艦艇艙室揮發(fā)性有機化合物來源分析及污染等級分類

侯?晨，史喜成，白書培，韓?浩，李?燦

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艦艇艙室揮發(fā)性有機化合物來源分析及污染等級分類

侯?晨1, 2，史喜成1，白書培1，韓?浩1，李?燦2

(1. 防化研究院國民核生化災害防護國家重點實驗室，北京 100191；2. 中國人民解放軍92609部隊，北京 100077)

針對艦艇艙室揮發(fā)性有機化合物采樣數(shù)據，利用主成分分析法對21種有機化合物氣體進行分析以確定各種有機化合物的主要來源，在主成分分析獲得的降維數(shù)據基礎上，進一步采用K-均值聚類算法對有機化合物進行分類，根據聚類結果制定了艙室污染等級評價標準，實現(xiàn)艙室揮發(fā)性有機化合物高、中、低污染等級分類．

艦艇艙室；揮發(fā)性有機化合物；主成分分析；K-均值聚類

由于考慮結構和安全因素，艦艇艙室空間通常設計得比較狹窄，再加上艦艇內部通風不暢，在航行過程中會因為柴油、汽油、油漆、人員活動等原因產生大量的有機污染物[1-3]．在密閉的艙室環(huán)境中，艙室空氣中污染物濃度會隨著艦艇的運行逐漸增加，各種有害氣體會影響艇員身體健康，嚴重時甚至會危及生命安全[4-6]．由于現(xiàn)代艦艇采用了各種新型的材料和設備，因此十多年前制定的水面艦艇和潛艇艙室空氣組分容許濃度國家標準已經無法適應艙室空氣污染治理[7]．當前我國對艦艇艙室空氣污染已經開展了相關研究，通過采樣不同時間和不同艙室的空氣以分析各種污染物組成種類和特性，為空氣質量主動、被動控制提供了參考[8-11]；基于獲得的采樣數(shù)據，初步研究了對艙室多種污染物通用的空氣質量評價公式[12].為了進一步對艦艇艙室揮發(fā)性有機物污染進行源頭治理，有必要采用統(tǒng)計分析的方法對艙室空氣成分進行來源分析．

本文針對艦艇艙室揮發(fā)性有機化合物采樣數(shù)據，首先利用主成分分析法對21種有機化合物氣體進行分析以確定各種有機化合物的來源，在主成分分析獲得的降維數(shù)據基礎上，進一步采用K-均值聚類算法對有機化合物進行分類，根據聚類結果制定科學合理的艙室污染等級評價標準，實現(xiàn)艙室揮發(fā)性有機化合物高、中、低污染等級分類．

1?艙室揮發(fā)性有機化合物來源分析

現(xiàn)代艦艇由于新型材料的使用，艙室中各種揮發(fā)性有機化合物種類增多，污染物濃度呈現(xiàn)上升趨勢.為分析各種氣體的來源，本文采集了某型艦艇艙室中不同運行階段的21種揮發(fā)性有機化合物樣本，樣本數(shù)據共計56組，樣本均值和標準差如表1所示．

表1?艙室樣本數(shù)據均值和標準差統(tǒng)計結果

Tab.1 Sample data meanofcabin and the statistical re-sults of standard deviation

由于各種氣體的濃度差異較大，必須將樣本進行歸一化以獲得合理的分析結果．本文采用的歸一化公式為

圖1艙室揮發(fā)性有機化合物樣本數(shù)據歸一化處理后?分布

Fig.1 Distribution of sample data of volatile organic compounds in cabin after normalization process-ing

歸一化后的樣本數(shù)據KMO和Bartlett檢驗結果如表2所示，其中KMO檢驗結果顯示變量之間的偏相關性滿足進行因子分析的要求，而Bartlett檢驗結果顯示變量之間相關性顯著適宜進行因子分析．

在歸一化樣本數(shù)據基礎上，采用主成分分析法對數(shù)據進行分析，各因子特征值和方差占比結果如表3所示，從表3可知4個成分對方差的累積貢獻率為87.413%,，其分析結果表明利用4個主要因子即可基本表征艙室揮發(fā)性有機化合物特征．

表2?艙室氣體KMO和Bartlett的檢驗結果

Tab.2?Test result of cabin gas KMO and Bartlett

表3?艙室揮發(fā)性有機化合物成分對方差的影響

Tab.3 Effect of volatile organic compounds in cabin on variance

為了選擇最佳的4個特征量來代表全部的揮發(fā)性有機化合物，本文利用Kaiser標準化四分旋轉法對歸一化樣本進行處理，得因子載荷矩陣見表4．根據因子的載荷矩陣，各主成分的得分函數(shù)可表示為

為了便于分析，表4中數(shù)值小于0.300的載荷因子均忽略不計，根據各主成分載荷系數(shù)可知，主成分1主要以苯、三氯乙烯、甲苯、正辛烷、乙苯、間對甲苯、壬烷、鄰二甲苯等苯系物為主，主成分2主要以癸烷、十一烷、甲基萘2、甲基萘1、十五烷、二叔丁基苯酚等烷基苯類物質為主，主成分3主要以十二烷、萘、正十三烷、十六烷等烷烴物為主，主成分4主要以間二氯苯、萘、二叔丁基苯酚等物質為主．文獻[16-17]通過氣相色譜質譜內標法檢測發(fā)現(xiàn)油漆中主要以苯、甲苯、乙苯、間(對)二甲苯、鄰二甲苯等揮發(fā)性苯系物為主，因此可認為主成分1中的物質來源于艦艇中油漆；烷基苯類物質是電器用油、冷凍機油、液壓油、汽輪機油、導熱油等的主要成分[18]，甲基萘為基礎油的主要成分，二叔丁基苯酚為機油抗氧化劑的主要成分之一，在艦船艙室環(huán)境中多次定性檢出[19-20]，因此可認為主成分2中的物質來源于艦載機油和液壓油的高溫釋放；文獻[21-24]通過源成分譜對比分析，指出汽油和柴油蒸汽中主要包含芳烴、異構烷烴、烯烴、甲基叔丁基醚、環(huán)烷烴、正構烷烴等烷烴揮發(fā)性有機化合物，因此可認為主成分3中的物質來源于艦載油料常溫揮發(fā)；主成分4中的間二氯苯主要用于防蛀、防霉、除臭、驅蟲，是艦艇衛(wèi)生間/垃圾場除臭劑和織物防蛀劑的主要成分[25]，而二叔丁基苯酚主要用于天然橡膠或者合成橡膠防老劑、塑料抗氧?劑[26]，大量包含于艦艇門窗密封部件、桌椅、床鋪等生活用品之中，因此可認為主成分3中的物質來源于艦艇上的人員活動．

表4?樣本因子載荷矩陣

Tab.4?Loading matrix of sample factor

圖2?艙室揮發(fā)性有機化合物樣本主成因子得分

2?基于K-均值的污染等級自動分類

在實際艦艇艙室空氣質量治理過程中，不僅需要通過主成分分析法尋找艙室揮發(fā)性有機化合物來源，還需要制定一種艙室揮發(fā)性有機化合物污染等級分類標準，從而根據不同污染級別制定相應的治理措施.

艦艇艙室VOC的主要治理措施有通風換氣、空氣凈化和源頭控制．通風換氣在執(zhí)行任務期間難以實現(xiàn)．艙室配備的針對VOC的空氣凈化措施主要有活性炭吸附和催化燃燒兩大類，活性炭吸附具有廣譜性，缺點是存在吸附容量飽和問題；催化燃燒可將碳氫類VOC催化分解為二氧化碳和水，凈化效率高，缺點是需要消耗較多電能且副產物多．源頭控制是VOC控制最有效的措施之一，制定一種艙室揮發(fā)性有機化合物的污染等級分類方法，可以有效地指導源頭控制，從而改善艙室空氣質量．

由于艙室樣本數(shù)據維數(shù)太高，因此難以根據人工經驗制定相應的分類標準，本文利用K-均值聚類算法[27-28]對降維后的樣本數(shù)據進行無監(jiān)督學習，通過自動聚類的方法對樣本數(shù)據進行分割．

本文將艙室揮發(fā)性有機化合物污染等級分為高、中、低3種類型，采用歐氏距離計算樣本與質心之間的距離，K-均值聚類算法目標函數(shù)為

由于降維后的樣本數(shù)據維度為4，為了便于分析分類結果，圖3分別描述了4種主成因子的分類情況．從主成因子1～4的分類結果來看，分類1是因子得分較高的樣本，分類2是因子得分居中的樣本，分類3是因子得分較低的樣本．根據分類與因子得分之間的對應關系，將分類1定為高污染樣本，分類2定為中污染樣本，分類3定為低污染樣本．

表5?艙室樣本降維后分類數(shù)據質心

Tab.5 Classification data centroid of cabin sample after dimensionality reduction

圖3?主成因子分類結果

3?艙室樣本分類分析

利用K-均值聚類算法獲得污染等級分類結果與主成因子1的因子得分特性很接近，但與其他3種主成因子得分特性存在一定的差異，為了制定合理的分類標準，本文結合艙室樣本綜合得分特性對K-均值聚類算法分類結果進行了進一步的分析．艙室揮發(fā)性有機化合物樣本綜合得分為

根據上述分析可以獲得艦艇艙室揮發(fā)性有機化合物分類規(guī)則：

從圖4的分析可以發(fā)現(xiàn)，上述高污染等級與中污染等級、中污染等級與低污染等級之間存在一定區(qū)域的重疊，其原因主要在于本文采集的艙室揮發(fā)性有機化合物樣本數(shù)量有限，隨著樣本數(shù)量的增加，樣本數(shù)據之間的分界線將變得更加清晰、準確．

圖4?艙室揮發(fā)性有機化合物樣本綜合得分分類結果

4?結?語

通過主成分分析法對艦艇艙室揮發(fā)性有機化合物樣本分析，艙室中苯系物主要來源于油漆，甲基萘、二叔丁基苯酚等物質來源于艦載機油和液壓油的高溫釋放，烷烴物來源于艦艇油料常溫揮發(fā)，間二氯苯、萘等物質主要來源于艦艇上的人員活動．結合主成分分析法和K-均值聚類算法結果，根據艦艇艙室揮發(fā)性有機化合物樣本主成因子1得分值和樣本綜合因子得分值，能夠有效評估艙室揮發(fā)性有機化合物的高、中、低污染等級．隨著艙室氣體樣本數(shù)量的增加，艙室揮發(fā)性有機化合物污染等級分類將變得更加準確和高效．

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(責任編輯：田?軍)

Source Analysis and the Classification of Pollution Grades of Volatile Organic Compounds in the Naval Vessel Cabin

Hou Chen1, 2，Shi Xicheng1，Bai Shupei1，Han Hao1，Li Can2

(1. State Key Laboratory of National NBC Protection，Beijing 100191，China；2．No.92609 Unit of PLA，Beijing 100077，China)

Based on the volatile organic compounds in the cabin of naval vessel，21 kinds of organic compound gases are analyzed through principal component analysis to determine the main sources of various organic compounds．According to the dimensionality-reduced data，K-means clustering is used to classify the samples automatically．Reasonable criteria are formulated to evaluate the pollution grades based on the clustering results．Finally，the volatile organic compounds are classified into grades of high pollution，moderate pollution and low pollution.

naval vessel cabin；volatile organic compounds；principal component analysis；K-means clustering

10.11784/tdxbz201702019

U664.86

A

0493-2137(2018)01-0050-07

2017-02-13；

2017-04-06.

侯?晨（1982—??），女，博士研究生，工程師.

侯?晨，houch601@163.com.

2017-04-27.

http://kns.cnki.net/kcms/detail/12.1127.N.20170427.0925.002.html.