建筑施工场所扬尘噪声在线监测系统研究与设计

兰 琪

(山西省自动化研究所，山西 太原 030012)

随着城市建设规模的不断扩展，工程建设所造成的环境污染问题日益突出，主要体现在建筑施工所带来的扬尘污染与改善大气环境质量之间的矛盾、噪声侵害与居民居住舒适度之间的矛盾等方面，如何对其进行有效的治理与管控已经成为城市环保领域近年来亟待解决的难题[1]。

现行的治理措施首先是要在前期建设项目审批上把好源头关，严格执行环境影响评价制度，其次就是在施工过程中进行有效的监管和治理，这便对工程建设中环境状况监测的手段提出更高的要求，如何保证及时准确地获取特定地点甚至特定时间的环境状态参数是评估工程对环境影响程度的重要前提，由此，本文针对此问题展开了关于建筑工地扬尘噪声在线监测系统的研究。

1 主要研究内容

扬尘噪声在线监测系统用于对施工现场环境进行24小时不间断的无人值守自动监测，并把监测数据通过有线或无线等方式传入上层云平台进行数据分析，是集数据采集、实时展示、统计分析、预警及报警等功能为一体的扬尘噪声综合监测系统。

1.1 系统技术原理

扬尘噪声在线监测系统主要分为环境监测系统、数据显示系统及工地环境在线监测云平台三大部分，系统结构如图1所示。

图1 扬尘噪声在线监测系统结构

扬尘噪声在线监测系统就是设置于施工现场，利用各种传感器实时测定周围的环境参数，诸如温度、湿度、噪音、PM2.5、PM10、风力、风向、气压等环境信息以及现场视频信息，然后传入数据采集系统，将数据经过取整、滤波、映射等处理后进行输出，将环境信息显示于数据显示系统便于现场人员进行观测，同时将环境与视频信息上传至云平台进行存储分析，还可与相关部门平台进行对接，将环境信息实时上报，并以此为依据开展施工现场指导工作，其现场安装效果如图2所示。

图2 扬尘噪声在线监测系统现场安装效果

1.2 硬件配置

本系统的硬件配置包括扬尘监测模块、噪声监测模块、视频监控模块、气象监测模块、数据采集与处理模块等部分，模块化的设计可以为后期维护升级等工作带来极大的便利。

1.2.1 扬尘监测模块

扬尘监测模块具有自动除尘除湿及温度保护功能，维护量小，通过RS485接口使用Modbus协议进行通讯，其原理如图3所示。使用精密流量控制的真空泵吸入携带扬尘颗粒物的空气作为待测试气体送入设有传感器测量组件的光学测量室，测量组件采用Gustav Mie粒子光散射法对待测气体进行连续自动监测，当激光照射到通过检测位置的颗粒物时会产生微弱的光散射，在特定方向上的光散射波形与颗粒直径有关，通过不同粒径的波形分类统计及换算公式可以得到不同粒径的实时颗粒物数量浓度[2]，然后根据传感器输出信号结合系数标定方法可以得到空气中统一单位的扬尘质量浓度，测量量程能够达到0.001～10 mg/m3。

1.2.2 噪声监测模块

噪声监测模块将环境噪声经过噪声传感器、放大器、AD转换等设备的处理，然后通过噪声A计权计算方法将其计算为分贝值，再经过信号转换后通过RS485接口将信号输出，测量范围能够达到30～130 dB，如图4所示。

图3 扬尘颗粒物测量原理

图4 噪声检测原理

1.2.3 视频监控模块

视频监控模块由高清球形摄像机和硬盘录像机组成，摄像机可按监控区域设置多个预置点位实现定时定点巡检和超标图片抓拍功能，摄像机内置全向云台，采用H.264双码流压缩，码率可实现2 kB～512 kB连续调节，红外夜视距离达到120 m，使用标准RJ45接口进行通讯，设备通电运行后将摄像机采集的视频图像源源不断地存储到硬盘录像机中，作为监管人员进行管理工作的重要依据，系统测量的噪声、扬尘等检测值可直接叠加于视频监控画面上，协助监管人员完成施工现场的扬尘情况监管工作。

1.2.4 气象监测模块

气象监测模块包含有风速、风向、温度、湿度、大气压等环境参数的监测，为扬尘和噪声监测数据的后期分析提供气象参数依据。风速监测采用三风杯风速传感器测量，风杯使用碳纤维材质，内置信号处理单元能根据用户需求输出0～2.5 V电压作为相应风速信号，测量范围为0～45 m/s；风向监测采用配备有精密电位器的低惯性轻金属风向标传感器响应风向，动态性较好，观测方便，其输出具有良好的线性特征，启动风速为≤0.5 m/s；温湿度与气压监测采用百叶箱型高精度全数字化监测传感器，可准确、快速检测出大气温度、大气湿度及大气压力，内置信号处理单元根据用户需求输出0～2.5 V电压信号，温度测量范围-50 ℃～80 ℃，湿度测量范围0～100%RH，气压测量范围10～1 100 hPa。

1.2.5 数据采集与处理模块

本模块负责对各种监测数据的采集、转换、检查与存储等，并可按照后台设定指令完成相应校准、系数调优、数据定时发送、设备状态监测等功能，可以对采集的监测数据进行初步的统计分析处理，其主要组件是全封闭式低功耗工控机，配备有6个COM口，日常使用功率可低至12 W。工控机在可编程性、稳定性、可扩展性等方面均优于相比于传统的数据采集板，其上位机数据采集与传输程序采用C#语言编写，另外还配备有7寸人机界面，便于后期检修与维护升级时对设定参数、传输程序的更改。

1.3 工地环境在线监测云平台

工地环境在线监测云平台可实时获取由安装于现场的扬尘噪声监测系统所上报的所有工地现场环境监测数据，同时，云平台可以设定各项环境监测指标的阈值，当对应的环境监测数据超过设定值时可发出预警信息，并将监测数据与预警信息通过网页推送、短信等渠道呈现予相关用户。

具有相关权限的用户登陆平台后，可按所属区域在GIS地图上展示各个监测点位的位置、设备状态及环境信息，有利于用户进行总体上的评估，也可以按各项实时数据对各监测点进行列表排序显示，方便各监测点之间的排查工作。同时，平台所记录的环境信息详细历史数据及均值等信息可以通过曲线变化趋势的方式呈现，便于用户进行单点分析，平台部分界面如图5所示。

图5 工地环境在线监测云平台部分界面

2 实施案例

系统经过初步组装调试后，选择市区中位于不同区域的若干施工工地进行试点运行，每个施工工地根据工地占地面积设置监测点个数，理论上占地面积在4 000 m2以上20 000 m2以下至少设置1个监测点，占地面积在20 000 m2以上每增加10 000 m2宜增设1个监测点[3]。经过数月的测试运行，系统运行稳定，未出现重大故障，数据传输的实时性与准确性均能得到保障，可在各施工工地进一步推广。

3 总结

本系统实现了全天候、全区域、全时段的施工场所扬尘噪声连续监测与管理，显著改善了相关人员与部门的工作效率，同时，扬尘噪声数据的实时监测有利于从源头上减少工地环境污染；通过云平台对环境信息数据的历史记录和后期分析统计，可以为管理人员的决策管理提供有力技术支持，具有指导性作用，为工地施工管理的数字化和智能化奠定了基础。

随着研究的继续推进，本系统可以从以下几个方面进一步完善：首先，增强本系统与降尘系统的联动性，如雾炮喷淋系统、围墙喷淋系统、塔吊喷淋系统等降尘系统，在相关指标达到预设值后，系统自动发出指令开启降尘系统，直到环境指标达到设定的优良为止；其次，增加移动端平台的监测与控制功能，随着可移动手持设备的普及，用户从PC端转向移动端的需求日益增强，开发移动客户端可以使用户更加便捷地浏览各监测点信息并及时做出相应策略；另外，需挖掘历史监测数据的潜在利用率，让其发挥出更多价值，可增加后期数据的分析与预测功能，例如通过风速风向等信息对扬尘的运动趋势做出科学预测和报警，以及根据不同的气象条件科学地修正监测数据等功能。

[1] 赵晨阳.建筑施工扬尘监测与危害程度评价研究[D].北京：首都经济贸易大学,2015.

[2] 任丽娜,张良,陈春生.激光散射法测量烟幕质量浓度的试验研究[J].中国粉体技术,2011,17(3):8-11.

[3] 孙猛,高翔,刘茂辉,等.扬尘在线监测在施工工地扬尘污染监管中的应用研究[J].环境科学与管理,2016,41(11):142-145.