基于北斗的城市公交车载移动大气污染物浓度观测系统设计

姜枫+杨显轲+崔静璇+李徐敏+朱旭

摘 要：为了对城市大气污染进行有效的防控与治理，准确、可靠、高时空分辨率的大气污染物浓度监测数据是必需的。文章基于北斗卫星导航系统的实时定位功能，以城市公交系统为载体，结合电子通信技术，设计一个城市大气污染物浓度监测系统，实现北斗导航定位和气象移动观测相结合，实时测量城市近地面大气中CO、NOx、O3和可吸入颗粒物等大气污染物的浓度，获得高时空分辨率的监测数据，建立城市近地面大气污染物浓度观测网。

关键词：北斗卫星导航系统；城市公交系统；大气污染物浓度

中图分类号：X51 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）07-0029-04

Abstract： 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 concentration 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 meteorological 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 atmospheric pollutants

1 研究背景与意义

近年来，大氣污染已经成为世界性问题。随着工业化、城市化快速发展及能源的消耗量增长，大气污染已经严重影响到人们的日常生活并且给社会带来了巨大经济损失。对城市内大气污染时空分布进行监控，才能有针对性的进行大气污染防控与治理，因此城市内大气污染物浓度监控有着重要而实际的意义。

目前，很多学者针对区域的大气环境污染物的时空分布特征提出了与GIS相结合的分析方法，对污染物的时空分布特征的监控，为更好地治理和预防大气污染提供理论依据。在2008年Shuenn-Chin Chang和Chun-Te Lee对台北市台湾环境保护部门公布的五个空气质量监测站1997-2003年的数据进行了分析，用以评价分析大气污染物浓度，但这种用某监测点数据代替其所在整个区域值的做法具有一定的片面性和不合理性。

而从当前国内城市大气污染物浓度监控现状来看，整体处于测站密度过低、难以实时测量的状况。国内近地面大气污染物浓度观测主要以地面气象站观测和应急移动观测为主。对于地面气象站观测来说，由于固定站点可以做到同一时间测量，资料具有时间一致性的优点，但是因为气象观测站建设成本高且受环境限制，分布密度过低，无法适应城市内大气污染物浓度分布实时监控的需求；而对于移动观测来说，由于其具有移动性我们可以获得多点数据，但是由于移动过程导致了时间不同，资料的时间不一致性使得数据没有了研究浓度分布的价值，此外为获得尽可能多的数据，我们需要大量的移动观测车辆，这样观测的成本也将非常高，在业务研究污染物浓度实时分布中也失去了实际意义。

但是对于一个城市而言，公交车辆数量往往巨大而且在运行时间较为均匀的分布在城市各地，是一个潜在的移动观测平台。故我们基于北斗卫星导航系统的实时定位功能，提出以城市公交系统为平台，移动观测大气污染物浓度的方案，从而可建立城市大气污染物浓度观测网。

2 设计方案

本文设计了基于北斗导航系统，以城市公交系统为平台，结合电子通信技术，移动观测大气污染物浓度的方案。当装有车载系统的公交车运行后，车载系统将会根据北斗导航系统的定位功能，对公交车的当前位置进行定位，并在匹配的地图中标记，同时通过网络将车载移动观测系统测量的大气污染物浓度观测值等信息实时回传到数据处理与管理系统中，进行数据处理与整合，并传送给可视化显示系统，用于建立城市大气污染物浓度观测网并制作污染物预报产品。

2.1 总体设计结构

该方案由车载系统、数据处理与管理系统、可视化显示系统和用户管理系统四个部分组成。移动公交车上安置的车载系统对城市大气污染物浓度进行实时测量，北斗导航定位系统确定观测时刻观测点的地理位置，然后将观测数据传输到数据处理与管理系统，经过处理后的大气污染物浓度数据在可视化显示系统实时展现出来，从而达到增加城市大气污染物浓度观测点数量，提高城市大气污染物浓度数据观测时间分辨率的效果。其总体结构如图1所示。endprint

2.2 车载系统

车载系统即城市公共交通车载平台，它主要是实现污染物浓度的测量和确定监测点位置，并将测量数据及定位信息传送至数据处理与管理系统，其组成部分如图2所示。

（1）监测污染物的传感器：包括CO浓度传感器、SO2浓度传感器、NOx浓度传感器和颗粒物浓度传感器等观测设备，主要作用是测量各种污染物浓度数据。（2）北斗接收装置：接收北斗卫星信号，实时定位公交车位置（大气污染物浓度监测点位置）。（3）系统供电装置：为整个车载系统供电，可借助于公交车的电路系统供电，并配备蓄电瓶作为应急电源。（4）数据传输设备：通过GPRS、北斗短报文等方式将观测的大气污染物浓度数据和公交车位置信息传输到数据处理与管理系统，并接收用户控制指令。

车载系统安装在公交车的顶部，主要原因有以下两点：（1）系统所用装置形态较小，安装后所占空间不大，可以与公交顶上的空调等凸起的装置平齐放置，这样既不增加公交车的高度，对公交车正常行驶不造成影响，又不会影响公交车的美观。（2）公交车行驶过程中，车与车之间的距离都比较接近，若放在其他位置，该装置可能会过于接近周围车辆的尾气管，测得的数据误差较大，但安置在相对较高的公交车顶上，可减小车辆尾气管排出的尾气对观测结果的影响。

2.3 数据处理与管理系统

数据处理与管理系统主要是对大气污染物浓度数据、公交车定位数据及其他相关信息进行预处理、整理和数据分发等工作，其组成部分如图3所示。

（1）数据接收模块：通过网络通信接收车载系统中各个大气污染物浓度的监测数据和公交车定位数据，并同时向用户管理系统传输工作状态等信息。（2）数据处理模块：对监测数据进行实时处理，包括修正异常值或者缺测值处理。（3）数据管理模块：将处理后的数据以二进制或者十进制的方式储存，为后续使用提供数据源，并接收管理员指令。（4）数据上传模块：将处理好的标准化数据上传到可视化显示系统。

2.4 可视化显示系统

可视化显示系统主要是实时显示城市大气污染物浓度量值及进一步加工处理后相关产品或信息，包括区域实时动态分布、污染物的预报产品和数据结果发布模块（图4）。

（1）区域实时动态分布：利用处理后的标准数据，显示城市大气污染物浓度的实时分布图以及固定地点污染物浓度随时间变化的趋势图。（2）大气污染物浓度的预报产品：对处理后的标准数据再加工，制作预报产品，包括区域空气质量的评估、未来发展趋势的预报以及出行方面的建议。（3）数据发布：在手机、PC端等不同平台上发布监测数据结果和相关产品。

2.5 用户管理系统

用户管理系统主要包括用户信息数据库和管理员信息数据库，其结构如图5所示。

（1）用户信息数据库。用户注册信息：通过用户管理系统，用户可注册成为管理员，可进行系统日常管理操作。

用户账户信息：用户账户分为超级管理员和管理员，前者将赋予系统最高权限（1名），后者负责系统日常操作管理（多名）。

用户在线信息：管理员登录或者退出系统。

（2）管理员信息库。管理员注册信息：系统显示管理员的注册、登录和在线信息。

北斗接收器监控和查看：管理员可查看某一时刻所有车辆的位置图、接收器的运行状况、接收器开关机状况及其是否异常，并可设置接收机采样时间间隔。

数据处理管理状态查看：管理员可查看个数据模块、数据传输装置及传输网络装置的工作情况。

可视化系统设置：管理员可设置区域和时间的划分、显示系统的模式、预报产品的类型并可以查看数据接收终端。

数据处理：管理员可进行位置和浓度信息下载、历史记录数据的查看和生成报表。

3 技术路线

该系统方案的技术路线如图6所示。

（1）收集数据。基于北斗卫星系统和车载系统中监测污染物浓度传感器获得车辆的位置数据和污染物浓度数据，作为本方案的基础数据。（2）数据处理。基于收集的数据，利用3？滓准则和回归插补法分别对收集的数据进行异常值处理和缺测值修正，得到比较完整可靠的数据。在这里3？滓准则的原理是先假设一组检测数据只含有随机误差，对其进行计算处理得到标准偏差，按一定概率确定一个区间，认为凡超过这个区间的误差，就不属于随机误差而是粗大误差，含有该误差的数据应予以剔除。回归插补法的原理是把缺失属性作为因变量，其他相关属性作为自变量，利用它们之间的关系建立回归模型的来预测缺失值，以此完成缺失值插补的方法，是用非标准化的结果预测该变量的缺失值来实现的。（3）可视化显示。利用预处理后的数据，进行可视化显示，这里根据用户的不同需求主要包括两部分，即实时动态分布和预报产品发布，从而实现大气污染物系统的建立。

4 可行性分析

4.1 技术可行性

本文设计方案中主要采用了北斗卫星导航系统技术和气象移动观测技术，两项技术皆已发展成熟、实施难度较小。

首先，北斗卫星系统在我国境内全面覆盖，全天候运行，信号强，精度高，尤其在城市里北斗明显优于GPS。同时，全国公交车正在逐渐安装北斗卫星定位系统，以提高交通保障能力，正好可以利用这一优势实施该系统。其次，我国的气象移动观测业务发展也較为成熟，但由于观测的经济、时间成本限制，现阶段此技术多用于应急观测。因此，以公交车作为大气污染物浓度观测设备的移动平台，实现常规化观测。

4.2 运行可行性

从公交系统的运行可行性来看，现阶段我国大部分城市的公交系统发展成熟。以北京为例，截止到2014年，北京公交系统各类运营车总数已达22542辆，公交线路1020条，在白天大部分的行驶时间内北京城内分布较为均匀，若我们安装移动观测系统车载终端1000套，我们将会得到1000个移动车观测的数据，考虑北京面积为16.4km2，我们能得到的城市大气污染物浓度网的分辨率将可以达到百米的量级。而北京现有的气象观测站仅有15个，污染物浓度观测网分辨率为千米量级，因此采用基于北斗系统，利用公交车载系统移动观测，将会很大程度上提高污染物浓度观测网密度。endprint

4.3 經济可行性

本系统的建立一方面可利用移动气象车辆的原设备改造，成本不高；另一方面观测设备基于已有的城市公交平台，可有效降低运行成本。此外系统自动化运行，只需要数个管理员即可维护系统正常运转；免去传统人工观测，有效节约人力财力。

5 创新点

本方案将北斗导航定位和气象移动观测相结合，创新性地提出以城市公交系统为载体，实现常规移动观测城市大气污染物浓度，解决了大气污染物浓度观测网密度过低、难以实行实时监控的问题，为城市大气污染防控与治理提供有效支撑数据。

6 结束语

本文设计的城市大气污染物浓度观测系统是基于北斗导航系统的实时定位功能，充分利用北斗信号覆盖广、信号强等特点，以城市公交系统为平台，移动观测城市大气污染物浓度，实现大气环境常规化监测，而且技术上可行，易实施，运行成本低，数据空间分辨率高，具有较好的应用前景，同时也扩展了北斗的应用范围，促进北斗产业的发展。

参考文献：

[1]陈晓情，陈燕青，王润飞.集成GPS的公交定位及到达时间预测APP设计研究——以太原市为例[J].时代金融，2016（26）：50.

[2]姜雪.西安市空气污染物浓度统计特征及其气象影响研究[D].长安大学，2012.

[3]杨东凯，张其善，吴今培.北京公交GPS车辆监控系统研究[J].电子技术应用，2000（04）：25-27.

[4]杨东贞.大气本底污染的监测方法、原理及仪器[J].气象，1984（12）：33-34.

[5]于泓博，陶佰睿，于泓琦，等.基于北斗导航的车辆智能服务系统设计[J].齐齐哈尔大学学报（自然科学版），2016（04）：1-5.

[6]赵绍伟，闵照源，刘一鸣.车内空气污染物的危害及其检测方法的研究[J].客车技术与研究，2014（06）：52-55.

[7]赵新秀，王解先.CORS用户管理系统的研究与开发[J].工程勘察，2010（09）：74-76+79.

[8]张高敏，李圣普，王启明.基于无线网络的空气污染物检测系统设计[J].工业仪表与自动化装置，2016（03）：74-77.

[9]周怡.基于车辆定位数据的公交运行评价方法[D].东南大学，2015.

[10]2015中国统计年鉴[M].北京：国家统计出版社，2015.

[11]S.C.Chang， C. T. Lee. Evaluation of the temporal variations in an urbanized and industrialized harbor[J].Atmospheric Environment，2008，42：7274-7283.endprint