张三奇
中煤航测遥感集团有限公司，陕西 西安710199
摘要：移动污染源作为重要生产工具，尾气产生的危害也越来越严重，城市污染空气中有6种对人体危害最大，其中二氧化碳等4种几乎完全来自机动车尾气，尾气排放已经成为城市空气污染的主要原因。?有关实施表明，80%以上机动车排放污染物是由大约20%以下高污染移动污染源排放的。发现并治理高污染移动污染源，对于改善城市空气质量状况是非常必要的。利用地理信息、北斗、5G等现代信息科技手段，以服务于大气环境根本治理和有效管控为目标，实现移动源治理和管控的科学化、自动化、精准化、智能化，并推动数据的互联共享，构建“天地车人”一体化的机动车排放监控系统。
关键词：移动污染源；地理信息；北斗
一、引言
目前，机动车所排放的污染物已成为我国大气污染的重要来源之一。现阶段控制机动车污染的主要措施是机动车环保年检和日常抽检，但实际检测过程中问题较多。主要表现在：
1、是定期检测周期长，过程人为干预大，且需要消耗大量的人力、物力、财力以及土地资源；
2、我国机动车的排放标准不断地升级，检测方法和原设定的标准都已滞后，其检测结果不能全面、准确反映机动车行驶中真实的排放状况，造成一部分高排放移动污染源不能及时得到有效的治理，给我市空气质量仍然带来了严重的污染，也对我市完成国家规定的空气质量任务指标造成了不可控因素和极大的困难。
建立机动移动污染源尾气环保监测系统，对机动车尾气排放进行实时监测是机动车尾气治理工作提供有效手段，填补我国在线监控机动车尾气排放的空白。
项目建成后，将大幅提升高污染机动车污染物排放情况的监管能力，对进一步加强机动车尾气污染防治工作，减轻大气污染，改善环境空气质量有着重要的作用。
基于GIS 的设计思想和环保事业建设的需要，将电子地图与环境数据相结合以反映污染源地理分布及环境管理要素情况这就形成了具有专业特性的环境地理信息系统。通过环境地理信息系统，可以使管理部门和决策者在不亲临现场的情况下，能直观地认识和掌握本地区的污染特点和各种环境要素，使环境管理者的管理工作更具有时效性和针对性。通过该系统由环境质量分析、污染源分布、城市环境治理设施分布等基本环境地理信息元素构成，同时可以挖掘空间数据库和环境监测数据库中的信息，经过软件分析和统计，呈现出一些具体、直观的环境监测专题电子图，如空气质量专题图、污染源分布专题图等，使得各级管理部门可以以最直观的方式获得最新的污染源概况和环境质量等信息，为及早发现和处理突发污染事故赢取宝贵的时间。
二、系统结构设计与实现
深入贯彻党中央关于生态文明建设的总体要求，围绕《污染防治攻坚战三年行动计划 （2018-2020 年）》设定的工作目标和任务，结合移动源排污防治整体方略，依据科技支撑、 分步实施的原则，利用现代信息科技手段，以服务于大气环境根本治理和有效管控为目标，实现 全省移动源治理和管控的科学化、自动化、精准化、智能化，并推动数据的互联共享，构建“天地车人”一体化的机动车排放监控系统。
2.1系统架构
平台以“高内聚、松耦合”设计原则和顶层模块化设计的思想组织应用系统的内部结构，确保系统符合信息技术发展的趋势并适应未来应用动态升级的需要。系统支持主流操作系统、Web中间件、数据库产品以及其他第三方标准中间产品的开发和运行环境，具有很强的环境适应能力。
平台架构规划如下：大数据综合监管系统、地市级柴油货车在线监控系统、地市级非道路移动机械数据管理系统、第三方系统对接。如图1。
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图1 系统结构图
平台开发采用主流技术路线，具有高度可扩展性、实时性、高性能、低延迟分析、高度容错性、开放性、易用性，支持异构环境，保证针对操作系统、中间件、数据库及浏览器版本与其他分项系统版本集成具备兼容性；其核心技术包括大规模数据流处理技术以及大规模数据管理、分析技术。
考虑到监管平台将来良好的移植性，同时考虑到系统能够将来很好地与其他业务子系统的集成，本平台设计采用.Net MVC框架，并且根据国标中间件规范进行产品开发，在数据交换和数据导出上支持Json标准。
考虑到监管平台其所关联的系统众多，数据关联、交换关系复杂，以及后续业务的扩展，系统架构设计建议采用SOA的设计方法。
平台建设采用面向服务SOA的体系架构能够实现更有效的实现平台业务系统之间的集成及跨平台系统的集成。它的优势在于：一点是它的灵活性，能够利用现有系统的功能满足业务系统与基础平台之间的交互的需要；另一点是，当组成整个应用程序的每个服务的内部结构和实现逐渐地发生改变时，系统能够继续存在，从而让平台的应用系统扩展变的更为简单。
2.2实现方案
以“系统平台+咨询服务”相结合的方式，建设移动污染源数据联网与分析平台，实现移动终端数据的联网与综合分析应用，结合遥感监测数据和环保检测数据，深度挖掘移动源运行状态与尾气排放的关系。
提供实时监控，数据管理，报警管理，分析出行，污染分析，关联分析，等功能，掌握移动污染源出行规律，监控移动源的运行状态，分析尾气排放特征及运行状态的关系，评估移动源污染物排放对国控站点的影响程度。提供移动源终端设备监测数据与移动源排污状况分析的报表绘制服务。提供移动污染监控终端及企业平台的数据接入，按照国家规范标准要求，开发接口对接国家监控平台。
通过远程排放监控手段，掌握准确排放数据，构建出包括超标排放移动源的识别、定位、追踪、拦截、再用符合性检测、取证、执法等业务的监控系统。移动污染源监控系统的总体架构如下图所示：
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图2 网络拓扑图
（一）地理信息系统
基于测绘局授权的基础地理信息图层，以 WEB GIS Service 方式服务搭建本标书约定集成展示内容。
依托环境地理信息体系，建立 GIS 统计功能，通过直方图等显示本市检测站的检测数量、违章车辆数据、区域减排数量、比对分析等立体化直观数据效果。
利用GIS地理信息平台把企业污染源构筑于污染源数据库管理系统和图形库管理系统之上，提供具备空间信息管理、信息处理和直观表达能力的应用。
污染源信息是管理影响大的信息源，也是信息系统的核心部分。能综合分析情况，实现污染源信息的综合查询，为计划决策提供信息支持。
统计分析结果数据和地图的结合点，可以从地图上体现出企业统计经济的空间分布规律。根据统计业务的特点和需要，主要提供统计专题图。
（二）数据资源支持平台
是整个系统数据信息的汇聚集合，既提供对各个系统的数据支持，又提供针对各种数据的管理功能。所操作、管理的对象包含：地理信息数据：是GIS系统平台的数据根源，为环保局在电子地图的基础上，建立的以地理信息元素为数据存储单元的数据库。实时监控信息数据：存储实时传回监控中心的监测数据，是数据基础，也是统计报表、数据分析的母板数据。监控区域信息数据：保存各个区域的特征属性数据，结合地理信息数据、和实时监控数据，为区域自动监控系统提供数据支持。
系统建设内容主要包括三个部分：远程终端、手机端和PC端。远程终端是具有移动污染源监测的终端设备，安装在需要监控的移动源上，将移动源的实时位置及排放状态传输至PC服务端；手机端主要是收集移动源、远程终端设备信息，工作人员可将移动源及终端设备的数据传输至系统进行备案；PC端，提供各种服务功能，包括数据库服务、Web应用服务、通信服务等。在系统实际使用中，手机端备案移动源及远程终端设备信息，远程终端获取移动源排放、定位数据，把信息通过移动数据链路发送到PC服务端，然后通过PC端负责协调整个系统的工作，其中包括收集、分析和处理各个部分的数据；PC端提供接口服务等功能。
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图3 GIS承载系统
（三）重型柴油车信息管理
对OBD在线监控柴油车信息管理、车型信息、轨迹信息、加装监控设备。GIS地图、围栏、超标报警、尿素分析、污染地图、采集发动机电控单元(ECU)、排放后处理系统(DCU)、与排放相关、系统诊断故障码信息和经纬度、终端数据，登记、注册、显示采集频率、采集数据、统计分析和告警功能;
重点区域的钢铁、建材、焦化、有色、化工、矿山等涉及大宗物料运输的重点企业以及城市物流配送企业，应制定错峰运输方案，原则上不允许柴油货车在重污染天气预警响应期间进出厂区（保证安全生产运行、运输民生保障物资或特殊需求产品，以及为外贸货物、进出境旅客提供港口集疏运服务的国五及以上排放标准的车辆除外）。
三、系统特点
（一）实时预警
管理者可以预先设定移动源的报警标准,当移动源实际移动情况超出这个值时,系统会自动提示报警,终端也会以语音信息提醒移动源，报警的数据会在系统中自动记录下来,方便用户进行查询,对管理部门有效管理排放超标、超速和对移动源所属组织工作考评提供了有效依据。
当移动源发生违规报警时，以预设的报警内容向监控中心值班员和移动源负责人（驾驶员）自动报警提醒。
（二）大数据统计分析
系统可以按设置的时间范围列表显示移动源的历史移动数据，对每各移动源的运行状况进行统计，使管理人员及时掌握移动源使用状况，报表可以多种文本格式导出。
根据SCR传感器（NOX）数据与运行状况的关系，分析两者之间的相关性。编制移动污染源排放清单，分析对站点污染贡献浓度高的时段与路段，提出控制措施建议。
根据终端设备定位信息，与全市加油站点进行匹配，结合追踪车辆排放机油箱液位状况，为打击黑加油站点提供有效线索。
寻找移动污染源排放重点企业，重点行业，为排污大户错峰出行提供有力依据；基于“移动源-排放-浓度-决策”多级响应关系，建立交通排放与能耗控制策略库，实现精准治污。
（三）灵活扩展的第三方接入
便于与环保部、环保厅、市生态环境局等上级环保部门的数据资源共享。同时系统要具有开放性，具有与后期项目或其他业务系统平滑接口的能力，支持通用数据格式转换，支持数据共享和跨系统的协同办公，保证各业务管理部门能够获取业务管理过程中的必要信息。
四、关键技术
（一）地理信息（GIS）技术的融合应用
通过互联网对地理空间数据进行发布和应用，以实现空间数据的共享和互操作，如GIS信息的在线查询和业务处理等。WebGIS客户端采用Web浏览器，如IE，FireFox。WebGIS是利用Internet技术来扩展和完善GIS的一项新技术，其核心是在GIS中嵌入HTTP标准的应用体系，实现Internet环境下的空间信息管理和发布。WEBGIS可采用多主机、多数据库进行分布式部署，通过Internet/Intranet实现互联，是一种浏览器/服务器（B/S）结构，服务器端向客户端提供信息和服务，浏览器（客户端）具有获得各种空间信息和应用的功能。
（二）采用WCF、WebApi技术
监管平台支持为第三方系统提供开放、可扩展的基于网络的数据服务，实现异构信息系统和互访。WCF及WebApi标准可以解决同构、异构应用互访。WCF基于SOAP，数据格式是XML，主要解决服务端之间的数据互通。WebApi是一个轻量级的框架是构建HTTP服务的新框架，支持MVC的特征，像路由、控制器、action、filter、模型绑定、控制反转（IOC）或依赖注入（DI），单元测试。这些可以使程序更简单、更健壮，对限制带宽的设备，比如智能手机等支持的很好。WCF、WebApi支持多种程序语言，系统可以通过WCF或Web Api标准对这些服务进行查询和访问。WebApi 使用基于 JSON 的消息处理作为基本的数据通讯方式，消除使用不同组件模型、操作系统和编程语言的系统之间存在的差异，使异类系统能够作为单个计算网络协同运行。作为SOA 的基础标准，通过Web Api服务避免了复杂的协议转换，为监管平台的与其他异构系统直接的自由通讯提供支撑。
（三）北斗系统数据传输协议
一个完整的数据包应由起始符（STR）、 命令单元（CMD）、 车辆别码（VIN）、 终端软件版本号（SWN）、数据加密方式（ENM）、 数据单元长度（LEN）、 数据单元（DAT） 和校验码（VER） 组成。除了数据单元的格式随命令单元的不同而变化外，其余为固定格式。数据包结构和定义见下表3所示。无论数据上行（终端到平台） 还是数据下行（平台到终端）， 均使用该数据包结构。
表3：数据包的结构和定义（上行和下行）
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五、结语
移动源天地车人一体化管控大数据综合应用系统的建设，提供便捷的智能化信息服务，为机动车尾气检测提高了工作效率，电子合格证的使用、I/M站闭环维修服务，减少了机动车车主维修、检测的时间，缓解了交通，其结果获得广泛的社会好评。重污染天气预警期间，利用门禁监控系统，对重点企业货运车辆进出厂区情况进行监管执法。通过“天地车人”一体化的机动车排放监控系统，可实现对重型柴油车污染排放全方位、全天候的监控，为重污染源天气时期管控移动源污染提供有力支持。平台通过信息化分析系统，结合环境质量、预测预报情况、机动车检测排放情况、遥感路检超标数据等，进行大数据分析，为精准化治污降霾提供科学的技术支持。
以信息化手段对移动源超标车辆的精准整理，减少了超排车辆的污染，极大的改善了环境质量，降低了治污成本，其系统的应用服务将带来深刻的社会效益。
良好的信息化服务，执法的信息及时推送，极大提高政府服务形象。系统实现对移动源全方位监管，准确有效地掌握机动车尾气检测状况，加强了对机动车尾气检测监督力度、实现对检测站的智能化监督。改善了环境和交通状况，为人民带来福祉，实现了良好的社会效益。
参考文献
[1] 陈建飞、张筱林翻译，《地理信息系统导论》科学出版社。
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