一、项目背景

1.1.         扬尘形成原因及种类

扬尘是由于地面上的尘土在风力、人为带动及其他带动飞扬而进入大气的开放性污染源，是环境空气中总悬浮颗粒物的重要组成部分。粉粒体在输送及加工过程中受到诱导空气流、室内通风造成的流动空气及设备运动部件转动生成的气流，都会将粉粒体中的微细粉尘首先由粉粒体中分离而飞扬，然后由于室内空气流动而引起粉尘的扩散，从而完成了从粉尘产生到扩散的过程。

扬尘分为多个种类，主要有道路扬尘、施工扬尘、堆场扬尘等，根据相关介绍扬尘属于无组织污染源，防治系数较大，是国家环保部十三五规划的重点课题，因此扬尘治理非常有必要进行，而精细化监控和扬尘管理就成了重中之重。

1.2.         政策解读

国家政策

国务院发布《大气污染防治法行动计划》十条措施力促空气质量改善，是当前和今后一个时期全国大气污染防治工作的行动指南。《行动计划》确定了十项具体措施，首条既提出综合整治城市扬尘和餐饮油烟污染。

地方政策

为指导我市扬尘在线监测系统建设，强化精细管理，加强在线监测监控，市环保局组织编制了《扬尘在线监测系统建设及运行技术要求（试行）》，为全市扬尘在线监测系统建设及运行提供技术支持。

1.3.         扬尘监测中所面临的问题

要做：1、扬尘造成污染日益严重，必须采取相应措施

2、综合整治，改善空气质量

面临问题：1、监测设备繁多，选型困难，参数多样

2、监测标准不同，安装复杂

3、是否能与监测平台无缝对接

如何做：1、以相关标准为建设基础

2、多平台实时监测，保障数据准确性

3、降低成本，最大化利用已有资源

二、建设方案

长期以来，对于建设工地扬尘带来的空气质量监管方面，由于不能得到实时的监测数据，或者收到举报无法得到与事实相对应的直接数据，一直是令政府监管部门十分困扰的事情。

本方案提供了一种对工地杨尘（空气中可吸入颗粒物）实时监测而且具有视频抓拍并存储功能的解决方案。通过远程数据监测系统可以对工地区域扬尘进行实时有效的监测管理。项目的全面实施，可将所包含的范围中所有的建设施工纳入监管范围，真正实现有效管理和标准化执法。

2.1扬尘在线监测系统

扬尘在线监测系统是一个物联网系统，主要由感知层（现场端在线监测设备）、传输层（专用传输网络）、应用层（监控中心）三个部分组成。

扬尘在线监测系统架构图如下：

 

1、感知层：污染源在线监测仪，包括颗粒物浓度监测仪、气象五参数监测仪、噪声监测仪和视频监控摄像机，对颗粒物浓度、气象参数、噪声和现场视频进行连续自动在线监测；

2、传输层：采用有线、无线、3G等方式传输各种监测数据；

3、应用层：面向不同环保局、建筑工地的客户端系统，实现基于Web的污染源实时数据在线监测、现场图像和视频的监控、污染源超标报警、以及面向不同管理层的各种管理与统计分析。

在线监测信息监控管理平台可支持各种终端平台通过公网访问，实现了基于Web的污染源实时数据在线监测，现场图像和视频的监控(包括对前端云台和摄像机的实时控制)、污染源超标报警、以及面向不同管理层的各种管理与统计分析。

2.2扬尘视频在线监测系统

扬尘监测智慧云平台集成物联网、大数据和云计算技术，通过光散射在线监测仪、气象参数监测、噪声监测、红外球形摄像头（具有视频抓拍功能）和数据图像视频采集传输等设备，实现实时、远程、自动监测PM2.5、PM10、气象参数、视频等感知层获取的原始数据及视频记录，并通过传输网络在云平台上对海量的专业数据及图像视频记录进行存储、处理、分析、整理，将结果数据转化成详细信息实时在监测终端或大屏幕进行显示，系统可同时向多个环保业务部门或多级、多个环境监控中心转发原始环境自动监测数据，实现数据的互联共享，形成一个统一协作又各司其职的全方位专项环境保护体系。

面对不同的用户我们提供不同的数据服务，在遇到环境污染超标时我们第一时间通过数据、图像取证以及视频抓拍取证通知相关部门对该区域进行督查，同时该区域污染排放负责人也能通过现场数据显示以及视频抓拍显示第一时间发现该问题并加以改善，实现了建筑工地扬尘污染在线监测、管理一体化，提升了科学管理的效率和能力。

2.3.扬尘视频在线监测系统优势

针对大气颗粒物污染进行实时监控并无缝对接监控平台，低成本满足要求，基于云计算的数据中心平台汇集不同区域、不同时段的监测数据、视频记录，具有海量存储空间，可进行多维度、跨数据统计与分析，便于管理与维护。

监测终端系统集成多个参数，二十四小时实时在线监测以及视频抓拍显示，可进行数据修约，系统数据超标或异常或恒值及时预报预警。

扬尘视频在线监测系统基于对城市扬尘污染监控管理的需求而设计，技术特点和优势主要体现在以下四点：

1、监测终端系统集成了总悬浮颗粒物、PM10、PM2.5、温度、湿度、风向和风速等多个环境参数，24小时在线连续监测，全天候提供工地的空气质量数据、图像、视频记录，超过报警值时还能自动启动监控设备，进行视频抓拍记录，具有多参数、实时性、智能化等特性；

2、通过传感网、无线网、因特网这三大网络传输数据，快速便捷地更新实时监测数据；

3、基于云计算的数据中心平台汇集了不同区域、不同时段的监测数据、视频记录，具有海量存储空间，可进行多维度、多时空的数据统计分析，便于管理部门有序开展工作，同时也为建立工地环境污染控制标准积累数据，以推动对空气污染的长效管理。

4、视频优势：扬尘视频在线监测仪的优势就在于其具有实时、自动、智能的抓拍、存储功能，而且还具有视频扬尘叠加功能。

三、扬尘视频在线监测系统架构

现场端（感知层）在线监测设备采用天津智易时代科技发展有限公司的ZWIN-VYC06扬尘视频在线监测系统实时采集建筑工地扬尘、噪声、视频、气象、气态污染物等数据，通过专用传输网络将数据传输到后端监测中心服务器，通过后端服务器与软件平台实现远程数据实时查看、历史数据调用、报表打印等功能，并支持手机客户端。

系统集成了物联网、大数据和云计算技术，通过光散射在线监测仪、360^o球形摄像头、气象四参数采集设备和采集传输等设备，实现了实时、远程、自动监控颗粒物浓度；数据通过采用3G网络传输，可以在智能移动平台、桌面PC机等多终端访问；监控平台还具有多种统计和高浓度报警功能，可广泛应用在散货堆场和码头、混凝土搅拌站以及工厂企业无组织排放的实时监控。

扬尘视频在线监测系统可以将两个及以上工地通过无线路由器连接起来，显示在一个服务器上，方便了运营商的操作与管理。

下图为扬尘视频在线监测系统网络拓扑架构框图：

HUB：集线器。“HUB”是“中心”的意思，集线器的主要功能是对接收到的信号进行再生整形放大，以扩大网络的传输距离，同时把所有节点集中在以它为中心的节点上。

NVR是(Network Video Recorder即网络硬盘录像机)的缩写。NVR最主要的功能是通过网络接收IPC(网络摄像机)设备传输的数字视频码流， 并进行存储、管理，从而实现网络化带来的分布式架构优势。 简单来说，通过NVR，可以同时观看、浏览、回放、管理、存储多个网络摄像机。摆脱了电脑硬件的牵绊，再也不用面临安装软件的繁琐。 

数据传输单元DTU (Data Transfer unit)，是专门用于将串口数据转换为IP数据或将IP数据转换为串口数据通过无线通信网络进行传送的无线终端设备。

路由器（Router）又称网关设备（Gateway）是用于连接多个逻辑上分开的网络，所谓逻辑网络是代表一个单独的网络或者一个子网。当数据从一个子网传输到另一个子网时，可通过路由器的路由功能来完成。因此，路由器具有判断网络地址和选择IP路径的功能，它能在多网络互联环境中，建立灵活的连接，可用完全不同的数据分组和介质访问方法连接各种子网，路由器只接受源站或其他路由器的信息，属网络层的一种互联设备。

四、云平台介绍

扬尘视频在线监测系统支持远程视频监控和扬尘在线监测。如下图曹县建筑工程管理局远程视频监控和扬尘在线监测系统（包括大屏幕，服务器机柜，软件平台，硬件设备）：

4.1系统登录

输入网址，进入智易时代扬尘在线监测系统平台的登录界面，用户需要输入用户名和密码登录系统，如图所示：

登陆进入扬尘视频在线监测系统界面显示分为两部分，左侧为实时视频画面，右侧为平台主页面，其中主页面包含6个功能模块，分别是实时监测、点位管理、数据查询、趋势分析、报警记录、用户管理。

4.2实时监测

通过系统首页左侧主菜单可以查看到系统实时监测的数据信息，利用GIS地图位置呈现功能，可结合电子地图确切的知道每个设备所在位置，通过点击地图上的设备图标可查看设备所配备各项传感器采集的实时监测因子，包括颗粒物、气象参数、视频等，双击视频播放界面可以实现放大或缩小，方便用户直观查看区域内所有监测点的部署情况和环境质量状况，实现了实时，远程，自动监控颗粒物浓度以及现场视频、图像的采集功能，而且还具有视频扬尘叠加功能。

实时视频画面可查看现场实时状况，如下图所示：

可以在视频上叠加点位名称以及各实时监测的数据记录，既方便又直观，如下图所示：

4.3点位管理

在主菜单栏的第二项功能模块是点位管理，点开点位管理栏，我们可以看到在表格的上方是添加点位的选择，可根据需要添加点位，按要求填入序号，点位编号，点位名称，详细地址，并在启用设备一栏打上对勾启动设备，还可以在地理位置一栏选择查看与变更选项， 导出数据打印时支持选用JPG图片、PDF、EXCEL、WORD文档多种格式，下一栏是添加时间，以及相关操作包括：编辑、删除、预警设置，如图所示：

4.4历史数据查询

系统提供历史数据查询功能，用户通过设置时间类型、点位名称、查询时间选项后，即可查看到所选择点位的历史数据信息，包括各项监测因子、数据更新时间等，查询结果支持选用EXCEL文档形式导出。

4.5趋势分析

数据展示支持折线图、柱状图、表格等多种形式，展示的内容为各项监测因子浓度的实时与历史分钟值、小时值，方便用户查看时间段内各项监测因子变化趋势，同时可以进行监测点位之间的各项参数的对比分析，用户可以自主设定展示的时间区间，导出打印时支持选用JPG图片、PDF、EXCEL、WORD文档多种格式。

4.6报警记录设置

污染物浓度预警设置，是针对污染物一旦超过某一数值系统会自动给使用者发送预警提示信息，一旦各项监测因子浓度出现异常波动时，系统启动超标报警，当达到预警设置后会发出报警信号，这个报警记录栏是便于在报警以后查看分析，如图所示：

通过报警记录，可以清楚知道发出报警的点位名称，报警时间以及各个监测数据的比较，监测数据包括：实时数值、限值以及倍数，查看数据清楚明白直观，而且用户数据收集报警记录还可以储存一段时间，在一定时间内随时查询分析，也可以和之前、之后的数据、或者和其他点位做对比。

4.7用户管理

对于不同的角色设置相应权限管理，一个角色关联了一套操作权限。系统共提供了三种操作权限。

系统用户：拥有系统的所有功能操作权限；

管理用户：拥有部分业务相关的功能操作权限；

普通用户：只能进行系统中相关内容的查询操作。

系统实现不同级别操作人员对数据访问范围和数据读写性的严格控制，建立统一用户管理平台实现所有用户的身份管理，包括用户个人身份信息、角色信息、电子邮箱、个人账号和密码。

五、硬件设备

5.1 ZWIN—VYC06扬尘视频在线监测仪

智易时代科技发展有限公司视频扬尘自动在线监测设备主要应用到的技术有：激光技术，微光电探测、微机控制技术和视频抓拍技术。以激光散射技术的空气颗粒测量仪具有多方面的优点：半导体激光使用寿命长，设计结构简单，故能降低系统的制作要求；微光电探测的应用，要求光电探测器的响应度高，线性度好，适合长时间工作的稳定性要好；微机技术控制整个系统协调工作，协调激光的光稳定调制，协调气泵的气流稳定控制，并且通过计算统计显示反映粒子颗粒的浓度，根据温度、湿度等多个气象参数进行扬尘排放浓度的数据修正。系统可同时对小于2.5um（PM2.5），小于10um（PM10）粒径范围的粒子进行分类统计，提供衡量工地扬尘排放环境质量的数字指标。

5.1.1工作原理

扬尘视频监测仪设备使用激光散射法测量扬尘浓度。用精密流量控制的真空泵吸入大气中的测试气体送至传感器测量组件。传感器测量组件是以Gustav Mie粒子光散射理论为基础，结合微光电探测技术而制作的一套完整的空气颗粒分布浓度测量系统。

扬尘监测原理图如下：

近年来，国外的激光在线粒度测量技术发展迅速，因为其具有连续自动取样、抗干扰能力强、实时显示报告、维护简便、可大规模应用、数据有代表性以及高性价比等特点。另外由光能分布反演计算出颗粒粒度分布的可靠准确算法，尤其是对多峰和窄分布颗粒样品的反演，也是国内外关注的热点。国外在用动态光散射粒度仪来测量纳米颗粒方面做了很大的努力并已有产品面世，而国内少数厂家正在研发这一技术。

在这个领域，正在研制和开发更先进的取样和分散装置(PM2.5和PM10同时监测)，提高在线激光粒度仪的测试精度，使在线与离线的测量结果相吻合,提升工业在线安装和应用的安全性及稳定性；可以预计，在线粒度测量与监测的发展将会给相关粉体工业带来巨大的效益和变革，激光在线测试技术将成为颗粒测试领域竞争的焦点并将会被逐步推广和应用。

新技术革命的到来，世界开始进入信息时代。在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。一个系统的准确性，首先依赖于感知元件的准确，因此可以说，优良的激光散射扬尘监测传感器，是本次项目前端设备关键所在，因此我们的前端监测设备采用的扬尘传感器的核心部件均为进口件。结合智易时代科技发展有限公司专业团队的技术攻关，研发出专用于工地现场进行扬尘监测的扬尘浓度测量传感组件。

5.1.2技术指标

供电方式：市政（220V）供电；

工作环境温度要求：-20ºC-55ºC；

工作环境湿度要求：15%RH-95%RH；

PM10测量范围：0~10000µg/m³；

检出限：20µg/m³；  分辨率：1µg/m³

温度测量范围：-20ºC-55ºC，

检出限：1ºC，  最小分辨率：±1ºC；

湿度测量范围：5%~95%RH，

检出限：1%RH，  最小分辨率：±1%RH；

风向测量范围：0~359º，

测量精度：±5º

5.1.3功能特点

1）采用激光散射法对颗粒物浓度进行测量；

2）整点、连续、实时三种采样模式，而且具有视频抓拍并存储的功能；

3）具有标准方法校准及自修正校准组合式校准功能；

4）体积小、重量轻、安装维护方便，可方便进行点位迁移；

5）具有设备信息管理、数据管理及数据质控功能，方便大批量设备运行管理。

6）监测设备因故障不能正常使用，在软件平台中具有自动报警功能，便于管理和维护；

7）具有GPS定位，无线数据传输功能；

8）利用扩散式测量技术，避免采样过程中吸附及材料干扰；

9）具有量程漂移及交叉干扰自修正功能。

5.1.4视频叠加效果图

可实时调出监控画面，既显示点位名称，又可在视频中叠加各项实时监测数据，实现可视化数据管理。

5.1.5内部结构

       

视频监控仪内部图                                                                                                                             扬尘监测仪内部图

5.2. β射线法颗粒物监测仪

 

ZWIN-BYC06型β射线分析仪/颗粒物浓度监测仪采用了β射线衰减的原理对粒子进行监测，可以实时监测环境大气中PM2.5、PM10、TSP颗粒物的浓度水平。该仪器长期广泛适用于环境空气颗粒物的浓度监测，如PM10，PM2.5，TSP（选配不同的采样切割头）等，该仪器是目前国内各地使用最成功的一套监测平台系统。

5.2.1工作原理

颗粒物（PM10/PM2.5）监测仪是根据β射线吸收原理设计的。β射线是一种高速电子流，当它穿透物质后，部分被吸收，导致强度衰减。在一定条件下，其衰减量的大小仅与吸收物质的质量有关，而与吸收物质的其它物化特性（如颗粒物分散度、颜色、光泽、形状等）无关，所以能直接测量大气颗粒物的质量浓度。将强度恒定的β射线源在颗粒物采集前后分别两次穿过清洁滤纸和采集有颗粒物的滤纸，根据两次β射线被吸收的变化量来求得收集在滤纸上的颗粒物的质量。用闪烁计数器作为检测器对β射线通量进行计数，其计数频率的变化可表征β射线强度的变化，测量结果只取决于两次计数的比值和质量吸收系数，与β源的原始强度无关。

 

射线法颗粒物浓度监测仪 原理框图

LCD ( Liquid Crystal Display 的简称)液晶显示器。LCD 的构造是在两片平行的玻璃基板当中放置液晶盒，下基板玻璃上设置TFT(薄膜晶体管)，上基板玻璃上设置彩色滤光片，通过TFT上的信号与电压改变来控制液晶分子的转动方向，从而达到控制每个像素点偏振光出射与否而达到显示目的。

中央处理器（CPU，英语：Central Processing Unit），是电子计算机的主要设备之一，电脑中的核心配件。其功能主要是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。电脑中所有操作都由CPU负责读取指令，对指令译码并执行指令的核心部件。

5.2.2功能特点

1）采用β射线吸收原理进行测量，测量结果准确可靠；

2）仪器体积小、内置采样泵，在户外运行，无需建设站房；

3）整点、连续、实时三种采样模式；

4）小时值采样时间不少于45分钟，日均值采样时间不少于20个小时；

5）触摸液晶显示分析仪采用5.7寸大屏幕液晶显示，全中文菜单、Windows图形界面，操作方便；

6）过程记录可存储近期有效的校准或维护过程的历史信息，含USB接口，方便数据导出；

7）RS232数字输出，可通过数据采集仪进行计算机远程通讯，实现遥控监测；

8）具有自动除湿和温度补偿功能；

9）具有自主知识产权的嵌入式计算机和实时操作系统控制运行；

10）独特的ODH外部动态露点控制系统，提高了气溶胶传输效率；

11）监测仪独特的结构设计，采样与分析在同一通道，避免了走纸造成误差；

12）监测仪能提供各种在线的运行参数，可输出至上位机，也可接受指令运行；

13）采用质量流量计测量流量，恒定流量采样，保证了测量精度；

14）内部故障自动诊断和报警提示，也可以通过远程诊断并修复错误；

15）系统断电后来电自动重新启动，恢复正常工作。

5.2.3技术指标

工作环境温度要求：-20ºC-55ºC；

工作环境湿度要求：15%RH-95%RH；

最低检出限：5µg/m³；

平行性：≤5µg/m³（监测日均值小于70µg/m³），≤7%（监测日均值大于70µg/m³）；

校准膜重复性：±2%校准膜标称值；

测量范围：0~10000µg/m³；

采样流量稳定性（24小时）：±2%；

采样流量准确度（1小时）：±2%；

空白滤纸重复性：≤1%

5.3对比分析

光散射法与其他测量方式对比表格如下：

对比项	称重法	β射线法	振荡天平法	光散射法
实时在线监测	不支持	支持	支持	支持
数据形成时间	大于48小时	大于1小时	大于1小时	1分钟
取样方式	滤膜称重	滤膜照射	称重	光谱照射
取样周期	48小时	1小时	1小时	实时
测点移机方便性	不方便	不方便	不方便	方便
维护频率	24小时	一周	一周	3-6个月
市面价格	低（1万～3万）	中高（8万～20万）	高（50万～100万）	中低（3万～8万）

天津智易时代科技发展有限公司的前端监测设备以激光散射法作为技术基础，同时通过与国控点的扬尘数据比对，内置了一套对于温度、湿度、气压的修正模型的算法。通过监测设备内置的温湿度传感器采集现场的温湿度数据，对扬尘排放浓度值进行校准与补偿计算从而形成真实、实时的工地的扬尘监测数据。

经过长时间和大量工地现场的数据对比，天津智易时代科技发展有限公司监测设备与国控点发布的PM10数据对比误差已控制在20%以内。设备修正后数据与国控点数据对比情况表如下：

六、成功案例

建筑工地现场监测

  

        

工地扬尘在线监测（β射线颗粒物监测仪）