城市公共安全视域下PM2.5多参量监控传感网络构建研究.doc

城市公共安全视域下PM2.5多参量监控传感网络构建研究 　　摘要：随着我国经济的快速发展，大城市中因为人为活动规模的增加而导致的大气超细颗粒物污染问题已越演越烈。为了缓解城市化所引起的各种大气公共安全问题以及维护人民群众身体健康，实时监控大气超细颗粒污染物的各种信息成为了各国政府与环保部门的急需解决任务。本文提出一种基于激光散射原理的大气超细颗粒污染物多参量监控机制，并通过智能组网形成传感网系统；采用智能算法优化监控网络节点布局与分布，同时利用光纤/无线融合技术进行监控数据传输以及信息交互与发布，形成及时有效地监控与掌握大城市中特定区域内大气超细颗粒污染物的各种信息，为创建新型环境监控管理模式，提升信息化在环境保护、公共安全领域的应用水平做探索性的研究。 　　关键词：公共安全 PM2.5 气溶胶 传感网 多参量监测 　　中图分类号：TP277 文献???识码：A 文章编号：1007-9416（2013）01-0218-03 　　1 研究背景及意义 　　大气污染是由于大气中引入的生物、化学材料以及可吸入颗粒物质所带来的使得人体感到不适或者对其它生命有机体造成的伤害，以及对自然环境和人为环境带来的损害。大气污染物目前已知的约有100多种。其中有自然因素（如森林火灾、火山爆发等）和人为因素（如工业废气、生活燃煤、汽车尾气等）两种，并且以后者为主要因素，尤其是来源于工业生产和交通运输。随着人类活动规模的不断变化开发新的物质，大气污染物的种类和数量也在不断变化着。我国大气污染属煤烟型污染，以粉尘和酸雨危害最大，污染程度在加重。而悬浮颗粒物（particulate matter：PM）按照其直径的大小，可分为粗颗粒物（PM10指空气中直径在2.5微米到10微米之间的固体颗粒或液滴，又称做可吸入颗粒物），与细颗粒物（PM2.5指空气中直径小于或者等于2.5微米的固体颗粒或液滴）两类，其主要来源是人为排放。 　　70年代初以来，大量的死亡案例以及其他健康问题首次被证实与大气颗粒物污染有关[1]，[2]，并且此后多次重复出现过类似严重的公共安全事件。2000年以来，可吸入颗粒污染物已经在美国每年夺走了22000-52000人的生命，在欧洲亦夺走了约20万人的生命[3]。这是由于大气中的悬浮颗粒污染物主要对人体的呼吸系统和心血管系统造成伤害，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、心律失常、非致命性的心脏病、心肺病患者的过早死亡[4]。 　　目前许多发达国家的城市区域（如美国和欧洲）的空气质量已经较70年代之前有了一定的改善。然而许多发展中国家，特别是亚洲的发展中国家，城市中的悬浮颗粒物污染防治情况仍然不容乐观。美国率先于1997年制定了PM2.5的空气质量标准，许多国家都陆续跟进将PM2.5纳入监测指标。我国现行的空气质量标准，PM10是常规监测指标，全国性监测已开展了十几年。从2001年至2009年，全国主要城市PM10的平均值从125微克/立方米降到了90微克/立方米[5]。而我国PM2.5的空气质量标准才刚刚颁布，目前还在征求意见中，执行的标准为WHO过渡期目标1相同，即年均值不超过35微克/立方米，日均值不超过75微克/立方米，拟于2016年实施。 　　2 PM2.5空气污染物多参量监控传感网络的设计理论 　　我们提出了一种基于激光散射的颗粒污染物监控传感网络系统，具有同时监测颗粒物数量、浓度和直径大小多种参数的功能，并采用智能算法优化监控网络节点布局，并利用无线与光纤相结合的接入网网络进行异构网络数据的融合传输，实时在线的监测特定区域内的大气悬浮颗粒物污染状况。并能根据当地的实际气象、地理条件调节监控网络系统内各个监测采样点的采样频率和采样时间的大小，更好的适应环境需求与变化；保证了所得监测采样数据的实时性与可靠性。采用光纤/无线融合传输技术组建的大气颗粒污染物智能传感监控网络，为创建新型环境监控管理模式，提升信息化在环境保护、公共安全领域的应用水平做探索性的研究。这一基于光散射原理新型方法来监控超细颗粒污染物的多种参量，精确地监测与控制采样点处大气悬浮颗粒物状况，分别实现以下目标： 　　（1）对于单个采样点，实现实时在线的监控采样点附近待测气体样本中的超细颗粒污染物的大小、数量、以及浓度； 　　（2）实现根据颗粒物的大小来对待测气体的颗粒污染物进行分类计数； 　　（3）同时监测PM10、PM2.5、以及PM1三种不同直径大小的颗粒污染物浓度。 　　其次，我们利用先进的智能算法优化大气颗粒污染物监测系统的网络采样点的分布与布局，以更加准确的掌握待测区域内的颗粒物污染状况，具体实现如下理论设想： 　　（4）对于待测区域，确定表示采样点布设所需的必要参数，建立这些参数与该区域