基于建筑施工过程的环境监测预警系统研究

史泽宇，李 阔，崔梓钰，刘民壮，孟照龙

(1.黑龙江工程学院 土木与建筑工程学院，黑龙江 哈尔滨 150050； 2.哈尔滨工业大学 交通科学与工程学院，黑龙江 哈尔滨 150090)

随着城市建设的不断发展，到2030年，建筑业产生的碳排放量将占全社会排放总量的25%[1]。建筑施工过程中由于能源的消耗将产生大量的CO2、SO2、CO、 NOx等对环境有害的气体。同时，建筑施工所带来的噪声污染问题也日益严重。有研究表明，在工作环境噪声值达到70 dB以上时，工人的工作效率会下降约10%，并且噪声还会使人产生焦虑、烦燥等不良情绪[2]。近年来，节能环保的绿色建筑成为建筑业发展的新方向，而作为建筑项目的生产环节，绿色施工是打造绿色建筑的关键阶段[3-4]。

目前，建筑施工过程中产生的噪声、污染物等具有集中性与突发性，并且施工现场存在粗放型管理等情况，施工现场周围所产生的噪声和环境污染问题对施工人员以及周围居民都将产生巨大影响[5]。目前，中国对制造业[6]和采矿业[7]等噪声暴露和环境污染严重的行业均有噪声暴露和污染物监测的研究，刘宏成[8]划分声环境分区，通过实地测量法监测施工场地噪声排放情况，并从等效连续声级、统计声级和最大声级三类评价指标分析噪声情况，设定评价指标类型及限值来进行环境监测步骤的评价，并给出对噪声限值的建议取值范围。刘贵文[9]提出了1种关于施工现场碳排放实时监测系统框架，对施工现场碳排放计算边界及计算逻辑进行定义，并从硬件系统和软件系统两方面来对碳排放实时监测系统进行开发。张强[10]利用噪声模拟软件 Cadna/A，对建筑施工土石方阶段的施工机具噪声耦合作用进行模拟分析。Manatakis[11-12]等利用统计回归建模方法建立三类施工设备的噪声排放预测模型。付婧娆[13]对气温、湿度以及PM2.5等因素进行主成分分析，采用多元回归法对北京市未来一周内的PM2.5 含量做出较为精确地预测。艾洪福[14]建立时间序列的神经网络来预测PM2.5的发展趋势，对长春市未来3 d的 PM2.5 做仿真试验。李智江[15]建立系统动力学模型，研究北京市能源和雾霾之间的动态化关系。宗晓萍[16]建立基于遗传算法的改进向量机模型，探究 PM2.5 的质量浓度与气温、相对湿度、风速、气压之间的映射关系，对制定1 d中雾霾的 24 h变化规律做出预测。上述学者针对噪声、污染物以及环境监测和预警的研究已有一定成果，但在建筑行业的施工过程中还缺乏针对环境监测方面和监测预警方面的研究。对于系统应实现何种功能、如何全面监测施工现场的环境因素、实现自动预警以及其他功能还有待深入探究，当前中国的建筑施工领域迫切需要基于施工过程的环境监测预警系统来全面监测施工现场的环境状况。

综上，为合理控制建筑施工现场噪声与空气污染物水平，本文构建基于建筑施工现场的实时环境监测及预警系统，精确检测施工场地环境、噪声与各种环境污染物的含量，帮助施工现场管理人员对建筑工程施工活动产生的噪声与环境污染物进行实时监测与管理，针对施工中的突发状况及时采取相应的管理措施，实现节能减排的绿色施工目标。

1 环境监测预警系统的开发

1.1 系统逻辑框架搭建

利用无线网络技术、兼容GIS技术等多种技术，引入信息物理融合系统技术，构建1种基于建筑施工过程的环境监测预警系统。此系统适用于各级建筑施工工地的监测，是1个综合环境监测信息管理平台。

系统分为供电结构模块、环境监测结构模块、信息处理与传输结构模块、环境信息接收结构模块、报警装置和喷淋装置模块五部分。以上模块中的装置均与供电结构连接和环境信息接收结构相连接，环境监测结构、调理电路、AD转换电路、主控制器和信息传输结构依次连接。系统结构如图1所示。

本文构建的环境监测预警系统可以分为物理层、计算层和信息交互层。其中，物理层由环境监测结构组成，系统通过该层的各类传感器监测设备，收集建筑施工现场的环境数据信息，并通过无线收发模块以及4G/5G模块将数据实时传输至计算层。计算层由信息处理结构组成，包含相应的控制中心服务器等部分，负责将收集到的数据进行计算、存储以及处理。信息交互层由信息反馈结构构成，包含智能手机端和PC机，实现物理世界与信息世界的交互作用。

1.2 系统功能实现

系统采用低功耗的环境监测设计，环境监测结构的传感器设备对施工工地的风速、风向、噪声、扬尘、温湿度、NO2、CO、NOx、PM 2.5、PM 10、PM 100等物理参数进行检测。

环境监测结构在收到各传感器的监测信息后，对噪声、扬尘、温湿度等是否影响施工等情况进行判断，必要时可进行人为操作监测，并联系后台监测人员反应情况。

施工管理人员利用PC端或者智能手机端对监控主机进行遥控监测，决定是否开启报警装置以及喷淋装置降尘，通过远程控制手段实时监测施工环境状况，以确保施工现场的噪声及环境污染物等环境因素的水平处于合理范围。如建筑工程未设置后台监测人员，报警装置和喷淋装置是否开启通过在PC机上设置阈值进行启动，能够减少因后台监测人员不能实时监控工地内情况的情况。同时,若当巡检人员在观察工地内情况时传感器出现问题时，可根据传输到的GPS信息进行问题点的排查。此外，监控系统可以根据自动报警功能来监测建筑施工环境参数是否有超过预设警戒限制值的情况，若有此趋势则系统将通过信息反馈结构向施工人员发出报警信息，进而预防建筑施工现场的事故发生。

图1 系统总体结构

2 现场数据实时监测

系统通过供电结构模块、环境监测结构模块、信息处理与传输结构模块、环境信息接收结构模块、报警装置和喷淋装置模块5个模块来实现建筑施工现场环境数据信息的采集、存储、管理和报警功能。

2.1 供电结构模块

供电结构由太阳能电池板、柴油发电机、蓄电池、白炽灯等组成。在系统的电路结构中，太阳能电池板和柴油发电机接口连接蓄电池的正极输入端，白炽灯和电源开关电路连接蓄电池的负极输出端，系统中的白炽灯均与电源开关电路并联，并各自设有开关。

供电结构以收集电能作为主要电源，通过蓄电池储存与释放电能。供电结构通过太阳能供电和蓄电池供电两种供电机制进行运作。当太阳能电池板因施工现场连续阴天或夜间等天气无法满足电量供应需求时，可采用柴油发电机做功对蓄电池进行充电，以确保蓄电池内含有维持系统运转的电能。白炽灯连接蓄电池，可用于夜间照明或夜间检修照明，同时白炽灯产生光能通过太阳能电池板收集，实现能源的重复利用。

2.2 环境监测结构模块

2.2.1 环境监测结构组成

环境监测结构包含风速、风向、传感器、噪声传感器、扬尘传感器、温湿度传感器、环境污染有害气体传感器、悬浮颗粒物传感器，如图1所示。其中，有害气体传感器包括SO2传感器、NO2传感器、CO传感器和NOx传感器；3种悬浮颗粒传感器分别对PM2.5、PM10和PM100进行监测。这些传感器并联设置，且与调理电路连接。当施工工程较大、覆盖面积较广以及多区域施工时，可以考虑增加排布环境监测结构的数量，以备对整个工地进行合理监测。

为实时监测建筑施工现场的各种情况，且能对该处反映的监测结果进行实时反馈，系统在环境监测结构的传感器中均配备GPS定位装置。GPS定位装置不但精确反应出现情况的位置，还可以标记传感器的位置，方便工作人员日常巡检。

下文将对传感器的设置要求以及污染物、噪声、温湿度等监测要素的监测方法进行阐述。

2.2.2 传感器设置及监测频率

为实现传感器全面精确监控工地现场施工的区域范围，应当在施工现场的车路主出入口处设置多于传感器数2个的布点要求，其中，至少1个监测点应设置在施工车辆的主出入口。所有传感器的设置都应设在建筑工地施工现场区域的安全范围内，传感器的设置高度一般应在距水平地面(2.5±0.5) m处。

颗粒污染物在线监测数据采集频率应满足小于60 s的标准，颗粒物的监测测量值统一换算为mg/m3。噪声监测数据的采集频率应满足小于1 s的条件，其监测测量值以1 min等效声级Leq(A)作为计量单位。环境污染有害气体的采集频率应小于60 s，其监测测量值以 ppm为计量单位。

2.2.3 空气污染物监测

本文构建的系统监测的空气污染物主要包括CO2、SO2、CO、 NOx等。在建筑施工现场中，大量的施工机械设备运行会产生较为严重的噪声污染和有害气体污染情况，故本系统针对建筑施工过程中施工机械可能产生的污染物情况进行监测。

在目前对施工机械的污染物监测过程中，主要的测量方法是直接法和间接法。直接法是通过直接测量施工机械的耗电量，将其进行加和汇总求得所有施工机械的总耗电量。该方法计量准确并且有关数据收集过程相对便利，但没有考虑施工现场中由于施工机械的燃油消耗而产生的污染物排放。

本系统采取间接测量的方法，通过传感器获取各类现场施工机械的运行时间来计算施工机械的能源消耗情况，将此转化到环境污染物排放量的计算过程中，以实现施工机械向系统实时传递信息。基于信息物理系统技术的环境实时监测系统主要监测施工过程中塔式起重机和施工电梯两类施工机械的污染物排放情况[17]，其产生的总排放量表示为

W=W1+W2.

(1)

式中：W为系统监测的施工机械的总排放量，W1为塔式起重机产生的污染物排放量，W2为施工电梯产生的污染物排放量。

建筑施工现场的塔式起重机、施工电梯排放的定量计算公式为

(2)

式中：n为施工机械种类，n=1,2，其中，1为塔式起重机，2为施工电梯；m为施工现场第n类的施工机械数量，台；P1,i为第i台塔式起重机额定功率，kW；T1,i为第i台塔式起重机运行时间，s；fe为电力碳排因子，kgCO2/kWh。m,P1,i的取值均可从工程资料中获取；T1,i由监测系统从施工现场获取，fe可通过工程资料整理获得。

2.2.4 噪声值监测

中国在2011年修订了《建筑施工场界环境噪声排放标准》(GB12523-2011)[18]，对施工场界环境噪声排放限值和测量方法做出规定。对于噪声限值的规定，《声环境质量标准(GB 3096-2008)》[19]规定施工过程中产生的噪声在昼间不得超过70 dB，夜间不得超过55 dB，并认为当昼间和夜间的噪声值低于70 dB以下时，施工工地周围不受噪声影响。

系统采用与白天测量方法相同的20 min等效连续A声级作为噪声的测量方法，基于整个施工过程对施工现场可能产生的噪声进行全面监测。由于在不同施工阶段建筑施工噪声的主要噪声排放源和噪声传播方式有着显著差异，故将建筑施工过程划分为地基开挖阶段、主体结构阶段和装饰装修阶段。将建筑施工的不同阶段进行分类，相应的噪声环境排放特点见表1。

表1 不同阶段建筑施工噪声环境排放特点

在评价指标上，目前衡量噪声大小的评价指标主要有声压级、计权声级和等效连续声级三类。其中，声压级[20]是量度形成声音的空气振动强弱的噪声评价指标，反映声音强度对人响度感觉的影响;计权声级是考虑人对不同频率声音的敏感程度不同而提出的噪声评价指标，是在人耳可听范围内按特定频率计权而合成的声压级，反映声音频率对人耳响度感觉。声音的空气振动强弱进行量度，反映人对声音强度的感觉影响；计权声级考虑了不同人对不同频率声音的不同敏感程度，主要有A，B，C 3种，是按特定频率计权合成的声压级，表征声音频率的影响，根据人耳可听范围内按特定频率计权而合成的声压级，反映声音频率对人耳响度感觉的影响。等效连续声级是考虑声音随时间波动的特性，通常为某一段时间内的A计权声级能量的等效平均值。

综上，因所构建的监测系统主要考虑的是施工过程可能产生的噪声影响，所以将等效连续A声级LAeq作为衡量施工现场噪声环境水平的主要指标。

2.2.5 温湿度监测

系统为适应施工环境中温度和湿度所采用的采集传感器应当具有灵敏度高、传输距离远和抗干扰能力强的特点，选用能同时显示温度和湿度的数字复合传感器DHT11。DHT11传感器是由NTC温度电阻元件和湿度测量元件组成,并与高性能的8位微控制器连接[21]。当DHT11感应到信号进入时，会先调用OTP内存中存储的校准系数，对信号进行校准，然后再把校准后的信号输出。电路原理如图2所示。

图2 DHT11 电路原理

对温湿度传感器所监测指标多次测量取平均值，同时采用高品质微调电容的无线收发装置，使得温差变化及振动减小偏移，以保证数据的准确性。通过传感器采集的数据，对建筑施工现场的温湿度以及环境污染物等环境因素进行分析，采用多元回归法对其含量进行精确地预测。

多元线性回归模型如式(3)所示。设(yi，x1i，x2i)，i=1，2，…，n，是取自总体的1组随机样本。

(3)

式中:X为自变量的观测值，y为对应的因变量观测值，β和μ为回归参数。

3 信息处理与反馈

3.1 信息处理与传输

1)信息处理结构。信息处理结构由调理电路、AD转换电路和主控制器组成。多种传感器产生的信号通过调理电路进入AD转换电路，最终输入主控制器，形成可以直接辨别问题的状态信息。

2)信息传输结构。信息传输结构包括无线收发模块和4G/5G模块两部分。无线收发模块的工作频率为315 MHz，采用频率稳定度较高的声表谐振器SAW稳频，当环境温度在-25°～85°之间变化时，频飘仅为3 ppm/(°)。

无线收发模块垂直安装在主板的边缘，为避免受分布参数影响，应距离周围器件5 mm以上。无线收发模块在不同的收发环境会有不同的收发距离，在场地较为开阔的施工现场最大发射距离约800 m，而在有障碍的情况下，发射距离会缩短。

信息处理结构产生的状态信息通过无线收发模块传送到PC机，同时通过4G/5G模块传送到施工现场监测人员和巡检人员的智能手机上。施工现场的管理人员将接收到的信息及时处理，并能实时监测施工现场的环境情况。

3.2 信息反馈

信息反馈结构包括PC机和智能手机。PC机设备具有无线收发功能，用于收发无线收发模块的信号，智能手机则用于收发4G/5G模块的信号。喷淋装置设置在环境监测结构所在位置，报警装置设置在环境监测结构或PC机所在位置。

3.3 报警与喷淋

当系统中的传感器检测到施工现场环境中某一数值超出阈值时，工作人员能够通过PC机或智能手机报警器进行报警，并且可以通过GPS定位装置直接定位到何种环境监测数值超出阈值的具体位置，进而针对该污染进行集中治理。

施工管理人员利用PC端或者智能手机端对监控主机进行遥控监测，决定是否开启报警装置预警或是否开启喷淋装置进行降尘，通过远程控制来实时监测施工环境状况，以确保施工现场的环境因素水平处于合理范围。

4 结论与展望

本文所构建的环境监测预警系统主要针对施工工地的噪声、空气污染物、温湿度等多种环境因素进行多污染源实时监测并自动报警，该系统可以对建筑工程施工全过程进行动态监测管理，实现对施工现场的高效监测并提高科学管理能力。

基于施工过程的环境监测预警系统的开发有利于管理人员对施工现场的环境、噪声以及污染物等情况进行更直观地监测了解，有效指导建筑施工的相关决策。同时，系统在施工现场的应用为实现智慧建筑施工工地及绿色施工提供了良好的借鉴。但本文构建的整个系统还需要开发相关的数据库系统，对系统的整体调试还有待验证，并亟需进行系统性能测试，以检测实际应用情况。