過(guò)境柴油車不透光煙度遙感測(cè)量方法研究

汪 鋒,張 濤,郭曉霞,張金永,侯艷霞

(天津同陽(yáng)科技發(fā)展有限公司，天津 300384 )

1 引言

機(jī)動(dòng)車排放已成為我國(guó)空氣污染[1]的重要來(lái)源之一，是造成細(xì)顆粒物[2]、光化學(xué)煙霧[3]污染的重要原因。

《中國(guó)機(jī)動(dòng)車環(huán)境管理年報(bào)(2018)》顯示，北京地區(qū)移動(dòng)排放源[4]對(duì)顆粒物濃度[5]貢獻(xiàn)上升到45%。在機(jī)動(dòng)車污染中，柴油車[6]和非道路移動(dòng)源[7]排放問(wèn)題最突出，占汽車保有量7.8%的柴油貨車，排放了77.8%的顆粒物(PM)，由此可見(jiàn)，搞好汽車尾氣排放污染防治，柴油車的排放管控至關(guān)重要；而柴油車的尾氣排放防治中，中型、重型貨車和大型客車的尾氣排放[8]管控是重中之重。

柴油車多為貨車，車輛長(zhǎng)度區(qū)間大，載貨[9]與空載[10]對(duì)污染物排放的影響大；其排氣管位置多樣，其中很大一部分并不露出車體，隱藏在車底中部或中前部；其排氣方向分為側(cè)向排氣和水平向下排氣。這些因素給柴油車的遙感測(cè)量[11，12]帶來(lái)了非常大的麻煩。

本文提出一種過(guò)境柴油車不透光煙度[13]遙感測(cè)量方法，通過(guò)軟硬件的協(xié)調(diào)，解決過(guò)境柴油車測(cè)量效率[14]、測(cè)量精度[15]等問(wèn)題。

2 方案與方法

2.1 當(dāng)前現(xiàn)狀

當(dāng)前過(guò)境柴油車基本上都是采用人工接觸式檢測(cè)，對(duì)機(jī)動(dòng)車排氣管采樣，通過(guò)儀器分析得出檢測(cè)數(shù)據(jù)，這種檢測(cè)方式普遍存在以下問(wèn)題：

(1)檢測(cè)效率低：每輛車的檢測(cè)時(shí)間在3～5 min。

(2)車輛易擁堵：因?yàn)闄z測(cè)需要一定時(shí)間,所以會(huì)造成車輛擁堵問(wèn)題。

(3)人員配置多：每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)位需要多名檢測(cè)人員，協(xié)同操作，才能完成測(cè)量。

(4)測(cè)量較困難：車輛尾氣排口的位置不固定，傳統(tǒng)的遙感檢測(cè)設(shè)備從技術(shù)原理上決定了無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)排氣口不統(tǒng)一的大型車輛尾氣的檢測(cè)，同時(shí)，手持式設(shè)備造成檢測(cè)人員操作不便。

(5)身體危害：檢測(cè)人員直接接觸機(jī)動(dòng)車尾氣，會(huì)對(duì)身體健康造成傷害。

2.2 系統(tǒng)方案

本文結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，給出一種新的過(guò)境柴油車不透光煙度遙感測(cè)量方法。目標(biāo)是建立新型的“高排放柴油車遙感篩查執(zhí)法檢測(cè)站”，改變?cè)袑⑦b感檢測(cè)設(shè)備安裝在馬路上進(jìn)行檢測(cè)的方式，采用“遙感執(zhí)法檢測(cè)站”檢測(cè)、篩查、分流、處理的一體化設(shè)計(jì)方案，克服了原有遙感檢測(cè)方法“忽視”高排放柴油車檢測(cè)的缺點(diǎn)，通過(guò)遙感檢測(cè)裝置篩查高排放車輛，通過(guò)人工檢測(cè)對(duì)篩查出的超標(biāo)車輛進(jìn)行處理，全自動(dòng)化檢測(cè)、篩查、分流、處理，充分發(fā)揮遙感檢測(cè)快速高效與人工檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)法處理的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)大型/重型柴油貨車和客車尾氣排放有效管控的目標(biāo)。整體系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 遙感檢測(cè)系統(tǒng)

在具體的實(shí)施過(guò)程中，在過(guò)境站點(diǎn)處建設(shè)一定角度的坡度，以模擬柴油車踩油門(mén)狀態(tài)，在坡度的合適位置建立矩陣式柴油車尾氣遙感檢測(cè)儀，采集柴油車加速狀況下排出的煙氣?？紤]到過(guò)境站點(diǎn)一般遠(yuǎn)離市區(qū)，環(huán)境比較惡劣，在檢測(cè)點(diǎn)處加裝蜂窩遮陽(yáng)防風(fēng)矩陣，以消除環(huán)境因素的干擾。參考示意見(jiàn)圖2～4。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)路況及設(shè)備架設(shè)示意

2.3 計(jì)算方法

數(shù)據(jù)采集主要由光電二極管組成，其主要接收來(lái)自遙測(cè)輔機(jī)端的光度值。采集24個(gè)光電二極管輸出的電流值，準(zhǔn)換成電壓值，并進(jìn)行均值濾波，線性校正。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)坡道示意

圖4 現(xiàn)場(chǎng)遮陽(yáng)蜂窩矩陣示意

每個(gè)光電二極管電流值轉(zhuǎn)換成電壓值的過(guò)程中，受到激光的均勻度，采樣電阻的精度、放大電路的精度等各種因素的綜合影響，導(dǎo)致每一路的數(shù)值都不一致、為了減少這種不一致性的影響，采用了數(shù)據(jù)歸一化處理。這樣處理后，數(shù)據(jù)反應(yīng)的是每個(gè)光電二極管光度值變化的百分比。

入射最大光度值=環(huán)境光度值+激光光度值。

在設(shè)備進(jìn)行光度矯正時(shí)，分別測(cè)量環(huán)境光度值和入射最大光度值，并計(jì)算出環(huán)境光度占入射最大光度值的百分比，和激光光度的百分比，即激光的透光率。

環(huán)境光占比=(環(huán)境光度值/入射最大光度值)%。

激光光占比=(1-環(huán)境光占比)%。

實(shí)時(shí)測(cè)量光度時(shí)，計(jì)算出實(shí)時(shí)入射光度值的變化百分比，再計(jì)算出入射激光的實(shí)時(shí)激光透光率。

實(shí)時(shí)激光透光率=實(shí)時(shí)入射光度值/入射最大光度值×激光光占比。

每次使用測(cè)量裝置前都要進(jìn)行光度設(shè)置，設(shè)定入射最大光度值，環(huán)境光度占比。在使用過(guò)程中，由于環(huán)境光強(qiáng)弱的變化，假設(shè)激光光度保持不變，在測(cè)量過(guò)程中要對(duì)環(huán)境光度占比進(jìn)行修正。

數(shù)據(jù)分析模塊將上述過(guò)程進(jìn)行匯總，判斷車輛經(jīng)過(guò)、遮擋、車輪、煙團(tuán)位置等詳細(xì)信息。

前端主控根據(jù)收到的信息，將車型、尾氣煙團(tuán)位置等在軟件上展示處理，并輔以判斷煙團(tuán)濃度是否位于對(duì)應(yīng)車型的排氣管處。圖5是數(shù)據(jù)采集和分析模塊對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后的波形圖，從圖5中可以看出：車輛輪廓是6排輪車輛，煙團(tuán)吸收位于第二和第三排車輪后(圖中波形吸收處)。根據(jù)此波形圖繪制的車型如圖6所示，此車型尾氣管確實(shí)位于第二排輪之后，排煙最大應(yīng)在第二和第三排輪之間，和實(shí)際相符。

圖5 數(shù)據(jù)采集示意

圖6 車輛輪廓

3 結(jié)果與討論

針對(duì)上述方法，考慮對(duì)遙感測(cè)量的不透光煙度與手持式不透光計(jì)測(cè)量的光吸收系數(shù)做一個(gè)對(duì)比。在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中，針對(duì)柴油車測(cè)量不透光煙度>30%屬于超標(biāo)，而光吸收系數(shù)則是>1.1則判斷為超標(biāo)。

選擇15 d的遙感測(cè)量數(shù)據(jù)，篩選出不透光煙度>30%的車輛進(jìn)行手工不透光煙度計(jì)復(fù)檢，看光吸收系數(shù)是否>1.1，以此評(píng)價(jià)復(fù)檢不合格率；同時(shí)從遙測(cè)合格的車輛中每天抽檢20輛，用手工不透光煙度計(jì)測(cè)量光吸收系數(shù)是否超標(biāo)看誤檢率。

以實(shí)際某一個(gè)過(guò)境柴油車站點(diǎn)為例的數(shù)據(jù)對(duì)比如表1所示。

表1 某過(guò)境柴油車站點(diǎn)數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

本文提出了一種過(guò)境柴油車不透光煙度遙感測(cè)量方法，通過(guò)增加坡度、蜂窩遮陽(yáng)矩陣、矩陣式遙感檢測(cè)設(shè)備，再通過(guò)算法優(yōu)化，提取出車輛輪廓圖、車輛尾氣濃度排放位置等信息，綜合判斷柴油車是否超標(biāo)。

通過(guò)實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)比可知，目前遙感檢測(cè)方式測(cè)量不透光煙度和手工不透光煙度計(jì)測(cè)量光吸收相關(guān)性還不是非常高。遙感檢測(cè)不透光煙度大于30%且手工不透光煙度計(jì)測(cè)量光吸收大于1.1的吻合率只有37.8%。

但從另外一個(gè)指標(biāo)漏檢率來(lái)評(píng)判，遙測(cè)中合格車輛抽檢，是否存在超標(biāo)車輛，本文提出的方法可以控制漏檢率在4.3%。

綜合以上，遙感檢測(cè)可以達(dá)到一定程度的篩查目的，減少現(xiàn)場(chǎng)人員工作量、提高工作效率、降低工作人員的身體傷害等。