噪声在线监测系统解决方案
德航智能PCIPPC2019-01-25 09:48
一、概述
噪声是发生体无规则发出的声音。从生理学观点来看，凡是干扰人们休息、学习和工作的声音，即不需要的声音，统称为噪声。当噪声对人及周围环境造成不良影响时，就形成噪声污染。产业革命以来，各种机械设备的创造和使用，给人类带来了繁荣和进步，但同时也产生了越来越多而且越来越强的噪声。《中华人民共和国环境噪声污染防治法》已由中华人民共和国第八届全国人民代表大会常务委员会第二十二次会议于1996年10月29日通过，自1997年3月1日起施行。
噪声对人体有诸多危害，主要表现为以下几点：
1.损害我们的听力，长期处于高分贝声音之下。
2.损害视力，因为耳朵与眼睛之间有着微妙的内在“联系”，当噪音作用于听觉器官时，也会通过神经系统的作用而“波及”视觉器官，使人的视力下降，重者会使色觉、色视野发生异常。
3.损害心血管系统，高血压的人长期处于噪音下，会提高发病率。
4.损害神经系统,影响睡眠 ，长期在噪音的环境下，我们容易发火，心烦意燥，影响睡眠，容易出现精神欠佳。
环境噪声是与人们生产、生活息息相关的环境质量要素，是反映人们生活质量水平一项重要环境指标。环境噪声监测是进行环境噪声控制、改善声环境质量的重要基础工作。
基于上述考虑，政府职能部门就环境噪声监测方案进行详细的调研和分析研究，研究内容包括项目建设的必要性、工程总体方案、实施方案、建设条件、运行管理和人员编制、投资预算、效益分析、推荐方案、问题与建议等。
二、项目背景及项目建设的重要性
2.1项目建设背景及意义
目前越来越多的人认识到，噪声危害人类健康，是诱发疾病的一个。安静已经成为市民的一个幸福指数。2000年以来，噪声投诉已跃居各类污染投诉的首位，占各类投诉的70%以上。面对这种严峻的声环境污染，传统的人工监测、手持仪器监测显然无法满足声环境监测自动化、网格化、智能化的要求。对声环境质量及变化趋势进行实时、准确的全方位监测，对噪声污染源及其治理进行监督监测，是环境保护迫在眉睫的工作。随着我国现代化建设和环保工作的深入，已经明确提出了环境监测现代化的要求。采用网络化的噪声自动监测系统为北京市提高监测能力现代化具有十分重要意义。
同时，随着经济的发展，人民生活水平的提高，生活环境状况愈来愈受到社会的关注，市民对本市环境状况的渴望了解程度亦越来越高，户外发布屏（环保视窗）的建设要求越来越迫切。采用这种新型的环保视窗统一发布环境质量信息，既有利于维护环境信息的权威性、严肃性和公信力，同时也有利于保障广大人民群众的环境知情权益，便于公众实时了解环境质量状况，提高环保意识，达到资源共享、信息公开、全民参与的目的，为环境质量的不断改善提供信息发布和公众监督平台。
2.1.1提高城市环境监测管理能力
我国的城市发展，由于政治、经济、历史、文化等方面的因素，大多数城市都是在旧城改造的演变中发展形成的，普遍存在布局尚欠合理、建筑密度高、居住人口集中。人均道路占有率低，城市繁华区域纵横交错和分层重叠的城市道路随处可见。城市环境噪声污染较为严重，城市居民对当地环境噪声污染的反映也较水、气污染强烈。研究城市中由工业、商业、生活、交通、建设等人类活动产生的各类噪声特性，以及由此引起的环境噪声污染，提出噪声污染监测及防治对策，改善城市声环境质量具有重要意义。
由于噪声有随机性和起伏变化大的特点，用手工监测方法获取的监测数据实时性、代表性差，花费的人力多，很难满足城市环境噪声污染的正确评价和管理决策需要。先进的城市环境噪声自动监测系统有着无需人员值守，长期24h连续运行的特点，且结构又相对简单，容易取得既实时又同步的城市各设定测点噪声时空分布监测数据，为实施“宁静工程”提供了及时、准确的环境噪声监测手段，对推动环保领域的技术进步和科技发展，提高城市环境监测管理能力具有十分重要的现实意义。
2.1.2 增强城市环境监察执法效能
推进噪声污染源自动监控，不仅仅是为了方便、快捷地获得相关数据，更重要的是对排污企业实施有效地监管，有利于对重大环境污染事故及时采取预防和应急措施，并将大大减少老百姓的投诉这一大难题。同时，也可以降低环境执法成本。“十三五”期间，环境保护任务不断加重，给环境执法工作提出了更高的要求。
如果我们的噪声监管手段仍然停留在人盯人的水平上，或者更甚者只能通过老百姓的投诉、举报才能获得相关噪声污染，是无法真正做到监管到位的，其结果只能是环境监察人员疲于奔命，而难以抓住噪声排放者的证据。实施噪声污染源自动监控，可以大大减少现场检查次数，增强噪声监控的实效性，提高执法监察效能。
2.1.3为公众提供环境信息服务平台
由于噪声污染对人有直接感知性，越是人群集中或人流量大的地方，噪声问题越敏感、越容易引起公众关注度。从上世纪80年代起，国内不少城市在繁华地段或交通要道建立的噪声显示屏，就对提高公民的环境保护意识起了很好的推动作用。目前的环境信息发布系统技术已有质的提高，配置的户外信息发布屏能以动态方式显示被测区域噪声实时状况，并可通过联网，把水、气等其他环境信息远程同步发布，其专业性和实时性是其他媒体无法比拟的。这对提高公众对环境信息需求的满意度，建设和谐社会都将产生正面的影响。同时，也真实地体现了现代化的环境自动监测技术与能力。
建设环境噪声自动监测与信息发布系统已经在全国各地，特别是经济较发达地区，已经成为了一种必要手段。北京市拟筹建城市环保视窗建设项目是提高城市品位，构建和谐大连的需要，是一项民心工程，是一项“功在当代、利在千秋”的伟业！
2.2项目建设的必要性
2.2.1城市建设的需要
随着全国城市的发展崛起，竞争力越来越大，对环境的压力也不断升级，为营造最适宜创业和最适宜居住的环境，促进经济社会全面协调可持续发展，结合我国工商业实际发展状况，启动环境噪声自动监测与环境信息发布系统建设，定有良好的示范效果，同时也是新的亮点所在。
建设环境噪声自动监测与环境信息发布系统将实现环境噪声昼夜连续自动监测并噪声数据实时显示，使城市监测方式从人工取样跨越到现代化监测，并且可填补声环境自动监测领域的空白，同时极大地提高监测效率，降低劳动强度。本项目的建设应用将为环保部门提供及时的、准确的环境噪声监测手段，为声环境评价和治理提供有效的依据，同时为环境质量信息发布提供高效的平台。
2.2.2环境质量监测的需要
有效实施环境质量信息发布的必要条件是准确掌握环境质量现状，采用现代化、自动化的监测手段，及时准确地为环境质量信息发布提供可靠的数据基础。
通过新建噪声自动监测、环境信息发布系统，将使环境质量监测自动化提高一个台阶，可形成水、气、声的全方位环境信息的自动监测，为全面环境质量信息的发布提供非常重要的基础数据源及与环境现状同市民间的辐射窗口。
2.2.3环境管理的需要
有效实施环境管理的前提条件是要提高公民环境保护意识，参与环境保护建设。通过环境信息发布系统的建设，能让公众及时了解环境质量现状，提高环保意识，让政府与公众有很直观的互动交流平台，而且让公众对环境保护工作进行有效监督，体现了政务的公开化、透明化，有利于构建和谐社会。
三、项目建设内容
根据实际情况，计划在区内重点区域建设环境噪声自动监测系统，实现市区环境噪声质量、噪声源等自动监测。同时，有选择性地建设环境信息发布系统，通过户外显示屏向公众发布多种环境质量以及环境保护宣传等信息，促进和加强广大人民群众对环境保护的参与和监督。
参照GB3096-2008中规定的功能区选点原则各类功能区各选一个代表点位
此外，在道路交通监测点配套车流量监测获取车流量信息，并与道路交通噪声数据进行对比分析。
四、具体方案
4.1系统总体架构
环境噪声自动监测系统由现场监测子站、通讯网络及监控中心组成。现场监测子站包含噪声子站、气象子站、车流量子站等，现场监测子站通过多种通讯方式与监控中心交互数据，监控中心通过专用软件对噪声数据进行统计分析处理。系统具有无人值守、全天候连续运行、安装部署快捷、运行维护简单等特点，各城市建设安静和谐环境提供了及时、准确的噪声监测数据，为声环境评价和治理提供了有效可靠的依据。
系统总体结构见下图所示（可根据实际情况变动）：
4.1.1噪声监测子站
主要由户外传声器、噪声分析仪和通讯模块组成。首先通过户外传声器采集噪声信号，此信号经过噪声分析仪进行数据处理，再由通讯模块通过有线/无线网络，将环境噪声实时监测信息传输到噪声监测服务器，经过环境噪声软件管理平台进行数据统计、分析、存储等处理后，将信息传输至信息发布服务器，再通过光纤/无线传输网络将多种信息传输至任意信息发布显示屏，进行实时显示。噪声子站、信息发布显示屏均采用市电供电。
噪声采集分析前端包括：1/2英寸电容传声器、嵌入式噪声分析仪、支架立杆、室外防护罩。噪声采集分析前端通常立杆式安装，电容传声器与数据分析部分采用Lemo口电缆连接，数据分析部分采用RSTech嵌入式智能分析控制主机，该设备核心处理器为高速多通道DSP，其处理能力强大，同时配置了精简的操作系统、专用的设备驱动程序和高效的TCP/IP协议栈。原理图如下：
主要技术指标：
误差小于0.7 dB；
动态范围：28~138 dB；
Leq，Le，Lmax，Lmin，Lp，LN（5，10，50，90，95），SD测量功能；
频率计权（包括A计权、C计权和线性）与时间计权（包括快挡、慢挡和脉冲）远程设置功能；
系统自动自动校时，自动校准；
可设置阈值触发报警；
现场子站可存储1年以上的原始数据；
系统数据库可保存10年的原始数据和统计数据，自动备份；
基本系统可控制16个现场监测子站，可灵活扩展到200个；
数据处理、数据统计，自动生成各种图形报表；
环境温度：-30~65℃；环境湿度：10~95%；大气压：88~108kPa。
监测子站建成效果：
说明：噪声子站、信息显示条屏配套建设模式特别适合于人流量比较多的噪声功能区监测。其中，UPS不间断电源为噪声监测子站供电，可保证在噪声监测子站在市电断电时正常工作。信息显示条屏显示噪声实时监测值，可让公众及时了解环境噪声信息。
4.1.2车流量监测子站(选配)
车流量自动监测系统主要由前端车流量监测子站、通讯网络及监控管理中心组成，主要监测参数包括车流总量、车型比例、车速等。主要用于道路交通噪声自动监测的车流量辅助监测。
微普雷达车流量检测原理示意图如上图所示。安装于道路旁立杆上的MPR发射出在平行于车道和垂直于车道方向均具有一定张角（发射角和方位角）的微波波束（该波束可以覆盖八条车道），在路面投影出椭圆形微波“阴影”，微波束经路面和车道上的车辆反射后被雷达接受，通过混频产生差频信号，由于差频信号频率与距离相关，而信号强度与车辆是否存在相关，这样通过一定的数字信号处理便可以得到各车道的车流量信息。
主要参数
中心频率：24.3GHz；
调频宽度：200MHz；
微波发射功率：小于10毫瓦；
信号射角：53度；
波形宽度（方位角）：8度；
覆盖范围：1～78米；
可检测车道：最多（双向）12车道；
车辆分型：不少于3种（可根据定义任意划分）；
车道宽度：2米-6米范围可调；
分析范围：≤0.33米；
采样周期：1秒～1800秒连续可调；
探测时间：用闭路连接器时，时间间隔10毫秒；持续时间可编程控制在30毫秒-3秒之间；
安装高度：大于5米；
离检测车道距离：大于1米；
温度范围：-45℃～85℃（工业级）；
湿度范围：0-95%RH；
供电系统：220伏交流/12伏直流供电方式，额定功率为10瓦，配稳压电源。电源冲击防护符合1980版IEEE587标准，C项（外部电源）。
电源故障恢复：出现电源故障3秒内自动恢复；
实际功率消耗量：≤ 4瓦；
内置时钟：内置实时时钟，可独立工作，断电后仍有时间显示；
通信接口：光电隔离的RS-232串行数据接口（DB9），波特率为9600～115200bps可调；支持外接各类接口转换模块和DTU无线传输模块（GPRS、CDMA、3G）
内置存储：所有的计划和车道结构的资料都采用存储方式保存，如果通信中断，一旦恢复后，可由通信端口上传历史数据到便携电脑或控制中心，保持数据完整
Flash容量：16M；
整机连续工作能力：大于90000小时（十年）；
平均故障维修时间：≤ 15分钟；
机械性能：产品采用专用材料（LEXAN）外壳，符合NEMA4X和IP65标准，配有通用球型固定支架可在两个轴向角度可调；
尺寸：250毫米(长)X145毫米(宽)X105毫米(深)；
重量：1.5千克。
4.1.3气象数据监测子站（选配）
六要素气象传感器是根据现场实际情况开发的一款多功能气象传感器。主要由六参数气象仪、气象数据采集盒组成。依据环境技术规范要求环境噪声监测需搭载气象监测数据。通过气象信息模块来采集环境的气象信息，此数据接入噪声分析仪，生成气象数据与相应点位的噪声数据合并分析、传输。
产品特点：
可同时测量风速、风向、温度、湿度、气压、雨量六种气象参数
可全天候工作，不受暴雨、冰雪、霜冻天气的影响
测量精度高，性能稳定
结构紧凑美观，安装拆卸方便
采用全金属外观，抗干扰能、抗腐蚀、抗电磁辐射能力强
提供RS232/RS485两种接口,用户可根据实际情况选择使用
免维护，不需现场校准
该传感器集风速、风向、雨量、温度、湿度、气压六种气象要素为一体，他具有结构紧凑、无任何移动部件、坚固耐用、安装方便、免维护的特点，是针对目前气象产品种类繁多、现场安装维护不方便而专门设计的一款智能化传感器。传感器轻小，无本底噪声，主要作为气象辅助监测与噪声、水气等自动监测系统配套建设使用。本传感器功耗低，可配备太阳能充电板，应用于移动气象监测。
4.1.4软件管理平台
监控中心噪声管理软件是环境噪声自动监测系统后台管理主要组成部分，包括子站管理、权限管理、数据处理、报表管理、通信管理和信息发布。噪声自动监测系统软件架构如下图。
噪声监测系统软件结构
监控管理中心软件包括：通信服务软件、子站管理软件、数据处理软件和用户管理中心。
通信服务管理软件具备对各硬件之间的通信和数据传输管理功能。子站管理软件具备监测点信息管理，在线设备监控，报警管理和参数设置功能。数据处理软件具备监测数据实时显示、数据查询、统计和分析功能，具备噪声数据按小时对应功能。用户管理中心具备用户管理、权限管理和日志管理等功能。
数据处理软件是为环境监督管理部门开发设计的，其数据处理功能是本系统的核心功能。数据处理中心（软件）从数据库中获得需要处理的数据，根据需求进行数据播放，根据一定算法进行统计分析，把播放、统计、分析结果表现于用户界面上。数据处理软件主要功能如下：
瞬时播放：多点噪声数据对比显示（曲线图）；
噪声、车流量最新数据查看；
噪声、车流量历史数据查询；
噪声、车流量关联分析报表；
数据报表（日报表、月报表等），可查询及导出EXCEL文件；
统计分析（平均值、分布统计、动态分析、相关性统计等）；
数据采集率统计；
噪声趋势预测。
4.1.5环境信息发布系统
随着社会的发展和信息技术的进步，环保部已对环境信息发布做出了明确要求，并于2008年颁布实施了《环境信息公开办法》 , 2014年又下发了《关于进一步加强环境信息发布和舆论引导工作的意见》。在提高环境信息发布和舆论引导工作水平的前提下，按照环境信息资源的共享程度，最大限度的保障了公众知情权。环境信息发布系统可基于现有环境数据，使用标准审核流程，利用多种发布载体进行环境信息、政策法规、宣传标语、公益广告等信息的发布和宣传。
环境信息发布系统以信息发布中心为核心，负责水、气、声等环境数据的整合、审核与发布处理，并通过实现网络、户外LED显示屏进行环境信息发布。系统支持手动发布和自动发布两种方式。可以手动进行数据发布，也可以将整合后的环境质量数据进行自动发布，同时能将监测现场的监测数据进行实时显示；其它信息（环境新闻事件、环境宣传等）也能通过环保局与发布中心实现信息交换和发布。支持各种文字、图片、视频、环境数据的发布（视频发布仅限全彩显示屏，且须光纤宽带支持）。
环境信息发布系统可通过户外LED显示屏对公众发布每天空气污染指数、空气级别等空气、水质状况、噪声污染等环境质量信息。保证环境质量信息的公开性和开放性，同时也保障广大人民群众的环境知情权益。
信息发布软件具备两地信息发布统一管理和审核的功能，具备局域网内信息起草、审核、传递和管理功能，在发布显示环境质量信息的同时，信息发布软件也支持政策法规、环境宣传信息和其他信息的编辑和发布；发布的环境宣传信息支持文字、图片、视频以及其多种组合的多媒特信息。
信息发布软件采用B/S模式，利用Office模板作为信息载体，具备方便的审核控制和管理等功能。
主要技术指标如下：
物理点间距：10mm；
物理密度：10000点/m2；
基色组成：双基色；
显示屏面积：10m2；
散热设计、电磁兼容设计、防腐处理；
平均无故障时间：大于10,000小时；
防护等级：符合IP55；
4.2系统架构具体参数要求
五、代表性案例解读
5.1项目背景情况与项目实施的必要性
什刹海是北京城区内最大的湖泊，是人们休闲娱乐散步的绝佳场所。一直以来的商业开发使什刹海周边商铺云集，人满为患，旅游季节更加明显，给周边居民造成了很大困扰。噪声投诉量占到什刹海附近环境投诉的大多数。但是什刹海景区内商铺酒吧云集，噪声监测的取证难问题一直困扰着环境监察人员。
北京市西城区环境保护局经调研论证，决定采用噪声自动监测系统实时监测噪声值，解决噪声监测取证难问题。共计采购了30套噪声监测系统，和1套噪声监测软件平台。
噪声自动监测系统是基于噪声监测设备、数据通讯技术及计算机软件应用，实现远程噪声自动监测并实时进行环境噪声数据统计分析的系统，一般由一台或多台噪声监测子站及噪声监控软件组成。
本项目2015年6月组织招标。2016年4月通过西城区环保局的批准和协调，在什刹海景区管理处的配合下，在景区中安装了30套噪声监测设备，并负责实施运行维护服务。
5.2项目建设效果展示
自2016年设备安装上线以来，系统监测存储了大量的噪声原始数据，为管理者指定决策提供了数据支持。2017年开始景区管委会对什刹海周边噪声污染问题进行整治，环境噪声环境得到了明显改善。
以下图表通过分析几个代表点位自2016年5月1日-2016年12月31日和其在2017年5月1日-2017年12月31日的日综合数据LEQ得到，以噪声值80db为标准，对每个点位2016年和2017年的噪声情况进行对比分析，图表数据如下：
由以上图表可看出，各点位在2017年的日综合数据LEQ噪声值低于80db的天数明显多于2016年，噪声环境得到明显改善。
整个系统截止到2018年8月已使用将近三年，通过这段时间的使用及测试，什刹海景区管委会和西城区环保局能够实现对噪声污染源的全面管控，真正实现了噪声监测从过去的手工低效监测向智能化、实时化的转变， 确定了最经济有效的监测方案。实践证明，这些方案不仅对什刹海酒吧街改善声环境有效，而且属于噪声自动监测领域中一个先进样板，可以提高人们对噪声环境的关注，增加社会影响力，引领噪声自动监测的正确发展方向。
5.3主要结论
通过分析长期的监测数据，可以总结出规律，分析污染源。在后期治理噪声污染源时，可以有目标、有计划地改善什刹海景区的声学环境，提高居民和游客的个人感观。
自北京市什刹海景区安装了环境噪声在线监测系统后，景区的噪声值有了明显降低，说明附近的娱乐场所在商业经营活动过程中，管理部门干预后，在得知噪声值超标的情况下，会主动的有意识的降低噪声，减少对环境的危害。所以安装噪声在线环境监测系统的效果是明显的，是减少噪声污染的重要举措。
六、噪声在线监测项目部分案例
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