本站原创
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 PM
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，，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。
（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、PM
（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内监测所得超细污染物精度（或者网络覆盖率以及连通性）之间的关系模型；
（5）根据该关系模型，在节能（即极小化采样点个数）的原则上确立优化采样点布设的目标函数；
（6）根据目标函数选择或设计合适的智能优化算法，利用该算法对已有的目标函数进行优化，获得最优的采样点布设。
最后，我们将利用光纤/无线融合接入网技术实现大量监测点之间的实时信息交换与智能组网，并将网络监测数据数据在中心局实现数据处理与信息发布；对于监测采样点采集得到的数据传输问题，可分别利用不同波长的光源在不同的采样点使用，并利用光纤和无源器件将不同的网络采样点与中心局连接起来组成光纤无源接入网络（PON）；亦可在不便铺设光纤或是需要灵活动态布设监测点的区域采用无线接入（或无线自组网）技术接入光纤网络进行监测数据的传输。由于监控系统数据传输的双向性，中心局亦可控制远端网络采样点的监测状态，远端监测采样点无需人工操作，可将监测网络的维护与人员成本降到最低；在中心局的信号处理和控制系统将所测得结果实时分析并通过G通信模块（网页/S）发送到用户终端。3 PM
我们拟利用基于激光散射原理的两种新方法实时监测大气颗粒污染物的浓度以及实时检测颗粒物不同直径大小的分布信息；通过测量待测采样点附近空气样本中的颗粒物浓度（微克/立方米）同时针对不同的颗粒物直径大小（PM10、PM2.5、PM1）的分别得出其空气样本中的对应的浓度，从而分辨监测得到的颗粒物中的可吸入颗粒物、可入肺颗粒物、以及可入呼吸道颗粒物的三种不同颗粒无浓度（微克/立方米）。第一种方法是待一股待测气体样本由进气口进入测量腔体，然后由气泵将待测气体压入一个极为细小的气管中，利用可见光激光器发出的光束在与气体传播垂直的方向上与每一个颗粒污染物碰撞。而被每一个颗粒物反射的光束的能量与颗粒物的大小成正比，散射的光束由一个高速光电二极管接收得到计数信号和颗粒物直径大小信息。所得的颗粒物数量和尺寸大小信息由一个RS232串口储存到单片机/电脑中。另一种监测方法则是在激光器光束垂直的传播方向上有一股待测气体由上到下被气泵抽运入测试仪器内，当激光光束与颗粒物发生90度散射并使光束改变传播方向，而散射光经过放置于与激光光束传播垂直处的反射镜汇聚到探测器中。该反射镜有30度左右的孔径角，由于不同直径大小的颗粒物对激光光束散射后光束的偏转角度不同。因此，可以通过测量反射镜处的光束孔径角度大小来推算出三散射颗粒物的直径的大小。所得到的颗粒物监测数据也可以通过特定的软件存储在单片机/电脑中。与传统的光散射原理方法相比较，这两种方法无需繁琐的校正光散射和颗粒物浓度之间的换算公式便可以直接得到待测空气样本中的PM10， PM2.5，以及PM1的颗粒物浓度与数量，具有简单、高效、可靠、可存储监测数据等许多优点。
其次，我们将利用光纤/无线融合接入技术实现区域内处于不同位置的大量网络采样监测点之间的实时信息交换与智能组网，形成大气超细颗粒污染物监测预警系统；
在监控区域内，拟采用光纤/无线融合接入方式为大量网络采样监测点智能组网并提供中心局与远端采样点的信息交换功能。在数据传输方面，采用无线接入技术与光纤接入技术相结合的网络，实现通讯网、互联网与传感网的全面融合与充分应用。一方面对于远端的传感单元（OSU；即监测采样点），可以采用光纤有线接入方式直接接入传感网络；另一方面，在一些不适宜布设光纤及需要灵活动态布设监测点的区域，可以采用无线自组网技术构建局域网，再通过处理节点采用光纤/无线融合技术将监测采样点接入光纤网络，进行异构网络数
这一无线自组网监测传感网络系统如图3所示。监测采样点有大气超细颗粒物监测器、解调模块、微处理器、射频（RF）收发模块以及电源组成，用于监测数据的采集和发送。汇集处理节点由收发信机、控制单元、微处理器、存储器等组成，它不仅可根据系统设定的参数定时采集监测采样点的数据，然后进行数据处理，换算为颗粒物浓度、数量、直径大小等信息，并分类存储，实现与各个监测采样点的有效通信，而且能够准确地通过G模块将报警信息发送给各种终端用户。为了保证监测采样点、汇聚处理节点和用户间数据的实时、可靠传输，我们计划研究能够实现监控传感网络的自组织协议等，采用分簇路由的方法将采集到的信息传送到汇聚处理节点。然后经过汇聚处理节点对多个采样点的数据进行处理，再通过G公网发送到用户终端，从而实现对系统的远程监测和分析。
4 结语
通过对PM2.5空气污染物的多参量监控将实时获取待测气体样本中的超细颗粒污染物的多种参数：如浓度、数量以及直径大小；依托绿色、低功耗、高速的光纤无线融合监控点接入组网技术能够将监控数据及信息，及时在预警体系中得以发布、分享，并推算特定区域内的大气颗粒污染物的发展趋势并预测近期结果。在实践操作中，先进智能算法的运用将优化监控网络远端采样点的分布与布局，并动态灵活的配置监控采样点的参数与工作时间；上述这些优势，将有效解决现代城市，尤其是人口密集城市的区域性空气污染监控问题，及时向社会相关主体公布空气污染等数据信息，帮助管理部门有效解决城市空气污染所导致的社会问题，通过科学决策实现城市秩序的稳定，为广大城市居民的身体健康提供有力保障。
参考文献
"Air Pollution & Cardiovascular Disease". National Institute of Environmental Health Sciences. http：///gkml/hbb/bgth/201011/W020101130374443039627.pdf
关键词：公共安全 PM
2.5 气溶胶 传感网 多参量监测
1007-9416（2013）01-0218-031 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，，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/无线源于：论文网站www.udooo.com
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、PM
2.5、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内监测所得超细污染物精度（或者网络覆盖率以及连通性）之间的关系模型；
（5）根据该关系模型，在节能（即极小化采样点个数）的原则上确立优化采样点布设的目标函数；
（6）根据目标函数选择或设计合适的智能优化算法，利用该算法对已有的目标函数进行优化，获得最优的采样点布设。
最后，我们将利用光纤/无线融合接入网技术实现大量监测点之间的实时信息交换与智能组网，并将网络监测数据数据在中心局实现数据处理与信息发布；对于监测采样点采集得到的数据传输问题，可分别利用不同波长的光源在不同的采样点使用，并利用光纤和无源器件将不同的网络采样点与中心局连接起来组成光纤无源接入网络（PON）；亦可在不便铺设光纤或是需要灵活动态布设监测点的区域采用无线接入（或无线自组网）技术接入光纤网络进行监测数据的传输。由于监控系统数据传输的双向性，中心局亦可控制远端网络采样点的监测状态，远端监测采样点无需人工操作，可将监测网络的维护与人员成本降到最低；在中心局的信号处理和控制系统将所测得结果实时分析并通过G通信模块（网页/S）发送到用户终端。3 PM
2.5空气污染物监控传感网络构建方案及优势分析
基于激光散射的新方法来监测待测气体样本中的颗粒污染物的多种参数，将实时在线监测采样点附近大气颗粒物污染状况；并利用光纤/无线接入网络技术实现大量网络采样点之间颗粒污染物数据与中心局的智能组网与信息交换，经过数据处理汇总出某特定区域内的整个大气污染状况。研究并开发针对大气超细颗粒污染物的实时在线监测网络系统。项目的整体研究思路如图1所示。具体研究的技术路线如下所述：我们拟利用基于激光散射原理的两种新方法实时监测大气颗粒污染物的浓度以及实时检测颗粒物不同直径大小的分布信息；通过测量待测采样点附近空气样本中的颗粒物浓度（微克/立方米）同时针对不同的颗粒物直径大小（PM10、PM2.5、PM1）的分别得出其空气样本中的对应的浓度，从而分辨监测得到的颗粒物中的可吸入颗粒物、可入肺颗粒物、以及可入呼吸道颗粒物的三种不同颗粒无浓度（微克/立方米）。第一种方法是待一股待测气体样本由进气口进入测量腔体，然后由气泵将待测气体压入一个极为细小的气管中，利用可见光激光器发出的光束在与气体传播垂直的方向上与每一个颗粒污染物碰撞。而被每一个颗粒物反射的光束的能量与颗粒物的大小成正比，散射的光束由一个高速光电二极管接收得到计数信号和颗粒物直径大小信息。所得的颗粒物数量和尺寸大小信息由一个RS232串口储存到单片机/电脑中。另一种监测方法则是在激光器光束垂直的传播方向上有一股待测气体由上到下被气泵抽运入测试仪器内，当激光光束与颗粒物发生90度散射并使光束改变传播方向，而散射光经过放置于与激光光束传播垂直处的反射镜汇聚到探测器中。该反射镜有30度左右的孔径角，由于不同直径大小的颗粒物对激光光束散射后光束的偏转角度不同。因此，可以通过测量反射镜处的光束孔径角度大小来推算出三散射颗粒物的直径的大小。所得到的颗粒物监测数据也可以通过特定的软件存储在单片机/电脑中。与传统的光散射原理方法相比较，这两种方法无需繁琐的校正光散射和颗粒物浓度之间的换算公式便可以直接得到待测空气样本中的PM10， PM2.5，以及PM1的颗粒物浓度与数量，具有简单、高效、可靠、可存储监测数据等许多优点。
其次，我们将利用光纤/无线融合接入技术实现区域内处于不同位置的大量网络采样监测点之间的实时信息交换与智能组网，形成大气超细颗粒污染物监测预警系统；
在监控区域内，拟采用光纤/无线融合接入方式为大量网络采样监测点智能组网并提供中心局与远端采样点的信息交换功能。在数据传输方面，采用无线接入技术与光纤接入技术相结合的网络，实现通讯网、互联网与传感网的全面融合与充分应用。一方面对于远端的传感单元（OSU；即监测采样点），可以采用光纤有线接入方式直接接入传感网络；另一方面，在一些不适宜布设光纤及需要灵活动态布设监测点的区域，可以采用无线自组网技术构建局域网，再通过处理节点采用光纤/无线融合技术将监测采样点接入光纤网络，进行异构网络数
摘自：学报论文格式www.udooo.com
据传输。同时，中心局的数据/指令也可以通过同一个路径由CO经过ODN发送到每一个远端网络采样点。值得注意的是，利用PON网络的优势，将光源等有源器件均集中在中心局，传输链路和远端采样点上都是无源器件。因此，中心局可以灵活的控制远端采样监测点的监测频率以及采样时间，同时亦可将监控传感网络系统的运维成本降到最低。同时利用两种组网方式，是由于无线接入方案具有短距离（市内0.5-1 km，郊区2-3 km）内覆盖范围比较灵活的优势，但其中长距离（10-100 km）接入组网比较困难；而光纤接入方案则能覆盖中长距离内的所有网络采样点。因此，采用这两种接入技术相融合的方案可以给监控网络提供更大的采样点分布与布局自由度（0-100km）。由于大气中的颗粒污染物分布状况与监测区域的地形条件、人口稠密、工商业发展程度等因素都有关系，监控传感网络系统需要针对特定区域的环境情况实际条件调整网络采样监测点的监测频率与采样时间，采样点的分布与布局，以及多少个监测点需要工作等等。这一无线自组网监测传感网络系统如图3所示。监测采样点有大气超细颗粒物监测器、解调模块、微处理器、射频（RF）收发模块以及电源组成，用于监测数据的采集和发送。汇集处理节点由收发信机、控制单元、微处理器、存储器等组成，它不仅可根据系统设定的参数定时采集监测采样点的数据，然后进行数据处理，换算为颗粒物浓度、数量、直径大小等信息，并分类存储，实现与各个监测采样点的有效通信，而且能够准确地通过G模块将报警信息发送给各种终端用户。为了保证监测采样点、汇聚处理节点和用户间数据的实时、可靠传输，我们计划研究能够实现监控传感网络的自组织协议等，采用分簇路由的方法将采集到的信息传送到汇聚处理节点。然后经过汇聚处理节点对多个采样点的数据进行处理，再通过G公网发送到用户终端，从而实现对系统的远程监测和分析。
4 结语
通过对PM2.5空气污染物的多参量监控将实时获取待测气体样本中的超细颗粒污染物的多种参数：如浓度、数量以及直径大小；依托绿色、低功耗、高速的光纤无线融合监控点接入组网技术能够将监控数据及信息，及时在预警体系中得以发布、分享，并推算特定区域内的大气颗粒污染物的发展趋势并预测近期结果。在实践操作中，先进智能算法的运用将优化监控网络远端采样点的分布与布局，并动态灵活的配置监控采样点的参数与工作时间；上述这些优势，将有效解决现代城市，尤其是人口密集城市的区域性空气污染监控问题，及时向社会相关主体公布空气污染等数据信息，帮助管理部门有效解决城市空气污染所导致的社会问题，通过科学决策实现城市秩序的稳定，为广大城市居民的身体健康提供有力保障。
参考文献
"Air Pollution & Cardiovascular Disease". National Institute of Environmental Health Sciences. http：///gkml/hbb/bgth/201011/W020101130374443039627.pdf