蘭 琪

(山西省自動(dòng)化研究所，山西 太原 030012)

隨著城市建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)展，工程建設(shè)所造成的環(huán)境污染問(wèn)題日益突出，主要體現(xiàn)在建筑施工所帶來(lái)的揚(yáng)塵污染與改善大氣環(huán)境質(zhì)量之間的矛盾、噪聲侵害與居民居住舒適度之間的矛盾等方面，如何對(duì)其進(jìn)行有效的治理與管控已經(jīng)成為城市環(huán)保領(lǐng)域近年來(lái)亟待解決的難題[1]。

現(xiàn)行的治理措施首先是要在前期建設(shè)項(xiàng)目審批上把好源頭關(guān)，嚴(yán)格執(zhí)行環(huán)境影響評(píng)價(jià)制度，其次就是在施工過(guò)程中進(jìn)行有效的監(jiān)管和治理，這便對(duì)工程建設(shè)中環(huán)境狀況監(jiān)測(cè)的手段提出更高的要求，如何保證及時(shí)準(zhǔn)確地獲取特定地點(diǎn)甚至特定時(shí)間的環(huán)境狀態(tài)參數(shù)是評(píng)估工程對(duì)環(huán)境影響程度的重要前提，由此，本文針對(duì)此問(wèn)題展開了關(guān)于建筑工地?fù)P塵噪聲在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究。

1 主要研究?jī)?nèi)容

揚(yáng)塵噪聲在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)用于對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行24小時(shí)不間斷的無(wú)人值守自動(dòng)監(jiān)測(cè)，并把監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)有線或無(wú)線等方式傳入上層云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，是集數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)展示、統(tǒng)計(jì)分析、預(yù)警及報(bào)警等功能為一體的揚(yáng)塵噪聲綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1.1 系統(tǒng)技術(shù)原理

揚(yáng)塵噪聲在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要分為環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)及工地環(huán)境在線監(jiān)測(cè)云平臺(tái)三大部分，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 揚(yáng)塵噪聲在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

揚(yáng)塵噪聲在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就是設(shè)置于施工現(xiàn)場(chǎng)，利用各種傳感器實(shí)時(shí)測(cè)定周圍的環(huán)境參數(shù)，諸如溫度、濕度、噪音、PM2.5、PM10、風(fēng)力、風(fēng)向、氣壓等環(huán)境信息以及現(xiàn)場(chǎng)視頻信息，然后傳入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)取整、濾波、映射等處理后進(jìn)行輸出，將環(huán)境信息顯示于數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)便于現(xiàn)場(chǎng)人員進(jìn)行觀測(cè)，同時(shí)將環(huán)境與視頻信息上傳至云平臺(tái)進(jìn)行存儲(chǔ)分析，還可與相關(guān)部門平臺(tái)進(jìn)行對(duì)接，將環(huán)境信息實(shí)時(shí)上報(bào)，并以此為依據(jù)開展施工現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)工作，其現(xiàn)場(chǎng)安裝效果如圖2所示。

圖2 揚(yáng)塵噪聲在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)安裝效果

1.2 硬件配置

本系統(tǒng)的硬件配置包括揚(yáng)塵監(jiān)測(cè)模塊、噪聲監(jiān)測(cè)模塊、視頻監(jiān)控模塊、氣象監(jiān)測(cè)模塊、數(shù)據(jù)采集與處理模塊等部分，模塊化的設(shè)計(jì)可以為后期維護(hù)升級(jí)等工作帶來(lái)極大的便利。

1.2.1 揚(yáng)塵監(jiān)測(cè)模塊

揚(yáng)塵監(jiān)測(cè)模塊具有自動(dòng)除塵除濕及溫度保護(hù)功能，維護(hù)量小，通過(guò)RS485接口使用Modbus協(xié)議進(jìn)行通訊，其原理如圖3所示。使用精密流量控制的真空泵吸入攜帶揚(yáng)塵顆粒物的空氣作為待測(cè)試氣體送入設(shè)有傳感器測(cè)量組件的光學(xué)測(cè)量室，測(cè)量組件采用Gustav Mie粒子光散射法對(duì)待測(cè)氣體進(jìn)行連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)，當(dāng)激光照射到通過(guò)檢測(cè)位置的顆粒物時(shí)會(huì)產(chǎn)生微弱的光散射，在特定方向上的光散射波形與顆粒直徑有關(guān)，通過(guò)不同粒徑的波形分類統(tǒng)計(jì)及換算公式可以得到不同粒徑的實(shí)時(shí)顆粒物數(shù)量濃度[2]，然后根據(jù)傳感器輸出信號(hào)結(jié)合系數(shù)標(biāo)定方法可以得到空氣中統(tǒng)一單位的揚(yáng)塵質(zhì)量濃度，測(cè)量量程能夠達(dá)到0.001～10 mg/m3。

1.2.2 噪聲監(jiān)測(cè)模塊

噪聲監(jiān)測(cè)模塊將環(huán)境噪聲經(jīng)過(guò)噪聲傳感器、放大器、AD轉(zhuǎn)換等設(shè)備的處理，然后通過(guò)噪聲A計(jì)權(quán)計(jì)算方法將其計(jì)算為分貝值，再經(jīng)過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換后通過(guò)RS485接口將信號(hào)輸出，測(cè)量范圍能夠達(dá)到30～130 dB，如圖4所示。

圖3 揚(yáng)塵顆粒物測(cè)量原理

圖4 噪聲檢測(cè)原理

1.2.3 視頻監(jiān)控模塊

視頻監(jiān)控模塊由高清球形攝像機(jī)和硬盤錄像機(jī)組成，攝像機(jī)可按監(jiān)控區(qū)域設(shè)置多個(gè)預(yù)置點(diǎn)位實(shí)現(xiàn)定時(shí)定點(diǎn)巡檢和超標(biāo)圖片抓拍功能，攝像機(jī)內(nèi)置全向云臺(tái)，采用H.264雙碼流壓縮，碼率可實(shí)現(xiàn)2 kB～512 kB連續(xù)調(diào)節(jié)，紅外夜視距離達(dá)到120 m，使用標(biāo)準(zhǔn)RJ45接口進(jìn)行通訊，設(shè)備通電運(yùn)行后將攝像機(jī)采集的視頻圖像源源不斷地存儲(chǔ)到硬盤錄像機(jī)中，作為監(jiān)管人員進(jìn)行管理工作的重要依據(jù)，系統(tǒng)測(cè)量的噪聲、揚(yáng)塵等檢測(cè)值可直接疊加于視頻監(jiān)控畫面上，協(xié)助監(jiān)管人員完成施工現(xiàn)場(chǎng)的揚(yáng)塵情況監(jiān)管工作。

1.2.4 氣象監(jiān)測(cè)模塊

氣象監(jiān)測(cè)模塊包含有風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度、大氣壓等環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測(cè)，為揚(yáng)塵和噪聲監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的后期分析提供氣象參數(shù)依據(jù)。風(fēng)速監(jiān)測(cè)采用三風(fēng)杯風(fēng)速傳感器測(cè)量，風(fēng)杯使用碳纖維材質(zhì)，內(nèi)置信號(hào)處理單元能根據(jù)用戶需求輸出0～2.5 V電壓作為相應(yīng)風(fēng)速信號(hào)，測(cè)量范圍為0～45 m/s；風(fēng)向監(jiān)測(cè)采用配備有精密電位器的低慣性輕金屬風(fēng)向標(biāo)傳感器響應(yīng)風(fēng)向，動(dòng)態(tài)性較好，觀測(cè)方便，其輸出具有良好的線性特征，啟動(dòng)風(fēng)速為≤0.5 m/s；溫濕度與氣壓監(jiān)測(cè)采用百葉箱型高精度全數(shù)字化監(jiān)測(cè)傳感器，可準(zhǔn)確、快速檢測(cè)出大氣溫度、大氣濕度及大氣壓力，內(nèi)置信號(hào)處理單元根據(jù)用戶需求輸出0～2.5 V電壓信號(hào)，溫度測(cè)量范圍-50 ℃～80 ℃，濕度測(cè)量范圍0～100%RH，氣壓測(cè)量范圍10～1 100 hPa。

1.2.5 數(shù)據(jù)采集與處理模塊

本模塊負(fù)責(zé)對(duì)各種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)換、檢查與存儲(chǔ)等，并可按照后臺(tái)設(shè)定指令完成相應(yīng)校準(zhǔn)、系數(shù)調(diào)優(yōu)、數(shù)據(jù)定時(shí)發(fā)送、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)等功能，可以對(duì)采集的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步的統(tǒng)計(jì)分析處理，其主要組件是全封閉式低功耗工控機(jī)，配備有6個(gè)COM口，日常使用功率可低至12 W。工控機(jī)在可編程性、穩(wěn)定性、可擴(kuò)展性等方面均優(yōu)于相比于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集板，其上位機(jī)數(shù)據(jù)采集與傳輸程序采用C#語(yǔ)言編寫，另外還配備有7寸人機(jī)界面，便于后期檢修與維護(hù)升級(jí)時(shí)對(duì)設(shè)定參數(shù)、傳輸程序的更改。

1.3 工地環(huán)境在線監(jiān)測(cè)云平臺(tái)

工地環(huán)境在線監(jiān)測(cè)云平臺(tái)可實(shí)時(shí)獲取由安裝于現(xiàn)場(chǎng)的揚(yáng)塵噪聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所上報(bào)的所有工地現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，同時(shí)，云平臺(tái)可以設(shè)定各項(xiàng)環(huán)境監(jiān)測(cè)指標(biāo)的閾值，當(dāng)對(duì)應(yīng)的環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超過(guò)設(shè)定值時(shí)可發(fā)出預(yù)警信息，并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與預(yù)警信息通過(guò)網(wǎng)頁(yè)推送、短信等渠道呈現(xiàn)予相關(guān)用戶。

具有相關(guān)權(quán)限的用戶登陸平臺(tái)后，可按所屬區(qū)域在GIS地圖上展示各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的位置、設(shè)備狀態(tài)及環(huán)境信息，有利于用戶進(jìn)行總體上的評(píng)估，也可以按各項(xiàng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行列表排序顯示，方便各監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間的排查工作。同時(shí)，平臺(tái)所記錄的環(huán)境信息詳細(xì)歷史數(shù)據(jù)及均值等信息可以通過(guò)曲線變化趨勢(shì)的方式呈現(xiàn)，便于用戶進(jìn)行單點(diǎn)分析，平臺(tái)部分界面如圖5所示。

圖5 工地環(huán)境在線監(jiān)測(cè)云平臺(tái)部分界面

2 實(shí)施案例

系統(tǒng)經(jīng)過(guò)初步組裝調(diào)試后，選擇市區(qū)中位于不同區(qū)域的若干施工工地進(jìn)行試點(diǎn)運(yùn)行，每個(gè)施工工地根據(jù)工地占地面積設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)，理論上占地面積在4 000 m2以上20 000 m2以下至少設(shè)置1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，占地面積在20 000 m2以上每增加10 000 m2宜增設(shè)1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)[3]。經(jīng)過(guò)數(shù)月的測(cè)試運(yùn)行，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，未出現(xiàn)重大故障，數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性均能得到保障，可在各施工工地進(jìn)一步推廣。

3 總結(jié)

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了全天候、全區(qū)域、全時(shí)段的施工場(chǎng)所揚(yáng)塵噪聲連續(xù)監(jiān)測(cè)與管理，顯著改善了相關(guān)人員與部門的工作效率，同時(shí)，揚(yáng)塵噪聲數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)有利于從源頭上減少工地環(huán)境污染；通過(guò)云平臺(tái)對(duì)環(huán)境信息數(shù)據(jù)的歷史記錄和后期分析統(tǒng)計(jì)，可以為管理人員的決策管理提供有力技術(shù)支持，具有指導(dǎo)性作用，為工地施工管理的數(shù)字化和智能化奠定了基礎(chǔ)。

隨著研究的繼續(xù)推進(jìn)，本系統(tǒng)可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)一步完善：首先，增強(qiáng)本系統(tǒng)與降塵系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)性，如霧炮噴淋系統(tǒng)、圍墻噴淋系統(tǒng)、塔吊噴淋系統(tǒng)等降塵系統(tǒng)，在相關(guān)指標(biāo)達(dá)到預(yù)設(shè)值后，系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出指令開啟降塵系統(tǒng)，直到環(huán)境指標(biāo)達(dá)到設(shè)定的優(yōu)良為止；其次，增加移動(dòng)端平臺(tái)的監(jiān)測(cè)與控制功能，隨著可移動(dòng)手持設(shè)備的普及，用戶從PC端轉(zhuǎn)向移動(dòng)端的需求日益增強(qiáng)，開發(fā)移動(dòng)客戶端可以使用戶更加便捷地瀏覽各監(jiān)測(cè)點(diǎn)信息并及時(shí)做出相應(yīng)策略；另外，需挖掘歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的潛在利用率，讓其發(fā)揮出更多價(jià)值，可增加后期數(shù)據(jù)的分析與預(yù)測(cè)功能，例如通過(guò)風(fēng)速風(fēng)向等信息對(duì)揚(yáng)塵的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)做出科學(xué)預(yù)測(cè)和報(bào)警，以及根據(jù)不同的氣象條件科學(xué)地修正監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等功能。

[1] 趙晨陽(yáng).建筑施工揚(yáng)塵監(jiān)測(cè)與危害程度評(píng)價(jià)研究[D].北京：首都經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué),2015.

[2] 任麗娜,張良,陳春生.激光散射法測(cè)量煙幕質(zhì)量濃度的試驗(yàn)研究[J].中國(guó)粉體技術(shù),2011,17(3):8-11.

[3] 孫猛,高翔,劉茂輝,等.揚(yáng)塵在線監(jiān)測(cè)在施工工地?fù)P塵污染監(jiān)管中的應(yīng)用研究[J].環(huán)境科學(xué)與管理,2016,41(11):142-145.