基于物联网的城市交通污染气体排放监控预警系统.pdf

基 于物联 网的城 市交通污染气体排放监控预警系统 2 1 基于物联网的城市交通污染气体排放监控预警系统 高锐锋 ， 魏 ( 1 环境模拟与污染控制国家重点联合实验室， 北京 明 ， 徐琛 1 0 0 0 8 4 ； 2 南通大学 交通学院， 江苏 南通2 2 6 0 1 9 ) 摘要 ： 交通污染气体排放是影响城 市环境质量的主要 因素之一。融合 G I S 、 G P R S以及 G P S技术 ， 本 系统 通过传感器动态跟踪监测点附近的道路 交通污染气体排放 量， 以及与之相关的影响因素 ， 如 ： 交通流、 道 路线形、 天气等 ， 利用 K 近邻算法挖掘其 内在联 系， 结合 实际交通状况 ， 构建能够准确反映交通 污染气 体在时空上的排放量分布预警模型， 为如何 降低 交通污染排放提供 决策支持依据。实验结果表明， 本 系 统能准确预测交通污染气体的排放分布趋势， 为交通管理部 门进行道路 交通管理提供依据。 关键词 ： 交通污染气体 ； 预警与决策； 物联 网 中图分类号 ： X 7 3 4； U 4 9 1 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 08 8 2 9 ( 2 0 1 6 ) 0 70 0 2 1 0 4 M o n i t o r i n g a n d W a r nin g S y s t e m o f Ur b a n Tr a f fic Po l l u t i o n Ga s e s Ba s e d o n I nt e r n e t o f Thi ng s GAO Ru i f e n g - ， WEI Mi n g ， XU Ch e n ( 1 S t a t e K e y J o i n t L a b o r a t o r y o f E n v i r o n me n t S i m u l a t i o n a n d P o l l u t i o n C o n t r o l ， B e i j i n g 1 0 0 0 8 4 ， C h i n a ； 2 S c h o o l o f T r a n s p o r t a t i o n ， N a n t o n g U n i v e r s i t y ， N a n t o n g 2 2 6 0 1 9 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T r a f f i c p o l l u t i o n e mi s s i o n i s o n e o f t h e ma i n f a c t o r s a f f e c t i n g t h e q u a l i t y o f t h e u r b a n e n v i r o n me n t A p o l l u t i o n e mi s s i o n mo n i t o r i n g a n d wa r ni n g s y s t e m wh i c h c a n o b t a i n t h e t r aff i c a i r q u a l i t y wi t h s e n s o r s i s p r e s e n- t e d I t c a n d y n a mi c t r a c k t h e a f f e c t o f p o l l u t i n g g a s e s e mi s s i o n s u c h a s t r aff i c fl o w， r o a d a l i g n me n t ， we a t h e r ， e t c T h e s y s t e m c a n e v a l u a t e i t s t r affi c p o l l u t i o n e mi s s i o n s w i t h t h e i mp a c t o f d i s t rib u t i o n a n d t h e n t a p t h e i r i n t e r n a l r e l a t i o n s Af t e r t h a t ， a wa r n i n g mo de l i s b ui l t wh i c h c a n a c c ur a t e l y r e fle c t t h e t r affic e mi s s i o n s o f p o l l u- t i n g g a s e s i n t h e s pa c e t i me d i s t rib u t i o n Ex pe rime n t a l r e s u l t s s ho w t ha t t h e s y s t e m c a n a c c u r a t e l y p r e d i c t t he d i s t r i b u t i o n o f t r aff i c p o l l u t i o n g a s e mi s s i o n s t r e n d s ， a n d p r o v i d e e v i d e n c e f o r t h e t r aff i c ma n a g e me n t d e p a 一 m ent Ke y wo r ds ： t r a f f i c p o l l ut i o n g a s e s ； wa r ni n g a n d d e c i s i o n ma k i n g ； I n t e r ne t o f t h i n g s 随着我国经济水平的快速发展 ， 机动车保有量大 幅提高， 交通机动化程度加剧引起的大气污染、 噪声污 染 ， 已成为影响城市环境质量的主要 因素之一。环境 监测数据显示 ， 全 国 1 1 3个城市 中空气 质量不达标 的 环保重点城市 占到 了 1 3， 甚至有部分地 区出现 了每 年长达 7个月的灰霾天气 ， 这些极端 天气 的出现与 收稿 日期 ： 2 0 1 5 0 8 3 1 基金项目： 国家自然科学基金( 1 5 K J B 5 8 0 0 1 1 ) ； 环境模拟与污染 控制 国家重点 联合 实验 室专项 基金 课题 ( 1 4 K 0 7 E S P C T ) ； 2 0 1 3 年度江苏省建设 系统科技项 目( 2 0 1 3 Z D 3 8 ) ； 南通大学 自然科 学基金 项 目( 1 3 Z 0 1 4) ； 国家级 大学 生创新 训 练计 划项 目 ( 2 0 1 4 1 0 3 0 4 0 3 9 ) 作者简介： 高锐锋( 1 9 8 4 一) ， 男， 江苏南通人， 硕士， 助教 ， 主要 研究方向为物联网技术； 魏明( 1 9 8 4 一) ， 男， 安徽芜湖人 ， 博士 后 ， 讲师 ， 主要研 究方向为公交调度。 机动车尾气排放关系密切。机动车尾气排放的一氧化 碳( C O ) 、 碳氧化合物( H C ) 、 氮氧化物( N O x ) 以及颗粒 物( P M) 己成为城市空气污染主要来源_ 2 。加剧的大 气环境污染， 不仅严重损害着人们的健康， 影响人们正 常的工作和生活 ， 同时对社会经济的发展也存在一定 的危害。 解决交通污染气体排放的一个重要环节就是对其 影 响因素和传播规律的研究 ， 通过对交通污染气体排 放的影响因素和传播规律的分析， 才能更有针对性地 治理交通污染气体排放。当前针对交通污染气体排放 的交通管理研究仅限于污染气体与交通限流、 污染气 体与季节之间的关系 I 4 J 。实际上， 交通污染气体的 排放分布是一个多因素综合影响的结果 ， 不仅与交通 流、 天气之间相关 ， 还与道路线形设计以及道路几何特 征密切相关 。 基 于物联 网的城 市交通污染气体排放监控预警 系统 2 3 2 2 2交通流监测传感器 系统采用 T S WE C D 2 0型地磁 检测器 获取实 时 交通流数据 ， 该检测器 通过检测 车辆 的存在 通过模 式， 换算为交通流信息。传感器安装于道路车道中央， 分布多个传感器实现对道路的断面交通流测量。传感 器采用高性能的电池技术和 Z i g B e e 无线传输技术， 向 安装与路边的交通流监测节点处理器传输所检测到的 数据， 该传感器具有外形小巧、 防风防雨、 抗重压等特 点 ， 目前 已广泛应用于城市道路 。 2 3 通信模块 系统通过 G P R S与 I n t e r n e t 网络建立连接 ， 实现数 据采集终端与监管中心之间的数据通信。G P R S网络 具有覆盖面广、 实时性高、 建设运营成本低等特点， 为 系统的实时动态数据传输提供保障。G P R S模块采用 华为 G T M9 0 0 C型双频 9 0 0 1 8 0 0 MH z G P R S芯 片， 内 部 集 成 T C P I P协 议 模 块 ， 并 支 持 G S M0 7 0 5与 G S M 0 7 0 7 T C P I P扩展 A T指令集 J 。该模块通过 R S 2 3 2串口与 MC U建立连接。 2 4 信息发布屏 交通诱导信息发布屏采用 P I O双基色显示屏 ， 可 以显示红黄绿三种颜色。通过灵信视觉公司生产的 L S W7型控 制 器 实 现 显示 屏 的播 放。L S - W7 内置 G P R S模块 ， 管理中心通过 I n t e r n e t 网络与 G P R S网络 相连， 将诱导信息无线发送至 L s W7模块， 实现诱导 信息的远程实时发布。 3 软件设计 城市道路交通污染物排放监控预警系统的软件包 括数据采集终端软件、 信息发布软件以及监管中心服 务器( 上位机) 软件三部分 。 3 1 数据采集节点软件 数据采集终端软件包括数据获取模块、 数据存储 模块以及数据发送与接收模块 ， 其软件流程 图如 图 3 所示 ， 分别负责实时获取道路交通污染气体 、 交通流信 息或气象数据， 同时定时向监管中心服务器发送数据。 ( 开 始 ) 定 时 中 断 初始化 唤醒微处理器 1 1 调用数据获取模块 数据打包 调用数据发送模块 ：设 置 低 功 耗 模 式) 图 3 数据采集节点软件流程图 外部定时中断定 时唤醒微处理器 ， 数据获取模块 采集传感器监测到的数据并向 G P S模块发送查询指 令 ， 通过 U A R T中断接 收 G P S模块发 出的位置信息 。 微处理器将接收到的位置信息， 结合传感器的感知数 据， 进行处理打包 ， 附加上实时时间， 形成标准数据格 式 ， 调用数据发送模块 ， 通过 G P R S将数据发送至监管 中心服务器。 3 2 信息发布软件 道路交 通诱 导 发 布 屏通 过 L s - W7控 制 器 中的 G P R S 模块接收来 自监管中心发出的诱导指令， 驱动 显示屏显示诱导信息， 提醒驾驶员依据诱导信息选择 路线行驶。具体程序流程图如图4 所示。 GP R S 接收中断 调用数据接收模块 发布显示数据 0 l 回 馈 信息 接收 显示状 态 图 4 诱导信息发布软件流程 图 3 3上位机设计 该上位机运用 c # 窗体控件编写， 其中包含 G I S实 时显示模块、 污染气体预警决策模块以及交通诱导发 布模块 。在监测 区域 中 ， 各检测节 点实 时反馈 自身所 采集到的数据， 监管中心将数据存入 S Q L S e r v e r 数据 库中。上位机查询数据库中的数据， 通过 G I S地图实 时动态显示各检测点的空气质量以及交通流信息， 结 合历史数据， 基于 K 近邻算法， 构建污染气体预警模 型， 为管理部门决策提供依据。 3 3 1 G I S实时 显示模 块 监管中心服务器接收来自道路周边的各类数据采 集节点上传的数据， 并对接收到的各类监测数据进行 处理 ， 形成一条完整 的交通污染物排放机理分析数据 记录 ， 将该记录存储于数据库中 ， 同时通过 G I S地 图实 时动态显示各节点的检测数据 。 3 3 2污染气体预警决策模块 污染气体预警决策模型基于 K 一 近邻算法， 定量定 性分析各数据如交通流、 道路线形天气对交通污染物 排放的影响机理， 挖掘它们的内在联系， 结合实际道路 状况， 从交通规划、 设计、 控制和管理等视角， 当估计值 高于预警线时， 发出预警警报， 并据此自动生成应急管 理方案供监管人员参考。K 近邻算法是一个理论上比 较成熟的方法， 也是最简单的机器学习算法之一。该 方法的思路是： 如果一个样本在特征空间中的 个最 相似( 即特征空间中最邻近) 的样本中的大多数属于 某一个类别 ， 则该样本也属于这个类别。本系统预警 3 0 测控技术1 2 0 1 6 年第3 5卷第7 期 ( 上接第2 O页) 9 T o r r e s B ， P a u 6 一 Z a f o r t e z a I ， C a l d e r r n P A， e t a 1 A n M y s i s o f t h e s t r a i n t r a n s f e r i n a n e w F BG s e n s o r f o r S t r u c t u r a l He a l t h Mo n i t o r i n g J E n g i n e e r i n g S t r u c t u r e s ， 2 0 1 1 ， 3 3 ( 2 ) ： 5 3 9 5 48 1 0 卢兴国， 余晓芬 悬臂梁结构对应变式位移传感器特性 的影响 J 合肥工业大学学报( 自然科学版) ， 2 0 0 4 ， 2 7 ( 1 0 ) ： 1 1 4 41 1 4 6 1 1 李丽， 麻硕士 ， 裴喜春 基于 L a b V I E W 实现应变测试的 系统标定 J 内蒙古农业大学学报(自然科学版 ) ， 2 0 0 7 ， 2 8 ( 2 ) ： 1 5 41 5 6 1 2 Z h a o H T ， Wang Q B ， Q i u Y ， e t a1 S t r a i n t r a n s f e r o f s u r - f a c e - b o n d e d fi b e r B r a g g g r a t i n g s e n s o r s f o r a i r s h i p e n v e l o p e s t r u c t u r a l h e a l t h m o n i t o r i n g J J o u r n al of Z h e j i a n g U n i v e rs i t y - S c i e n c e A( A p p l i e d P h y s i c s & E n g i n e e r i n g ) ， 2 0 1 2 ， 1 3 ( 7 ) ： 5 3 8 5 4 5 1 3 N a t i o n al I n s t r u me n t s C o r p o r a t i o n S C X I - 1 5 2 0 C ali b r a t i o n P r o c e d u r e Z 2 0 0 3 1 4 余志武 ， 李进洲， 宋力 重载铁路桥梁疲劳试验研究 J 土木工程学报， 2 0 1 2， 4 5 ( 1 2 ) ： 1 1 51 2 6 1 5 于明月， 陈果， 刘永泉 ， 等 基于机匣应变信号的航空发 动机转静碰摩部位识别 J 航空学报， 2 0 1 3 ， 3 4 ( 6 ) ： 1 4 7 4 1 4 8 4 1 6 吴俊 ， 陈伟民， 章鹏， 等 金属直接连接的布拉格光纤光 栅应变测量方法 J 仪器仪表学报， 2 0 1 2 ， 3 3