CN115146484A - 一种用于检测环境参数的环保监控系统及监控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种用于检测环境参数的环保监控系统及监控方法，所述位置信息单元根据输入的待监控位置数据，当所述位置信息单元接收到关于待监控位置的信息时，获取以待监控位置为中心的固定半径范围内的多个外部设备的测量数据，并加载到数据库；所述建模单元根据所述加载到数据库的数据，输入设定模块收集所述加载到数据库的数据，生成以接待监控位置为中心固定半径范围内的网格图；分析模块通过监测站的物联网传感器的传感数据以及气象设备提供的气象数据构建污染气体扩散模型，对待监控位置周围区域污染情况进行时空监测和分析，制作待监控位置周围区域内的污染气体扩散分布图。
Description
技术领域
本发明属于城市环境空气质量监测技术领域，尤其涉及一种用于检测环境参数的环保监控系统及监控方法。
背景技术
近年来，环境的污染程度越来越高，因为环境污染问题带来的社会问题也越来越明显，人们的环境保护意识也逐步增强。特别是突发性的大气污染，具有污染范围广、扩散快等特点，易造成重大的危害。快速实时的大气环保监控可视化表达，能够直观地掌握大气污染扩散的浓度范围、运动方向、衰减趋势等特征，可为大气污染预测分析以及应急处理提供重要参考。现有大气污染模型模拟可视化表达普遍存在不能有效集成地理信息、缺失部分重要维度特征等问题。
环保监控系统操作简单，各地网格监控取得了较大成效，但同时也存在诸多急需改善之处：1)监测站点往往覆盖范围狭小；2)缺乏精准的数据分析，庞大的历史监测数据没有得到充分的分析利用；3)监测与监管结合不紧密，对突发性污染事件很难做出快速响应和提前预判，难以满足大气污染治理需求。
例如，现有技术中的专利文献CN108228840A公开了一种环保监测控制方法、装置、终端、计算机可读存储介质及系统，实时获取环保监测设备所采集的当前污染物监测数据、环保监测设备的当前工作参数以及当前运行状态；根据当前污染物监测数据确定污染排放异常等级；根据多个当前工作参数和当前运行状态，通过机器学习和大数据算法确定设备异常等级；根据污染排放异常等级确定环境解决方案，以及根据设备异常等级确定设备解决方案；将环境解决方案推送至处理人员，并根据设备解决方案对环保监测设备进行反向控制。但是该技术方案监测的参数过于单一，监测结果不够精确。
再例如，现有技术中的专利文献CN111242822A公开了一种智慧环保大数据服务集成管理系统，由基于大数据建设的四个子系统组合而成，四个子系统包括：水资源综合管理子系统、大气复合污染综合管理子系统、固体废物监管子系统、噪声污染监管子系统；所述四个子系统基于大数据建设平台形成相互独立设置且自动控制运行的智慧环保大数据服务集成管理系统，所述大数据建设平台由感知层、传输层、智慧层和服务层组成，实现了对水污染、大气污染源、固体废弃物、噪声污染方面进行全面监控。但是该技术方案无法预测一段时间内污染物的扩散趋势，只能实时监测。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出了一种用于检测环境参数的环保监控系统，包括数据库、位置信息单元、建模单元及外部设备；
所述位置信息单元根据输入的待监控位置数据，获取以待监控位置为中心的固定半径范围内的多个外部设备的测量数据，并加载到数据库；
所述建模单元根据所述加载到数据库的数据，对待监控位置周围区域进行污染气体扩散模型建立，并构建污染气体扩散分布图。
进一步地，所述建模单元包括输入设定模块、分析模块和虚拟空间模块；所述外部设备包括监测站、气象设备以及地理信息提供设备；
所述输入设定模块收集所述加载到数据库的数据，生成以待监控位置为中心固定半径范围内的网格图；
所述分析模块通过监测站的物联网传感器的传感数据以及气象设备提供的气象数据构建污染气体扩散模型：
式中，
表示污染物扩散后在扩散点处的浓度；x，y，z为扩散点的坐标，t为时间；Q为污染释放率；u、v、w分别代表主风向、横风向和垂直向的风速矢量值；
、
、
为X，Y，Z方向扩散系数，h为待测点高度；
所述虚拟空间模块将所述污染气体扩散模型及地理数据应用于网格图，构建污染气体扩散分布图。
进一步地，所述污染气体扩散模型采用三个闭合的等值线表示，每个等值线的浓度值C(i)的计算公式为：
其中i为等值线的序号，i=0，1，2；
根据所述等值线的浓度值绘制污染物浓度等值线。
进一步地，所述虚拟空间模块将污染浓度等值线插入到所述输入设定模块生成的网格图中，建立待监测位置区域的虚拟污染气体扩散分布图，所在虚拟污染气体扩散分布图包括环境参数管理界面。
进一步地，所述虚拟空间模块构建时间累积虚拟扩散网格图，包括：
计算单位时间Δt内污染物向x方向、y方向以及z方向的移动距离
、
、
，污染物质在单位，时间内移动距离由流速与时间的长度之积V×Δt表示；单位时间内流速的x、y、z方向的分量由
、
、
表示，则在连续的n个时间内移动的累积移动距离Lx、Ly、Lz为：
进一步地，所述环保监控系统还包括预警单元，预警单元检查累积移动距离与基准距离的大小的相对关系，判定x方向、y方向及z方向上的累积移动距离Lx、Ly、Lz是否大于基准距离，在累积移动距离Lx、Ly、Lz中的任一个大于基准距离R×dx、R×dy、R×dz的情况下，进入预警通知，dx、dy、dz分别是x方向、y方向及z方向上的单位基准距离，R是为比1小系数。
进一步地，其特征在于，所述数据库包括存储来自地理信息提供设备提供的地理数据的地理数据库，存储来自气象设备提供的气象数据的气象数据库，存储来自监测站提供的环境污染数据的污染数据库。
本发明还提出了一种用于检测环境参数的环保监控方法，采用上述的环保监控系统实现，包括如下步骤：
接收关于待监控位置的信息，获取以待监控位置为中心的固定半径范围内的多个外部设备的测量数据，生成以待监控位置为中心的网格图；
构建污染气体扩散模型：
式中，
表示污染物扩散后在扩散点处的浓度；x，y，z为扩散点的坐标，t为时间；Q为污染释放率；u、v、w分别代表主风向、横风向和垂直向的风速矢量值；
、
、
为X，Y，Z方向扩散系数，h为待测点高度；
将所述污染气体扩散模型及气象数据应用于网格图，构建污染气体扩散分布图。
进一步地，采用三个闭合的等值线表示，每个等值线的浓度值C(i)的计算公式为：
其中i为等值线的序号，i=0，1，2；
根据所述等值线的浓度值绘制污染物浓度等值线；
将污染物浓度等值线插入到所述网格图中，建立待监测位置区域的虚拟扩散网格图。
进一步地，计算单位时间Δt内污染物向x方向、y方向以及z方向的移动距离
、
、
，污染物质在单位，时间内移动距离由流速与时间的长度之积V×Δt表示；单位时间内流速的x、y、z方向的分量由
、
、
表示，则在连续的n个时间内移动的累积移动距离Lx、Ly、Lz为：
相比于现有技术，本发明具有如下的有益技术效果：
收集数据库中待监控位置周围区域的相关数据，生成以待监控位置为中心的网格图，构建污染气体扩散模型，以平流-扩散微分方程为依据，在扩散系数为定值条件下，平流-扩散微分方程的解为标准正态分布，充分考虑了环境因素和气象因素对污染气体扩散的影响。
将染气体扩散模型及气象数据应用于所述网格图，构建污染气体扩散分布图；计算污染物等值线上的浓度值，绘制污染物浓度等值线；将污染浓度等值线插入到所述网格图中，建立待监控位置区域的虚拟扩散网格图。将等值线与网格图相结合，建立更加直观的虚拟扩散网格图。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明用于检测环境参数的环保监控系统的框图；
图2为本发明的建模单元的内部结构示意图；
图3为以接待监控位置为中心绘制待监控的区域网格图；
图4为本发明的采用矢量椭圆形来近似地表示的等值线示意图；
图5为以实际地图为例绘制的污染浓度等值线；
图6为本发明用于检测环境参数的环保监控方法的流程图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本发明的具体实施例附图中，为了更好、更清楚的描述系统中的各元件的工作原理，表现所述装置中各部分的连接关系，只是明显区分了各元件之间的相对位置关系，并不能构成对元件或结构内的信号传输方向、连接顺序及各部分结构大小、尺寸、形状的限定。
如图1所示，为本发明用于检测环境参数的环保监控系统的框图。用于检测环境参数的环保监控系统100包括数据库110，位置信息单元120，建模单元130及外部设备。
数据库的数据来源于外部设备，该外部设备与环保监控系统的数据库110无线连接。外部设备包括监测站200、气象设备300、地理信息提供设备400。因此，数据库110包括存储来自地理信息提供设备400提供的地理数据的地理数据库111，存储来自气象设备300提供的气象数据的气象数据库112，存储来自监测站200提供的环境污染数据的污染数据库113。
当位置信息单元120接收到关于待监控位置的信息时，待监控位置的相关数据被自动地从外部设备加载到数据库110。相关数据包括：待监控位置的地理数据、污染数据和气象数据。
用于监测空气污染气体的多个物联网传感器安装在多个监测站200中。位置信息单元120根据输入的待监控位置数据，获取以接待监控位置为中心的固定半径范围内的多个监测站200的监测数据。
例如，如果监测站200是监测水处理设施周围环境的设备时，则安装在水处理设施中的物联网传感器可以监测到周围环境中的臭氧和氯气；当监测站200为监测污水处理设施周围环境的设备时，安装在污水处理设施中的物联网传感器可以监测周围环境中的甲烷、一氧化碳、二氧化碳和氨。
气象设备300提供待测点周围区域的实时气象数据。这里，气象设备300可以获取气象机构提供的待测点周围区域的气象数据。
地理信息提供设备400提供关于待监控位置周围区域内的地理信息。例如，地形情况，周围建筑情况等。
每个监测站200安装的物联网传感器测量监测站200周围的空气污染气体数据，并通过物联网网络传输至数据库110，建模单元130根据测量的空气污染气体数据，结合气象设备300、地理信息提供设备400提供的数据，对待监控位置的污染情况进行时空监测和分析，制作待监控位置周围区域内的污染气体扩散分布图。
如图2所示，为建模单元的内部结构示意图，包括：输入设定模块131、虚拟空间模块132和分析模块133。
输入设定模块131收集数据库中待监控位置的相关数据，生成以待监控位置为中心的网格图，相关数据包括：待监控位置的地理数据、污染数据和气象数据。如图3所示，以待监控位置为中心绘制待监控区域的网格图，待监控的区域具有多个物联网传感器，多个物联网传感器将待监控的区域分成许多相邻的三角形，三角形的一边是共同的，一边的两端点分别为两个物联网传感器，每个三角形构成一个最小单元的网格。
分析模块133通过监测站200的物联网传感器的传感数据以及气象设备提供的气象数据构建污染气体扩散模型。
根据传感数据，判断大气污染物种类。例如，当环境设备200为水处理设备时，空气污染气体包括臭氧、氯气等，或者当环境设备200为污水处理设备时，空气污染气体为甲烷、硫化氢、氨气、一氧化碳等。
根据气象数据监测风速和风向，根据云况、云量、太阳辐射状况和地面风速等常规气象资料，划分大气稳定度。把大气对污染的扩散能力用A,B,C,D,E,F六个等级表示，扩散系数
、
、
是表征扩散剧烈程度的物理量，是影响污染物浓度的重要参数。
污染气体扩散模型在假设污染物浓度根据离空气污染物中轴的距离形成正态分布的假设下，预测空气污染物的扩散。在突发性大气污染事故中，瞬间排出的废气由于风向和风速等影响，在大气中通常形成扩散烟流。
污染气体扩散模型以平流-扩散微分方程为依据，在扩散系数为定值条件下，平流-扩散微分方程的解为标准正态分布。
污染气体扩散模型如下式所示：
式中，
表示污染物扩散后在扩散点处的浓度；x，y，z为扩散点的坐标，t为时间；Q为污染释放率；u、v、w分别代表主风向、横风向和垂直向的风速矢量值；
、
、
为X,Y,Z方向扩散系数，即为污染物在X,Y,Z方向上分布的标准差；h为待测点高度。污染气体扩散模型以待监控位置为坐标原点，在坐标系定义中，X轴为主风向，Y轴为横风向，Z为垂直于XY平面的方向。
所述虚拟空间模块132将所述污染气体扩散模型应用于地理数据，构建虚拟扩散网格图。
污染气体扩散模型的最终目的是在地理电子地图上以浓度的等值线形式表示污染物扩散后的浓度分布情况。在生成等值线前首先需要确定等值线的浓度值，根据点集中的最大浓度和最小浓度以及所需要得到的等值线层数计算出每层等值线浓度值。
本实施例采用三个闭合的等值线曲线表示，每个等值线的浓度值C计算公式为：
其中i为等值线的序号，i=0，1，2；
随后计算污染物的浓度值为C的等值点。
由于系统精确度、计算速度等要求和空间分析的要求，本实施例采用矢量椭圆形来近似地表示等值线，如图4所示，这样既基本地保证了预测的精确性，又可以大大地提高系统的计算时间。
绘制污染物浓度值为C的等值线的算法如下:
（1）以扩散源为坐标原点0，假设风向为X轴正向；
（2）沿X轴方向，以一定的步长(Stepl)在X轴上取点，得到浓度值和C最接近的点A的坐标；
（3）以点0和点A的中点为起始点，沿Y轴正向以一定的步长(Step2)取点，得到浓度值和C最接近的点B的坐标，同理求出B点关于X轴的对称点C的坐标；
（4）作由0,A,B,C所确定的矩形的内切椭圆，即为污染浓度为C的等值线，在图5中，示出了以实际地图为例绘制的等值线。
用户终端可以接收由虚拟空间模块132绘制的等值线，例如，用户终端可以是主管行政机构提供的终端或附近居民提供的终端，但不限于此。污染气体扩散分布图可以在发生事故或灾害时能够迅速地向主管行政机关或附近的居民发送信息。
虚拟空间模块132将污染浓度等值线插入到输入设定模块生成的网格图中，建立待监控位置区域的虚拟扩散网格图，所在虚拟扩散网格图中包括环境参数管理界面。具体的，在待监控位置区域的虚拟扩散网格图所在界面中显示环境分析数据，环境分析数据包括：首要污染物、污染浓度等值点、AQI和时间。优选地，用户还可以通过时间列表更换环境监控数据的采集时间。
根据污染物质的不同，在该待监控位置区域内存在完全没有覆盖监测站的情况。在这种情况下，可以待监控位置区域周围100km以内的监测站的监测数据，通过以下式求出待监控位置区域的污染度BC：
其中，Zj为在第j个监测站的监测数据，dj为从第j个观测地点至对象地点的距离，m为观测地点的个数。
在优选实施例中，虚拟空间模块132还可以构建时间累积虚拟扩散网格图。计算x方向、y方向或z方向上的基于平流的累积移动距离，先按单位时间内向x方向、y方向以及z方向的移动距离的计算，其次进行基于多个时间内的向x方向、y方向以及z方向的累积移动距离的计算。
Δt是单位时间，污染物质在单位时间内移动距离由流速与时间的长度之积V×Δt表示。流速的x、y、z方向的分量由Vx、Vy、Vz表示，因此移动距离的x、y、z方向的分量由ΔLx、ΔLy、ΔLz表示。在连续的n个时间内移动的累积移动距离Lx、Ly、Lz为：
其中，
、
、
分别为单位时间内移动距离的x、y、z方向的分量；
、
、
分别为单位时间内流速的x、y、z方向的分量。
在优选实施例中，环保监控系统还包括预警单元，预警单元判断累积移动距离比基准距离长还是短，检查累积移动距离与基准距离的大小的相对关系。即，判定x方向、y方向及z方向上的累积移动距离Lx、Ly、Lz是否大于基准距离。在累积移动距离Lx、Ly、Lz中的任一个大于基准距离R×dx、R×dy、R×dz的情况下，进入预警通知。dx、dy、dz分别是x方向、y方向及z方向上的单位基准距离，R是在决定基准距离时确定的系数，优选为比1小的值。
本发明还提出了一种用于检测环境参数的环保监控方法，如图6所示，包括如下步骤：
收集数据库中待监控位置周围区域的相关数据，生成以待监控位置为中心的网格图；
构建污染气体扩散模型；
将所述污染气体扩散模型及气象数据应用于所述网格图，构建污染气体扩散分布图；
计算污染物等值线上的浓度值，绘制污染物浓度等值线；
将污染浓度等值线插入到所述网格图中，建立待监控位置区域的虚拟扩散网格图。
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本申请实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者通过所述计算机可读存储介质进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如，固态硬盘(solid state disk，SSD))等。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种用于检测环境参数的环保监控系统，其特征在于，包括数据库、位置信息单元、建模单元及外部设备；
所述位置信息单元根据输入的待监控位置数据，获取以待监控位置为中心的固定半径范围内的多个外部设备的测量数据，并加载到数据库；
所述建模单元根据所述加载到数据库的数据，对待监控位置周围区域进行污染气体扩散模型建立，并构建污染气体扩散分布图。
2.根据权利要求1所述的环保监控系统，其特征在于，所述建模单元包括输入设定模块、分析模块和虚拟空间模块；所述外部设备包括监测站、气象设备以及地理信息提供设备；
所述输入设定模块收集所述加载到数据库的数据，生成以待监控位置为中心固定半径范围内的网格图；
所述分析模块通过监测站的物联网传感器的传感数据以及气象设备提供的气象数据构建污染气体扩散模型：
式中，
表示污染物扩散后在扩散点处的浓度；x，y，z为扩散点的坐标，t为时间；Q为污染释放率；u、v、w分别代表主风向、横风向和垂直向的风速矢量值；
、
、
为X，Y，Z方向扩散系数，h为待测点高度；
所述虚拟空间模块将所述污染气体扩散模型及地理数据应用于网格图，构建污染气体扩散分布图。
3.根据权利要求2所述的环保监控系统，其特征在于，所述污染气体扩散模型采用三个闭合的等值线表示，每个等值线的浓度值C(i)的计算公式为：
其中i为等值线的序号，i=0，1，2；
根据所述等值线的浓度值绘制污染物浓度等值线。
4.根据权利要求3所述的环保监控系统，其特征在于，所述虚拟空间模块将污染浓度等值线插入到所述输入设定模块生成的网格图中，建立待监测位置区域的虚拟污染气体扩散分布图，所在虚拟污染气体扩散分布图包括环境参数管理界面。
5.根据权利要求3所述的环保监控系统，其特征在于，所述虚拟空间模块构建时间累积虚拟扩散网格图，包括：
计算单位时间Δt内污染物向x方向、y方向以及z方向的移动距离
、
、
，污染物质在单位时间内移动距离由流速与时间的长度之积V×Δt表示；单位时间内流速的x、y、z方向的分量由
、
、
表示，则在连续的n个时间内移动的累积移动距离Lx、Ly、Lz为：
6.根据权利要求5所述的环保监控系统，其特征在于，所述环保监控系统还包括预警单元，预警单元检查累积移动距离与基准距离的大小的相对关系，判定x方向、y方向及z方向上的累积移动距离Lx、Ly、Lz是否大于基准距离，在累积移动距离Lx、Ly、Lz中的任一个大于基准距离R×dx、R×dy、R×dz的情况下，进入预警通知，dx、dy、dz分别是x方向、y方向及z方向上的单位基准距离，R是为比1小系数。
7.根据权利要求2所述的环保监控系统，其特征在于，所述数据库包括存储来自地理信息提供设备提供的地理数据的地理数据库，存储来自气象设备提供的气象数据的气象数据库，存储来自监测站提供的环境污染数据的污染数据库。
8.一种用于检测环境参数的环保监控方法，其特征在于，采用如权利要求1-7任意一项所述的环保监控系统实现，包括如下步骤：
接收关于待监控位置的信息，获取以待监控位置为中心的固定半径范围内的多个外部设备的测量数据；
生成以待监控位置为中心的网格图，构建污染气体扩散模型：
式中，
表示污染物扩散后在扩散点处的浓度；x，y，z为扩散点的坐标，t为时间；Q为污染释放率；u、v、w分别代表主风向、横风向和垂直向的风速矢量值；
、
、
为X，Y，Z方向扩散系数，h为待测点高度；
将所述污染气体扩散模型及气象数据应用于网格图，构建污染气体扩散分布图。
9.根据权利要求8所述的环保监控方法，其特征在于，采用三个闭合的等值线表示，每个等值线的浓度值C(i)的计算公式为：
其中i为等值线的序号，i=0，1，2；
根据所述等值线的浓度值绘制污染物浓度等值线；
将污染物浓度等值线插入到所述网格图中，建立待监测位置区域的虚拟扩散网格图。
10.根据权利要求9所述的环保监控方法，其特征在于，
计算单位时间Δt内污染物向x方向、y方向以及z方向的移动距离
、
、
，污染物质在单位时间内移动距离由流速与时间的长度之积V×Δt表示；单位时间内流速的x、y、z方向的分量由
、
、
表示，则在连续的n个时间内移动的累积移动距离Lx、Ly、Lz为：
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|---|---|---|---|
| CN202211059260.7A CN115146484A (zh) | 2022-08-31 | 2022-08-31 | 一种用于检测环境参数的环保监控系统及监控方法 |
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| CN202211059260.7A CN115146484A (zh) | 2022-08-31 | 2022-08-31 | 一种用于检测环境参数的环保监控系统及监控方法 |
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| Publication Number | Publication Date |
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| CN115146484A true CN115146484A (zh) | 2022-10-04 |
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