霧霾實時在線監測及預警系統設計

馬萬征　李靜　馬萬敏

摘 要：該文設計了一套霧霾實時在線監測及預警系統，它是基于ARCGIS開發而成的，支持多種操作系統，主要功能包含監測設置、監測預警及報警、統計分析、參數設置、日志管理的功能，操作簡單。該軟件對霧霾的在線監測及治理具有非常重要的意義。

關鍵詞：霧霾；在線監測；預警；空氣

中圖分類號 X84 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2018）01-0062-03

Abstract：Real-time online monitoring and pre-warning software for haze is based on ARCGIS. The software supports multiple operating systems. Major functions include monitoring，pre-warning，statistical analysis，parameter setup and log management. The operation is very simple. The software is of great significance to the online monitoring and management for haze.

Key words：Haze：Online monitoring；Pre-warning；Atmosphere

1 研究背景

PM2.5是指環境空氣中空氣動力學直徑小于等于2.5μm的漂浮顆粒物[1]，直徑不到人類的頭發絲粗細的1/20[2]，是引發霧霾天氣的元兇。2015年8月5日，中國科學家首次揭示了PM2.5空氣污染物的納米力學性質，發現其中的煤煙聚集物因其高粘附性和聚合性對人體最具毒害性[3]。PM2.5對人類造成的傷害主要包括呼吸道受刺激、咳嗽、呼吸困難、降低肺功能、加重哮喘、導致慢性支氣管炎、非致命性的心臟病、心肺病患者的過早死等[4]。一份來自聯合國環境規劃署的報告稱，PM2.5的濃度每上升20μg/m3，中國和印度每年約有34萬人死亡[5]。2012年2月29日，國務院發布的新修訂的《環境空氣質量標準》中對PM2.5濃度限值做出了以下規定，要求PM2.5年平均濃度值在0.035mg/Nm3以下，24h平均濃度值在0.075mg/Nm3以下，并逐漸納入各省市強制監測范圍。

由于近年來由細顆粒物PM2.5引起的空氣污染現象愈加嚴重，人類開始重視對PM2.5的防治工作，以美國為代表的幾個發達國家紛紛制定出PM2.5監測標準。隨后Rinehart[6]等在美國加利福尼亞地區建立20個觀測站，用以研究PM2.5的空氣質量；Appel[7]，Senaratne[8]和Sisler[9]等對PM2.5有關因素進行分析；Waston[10]，Schichtel[11]等對城市PM2.5危害進行研究；Chameides[12]等研究氣溶膠光學厚度和區域霾污染對水稻和小麥產量的影響[13]。

隨著空氣質量的急劇惡化，陰霾天氣現象出現次數增多，危害加重，因此，研究霧霾氣體中PM2.5的在線監測及去除迫在眉睫[14]。

2 研究方法

2.1 數據組織形式 實現霧霾實時在線監測及預警系統需要多種數據的支持。為使數據組織明晰、便于數據管理，系統采用文件地理數據庫和Access數據庫2種方式存儲應用的數據。其中文件數據庫存儲和地圖密切相關的數據，主要包括地圖數據和測站位置數據。Access數據存儲用戶信息數據、監測儀屬性數據、監測儀監測數據（圖1）。

2.2 系統總體功能設計

2.2.1 系統需求 （1）基本地圖功能：對檢測儀器進行可視化管理，對測站的監測范圍進行可視化分析，對地圖的基本操作，全圖、放大、縮小、漫游、前一視圖、后一視圖。（2）數據導入功能：導入監測數據進行展示（以Excel表格的形式）等。（3）分析監測數據：對監測數據進行分段顯示，超過一定的值進行警報。

2.2.2 系統需求分析結果 根據需求將系統主要分為三大功能模塊：基本功能模塊、儀器管理模塊、數據處理模塊。基本功能模塊主要對系統用到的圖層進行操作；儀器管理功能模塊用來對儀器的初始化配置、監測儀器參數設置（圖2）。

3 主要功能及特色

3.1 軟件登錄 點擊電腦桌面上的霧霾實時在線監測及預警系統，首次登錄用戶需要輸入賬號和密碼進行登錄，輸入完正確的賬號和密碼之后，點擊界面下方的登錄按鈕。用戶即可進入該軟件。用戶進入該軟件之后，便會展現軟件的主界面。

3.2 系統主界面介紹 系統主界面非為三大部分：工具欄、測站列表、地圖展示（包含狀態信息）。

3.3 監測儀配置

3.3.1 監測儀初始化 監測儀配置里面主要包含監測儀名稱、監測儀編號、監測儀類型、監測儀協議、監控方式、監測儀地址等，連接監測儀之后，把對應的監測儀信息填入，然后點擊確定，在配置結果欄打印出儀器配置的結果，如打印日志顯示：“監測儀配置成功！”“監測儀數據采集初始化成功”表明監測儀配置完成并能進行監測儀的連接。

3.3.2 監測儀連接 監測儀配置成功之后，點擊監測儀連接，在監測儀連接配置窗體中，可以對監測儀連接協議、檢測控制方式、監測儀地址進行顯性設置。當設置不符合儀器連接標準是點擊“連接”按鈕后會在配置結果中打印出錯誤信息。結果顯示監測儀自動霧霾監測初始化成功，表明監測儀連接成功一切配置正常可以進行數據上傳。

3.3.3 監測儀參數設置 監測儀參數設置主要包括監測儀編號、所在城市、監測儀名稱、監測范圍、維護負責人、工作狀態、維護時間等信息，根據具體的監測儀，設置相應的監測參數。

3.3.4 監測儀控制器設置 監測儀控制器參數設置主要包括編號、監測儀控制器型號，產品監測粒子的類型、光源、流量、采集時間、電源、電池工作壽命、外形尺寸等。endprint

3.3.5 監測儀報警設置 監測儀報警設置主要包含以下幾項：警戒值、允許誤差、最小值、最大值、自動報警的開啟和關閉、采集間隔等。

3.4 數據處理

3.4.1 數據采集 連接好監測儀，對監測儀進行初始化、配置、參數設置，預警參數設置等之后，點擊數據采集，軟件開始采集監測儀監測的霧霾數據。

3.4.2 導入數據 數據可以通過連接監測儀直接進行數據采集，也可以利用現有的Excel數據文件，點擊數據導入，在彈出的數據導入界面中，選擇已有的數據所在路徑，點擊“開始導入數據”按鈕進行數據導入。

3.4.3 查看數據 通過監測儀采集完數據之后，點擊查看數據，可以查看采集到的霧霾數據。

3.4.4 數據分析 用戶在使用系統時，可以在數據處理下點擊數據分析，系統采用不同顏色表示不同霧霾閾值。

4 結果與分析

霧霾實時在線監測及預警系統具備如下特點：

（1）軟件的新穎性：將各種數據通過該軟件進行精確的計算，并通過互聯網進行大數據分析，充分體現了“互聯網+”的相關理念要求。

（2）產品的新穎性：將傳感器接收到的各種數據和信號通過計算機和本軟件相互聯系，時時刻刻監控實驗的程度，數據的變化，如果超過預定值就會發出警報，就應改變模擬條件和數據參量，不僅可以促進裝置上不斷優化，還有機的調動整個系統的和諧輔助工作，極大地提高了產品的可行性和真實性。

5 結論

近年來，由于空氣污染造成的霧霾天氣在我國頻繁出現，引起人們廣泛注意。尤其是在工業發達、人口密集的華北和中東部地區，霧霾天氣出現的頻率高，覆蓋的面積廣霧霾是大氣污染物PM2.5被提出后才引起人們格外注意的天氣現象。其不僅危害人們的身體健康，而且其對輸變電設備的影響也引起了電力系統人們的擔心。

因此，各大高校實驗室和相關企業部門實驗團隊對霧霾在線監測及預警做出大量研究，在這樣的大環境下，此產品和軟件應運而生。將會大面積推廣，為各霧霾的治理及預防、實驗團隊科研做貢獻，方便實驗進行。

參考文獻

[1]王勇，劉嚴萍，李江波，等.水汽和風速對霧霾中PM2.5/PM10變化的影響[J].災害學，2015，30（1）：5-7.

[2]楊洪斌，鄒旭東，汪宏宇，等.大氣環境中PM2.5的研究進展與展望[J].氣象與環境學報，2012，28（3）：77- 82.

[3]王秦，陳曦，何公理，等.北京市城區冬季霧霾天氣PM2.5中元素特征研究[J].光譜學和光譜分析.2013，6：1441-1445.

[4]李占五.治理PM2.5污染需要采取綜合措施[J].中外能源，2013，18（9）：7-13.

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[7]Appel B R，Tokiwa J H，Hsu J，et al.Visibility as related to atmospheric aerosol constituents[J].Atmospheric Environment，1985，19（9）：1525-1534.

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[12]Chameides W L，Yu H，Lin S C，et al.Case study of the effects of atmospheric aerosols and regional haze on agriculture An opportunity to enhance crop yields in Chine through emission controls[J].Journal of Geophysical Research，1999，96（24）：1029-2001.

[13]謝心慶，鄭薇.國內外PM2.5研究進展綜述[J].電力科技與環保，2015，31（4）.

[14]陶巍巍，許曉楠，華海寧.PM2.5監測技術及防控措施研究[J].山東交通學院學報，2013，2：80-83.

（責編：張宏民）endprint