基于物联网的机场区域大气污染监控系统设计

付耀国,黄帅金,肖 正,雷 羽,邱登宇,赵金秋

(1.重庆机场集团博士后科研工作站,重庆 401120; 2.重庆交通大学土木工程学院,重庆 400074; 3.重庆机场集团扩建指挥部,重庆 401120; 4.中煤科工集团重庆研究院有限公司,重庆 400037)

0 引言

民用航空器的尾气排放量逐年增长,己占交通运输行业污染物总排放量的12%。飞机运行各阶段都会产生大量CO2、SO2、CO、HC、NOx和固体颗粒等有害物质。在航空器着陆和起飞(land and take-off,LTO)阶段,排放的污染物会直接对机场及其周边区域空气环境质量产生影响[1-2]。研究表明,在LTO循环的起飞、爬升、进近与滑行这4种模式下,航空器尾气污染物排放占总排放量的比例分别为13.27%、28.16%、9.81%和48.75%[3]。航空器在滑行及低速飞行状态下排放的大气污染物占总排放量的50%以上。除飞机在近地面的活动所产生的污染气体以外,在地面上的保障车辆和动力辅助装置在运转中也会排放污染气体。这些污染源对旅客和机场周围居民的生活环境产生了严重的影响[4-7]。因此,有必要对机场及其附近区域污染物的排放浓度进行监控,以分析污染物排放来源、监测不同区域污染物浓度、划分重点监控区域。这将为针对性地提出区域大气污染物防治提供数据支撑,从而缓解航空器活动对机场周边区域环境的影响。

本文以西南地区某大型枢纽机场为研究对象,提出了基于物联网的机场区域大气污染监控系统,实现了机场区域环境大气污染物无人、连续测量,该系统克服了传统人工监测取样的局限性,可有效提高大气污染监测的效率并节约人力成本。

1 系统总体框架

系统总体结构如图1所示。

图1 系统总体结构

大气污染物监测系统主要包括监测终端、区域中心和管理控制平台。监测终端的大气污染物传感器先采集污染物信号,再将其无线发送到具有数据融合功能的路由节点网络中。路由节点数据传输给各区域的中央节点,并向监控终端发送控制指令[8]。中心节点对采集到的数据进行处理和传输,并将其传输至监控中心。管理平台对监测结果进行统计分析,并制作空气污染浓度分布图等。

2 硬件系统设计

2.1 监控终端

监控系统由控制器、全球定位系统(global positioning system,GPS)定位模块和无线通信模块组成。本文系统主要由信息显示模块、无线通信模块、大气污染物传感器和电源模块等功能模块组成。监控终端完成对各监控区域的大气环境监测数据和GPS地理位置信息采集,并将监测到的信息绑定后上载到各区域中心节点[9]。监控终端如图2所示。

图2 监控终端

2.2 区域中心节点

区域中心节点以数据采集网关和计算机为核心。系统的数据采集网关和监测端结构组成基本一致。数据连接端采用串口或通用串行总线(universal serial bus,USB)接口,将采集到的大气污染物数据和GPS地理位置信息传输到区域处理计算机。

2.3 硬件设备配置

①大气污染环境监测模块。本文系统针对PM2.5、CO、SO2、NOx、O3这5项污染物参数进行24 h连续在线的监测。数据传输采用4G-数据传输单元(data transfer unit,DTU)。传输控制协议通信协议标准符合《HJT212污染物在线监测系统数据传输标准》。采样频率为60 s/次。功耗为10～15 W。

②GPS模块。GPS地理位置接收器选用Gstar GS-216。该接收器内置的MTK3329芯片,支持5 Hz航点输出,灵敏度可达-165 dBm,定位精度低于10 m,能够对32个卫星进行快速定位和跟踪。GPS模块具有防水功能,采用GPS和天线一体化解决方案,适用于室外安装,同时降低了GPS天线布线的难度和信号长距离传输导致的衰减。

③微控制器。微控制器以S3-2440A为基础。其核心处理器为ARM920T的精简指令集计算(reduced instruction set computing,RISC)芯片。该芯片具有价格低廉、高性能、功耗低等特点。同时,微控制器提供了外部通用设备接口,从而降低了整个系统费用[10]。

④无线通信模块:大气污染物监测数据传输拟选用CC2530作为无线通信模块。该模块发射功率为4.5 dBm、频率为2 450 MHz、传输速率最高支持26 400 bit/s,集成了RF4CE、IEEE 802.15.4和ZigBee应用。芯片系统解决方案可应用于各种ZigBee PRO、ZigBee的无线网络节点,包括路由器、协调器和节点终端[8]。

3 数据采集流程

3.1 监控终端数据采集

监控终端负责大气污染物数据的采集和向中心节点传输数据。监控终端数据采集流程如图3所示。

图3 监控终端数据采集流程图

终端节点监控数据采用离散取样,即设定大气污染数据采样的时间间隔。其在航空器运行频繁时段加大采样密度;在夜间休息时段减小或者暂停采样。终端节点先对采集到的大气污染物数据进行超限判断,再对超限数据进行传输。另外,终端节点还需判断是否需要接收和转发气体节点传输过来的数据。如果没有转发任务,则先不激活无线收发单元,让其处于休眠状态,再进行下一次的数据采集和传输。

3.2 区域中心数据流程

区域中心主要负责终端节点组网工作,并对终端设备进行监测。区域中心与接入网络的设备进行通信,以确定是否有数据接收、检验数据的格式是否符合要求,并在满足条件后接收数据。在对串口进行监测并接收到数据后,其进行数据的采集和传送,将采集到的数据上传到数据通信服务器。如果没有接收到数据,则执行其他任务。此外,区域中心还负责将管理中心发送的控制信号传送给终端节点,并对其进行控制。区域中心数据传输流程如图4所示。

图4 区域中心数据传输流程图

3.3 GPS模块传输

终端系统采集到的GPS地理位置信息传输遵守NMEA-0183标准,可供选择的输出定位信息格式主要有GPGSA、GPRMC、GPGLL、GPGGA、GPGSV和GPVTG等[11]。本文系统选取GPRMC。GPRMC格式占用存储空间小。GPS地理位置信息通过串口传输到服务器中。这些信息在进行分类和抽取前是1条不能被识别和使用的字节流。该字节流需要用专用程序从各字段中提取出相关的信息,并转化为具有实际意义的位置信息。

4 监测点位设置

4.1 监测点位类型

为保证机场环境空气质量监测的科学性、准确性和合理性,按功能可以将监测点位分为环境空气质量评价点、污染监测点、质量控制点和区域背景点这4种类型。

①环境空气质量评价点。

环境空气质量评价点是以监测机场空气质量整体状况和变化趋势为目的而设置的监测点。其点位布设应满足监测点位于机场红线范围内,并尽可能均匀分布,以覆盖全部建成区。

②污染监测点。

污染监测点是为监测机场固定污染源或污染源聚集区对机场环境空气质量的影响而设置的点位,包括飞机尾气排放区域、机场内道路、加油站、机务维修区、机场油库区等。其点位布设应满足:在主导风向比较明显的情况下,在污染源的下风向布设监测点,以捕捉到最大污染特征为原则进行布设;上风口酌情布设以作为对照。各布设点位的设置条件应尽可能一致,使所获取的大气数据具有可比性。

③质量控制点。

质量控制点是为了以标站数据校准微站而设置的点位。其点位布设应在满足质量控制点原则上设置在标站周围半径10 m内,用于微站设备的比对和校准。质量控制点应安装不少于2台微站。

④区域背景点。

区域背景点是以监测机场所处区域空气质量本底水平为目的而设置的监测点。区域背景点的设置应结合机场当地气象条件和污染物扩散特征设置在机场红线的上风向或边界处。

4.2 监测点位选址

城市环境空气质量评价点的半径范围为500 m～4 km。具体视污染物浓度以及空间浓度变化而定。参考城市空气质量评价点范围,本文将机场用1 km×1 km的网格进行划分。每个网格内至少放置1台环境空气质量监测设备,并尽可能地均匀分布,以动态监测机场空气质量的时空分布特点。以机场及其周边区域为监控对象,主要的监测点有机场跑道、油罐区、加油站、机务维修区、地面保障系统和辅助动力设备、质量控制点和区域背景点。

机场跑道监测点选址。机场跑道是机场污染物的主要排放区域且紧邻机场红线,故监测点位的选取除了要考虑污染物分布、气象条件,还要考虑飞机排放对机场外的影响。对于第一跑道,从污染物分布看,高浓度的区域主要集中在跑道两端,故在跑道北端和南端各设置1个微站。同时,为了反映飞机排放对空气质量的影响及变化趋势,在跑道方向靠近机场红线处每隔大约1 km设置1个总挥发有机物(total volatile organic compounds,TVOC)监测微站。其中,跑道两端的微站作为污染监控点,其余4个微站为空气质量评价点。第二跑道、第三跑道参照第一跑道的设置方式。为了提高跑道周边微站的数据准确度,在每个跑道上增设1个小型站,以对附近的微站数值进行校准。因此,国标法小型站共需设置3个。

油罐区监测点选址。在油罐区设置监测点除了能够评价油罐区空气质量外,还能够实时监测油罐区是否存在泄漏。故本文在机场油库上下风向50 m距离处各设置1个监测点,并在每个监测点设置TVOC微站。

加油站监测点选址。航空加油站监测点设置在加油站下风向区域,并设置TVOC微站。

机务维修区监测点选址。机务维修区主要污染物为非甲烷总烃、甲苯、二甲苯。机务维修区污染物最大落地浓度占标率很低,对周围环境空气质量影响很小,故只在机务维修区下风向设置1个监测站点,并设置TVOC微站。

地面保障系统和辅助动力设备监测点选址。地面保障系统和辅助动力设备监测点主要布设在航站楼周边偏下风向位置,以客观反映航站楼周边环境空气质量,兼顾评价环境空气对航站楼的影响。地面保障系统和辅助动力设备监测点均设置微站。

质量控制点和区域背景点监测点选址。本文采用符合国家标准的大气污染物监测仪器,根据机场大气污染物的分布特征选取监测地址。监测区域满足位于机场上风向、远离机场主要污染物排放区域、符合质量控制点和区域背景点布设的要求。同时,本文在监测点10 m范围内安装2台TVOC微站,通过标站的监测数据对TVOC微站进行校准。

5 结论

民用航空器的尾气排放对机场及其周边区域大气环境造成影响。为实现机场区域大气污染物的实时监测和污染区域可视化,本文设计了基于物联网的机场区域大气污染监控系统。该系统由监测终端、区域中心和管理平台组成。监测终端集成了信息显示模块、无线通信模块、GPS模块和大气污染物传感器等,针对PM2.5、CO、SO2、NOx、O3这5项污染物数据进行连续采集。GPS模块负责记录大气污染物监测的地理位置信息,并采用无线网络将采集数据通过区域中心节点传输到服务器。管理平台负责发布大气污染物监控信息和绘制大气污染地图并参与监控终端控制。该系统对机场周边的监控点位类型进行了划分,并对监控选址进行了分析。通过大气污染物监控系统的构建,可以实时、准确地掌握机场及其周边区域大气污染物水平,为大气污染物治理提供依据。