城市污染源實時在線監(jiān)測系統(tǒng)研究

晏 丹

(中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037)

近年來，隨著我國城市建設(shè)的快速發(fā)展，城市揚(yáng)塵、煙塵等的排放使得城市大氣污染防治面臨嚴(yán)峻的考驗[1]。生態(tài)環(huán)保部公布了《2019年中國生態(tài)環(huán)境狀況公報》，該公報所公布的數(shù)據(jù)顯示，全國53.4%的城市環(huán)境空氣質(zhì)量超標(biāo)，以 PM2.5為首要污染物的超標(biāo)天數(shù)分別占總超標(biāo)天數(shù)的 45.0%，據(jù)國家環(huán)境監(jiān)測中心報告，揚(yáng)塵對PM2.5的貢獻(xiàn)率大約在23%。因此，有效監(jiān)測和治理揚(yáng)塵污染是打贏“藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)”的重要環(huán)節(jié)。

本文針對目前城市揚(yáng)塵污染治理存在的監(jiān)控點(diǎn)多、面廣、線長，而管理人員數(shù)量少、疲于應(yīng)付以及信息共享差、治理環(huán)節(jié)多、協(xié)同成本高、治理效果反復(fù)的缺點(diǎn)，建立了城市揚(yáng)塵實時在線監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對大氣揚(yáng)塵污染源在線實時監(jiān)測和有效管控，為施工方及行業(yè)監(jiān)管部門提供“測得準(zhǔn)、傳得快、說得清”的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，幫助行業(yè)客戶實現(xiàn)揚(yáng)塵監(jiān)管與遠(yuǎn)程治理的目標(biāo)。

1 系統(tǒng)總體方案

城市揚(yáng)塵實時在線監(jiān)測將遠(yuǎn)程監(jiān)測與治理相結(jié)合，實現(xiàn)了城市揚(yáng)塵監(jiān)測、治理和預(yù)防，系統(tǒng)由城市揚(yáng)塵在線監(jiān)測設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)和在線監(jiān)測平臺組成。其中揚(yáng)塵監(jiān)測設(shè)備包括對顆粒物TSP[2]、PM10、PM2.5等粒度顆粒物的綜合監(jiān)測。PM10、PM2.5切割器采用呼吸性粉塵分離原理進(jìn)行研究設(shè)計，首先通過切割頭把大氣顆粒物按要求進(jìn)行切割，抽塵系統(tǒng)把切割后的顆粒物導(dǎo)入到激光散射粉塵檢測裝置進(jìn)行測量。采用GPRS傳輸，把數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控系統(tǒng)平臺，實現(xiàn)揚(yáng)塵污染源的遠(yuǎn)程在線監(jiān)管，系統(tǒng)可根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)與超限數(shù)據(jù)對比，采取防塵、降塵措施(圖1)。

圖1 揚(yáng)塵污染監(jiān)控系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic of the dust pollution monitoring system

2 揚(yáng)塵監(jiān)測設(shè)備

2.1 監(jiān)測設(shè)備結(jié)構(gòu)

揚(yáng)塵監(jiān)測儀由PM10/PM2.5切割器、激光粉塵檢測模塊、主控板、恒流抽塵系統(tǒng)、電源和無線通信模塊組成。①PM10/PM2.5切割器。采用旋風(fēng)切割方法，把總懸浮顆粒中小于10 μm或小于2.5 μm粉塵分離出來，通過測量，實現(xiàn)對PM10、PM2.5的綜合檢測。②激光檢測模塊。主要采用激光光散射的方法進(jìn)行粉塵檢測，為保證系統(tǒng)長期的穩(wěn)定運(yùn)行，檢測過程中采用了清潔氣隔塵的結(jié)構(gòu)，避免了對檢測結(jié)構(gòu)的污染。③主控板。為信號處理、數(shù)據(jù)處理、算法計算的中樞系統(tǒng)，實現(xiàn)與監(jiān)測系統(tǒng)的通信。④恒流抽塵系統(tǒng)。把大氣中的粉塵以穩(wěn)定的流量抽入到檢測系統(tǒng)中。⑤無線模塊。通過移動公網(wǎng)把數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，揚(yáng)塵監(jiān)測儀可以大規(guī)模部署，每個節(jié)點(diǎn)均可以將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心進(jìn)行處理[7]。⑥電源模塊。主要是通過市電供電的方式進(jìn)行供電。監(jiān)測設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 監(jiān)測設(shè)備結(jié)構(gòu)Fig.2 Monitoring equipment structure

2.2 顆粒物檢測技術(shù)

為實現(xiàn)城市污染在線監(jiān)測系統(tǒng)能對顆粒物進(jìn)行在線監(jiān)測，采用光散射法進(jìn)行顆粒物測量。光散射法作為濃度測量方法，是一種非采樣測量方法，因其成本低、實時性好、可以實現(xiàn)在線測量的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為顆粒物質(zhì)量濃度測量的主要方法[3]。顆粒群光散射法作為以光散射原理測量顆粒物質(zhì)量濃度方法的一種，滿足本項目測量需求。其基本原理是：當(dāng)顆粒性質(zhì)一定的情況，顆粒物的散射光強(qiáng)度和其質(zhì)量(或體積)濃度是呈正比的，在不同空間角度處，同時測量多個顆粒的散射光強(qiáng)信號，然后利用Mie散射理論及顆粒物的各參量可以反演得到顆粒物質(zhì)量濃度。顆粒群散射法測量顆粒質(zhì)量濃度流程如圖3所示。

圖3 顆粒群散射法測量顆粒質(zhì)量濃度流程Fig.3 Process of particle mass concentration measurement by particle swarm scattering method

2.3 光學(xué)檢測模塊

粉塵傳感器的基本構(gòu)成可以分為3個重要部分，分別是光電傳感部分、信號處理與計算以及流量檢測與控制。光學(xué)檢測模塊結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 光學(xué)檢測模塊結(jié)構(gòu)Fig.4 Optical detection module structure

利用光散射法測量顆粒物質(zhì)量濃度時，其中光學(xué)檢測模塊是粉塵顆粒物檢測的核心部件。流量控制單元收到啟動指令后，將測量氣體通過泵抽入到光學(xué)檢測室，在被測含塵氣體進(jìn)入到光敏感區(qū)時，根據(jù)光散射原理，粉塵顆粒會散射入射的激光，通過旋轉(zhuǎn)球面反射鏡收集此散射光，而此反射鏡被放置在90°的采光角方向。通過放大處理，由光電探測器將散射光信號轉(zhuǎn)化成電信號，便可得到與粉塵顆粒散射光強(qiáng)相關(guān)的電壓信號，對此信號進(jìn)行處理和計算[4]，并結(jié)合一個周期內(nèi)的粒徑分布，就可以得出粉塵的質(zhì)量濃度。

2.4 微電流信號放大器的研究

由于PM2.5粉塵粒徑小，濃度低，受光照射時，散射光強(qiáng)度極弱，即使通過精密光學(xué)檢測單元收集后，照射到光電轉(zhuǎn)換器件上產(chǎn)生的電流也只有nA級[5]。本文選用鎖相環(huán)放大技術(shù)[6]來提取光電傳感器輸出的微電流信號，可保證電路具有足夠的信號帶寬和負(fù)載能力、良好的線性和抗干擾能力，如圖5所示。

圖5 微電路放大器結(jié)構(gòu)Fig.5 Microcircuit amplifier structure

具體光電信號檢測過程：低噪聲預(yù)放對含噪信號進(jìn)行初步放大處理，然后利用濾波器和陷波器對信號進(jìn)行濾噪處理和信號放大。在測量檢測過程中，容易出現(xiàn)被測信號頻率漂移、不穩(wěn)定、改變等問題。為保證參考信號和測量信號頻率一致，參考信號頻率會隨著被測信號頻率改變而改變。參考信號作為一種周期信號，具有和被測信號相同的頻率，這也是能實現(xiàn)鎖相放大的必要條件。參考信號依次經(jīng)過觸發(fā)電路、移相電路、驅(qū)動電路，觸發(fā)電路產(chǎn)生方波或其他規(guī)則信號，該信號具有被測信號相同的頻率；最后參考信號被送入到相關(guān)信號通道進(jìn)行處理。

3 數(shù)據(jù)傳輸

為提高遠(yuǎn)程監(jiān)測的效率[8-9]，本文選用GPRS進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。揚(yáng)塵監(jiān)測設(shè)備通過串口連接到GPRS 數(shù)據(jù)終端上，然后將數(shù)據(jù)打成 IP包，再通過GRPS 空中接口接入到GPRS 網(wǎng)絡(luò)，最終通過各種網(wǎng)關(guān)和路由到達(dá)系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心。

4 監(jiān)控軟件平臺

城市揚(yáng)塵污染源監(jiān)管平臺是面向監(jiān)測人員的操作平臺，相關(guān)監(jiān)測人員可通過此平臺查看城市污染源的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，得到污染分析趨勢，并利用遠(yuǎn)程控制防塵治理設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程在線污染治理。

4.1 監(jiān)管系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)

監(jiān)管系統(tǒng)主體采用 Browser /Server 3 層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[10-11]，分別由數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)層和表現(xiàn)層構(gòu)成[12](圖6)。

圖6 城市揚(yáng)塵污染源監(jiān)管平臺架構(gòu)Fig.6 Urban dust pollution source supervision platform architecture

(1)表現(xiàn)層。表現(xiàn)層為監(jiān)管系統(tǒng)操作用戶提供信息服務(wù)，可將系統(tǒng)獲得的監(jiān)管數(shù)據(jù)面向用戶可視化顯示，并能實現(xiàn)污染源基本信息數(shù)據(jù)庫、建設(shè)施工單位信息數(shù)據(jù)庫等數(shù)據(jù)庫的接口交互[13]。系統(tǒng)操作用戶可通過系統(tǒng)網(wǎng)址登錄系統(tǒng)，根據(jù)權(quán)限要求查看、查詢監(jiān)測點(diǎn)污染監(jiān)測信息，并可根據(jù)污染嚴(yán)重程度，通過遠(yuǎn)程聯(lián)動的方式，對監(jiān)測點(diǎn)現(xiàn)場開展噴霧降塵等治理措施。

(2)業(yè)務(wù)層。業(yè)務(wù)層可為監(jiān)管系統(tǒng)提供功能服務(wù)[14]，包括對系統(tǒng)門戶的交互信息提供業(yè)務(wù)支持、受理和反饋。監(jiān)管系統(tǒng)能實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)地圖、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理、作業(yè)視頻實時顯示、污染物超限抓拍和現(xiàn)場錄制，同時提供單個污染源的污染物動態(tài)擴(kuò)散分布功能，根據(jù)用戶選擇可繪制單個污染源的污染物擴(kuò)散分布圖或者區(qū)域污染源擴(kuò)散分布圖，并對污染物監(jiān)測數(shù)據(jù)超標(biāo)報警、自動回放視頻、識別抓拍違規(guī)圖片，實現(xiàn)在線治理功能[13]。

(3)數(shù)據(jù)層。類似于“數(shù)據(jù)倉庫”，提供了污染源基本信息、建設(shè)施工單位信息數(shù)據(jù)庫、設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)庫的各種數(shù)據(jù)信息、狀態(tài)信息和控制信息[15]。

4.2 監(jiān)控軟件功能

數(shù)據(jù)層與業(yè)務(wù)層、表現(xiàn)層共同搭建了城市揚(yáng)塵污染源監(jiān)管系統(tǒng)的3 層架構(gòu)，建立清晰的邏輯層級關(guān)系。對應(yīng)該平臺，構(gòu)建了污染物實時監(jiān)測子系統(tǒng)、監(jiān)管設(shè)備信息管理子系統(tǒng)、污染物信息管理子系統(tǒng)、綜合報警子系統(tǒng)、綜合業(yè)務(wù)管理子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)可以實現(xiàn)不同的功能[16]。

(1)污染物實時監(jiān)測子系統(tǒng)。獲得污染源實時監(jiān)測數(shù)據(jù)包括數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)、圖像數(shù)據(jù)、揚(yáng)塵排放超警戒自動抓拍等數(shù)據(jù)。

(2)城市揚(yáng)塵監(jiān)管設(shè)備信息管理子系統(tǒng)。系統(tǒng)可實現(xiàn)添加、修改、配置監(jiān)測設(shè)備信息及相關(guān)參數(shù)，實時查詢設(shè)備的工作狀態(tài)，同時可保存設(shè)備的停電、校準(zhǔn)、報警等狀態(tài)信息。

(3)監(jiān)測污染物信息管理子系統(tǒng)。可對監(jiān)測信息進(jìn)行分析，提供單個污染源的污染物動態(tài)擴(kuò)散分布，可實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的匯總、查詢、打印、保存。

(4)綜合報警子系統(tǒng)?？蓪ξ廴驹幢O(jiān)控數(shù)據(jù)超標(biāo)報警，并整理數(shù)據(jù)，形成滿足用戶需求的污染物超標(biāo)報警報表。

(5)綜合業(yè)務(wù)管理子系統(tǒng)。實現(xiàn)對各級管理部門與建設(shè)單位、施工單位、監(jiān)理單位等的工作聯(lián)動。

5 結(jié)語

針對目前城市大氣污染整理的需求及監(jiān)管過程中存在的問題，將“互聯(lián)網(wǎng)+”和大氣污染監(jiān)管相結(jié)合，設(shè)計完成了城市污染源實時在線監(jiān)測系統(tǒng)，可對大氣污染實時監(jiān)測，并可進(jìn)行污染物遠(yuǎn)程治理，及時控制污染趨勢，達(dá)到揚(yáng)塵監(jiān)測與管控的目標(biāo)。為打好城市大氣污染防治攻堅戰(zhàn)提供了技術(shù)手段，促進(jìn)了環(huán)境空氣質(zhì)量的提升。