铁路施工期环境在线监测数据特点与传输方式探讨

王大鹏，李德良

（中国铁道科学研究院集团有限公司 节能环保劳卫研究所，北京100081）

1 概述

《铁路“十三五”发展规划》中提出“将生态环保理念贯穿铁路规划、建设、运营和养护全过程”。其中，开展铁路施工期环境在线监测是全面推进铁路行业数字化、信息化、智能化发展的重要工作[1]。环境在线监测工作是铁路建设过程中环境保护工程管理的重要手段之一，是铁路建设项目管理信息系统的重要补充内容[2]。铁路建设项目施工期对扬尘、噪声、污水和生态等要素开展监测的数据类型、数据传输量等差异较大，而且铁路建设项目施工点位呈线状分布、位置分散、环境多样。因此，如何根据铁路施工期环境在线监测数据特点，合理选择环境在线监测数据传输网络，以确保环境在线监测数据的连续性和有效性，是铁路施工期环境在线监测需关注的重要问题。

环境在线监测系统是指利用智能传感器、卫星空间定位、生物特征识别等信息感知设备，利用约定协议，通过网络传输至信息处理中心，从而实现对铁路建设领域环境相关工程的智能化识别、监控并进行管理的系统[3]。环境在线监测系统架构如图1所示。

环境在线监测系统在铁路建设期实施过程中，网络传输层通信信号不稳定是目前面临的主要问题之一。根据现有的施工环境和网络环境，可通过选择不同的网络环境达到目前环境在线监测系统对网络环境的传输要求。

2 铁路环境在线监测数据特点

图1环境在线监测系统架构图

2.1 结构化数据

结构化数据具有严格的数据格式和长度规范，一般用二维表结构来逻辑表达和实现数据，通过关系型数据库进行存储和管理[4]。结构化的数据是有规律的，具有固定的传输方式和存储格式。污染源和环境质量的监测数据主要为结构化数据，不同的监测因子根据相应标准规范有不同的监测要求。

（1）在铁路建设项目施工过程中污染源监测方面，噪声、污水和大气是主要监测内容。根据《建筑施工场界环境噪声排放标准》(GB 12523—2011)要求，路基、桥梁等施工点位需设置噪声监测点位，监测频次不低于2次/d。隧道等施工点位产生的污水主要受施工工艺影响，一般要求监测因子为pH、SS、COD、氨氮、石油类等，根据《地表水和污水监测技术规范》(HJ/T 91—2002)要求，在排放口设置监测点，监测频次不低于3次/d。施工作业产生的大气污染主要为扬尘，根据《大气污染物综合排放标准》(GB 16297—1996)，颗粒物等废气类监测因子在无组织排放点设置最多4个监测点，监测频次为4次/h。

（2）在铁路建设项目施工过程中环境质量监测方面，声环境、水环境和空气环境是主要监测内容。根据《声环境质量标准》(GB 3096—2008)要求，在噪声敏感区段设置监测点位，监测频次不低于2次/d。水环境质量监测主体主要包括铁路跨越水体，根据《地表水和污水监测技术规范》(HJ/T 91—2002)要求，在施工点位上下游断面设置监测点位，监测频次一般要求为1次/月。根据《空气环境质量标准》(GB 3095—2012)要求，采用自动监测设备监测时，监测设备需全年连续运行。

（3）地表水环境和空气环境自动监测也有相应规范要求。《地表水自动监测技术规范(试行)》(HJ 915—2017)规定水温、pH、溶解氧、电导率和浊度等水质监测因子监测频次为4 h/次，《环境空气颗粒物(PM10和PM2.5)连续自动监测系统运行和质控技术规范》(HJ 817—2018)和《环境空气气态污染物(SO2、NO2、O3、CO)连续自动监测系统运行和质控技术规范》(HJ 818—2018)规定，颗粒物和气态污染物自动监测设备需全年连续运行。

综上，结构化数据监测设备的传输频次需保证不小于4次/h，监测设备全年在线。污染类监测数据在采集过程中单个数据量小，通常为10～100 B。污染类监测点位之间的距离通常在1 km以上，密集度不高。

2.2 非结构化数据

非结构化数据是没有定义的数据模型，数据结构不规则或不完整，不使用数据库二维逻辑表来表达的数据[3]。非结构化数据采集的信息较为丰富，对不同的非结构化数据有不同的提取关键信息的方式。

生态影响的监测数据主要为非结构化数据。根据铁路建设项目环评一般要求，对生态环境脆弱区和敏感区需开展植被监测，对国家保护动物需开展野生动物监测。植被监测的主要内容为植物种类组成、群落盖度、生物量、优势种和多样性指数等，对植被恢复尤为关注。野生动物监测的主要内容为动物的种类、分布及其活动情况。2种监测因子所采集的数据形式主要为图片、声音和视频等。在监测过程中，生态类监测数据传输的特点是单次数据量大，通常为1 KB～1 GB，频次要求不高，一般为几天到几周传输1次。

3 数据通信类型及特点

目前，环境在线监测系统的通信基础网络传输方式主要包括GPRS网络传输、3G/4G网络传输、NBlot网络传输、5G网络传输和北斗短报文传输等。

上述研究主要关注引水调控对小型富营养化湖泊生态和环境的改善作用，近些年来，随着太湖、巢湖以及滇池等大型富营养化湖泊蓝藻水华暴发所引发的饮用水与生态危机日益严重，针对大型富营养化湖泊的引水调控工程受到有关部门的重视[5，25，40-45]，已成为缓解蓝藻水华灾害的重要水利工程措施。而不同于小型湖泊，大型富营养化湖泊的引水调控工程对湖泊生态与环境的改善效果受到多方面因素的影响和制约，短期内难以获得理想的结果，引水调控工程往往需常态化运行。因此，引水工程对大型富营养化湖泊水文水动力、物理化学环境以及生物的影响需进行长期的跟踪研究。

3.1 GPRS

全球移动通信系统(Global System of Mobile Com‐munication，GSM)是在第一代移动通信系统的基础上发展的第二代移动通信系统[5]。GPRS是叠加在现有GSM网络上的通用分组无线服务技术，其传输通道可容纳多个用户，根据用户的使用情况确定宽带流量。对定点、定时上线传输数据的监测设备具有良好的容纳性。

以中国移动的全球通网络为例，目前覆盖我国所有地(市)和98%以上的县(市)，是我国最大的移动通信网络[6]。GPRS网络平均传输速率为150 kbps，最高速率可达380 kbps，可以满足基本的语音和信息数据的传输要求。GPRS网络传输适用于间断、突发性、频繁、少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。

3.2 3G/4G

3G/4G是在第二代移动通信基础上提升的一种无线通信技术，是支持更高速的数据传输蜂窝移动通信技术，4G网络是集3G网络和WLAN一体的一种网络[7]。

3G网络的平均传输速率为1～6 Mbps，4G网络的平均传输速率10～100 Mbps，可支持高速数据传输，能够同时传输声音、数据、图像和影像等信息。3G/4G网络适用于多种数据信息同时大量传输。

3.3 NB-loT

NB-loT是一种使用授权频段的低功耗广域网蜂窝通信技术，构建于蜂窝网络，可直接利用GSM网络、UMTS网络或LTE网络部署[8]。

根据《关于深入推进移动物联网全面发展的通知》(工信厅通信[2020]25号)，“到2020年底，NB-loT网络实现县级以上城市主城区普遍覆盖”。NB-loT网络传输速率为160～250 kbps，同一基站前提下，比传统无线技术接入数提高50～100倍，终端接入数可达5万。NB-loT网络具有覆盖广、连接多、速率低、成本低、功耗少、架构优等特点。

3.4 5G

5G是指第五代移动通信技术，也是最新一代的蜂窝移动通信技术，是继4G/3G/2G系统之后的延伸技术[9]。5G网络是一种数字蜂窝网络，将声音和图像的模拟信号数字化，通过转换形成比特流传输。

以中国移动为例，目前已向31个省共计52个城市提供了5G网络体验服务[10]。5G网络的平均传输速率433 Mbps，相较其他网络有高效的传输效率，同时在网络构架上的部署阶段具有灵活性。目前，5G网络的覆盖度仍较小，5G基站正在逐步布设过程中。

3.5 北斗短报文

北斗短报文通信系统主要包括3个部分：用户系统、空间系统和地面系统。短报文需要从用户发送端发送至空间卫星，由卫星传输至地面中心站，再由地面中心站传输至卫星，最后传输至用户接收端[11]。

北斗短报文可直接依靠卫星通信，不需要建设基站，目前已基本覆盖至全国。北斗短报文每次传输的短报文大小都有字数限制，根据不同的发送级别确定具体限制字数。北斗短报文信息大小受限，发送内容制式固定，通信模块等设备成本和通信费用较其他网络高。

4 铁路建设项目环境在线监测数据传输方式的选择

铁路线路穿越的区域范围一般较大，不同段落区域可利用的数据通信网络差异较大。以某货运铁路为例，该铁路全长1 813.5 km，由北向南主要穿越地域包括毛乌素沙漠、黄土高原、黄龙山-南吕梁山、临汾盆地—峨眉台地—运城盆地、中条山脉、灵山盆地、东秦岭山脉、江汉平原、洞庭湖平原和赣西丘陵等，施工环境极为复杂[12]。根据环评监测要求，对环境噪声、水环境、生态敏感区内容进行监测；其他内容包括环境空气、植被恢复、水土流失和固体废物等，需根据现场情况进行检查，个别点位定点监测。施工期噪声敏感点即噪声监测点位1 025处，地表水环境质量及污水排放监测点位346处，地下水监测点位148处[13]，生态影响监测点位13处。根据各环境要素监测点位位置及网络区域分布情况，各监测点位信号区域数量大致分布情况如表1所示。

表1环境监测点位区域分布

根据监测点位情况分析，噪声、水质、水位和墒情的监测点位采集数据均为结构化数据。其中，监测点位位于无网络信号区域占监测总量最大约0.88%，弱网络信号区域占监测总量最大约13.85%。生态影响的监测点位采集数据主要为非结构化数据，监测点位覆盖3种网络信号区域。铁路项目在建设过程中，监测点位的分布一般包括无网络信号区域、弱网络信号区域和强网络信号区域。环境在线监测数据在不同网络信号区域根据监测数据的不同类型可选择不同的数据传输方式。

4.1 无网络、弱网络信号区域

结构化数据主要监测因子为污染类的监测指标，同一基站覆盖范围内监测点位根据基站覆盖范围和监测点位距离测算数量约为20个，单个信息量小但需多频次传输。在弱网络信号区域，根据GPRS网络特点，结构化数据监测设备可采取定点监测即时传输方式，单次数据采集完成后即时传输至数据库等接收端即可满足要求。在无网络信号区域，环境监测点位数量少，可采用自建临时传输网络和北斗短报文方式传输数据。其中，自建临时传输网络基站安装条件受限、后期维护困难、建设成本高、运营期利用效率低；北斗短报文无需重新建设基站，单条数据传输费用较高，但单个建设项目中无网络信号区域环境监测点位数量少，因此在满足监测方案的前提下总监测费用不高。

在弱网络信号区域，非结构化数据可选择GPRS网络传输，数据量大的信息利用GPRS网络传输过程中易发生中断，因而非结构化数据在采集设备传输设置时可设置为断点续传的传输方式，以保证数据信息的完整传输。在无网络信号区域，非结构化数据在线传输利用既有网络无法满足传输要求时，可选择存储式监测设备结合人工监测，或者采用无线数传电台等自建临时传输网络。

4.2 强网络信号区域

目前，国内强网络区域已覆盖全国主要省市和县城，约占全国总市县的51%。铁路在建设过程中穿越市郊区或县城，基本为强网络信号区域。在强网络信号区域，人口居住密度大，施工期环境管理更为严格，同一环境监测点位监测因子多样化，监测数据同时包括结构化数据和非结构化数据。在施工期环境在线监测过程中，同一监测点位在初期监测因子的基础上，可能拓展其他监测因子。因此，强网络信号区域基本满足结构化数据和非结构化数据的传输要求，并有较强的兼容性。结构化数据在强网络信号区域可选择GPRS网络、3G/4G网络、NB-loT网络和5G网络，建议选择顺序为5G网络＞NB-loT网络＞3G/4G网络＞GPRS网络；非结构化数据在强网络区域可选择3G/4G网络、5G网络，建议选择顺序为5G网络＞3G/4G网络。

5 结论

（1）铁路建设项目施工期环境在线监测系统是施工期环境保护工程管理的一种重要手段，根据相关标准和管理要求，主要对扬尘、噪声、污水和生态等要素开展监测。监测采集数据主要包括结构化数据和非结构化数据2种类型。其中，污染类监测因子采集数据主要为结构化数据，生态类监测因子采集数据主要为非结构化数据。结构化数据具有固定的制式，单个数据量小，传输频次高；非结构化数据不规则，单次传输数据量大，传输频次要求不高。

（2）在无网络信号区域，铁路建设项目结构化数据环境监测点点位数量较少，中低频次传输要求可选择北斗短报文传输；非结构化数据监测点位数据可选择存储式监测设备结合人工监测，或者采用无线数传电台等自建临时传输网络。

（3）在弱网络信号区域，铁路建设项目结构化数据监测点位较为分散，频次要求高，可选择GPRS网络传输；非结构化数据监测点位数据传输单次传输量大，可直接利用GPRS网络传输，但传输时间长，需将监测设备传输形式设置为断点续传的传输形式。

（4）在强网络信号区域，铁路建设项目环境管理要求更加严格，在监测多种环境要素的同时，需考虑后期监测因子的拓展，在满足当前网络传输的要求下尽可能选择兼容性、传输速率、安全性等更佳的网络，可优选5G网络。