污染源自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常診斷系統(tǒng)研究

劉佳泓，高翔，張?bào)K，王同健

(天津市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，天津 300191)

隨著污染源自動(dòng)監(jiān)控工作的深入開展，全國(guó)各地均大力開展了污染源自動(dòng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)及平臺(tái)的建設(shè)工作［1］。目前在用的絕大多數(shù)監(jiān)控平臺(tái)仍舊依據(jù)人工監(jiān)控方式進(jìn)行監(jiān)控，由于個(gè)人知識(shí)領(lǐng)域限制和人工處理的速度問題，限制了對(duì)整體監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控作用，對(duì)數(shù)據(jù)異常的原因難以進(jìn)行深入分析，阻礙了系統(tǒng)故障的實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)，形成了自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量跟蹤的瓶頸［2－3］。

1 異常診斷系統(tǒng)概念

污染源自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)診斷系統(tǒng)是采用智能化軟件針對(duì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。軟件的工作原理是采用質(zhì)量控制曲線和數(shù)據(jù)在一定顯著水平下的相關(guān)分析結(jié)果，從而對(duì)超出控制范圍的數(shù)據(jù)和非相關(guān)數(shù)群劃為異常數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)群，再將邏輯化專家智能分析系統(tǒng)分類，綜合分析，最終給出分析結(jié)果，為數(shù)據(jù)管理者提供有效的判斷結(jié)果，從而提高數(shù)據(jù)的質(zhì)量管理水平和工作效率。

2 異常數(shù)據(jù)的來源

2.1 系統(tǒng)誤差

由于儀器設(shè)備自身問題或者環(huán)境變化，導(dǎo)致自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)偏離真值產(chǎn)生系統(tǒng)誤差，它具有重復(fù)性、單向性和可測(cè)性。此類誤差在日常自動(dòng)監(jiān)控設(shè)施運(yùn)行中不易被發(fā)現(xiàn)，可通過定期校準(zhǔn)和校驗(yàn)來避免此類誤差對(duì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)造成的影響。

2.2 系統(tǒng)故障

導(dǎo)致污染源自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常的系統(tǒng)故障包括自動(dòng)監(jiān)控平臺(tái)故障、通訊故障、現(xiàn)場(chǎng)端儀器故障。由于不同部位工作內(nèi)容的差異，可反映出該部位不正常工作時(shí)，自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示出異常特征。如，平臺(tái)故障和通訊故障表現(xiàn)為全部信號(hào)中斷，子站通訊故障則表現(xiàn)為個(gè)別站點(diǎn)信號(hào)中斷。現(xiàn)場(chǎng)端儀器故障表現(xiàn)形式最為復(fù)雜，如出現(xiàn)“0”(儀器工作但無信號(hào)輸出或監(jiān)測(cè)值極低)、“－1”(儀器無輸出信號(hào))，但只局限于該項(xiàng)目的測(cè)定儀器。有些異常數(shù)據(jù)如數(shù)據(jù)大振幅變化、數(shù)據(jù)超標(biāo)、異常偏低、數(shù)據(jù)恒定無變化或極小幅度振動(dòng)，發(fā)生這種情況既可能是儀器故障又可能是污染源或凈化設(shè)施出現(xiàn)了問題，如凈化設(shè)施停運(yùn)或發(fā)生故障，生產(chǎn)設(shè)備停止運(yùn)行或生產(chǎn)負(fù)荷低下等，都可能表現(xiàn)為這種現(xiàn)象，但如果進(jìn)行綜合分析，上述情況則可表現(xiàn)出差異。如，污染源發(fā)生的問題常表現(xiàn)為各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目整體的變化，但儀器故障只反映單獨(dú)項(xiàng)目或少數(shù)幾個(gè)項(xiàng)目的變化，這是因?yàn)槿魏蝺x器都不具備同時(shí)測(cè)定所有項(xiàng)目的能力。處理上述復(fù)雜問題，有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員需要從各種角度采用排除分析方法進(jìn)行判斷，常用的方法是數(shù)據(jù)綜合分析方法和利用工況參數(shù)進(jìn)行的物料衡算方法，而診斷系統(tǒng)的工作原理就是模擬人工的分析方法，采用模擬程序進(jìn)行自動(dòng)分析給出判斷結(jié)果，從而提高了自動(dòng)監(jiān)控的質(zhì)量和工作效率。

2.3 人為造假

人為造假導(dǎo)致的異常數(shù)據(jù)從數(shù)值變化角度很難甄別，但造假的數(shù)據(jù)和設(shè)定人的目的相關(guān)。一般分為兩大類：一類是防止監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超標(biāo)，數(shù)值在標(biāo)準(zhǔn)值附近被鎖定;另一類是為減少總量排放所設(shè)定，表現(xiàn)為數(shù)據(jù)長(zhǎng)時(shí)間、大幅度變低或測(cè)定流量變小。這種數(shù)據(jù)突出表現(xiàn)在監(jiān)測(cè)值和工況參數(shù)分析值的明顯差異上。

人為造假主要通過以下兩種方式實(shí)現(xiàn)：

(1)現(xiàn)場(chǎng)端儀器造假

任意調(diào)整設(shè)備參數(shù)設(shè)置，儀器量程設(shè)置過高，測(cè)量數(shù)據(jù)因量程漂移過大導(dǎo)致顯示數(shù)據(jù)失真;通過在工程調(diào)試模式下修改標(biāo)準(zhǔn)曲線來調(diào)節(jié)儀器顯示值，導(dǎo)致上傳數(shù)據(jù)低于實(shí)際測(cè)量值;對(duì)于化學(xué)需氧量自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備，人為調(diào)高比對(duì)確定的重鉻酸鉀濃度或人為調(diào)低硫酸亞鐵濃度，都將導(dǎo)致測(cè)量值低于實(shí)際值［4］。還有一些企業(yè)選用未通過環(huán)保部環(huán)境監(jiān)測(cè)企業(yè)質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心適用性檢測(cè)和國(guó)家環(huán)保產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)認(rèn)證的儀器，選用的企業(yè)不適用于企業(yè)實(shí)際狀況等情況，都會(huì)導(dǎo)致自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)偏離正常排放數(shù)據(jù)，出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)。

(2)數(shù)采儀造假

數(shù)采儀和分析儀設(shè)置的量程不一致，導(dǎo)致數(shù)采儀上傳的數(shù)據(jù)被等比例衰減;利用數(shù)采儀軟件系統(tǒng)模擬假數(shù)據(jù)上傳，所有報(bào)送環(huán)保部門的數(shù)據(jù)均是通過軟件模擬出來的假數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)處理后上報(bào)，在數(shù)采儀前安裝可編程模塊或者直接對(duì)數(shù)采儀軟件進(jìn)行修改，進(jìn)而對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理過濾，將數(shù)據(jù)打折上報(bào);另一種是不上報(bào)超標(biāo)數(shù)據(jù)，而是自動(dòng)生成低于排放限值的數(shù)據(jù)上報(bào)。

2.4 污染源異常變動(dòng)

污染源異常變動(dòng)是指污染源企業(yè)生產(chǎn)過程發(fā)生變化或者污染物治理設(shè)施發(fā)生故障等情況。如廢水企業(yè)停產(chǎn)時(shí)無生產(chǎn)廢水排放，會(huì)造成污染源自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)恒定不變;鍋爐啟爐期間，脫硫系統(tǒng)作用滯后會(huì)導(dǎo)致一段時(shí)間內(nèi)二氧化硫濃度偏高等，都會(huì)造成異常數(shù)據(jù)的產(chǎn)生。

3 診斷系統(tǒng)原理

正常的自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)群，時(shí)間分布呈正態(tài)分布或偏正態(tài)分布，所以其對(duì)數(shù)函數(shù)與時(shí)間變量線性相關(guān)。依據(jù)這個(gè)原理可將自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)回歸為工作曲線，其工作曲線的走向反映自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)誤差的發(fā)展程度。若為此工作曲線設(shè)置上下允許誤差臨界線，此工作曲線可作為該自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)質(zhì)量控制曲線，把超越臨界線范圍的數(shù)據(jù)作為異常數(shù)據(jù)，再通過數(shù)據(jù)間相互邏輯關(guān)系分析和工藝參數(shù)進(jìn)行的物料分析，判斷出異常數(shù)據(jù)的產(chǎn)生原因。

4 異常數(shù)據(jù)診斷系統(tǒng)

4.1 異常數(shù)據(jù)診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

診斷系統(tǒng)由專家判斷系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、故障識(shí)別系統(tǒng)組成(圖1)。其中專家判斷系統(tǒng)承擔(dān)診斷、管理及信息輸入、輸出控制，各部分執(zhí)行功能具有學(xué)習(xí)升級(jí)能力。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)包括數(shù)理分析、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、數(shù)據(jù)修約功能。故障識(shí)別系統(tǒng)是接收數(shù)據(jù)處理后的異常數(shù)據(jù)，由綜合分析單元或工藝參數(shù)審核單元對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行甄別判斷，最終得到判斷結(jié)果并通過輸出系統(tǒng)將判別過程和結(jié)論顯示給平臺(tái)終端。整個(gè)過程采用了人工分析的各種經(jīng)驗(yàn)和理論方法，不但體現(xiàn)了專業(yè)化的鑒別能力，而且可做到對(duì)全部監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的高效率、高質(zhì)量控制。

4.2 專家判斷系統(tǒng)

專家判斷系統(tǒng)貫穿整個(gè)診斷過程，具備學(xué)習(xí)升級(jí)能力。采用經(jīng)驗(yàn)判斷法對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行易出現(xiàn)的簡(jiǎn)單問題進(jìn)行過濾分析，得到兩類結(jié)果，一是終結(jié)結(jié)果，二是進(jìn)入數(shù)據(jù)處理診斷系統(tǒng)。其主要功能是鑒別數(shù)據(jù)群是否存在異常數(shù)據(jù)，結(jié)構(gòu)由數(shù)據(jù)庫(kù)和比較判斷單元組成。數(shù)據(jù)庫(kù)的信息來源于被審定單位在正常運(yùn)行期間的數(shù)據(jù)群，通過數(shù)學(xué)處理得到回歸質(zhì)量控制線和矩陣相關(guān)特性參數(shù)，并以此作為下一階段數(shù)據(jù)鑒別的參照數(shù)據(jù)指標(biāo)?；貧w質(zhì)量控制線用于篩選個(gè)別異常數(shù)據(jù)，矩陣相關(guān)特性參數(shù)用于整體數(shù)據(jù)是否發(fā)生顯著性變化的判斷。

圖1 污染源自動(dòng)監(jiān)測(cè)異常數(shù)據(jù)診斷及故障識(shí)別流程

4.3 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

異常數(shù)據(jù)經(jīng)過專家判斷系統(tǒng)進(jìn)入數(shù)據(jù)處理診斷系統(tǒng)，系統(tǒng)將根據(jù)國(guó)家污染源自動(dòng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)處理技術(shù)規(guī)范對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)理分析并處理數(shù)據(jù)［5］。其主要功能是實(shí)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)的自動(dòng)補(bǔ)遺和修正，其結(jié)構(gòu)由技術(shù)規(guī)范單元和數(shù)據(jù)分析單元組成。將自動(dòng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)處理算法程式化的嵌套入數(shù)據(jù)處理后臺(tái)，針對(duì)數(shù)據(jù)群的數(shù)據(jù)特征對(duì)缺失、異常以及恒定數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)遺和修正。

4.4 故障識(shí)別系統(tǒng)

故障識(shí)別系統(tǒng)可對(duì)異常數(shù)據(jù)產(chǎn)生的原因進(jìn)行甄別，并標(biāo)記出異常原因。該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)性分析子系統(tǒng)和工藝參數(shù)審核子系統(tǒng)組成。

4.4.1 數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)性分析

數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)性分析工作原理是根據(jù)一個(gè)穩(wěn)定的污染源和尾端凈化系統(tǒng)在其正常工作狀態(tài)下，排放的污染物和流質(zhì)狀態(tài)參數(shù)存在一種相對(duì)穩(wěn)定的邏輯關(guān)系。如，濕式脫硫塔煙溫與二氧化硫排放濃度具有強(qiáng)烈的內(nèi)在聯(lián)系，風(fēng)量、氧含量和鍋爐負(fù)荷相關(guān)，等等。兩對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)其中的一個(gè)因子顯著變化，很可能說明該測(cè)試項(xiàng)出現(xiàn)了問題，如煙溫不變，二氧化硫迅速增長(zhǎng)，可得到二氧化硫監(jiān)測(cè)儀器出現(xiàn)正誤差的可能判據(jù)，再引入工藝參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)核定，儀器標(biāo)定記錄檔案、脫硫塔的吸收液pH值和鍋爐負(fù)荷的大小，便可得到確切結(jié)論。

4.4.2 工藝參數(shù)核定

工藝參數(shù)核定是按照平衡原理計(jì)算出輸出污染物排放濃度，對(duì)實(shí)際監(jiān)測(cè)值進(jìn)行評(píng)價(jià)的分析過程。當(dāng)污染源系統(tǒng)參數(shù)齊全時(shí)，具有很高的可信判斷能力。如，風(fēng)量與氧含量可得到理論風(fēng)量，反映負(fù)荷的變化，而狀態(tài)參數(shù)中鍋爐負(fù)荷參數(shù)可對(duì)此相互印證。預(yù)先設(shè)置的物料計(jì)算公式可對(duì)各種污染物排放濃度給出理論排放值，借此即可得到監(jiān)測(cè)值的核定結(jié)果。

5 系統(tǒng)應(yīng)用及存在問題

該系統(tǒng)可應(yīng)用于各級(jí)污染源自動(dòng)監(jiān)控中心的自動(dòng)監(jiān)控工作中，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)端污染源排放異常數(shù)據(jù)的識(shí)別與診斷，為監(jiān)控中心獲得有效、真實(shí)的污染源排放數(shù)據(jù)提供技術(shù)保障。該系統(tǒng)已應(yīng)用于“天津市污染源在線監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)管理系統(tǒng)”。由于現(xiàn)場(chǎng)端自動(dòng)監(jiān)控設(shè)備品牌繁雜，不同生產(chǎn)廠家的儀器參數(shù)設(shè)置千差萬別，同時(shí)企業(yè)的生產(chǎn)設(shè)施、污染防治設(shè)施工藝不同，出現(xiàn)不同情況時(shí)會(huì)以不同的數(shù)據(jù)規(guī)律表現(xiàn)出來，這就使系統(tǒng)在應(yīng)用初期，需要有經(jīng)驗(yàn)的專家對(duì)每家企業(yè)的具體情況進(jìn)行規(guī)律性研究，進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，運(yùn)行一段時(shí)間后方可發(fā)揮系統(tǒng)功效。

6 結(jié)語

該系統(tǒng)模擬專家經(jīng)驗(yàn)判斷，結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)間邏輯關(guān)系和工藝參數(shù)對(duì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行診斷，具有較高的數(shù)據(jù)處理效率和準(zhǔn)確的故障識(shí)別功能。污染源自動(dòng)監(jiān)測(cè)異常數(shù)據(jù)診斷系統(tǒng)的開發(fā)對(duì)實(shí)現(xiàn)污染源自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的自動(dòng)化，提高自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)普及應(yīng)用具有深遠(yuǎn)意義，是污染源監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)化的必然發(fā)展趨勢(shì)。

［1］徐光.環(huán)境在線監(jiān)測(cè)監(jiān)控管理與發(fā)布系統(tǒng)［J］.中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)，2006，22(4)：10 －14.

［2］劉俊，袁鸞，師建中.區(qū)域空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)審核方法與制度的探索［J］.中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)，2009，25(4)：60 －64.

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［4］張萬松，繆旭波.水污染源在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)常見問題及核查方法研究［J］.環(huán)境監(jiān)控與預(yù)警，2012，4(2)：22 －26.

［5］國(guó)家環(huán)境保護(hù)部環(huán)境監(jiān)測(cè)司.國(guó)家重點(diǎn)監(jiān)控企業(yè)污染源自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)有效性審核教程［M］.北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2010.