基于物聯網的機場區域大氣污染監控系統設計

付耀國,黃帥金,肖 正,雷 羽,邱登宇,趙金秋

(1.重慶機場集團博士后科研工作站,重慶 401120; 2.重慶交通大學土木工程學院,重慶 400074; 3.重慶機場集團擴建指揮部,重慶 401120; 4.中煤科工集團重慶研究院有限公司,重慶 400037)

0 引言

民用航空器的尾氣排放量逐年增長,己占交通運輸行業污染物總排放量的12%。飛機運行各階段都會產生大量CO2、SO2、CO、HC、NOx和固體顆粒等有害物質。在航空器著陸和起飛(land and take-off,LTO)階段,排放的污染物會直接對機場及其周邊區域空氣環境質量產生影響[1-2]。研究表明,在LTO循環的起飛、爬升、進近與滑行這4種模式下,航空器尾氣污染物排放占總排放量的比例分別為13.27%、28.16%、9.81%和48.75%[3]。航空器在滑行及低速飛行狀態下排放的大氣污染物占總排放量的50%以上。除飛機在近地面的活動所產生的污染氣體以外,在地面上的保障車輛和動力輔助裝置在運轉中也會排放污染氣體。這些污染源對旅客和機場周圍居民的生活環境產生了嚴重的影響[4-7]。因此,有必要對機場及其附近區域污染物的排放濃度進行監控,以分析污染物排放來源、監測不同區域污染物濃度、劃分重點監控區域。這將為針對性地提出區域大氣污染物防治提供數據支撐,從而緩解航空器活動對機場周邊區域環境的影響。

本文以西南地區某大型樞紐機場為研究對象,提出了基于物聯網的機場區域大氣污染監控系統,實現了機場區域環境大氣污染物無人、連續測量,該系統克服了傳統人工監測取樣的局限性,可有效提高大氣污染監測的效率并節約人力成本。

1 系統總體框架

系統總體結構如圖1所示。

圖1 系統總體結構

大氣污染物監測系統主要包括監測終端、區域中心和管理控制平臺。監測終端的大氣污染物傳感器先采集污染物信號,再將其無線發送到具有數據融合功能的路由節點網絡中。路由節點數據傳輸給各區域的中央節點,并向監控終端發送控制指令[8]。中心節點對采集到的數據進行處理和傳輸,并將其傳輸至監控中心。管理平臺對監測結果進行統計分析,并制作空氣污染濃度分布圖等。

2 硬件系統設計

2.1 監控終端

監控系統由控制器、全球定位系統(global positioning system,GPS)定位模塊和無線通信模塊組成。本文系統主要由信息顯示模塊、無線通信模塊、大氣污染物傳感器和電源模塊等功能模塊組成。監控終端完成對各監控區域的大氣環境監測數據和GPS地理位置信息采集,并將監測到的信息綁定后上載到各區域中心節點[9]。監控終端如圖2所示。

圖2 監控終端

2.2 區域中心節點

區域中心節點以數據采集網關和計算機為核心。系統的數據采集網關和監測端結構組成基本一致。數據連接端采用串口或通用串行總線(universal serial bus,USB)接口,將采集到的大氣污染物數據和GPS地理位置信息傳輸到區域處理計算機。

2.3 硬件設備配置

①大氣污染環境監測模塊。本文系統針對PM2.5、CO、SO2、NOx、O3這5項污染物參數進行24 h連續在線的監測。數據傳輸采用4G-數據傳輸單元(data transfer unit,DTU)。傳輸控制協議通信協議標準符合《HJT212污染物在線監測系統數據傳輸標準》。采樣頻率為60 s/次。功耗為10～15 W。

②GPS模塊。GPS地理位置接收器選用Gstar GS-216。該接收器內置的MTK3329芯片,支持5 Hz航點輸出,靈敏度可達-165 dBm,定位精度低于10 m,能夠對32個衛星進行快速定位和跟蹤。GPS模塊具有防水功能,采用GPS和天線一體化解決方案,適用于室外安裝,同時降低了GPS天線布線的難度和信號長距離傳輸導致的衰減。

③微控制器。微控制器以S3-2440A為基礎。其核心處理器為ARM920T的精簡指令集計算(reduced instruction set computing,RISC)芯片。該芯片具有價格低廉、高性能、功耗低等特點。同時,微控制器提供了外部通用設備接口,從而降低了整個系統費用[10]。

④無線通信模塊:大氣污染物監測數據傳輸擬選用CC2530作為無線通信模塊。該模塊發射功率為4.5 dBm、頻率為2 450 MHz、傳輸速率最高支持26 400 bit/s,集成了RF4CE、IEEE 802.15.4和ZigBee應用。芯片系統解決方案可應用于各種ZigBee PRO、ZigBee的無線網絡節點,包括路由器、協調器和節點終端[8]。

3 數據采集流程

3.1 監控終端數據采集

監控終端負責大氣污染物數據的采集和向中心節點傳輸數據。監控終端數據采集流程如圖3所示。

圖3 監控終端數據采集流程圖

終端節點監控數據采用離散取樣,即設定大氣污染數據采樣的時間間隔。其在航空器運行頻繁時段加大采樣密度;在夜間休息時段減小或者暫停采樣。終端節點先對采集到的大氣污染物數據進行超限判斷,再對超限數據進行傳輸。另外,終端節點還需判斷是否需要接收和轉發氣體節點傳輸過來的數據。如果沒有轉發任務,則先不激活無線收發單元,讓其處于休眠狀態,再進行下一次的數據采集和傳輸。

3.2 區域中心數據流程

區域中心主要負責終端節點組網工作,并對終端設備進行監測。區域中心與接入網絡的設備進行通信,以確定是否有數據接收、檢驗數據的格式是否符合要求,并在滿足條件后接收數據。在對串口進行監測并接收到數據后,其進行數據的采集和傳送,將采集到的數據上傳到數據通信服務器。如果沒有接收到數據,則執行其他任務。此外,區域中心還負責將管理中心發送的控制信號傳送給終端節點,并對其進行控制。區域中心數據傳輸流程如圖4所示。

圖4 區域中心數據傳輸流程圖

3.3 GPS模塊傳輸

終端系統采集到的GPS地理位置信息傳輸遵守NMEA-0183標準,可供選擇的輸出定位信息格式主要有GPGSA、GPRMC、GPGLL、GPGGA、GPGSV和GPVTG等[11]。本文系統選取GPRMC。GPRMC格式占用存儲空間小。GPS地理位置信息通過串口傳輸到服務器中。這些信息在進行分類和抽取前是1條不能被識別和使用的字節流。該字節流需要用專用程序從各字段中提取出相關的信息,并轉化為具有實際意義的位置信息。

4 監測點位設置

4.1 監測點位類型

為保證機場環境空氣質量監測的科學性、準確性和合理性,按功能可以將監測點位分為環境空氣質量評價點、污染監測點、質量控制點和區域背景點這4種類型。

①環境空氣質量評價點。

環境空氣質量評價點是以監測機場空氣質量整體狀況和變化趨勢為目的而設置的監測點。其點位布設應滿足監測點位于機場紅線范圍內,并盡可能均勻分布,以覆蓋全部建成區。

②污染監測點。

污染監測點是為監測機場固定污染源或污染源聚集區對機場環境空氣質量的影響而設置的點位,包括飛機尾氣排放區域、機場內道路、加油站、機務維修區、機場油庫區等。其點位布設應滿足:在主導風向比較明顯的情況下,在污染源的下風向布設監測點,以捕捉到最大污染特征為原則進行布設;上風口酌情布設以作為對照。各布設點位的設置條件應盡可能一致,使所獲取的大氣數據具有可比性。

③質量控制點。

質量控制點是為了以標站數據校準微站而設置的點位。其點位布設應在滿足質量控制點原則上設置在標站周圍半徑10 m內,用于微站設備的比對和校準。質量控制點應安裝不少于2臺微站。

④區域背景點。

區域背景點是以監測機場所處區域空氣質量本底水平為目的而設置的監測點。區域背景點的設置應結合機場當地氣象條件和污染物擴散特征設置在機場紅線的上風向或邊界處。

4.2 監測點位選址

城市環境空氣質量評價點的半徑范圍為500 m～4 km。具體視污染物濃度以及空間濃度變化而定。參考城市空氣質量評價點范圍,本文將機場用1 km×1 km的網格進行劃分。每個網格內至少放置1臺環境空氣質量監測設備,并盡可能地均勻分布,以動態監測機場空氣質量的時空分布特點。以機場及其周邊區域為監控對象,主要的監測點有機場跑道、油罐區、加油站、機務維修區、地面保障系統和輔助動力設備、質量控制點和區域背景點。

機場跑道監測點選址。機場跑道是機場污染物的主要排放區域且緊鄰機場紅線,故監測點位的選取除了要考慮污染物分布、氣象條件,還要考慮飛機排放對機場外的影響。對于第一跑道,從污染物分布看,高濃度的區域主要集中在跑道兩端,故在跑道北端和南端各設置1個微站。同時,為了反映飛機排放對空氣質量的影響及變化趨勢,在跑道方向靠近機場紅線處每隔大約1 km設置1個總揮發有機物(total volatile organic compounds,TVOC)監測微站。其中,跑道兩端的微站作為污染監控點,其余4個微站為空氣質量評價點。第二跑道、第三跑道參照第一跑道的設置方式。為了提高跑道周邊微站的數據準確度,在每個跑道上增設1個小型站,以對附近的微站數值進行校準。因此,國標法小型站共需設置3個。

油罐區監測點選址。在油罐區設置監測點除了能夠評價油罐區空氣質量外,還能夠實時監測油罐區是否存在泄漏。故本文在機場油庫上下風向50 m距離處各設置1個監測點,并在每個監測點設置TVOC微站。

加油站監測點選址。航空加油站監測點設置在加油站下風向區域,并設置TVOC微站。

機務維修區監測點選址。機務維修區主要污染物為非甲烷總烴、甲苯、二甲苯。機務維修區污染物最大落地濃度占標率很低,對周圍環境空氣質量影響很小,故只在機務維修區下風向設置1個監測站點,并設置TVOC微站。

地面保障系統和輔助動力設備監測點選址。地面保障系統和輔助動力設備監測點主要布設在航站樓周邊偏下風向位置,以客觀反映航站樓周邊環境空氣質量,兼顧評價環境空氣對航站樓的影響。地面保障系統和輔助動力設備監測點均設置微站。

質量控制點和區域背景點監測點選址。本文采用符合國家標準的大氣污染物監測儀器,根據機場大氣污染物的分布特征選取監測地址。監測區域滿足位于機場上風向、遠離機場主要污染物排放區域、符合質量控制點和區域背景點布設的要求。同時,本文在監測點10 m范圍內安裝2臺TVOC微站,通過標站的監測數據對TVOC微站進行校準。

5 結論

民用航空器的尾氣排放對機場及其周邊區域大氣環境造成影響。為實現機場區域大氣污染物的實時監測和污染區域可視化,本文設計了基于物聯網的機場區域大氣污染監控系統。該系統由監測終端、區域中心和管理平臺組成。監測終端集成了信息顯示模塊、無線通信模塊、GPS模塊和大氣污染物傳感器等,針對PM2.5、CO、SO2、NOx、O3這5項污染物數據進行連續采集。GPS模塊負責記錄大氣污染物監測的地理位置信息,并采用無線網絡將采集數據通過區域中心節點傳輸到服務器。管理平臺負責發布大氣污染物監控信息和繪制大氣污染地圖并參與監控終端控制。該系統對機場周邊的監控點位類型進行了劃分,并對監控選址進行了分析。通過大氣污染物監控系統的構建,可以實時、準確地掌握機場及其周邊區域大氣污染物水平,為大氣污染物治理提供依據。