高速公路大气环境监测系统研究

李锦华 周应新 钱正富 日向洋一 刘江宇 苗晟源 吴尚峰

(1． 昆明市交通建设工程质量监督局，云南昆明650214; 2． 云南省交通投资建设集团有限公司，云南昆明650228;3． 云南武易高速公路建设指挥部，云南昆明650300; 4． 日本仮设株式会社，北海道札幌063-0836)

1 概述

高速公路是我国建设项目中功能最为便利快捷的基础设施之一，近年来高速公路事业的快速发展，推动了国民经济的不断提高。但高速公路的建设过程中会对周围的生态环境造成较大的影响，故对高速公路项目的环境监测刻不容缓。武易高速公路位于云南省境内，从武定至易门，贯穿连绵山区，地处生态大省，施工区生活人口密集，工业用地占地面积大，其在施工过程中对于环境和生态的影响较大。在建设过程中要遵循维持生态环境的原则，将其对周围环境的影响降为最低，全面建设低碳环保高速公路，以此提高武易高速公路的项目品质。故进行实时监测施工过程中的环境污染物浓度，并对该区域的环境状态进行评价，既可以保证项目建设过程中的环境质量，又可以为高速公路运营期间的环境观测提供了基础。

大气环境监测系统是通过使用计算机手段对现场某些特定污染物的浓度进行实时监测，分析处理从而对大气环境的状况进行模拟和控制的系统，目前的监测手段已经实现了过去从间断的数据采集人工分析向自动连续监测系统的转变[1]。常用的监测手段有遥感监测、GIS监测和物联网手段监测，这三者均可实现对数据的实时采集传输与处理，要求其监测范围广，监测点灵活布置，并且能够实时准确的反馈环境信息[2]。

综上所述，针对高速公路建设—运营过程中的环境观测、数据采集、分析预警等一系列研究活动，对推进低碳环保高速公路的建设、环境的可持续发展具有科学合理的指导意义。本项目通过导入和整合新理念、新技术、新产品，实现了实时、准确、稳定、智能、全面的环境观测系统，向项目管理部门反馈实时环境信息，控制并削减了高速公路建设过程中对于生态环境的影响，由此全面提高了武易高速公路的建设品质。

2 总系统构建

2.1 系统整体设计

数字监测系统具有监测数据数字化和控制大气环境质量的功能[3]，本总系统的整体设计以能够实时把握高速公路在建设施工过程中对周围环境产生的影响为原则，一旦出现现场监测值超标的情况，能够及时迅速地向高速公路建设指挥部及施工单位的管理人员通报异常状况。

本总系统根据上述原则对总系统的技能方面、性能方面、可靠性方面和网络配置等方面进行了一系列的设计，并对各监测系统的设备分别进行了专用仪器的设定，以便于现场设置和调试。特别是在可靠性设计中，针对从异常检测、系统报警到确认系统恢复正常这一连贯动作所关联的系统构成、数据备份、系统恢复的操作过程进行了探讨和研究，以确保系统的实用性。无线传感器网络可以进行实时的环境监测，测量精度高，很适合用于大气环境质量的监测[5]。

2.2 系统综合构建

本总系统的开发包含各监测系统的仪器选定、监测设备的性能设计、监测系统服务器的个别设计等。总系统的构建完成后，将研制出的设备分别安装配置于各个具体的施工现场中，进行各系统单体的性能试验及总系统的综合试验，以确保总系统运行的协调性。综合试验的目的是确认所开发系统达到并满足当初设计的要求。本系统通过确认环境监测仪器的监控机能及数据储存、数据处理、网络浏览器等机能的正常运行，来确定系统达到了性能设计要求。在总系统的构建过程中，为避免或减少网络外部攻击的风险，采取了登录用户限定、使用复杂密码、设置访问限制及使用已知安全性的最新软件等措施。

智能环境监测系统由环境传感器、数据采集控制系统、数据库服务器和网络服务器构成。环境传感器的选择主要取决于识别元件的优劣，其敏感度决定了测量数据的精确度[7]。数据采集控制系统收集模拟信号和数字信号，保存于内部存储器和现场外置数据存储器中，经由环境传感器处理后以模拟信号物理量输出，雨量以脉冲信号输出，输出的监测数据经过无线局域网(WLAN)或4G移动通讯网络由FTP服务器发送到数据库服务器，继而在数据库服务器内部进行数据处理。数据库服务器由监测数据更新程序、ATHENA网关程序、监测数据、数据库加密通信网关等组成。网络服务器由数据显示控制软件Opera,Port FW,Global IP三部分组成。本系统开发了分别适用于iOS和Android系统的应用程序，高速公路建设指挥部及施工单位的管理人员可以通过智能手机随时掌握施工现场所监测的环境数据，并及时做出紧急应对。

在可靠性设计方面，数据采集控制系统的硬件充分考虑了结构的散热性，保持模块端子之间的温度梯度一致。此外，该系统外壳部分使用了不锈钢SUS304，还设置了遮光板和雷电防护措施，以防止因阳光照射引起的内部升温和雷电天气造成的设备损坏。

3 系统构建与设置

3.1 系统整体构成

本高速公路建设项目需要进行大气监测系统包括PM10,PM2.5风向风速、温湿度和雨量监测。本高速公路长达104 km，难以全面掌握沿线各个施工点的环境状态，为了实现全施工段环境监测，开发了移动车载式大气监测系统来监测整体施工现场对公路沿线环境造成的影响。

3.2 大气监测系统

大气监测系统包括PM10,PM2.5浓度监测和风向风速、温湿度、雨量监测[9]。本研究基于控制施工作业对周边环境所致影响的设计要求，推测大气中浮游粒子状物质的飞散状况，在监测PM10,PM2.5浓度的同时，亦监测风向风速、气温、湿度和降雨量等数据。例如，当PM10的浓度上升时，根据风向、气温及湿度数据，即可判定其起因是由现场施工所致，或者是由其他影响所致。

3.3 系统总体设置

大气监测系统设置在安丰营枢纽立交桥的三个部位。安丰营枢纽立交桥是国家高速公路网G56杭州到瑞丽的杭瑞高速与武易高速交会的交流道。由于该立交桥主体结构周边具有人口生活区，故需控制施工过程中PM10,PM2.5的排放。同时在武易高速公路竣工投入使用后，该系统可继续用于监测路面行驶的交通车辆带来的大气污染。

4 主要传感器特征

4.1 PM10传感器

综合考虑本项目的实用性和经济性，选择光散射式PM10粉尘仪作为PM10传感器。光散射式PM10粉尘仪是利用由吸入粒子状物质产生的散射光量与质量浓度成比例变化的原理，将散射光量转换成电信号，以粒子状物质的质量浓度的形式被检测出来。本仪器具有发光量稳定、受光精度稳定、吸气泵吸引量稳定等特点，还设有以输送清洁空气来净化光学部的自动清扫结构，从而可获得稳定的检测精度。另外，本仪器还在外部空气吸入口与内部主机吸气口之间设置了加热器，以减少由雾气等微小水分子引起的检测误差。

4.2 PM2.5传感器

PM2.5传感器是在PM10传感器的基础上增设颗粒分离装置。在PM2.5浓度的测定中，需要预先去除粗大粒子，故增设了离心式颗粒分离装置。

5 监测数据分析

安丰营大气监测PM2.5和PM10浓度结果范例如图1，图2所示，取全天24 h段进行分析，位于主线桥工地的2号监测点在6：00时的PM2.5浓度值为0.022 mg/m3，伴随当天施工进度的进行，浓度开始逐渐增长，在15：30达到当日的最大值0.068 mg/m3。当天平均风速约2 m/s，风向为南—南南西，故北侧的安丰营2号监测点的PM2.5浓度值上升。西侧的安丰营3号监测点(L，G匝道工地)的数值没有明显的变动，说明受施工影响较小。PM10的浓度变化趋势与PM2.5浓度变化趋势类似，在施工开始的时刻浓

度值开始上升。安丰营1号监测点的PM10浓度值在14：10为0.355 mg/m3。安丰营2号监测点于12：00达到峰值浓度0.192 mg/m3，15：00达到0.188 mg/m3。安丰营3号监测点的PM10浓度没有发现伴随施工开始的数值上升。当湿度降低时，浮游粒子的浓度逐渐增高，故保持较湿润环境有利于环境质量的提高。

6 结语

1)本项目通过定点大气环境监测系统实现了对武易高速公路施工阶段和运营阶段的环境监测，从而保证了周围生态环境不受破坏。

2)本监测系统稳定性高，各系统单体之间协调性好，可通过网络将数据实时共享，以便于高速公路建设指挥部管理人员及施工监管人员远程掌握环境信息并及时采取针对性的措施。

3)PM10和PM2.5的浓度在每天清晨时浓度相对较低，随着施工的进行其浓度逐渐上升。当周围环境的湿度降低时，浓度含量也会有所增加，风速风向也会对其浓度有所影响。