基于北斗的城市公交車載移動(dòng)大氣污染物濃度觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、 基于北斗的城市公交車載移動(dòng)大氣污染物濃度觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 姜楓+楊顯軻+崔靜璇+李徐敏+朱旭摘 要：為了對(duì)城市大氣污染進(jìn)行有效的防控與治理，準(zhǔn)確、可靠、高時(shí)空分辨率的大氣污染物濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是必需的。文章基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的實(shí)時(shí)定位功能，以城市公交系統(tǒng)為載體，結(jié)合電子通信技術(shù)，設(shè)計(jì)一個(gè)城市大氣污染物濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)北斗導(dǎo)航定位和氣象移動(dòng)觀測(cè)相結(jié)合，實(shí)時(shí)測(cè)量城市近地面大氣中CO、NOx、O3和可吸入顆粒物等大氣污染物的濃度，獲得高時(shí)空分辨率的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，建立城市近地面大氣污染物濃度觀測(cè)網(wǎng)。Key：北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；城市公交系統(tǒng)；大氣污染物濃度：X51 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ：2095-2945（2018

2、）07-0029-04Abstract： In order to effectively prevent and control urban air pollution， accurate， reliable and high spatial and temporal resolution monitoring data of air pollutant concentration is necessary. Based on the real-time positioning function of Beidou satellite navigation system， a concentr

3、ation monitoring system of urban air pollutants is designed based on urban public transport system and electronic communication technology. The concentration of CO， NOx， O3 and respirable particulates in the atmosphere near the ground is measured in real time by combining Beidou navigation and meteo

4、rological mobile observation. The monitoring data with high spatial and temporal resolution are obtained， and the monitoring network of atmospheric pollutant concentration near the ground is established.Keywords： Beidou satellite navigation system； urban public transport system； concentration of atm

5、ospheric pollutants1 研究背景與意義近年來，大氣污染已經(jīng)成為世界性問題。隨著工業(yè)化、城市化快速發(fā)展及能源的消耗量增長(zhǎng)，大氣污染已經(jīng)嚴(yán)重影響到人們的日常生活并且給社會(huì)帶來了巨大經(jīng)濟(jì)損失。對(duì)城市內(nèi)大氣污染時(shí)空分布進(jìn)行監(jiān)控，才能有針對(duì)性的進(jìn)行大氣污染防控與治理，因此城市內(nèi)大氣污染物濃度監(jiān)控有著重要而實(shí)際的意義。目前，很多學(xué)者針對(duì)區(qū)域的大氣環(huán)境污染物的時(shí)空分布特征提出了與GIS相結(jié)合的分析方法，對(duì)污染物的時(shí)空分布特征的監(jiān)控，為更好地治理和預(yù)防大氣污染提供理論依據(jù)。在2008年Shuenn-Chin Chang和Chun-Te Lee對(duì)臺(tái)北市臺(tái)灣環(huán)境保護(hù)部門公布的五個(gè)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站1

6、997-2003年的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，用以評(píng)價(jià)分析大氣污染物濃度，但這種用某監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)代替其所在整個(gè)區(qū)域值的做法具有一定的片面性和不合理性。而從當(dāng)前國(guó)內(nèi)城市大氣污染物濃度監(jiān)控現(xiàn)狀來看，整體處于測(cè)站密度過低、難以實(shí)時(shí)測(cè)量的狀況。國(guó)內(nèi)近地面大氣污染物濃度觀測(cè)主要以地面氣象站觀測(cè)和應(yīng)急移動(dòng)觀測(cè)為主。對(duì)于地面氣象站觀測(cè)來說，由于固定站點(diǎn)可以做到同一時(shí)間測(cè)量，資料具有時(shí)間一致性的優(yōu)點(diǎn)，但是因?yàn)闅庀笥^測(cè)站建設(shè)成本高且受環(huán)境限制，分布密度過低，無法適應(yīng)城市內(nèi)大氣污染物濃度分布實(shí)時(shí)監(jiān)控的需求；而對(duì)于移動(dòng)觀測(cè)來說，由于其具有移動(dòng)性我們可以獲得多點(diǎn)數(shù)據(jù)，但是由于移動(dòng)過程導(dǎo)致了時(shí)間不同，資料的時(shí)間不一致性使得數(shù)據(jù)沒有

7、了研究濃度分布的價(jià)值，此外為獲得盡可能多的數(shù)據(jù)，我們需要大量的移動(dòng)觀測(cè)車輛，這樣觀測(cè)的成本也將非常高，在業(yè)務(wù)研究污染物濃度實(shí)時(shí)分布中也失去了實(shí)際意義。但是對(duì)于一個(gè)城市而言，公交車輛數(shù)量往往巨大而且在運(yùn)行時(shí)間較為均勻的分布在城市各地，是一個(gè)潛在的移動(dòng)觀測(cè)平臺(tái)。故我們基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的實(shí)時(shí)定位功能，提出以城市公交系統(tǒng)為平臺(tái)，移動(dòng)觀測(cè)大氣污染物濃度的方案，從而可建立城市大氣污染物濃度觀測(cè)網(wǎng)。2 設(shè)計(jì)方案本文設(shè)計(jì)了基于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)，以城市公交系統(tǒng)為平臺(tái)，結(jié)合電子通信技術(shù)，移動(dòng)觀測(cè)大氣污染物濃度的方案。當(dāng)裝有車載系統(tǒng)的公交車運(yùn)行后，車載系統(tǒng)將會(huì)根據(jù)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的定位功能，對(duì)公交車的當(dāng)前位置進(jìn)行定位，

8、并在匹配的地圖中標(biāo)記，同時(shí)通過網(wǎng)絡(luò)將車載移動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)測(cè)量的大氣污染物濃度觀測(cè)值等信息實(shí)時(shí)回傳到數(shù)據(jù)處理與管理系統(tǒng)中，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與整合，并傳送給可視化顯示系統(tǒng)，用于建立城市大氣污染物濃度觀測(cè)網(wǎng)并制作污染物預(yù)報(bào)產(chǎn)品。2.1 總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)該方案由車載系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與管理系統(tǒng)、可視化顯示系統(tǒng)和用戶管理系統(tǒng)四個(gè)部分組成。移動(dòng)公交車上安置的車載系統(tǒng)對(duì)城市大氣污染物濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)確定觀測(cè)時(shí)刻觀測(cè)點(diǎn)的地理位置，然后將觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理與管理系統(tǒng)，經(jīng)過處理后的大氣污染物濃度數(shù)據(jù)在可視化顯示系統(tǒng)實(shí)時(shí)展現(xiàn)出來，從而達(dá)到增加城市大氣污染物濃度觀測(cè)點(diǎn)數(shù)量，提高城市大氣污染物濃度數(shù)據(jù)觀測(cè)時(shí)間分辨

9、率的效果。其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。endprint2.2 車載系統(tǒng)車載系統(tǒng)即城市公共交通車載平臺(tái)，它主要是實(shí)現(xiàn)污染物濃度的測(cè)量和確定監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置，并將測(cè)量數(shù)據(jù)及定位信息傳送至數(shù)據(jù)處理與管理系統(tǒng)，其組成部分如圖2所示。（1）監(jiān)測(cè)污染物的傳感器：包括CO濃度傳感器、SO2濃度傳感器、NOx濃度傳感器和顆粒物濃度傳感器等觀測(cè)設(shè)備，主要作用是測(cè)量各種污染物濃度數(shù)據(jù)。（2）北斗接收裝置：接收北斗衛(wèi)星信號(hào)，實(shí)時(shí)定位公交車位置（大氣污染物濃度監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置）。（3）系統(tǒng)供電裝置：為整個(gè)車載系統(tǒng)供電，可借助于公交車的電路系統(tǒng)供電，并配備蓄電瓶作為應(yīng)急電源。（4）數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備：通過GPRS、北斗短報(bào)文等方式將觀測(cè)的大氣

10、污染物濃度數(shù)據(jù)和公交車位置信息傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理與管理系統(tǒng)，并接收用戶控制指令。車載系統(tǒng)安裝在公交車的頂部，主要原因有以下兩點(diǎn)：（1）系統(tǒng)所用裝置形態(tài)較小，安裝后所占空間不大，可以與公交頂上的空調(diào)等凸起的裝置平齊放置，這樣既不增加公交車的高度，對(duì)公交車正常行駛不造成影響，又不會(huì)影響公交車的美觀。（2）公交車行駛過程中，車與車之間的距離都比較接近，若放在其他位置，該裝置可能會(huì)過于接近周圍車輛的尾氣管，測(cè)得的數(shù)據(jù)誤差較大，但安置在相對(duì)較高的公交車頂上，可減小車輛尾氣管排出的尾氣對(duì)觀測(cè)結(jié)果的影響。2.3 數(shù)據(jù)處理與管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理與管理系統(tǒng)主要是對(duì)大氣污染物濃度數(shù)據(jù)、公交車定位數(shù)據(jù)及其他相關(guān)信息進(jìn)行預(yù)處

11、理、整理和數(shù)據(jù)分發(fā)等工作，其組成部分如圖3所示。（1）數(shù)據(jù)接收模塊：通過網(wǎng)絡(luò)通信接收車載系統(tǒng)中各個(gè)大氣污染物濃度的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和公交車定位數(shù)據(jù)，并同時(shí)向用戶管理系統(tǒng)傳輸工作狀態(tài)等信息。（2）數(shù)據(jù)處理模塊：對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，包括修正異常值或者缺測(cè)值處理。（3）數(shù)據(jù)管理模塊：將處理后的數(shù)據(jù)以二進(jìn)制或者十進(jìn)制的方式儲(chǔ)存，為后續(xù)使用提供數(shù)據(jù)源，并接收管理員指令。（4）數(shù)據(jù)上傳模塊：將處理好的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)上傳到可視化顯示系統(tǒng)。2.4 可視化顯示系統(tǒng)可視化顯示系統(tǒng)主要是實(shí)時(shí)顯示城市大氣污染物濃度量值及進(jìn)一步加工處理后相關(guān)產(chǎn)品或信息，包括區(qū)域?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)分布、污染物的預(yù)報(bào)產(chǎn)品和數(shù)據(jù)結(jié)果發(fā)布模塊（圖4）。（1）區(qū)

12、域?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)分布：利用處理后的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，顯示城市大氣污染物濃度的實(shí)時(shí)分布圖以及固定地點(diǎn)污染物濃度隨時(shí)間變化的趨勢(shì)圖。（2）大氣污染物濃度的預(yù)報(bào)產(chǎn)品：對(duì)處理后的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)再加工，制作預(yù)報(bào)產(chǎn)品，包括區(qū)域空氣質(zhì)量的評(píng)估、未來發(fā)展趨勢(shì)的預(yù)報(bào)以及出行方面的建議。（3）數(shù)據(jù)發(fā)布：在手機(jī)、PC端等不同平臺(tái)上發(fā)布監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果和相關(guān)產(chǎn)品。2.5 用戶管理系統(tǒng)用戶管理系統(tǒng)主要包括用戶信息數(shù)據(jù)庫(kù)和管理員信息數(shù)據(jù)庫(kù)，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。（1）用戶信息數(shù)據(jù)庫(kù)。用戶注冊(cè)信息：通過用戶管理系統(tǒng)，用戶可注冊(cè)成為管理員，可進(jìn)行系統(tǒng)日常管理操作。用戶賬戶信息：用戶賬戶分為超級(jí)管理員和管理員，前者將賦予系統(tǒng)最高權(quán)限（1名），后者負(fù)責(zé)系統(tǒng)

13、日常操作管理（多名）。用戶在線信息：管理員登錄或者退出系統(tǒng)。（2）管理員信息庫(kù)。管理員注冊(cè)信息：系統(tǒng)顯示管理員的注冊(cè)、登錄和在線信息。北斗接收器監(jiān)控和查看：管理員可查看某一時(shí)刻所有車輛的位置圖、接收器的運(yùn)行狀況、接收器開關(guān)機(jī)狀況及其是否異常，并可設(shè)置接收機(jī)采樣時(shí)間間隔。數(shù)據(jù)處理管理狀態(tài)查看：管理員可查看個(gè)數(shù)據(jù)模塊、數(shù)據(jù)傳輸裝置及傳輸網(wǎng)絡(luò)裝置的工作情況?？梢暬到y(tǒng)設(shè)置：管理員可設(shè)置區(qū)域和時(shí)間的劃分、顯示系統(tǒng)的模式、預(yù)報(bào)產(chǎn)品的類型并可以查看數(shù)據(jù)接收終端。數(shù)據(jù)處理：管理員可進(jìn)行位置和濃度信息下載、歷史記錄數(shù)據(jù)的查看和生成報(bào)表。3 技術(shù)路線該系統(tǒng)方案的技術(shù)路線如圖6所示。（1）收集數(shù)據(jù)?；诒倍沸l(wèi)星系

14、統(tǒng)和車載系統(tǒng)中監(jiān)測(cè)污染物濃度傳感器獲得車輛的位置數(shù)據(jù)和污染物濃度數(shù)據(jù)，作為本方案的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。（2）數(shù)據(jù)處理?；谑占臄?shù)據(jù)，利用3？滓準(zhǔn)則和回歸插補(bǔ)法分別對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行異常值處理和缺測(cè)值修正，得到比較完整可靠的數(shù)據(jù)。在這里3？滓準(zhǔn)則的原理是先假設(shè)一組檢測(cè)數(shù)據(jù)只含有隨機(jī)誤差，對(duì)其進(jìn)行計(jì)算處理得到標(biāo)準(zhǔn)偏差，按一定概率確定一個(gè)區(qū)間，認(rèn)為凡超過這個(gè)區(qū)間的誤差，就不屬于隨機(jī)誤差而是粗大誤差，含有該誤差的數(shù)據(jù)應(yīng)予以剔除。回歸插補(bǔ)法的原理是把缺失屬性作為因變量，其他相關(guān)屬性作為自變量，利用它們之間的關(guān)系建立回歸模型的來預(yù)測(cè)缺失值，以此完成缺失值插補(bǔ)的方法，是用非標(biāo)準(zhǔn)化的結(jié)果預(yù)測(cè)該變量的缺失值來實(shí)現(xiàn)的。（3

15、）可視化顯示。利用預(yù)處理后的數(shù)據(jù)，進(jìn)行可視化顯示，這里根據(jù)用戶的不同需求主要包括兩部分，即實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)分布和預(yù)報(bào)產(chǎn)品發(fā)布，從而實(shí)現(xiàn)大氣污染物系統(tǒng)的建立。4 可行性分析4.1 技術(shù)可行性本文設(shè)計(jì)方案中主要采用了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)和氣象移動(dòng)觀測(cè)技術(shù)，兩項(xiàng)技術(shù)皆已發(fā)展成熟、實(shí)施難度較小。首先，北斗衛(wèi)星系統(tǒng)在我國(guó)境內(nèi)全面覆蓋，全天候運(yùn)行，信號(hào)強(qiáng)，精度高，尤其在城市里北斗明顯優(yōu)于GPS。同時(shí)，全國(guó)公交車正在逐漸安裝北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)，以提高交通保障能力，正好可以利用這一優(yōu)勢(shì)實(shí)施該系統(tǒng)。其次，我國(guó)的氣象移動(dòng)觀測(cè)業(yè)務(wù)發(fā)展也較為成熟，但由于觀測(cè)的經(jīng)濟(jì)、時(shí)間成本限制，現(xiàn)階段此技術(shù)多用于應(yīng)急觀測(cè)。因此，以公交車作為大

16、氣污染物濃度觀測(cè)設(shè)備的移動(dòng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)常規(guī)化觀測(cè)。4.2 運(yùn)行可行性從公交系統(tǒng)的運(yùn)行可行性來看，現(xiàn)階段我國(guó)大部分城市的公交系統(tǒng)發(fā)展成熟。以北京為例，截止到2014年，北京公交系統(tǒng)各類運(yùn)營(yíng)車總數(shù)已達(dá)22542輛，公交線路1020條，在白天大部分的行駛時(shí)間內(nèi)北京城內(nèi)分布較為均勻，若我們安裝移動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)車載終端1000套，我們將會(huì)得到1000個(gè)移動(dòng)車觀測(cè)的數(shù)據(jù)，考慮北京面積為16.4km2，我們能得到的城市大氣污染物濃度網(wǎng)的分辨率將可以達(dá)到百米的量級(jí)。而北京現(xiàn)有的氣象觀測(cè)站僅有15個(gè)，污染物濃度觀測(cè)網(wǎng)分辨率為千米量級(jí)，因此采用基于北斗系統(tǒng)，利用公交車載系統(tǒng)移動(dòng)觀測(cè)，將會(huì)很大程度上提高污染物濃度觀測(cè)網(wǎng)密

17、度。endprint4.3 經(jīng)濟(jì)可行性本系統(tǒng)的建立一方面可利用移動(dòng)氣象車輛的原設(shè)備改造，成本不高；另一方面觀測(cè)設(shè)備基于已有的城市公交平臺(tái)，可有效降低運(yùn)行成本。此外系統(tǒng)自動(dòng)化運(yùn)行，只需要數(shù)個(gè)管理員即可維護(hù)系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)；免去傳統(tǒng)人工觀測(cè)，有效節(jié)約人力財(cái)力。5 創(chuàng)新點(diǎn)本方案將北斗導(dǎo)航定位和氣象移動(dòng)觀測(cè)相結(jié)合，創(chuàng)新性地提出以城市公交系統(tǒng)為載體，實(shí)現(xiàn)常規(guī)移動(dòng)觀測(cè)城市大氣污染物濃度，解決了大氣污染物濃度觀測(cè)網(wǎng)密度過低、難以實(shí)行實(shí)時(shí)監(jiān)控的問題，為城市大氣污染防控與治理提供有效支撐數(shù)據(jù)。6 結(jié)束語本文設(shè)計(jì)的城市大氣污染物濃度觀測(cè)系統(tǒng)是基于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的實(shí)時(shí)定位功能，充分利用北斗信號(hào)覆蓋廣、信號(hào)強(qiáng)等特點(diǎn)，以城市

18、公交系統(tǒng)為平臺(tái)，移動(dòng)觀測(cè)城市大氣污染物濃度，實(shí)現(xiàn)大氣環(huán)境常規(guī)化監(jiān)測(cè)，而且技術(shù)上可行，易實(shí)施，運(yùn)行成本低，數(shù)據(jù)空間分辨率高，具有較好的應(yīng)用前景，同時(shí)也擴(kuò)展了北斗的應(yīng)用范圍，促進(jìn)北斗產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。Reference：1陳曉情，陳燕青，王潤(rùn)飛.集成GPS的公交定位及到達(dá)時(shí)間預(yù)測(cè)APP設(shè)計(jì)研究以太原市為例J.時(shí)代金融，2016（26）：50.2姜雪.西安市空氣污染物濃度統(tǒng)計(jì)特征及其氣象影響研究D.長(zhǎng)安大學(xué)，2012.3楊東凱，張其善，吳今培.北京公交GPS車輛監(jiān)控系統(tǒng)研究J.電子技術(shù)應(yīng)用，2000（04）：25-27.4楊東貞.大氣本底污染的監(jiān)測(cè)方法、原理及儀器J.氣象，1984（12）：33-34.5于泓博，陶佰睿，于泓琦，等.基于北斗導(dǎo)航的車輛智能服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)J.齊齊哈爾大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016（04）：1-5.6趙紹偉，閔照源，劉一鳴.車內(nèi)空氣污染物的危害及其檢測(cè)方法的研究J.客車技術(shù)與研究，2014（06）：52-55.7趙新秀，王解先.CORS用戶管理系統(tǒng)的研究與開發(fā)J.工程勘察，2010（09）：74-76+79.8張高敏，李圣普，王啟明.基于無線網(wǎng)絡(luò)的空氣污染物檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)J.工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2016（03）：74-77.9周怡.基于車輛定位數(shù)據(jù)的公交運(yùn)行評(píng)價(jià)方法D.東南大學(xué)，2015.102015中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒M.北京：國(guó)家統(tǒng)計(jì)出版社，20