì)，并對(duì)各監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)備分別進(jìn)行了專用儀器的設(shè)定，以便于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置和調(diào)試。特別是在可靠性設(shè)計(jì)中，針對(duì)從異常檢測(cè)、系統(tǒng)報(bào)警到確認(rèn)系統(tǒng)恢復(fù)正常這一連貫動(dòng)作所關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)構(gòu)成、數(shù)據(jù)備份、系統(tǒng)恢復(fù)的操作過程進(jìn)行了探討和研究，以確保系統(tǒng)的實(shí)用性。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以進(jìn)行實(shí)時(shí)的環(huán)境監(jiān)測(cè)，測(cè)量精度高，很適合用于大氣環(huán)境質(zhì)量的監(jiān)測(cè)[5]。

2.2 系統(tǒng)綜合構(gòu)建

本總系統(tǒng)的開發(fā)包含各監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的儀器選定、監(jiān)測(cè)設(shè)備的性能設(shè)計(jì)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)服務(wù)器的個(gè)別設(shè)計(jì)等?？傁到y(tǒng)的構(gòu)建完成后，將研制出的設(shè)備分別安裝配置于各個(gè)具體的施工現(xiàn)場(chǎng)中，進(jìn)行各系統(tǒng)單體的性能試驗(yàn)及總系統(tǒng)的綜合試驗(yàn)，以確?？傁到y(tǒng)運(yùn)行的協(xié)調(diào)性。綜合試驗(yàn)的目的是確認(rèn)所開發(fā)系統(tǒng)達(dá)到并滿足當(dāng)初設(shè)計(jì)的要求。本系統(tǒng)通過確認(rèn)環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器的監(jiān)控機(jī)能及數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)絡(luò)瀏覽器等機(jī)能的正常運(yùn)行，來確定系統(tǒng)達(dá)到了性能設(shè)計(jì)要求。在總系統(tǒng)的構(gòu)建過程中，為避免或減少網(wǎng)絡(luò)外部攻擊的風(fēng)險(xiǎn)，采取了登錄用戶限定、使用復(fù)雜密碼、設(shè)置訪問限制及使用已知安全性的最新軟件等措施。

智能環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由環(huán)境傳感器、數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器構(gòu)成。環(huán)境傳感器的選擇主要取決于識(shí)別元件的優(yōu)劣，其敏感度決定了測(cè)量數(shù)據(jù)的精確度[7]。數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)收集模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)，保存于內(nèi)部存儲(chǔ)器和現(xiàn)場(chǎng)外置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，經(jīng)由環(huán)境傳感器處理后以模擬信號(hào)物理量輸出，雨量以脈沖信號(hào)輸出，輸出的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)過無線局域網(wǎng)(WLAN)或4G移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)由FTP服務(wù)器發(fā)送到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，繼而在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器由監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)更新程序、ATHENA網(wǎng)關(guān)程序、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)庫加密通信網(wǎng)關(guān)等組成。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器由數(shù)據(jù)顯示控制軟件Opera,Port FW,Global IP三部分組成。本系統(tǒng)開發(fā)了分別適用于iOS和Android系統(tǒng)的應(yīng)用程序，高速公路建設(shè)指揮部及施工單位的管理人員可以通過智能手機(jī)隨時(shí)掌握施工現(xiàn)場(chǎng)所監(jiān)測(cè)的環(huán)境數(shù)據(jù)，并及時(shí)做出緊急應(yīng)對(duì)。

在可靠性設(shè)計(jì)方面，數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的硬件充分考慮了結(jié)構(gòu)的散熱性，保持模塊端子之間的溫度梯度一致。此外，該系統(tǒng)外殼部分使用了不銹鋼SUS304，還設(shè)置了遮光板和雷電防護(hù)措施，以防止因陽光照射引起的內(nèi)部升溫和雷電天氣造成的設(shè)備損壞。

3 系統(tǒng)構(gòu)建與設(shè)置

3.1 系統(tǒng)整體構(gòu)成

本高速公路建設(shè)項(xiàng)目需要進(jìn)行大氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括PM10,PM2.5風(fēng)向風(fēng)速、溫濕度和雨量監(jiān)測(cè)。本高速公路長(zhǎng)達(dá)104 km，難以全面掌握沿線各個(gè)施工點(diǎn)的環(huán)境狀態(tài)，為了實(shí)現(xiàn)全施工段環(huán)境監(jiān)測(cè)，開發(fā)了移動(dòng)車載式大氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來監(jiān)測(cè)整體施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)公路沿線環(huán)境造成的影響。

3.2 大氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

大氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括PM10,PM2.5濃度監(jiān)測(cè)和風(fēng)向風(fēng)速、溫濕度、雨量監(jiān)測(cè)[9]。本研究基于控制施工作業(yè)對(duì)周邊環(huán)境所致影響的設(shè)計(jì)要求，推測(cè)大氣中浮游粒子狀物質(zhì)的飛散狀況，在監(jiān)測(cè)PM10,PM2.5濃度的同時(shí)，亦監(jiān)測(cè)風(fēng)向風(fēng)速、氣溫、濕度和降雨量等數(shù)據(jù)。例如，當(dāng)PM10的濃度上升時(shí)，根據(jù)風(fēng)向、氣溫及濕度數(shù)據(jù)，即可判定其起因是由現(xiàn)場(chǎng)施工所致，或者是由其他影響所致。

3.3 系統(tǒng)總體設(shè)置

大氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)置在安豐營(yíng)樞紐立交橋的三個(gè)部位。安豐營(yíng)樞紐立交橋是國(guó)家高速公路網(wǎng)G56杭州到瑞麗的杭瑞高速與武易高速交會(huì)的交流道。由于該立交橋主體結(jié)構(gòu)周邊具有人口生活區(qū)，故需控制施工過程中PM10,PM2.5的排放。同時(shí)在武易高速公路竣工投入使用后，該系統(tǒng)可繼續(xù)用于監(jiān)測(cè)路面行駛的交通車輛帶來的大氣污染。

4 主要傳感器特征

4.1 PM10傳感器

綜合考慮本項(xiàng)目的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性，選擇光散射式PM10粉塵儀作為PM10傳感器。光散射式PM10粉塵儀是利用由吸入粒子狀物質(zhì)產(chǎn)生的散射光量與質(zhì)量濃度成比例變化的原理，將散射光量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，以粒子狀物質(zhì)的質(zhì)量濃度的形式被檢測(cè)出來。本儀器具有發(fā)光量穩(wěn)定、受光精度穩(wěn)定、吸氣泵吸引量穩(wěn)定等特點(diǎn)，還設(shè)有以輸送清潔空氣來凈化光學(xué)部的自動(dòng)清掃結(jié)構(gòu)，從而可獲得穩(wěn)定的檢測(cè)精度。另外，本儀器還在外部空氣吸入口與內(nèi)部主機(jī)吸氣口之間設(shè)置了加熱器，以減少由霧氣等微小水分子引起的檢測(cè)誤差。

4.2 PM2.5傳感器

PM2.5傳感器是在PM10傳感器的基礎(chǔ)上增設(shè)顆粒分離裝置。在PM2.5濃度的測(cè)定中，需要預(yù)先去除粗大粒子，故增設(shè)了離心式顆粒分離裝置。

5 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

安豐營(yíng)大氣監(jiān)測(cè)PM2.5和PM10濃度結(jié)果范例如圖1，圖2所示，取全天24 h段進(jìn)行分析，位于主線橋工地的2號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在6：00時(shí)的PM2.5濃度值為0.022 mg/m3，伴隨當(dāng)天施工進(jìn)度的進(jìn)行，濃度開始逐漸增長(zhǎng)，在15：30達(dá)到當(dāng)日的最大值0.068 mg/m3。當(dāng)天平均風(fēng)速約2 m/s，風(fēng)向?yàn)槟稀夏衔鳎时眰?cè)的安豐營(yíng)2號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的PM2.5濃度值上升。西側(cè)的安豐營(yíng)3號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(L，G匝道工地)的數(shù)值沒有明顯的變動(dòng)，說明受施工影響較小。PM10的濃度變化趨勢(shì)與PM2.5濃度變化趨勢(shì)類似，在施工開始的時(shí)刻濃

度值開始上升。安豐營(yíng)1號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的PM10濃度值在14：10為0.355 mg/m3。安豐營(yíng)2號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)于12：00達(dá)到峰值濃度0.192 mg/m3，15：00達(dá)到0.188 mg/m3。安豐營(yíng)3號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的PM10濃度沒有發(fā)現(xiàn)伴隨施工開始的數(shù)值上升。當(dāng)濕度降低時(shí)，浮游粒子的濃度逐漸增高，故保持較濕潤(rùn)環(huán)境有利于環(huán)境質(zhì)量的提高。

6 結(jié)語

1)本項(xiàng)目通過定點(diǎn)大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)武易高速公路施工階段和運(yùn)營(yíng)階段的環(huán)境監(jiān)測(cè)，從而保證了周圍生態(tài)環(huán)境不受破壞。

2)本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)穩(wěn)定性高，各系統(tǒng)單體之間協(xié)調(diào)性好，可通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)共享，以便于高速公路建設(shè)指揮部管理人員及施工監(jiān)管人員遠(yuǎn)程掌握環(huán)境信息并及時(shí)采取針對(duì)性的措施。

3)PM10和PM2.5的濃度在每天清晨時(shí)濃度相對(duì)較低，隨著施工的進(jìn)行其濃度逐漸上升。當(dāng)周圍環(huán)境的濕度降低時(shí)，濃度含量也會(huì)有所增加，風(fēng)速風(fēng)向也會(huì)對(duì)其濃度有所影響。