高速公路建設期環境網格化監測系統研究

方若全 徐 杰 楊友森 明 珠

（1 江蘇省交通建設局 江蘇南京 210093 2 江蘇中路工程技術研究院 江蘇南京 210093）

引言

高速公路作為我國交通工程建設項目中功能最為齊全便捷的基礎設施之一，其飛速發展極大的促進了國民經濟提高[1]。然而，在高速公路施工建設全過程中，將導致施工路段周圍環境大量污染。同時，《十四五規劃》提出“加快推動數字社會建設步伐、努力建設智慧城市、積極探索建設數字孿生城市”等，推動市政公用設施、建筑等物聯網應用和智能化改造。同時，《十四五國家信息化規劃》提出要推動交通高質量可持續發展，積極推動信息化、數字化、智能化快速發展，加快推進數字建設，深化公共設施數字化、智能化轉型升級，全方位推動基礎設施能力提升，建設泛在智能的網絡連接設施、物聯網數通的新型感知基礎設施以及云網融合的新型算力設施，構筑全國人民暢享的數字化工作生活方式。因此，對高速公路建設項目進行空氣環境質量監測至關重要。

目前，環境監測方法已從人工數據采集與處理轉變為實時在線數據監測與處理[2]。常用的監測方法包括：GIS 技術監測、遙感技術監測以及物聯網技術監測[3]。例如：陳慧蓉[4]等建立GIS 空間數據庫，在空間數據的支持下，計算監測區域的污染指數，完成海洋生態環境的監測。田榮明[5]和吳勇劍[6]等基于無線傳感器網絡對農田、海洋等環境監測系統。劉皎[7]等基于物聯網技術，通過ZigBee 傳感器和4G 網絡，建立大氣環境監測系統。然而，高速公路環境監測主要集中于運營期的交通噪聲和尾氣排放，對高速公路建設期環境監測系統研究相對較少[8][9]。此外，王莉[10]等通過大氣網格化監測技術，結合大數據技術，明確環境空氣質量網格化監測使用原則以及措施，并提出環境污染區域實時監測方案。劉心宇[11]等基于“固定+移動”混合部署方式，構建網格化大氣環境質量實時在線監測系統，進而實現監測目標區域的全覆蓋在線監測。歐松[12]等基于用戶數量源內容和需求，采用物聯網技術，構建空氣環境質量實時監測系統，并對監測數據進行精細化管理與可視化分析。

因此，本文基于物聯網技術，提出一種網格化環境空氣質量在線實時監測方法，通過對在線實時監測系統建設目標進行分析，基于建設單位、建立單位和施工單位的角度，研究分析高速公路建設期環境網格化在線監測系統的功能需求。并在此基礎上，采用B/S 架構，結合MySQL 數據庫，利用互聯網技術，構建高速公路建設期環境網格化在線監測系統，實現對環境空氣質量實時監測以及數據可視化處理，進而提高交通行業環境監督能力，對推動行業綠色、智慧、高質量發展具有重要意義。

1 系統建設思路

1.1 建設目標

高速公路建設期環境網格化在線監測系統是為建設單位、監理單位、施工單位等提供綠色管理數字化服務，以加速環保投訴處理、檢查整改等綠色管理流程效率，實現人員/設備/風險源等線上可視化管理、綠色管理相關資料電子存檔、各類環境和污染數據實時在線監測以及數據分析處理等作為建設目標。

1.2 功能需求分析

高速公路建設期環境網格化在線監測系統包括智能監測、智能監管、協同辦公以及數據分析四大模塊，如圖1 所示。在圖1 中，智能監測是將通過智能的方式監測到各種所需信息，并且使信息互相關聯融通，進而做到全方位、全天候地對環境保護問題進行監督檢查，實現對高速公路工程項目建設全過程中重點區域的環境在線監測，對定期監測數據及報告的在線歸檔、記錄；智能監管主要利用信息化手段對參建單位綠色行為的約束，包括綠色設備、綠色活動、綠色檢查、綠色費用；協同辦公主要包括組織機構管理、任務公告、文件流轉、信息發布和檔案管理等，簡化線下審批流程，實現綠色管理流程的線上審批，對項目建設過程中各參建單位綠色管理資料的在線歸檔、記錄，設置綠色任務保證綠色行為實施落地；通過數據監測分析，對項目綠色建設進度、環境監測信息的可視化展示。

圖1 綠色管理平臺功能需求

2 系統設計

2.1 技術架構設計

與C/S 相比，B/S（Brower/Server）作為瀏覽器——服務器結構，具有分布性強、開發簡單、維護方便、易擴展以及成本低等優點[13]。因此，本系統采用B/S 架構設計高速公路建設期環境網格化在線監測系統，該系統自下而上包括5 個層次，分別為基礎層、數據層、應用層和展現層，如圖2 所示。

圖2 系統技術架構

（1）基礎層：該層主要分為系統硬件設施與系統軟件設施兩個部分，其中系統硬件設施主要由網絡設備、主機、儲存、緩存、備份和輸入輸出設施等組成；系統軟件設施主要由操作系統、語言處理程序、數據庫管理軟件、應用服務器等組成。此外，基礎設施層位于網站結構最底層，為環境網格化在線監測系統提供基礎支撐。

（2）數據層：數據庫選型作為該層核心問題，既要立足當下，提供高可用的服務，又要著眼未來，給予足夠的擴展空間，本文主要利用MySQL 關系數據庫與Redis 文檔型數據庫的存儲方案。其中，MySQL 數據庫主要用于支持人員信息、環境監測數據信息及推送信息等內容管理系統；而Redis 數據庫擁有海量性、靈活性及可擴展的搜索服務能力，用于作為數據存儲、搜索服務中心。此外，該層主要通過外網數據采集工具采集不同監測數據資源，同時基于數據挖掘工具對監測數據進行信息抽取和處理；并且依據監測數據處理需求，可對數據挖掘技術使用進行擴展配置，例如：自動分類、數據提取等。

（3）服務層：該層主要包含用戶管理、權限分配、工作流、表單工具等支撐應用。其中，用戶管理主要由新建用戶、導入用戶、添加用戶、修改用資料、刪除用戶信息等系統注冊用戶組成。權限分配主要包括申請人、審批人和系統管理3 大類。工作流基于管理系統工作流引擎。

（4）應用層：應用層作為整個平臺系統的核心，采用面向服務的思想，由應用子系統，如：噪聲監測系統、水質監測系統、大氣污染監測系統、人員信息管理系統等組成，并基于SOAP 遠程方法，采用Web Services 技術為其他外部系統提供調用接口，進而完成與BIM 平臺和省環境監測平臺間的數據協同交互。

（5）展示層：用戶可以基于PC 客戶端和移動終端（手機、平板電腦）等登錄高速公路建設期環境網格化在線監測系統，同時向登錄用戶展現展示以及傳遞Web 信息資源的應用程序，可以顯示Web 服務器或文件系統的HTML 文件的內容，并提供各種資源訪問與服務。

2.2 系統數據架構設計

環境網絡在線監測系統基于物聯網（Internet of Things，IOT）獲取環境在線監測數據；監測數據具有大數據屬性，數量級別達到大數據定義。以此為基礎，對空氣環境監測數據進行可視化處理。在線監測系統數據采集、儲存以及處理的系統架構，如圖3 所示。其中，NGINX 負責均衡服務器，用于負載均衡；Web 用于實現UI 相關代碼；Service 實現業務邏輯相關代碼；Mysql 開源關系型數據庫，支持多種存儲引擎，且向用戶提供免費開源服務；Redis 為非關系型數據庫，用于緩存實時數據和指標類型數據，進而提高系統性能；CFS 為云文件存儲。

圖3 系統數據結構

2.3 網格化數據監測

高速公路建設期環境網格化在線監測系統數據主要來源于監測設備實時采集，如：環境監測設施、氣象監測設備等，并通過省控網格、增補網格及項目網格共同構建三級網格化監測體系，對高速公路建設期環境數據進行監測。該網格化監測體系，如圖4 所示。在圖4 中，紅色網格表示一級網格，即省級網格，大小為3000×3000m；藍色網格表示二級網格，即增補網格，大小為3000×3000m；綠色網格表示三級網格，即項目級網格，大小為1000×500m。

圖4 數據采集點分布

3 系統工程應用

3.1 工程概況

本文以江陰靖江長江隧道為例，其位于江陰大橋和泰州大橋之間，線路北起靖江公新公路，南至江陰芙蓉大道，采用水下隧道形式穿越長江，線路全長約11.825km，其中隧道段長6445m，設置互通3 座，風塔2 座，管理養護中心1 處。全線按照雙向六車道高速公路標準建設，設計行車速度80km/h，路基寬度33m。

3.2 監測指標

在生態環境部發布的 《環境空氣質量指數（AQI）技術規定（試行）》中，空氣質量指數主要基于PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO、O3等六項指標計算得到。然而，針對高速公路建設工程而言，空氣污染物主要以懸浮顆粒物為主，部分工藝環節可能會產生有害氣體。因此，本文主要對PM2.5 和PM10 以及O3進行監測分析。

3.3 監測數據分析

由于江陰、靖江兩地PM2.5 和PM10 主要集中于秋冬季節，O3集中于夏天。因此，本文選取一級網格（編號為TZ-18、WX-42）、二級網格（編號為A02、A04）、三級級網格（編號為N-1、S-1）6 個監測點，選取秋冬季（2020 年11 月和12 月）與夏季（2021 年6 月和7 月）的監測數據進行分析。2020 年秋冬季PM2.5、PM10 和O3監測數據分析如圖5，圖6 所示。由圖5 和圖6 可知，項目所在地靖江、江陰兩地，2020 年秋冬季空氣質量總體良好，主要污染物以PM2.5、PM10 為主，三級網格天數占比分別達到了60%及20%以上。

圖5 秋冬季PM2.5、PM10及O3天數分布

圖6 秋冬季PM2.5、PM10及O3比例分布

此外，2021 年夏季PM2.5、PM10 和O3監測數據分析如圖7 和圖8 所示。由圖7 和圖8 可知，項目所在地靖江、江陰兩地，6、7 月份空氣質量總體良好，主要污染物以PM2.5、PM10 為主，總體占比超過80%，結果與2020 年度差異較大原因，可能是由于部分網格不含臭氧監測指標，所以結果有所偏差。

圖7 夏季PM2.5、PM10及O3天數分布

圖8 夏季PM2.5、PM10及O3比例分布

結語

環境污染作為現代社會高質量發展中最為突出問題之一，高速公路建設過程中會產生較多環境污染問題。為了加快推進生態環境體系建設，完善生態環境監測網絡，提高高速公路環境污染管理能力，本文通過對高速公路建設期系統需求進行分析，構建高速公路建設期環境在線監測系統。同時，結合江陰靖江長江隧道，建立以省控網格、增補網格及項目網格為主體的三級網格體系，對高速公路建設期環境進行監測，進而提高交通行業環境監管能力，促進交通行業生態環境高質量發展。