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摘要: 本文简要介绍了噪声自动监测系统的系统结构、功能以及实现方式和工作原理,并比较了几种实现方式的优缺点。
关键词: 环境噪声； 无线； 传输； 监测技术
虽然近十多年来我国对环境噪声管理和控制工作取得了明显的成效,但许多城市噪声污染仍相当严重。噪声污染投诉事件数量一直居各类环境污染投诉事件的首位,影响了社会安定和社会正常秩序。
城市环境噪声污染已经成为世界各国大城市面临的一个重要环境保护问题,环境噪声控制已成为城市环境保护和社会发展的重要工作内容。目前国外关于环境噪声研究发展方向表现在三个方面:一是更加深入地进行环境噪声预测研究,为环境噪声管理、治理、控制和规划提供依据；二是加强噪声的实验室研究,着重进行噪声频率成分、时间特性、空间分布、噪声的实验模拟等方面的研究；三是完善噪声的监测手段,增加监测时段,提高监测数据的时间代表性和空间代表性。其中环境噪声监测技术是把握城市噪声污染现状,进行实验室研究、预测研究的基础,是进行环境噪声科学有效控制的基础。
1 国内外环境噪声监测发展现状
由于国外工业化和城市化进程比较早,环境问题的产生和相应的环境噪声监测研究与应用也
早于我国。几个著名的国外声学仪器公司开发的噪声监测产品已经解决了自动测量、自动数据处
理、信息自动传输、信息网络互联、监测信息资源共享、工作环境不受限制等技术问题。仅就技术
而言,目前环境噪声监测技术已经发展的比较完备,能够满足当前环境噪声监测的技术要求,实现
自动监测仅仅是经济上能否承受的问题。
国外噪声自动监测系统大都应用在机场噪声的监测和固定噪声源的监测中。大型的国际机场均建有飞机噪声自动监测系统,各类飞机的起降噪声数据由自动监测系统取得,并直接与机场塔台联网,以确定其是否超标。日本全国布有大约7000 个固定源噪声自动监测点,监控各种噪声源对周围环境的干扰情况。
由于我国现有环境噪声监测仪器以手持式为主,自动监测技术开发投入不足,环境噪声自动监测技术水平发展滞后于国际先进水平,成为环境噪声研究领域中一项亟待深入开展的工作。
2 自动监测系统
我国已经设立噪声自动监控系统的城市有北京、上海、哈尔滨等,噪声监测点1000 多个。各个
城市所采用的自动噪声监测系统组成大同小异,大致分为数据采集系统、前端供电系统、数据传输
(有线或无线) 系统以及数据中心等四大部分。
2．1 数据采集系统
数据采集系统的主要作用是完成对现场声环境的测量工作,一般采用传声器及信号分析模块采集并简单处理信号。传声器是一种声电换能器,可将测得的声信号转换成电信号,有电动式传声器、压电式传声器和电容式传声器等三种:电动式传声器的优点在于其固有噪声小,输出阻抗低,不需要阻抗变换器,可以直接连接衰减器和放大器,但是它的体积偏大,频率响应不平直,易受电磁场干扰；压电式传声器结构简单,价格便宜,频率响应也较平直,但是受温度影响较大,稳定性差；电容式传声器具有频度范围宽、频率响应平直、灵敏度变化小、长时间稳定性好等优点。根据噪声监测系统要求的工作范围和工作环境,一般都选用电容传声器。
数据采集系统一般有以下两种实现方式:
(1) 傳声器模块+ AD 转换模块:传声器模块将采集到的噪声信号转换成微弱电信号(电压或
电流信号) 后经放大传给AD 转换模块,由AD 转换模块将模似电信号转换成数字信号,直接送到
数据传输系统。
(2) 传声器模块+ AD 转换模块+ 信号分析模块:即在前种采集方式的基础上,通过信号处理
模块对数字信号进行简单计算分析,再将分析后的数据传给数据传输系统。信号处理模块可以利
用单片机技术自已开发,也可选用现有的噪声频谱分析仪的机芯。现在很多的监测系统都利用计算机软件实现对信号的处理分析工作,这样做可以简化前端硬件设计,降低硬件成本。
2．2 前端供电系统
噪声监测系统中数据采集系统大多需要在户外工作,供电一般采用蓄电池供给或蓄电池加市电联合供给两种方式。利用蓄电池供电,不受监测地点的限制,流动性好,适合短期监测工作；利用市电网络为监测系统供电则适合于长期监测工作,为防止停电的情况发生,可接入小型蓄电池以提供紧急情况下的电源。
户外工作的监测系统一般需要满足其工作环境的需要,其外观设计需要满足防风、防雨、防鸟
停的功能,即使在监测条件不佳的情况下也能保证正常工作。
2．3 数据传输系统
数据传输系统将采集系统取得的数据传输至数据中心以供处理,同时将数据中心发出的指令传输至数据采集系统,一般传输距离较远。数据传输根据其采用的方式,可以分为有线(架设光缆、电缆或租用电信专线) 和无线(建立专用无线数据传输系统或借用GSMPGPRS、CDMA 等公用无线网络平台) 两大类。
现有的很多环境噪声监测系统采用有线、有线加调制解调器或光纤等通讯方式。基于电话线
的传输方法有两种:一种是监测仪器和数据中心都通过调制解调器接入电话线网,传送、接收双方
是对等的,随时都可通过拨号访问对方,因为电话线网的覆盖面较广,利用电话线传输数据具有初期投资较小、数据传输的正确率较高等优点,但在使用过程中由于按占线时间的长短计费,不适合在线时间长而传输数据量少的监测系统。如果监测仪器周围没有电话线,就需要专门架设电话线,增加前期安装工作的难度,增大监测成本。采用光纤方式传输数据,虽然传输速度快,传输数据量大,但铺设光纤成本过大,监测部门很难承担。
计算机和通信两个领域的相互渗透、逐步融合促进了无线网络技术的不断完善提高,无线网络技术将成为未来环境噪声监测系统数据传输的主要实现方式。无线数据通讯主要有以下几种方式:无线电、移动通讯网短消息服务和移动通讯网+ 计算机互联网等。
(1) 无线电:利用一定频率的无线电波信号,传输、接收监测数据。无线电通讯一般在200～400MHz 或214GHz 左右的频段使用。上海市的噪声监测系统采用无线数据通讯方式,无线通讯工作频率为450MHz。
采用无线电技术进行数据传输的优点是不需要传输资费,一般都数话兼容,同时可以用来传输语音；缺点是随着距离的增加,信号容易受干扰,而且容易对精密电子设备造成不良影响。
(2) 移动通讯网短消息服务: 短消息业务SMS(Short Message Service) 是全球移动通信系统提
供的一种能够使用手机或GSM 模块接收和发送文本消息的服务。每条短消息最多可包含160 个字母或70 个汉字。
以SMS 业务进行数据通信,虽然通信费用比较低廉,但由于其在传输过程中存在时延,不能满足一些监测系统实时性的要求。同时如果传输的数据量超过短消息允许的最大长度,必须通过多次分组打包传输数据,这样造成的时延就更长,而且通信费也随之增加。
(3) 移动通讯网+ 计算机互联网:移动通信网是一种新型的基于分组交换的数据业务,具有传输速度高、使用方便、经济等特点,逐渐在各行业内开始应用。将数据借用GSMPGPRS、CDMA 等公用移动通讯网信息平台传送到计算机互联网上,数据中心再从互联网上获取监测数据。
全球移动通信系统( GSM, Global System forMobile Communications) ,最早在欧洲开发出来并投入使用,由于受到无线接口的单个业务信道数据传输速率最高不能超过12kbpPs 的限制,与其它网络数据通信速率最高为916kbpPs。
通用分组无线业务( GPRS , General PacketRadio Service) ,作为第二代移动通信技术(GSM) 向
第三代移动通信(3G) 技术的过渡, GPRS 在现有的GSM网络基础上叠加了一个新的网络,是一项高速数据处理的技术,GPRS 网络理论上最大传输速率是17112kbitPs ,现在的网络实际支持的速率约为20～40kbitPs。计费方式是按流量收取。
CDMA (Code Division Multiple Access) ,是在数字技术的分支——扩频通信技术基础上发展起来的,具有数据传输速率快、保密性好、功率低等特点。理论最高数据传输速率是2MbitPs 以上,实际可支持的速率为308kbitPs。
在计算机测控系统中,数据通讯主要采用异步串行通讯方式。必须根据需要选择标准接口,用来实现监测系统与计算机之间的数据通讯。应用在监测系统的异步串行通讯接口有三种:
RS - 232C:是美国电子工业协会(EIA) 正式公布的异步串行通讯中应用最广的标准总线,适合
于短距离或带调制解调器的通讯场合；
RS - 485 :EIA 为了提高数据传输率和通讯距离公布的等串行总线接口标准；
20mA 电流环: 是一种非标准的串行接口电路。
目前大部分的噪声监测系统选用RS - 232 串行接口进行数据传输。无线数据终端与数据中心之间需要采取一定的协议进行数据传输,包括UDP、TCP 以及一些自主开发的协议。每种传输协议,适用的范围不同,UDP 协议适用于实时性强、数据差错和顺序要求不高的应用,其优点为带宽利用率相对高,实时性相对好；TCP 协议适用于数据差错和顺序要求高的应用,其优点为保证数据的正确和保持原有顺序；一些自主开发的协议则是建立在TCP 的基础上,适用于数据完整性、差错控制和顺序要求极高的应用,其优点为不但保证数据的正确和保持原有顺序,而且保证不会因为无线网络的不稳定带来TCP 断链而产生的用户数据丢失。根据监测数据传输的特点,目前大多采用TCP 协议或以
TCP 协议为基础开发的协议作为数据传输协议。
2．4 数据中心
数据中心是噪声监测系统的最后一部分,主要功能是对噪声数据分析、计算、统计、动态显示
波形图、噪声统计分布(正态分布或偏态分布) 、相关性检验、期望值和标准差、噪声趋势预测、噪声超标报警及现场录音回放、噪声频谱分析等,并可结合地理信息系统完成空间数据的地理信息演示工作绘制各种日、月、年统计图表等,为环境噪声监测和治理提供有效依据。有些监控管理中心还为每个监控点设置不同的噪声限制级别,一旦噪声超限就会发出警告。所有的采集数据都记录
在数据库中。建立环境噪声监测数据库,为制定环境噪声管理工作提供数据资料。
数据中心的软件根据不同监测要求制定、完成特定的监测功能,一般由VB、VC + + 等高级计算机语言编写,具有实现功能快、升级便捷等特点。
数据中心的工作内容,是根据数据采集系统传送的信号性质决定的。如果数据采集系统已包括信号分析模块,就可以直接进行统计分析工作；如果数据中心接收到的是未经计算处理的电信号,就需要先将信号计算转化成声压级,然后再做其它统计分析工作。利用计算机软件实现对信号的处理分析工作不仅可以简化前端硬件设计、降低硬件成本、减少硬件处理数据精度的损失,还获取大量的监测数据,有利于对监测数据的管理工作。
3 结论
环境噪声自动监测系统具有无人员值守、24小时连续运行的特点,在对固定源监测方面有明显优势；可为环境噪声执法、评价和治理提供及时、可靠、有效的依据；还可为我国各大中型城市实施安静工程提供及时、准确的环境噪声监测手段。环境噪声自动监测系统具有以下特点:
(1) 实现噪声实时监测,监测数据具有时间代表性、可比性；
(2) 系统安装、操作简便,工作环境、时间不受限制,节省人力物力；
(3) 有线或无线联网传输数据,数据采集、传输方便快捷；
(4) 軟件处理升级快速便捷,能够适应不同的监测要求。
目前我国也在积极研究开发此类监测产品,这些自主研发的自动监测系统相比较于国外几个著名公司开发的全天候户外传声器单元、噪声自动监测仪等产品仍然不够成熟和完善,有待进一
步提高。
参考文献:
[ 1] 孙家麒等,声级计的原理和应用[M] . 杭州:计量出版社.
[ 2 ] 张文平等,南昌市城市噪声自动监测系统[J ] . 中国环境监测,2004 ,20(5) .
[ 3 ] 魏化军等,道路交通噪声自动监测系统初探[J ] . 环境监测管理与技术,2002 ,12(6) .
[ 4 ] 董敬,环境噪声在线自动监测系统的开发研究[J ] .黑龙江环境通报,2005 ,29(3) .
[ 5 ] 卓国祥等,城市道路交通噪声自动技术探讨[J ] . 环境监测管理与技术,2000 增刊.
[ 6 ] 吴邦灿等,对我国环境监测的分析与建议[J ] . 环境保护,1999.
关键词: 环境噪声； 无线； 传输； 监测技术
虽然近十多年来我国对环境噪声管理和控制工作取得了明显的成效,但许多城市噪声污染仍相当严重。噪声污染投诉事件数量一直居各类环境污染投诉事件的首位,影响了社会安定和社会正常秩序。
城市环境噪声污染已经成为世界各国大城市面临的一个重要环境保护问题,环境噪声控制已成为城市环境保护和社会发展的重要工作内容。目前国外关于环境噪声研究发展方向表现在三个方面:一是更加深入地进行环境噪声预测研究,为环境噪声管理、治理、控制和规划提供依据；二是加强噪声的实验室研究,着重进行噪声频率成分、时间特性、空间分布、噪声的实验模拟等方面的研究；三是完善噪声的监测手段,增加监测时段,提高监测数据的时间代表性和空间代表性。其中环境噪声监测技术是把握城市噪声污染现状,进行实验室研究、预测研究的基础,是进行环境噪声科学有效控制的基础。
1 国内外环境噪声监测发展现状
由于国外工业化和城市化进程比较早,环境问题的产生和相应的环境噪声监测研究与应用也
早于我国。几个著名的国外声学仪器公司开发的噪声监测产品已经解决了自动测量、自动数据处
理、信息自动传输、信息网络互联、监测信息资源共享、工作环境不受限制等技术问题。仅就技术
而言,目前环境噪声监测技术已经发展的比较完备,能够满足当前环境噪声监测的技术要求,实现
自动监测仅仅是经济上能否承受的问题。
国外噪声自动监测系统大都应用在机场噪声的监测和固定噪声源的监测中。大型的国际机场均建有飞机噪声自动监测系统,各类飞机的起降噪声数据由自动监测系统取得,并直接与机场塔台联网,以确定其是否超标。日本全国布有大约7000 个固定源噪声自动监测点,监控各种噪声源对周围环境的干扰情况。
由于我国现有环境噪声监测仪器以手持式为主,自动监测技术开发投入不足,环境噪声自动监测技术水平发展滞后于国际先进水平,成为环境噪声研究领域中一项亟待深入开展的工作。
2 自动监测系统
我国已经设立噪声自动监控系统的城市有北京、上海、哈尔滨等,噪声监测点1000 多个。各个
城市所采用的自动噪声监测系统组成大同小异,大致分为数据采集系统、前端供电系统、数据传输
(有线或无线) 系统以及数据中心等四大部分。
2．1 数据采集系统
数据采集系统的主要作用是完成对现场声环境的测量工作,一般采用传声器及信号分析模块采集并简单处理信号。传声器是一种声电换能器,可将测得的声信号转换成电信号,有电动式传声器、压电式传声器和电容式传声器等三种:电动式传声器的优点在于其固有噪声小,输出阻抗低,不需要阻抗变换器,可以直接连接衰减器和放大器,但是它的体积偏大,频率响应不平直,易受电磁场干扰；压电式传声器结构简单,价格便宜,频率响应也较平直,但是受温度影响较大,稳定性差；电容式传声器具有频度范围宽、频率响应平直、灵敏度变化小、长时间稳定性好等优点。根据噪声监测系统要求的工作范围和工作环境,一般都选用电容传声器。
数据采集系统一般有以下两种实现方式:
(1) 傳声器模块+ AD 转换模块:传声器模块将采集到的噪声信号转换成微弱电信号(电压或
电流信号) 后经放大传给AD 转换模块,由AD 转换模块将模似电信号转换成数字信号,直接送到
数据传输系统。
(2) 传声器模块+ AD 转换模块+ 信号分析模块:即在前种采集方式的基础上,通过信号处理
模块对数字信号进行简单计算分析,再将分析后的数据传给数据传输系统。信号处理模块可以利
用单片机技术自已开发,也可选用现有的噪声频谱分析仪的机芯。现在很多的监测系统都利用计算机软件实现对信号的处理分析工作,这样做可以简化前端硬件设计,降低硬件成本。
2．2 前端供电系统
噪声监测系统中数据采集系统大多需要在户外工作,供电一般采用蓄电池供给或蓄电池加市电联合供给两种方式。利用蓄电池供电,不受监测地点的限制,流动性好,适合短期监测工作；利用市电网络为监测系统供电则适合于长期监测工作,为防止停电的情况发生,可接入小型蓄电池以提供紧急情况下的电源。
户外工作的监测系统一般需要满足其工作环境的需要,其外观设计需要满足防风、防雨、防鸟
停的功能,即使在监测条件不佳的情况下也能保证正常工作。
2．3 数据传输系统
数据传输系统将采集系统取得的数据传输至数据中心以供处理,同时将数据中心发出的指令传输至数据采集系统,一般传输距离较远。数据传输根据其采用的方式,可以分为有线(架设光缆、电缆或租用电信专线) 和无线(建立专用无线数据传输系统或借用GSMPGPRS、CDMA 等公用无线网络平台) 两大类。
现有的很多环境噪声监测系统采用有线、有线加调制解调器或光纤等通讯方式。基于电话线
的传输方法有两种:一种是监测仪器和数据中心都通过调制解调器接入电话线网,传送、接收双方
是对等的,随时都可通过拨号访问对方,因为电话线网的覆盖面较广,利用电话线传输数据具有初期投资较小、数据传输的正确率较高等优点,但在使用过程中由于按占线时间的长短计费,不适合在线时间长而传输数据量少的监测系统。如果监测仪器周围没有电话线,就需要专门架设电话线,增加前期安装工作的难度,增大监测成本。采用光纤方式传输数据,虽然传输速度快,传输数据量大,但铺设光纤成本过大,监测部门很难承担。
计算机和通信两个领域的相互渗透、逐步融合促进了无线网络技术的不断完善提高,无线网络技术将成为未来环境噪声监测系统数据传输的主要实现方式。无线数据通讯主要有以下几种方式:无线电、移动通讯网短消息服务和移动通讯网+ 计算机互联网等。
(1) 无线电:利用一定频率的无线电波信号,传输、接收监测数据。无线电通讯一般在200～400MHz 或214GHz 左右的频段使用。上海市的噪声监测系统采用无线数据通讯方式,无线通讯工作频率为450MHz。
采用无线电技术进行数据传输的优点是不需要传输资费,一般都数话兼容,同时可以用来传输语音；缺点是随着距离的增加,信号容易受干扰,而且容易对精密电子设备造成不良影响。
(2) 移动通讯网短消息服务: 短消息业务SMS(Short Message Service) 是全球移动通信系统提
供的一种能够使用手机或GSM 模块接收和发送文本消息的服务。每条短消息最多可包含160 个字母或70 个汉字。
以SMS 业务进行数据通信,虽然通信费用比较低廉,但由于其在传输过程中存在时延,不能满足一些监测系统实时性的要求。同时如果传输的数据量超过短消息允许的最大长度,必须通过多次分组打包传输数据,这样造成的时延就更长,而且通信费也随之增加。
(3) 移动通讯网+ 计算机互联网:移动通信网是一种新型的基于分组交换的数据业务,具有传输速度高、使用方便、经济等特点,逐渐在各行业内开始应用。将数据借用GSMPGPRS、CDMA 等公用移动通讯网信息平台传送到计算机互联网上,数据中心再从互联网上获取监测数据。
全球移动通信系统( GSM, Global System forMobile Communications) ,最早在欧洲开发出来并投入使用,由于受到无线接口的单个业务信道数据传输速率最高不能超过12kbpPs 的限制,与其它网络数据通信速率最高为916kbpPs。
通用分组无线业务( GPRS , General PacketRadio Service) ,作为第二代移动通信技术(GSM) 向
第三代移动通信(3G) 技术的过渡, GPRS 在现有的GSM网络基础上叠加了一个新的网络,是一项高速数据处理的技术,GPRS 网络理论上最大传输速率是17112kbitPs ,现在的网络实际支持的速率约为20～40kbitPs。计费方式是按流量收取。
CDMA (Code Division Multiple Access) ,是在数字技术的分支——扩频通信技术基础上发展起来的,具有数据传输速率快、保密性好、功率低等特点。理论最高数据传输速率是2MbitPs 以上,实际可支持的速率为308kbitPs。
在计算机测控系统中,数据通讯主要采用异步串行通讯方式。必须根据需要选择标准接口,用来实现监测系统与计算机之间的数据通讯。应用在监测系统的异步串行通讯接口有三种:
RS - 232C:是美国电子工业协会(EIA) 正式公布的异步串行通讯中应用最广的标准总线,适合
于短距离或带调制解调器的通讯场合；
RS - 485 :EIA 为了提高数据传输率和通讯距离公布的等串行总线接口标准；
20mA 电流环: 是一种非标准的串行接口电路。
目前大部分的噪声监测系统选用RS - 232 串行接口进行数据传输。无线数据终端与数据中心之间需要采取一定的协议进行数据传输,包括UDP、TCP 以及一些自主开发的协议。每种传输协议,适用的范围不同,UDP 协议适用于实时性强、数据差错和顺序要求不高的应用,其优点为带宽利用率相对高,实时性相对好；TCP 协议适用于数据差错和顺序要求高的应用,其优点为保证数据的正确和保持原有顺序；一些自主开发的协议则是建立在TCP 的基础上,适用于数据完整性、差错控制和顺序要求极高的应用,其优点为不但保证数据的正确和保持原有顺序,而且保证不会因为无线网络的不稳定带来TCP 断链而产生的用户数据丢失。根据监测数据传输的特点,目前大多采用TCP 协议或以
TCP 协议为基础开发的协议作为数据传输协议。
2．4 数据中心
数据中心是噪声监测系统的最后一部分,主要功能是对噪声数据分析、计算、统计、动态显示
波形图、噪声统计分布(正态分布或偏态分布) 、相关性检验、期望值和标准差、噪声趋势预测、噪声超标报警及现场录音回放、噪声频谱分析等,并可结合地理信息系统完成空间数据的地理信息演示工作绘制各种日、月、年统计图表等,为环境噪声监测和治理提供有效依据。有些监控管理中心还为每个监控点设置不同的噪声限制级别,一旦噪声超限就会发出警告。所有的采集数据都记录
在数据库中。建立环境噪声监测数据库,为制定环境噪声管理工作提供数据资料。
数据中心的软件根据不同监测要求制定、完成特定的监测功能,一般由VB、VC + + 等高级计算机语言编写,具有实现功能快、升级便捷等特点。
数据中心的工作内容,是根据数据采集系统传送的信号性质决定的。如果数据采集系统已包括信号分析模块,就可以直接进行统计分析工作；如果数据中心接收到的是未经计算处理的电信号,就需要先将信号计算转化成声压级,然后再做其它统计分析工作。利用计算机软件实现对信号的处理分析工作不仅可以简化前端硬件设计、降低硬件成本、减少硬件处理数据精度的损失,还获取大量的监测数据,有利于对监测数据的管理工作。
3 结论
环境噪声自动监测系统具有无人员值守、24小时连续运行的特点,在对固定源监测方面有明显优势；可为环境噪声执法、评价和治理提供及时、可靠、有效的依据；还可为我国各大中型城市实施安静工程提供及时、准确的环境噪声监测手段。环境噪声自动监测系统具有以下特点:
(1) 实现噪声实时监测,监测数据具有时间代表性、可比性；
(2) 系统安装、操作简便,工作环境、时间不受限制,节省人力物力；
(3) 有线或无线联网传输数据,数据采集、传输方便快捷；
(4) 軟件处理升级快速便捷,能够适应不同的监测要求。
目前我国也在积极研究开发此类监测产品,这些自主研发的自动监测系统相比较于国外几个著名公司开发的全天候户外传声器单元、噪声自动监测仪等产品仍然不够成熟和完善,有待进一
步提高。
参考文献:
[ 1] 孙家麒等,声级计的原理和应用[M] . 杭州:计量出版社.
[ 2 ] 张文平等,南昌市城市噪声自动监测系统[J ] . 中国环境监测,2004 ,20(5) .
[ 3 ] 魏化军等,道路交通噪声自动监测系统初探[J ] . 环境监测管理与技术,2002 ,12(6) .
[ 4 ] 董敬,环境噪声在线自动监测系统的开发研究[J ] .黑龙江环境通报,2005 ,29(3) .
[ 5 ] 卓国祥等,城市道路交通噪声自动技术探讨[J ] . 环境监测管理与技术,2000 增刊.
[ 6 ] 吴邦灿等,对我国环境监测的分析与建议[J ] . 环境保护,1999.