廢氣污染源自動監(jiān)測異常數(shù)據(jù)診斷與處理方法研究

鄭濤 張驥

（天津市環(huán)境監(jiān)測中心天津300191）

0 前言

隨著各地方污染源自動監(jiān)控設(shè)備的運行，污染源自動監(jiān)測作為環(huán)境管理的重要手段，在減排監(jiān)測體系中發(fā)揮著越來越大的作用。特別是隨著減排工作不斷深入，對污染源自動監(jiān)測數(shù)據(jù)的質(zhì)量提出了更高的要求。然而，在實際運行過程中，大量的連續(xù)數(shù)據(jù)中很容易產(chǎn)生數(shù)據(jù)異常的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了自動監(jiān)測數(shù)據(jù)的整體質(zhì)量。建立一套科學(xué)、可靠的自動監(jiān)測數(shù)據(jù)診斷分析與處理方法，可有效提升在線監(jiān)控監(jiān)管能力水平和工作效率，為自動監(jiān)控數(shù)據(jù)的進(jìn)一步應(yīng)用提供有力技術(shù)支持。

1 異常數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式

污染源自動監(jiān)測數(shù)據(jù)是與污染源及凈化設(shè)施運行狀態(tài)等企業(yè)生產(chǎn)實際狀況息息相關(guān)的，其數(shù)據(jù)是否異常的判定依據(jù)主要在于其是否符合當(dāng)時企業(yè)生產(chǎn)實際情況，當(dāng)自動監(jiān)測數(shù)據(jù)不能正確體現(xiàn)污染源運行狀態(tài)時，即為異常數(shù)據(jù)。

零值：某項監(jiān)測數(shù)據(jù)中出現(xiàn)零值時，可能存在以下情況：①設(shè)備停爐，此時其他參數(shù)亦應(yīng)表現(xiàn)出停爐的特征；②設(shè)備故障，此時其他參數(shù)表現(xiàn)出鍋爐正常運行的特征；

缺失數(shù)據(jù)：即在一組連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)后出現(xiàn)無數(shù)據(jù)顯示，監(jiān)測數(shù)值時斷時續(xù)，時有時無，當(dāng)出現(xiàn)此類問題時，意味著數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)出現(xiàn)了故障，例如數(shù)采儀斷電、手機(jī)卡欠費等。

極值（極大值、極小值）：當(dāng)一組連續(xù)數(shù)據(jù)中偶然出現(xiàn)一個極大值時，通常是由于當(dāng)時自動監(jiān)測數(shù)據(jù)通入高濃度標(biāo)氣，進(jìn)行自校正的結(jié)果。當(dāng)一組連續(xù)數(shù)據(jù)中偶然出現(xiàn)一個極小值時，可能是由于當(dāng)時對設(shè)備，尤其是采樣設(shè)備進(jìn)行清潔維護(hù)造成的。當(dāng)一組連續(xù)數(shù)據(jù)中連續(xù)出現(xiàn)極值時，可能是設(shè)備故障造成的，也可能是生產(chǎn)負(fù)荷、凈化裝置運行發(fā)生變化造成的。

恒定值、負(fù)值：所謂恒定值是指某項數(shù)值一段時間內(nèi)恒定不變（不包括零值），負(fù)值是指監(jiān)測結(jié)果為負(fù)，當(dāng)出現(xiàn)此類問題時，儀器設(shè)備出現(xiàn)故障的可能性更大。

明顯違背污染源排放規(guī)律的監(jiān)測數(shù)據(jù)：此類數(shù)據(jù)的特點是單純從每組數(shù)據(jù)來看，均無明顯異常，但其顯示的污染源運行狀態(tài)與實際狀態(tài)明顯不符。要發(fā)現(xiàn)這類異常數(shù)據(jù)，必須把各項參數(shù)監(jiān)測結(jié)果統(tǒng)一匯總分析，方能進(jìn)行判定。出現(xiàn)這種情況的原因，大多是污染源自動監(jiān)測設(shè)備出現(xiàn)了異常。

2 污染源自動監(jiān)測異常數(shù)據(jù)診斷方法的建立

首先依據(jù)歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合污染源排放規(guī)律和特征，建立污染源自動監(jiān)測異常數(shù)據(jù)經(jīng)驗判別法，篩選出極端可疑的數(shù)據(jù)；針對極端可疑數(shù)據(jù)，與企業(yè)進(jìn)行溝通，了解相應(yīng)時間段內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)情況、凈化設(shè)施運行情況，并對極端異常數(shù)據(jù)進(jìn)行核定。對初步篩選后的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)判定，進(jìn)一步篩選不易發(fā)現(xiàn)的異常數(shù)據(jù)；針對再次篩選出的可疑數(shù)據(jù)，依照現(xiàn)場情況再次進(jìn)行核定，對于符合污染源排放規(guī)律的數(shù)據(jù)，確認(rèn)為正常數(shù)據(jù)，對不符合污染源排放規(guī)律的數(shù)據(jù)，確認(rèn)為異常數(shù)據(jù)，對異常數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。

2.1 建立異常數(shù)據(jù)經(jīng)驗判斷法

參照污染源自動監(jiān)測異常數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式，建立經(jīng)驗判定法。首先篩選出零值、負(fù)值、恒定值，并記錄出現(xiàn)這類數(shù)據(jù)的時間，以備與企業(yè)進(jìn)行核查，其次根據(jù)該企業(yè)該污染源凈化設(shè)施工藝，結(jié)合歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)，確定出可接受的監(jiān)測數(shù)據(jù)的上下限，以此為依據(jù)確定監(jiān)測數(shù)據(jù)中是否存在極值。

建立經(jīng)驗判斷法的目的在于初步剔除那些極端可疑的監(jiān)測數(shù)據(jù)。此類數(shù)據(jù)較易發(fā)現(xiàn)，如零值、恒定值等，另外通過對污染物濃度、流速、煙溫、氧含量參數(shù)的邏輯性判定，也可以將一部分違背污染源排放規(guī)律的數(shù)據(jù)識別出來，不需進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)判定；其次，防止這些極端可疑的數(shù)據(jù)參與到下一步統(tǒng)計學(xué)判定，成為粗大誤差，影響異常數(shù)據(jù)的判定結(jié)果。另外，通過對極端可疑數(shù)據(jù)現(xiàn)場情況的核定，可在一定程度上了解污染源當(dāng)前運行狀況，有助于進(jìn)行下一步的統(tǒng)計學(xué)判定。

2.2 現(xiàn)場情況的核定

由于目前傳輸?shù)轿廴驹醋詣颖O(jiān)控平臺的參數(shù)僅為六項（顆粒物、二氧化硫、氮氧化物濃度、煙溫、流速、氧含量），難以憑此對污染源自動監(jiān)控數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確與否進(jìn)行判斷，因此與排污企業(yè)進(jìn)行現(xiàn)場情況的核定是必不可少的一道工序。核定的內(nèi)容包括：①出現(xiàn)極端可疑數(shù)據(jù)的時間段內(nèi)，企業(yè)生產(chǎn)狀況、凈化設(shè)施運行狀況是否正常，是否有較大變化等；②其余時間段內(nèi)，企業(yè)生產(chǎn)狀況、凈化設(shè)施運行狀況是否正常，是否有較大變化等。通過對第一項內(nèi)容的了解，可以對藉由經(jīng)驗判定法篩選出的數(shù)據(jù)進(jìn)行合理性判定。例如：經(jīng)驗判定法發(fā)現(xiàn)三項污染物濃度監(jiān)測結(jié)果極低，流速監(jiān)測結(jié)果為零，排煙溫度、氧含量監(jiān)測結(jié)果接近于外界環(huán)境狀況，通過與企業(yè)溝通，了解到該時間段內(nèi)企業(yè)鍋爐停運，藉此可判定為污染源自動監(jiān)測數(shù)據(jù)符合當(dāng)前污染源排放狀況，可確定為正常數(shù)據(jù)加以保留。通過對第二項內(nèi)容的了解，可作為統(tǒng)計學(xué)二次判定的依據(jù)，如果相應(yīng)時間段內(nèi)企業(yè)運行正常，凈化設(shè)施運轉(zhuǎn)良好，則通過二次判定得出的可疑數(shù)據(jù)，可直接判定為異常數(shù)據(jù)，進(jìn)行異常數(shù)據(jù)處理。

2.3 統(tǒng)計學(xué)二次判定

用統(tǒng)計學(xué)原理進(jìn)行異常數(shù)據(jù)檢驗方法很多。由于各種檢驗方法的嚴(yán)格程度與校驗功效不同，在有些情況下，用不同的檢驗方法得到的檢驗結(jié)論是不同的，在這種情況下，如何確定檢驗結(jié)論，在不同的文獻(xiàn)中有不同的看法。有文獻(xiàn)曾比較了各種檢驗方法檢驗離群值的效果，證明格魯布斯法和t檢驗法檢驗功效更高。在此基礎(chǔ)上，筆者曾通過電廠實際監(jiān)測數(shù)據(jù)對格魯布斯法和t檢驗法進(jìn)行過檢驗，檢驗結(jié)果表明t檢驗法相對于格魯布斯法具有更高的檢驗精度和靈敏度，但同時當(dāng)數(shù)據(jù)波動情況較大時，t檢驗法顯得過于嚴(yán)格。而在實際生產(chǎn)過程中，鍋爐的運行狀態(tài)是與企業(yè)的生產(chǎn)狀況息息相關(guān)的，一旦企業(yè)的生產(chǎn)工況發(fā)生變化，鍋爐的運行狀態(tài)也會隨之發(fā)生變化，相應(yīng)的污染源自動監(jiān)控數(shù)據(jù)也會發(fā)生變化，這種變化在某種情況下可能是比較頻繁的，因此這就要求我們所選用的統(tǒng)計學(xué)方法也是適應(yīng)這種頻繁的變化。而格魯布斯法更適用于對污染源監(jiān)測結(jié)果的判定。

計算方法：將分析數(shù)據(jù)由小至大按順序排列：X1，X2，X3，…，Xn-1，Xn，其中可疑值為X1或Xn。先計算出該組數(shù)據(jù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差s，再計算統(tǒng)計量

根據(jù)事先確定的置信度和測定次數(shù)查表，如果G大于所查數(shù)值，則相對于G的X1或Xn為異常值。

這里需要指出的是，通過格魯布斯法計算出的異常值不能直接舍去，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場情況核定的結(jié)果綜合判斷。

3 污染源自動監(jiān)測異常數(shù)據(jù)的處理

參照污染源自動監(jiān)測異常數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式，結(jié)合對現(xiàn)場情況的核定，對篩選出的異常數(shù)據(jù)進(jìn)行分類處理，原則上符合現(xiàn)場情況的數(shù)據(jù)按照正常值予以確認(rèn)保留，不符合現(xiàn)場情況的數(shù)據(jù)，利用人工監(jiān)測補遺或歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行補遺。

當(dāng)固定污染源處于啟、停運、維修以及悶爐等狀態(tài)時，符合現(xiàn)場情況的數(shù)據(jù)可作為正常值予以保留。

當(dāng)污染源自動監(jiān)測設(shè)備處于維護(hù)保養(yǎng)、校準(zhǔn)、校驗等時間段時，所監(jiān)測的數(shù)據(jù)為不符合現(xiàn)場情況的數(shù)據(jù)，需進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。處理方式：①當(dāng)異常數(shù)據(jù)時段小于24小時，前一次校準(zhǔn)后第一個小時的數(shù)據(jù)和本次校準(zhǔn)第一個小時的有效小時均值的算術(shù)平均值進(jìn)行補遺。②當(dāng)異常數(shù)據(jù)時段大于24小時，選取前一次校準(zhǔn)前720有效小時均值的排放量最大值對三項污染物的排放量進(jìn)行替換，選取上述時段的算術(shù)平均值，對氧含量和其他參數(shù)進(jìn)行替換。

當(dāng)污染物自動監(jiān)測數(shù)據(jù)缺失時，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行補遺。處理方式：①當(dāng)缺失的數(shù)據(jù)在24小時以內(nèi)，缺失數(shù)據(jù)按該參數(shù)缺失前1小時的有效小時均值和恢復(fù)后1小時的有效小時均值的算術(shù)平均值進(jìn)行補遺。②當(dāng)缺失數(shù)據(jù)超過24小時，對于三項污染物，選擇缺失前720有效小時均值中最大小時排放量進(jìn)行補遺，其濃度值不需補遺。對于氧含量和其他參數(shù)，缺失數(shù)據(jù)按該參數(shù)缺失前720有效小時均值的算術(shù)平均值進(jìn)行補遺。③當(dāng)缺失數(shù)據(jù)超過96小時時，需要啟動人工監(jiān)測，用人工監(jiān)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行補遺。

當(dāng)污染源自動監(jiān)測設(shè)備處于故障期間、維修期間時，所監(jiān)測的數(shù)據(jù)為不符合現(xiàn)場情況的數(shù)據(jù)，需進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。處理方式參照污染源自動監(jiān)測設(shè)備處于維護(hù)保養(yǎng)、校準(zhǔn)、校驗等時間段時的處理辦法。

當(dāng)污染源數(shù)據(jù)未通過統(tǒng)計學(xué)二次判定時，按該參數(shù)判定為異常值之前的24小時有效數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值進(jìn)行替換。

4 結(jié)論

這種污染源自動監(jiān)測異常數(shù)據(jù)判定及處理方式具有一定的可操作性，在天津市污染源自動監(jiān)控數(shù)據(jù)審核過程中已得到一定程度的應(yīng)用，有效的提高了污染源自動監(jiān)控能力，改變了以往缺少數(shù)據(jù)邏輯分析技術(shù)，只能在極端異常時通過人工發(fā)現(xiàn)的異常值判定狀況。但由于當(dāng)前污染源監(jiān)控平臺所接受到的數(shù)據(jù)類型偏少（僅為六項參數(shù)的測定結(jié)果），且具有一定的局限性（僅為凈化設(shè)施末端的數(shù)據(jù)），難以對污染源實際狀況進(jìn)行判斷，使得污染源自動監(jiān)測設(shè)備的監(jiān)控功能受到了一定的約束。同時由于需要與現(xiàn)場情況進(jìn)行反復(fù)確認(rèn)，在實際工作中仍比較繁瑣。如果在監(jiān)控平臺中能引入污染源及凈化設(shè)施運行參數(shù)，可以更好的發(fā)揮自動監(jiān)控的作用，為污染源自動監(jiān)測數(shù)據(jù)在執(zhí)法、排污收費等環(huán)境管理工作方面的應(yīng)用提供了技術(shù)保障，同時也提高了污染源自動監(jiān)測數(shù)據(jù)管理人員的工作效率和準(zhǔn)確性。

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