環(huán)境空氣自動監(jiān)測數(shù)據(jù)審核中異常數(shù)據(jù)處理辦法探討

周晶晶

（廊坊市生態(tài)環(huán)境局，河北 廊坊 065000）

引言

空氣監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展速度很快，目前已經(jīng)生成了一套完整的空氣自動監(jiān)測體系，對于保障空氣質(zhì)量具有重要的意義。然而，由于設(shè)備故障、操作和維護不當(dāng)、惡劣天氣條件等原因，在線數(shù)據(jù)可能會偏離正常測量范圍。僅靠人工數(shù)據(jù)審核越來越難以應(yīng)對實際運行狀況，因此迫切需要解決自動監(jiān)控數(shù)據(jù)審核的巨大工作量。而在自動監(jiān)測儀器的使用過程當(dāng)中，也出現(xiàn)了眾多問題，尤其是數(shù)據(jù)異常的情況較為普遍。

1 環(huán)境空氣自動監(jiān)測數(shù)據(jù)審核概述

空氣質(zhì)量自動監(jiān)測系統(tǒng)必須長期保持自動監(jiān)測工作狀態(tài)，如果測量儀器可靠性不足，監(jiān)測數(shù)據(jù)就會不穩(wěn)定，難以保證數(shù)據(jù)的真實性、完整性和可靠性。通常結(jié)合變電站檢修記錄，根據(jù)異?，F(xiàn)象的實際情況進行合理合法的整體調(diào)整和處理。隨著空氣自動監(jiān)測要求和標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，相應(yīng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)審核工作也需要加強，這樣才能快速發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)并進行有效處理，保證數(shù)據(jù)的可靠性，確?？諝庾詣颖O(jiān)測的質(zhì)量。造成監(jiān)測數(shù)據(jù)異常的原因有很多，如光電倍增管的工作溫度越高，化學(xué)發(fā)光法測得的二氧化氮含量越高，偏差越大。用差分吸收分光光度法檢測的二氧化硫和二氧化氮含量，會因光學(xué)信號飽和或軟件故障而減小，而用β射線法檢測細顆粒物的偏差會因紙帶磨損而固定。環(huán)境空氣濕度過高時，二氧化硫和二氧化氮的偏差會增大，這是因為氣水分離器不能完全分離濕氣，濾膜會吸附濕氣，這對振動天平法檢測PM有不利影響。如果采樣頭臟污或采樣管路堵塞，傳感風(fēng)扇可能會出現(xiàn)故障，閥體或電磁閥可能無法正常工作，從而導(dǎo)致數(shù)值異常。

2 環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)審核體系構(gòu)建

2.1 數(shù)據(jù)審核基本要素

數(shù)據(jù)審核制度有三個基本要素：審核人員、審核項目和審核時間。審核期間要24小時自動監(jiān)測，建議在接下來的72小時內(nèi)進行概率測量。同時，審核員應(yīng)每天審核自動監(jiān)測站的數(shù)據(jù)，每天報告一次，確保監(jiān)測系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確、及時地采集環(huán)境空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)審核系統(tǒng)中。這可以通過安裝傳感器設(shè)備、建立數(shù)據(jù)傳輸通道等方式實現(xiàn)。

2.2 審核方法

審核員必須確?？諝赓|(zhì)量自動測量的有效性。確保審核人員具備必要的專業(yè)知識和技能，能夠正確理解和判斷監(jiān)測數(shù)據(jù)?？梢酝ㄟ^培訓(xùn)和資質(zhì)認(rèn)證等方式提高審核人員的能力和水平。對采集到的原始數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，包括數(shù)據(jù)清洗、去噪、異常值檢測和修正等。這可以通過使用濾波算法、統(tǒng)計方法和機器學(xué)習(xí)算法等技術(shù)來實現(xiàn)。

對數(shù)據(jù)進行校驗，確保數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性。常見的校驗方法包括數(shù)據(jù)格式校驗、范圍校驗、邏輯關(guān)系校驗等。校驗可以通過編寫校驗規(guī)則和算法來實現(xiàn)?？梢允褂媒y(tǒng)計分析和數(shù)據(jù)比對等方法對不同監(jiān)測點或不同時間段的數(shù)據(jù)進行一致性檢查，確保數(shù)據(jù)之間的關(guān)系和趨勢符合預(yù)期?？梢允褂脭?shù)據(jù)質(zhì)量指標(biāo)和評估模型對監(jiān)測數(shù)據(jù)的質(zhì)量進行評估，包括準(zhǔn)確性、精確性、可靠性等方面的評估。

通過數(shù)據(jù)可視化技術(shù)，將審核后的數(shù)據(jù)以直觀、易懂的方式展示給相關(guān)人員和公眾?？梢允褂脠D表、地圖等形式展示數(shù)據(jù)，并定期生成監(jiān)測報告。建立數(shù)據(jù)共享機制，將審核后的數(shù)據(jù)向相關(guān)部門、研究機構(gòu)和公眾開放?？梢酝ㄟ^建立數(shù)據(jù)開放平臺、發(fā)布數(shù)據(jù)公告等方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和公開。

2.3 AIRNOW-Ⅰ平臺數(shù)據(jù)自動審核功能

該系統(tǒng)用于空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)的日常報告和預(yù)測，以及制定特定城市的空氣質(zhì)量判定規(guī)則。通過設(shè)置城市空氣質(zhì)量判定規(guī)則，可實現(xiàn)空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)的日常報告和預(yù)報，以及監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動處理。同時，還可以對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行合理的組織、存儲和管理?？梢允褂脭?shù)據(jù)庫或云存儲等技術(shù)，確保數(shù)據(jù)的完整性和可訪問性。

2.4 數(shù)據(jù)審核體系架構(gòu)

數(shù)據(jù)采集與傳輸。該部分包括監(jiān)測設(shè)備和傳感器網(wǎng)絡(luò)，用于實時采集環(huán)境空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)。采集到的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)傳輸通道傳輸?shù)綌?shù)據(jù)審核系統(tǒng)中?？梢允褂脗鞲衅?、數(shù)據(jù)采集器、通信設(shè)備等來實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和傳輸。

數(shù)據(jù)存儲與管理。該部分負(fù)責(zé)對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行存儲和管理。可以使用數(shù)據(jù)庫或云存儲等技術(shù)，確保數(shù)據(jù)的完整性、安全性和可訪問性。數(shù)據(jù)存儲和管理系統(tǒng)應(yīng)具備高性能、高可靠性和可擴展性。

數(shù)據(jù)質(zhì)量控制。該部分負(fù)責(zé)對采集到的數(shù)據(jù)進行質(zhì)量控制，包括數(shù)據(jù)校驗、異常值檢測、數(shù)據(jù)清洗等。可以使用數(shù)據(jù)質(zhì)量控制算法和規(guī)則來排除數(shù)據(jù)中的錯誤和異常值。

數(shù)據(jù)審核流程。該部分定義了數(shù)據(jù)審核的流程和步驟。包括數(shù)據(jù)審核的責(zé)任分工、審核標(biāo)準(zhǔn)和審核程序等。審核流程應(yīng)涵蓋數(shù)據(jù)的完整性、準(zhǔn)確性、一致性等方面的審核。

審核人員培訓(xùn)與資質(zhì)認(rèn)證。該部分負(fù)責(zé)審核人員的培訓(xùn)和資質(zhì)認(rèn)證。確保審核人員具備必要的專業(yè)知識和技能，能夠正確理解和判斷監(jiān)測數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)可視化與報告生成。該部分將審核后的數(shù)據(jù)以可視化的方式展示，并生成定期的監(jiān)測報告?？梢允褂脠D表、地圖等形式展示數(shù)據(jù)，幫助用戶更直觀地理解和分析數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)共享與公開。該部分負(fù)責(zé)建立數(shù)據(jù)共享機制，將審核后的數(shù)據(jù)向相關(guān)部門、研究機構(gòu)和公眾開放?？梢酝ㄟ^建立數(shù)據(jù)開放平臺，發(fā)布數(shù)據(jù)公告等方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和公開。

定期審查與改進。該部分定期對數(shù)據(jù)審核體系進行審查和評估，發(fā)現(xiàn)問題并及時改進?？梢酝ㄟ^內(nèi)部審查、第三方評估等方式提高數(shù)據(jù)審核體系的效能和可靠性。

2.5 數(shù)據(jù)審核流程

一種是審計人員在自動監(jiān)測過程中發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)缺失，另一種是審計人員在審計期結(jié)束后仍發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常。一旦發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)存在異常的情況，審核員應(yīng)該保持?jǐn)?shù)據(jù)不動，優(yōu)先通知整個小組的負(fù)責(zé)人，交由審核小組負(fù)責(zé)人全程處理。負(fù)責(zé)人需要在了解情況之后排除故障，確定故障的原因，然后確定是否需要對數(shù)據(jù)進行人工處理。在制定詳盡的數(shù)據(jù)處理方案后，上報給上級領(lǐng)導(dǎo)進行審批。在重新處理當(dāng)天的數(shù)據(jù)時，必須主動、安全地重新收集和手動刪除不符合要求的數(shù)據(jù)。審計員處理的數(shù)據(jù)由主管再次檢查，并在一天的數(shù)據(jù)檢查結(jié)束后按要求生成日報表。

3 環(huán)境空氣自動監(jiān)測數(shù)據(jù)審核中異常數(shù)據(jù)的分析判斷

3.1 對不同類型異常數(shù)據(jù)進行重點審核

3.1.1 連續(xù)恒定值數(shù)據(jù)

連續(xù)恒定值一般不會出現(xiàn)在室外空氣自動監(jiān)測數(shù)據(jù)中，但如果連續(xù)恒定值出現(xiàn)的頻率較高或數(shù)值變化范圍較小，則應(yīng)將這些數(shù)據(jù)作為審核的重點。如果長時間出現(xiàn)連續(xù)恒定值，則應(yīng)首先檢查儀器系統(tǒng)。如果發(fā)現(xiàn)儀器系統(tǒng)有故障，則數(shù)據(jù)可能異常和無效。如果儀器系統(tǒng)正常，且子站周圍的空氣質(zhì)量濃度隨時間變化不大且持續(xù)恒定，則可認(rèn)為現(xiàn)象正常，數(shù)據(jù)有效。

3.1.2 濃度值持續(xù)偏低

在環(huán)境污染嚴(yán)重的狀況下，應(yīng)識別濃度較低系數(shù)的出現(xiàn)。一般狀況下，氣體質(zhì)量全自動監(jiān)測數(shù)據(jù)不會產(chǎn)生持續(xù)的零值或零值變化。當(dāng)出現(xiàn)持續(xù)的低濃度值時，首先要檢查儀器設(shè)備系統(tǒng)是否出現(xiàn)常見故障。如果儀器設(shè)備系統(tǒng)出現(xiàn)常見故障或零校正問題，應(yīng)將低濃度值作為故障數(shù)據(jù)連續(xù)處理。如果發(fā)現(xiàn)儀器設(shè)備系統(tǒng)運作優(yōu)良，零校正儀器并沒有問題，能夠認(rèn)為監(jiān)測站點周圍的氣體質(zhì)量相對較好，污染物濃度值通常較低，特別是在大氣質(zhì)量較好的地區(qū)和降水后。

3.1.3 異常值

異常值是指與其他監(jiān)測數(shù)據(jù)的顯著差異，通常是數(shù)據(jù)異常的重要特征。如果空氣自動監(jiān)測數(shù)據(jù)中包含異常值，則應(yīng)對數(shù)據(jù)進行審查。分析和識別異常值時主要考慮儀器系統(tǒng)故障、儀器零點校準(zhǔn)和天氣波動。如果確定儀器系統(tǒng)是造成異常值的原因，則應(yīng)將異常值作為無效數(shù)據(jù)處理；如果確定天氣波動是造成異常值的原因，則應(yīng)將異常值確定為有效數(shù)據(jù)。

3.2 儀器系統(tǒng)故障導(dǎo)致的異常數(shù)據(jù)分析判斷

儀器系統(tǒng)故障是造成數(shù)據(jù)異常的一個重要原因，一氧化碳、PM2.5和其他測量中的常見異?？蓺w因于儀器系統(tǒng)故障。所以，在檢查數(shù)據(jù)異常的原因時，可以優(yōu)先從儀器本身檢查，判斷儀器是否出現(xiàn)了故障。一氧化碳分析儀通過非色散紅外吸收來檢測一氧化碳，但測量的準(zhǔn)確性直接受到紅外光源強度的影響。如果一氧化碳的紅外光源損壞，一氧化碳的讀數(shù)自然會受到影響，主要表現(xiàn)為數(shù)值異常偏高或偏負(fù)。此外，如果一氧化碳分析儀的泵軸被堵塞，實時讀數(shù)將迅速降至近乎于零。因此，在調(diào)查一氧化碳監(jiān)測數(shù)據(jù)異常時，重點應(yīng)放在一氧化碳分析儀的故障上，因設(shè)備故障導(dǎo)致的任何數(shù)據(jù)異常都應(yīng)作為無效數(shù)據(jù)予以排除。用于PM2.5監(jiān)測的PM2.5在線分析儀采用微天平測量法，其準(zhǔn)確性對流速非常敏感[1]。如果PM2.5在線分析儀的流速出現(xiàn)異常，不僅PM2.5測量值會發(fā)生變化，相應(yīng)的PM10測量值也會發(fā)生變化。

3.3 站點周圍短時污染源導(dǎo)致的異常數(shù)據(jù)分析判斷

假如短期內(nèi)污染源周圍的監(jiān)測站出現(xiàn)異常，監(jiān)測數(shù)據(jù)也會出現(xiàn)異常。尤其是加工廠等污染源在短期內(nèi)排出大量污染物，對周圍氣體質(zhì)量影響較大，但一段時間后生態(tài)調(diào)節(jié)恢復(fù)正常，導(dǎo)致短期內(nèi)監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常。以二氧化硫監(jiān)測數(shù)據(jù)為例，假如監(jiān)測站點附近污染源在短時間內(nèi)排出大量污染物，二氧化硫監(jiān)測數(shù)據(jù)值將迅速上升，接近污染源的監(jiān)測數(shù)據(jù)將迅速起伏。清除儀器設(shè)備系統(tǒng)故障后，可以對數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常的區(qū)域開展實地考察，找到相應(yīng)的原因。

3.4 運維不當(dāng)導(dǎo)致的異常數(shù)據(jù)分析判斷

如果操作和維護人員忘記關(guān)掉安全通道或未及時開啟安全通道，系統(tǒng)本身將無法通過審批，并會出現(xiàn)大量異常數(shù)據(jù)。假如監(jiān)管數(shù)據(jù)中有許多毫無意義的數(shù)據(jù)，則需要考慮是否是由不合理的操作和維護引起的，并結(jié)合操作和維護記錄對數(shù)據(jù)進行分析，以檢查操作和維護工作人員的操作是否合規(guī)[2]。最終，通過與操作和維護保養(yǎng)代表進行電話溝通，確定數(shù)據(jù)異常原因，同時，還需要維護人員加強自身工作素養(yǎng)，多一點細心和耐心，減少工作失誤。如發(fā)生工作失誤要客觀及時記錄在冊，以免后續(xù)工作中再出現(xiàn)同樣的問題。

4 環(huán)境空氣自動監(jiān)測數(shù)據(jù)審核中異常數(shù)據(jù)的處理

自動測量數(shù)據(jù)有效性審核過程主要包括三個方面：（1）通過AIRNOW系統(tǒng)的DMS軟件設(shè)置自動審核規(guī)則，這可以大大提高自動監(jiān)測數(shù)據(jù)的審核效率；（2）兩階段人工審核。區(qū)縣局負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)進行初步審核，找出異常情況及其原因。（3）審核人員要根據(jù)審核數(shù)據(jù)的經(jīng)驗，對異常數(shù)據(jù)進行識別、判斷和綜合分析，不僅要積累測量原理和常見故障的知識，還要熟悉監(jiān)測站點周圍的情況，了解自動監(jiān)測數(shù)據(jù)的整體有效性，以及時作出準(zhǔn)確的判斷。

異常數(shù)據(jù)處理應(yīng)注重準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常的原因，并根據(jù)實際數(shù)據(jù)處理情況采取具體的處理方法[3]。發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)后，從同步系統(tǒng)異常、儀表系統(tǒng)異常、電力系統(tǒng)異常、輔助系統(tǒng)異常等方面明確異常特征，并對相關(guān)指標(biāo)進行對比、分析和判斷。如儀表系統(tǒng)出現(xiàn)異常，則要清除故障數(shù)據(jù)，維護、校正和更換新儀器。當(dāng)開關(guān)電源等輔助系統(tǒng)錯誤導(dǎo)致數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時，檢查出現(xiàn)的異常數(shù)據(jù)，清除故障數(shù)據(jù)，修復(fù)常見故障。同一錯誤引起的病變數(shù)據(jù)可作為有效數(shù)據(jù)開展驗證。

要提高數(shù)據(jù)審核員的技術(shù)能力，以識別儀器故障，對儀器運行條件下的常見故障進行整理和分類，并審核監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效性[4]。要建立完善的獎懲制度，激發(fā)數(shù)據(jù)審核員的工作積極性，提高工作的準(zhǔn)確度。同時，要獲取各種采集和測量儀器的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，并將數(shù)據(jù)上傳到現(xiàn)場，以準(zhǔn)確評估審計員的工作量，提高審計效率。遠程更改不同監(jiān)測儀器參數(shù)時，要統(tǒng)一遠程校準(zhǔn)時間。

5 結(jié)語

綜上所述，在空氣自動監(jiān)測中，數(shù)據(jù)異常是不可避免的，需要加強相應(yīng)的數(shù)據(jù)審核和處理工作，盡量減少異常數(shù)據(jù)對檢測結(jié)果可靠性和可信度的影響。為確保審核效果，應(yīng)全面推行三階段審核模式，建立相應(yīng)的審核分析制度，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析以及有效、準(zhǔn)確的處理，對異常數(shù)據(jù)進行檢查和修正。只有確保數(shù)據(jù)的有效性和準(zhǔn)確性，空氣自動監(jiān)測才能對改善空氣質(zhì)量起到有效的指導(dǎo)和保障作用。