基于北斗的城市公交車載移動大氣污染物濃度觀測系統(tǒng)設計

姜楓+楊顯軻+崔靜璇+李徐敏+朱旭

摘 要：為了對城市大氣污染進行有效的防控與治理，準確、可靠、高時空分辨率的大氣污染物濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)是必需的。文章基于北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的實時定位功能，以城市公交系統(tǒng)為載體，結合電子通信技術，設計一個城市大氣污染物濃度監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)北斗導航定位和氣象移動觀測相結合，實時測量城市近地面大氣中CO、NOx、O3和可吸入顆粒物等大氣污染物的濃度，獲得高時空分辨率的監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立城市近地面大氣污染物濃度觀測網(wǎng)。

關鍵詞：北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)；城市公交系統(tǒng)；大氣污染物濃度

中圖分類號：X51 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）07-0029-04

Abstract： In order to effectively prevent and control urban air pollution， accurate， reliable and high spatial and temporal resolution monitoring data of air pollutant concentration is necessary. Based on the real-time positioning function of Beidou satellite navigation system， a concentration monitoring system of urban air pollutants is designed based on urban public transport system and electronic communication technology. The concentration of CO， NOx， O3 and respirable particulates in the atmosphere near the ground is measured in real time by combining Beidou navigation and meteorological mobile observation. The monitoring data with high spatial and temporal resolution are obtained， and the monitoring network of atmospheric pollutant concentration near the ground is established.

Keywords： Beidou satellite navigation system； urban public transport system； concentration of atmospheric pollutants

1 研究背景與意義

近年來，大氣污染已經(jīng)成為世界性問題。隨著工業(yè)化、城市化快速發(fā)展及能源的消耗量增長，大氣污染已經(jīng)嚴重影響到人們的日常生活并且給社會帶來了巨大經(jīng)濟損失。對城市內(nèi)大氣污染時空分布進行監(jiān)控，才能有針對性的進行大氣污染防控與治理，因此城市內(nèi)大氣污染物濃度監(jiān)控有著重要而實際的意義。

目前，很多學者針對區(qū)域的大氣環(huán)境污染物的時空分布特征提出了與GIS相結合的分析方法，對污染物的時空分布特征的監(jiān)控，為更好地治理和預防大氣污染提供理論依據(jù)。在2008年Shuenn-Chin Chang和Chun-Te Lee對臺北市臺灣環(huán)境保護部門公布的五個空氣質(zhì)量監(jiān)測站1997-2003年的數(shù)據(jù)進行了分析，用以評價分析大氣污染物濃度，但這種用某監(jiān)測點數(shù)據(jù)代替其所在整個區(qū)域值的做法具有一定的片面性和不合理性。

而從當前國內(nèi)城市大氣污染物濃度監(jiān)控現(xiàn)狀來看，整體處于測站密度過低、難以實時測量的狀況。國內(nèi)近地面大氣污染物濃度觀測主要以地面氣象站觀測和應急移動觀測為主。對于地面氣象站觀測來說，由于固定站點可以做到同一時間測量，資料具有時間一致性的優(yōu)點，但是因為氣象觀測站建設成本高且受環(huán)境限制，分布密度過低，無法適應城市內(nèi)大氣污染物濃度分布實時監(jiān)控的需求；而對于移動觀測來說，由于其具有移動性我們可以獲得多點數(shù)據(jù)，但是由于移動過程導致了時間不同，資料的時間不一致性使得數(shù)據(jù)沒有了研究濃度分布的價值，此外為獲得盡可能多的數(shù)據(jù)，我們需要大量的移動觀測車輛，這樣觀測的成本也將非常高，在業(yè)務研究污染物濃度實時分布中也失去了實際意義。

但是對于一個城市而言，公交車輛數(shù)量往往巨大而且在運行時間較為均勻的分布在城市各地，是一個潛在的移動觀測平臺。故我們基于北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的實時定位功能，提出以城市公交系統(tǒng)為平臺，移動觀測大氣污染物濃度的方案，從而可建立城市大氣污染物濃度觀測網(wǎng)。

2 設計方案

本文設計了基于北斗導航系統(tǒng)，以城市公交系統(tǒng)為平臺，結合電子通信技術，移動觀測大氣污染物濃度的方案。當裝有車載系統(tǒng)的公交車運行后，車載系統(tǒng)將會根據(jù)北斗導航系統(tǒng)的定位功能，對公交車的當前位置進行定位，并在匹配的地圖中標記，同時通過網(wǎng)絡將車載移動觀測系統(tǒng)測量的大氣污染物濃度觀測值等信息實時回傳到數(shù)據(jù)處理與管理系統(tǒng)中，進行數(shù)據(jù)處理與整合，并傳送給可視化顯示系統(tǒng)，用于建立城市大氣污染物濃度觀測網(wǎng)并制作污染物預報產(chǎn)品。

2.1 總體設計結構

該方案由車載系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與管理系統(tǒng)、可視化顯示系統(tǒng)和用戶管理系統(tǒng)四個部分組成。移動公交車上安置的車載系統(tǒng)對城市大氣污染物濃度進行實時測量，北斗導航定位系統(tǒng)確定觀測時刻觀測點的地理位置，然后將觀測數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理與管理系統(tǒng)，經(jīng)過處理后的大氣污染物濃度數(shù)據(jù)在可視化顯示系統(tǒng)實時展現(xiàn)出來，從而達到增加城市大氣污染物濃度觀測點數(shù)量，提高城市大氣污染物濃度數(shù)據(jù)觀測時間分辨率的效果。其總體結構如圖1所示。endprint

2.2 車載系統(tǒng)

車載系統(tǒng)即城市公共交通車載平臺，它主要是實現(xiàn)污染物濃度的測量和確定監(jiān)測點位置，并將測量數(shù)據(jù)及定位信息傳送至數(shù)據(jù)處理與管理系統(tǒng)，其組成部分如圖2所示。

（1）監(jiān)測污染物的傳感器：包括CO濃度傳感器、SO2濃度傳感器、NOx濃度傳感器和顆粒物濃度傳感器等觀測設備，主要作用是測量各種污染物濃度數(shù)據(jù)。（2）北斗接收裝置：接收北斗衛(wèi)星信號，實時定位公交車位置（大氣污染物濃度監(jiān)測點位置）。（3）系統(tǒng)供電裝置：為整個車載系統(tǒng)供電，可借助于公交車的電路系統(tǒng)供電，并配備蓄電瓶作為應急電源。（4）數(shù)據(jù)傳輸設備：通過GPRS、北斗短報文等方式將觀測的大氣污染物濃度數(shù)據(jù)和公交車位置信息傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理與管理系統(tǒng)，并接收用戶控制指令。

車載系統(tǒng)安裝在公交車的頂部，主要原因有以下兩點：（1）系統(tǒng)所用裝置形態(tài)較小，安裝后所占空間不大，可以與公交頂上的空調(diào)等凸起的裝置平齊放置，這樣既不增加公交車的高度，對公交車正常行駛不造成影響，又不會影響公交車的美觀。（2）公交車行駛過程中，車與車之間的距離都比較接近，若放在其他位置，該裝置可能會過于接近周圍車輛的尾氣管，測得的數(shù)據(jù)誤差較大，但安置在相對較高的公交車頂上，可減小車輛尾氣管排出的尾氣對觀測結果的影響。

2.3 數(shù)據(jù)處理與管理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)處理與管理系統(tǒng)主要是對大氣污染物濃度數(shù)據(jù)、公交車定位數(shù)據(jù)及其他相關信息進行預處理、整理和數(shù)據(jù)分發(fā)等工作，其組成部分如圖3所示。

（1）數(shù)據(jù)接收模塊：通過網(wǎng)絡通信接收車載系統(tǒng)中各個大氣污染物濃度的監(jiān)測數(shù)據(jù)和公交車定位數(shù)據(jù)，并同時向用戶管理系統(tǒng)傳輸工作狀態(tài)等信息。（2）數(shù)據(jù)處理模塊：對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行實時處理，包括修正異常值或者缺測值處理。（3）數(shù)據(jù)管理模塊：將處理后的數(shù)據(jù)以二進制或者十進制的方式儲存，為后續(xù)使用提供數(shù)據(jù)源，并接收管理員指令。（4）數(shù)據(jù)上傳模塊：將處理好的標準化數(shù)據(jù)上傳到可視化顯示系統(tǒng)。

2.4 可視化顯示系統(tǒng)

可視化顯示系統(tǒng)主要是實時顯示城市大氣污染物濃度量值及進一步加工處理后相關產(chǎn)品或信息，包括區(qū)域實時動態(tài)分布、污染物的預報產(chǎn)品和數(shù)據(jù)結果發(fā)布模塊（圖4）。

（1）區(qū)域實時動態(tài)分布：利用處理后的標準數(shù)據(jù)，顯示城市大氣污染物濃度的實時分布圖以及固定地點污染物濃度隨時間變化的趨勢圖。（2）大氣污染物濃度的預報產(chǎn)品：對處理后的標準數(shù)據(jù)再加工，制作預報產(chǎn)品，包括區(qū)域空氣質(zhì)量的評估、未來發(fā)展趨勢的預報以及出行方面的建議。（3）數(shù)據(jù)發(fā)布：在手機、PC端等不同平臺上發(fā)布監(jiān)測數(shù)據(jù)結果和相關產(chǎn)品。

2.5 用戶管理系統(tǒng)

用戶管理系統(tǒng)主要包括用戶信息數(shù)據(jù)庫和管理員信息數(shù)據(jù)庫，其結構如圖5所示。

（1）用戶信息數(shù)據(jù)庫。用戶注冊信息：通過用戶管理系統(tǒng)，用戶可注冊成為管理員，可進行系統(tǒng)日常管理操作。

用戶賬戶信息：用戶賬戶分為超級管理員和管理員，前者將賦予系統(tǒng)最高權限（1名），后者負責系統(tǒng)日常操作管理（多名）。

用戶在線信息：管理員登錄或者退出系統(tǒng)。

（2）管理員信息庫。管理員注冊信息：系統(tǒng)顯示管理員的注冊、登錄和在線信息。

北斗接收器監(jiān)控和查看：管理員可查看某一時刻所有車輛的位置圖、接收器的運行狀況、接收器開關機狀況及其是否異常，并可設置接收機采樣時間間隔。

數(shù)據(jù)處理管理狀態(tài)查看：管理員可查看個數(shù)據(jù)模塊、數(shù)據(jù)傳輸裝置及傳輸網(wǎng)絡裝置的工作情況。

可視化系統(tǒng)設置：管理員可設置區(qū)域和時間的劃分、顯示系統(tǒng)的模式、預報產(chǎn)品的類型并可以查看數(shù)據(jù)接收終端。

數(shù)據(jù)處理：管理員可進行位置和濃度信息下載、歷史記錄數(shù)據(jù)的查看和生成報表。

3 技術路線

該系統(tǒng)方案的技術路線如圖6所示。

（1）收集數(shù)據(jù)?；诒倍沸l(wèi)星系統(tǒng)和車載系統(tǒng)中監(jiān)測污染物濃度傳感器獲得車輛的位置數(shù)據(jù)和污染物濃度數(shù)據(jù)，作為本方案的基礎數(shù)據(jù)。（2）數(shù)據(jù)處理?；谑占臄?shù)據(jù)，利用3？滓準則和回歸插補法分別對收集的數(shù)據(jù)進行異常值處理和缺測值修正，得到比較完整可靠的數(shù)據(jù)。在這里3？滓準則的原理是先假設一組檢測數(shù)據(jù)只含有隨機誤差，對其進行計算處理得到標準偏差，按一定概率確定一個區(qū)間，認為凡超過這個區(qū)間的誤差，就不屬于隨機誤差而是粗大誤差，含有該誤差的數(shù)據(jù)應予以剔除?；貧w插補法的原理是把缺失屬性作為因變量，其他相關屬性作為自變量，利用它們之間的關系建立回歸模型的來預測缺失值，以此完成缺失值插補的方法，是用非標準化的結果預測該變量的缺失值來實現(xiàn)的。（3）可視化顯示。利用預處理后的數(shù)據(jù)，進行可視化顯示，這里根據(jù)用戶的不同需求主要包括兩部分，即實時動態(tài)分布和預報產(chǎn)品發(fā)布，從而實現(xiàn)大氣污染物系統(tǒng)的建立。

4 可行性分析

4.1 技術可行性

本文設計方案中主要采用了北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)技術和氣象移動觀測技術，兩項技術皆已發(fā)展成熟、實施難度較小。

首先，北斗衛(wèi)星系統(tǒng)在我國境內(nèi)全面覆蓋，全天候運行，信號強，精度高，尤其在城市里北斗明顯優(yōu)于GPS。同時，全國公交車正在逐漸安裝北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)，以提高交通保障能力，正好可以利用這一優(yōu)勢實施該系統(tǒng)。其次，我國的氣象移動觀測業(yè)務發(fā)展也較為成熟，但由于觀測的經(jīng)濟、時間成本限制，現(xiàn)階段此技術多用于應急觀測。因此，以公交車作為大氣污染物濃度觀測設備的移動平臺，實現(xiàn)常規(guī)化觀測。

4.2 運行可行性

從公交系統(tǒng)的運行可行性來看，現(xiàn)階段我國大部分城市的公交系統(tǒng)發(fā)展成熟。以北京為例，截止到2014年，北京公交系統(tǒng)各類運營車總數(shù)已達22542輛，公交線路1020條，在白天大部分的行駛時間內(nèi)北京城內(nèi)分布較為均勻，若我們安裝移動觀測系統(tǒng)車載終端1000套，我們將會得到1000個移動車觀測的數(shù)據(jù)，考慮北京面積為16.4km2，我們能得到的城市大氣污染物濃度網(wǎng)的分辨率將可以達到百米的量級。而北京現(xiàn)有的氣象觀測站僅有15個，污染物濃度觀測網(wǎng)分辨率為千米量級，因此采用基于北斗系統(tǒng)，利用公交車載系統(tǒng)移動觀測，將會很大程度上提高污染物濃度觀測網(wǎng)密度。endprint

4.3 經(jīng)濟可行性

本系統(tǒng)的建立一方面可利用移動氣象車輛的原設備改造，成本不高；另一方面觀測設備基于已有的城市公交平臺，可有效降低運行成本。此外系統(tǒng)自動化運行，只需要數(shù)個管理員即可維護系統(tǒng)正常運轉；免去傳統(tǒng)人工觀測，有效節(jié)約人力財力。

5 創(chuàng)新點

本方案將北斗導航定位和氣象移動觀測相結合，創(chuàng)新性地提出以城市公交系統(tǒng)為載體，實現(xiàn)常規(guī)移動觀測城市大氣污染物濃度，解決了大氣污染物濃度觀測網(wǎng)密度過低、難以實行實時監(jiān)控的問題，為城市大氣污染防控與治理提供有效支撐數(shù)據(jù)。

6 結束語

本文設計的城市大氣污染物濃度觀測系統(tǒng)是基于北斗導航系統(tǒng)的實時定位功能，充分利用北斗信號覆蓋廣、信號強等特點，以城市公交系統(tǒng)為平臺，移動觀測城市大氣污染物濃度，實現(xiàn)大氣環(huán)境常規(guī)化監(jiān)測，而且技術上可行，易實施，運行成本低，數(shù)據(jù)空間分辨率高，具有較好的應用前景，同時也擴展了北斗的應用范圍，促進北斗產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

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