基于大數(shù)據(jù)分析的大氣網(wǎng)格化監(jiān)測質(zhì)控技術(shù)研究

王春迎，潘本峰，吳修祥，宋艷艷，張 玲，馬景金，孫 凱

1.河北先河環(huán)保科技股份有限公司，河北 石家莊 050035 2.中國環(huán)境監(jiān)測總站,國家環(huán)境保護環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量控制重點實驗室，北京 100012 3.中國環(huán)境保護產(chǎn)業(yè)協(xié)會，北京 100000

基于大數(shù)據(jù)分析的大氣網(wǎng)格化監(jiān)測質(zhì)控技術(shù)研究

王春迎1，潘本峰2，吳修祥1，宋艷艷1，張 玲1，馬景金1，孫 凱3

1.河北先河環(huán)保科技股份有限公司，河北 石家莊 050035 2.中國環(huán)境監(jiān)測總站,國家環(huán)境保護環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量控制重點實驗室，北京 100012 3.中國環(huán)境保護產(chǎn)業(yè)協(xié)會，北京 100000

基于對現(xiàn)階段中國環(huán)境空氣的污染特征及監(jiān)測手段進行分析，研究了如何采用傳感器技術(shù)進行大氣污染防治網(wǎng)格化監(jiān)測。對標物校準、訓(xùn)化校準、自適應(yīng)校準、傳遞校準等校準質(zhì)控技術(shù)進行了充分研究并基于此建立了自主學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的校準體系。為解決傳感器應(yīng)用過程中零點漂移、溫度和濕度漂移、時間漂移等問題，利用大數(shù)據(jù)、基因算法成功開發(fā)出了智能數(shù)據(jù)修正模型，實現(xiàn)了低成本、高穩(wěn)定、具有相當(dāng)精度且可自動化運行的網(wǎng)格化監(jiān)測體系。

大數(shù)據(jù)；傳感器；網(wǎng)格化監(jiān)測；質(zhì)控

近年來，針對中國環(huán)境污染情況，各地區(qū)采取了一定的措施，但改善的速度、幅度距離新的環(huán)境空氣質(zhì)量標準要求和國際先進水平仍有一定差距。城市污染源主要來自于揚塵、工業(yè)生產(chǎn)、機動車排放、燃煤、餐飲等污染。大氣污染排放情況復(fù)雜多變，缺乏完整的動態(tài)污染源排放清單。因此，需要對區(qū)域內(nèi)各類污染物來源進行更嚴格的管控，對環(huán)境實施精細化管理。

在國務(wù)院辦公廳《關(guān)于加強環(huán)境監(jiān)管執(zhí)法的通知》的要求下，許多地區(qū)采用人工監(jiān)管方式對城市環(huán)境進行網(wǎng)格化管理，在大氣污染防治工作中取得了顯著成效，但人力、物力消耗巨大，且時效性與對突發(fā)污染事件的響應(yīng)和判別存在較大不足。而傳統(tǒng)的監(jiān)測設(shè)備由于價格昂貴、體積龐大，不能完全滿足網(wǎng)格化環(huán)境監(jiān)管工作的需要，尤其在局部污染及污染細節(jié)監(jiān)測方面的能力稍顯不足，難以滿足環(huán)境精細化管理需求[1]。傳感器技術(shù)憑借方便、快捷及待測物持續(xù)動態(tài)監(jiān)測等特點，在北京市通州區(qū)、河北省石家莊市等地有了較為廣泛的應(yīng)用，為各地政府進行網(wǎng)格化環(huán)境監(jiān)管提供了科技支撐，促進當(dāng)?shù)卣卫泶髿馕廴居蓱{經(jīng)驗、憑感覺、粗放式向網(wǎng)格化、實時化、精準化治霾轉(zhuǎn)變，大幅提升治霾的工作效能，推動大氣質(zhì)量持續(xù)改善。但是在實際應(yīng)用過程中，若單純采用傳感器進行網(wǎng)格化建設(shè)時，仍存在很多問題。

1 大氣網(wǎng)格化監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)設(shè)計及問題

大氣網(wǎng)格化監(jiān)測，通過大量應(yīng)用傳感器技術(shù)，打破了傳統(tǒng)空氣質(zhì)量評價監(jiān)測的點位限制，建設(shè)并融合環(huán)境質(zhì)量監(jiān)控網(wǎng)格、重點污染源監(jiān)控網(wǎng)格等不同監(jiān)測網(wǎng)格，實現(xiàn)對監(jiān)測區(qū)域的全覆蓋精準監(jiān)控，消滅監(jiān)測盲區(qū)，實時掌握區(qū)域內(nèi)環(huán)境污染分布狀況及空氣質(zhì)量變化趨勢，為實現(xiàn)區(qū)域環(huán)境空氣質(zhì)量精細化管理提供支撐。但是如何克服傳感器固有的零漂、溫漂、時漂等缺陷，保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確、穩(wěn)定、可靠，是目前開展大氣網(wǎng)格化監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的難點。

1.1 大氣網(wǎng)格化監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)設(shè)計原則

為達到區(qū)域大氣污染防治精細化管理的目的，根據(jù)不同污染源類型及監(jiān)控需求，在目標區(qū)域采用高密度網(wǎng)格點布設(shè)實測的方法進行網(wǎng)格化布點，對各點位相關(guān)污染物濃度進行實時監(jiān)測，實現(xiàn)整個區(qū)域高時間分辨率、高空間分辨率和多參數(shù)的實時動態(tài)監(jiān)測；反映整個城市、背景、邊界、傳輸通道、農(nóng)村鄉(xiāng)鎮(zhèn)以及城鄉(xiāng)結(jié)合部等區(qū)域的空氣質(zhì)量整體狀況和變化趨勢。

對區(qū)域內(nèi)污染源重點監(jiān)控，科學(xué)評估區(qū)域內(nèi)主要固定污染源、工業(yè)園區(qū)、道路交通、無組織排放源的污染排放狀況及其對環(huán)境空氣質(zhì)量的影響。

1.2 大氣網(wǎng)格化監(jiān)測技術(shù)要求

大氣網(wǎng)格化監(jiān)測技術(shù)是對傳統(tǒng)監(jiān)測大氣環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的有效補充，在實際應(yīng)用過程中，大氣網(wǎng)格化監(jiān)測需滿足以下技術(shù)要求。

監(jiān)測參數(shù)全面：按照《GB 3095—2016環(huán)境空氣質(zhì)量標準》對環(huán)境空氣中空氣污染物一般項目的監(jiān)測要求，大氣網(wǎng)格化監(jiān)測系統(tǒng)，應(yīng)能夠?qū)Νh(huán)境大氣中的顆粒物(PM10、PM2.5)、二氧化硫(SO2)、二氧化氮(NO2)、一氧化碳(CO)及臭氧(O3)進行監(jiān)測，在特殊地區(qū)，還應(yīng)能對硫化氫、VOC等特征污染物進行監(jiān)測。

多種環(huán)境下的數(shù)據(jù)準確性：大氣網(wǎng)格化監(jiān)測技術(shù)可實現(xiàn)對整個區(qū)域的全覆蓋監(jiān)測，包括居民區(qū)、商業(yè)區(qū)、道路交通、建筑工地、工業(yè)排放源等多種環(huán)境監(jiān)測對象。不同監(jiān)測對象間存在較大的環(huán)境差異性。大氣網(wǎng)格化監(jiān)測技術(shù)必須保證在不同應(yīng)用場景下，測量結(jié)果具有良好的一致性及可靠性。

時間分辨率較高：大氣污染物變化遷移始終是動態(tài)的，較高的時間分辨率可以捕捉到更多的空氣質(zhì)量信息。在應(yīng)用中，大氣網(wǎng)格化監(jiān)測技術(shù)時間分辨率一般不大于15 min，較常規(guī)的空氣質(zhì)量自動站提升了4倍。

穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸：大氣網(wǎng)格化監(jiān)測應(yīng)采用實時連續(xù)監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)應(yīng)實時匯集至數(shù)據(jù)中心進行處理。實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖畲笱舆t時間不應(yīng)超過30 s。

1.3 傳感器技術(shù)在大氣網(wǎng)格化監(jiān)測中的應(yīng)用現(xiàn)狀與問題

傳感器是能夠感受規(guī)定的被測量信號并按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置的總稱，通常被測量是非電物理量，輸出信號一般為電量[2]。在環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測中，光學(xué)傳感器[3]通常利用光散射方法來監(jiān)測空氣中顆粒物及粉塵的濃度，不改變浮游粉塵的物理化學(xué)性質(zhì)，能夠自動連續(xù)監(jiān)測空氣中的含塵濃度，但儀器的響應(yīng)經(jīng)常受到塵粒結(jié)構(gòu)、形狀、粒度及光源波長等因素的影響[4]。研究表明，顆粒物的粒度分布對散射光強的影響較大，顆粒物的粒徑越大，測量的顆粒物濃度值會偏低；同時，水霧對光散射測量的影響也較大，測量的顆粒物在含有水霧的情況下，會導(dǎo)致測量結(jié)果偏大[5]。光散射方法測量環(huán)境空氣中的顆粒物濃度，尤其是空氣中大粒徑顆粒物的濃度，會有較大的偏差，不能直接用于環(huán)境空氣中顆粒物的監(jiān)測[6]。

用于檢測碳氫化合物、羰基化合物、硫化物、硫氧化物、氮氧化物等[7]的電化學(xué)傳感器在實際應(yīng)用中主要存在兩個問題：第一是交叉靈敏度問題，即一個傳感器同時對幾種氣體敏感，在混合氣體測量過程中容易產(chǎn)生交叉干擾現(xiàn)象；第二就是氣體傳感器的特性漂移問題，即輸入-輸出特性隨時間不斷發(fā)生緩慢變化。其中，導(dǎo)致電化學(xué)傳感器特性漂移的因素比較復(fù)雜，如傳感器本身的老化、環(huán)境因素的變化等，而且漂移往往是隨機的，沒有規(guī)律性，嚴重影響應(yīng)用過程中的準確性。通過基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測器和系統(tǒng)辨識器的動態(tài)在線標定法，可實現(xiàn)傳感器特性漂移的判定，但此方法[8]僅在漂移幅度較大時比較有效，仍然不能完全解決傳感器的特性漂移問題。

為解決傳感器特性漂移的問題，部分研究人員采用標準氣體對傳感器進行校準[9]。但考慮到傳感器會受空氣成分組成及環(huán)境條件影響，因此國外標準機構(gòu)要求在對電化學(xué)傳感器校準時，需使用空氣作為背景氣[10]。然而，即使用以空氣作背景氣進行標定、測量時沒發(fā)現(xiàn)誤差，但由于設(shè)備使用環(huán)境在不斷變化中，背景氣的代表性通常較差，也不能保證傳感器在實際應(yīng)用場合下的測量準確性。

因此，為了提高傳感器在環(huán)境監(jiān)測中的數(shù)據(jù)準確性與長期運行穩(wěn)定性，迫切需要一種能有效修正環(huán)境背景中溫、濕度影響和交叉氣體干擾以及特性漂移的新技術(shù)和新方法。

2 大數(shù)據(jù)融合聯(lián)動修正質(zhì)控技術(shù)設(shè)計及驗證

本文介紹了一種將傳感器技術(shù)與國標法技術(shù)聯(lián)合的“大數(shù)據(jù)融合聯(lián)動修正”技術(shù)，通過建立基于自主學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法[11]的四種校準體系即標物校準、訓(xùn)化校準、大數(shù)據(jù)分析的實時校準(又叫自適應(yīng)校準)與傳遞校準。解決了傳感器應(yīng)用過程中零點漂移、溫度漂移、時間漂移等問題，提高了氣體傳感器在應(yīng)用過程中的數(shù)據(jù)準確性和長期運行穩(wěn)定性。

2.1 標物校準及訓(xùn)化校準

首先，在實驗室進行氣體傳感器的標準物質(zhì)校準，即采用多種標準氣體混合，在不同的混合比例、不同濃度梯度及不同環(huán)境條件下，對傳感器進行標定，并通過基因算法對氣體傳感器交叉干擾僅環(huán)境(溫、濕度)進行修正，并保證氣體傳感器在量程范圍內(nèi)的線性。

其次，在室外，利用國家標準方法儀器(空氣自動站)對氣體傳感器進行訓(xùn)化，并通過基因算法自動適應(yīng)環(huán)境變化，保證氣體傳感器在不同環(huán)境條件下數(shù)據(jù)質(zhì)量的一致性。

2.2 大數(shù)據(jù)分析的實時校準

由于氣體傳感器受空氣成分及環(huán)境條件的影響較大，不同地區(qū)環(huán)境條件及污染氣體成分差別較大，氣體傳感器在同一地點校準后，不適用于其他地區(qū)應(yīng)用。為了解決這一問題，采用了氣體傳感器與國家標準方法儀器組合布點的方式，在一定區(qū)域范圍內(nèi)，運用大數(shù)據(jù)平臺，使用國家標準方法儀器的監(jiān)測數(shù)據(jù)實時監(jiān)控傳感器的數(shù)據(jù)漂移情況，甄別異常設(shè)備；傳感器設(shè)備定期自動獲取規(guī)定區(qū)域的國家標準方法儀器的監(jiān)測數(shù)據(jù)，從而自動開展運行的自適應(yīng)校準，避免了環(huán)境差異、時間漂移、特征漂移造成數(shù)據(jù)不準問題，保證長期穩(wěn)定的運行，保證監(jiān)測結(jié)果的有效性和準確性。

此外，采用國標法設(shè)備對污染源區(qū)域進行監(jiān)測，數(shù)據(jù)具有法律效力，可直接用于環(huán)境執(zhí)法。

2.3 傳遞校準

對于在特殊環(huán)境下，如在工業(yè)園區(qū)、道路交通、餐飲集中區(qū)等污染特征明顯的區(qū)域安裝和使用的顆粒物傳感器與氣體傳感器，或者通過自適應(yīng)校準不能完全保證傳感器的數(shù)據(jù)質(zhì)量時，利用裝有國家標準方法儀器的移動校準車進行定期質(zhì)控和校準，確保監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確和可靠。采用大數(shù)據(jù)管理平臺，自動識別傳感器的準確度，將偏離較大的傳感器設(shè)備報警提醒，售后服務(wù)人員采用移動校準車對現(xiàn)場的傳感器設(shè)備進行比對測試，并與移動校準車GPS自動匹配，實現(xiàn)非接觸傳遞校準，可解決化工園區(qū)、企業(yè)、特殊污染區(qū)域、特殊時段測量的偏差，保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)長期準確性。

2.4 基于大數(shù)據(jù)分析技術(shù)對傳感器質(zhì)控驗證試驗

2.4.1 訓(xùn)化校準前后對比

本實驗采用經(jīng)過標物校準與訓(xùn)化校準后傳感器數(shù)據(jù)進行了分析。實驗用的5臺傳感器均在氣體標定實驗室內(nèi)完成標物校準，并在空氣自動站附近進行比對，其中1#～4#的傳感器采用了自主學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進行實時校準，5#傳感器未采取任何校準措施，實驗時間共2周(2016年2月1日至13日)。5臺傳感器與空氣自動站數(shù)據(jù)對比見表1，傳感器與空氣自動站數(shù)據(jù)相關(guān)性見表2。

表1 傳感器與空氣自動站周均值偏差 %

表2 傳感器與空氣自動站數(shù)據(jù)相關(guān)性

實驗結(jié)果表明，采用了自主學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進行實時校準的1#～4#傳感器與空氣自動站數(shù)據(jù)一致性較高，數(shù)據(jù)相關(guān)性達0.75以上，最大周均值偏差小于10.51%；5#傳感器由于實驗過程中未采取連續(xù)的校準措施，實驗數(shù)據(jù)與空氣自動站偏差超過30%，除顆粒物外，其他氣體監(jiān)測數(shù)據(jù)的相關(guān)性均低于60%。

2.4.2 自適應(yīng)校準前后對比

實驗在衡水市進行了測試。傳感器室外環(huán)境連續(xù)運行3個月(2016年4月1日至6月30日)后，隨機抽取1#～4#設(shè)備返回空氣自動站附近進行連續(xù)一周(2016年5月27日至6月2日)的比對測試，并另選取5#未經(jīng)校準的設(shè)備作為比較。5#僅使用了標物校準和訓(xùn)化校準，未進行現(xiàn)場實時校準。數(shù)據(jù)比對結(jié)果見表3、表4。

表3 傳感器與空氣自動站周均值偏差 %

表4 傳感器與空氣自動站數(shù)據(jù)相關(guān)性

數(shù)據(jù)對比結(jié)果表明，1#～4#經(jīng)過校準和質(zhì)控設(shè)備的傳感器的測量均值與空氣自動站偏差小于4.1%，數(shù)據(jù)相關(guān)性大于0.81；可以滿足現(xiàn)場環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測的要求；未校準設(shè)備的傳感器，雖在運行前經(jīng)過標準物質(zhì)標定及現(xiàn)場訓(xùn)化，但由于缺乏后期的連續(xù)質(zhì)控和校準，數(shù)據(jù)偏差超過30%，已經(jīng)不滿足于現(xiàn)場環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測的要求。

2.4.3 結(jié)果驗證

圖1為O3自適應(yīng)前后傳感器與空氣自動站濃度的對比，由圖1可以看出，在經(jīng)過標物校準、訓(xùn)化校準而未經(jīng)過自適應(yīng)校準的傳感器設(shè)備與標準站監(jiān)測濃度偏差很大，經(jīng)過自適應(yīng)校準后傳感器與空氣自動站濃度變化趨勢相一致。

圖1 O3自適應(yīng)校準前后傳感器與空氣自動站濃度比較

圖2為O3自適應(yīng)校準前后傳感器與空氣自動站濃度誤差的對比，由圖2可以看出，在經(jīng)過標物校準、訓(xùn)化校準而未經(jīng)過自適應(yīng)校準的傳感器設(shè)備與空氣自動站監(jiān)測濃度誤差很大，經(jīng)過自適應(yīng)校準后傳感器與空氣自動站濃度誤差在±20 μg/m3。

圖2 O3自適應(yīng)校準前后傳感器與空氣自動站濃度誤差比較

圖3為O3自適應(yīng)校準前后與空氣自動站監(jiān)測濃度相關(guān)性的對比圖，由圖3可以看出，經(jīng)過校準后，傳感器與空氣自動站的數(shù)據(jù)相關(guān)性從0.779 7提高到0.93以上。

圖3 O3自適應(yīng)校準前后傳感器與空氣自動站監(jiān)測濃度相關(guān)性比較

綜上，采用傳感器與國標方法儀器即空氣自動站組合布設(shè)，可以在較大范圍內(nèi)保證傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性，提高監(jiān)測水平。

3 結(jié)果與討論

氣體傳感器目前在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，但氣體傳感器存在易受環(huán)境條件影響、氣體交叉干擾及特性漂移等問題，測量準確性較低，限制了其在環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測方面的應(yīng)用效果。同時，對氣體傳感器僅采用標氣校準的方式，也無法保證其在室外實際應(yīng)用場合下數(shù)據(jù)的準確性。通過分析基于傳感器技術(shù)在大氣污染防治網(wǎng)格化管理中的應(yīng)用，可以得出如下結(jié)論：

以自主學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法為核心的四種校準體系即標物校準、訓(xùn)化校準、大數(shù)據(jù)分析的實時校準(又叫自適應(yīng)校準)與傳遞校準，可對氣體傳感器實時、連續(xù)的校準，有效提高氣體傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性。

在環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測中，采用氣體傳感器與國標方法儀器的組合布點方式對傳感器進行實時的校準和質(zhì)控，能有效消除氣體傳感器在室外環(huán)境中可能受到的溫、濕度影響和交叉干擾影響以及特性漂移問題，確保氣體傳感器的數(shù)據(jù)準確性和長期穩(wěn)定性，對環(huán)境實施精細化管理具有重要意義。

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Research on Quality Control of Atmospheric Grid Monitoring Based on Large Data Analysis

WANG Chunying1，PAN Benfeng2，WU Xiuxiang1，SONG Yanyan1，ZHANG Ling1，MA Jingjin1，SUN Kai3

1.Hebei Sailhero Environmental Protection Hi-tech Co.,Ltd., Shijiazhuang 050035, China 2.State Environmental Protection Key Laboratory of Quality Control in Environmental Monitoring, China National Environmental Monitoring Centre, Beijing 100012, China 3.China Association of Environmental Protection Industry, Beijing 100000, China

The pollution characteristics and monitoring methods of environmental air in China are analyzed, and how to adopt the sensor technology to monitor the air pollution prevention and control is studied. The calibration quality control technology, such as calibration, acclimation, adaptive calibration and transfer calibration, has been fully researched and a calibration system for autonomous learning neural network algorithm is established. In order to solve the problem of zero drift, temperature and humidity drift and time drift in the process of sensor application, this paper develops an intelligent data correction model using large data and genetic algorithm, and achieves low cost, high stability, accuracy and automatic operation of the grid monitoring system.

large data；sensor；grid monitoring；quality control

2016-10-08;

2016-10-25

王春迎(1982-)，女，河北張家口人，碩士，工程師。

孫 凱

X831

A

1002-6002(2016)06- 0001- 06

10.19316/j.issn.1002-6002.2016.06.01