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江苏科学发展:《影响传统的PM2.5云监测平台》




发布时间: 2014-1-23 15:46:16  

    近段时间以来,霾在各地区肆虐,PM2.5指数频频增高,对百姓的日常生活造成较大困扰,引发舆论强烈关注。云创存储自主研发的PM2.5云监测平台影响传统的沉降观测方法,运用光学原理,通过大规模部署,从微观上监测各区域的空气质量,达到实时预警、推演城区域宏观污染过程的效果,为执法部门对环境进行有效管控带来便利。
一、 建设背景
    今年初《中华人民共和国国家环境分析》报告称,中国500个大型城市中,只有不到1%达到世界卫生组织空气质量标准。多位专家接受《经济参考报》记者采访时表示,治理PM 2.5超标,应尽快在工业结构、能源结构、城市规划等方面采取措施,顶层设计治本之策。国内目前350米以下都有颗粒污染物,污染程度比较严重,加之公众对于PM2.5的关注度不断提升,使得PM2.5的监测重要性日益突出。
    可大规模部署的PM2.5云监测平台的物联网项目正是基于物联网技术,结合云计算存储、处理技术,结合自主研发的低成本PM2.5环境监测硬件系统,针对目前国内重点区域大气污染防治、改善城市空气质量的管理需求,结合天气状况、城市交通、人口密度、工业产值等元素,进行系统的研究,为保护环境,改善区域大气环境质量改善起到技术支撑作用。
二、 我国PM2.5监测平台发展现状
    据统计,我国目前有74个城市已经具备对PM2.5的监测条件,目前国内已有PM2.5监测点600余个,但与国际城市的PM2.5监测系统相比,我国城市的环境空气质量监测位点设置虽然也能反映整体环境质量状况,但监测位点少、代表性和覆盖面不足,监测项目、监测网、测点数目和位置设计不能满足重点区域人体健康影响暴露评价的需要。
    由于经济技术条件的限制和我国环境空气监测工作发展的阶段性,我国许多地区环境空气质量监测网络还不够不成熟,而造价昂贵的PM2.5监测点位更让云平台无法起步,社会需要更多的先进的环境监测系统在遍地开花。
三、 可大规模部署的PM2.5云监测平台
    PM2.5云监测平台是由PM2.5云监测节点、云平台和Web界面及scervices组成的系统。下图1为PM2.5云监测平台总体架构。

                             图1  PM2.5云监测平台总体架构
1、PM2.5云监测平台技术方案
(1)技术架构
   PM2.5前端设备主要是由电源模块、采集模块和通信模块组成,前端设备采集到相关的信息,通过GPRS进行无线数据传输,在有公网IP的服务器上进行数据接收和初步的处理,然后数据存入数据立方进行存储和计算,并且通过WEB服务器进行数据的很后处理和公布。具体的架构详见图2。

                             图2  PM2.5云监控平台前端设备架构
(2)部署方式
   在城市的不同区域布局并使用PM2.5云监测平台,能够比较掌握城市不同区域,在不同时间段、不同气候特点(包括气温、风向、季节)下的 PM2.5 的实时监测数据。
   PM2.5云监测平台环境数据采集设备采用先进的传感器、低功耗单片机技术和网络通讯技术相结合,可提供方便的数据查询方式,直接通过浏览器可以直接访问测试数据。PM2.5云监测平台前端设备小巧,部署方式灵活,可以部署在电线杆等公共设施上。详见图3。

 

                              图3  部署在电线杆上前端设备
(3)采集通信方式
   PM2.5云监测平台使用的是红外光散射法来进行测试相关的数据。通过相关的探头来进行采集相关的数据。通过采集的通道利用红外光散射来进行获取颗粒浓度。采集空气的通道有固定的加热源,通过加热源来进行空间的动态的采集。将相关的颗粒浓度转换成相关的数据通过无线通信进行数据传输。
   前端设备的通信主要是通过GPRS进行数据的无线传输。具体的数据传输的网络示意图详见图4。

 

                                   图4  GPRS数据传输
(4)供电方式
   PM2.5云监测平台的供电方式有两种,一种是锂电池和市电互补的供电方式,另一种是太阳能供电供电方式。详见图5、6。

                               图5  锂电池供电方式实物图

                             图6  太阳能供电方式实物图
(5)PM2.5云监测平台的四大功能
   1 实时预警。
   廉价的PM2.5云监测设备可在城市不同区域布设监测站点,做到大量部署、实时预警,实现决策层对环境的有效及时管控。
    2 区域分析。
   通过对区域已设站点数据采集、传输、存储、分析评价,利用云计算处理技术推算整体区域PM2.5近似值,为获取环境污染来源、变化趋势信息、推演城区域宏观污染过程、制定经济有效环境污染治理策略提供数据分析支持。
    3 数据查询。
   建立环保数据中心平台,集成环境管理涉及到的多源、异构数据(如污染源数据、环境质量数据、文档数据、空间数据等),提供即时查询、调取历史数据、比对数据的功能,实现环境数据的统一存储、统一管理、应用、展示,提高环境信息数据的应用价值。
    4 数据分析。
   通过数据查询功能实时下载和收集第一手监测数据资料,并通过与历史数据的比对进行数据分析、研究,达到很大化开发数据资料的功能,发挥数据的作用。有利于决策层提取关键信息形成结论,为环境管理、控制、规划提供科技依据。


   图7  数据网页查询界面

                                    图8  PM2.5监控数据地图

 3、PM2.5云监测平台特性
    (1)海量数据综合存储、处理、监测优势
    大规模部署高性价比的监测点位形成的海量数据,利用云计算技术,进行高可靠存储、秒级处理,做到实时监测、分析数据,及时告警,帮助决策。
    (2)高性价比优势
    采用X86架构廉价计算机构建云计算平台,用软件容错替代硬件容错,大大节省成本。在目标性能和可靠性条件下,可比传统的小型机加商用数据库方案节省10倍左右的成本。
    (3)监测实时性优势
    平台在高效率并行分布式软件的支撑下,可以实时完成PM2.5数据入库、分析和管理工作,如数据汇总、数据上报、数据入库、数据查询、数据计算和数据管理等。测定速度快,自动化程度高。
    (4)高可靠优势
    基于对云计算可靠性深厚的研究积累,解决了当前分布式计算平台易出现的单点故障问题。一个节点出现故障,系统将自动屏蔽,而且不会出现丢失数据的现象。
(5)采集数据的准确性优势
    采集的数据经过准确的校准,且灵敏度很高,和环保部分发布的PM2.5数据及趋势接近,数据真实有效。下图9为测试对比曲线图。

                              图9  PM2.5测试对比曲线图
四、PM2.5云监测平台建设效益
    1、经济效益
    PM2.5云监测平台的经济效益主要体现在平台建设、运维产生的直接经济效益和政府部门通过使用该平台所节约的资金转而投入核心业务发展而带来的间接经济效益。
    目前PM2.5云监测平台已经运用在江苏省环保局固定风险源监测项目,已在昆山实施,并拟做为PM2.5监测平台示范工程,目前该平台已经在南京环保局做验证,误差率小于5%,已计划在南京市进行推广应用。今年9月, PM2.5云监测平台在秦皇岛市环境保护检测站、海港区环保局、北戴河区新华社疗养院、山海关区环境保护局监测站、北方玻璃工业园五个监控点完成部署,运营2年内,将实现年营业收入超过1000万元,年净利润达300万元,为环保部门节约监测点位部署投入1000万元。
项目实施3-4年,服务环保部门将达40家以上,实现年度营业收入超过3000万元,年净利润达1000万元,为环保部门节约监测点位部署投入3000万元。
    未来5-6年内,完成长三角地区直至华东地区的平台扩容,形成点面结合的PM2.5云监测大平台局面,实现年营业收入超过3亿元,年净利润6000万元,为环保部门节约监测点位部署投入近亿元。
    2、社会效益
    目前PM2.5监测的产业化还存在很多缺口,如缺乏高可靠低成本的传感器、可进行大规模存储与处理的云计算技术等。
    在上述背景下,南京云创存储科技有限公司自主开发的可大规模部署的PM2.5云监测平台,包括自主研发的高可靠低成本的传感器、目前国内当先技术的云存储与处理技术、尤其是在前端PM2.5监控小型化技术、后端数据云计算存储与处理技术等领域形成自主研发、精密制造和配套加工能力,将打破国外在PM2.5监控系统的垄断,有利于加快环保监控系统普通化、国产化和产业化的发展进程,同时,关键技术的突破将对行业技术进步具有较大的推动作用,加快PM2.5监测技术标准等重大技术国产化的突破,促进和带动我国关联产业的结构调整与发展,提升国内PM2.5云监测平台的国际竞争力,具有重要的战略意义。

 

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