基于建筑施工過程的環境監測預警系統研究

史澤宇，李 闊，崔梓鈺，劉民壯，孟照龍

(1.黑龍江工程學院 土木與建筑工程學院，黑龍江 哈爾濱 150050； 2.哈爾濱工業大學 交通科學與工程學院，黑龍江 哈爾濱 150090)

隨著城市建設的不斷發展，到2030年，建筑業產生的碳排放量將占全社會排放總量的25%[1]。建筑施工過程中由于能源的消耗將產生大量的CO2、SO2、CO、 NOx等對環境有害的氣體。同時，建筑施工所帶來的噪聲污染問題也日益嚴重。有研究表明，在工作環境噪聲值達到70 dB以上時，工人的工作效率會下降約10%，并且噪聲還會使人產生焦慮、煩燥等不良情緒[2]。近年來，節能環保的綠色建筑成為建筑業發展的新方向，而作為建筑項目的生產環節，綠色施工是打造綠色建筑的關鍵階段[3-4]。

目前，建筑施工過程中產生的噪聲、污染物等具有集中性與突發性，并且施工現場存在粗放型管理等情況，施工現場周圍所產生的噪聲和環境污染問題對施工人員以及周圍居民都將產生巨大影響[5]。目前，中國對制造業[6]和采礦業[7]等噪聲暴露和環境污染嚴重的行業均有噪聲暴露和污染物監測的研究，劉宏成[8]劃分聲環境分區，通過實地測量法監測施工場地噪聲排放情況，并從等效連續聲級、統計聲級和最大聲級三類評價指標分析噪聲情況，設定評價指標類型及限值來進行環境監測步驟的評價，并給出對噪聲限值的建議取值范圍。劉貴文[9]提出了1種關于施工現場碳排放實時監測系統框架，對施工現場碳排放計算邊界及計算邏輯進行定義，并從硬件系統和軟件系統兩方面來對碳排放實時監測系統進行開發。張強[10]利用噪聲模擬軟件 Cadna/A，對建筑施工土石方階段的施工機具噪聲耦合作用進行模擬分析。Manatakis[11-12]等利用統計回歸建模方法建立三類施工設備的噪聲排放預測模型。付婧嬈[13]對氣溫、濕度以及PM2.5等因素進行主成分分析，采用多元回歸法對北京市未來一周內的PM2.5 含量做出較為精確地預測。艾洪福[14]建立時間序列的神經網絡來預測PM2.5的發展趨勢，對長春市未來3 d的 PM2.5 做仿真試驗。李智江[15]建立系統動力學模型，研究北京市能源和霧霾之間的動態化關系。宗曉萍[16]建立基于遺傳算法的改進向量機模型，探究 PM2.5 的質量濃度與氣溫、相對濕度、風速、氣壓之間的映射關系，對制定1 d中霧霾的 24 h變化規律做出預測。上述學者針對噪聲、污染物以及環境監測和預警的研究已有一定成果，但在建筑行業的施工過程中還缺乏針對環境監測方面和監測預警方面的研究。對于系統應實現何種功能、如何全面監測施工現場的環境因素、實現自動預警以及其他功能還有待深入探究，當前中國的建筑施工領域迫切需要基于施工過程的環境監測預警系統來全面監測施工現場的環境狀況。

綜上，為合理控制建筑施工現場噪聲與空氣污染物水平，本文構建基于建筑施工現場的實時環境監測及預警系統，精確檢測施工場地環境、噪聲與各種環境污染物的含量，幫助施工現場管理人員對建筑工程施工活動產生的噪聲與環境污染物進行實時監測與管理，針對施工中的突發狀況及時采取相應的管理措施，實現節能減排的綠色施工目標。

1 環境監測預警系統的開發

1.1 系統邏輯框架搭建

利用無線網絡技術、兼容GIS技術等多種技術，引入信息物理融合系統技術，構建1種基于建筑施工過程的環境監測預警系統。此系統適用于各級建筑施工工地的監測，是1個綜合環境監測信息管理平臺。

系統分為供電結構模塊、環境監測結構模塊、信息處理與傳輸結構模塊、環境信息接收結構模塊、報警裝置和噴淋裝置模塊五部分。以上模塊中的裝置均與供電結構連接和環境信息接收結構相連接，環境監測結構、調理電路、AD轉換電路、主控制器和信息傳輸結構依次連接。系統結構如圖1所示。

本文構建的環境監測預警系統可以分為物理層、計算層和信息交互層。其中，物理層由環境監測結構組成，系統通過該層的各類傳感器監測設備，收集建筑施工現場的環境數據信息，并通過無線收發模塊以及4G/5G模塊將數據實時傳輸至計算層。計算層由信息處理結構組成，包含相應的控制中心服務器等部分，負責將收集到的數據進行計算、存儲以及處理。信息交互層由信息反饋結構構成，包含智能手機端和PC機，實現物理世界與信息世界的交互作用。

1.2 系統功能實現

系統采用低功耗的環境監測設計，環境監測結構的傳感器設備對施工工地的風速、風向、噪聲、揚塵、溫濕度、NO2、CO、NOx、PM 2.5、PM 10、PM 100等物理參數進行檢測。

環境監測結構在收到各傳感器的監測信息后，對噪聲、揚塵、溫濕度等是否影響施工等情況進行判斷，必要時可進行人為操作監測，并聯系后臺監測人員反應情況。

施工管理人員利用PC端或者智能手機端對監控主機進行遙控監測，決定是否開啟報警裝置以及噴淋裝置降塵，通過遠程控制手段實時監測施工環境狀況，以確保施工現場的噪聲及環境污染物等環境因素的水平處于合理范圍。如建筑工程未設置后臺監測人員，報警裝置和噴淋裝置是否開啟通過在PC機上設置閾值進行啟動，能夠減少因后臺監測人員不能實時監控工地內情況的情況。同時,若當巡檢人員在觀察工地內情況時傳感器出現問題時，可根據傳輸到的GPS信息進行問題點的排查。此外，監控系統可以根據自動報警功能來監測建筑施工環境參數是否有超過預設警戒限制值的情況，若有此趨勢則系統將通過信息反饋結構向施工人員發出報警信息，進而預防建筑施工現場的事故發生。

圖1 系統總體結構

2 現場數據實時監測

系統通過供電結構模塊、環境監測結構模塊、信息處理與傳輸結構模塊、環境信息接收結構模塊、報警裝置和噴淋裝置模塊5個模塊來實現建筑施工現場環境數據信息的采集、存儲、管理和報警功能。

2.1 供電結構模塊

供電結構由太陽能電池板、柴油發電機、蓄電池、白熾燈等組成。在系統的電路結構中，太陽能電池板和柴油發電機接口連接蓄電池的正極輸入端，白熾燈和電源開關電路連接蓄電池的負極輸出端，系統中的白熾燈均與電源開關電路并聯，并各自設有開關。

供電結構以收集電能作為主要電源，通過蓄電池儲存與釋放電能。供電結構通過太陽能供電和蓄電池供電兩種供電機制進行運作。當太陽能電池板因施工現場連續陰天或夜間等天氣無法滿足電量供應需求時，可采用柴油發電機做功對蓄電池進行充電，以確保蓄電池內含有維持系統運轉的電能。白熾燈連接蓄電池，可用于夜間照明或夜間檢修照明，同時白熾燈產生光能通過太陽能電池板收集，實現能源的重復利用。

2.2 環境監測結構模塊

2.2.1 環境監測結構組成

環境監測結構包含風速、風向、傳感器、噪聲傳感器、揚塵傳感器、溫濕度傳感器、環境污染有害氣體傳感器、懸浮顆粒物傳感器，如圖1所示。其中，有害氣體傳感器包括SO2傳感器、NO2傳感器、CO傳感器和NOx傳感器；3種懸浮顆粒傳感器分別對PM2.5、PM10和PM100進行監測。這些傳感器并聯設置，且與調理電路連接。當施工工程較大、覆蓋面積較廣以及多區域施工時，可以考慮增加排布環境監測結構的數量，以備對整個工地進行合理監測。

為實時監測建筑施工現場的各種情況，且能對該處反映的監測結果進行實時反饋，系統在環境監測結構的傳感器中均配備GPS定位裝置。GPS定位裝置不但精確反應出現情況的位置，還可以標記傳感器的位置，方便工作人員日常巡檢。

下文將對傳感器的設置要求以及污染物、噪聲、溫濕度等監測要素的監測方法進行闡述。

2.2.2 傳感器設置及監測頻率

為實現傳感器全面精確監控工地現場施工的區域范圍，應當在施工現場的車路主出入口處設置多于傳感器數2個的布點要求，其中，至少1個監測點應設置在施工車輛的主出入口。所有傳感器的設置都應設在建筑工地施工現場區域的安全范圍內，傳感器的設置高度一般應在距水平地面(2.5±0.5) m處。

顆粒污染物在線監測數據采集頻率應滿足小于60 s的標準，顆粒物的監測測量值統一換算為mg/m3。噪聲監測數據的采集頻率應滿足小于1 s的條件，其監測測量值以1 min等效聲級Leq(A)作為計量單位。環境污染有害氣體的采集頻率應小于60 s，其監測測量值以 ppm為計量單位。

2.2.3 空氣污染物監測

本文構建的系統監測的空氣污染物主要包括CO2、SO2、CO、 NOx等。在建筑施工現場中，大量的施工機械設備運行會產生較為嚴重的噪聲污染和有害氣體污染情況，故本系統針對建筑施工過程中施工機械可能產生的污染物情況進行監測。

在目前對施工機械的污染物監測過程中，主要的測量方法是直接法和間接法。直接法是通過直接測量施工機械的耗電量，將其進行加和匯總求得所有施工機械的總耗電量。該方法計量準確并且有關數據收集過程相對便利，但沒有考慮施工現場中由于施工機械的燃油消耗而產生的污染物排放。

本系統采取間接測量的方法，通過傳感器獲取各類現場施工機械的運行時間來計算施工機械的能源消耗情況，將此轉化到環境污染物排放量的計算過程中，以實現施工機械向系統實時傳遞信息。基于信息物理系統技術的環境實時監測系統主要監測施工過程中塔式起重機和施工電梯兩類施工機械的污染物排放情況[17]，其產生的總排放量表示為

W=W1+W2.

(1)

式中：W為系統監測的施工機械的總排放量，W1為塔式起重機產生的污染物排放量，W2為施工電梯產生的污染物排放量。

建筑施工現場的塔式起重機、施工電梯排放的定量計算公式為

(2)

式中：n為施工機械種類，n=1,2，其中，1為塔式起重機，2為施工電梯；m為施工現場第n類的施工機械數量，臺；P1,i為第i臺塔式起重機額定功率，kW；T1,i為第i臺塔式起重機運行時間，s；fe為電力碳排因子，kgCO2/kWh。m,P1,i的取值均可從工程資料中獲取；T1,i由監測系統從施工現場獲取，fe可通過工程資料整理獲得。

2.2.4 噪聲值監測

中國在2011年修訂了《建筑施工場界環境噪聲排放標準》(GB12523-2011)[18]，對施工場界環境噪聲排放限值和測量方法做出規定。對于噪聲限值的規定，《聲環境質量標準(GB 3096-2008)》[19]規定施工過程中產生的噪聲在晝間不得超過70 dB，夜間不得超過55 dB，并認為當晝間和夜間的噪聲值低于70 dB以下時，施工工地周圍不受噪聲影響。

系統采用與白天測量方法相同的20 min等效連續A聲級作為噪聲的測量方法，基于整個施工過程對施工現場可能產生的噪聲進行全面監測。由于在不同施工階段建筑施工噪聲的主要噪聲排放源和噪聲傳播方式有著顯著差異，故將建筑施工過程劃分為地基開挖階段、主體結構階段和裝飾裝修階段。將建筑施工的不同階段進行分類，相應的噪聲環境排放特點見表1。

表1 不同階段建筑施工噪聲環境排放特點

在評價指標上，目前衡量噪聲大小的評價指標主要有聲壓級、計權聲級和等效連續聲級三類。其中，聲壓級[20]是量度形成聲音的空氣振動強弱的噪聲評價指標，反映聲音強度對人響度感覺的影響;計權聲級是考慮人對不同頻率聲音的敏感程度不同而提出的噪聲評價指標，是在人耳可聽范圍內按特定頻率計權而合成的聲壓級，反映聲音頻率對人耳響度感覺。聲音的空氣振動強弱進行量度，反映人對聲音強度的感覺影響；計權聲級考慮了不同人對不同頻率聲音的不同敏感程度，主要有A，B，C 3種，是按特定頻率計權合成的聲壓級，表征聲音頻率的影響，根據人耳可聽范圍內按特定頻率計權而合成的聲壓級，反映聲音頻率對人耳響度感覺的影響。等效連續聲級是考慮聲音隨時間波動的特性，通常為某一段時間內的A計權聲級能量的等效平均值。

綜上，因所構建的監測系統主要考慮的是施工過程可能產生的噪聲影響，所以將等效連續A聲級LAeq作為衡量施工現場噪聲環境水平的主要指標。

2.2.5 溫濕度監測

系統為適應施工環境中溫度和濕度所采用的采集傳感器應當具有靈敏度高、傳輸距離遠和抗干擾能力強的特點，選用能同時顯示溫度和濕度的數字復合傳感器DHT11。DHT11傳感器是由NTC溫度電阻元件和濕度測量元件組成,并與高性能的8位微控制器連接[21]。當DHT11感應到信號進入時，會先調用OTP內存中存儲的校準系數，對信號進行校準，然后再把校準后的信號輸出。電路原理如圖2所示。

圖2 DHT11 電路原理

對溫濕度傳感器所監測指標多次測量取平均值，同時采用高品質微調電容的無線收發裝置，使得溫差變化及振動減小偏移，以保證數據的準確性。通過傳感器采集的數據，對建筑施工現場的溫濕度以及環境污染物等環境因素進行分析，采用多元回歸法對其含量進行精確地預測。

多元線性回歸模型如式(3)所示。設(yi，x1i，x2i)，i=1，2，…，n，是取自總體的1組隨機樣本。

(3)

式中:X為自變量的觀測值，y為對應的因變量觀測值，β和μ為回歸參數。

3 信息處理與反饋

3.1 信息處理與傳輸

1)信息處理結構。信息處理結構由調理電路、AD轉換電路和主控制器組成。多種傳感器產生的信號通過調理電路進入AD轉換電路，最終輸入主控制器，形成可以直接辨別問題的狀態信息。

2)信息傳輸結構。信息傳輸結構包括無線收發模塊和4G/5G模塊兩部分。無線收發模塊的工作頻率為315 MHz，采用頻率穩定度較高的聲表諧振器SAW穩頻，當環境溫度在-25°～85°之間變化時，頻飄僅為3 ppm/(°)。

無線收發模塊垂直安裝在主板的邊緣，為避免受分布參數影響，應距離周圍器件5 mm以上。無線收發模塊在不同的收發環境會有不同的收發距離，在場地較為開闊的施工現場最大發射距離約800 m，而在有障礙的情況下，發射距離會縮短。

信息處理結構產生的狀態信息通過無線收發模塊傳送到PC機，同時通過4G/5G模塊傳送到施工現場監測人員和巡檢人員的智能手機上。施工現場的管理人員將接收到的信息及時處理，并能實時監測施工現場的環境情況。

3.2 信息反饋

信息反饋結構包括PC機和智能手機。PC機設備具有無線收發功能，用于收發無線收發模塊的信號，智能手機則用于收發4G/5G模塊的信號。噴淋裝置設置在環境監測結構所在位置，報警裝置設置在環境監測結構或PC機所在位置。

3.3 報警與噴淋

當系統中的傳感器檢測到施工現場環境中某一數值超出閾值時，工作人員能夠通過PC機或智能手機報警器進行報警，并且可以通過GPS定位裝置直接定位到何種環境監測數值超出閾值的具體位置，進而針對該污染進行集中治理。

施工管理人員利用PC端或者智能手機端對監控主機進行遙控監測，決定是否開啟報警裝置預警或是否開啟噴淋裝置進行降塵，通過遠程控制來實時監測施工環境狀況，以確保施工現場的環境因素水平處于合理范圍。

4 結論與展望

本文所構建的環境監測預警系統主要針對施工工地的噪聲、空氣污染物、溫濕度等多種環境因素進行多污染源實時監測并自動報警，該系統可以對建筑工程施工全過程進行動態監測管理，實現對施工現場的高效監測并提高科學管理能力。

基于施工過程的環境監測預警系統的開發有利于管理人員對施工現場的環境、噪聲以及污染物等情況進行更直觀地監測了解，有效指導建筑施工的相關決策。同時，系統在施工現場的應用為實現智慧建筑施工工地及綠色施工提供了良好的借鑒。但本文構建的整個系統還需要開發相關的數據庫系統，對系統的整體調試還有待驗證，并亟需進行系統性能測試，以檢測實際應用情況。