雾霾实时在线监测及预警系统设计

马万征　李静　马万敏

摘 要：该文设计了一套雾霾实时在线监测及预警系统，它是基于ARCGIS开发而成的，支持多种操作系统，主要功能包含监测设置、监测预警及报警、统计分析、参数设置、日志管理的功能，操作简单。该软件对雾霾的在线监测及治理具有非常重要的意义。

关键词：雾霾；在线监测；预警；空气

中图分类号 X84 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2018）01-0062-03

Abstract：Real-time online monitoring and pre-warning software for haze is based on ARCGIS. The software supports multiple operating systems. Major functions include monitoring，pre-warning，statistical analysis，parameter setup and log management. The operation is very simple. The software is of great significance to the online monitoring and management for haze.

Key words：Haze：Online monitoring；Pre-warning；Atmosphere

1 研究背景

PM2.5是指环境空气中空气动力学直径小于等于2.5μm的漂浮颗粒物[1]，直径不到人类的头发丝粗细的1/20[2]，是引发雾霾天气的元凶。2015年8月5日，中国科学家首次揭示了PM2.5空气污染物的纳米力学性质，发现其中的煤烟聚集物因其高粘附性和聚合性对人体最具毒害性[3]。PM2.5对人类造成的伤害主要包括呼吸道受刺激、咳嗽、呼吸困难、降低肺功能、加重哮喘、导致慢性支气管炎、非致命性的心脏病、心肺病患者的过早死等[4]。一份来自联合国环境规划署的报告称，PM2.5的浓度每上升20μg/m3，中国和印度每年约有34万人死亡[5]。2012年2月29日，国务院发布的新修订的《环境空气质量标准》中对PM2.5浓度限值做出了以下规定，要求PM2.5年平均浓度值在0.035mg/Nm3以下，24h平均浓度值在0.075mg/Nm3以下，并逐渐纳入各省市强制监测范围。

由于近年来由细颗粒物PM2.5引起的空气污染现象愈加严重，人类开始重视对PM2.5的防治工作，以美国为代表的几个发达国家纷纷制定出PM2.5监测标准。随后Rinehart[6]等在美国加利福尼亚地区建立20个观测站，用以研究PM2.5的空气质量；Appel[7]，Senaratne[8]和Sisler[9]等对PM2.5有关因素进行分析；Waston[10]，Schichtel[11]等对城市PM2.5危害进行研究；Chameides[12]等研究气溶胶光学厚度和区域霾污染对水稻和小麦产量的影响[13]。

随着空气质量的急剧恶化，阴霾天气现象出现次数增多，危害加重，因此，研究雾霾气体中PM2.5的在线监测及去除迫在眉睫[14]。

2 研究方法

2.1 数据组织形式 實现雾霾实时在线监测及预警系统需要多种数据的支持。为使数据组织明晰、便于数据管理，系统采用文件地理数据库和Access数据库2种方式存储应用的数据。其中文件数据库存储和地图密切相关的数据，主要包括地图数据和测站位置数据。Access数据存储用户信息数据、监测仪属性数据、监测仪监测数据（图1）。

2.2 系统总体功能设计

2.2.1 系统需求 （1）基本地图功能：对检测仪器进行可视化管理，对测站的监测范围进行可视化分析，对地图的基本操作，全图、放大、缩小、漫游、前一视图、后一视图。（2）数据导入功能：导入监测数据进行展示（以Excel表格的形式）等。（3）分析监测数据：对监测数据进行分段显示，超过一定的值进行警报。

2.2.2 系统需求分析结果 根据需求将系统主要分为三大功能模块：基本功能模块、仪器管理模块、数据处理模块。基本功能模块主要对系统用到的图层进行操作；仪器管理功能模块用来对仪器的初始化配置、监测仪器参数设置（图2）。

3 主要功能及特色

3.1 软件登录 点击电脑桌面上的雾霾实时在线监测及预警系统，首次登录用户需要输入账号和密码进行登录，输入完正确的账号和密码之后，点击界面下方的登录按钮。用户即可进入该软件。用户进入该软件之后，便会展现软件的主界面。

3.2 系统主界面介绍 系统主界面非为三大部分：工具栏、测站列表、地图展示（包含状态信息）。

3.3 监测仪配置

3.3.1 监测仪初始化 监测仪配置里面主要包含监测仪名称、监测仪编号、监测仪类型、监测仪协议、监控方式、监测仪地址等，连接监测仪之后，把对应的监测仪信息填入，然后点击确定，在配置结果栏打印出仪器配置的结果，如打印日志显示：“监测仪配置成功！”“监测仪数据采集初始化成功”表明监测仪配置完成并能进行监测仪的连接。

3.3.2 监测仪连接 监测仪配置成功之后，点击监测仪连接，在监测仪连接配置窗体中，可以对监测仪连接协议、检测控制方式、监测仪地址进行显性设置。当设置不符合仪器连接标准是点击“连接”按钮后会在配置结果中打印出错误信息。结果显示监测仪自动雾霾监测初始化成功，表明监测仪连接成功一切配置正常可以进行数据上传。

3.3.3 监测仪参数设置 监测仪参数设置主要包括监测仪编号、所在城市、监测仪名称、监测范围、维护负责人、工作状态、维护时间等信息，根据具体的监测仪，设置相应的监测参数。

3.3.4 监测仪控制器设置 监测仪控制器参数设置主要包括编号、监测仪控制器型号，产品监测粒子的类型、光源、流量、采集时间、电源、电池工作寿命、外形尺寸等。endprint

3.3.5 监测仪报警设置 监测仪报警设置主要包含以下几项：警戒值、允许误差、最小值、最大值、自动报警的开启和关闭、采集间隔等。

3.4 数据处理

3.4.1 数据采集 连接好监测仪，对监测仪进行初始化、配置、参数设置，预警参数设置等之后，点击数据采集，软件开始采集监测仪监测的雾霾数据。

3.4.2 导入数据 数据可以通过连接监测仪直接进行数据采集，也可以利用现有的Excel数据文件，点击数据导入，在弹出的数据导入界面中，选择已有的数据所在路径，点击“开始导入数据”按钮进行数据导入。

3.4.3 查看数据 通过监测仪采集完数据之后，点击查看数据，可以查看采集到的雾霾数据。

3.4.4 数据分析 用户在使用系统时，可以在数据处理下点击数据分析，系统采用不同颜色表示不同雾霾阈值。

4 结果与分析

雾霾实时在线监测及预警系统具备如下特点：

（1）软件的新颖性：将各种数据通过该软件进行精确的计算，并通过互联网进行大数据分析，充分体现了“互联网+”的相关理念要求。

（2）产品的新颖性：将传感器接收到的各种数据和信号通过计算机和本软件相互联系，时时刻刻监控实验的程度，数据的变化，如果超过预定值就会发出警报，就应改变模拟条件和数据参量，不仅可以促进装置上不断优化，还有机的调动整个系统的和谐辅助工作，极大地提高了产品的可行性和真实性。

5 结论

近年来，由于空气污染造成的雾霾天气在我国频繁出现，引起人们广泛注意。尤其是在工业发达、人口密集的华北和中东部地区，雾霾天气出现的频率高，覆盖的面积广雾霾是大气污染物PM2.5被提出后才引起人们格外注意的天气现象。其不仅危害人们的身体健康，而且其对输变电设备的影响也引起了电力系统人们的担心。

因此，各大高校实验室和相关企业部门实验团队对雾霾在线监测及预警做出大量研究，在这样的大环境下，此产品和软件应运而生。将会大面积推广，为各雾霾的治理及预防、实验团队科研做贡献，方便实验进行。

参考文献

[1]王勇，刘严萍，李江波，等.水汽和风速对雾霾中PM2.5/PM10变化的影响[J].灾害学，2015，30（1）：5-7.

[2]杨洪斌，邹旭东，汪宏宇，等.大气环境中PM2.5的研究进展与展望[J].气象与环境学报，2012，28（3）：77- 82.

[3]王秦，陈曦，何公理，等.北京市城区冬季雾霾天气PM2.5中元素特征研究[J].光谱学和光谱分析.2013，6：1441-1445.

[4]李占五.治理PM2.5污染需要采取综合措施[J].中外能源，2013，18（9）：7-13.

[5]杨新兴，冯丽华，尉鹏.大气颗粒物PM2.5及其危害[J].中国环境学科研究院，2012，1（6）：22-30.

[6]Rinehart L R，Fujita E M，Choe J C.Spatial distribution of PM2.5 associated organic compounds in central California[J].Atmospheric Environment，2005（40）：290-303.

[7]Appel B R，Tokiwa J H，Hsu J，et al.Visibility as related to atmospheric aerosol constituents[J].Atmospheric Environment，1985，19（9）：1525-1534.

[8]Senartne I.Elemental composition in source identification of brown haze in Auckland，New Zealand[J].Atmospheric Environment，2004，38（19）：3049-3059.

[9]Sisler J F，Malm W C.The relative importance of soluble aerosols to spatial and seasonal trends of impaired visibility in the United States[J].Atmospheric Environment，1994，28（5）：851-862.

[10]Watson J G，Visibility.Science and regulation[J].Journal of the Air & Waste Management Association，2002，52（6）：628-713.

[11]Schichtel B A，Husar R B，Falke S R，et al. Haze trends over the United States，1980-1995[J].Atmospheric Environment，2001，35（30）：5205-5210.

[12]Chameides W L，Yu H，Lin S C，et al.Case study of the effects of atmospheric aerosols and regional haze on agriculture An opportunity to enhance crop yields in Chine through emission controls[J].Journal of Geophysical Research，1999，96（24）：1029-2001.

[13]謝心庆，郑薇.国内外PM2.5研究进展综述[J].电力科技与环保，2015，31（4）.

[14]陶巍巍，许晓楠，华海宁.PM2.5监测技术及防控措施研究[J].山东交通学院学报，2013，2：80-83.

（责编：张宏民）endprint