空氣質(zhì)量自動監(jiān)測綜合示范站建設(shè)及管理

裴成磊 黃祖照 劉葉新 鄺俊俠

（廣州市環(huán)境監(jiān)測中心站，廣州510030）

廣州市空氣質(zhì)量自動監(jiān)測綜合示范站包含國家灰霾影響空氣質(zhì)量監(jiān)測試點監(jiān)測、國家溫室氣體監(jiān)測試點監(jiān)測以及各項研究性監(jiān)測。綜合示范站內(nèi)配置大量非常規(guī)監(jiān)測儀器，給運行管理提出了更高的要求。本文結(jié)合廣州市空氣質(zhì)量自動監(jiān)測綜合示范站實際運行經(jīng)驗，介紹了自動監(jiān)測綜合示范站的運行管理方法。

1 概述

廣州市環(huán)境監(jiān)測中心站于2008年4月開始空氣質(zhì)量監(jiān)測綜合示范站建設(shè)，2009年9月驗收運行，每年可獲取約120萬個有效監(jiān)測數(shù)據(jù)，2000張立體圖片，為2010年廣州市亞運空氣質(zhì)量保障預(yù)測預(yù)報提供了有力的技術(shù)支持。空氣質(zhì)量自動監(jiān)測綜合示范站主要包括三大監(jiān)測功能：國家灰霾影響空氣質(zhì)量監(jiān)測試點、國家溫室氣體監(jiān)測試點以及針對廣州市空氣污染特征而進行的各項監(jiān)測。針對廣州市空氣污染以復(fù)合型污染為主，空氣質(zhì)量自動監(jiān)測綜合示范站除配置常規(guī)監(jiān)測項目、灰霾影響監(jiān)測項目、溫室氣體監(jiān)測項目外，還配置了氣溶膠監(jiān)測、光化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物監(jiān)測及多種氣象監(jiān)測雷達。空氣質(zhì)量自動監(jiān)測綜合示范站新型監(jiān)測分析種類眾多，監(jiān)測儀器的穩(wěn)定運行需要科學(xué)的管理作保障，結(jié)合工作實踐探討在硬件、數(shù)采軟件、通信系統(tǒng)等多方面綜合管理。

2 空氣質(zhì)量自動監(jiān)測綜合示范站建設(shè)

站房面積40平方米，采用彩鋼板結(jié)構(gòu)，天面用不銹鋼結(jié)構(gòu)，有良好的密封性，具有防腐蝕、抗風(fēng)、 防滲漏、隔熱保溫功能，全局布置3D示意圖見圖1。

圖1 全局布置3D示意圖

站房內(nèi)部用儀器柜及實驗臺的方式安裝儀器。另建一2.7米高、面積25平方米的混凝土結(jié)構(gòu)平臺以安裝風(fēng)廓線雷達、云高儀、溫廓線雷達、多軸差分光譜等光學(xué)儀器，避免干擾。站房采用3相5千瓦供電、站房防雷、3級電源防雷、電話線防雷、配3千瓦及5千瓦穩(wěn)壓電源、2臺5匹柜式空調(diào)以保室內(nèi)溫度恒定、ADSL數(shù)據(jù)傳輸。

3 空氣質(zhì)量自動監(jiān)測綜合示范站管理

3.1 數(shù)據(jù)系統(tǒng)管理

空氣質(zhì)量自動監(jiān)測系統(tǒng)的異常數(shù)據(jù)可能由于數(shù)采儀或通訊等故障原因造成，這些在日常的巡檢時不易被發(fā)現(xiàn)［1］。為保障空氣質(zhì)量自動監(jiān)測綜合示范站數(shù)據(jù)的正常采集，建立了一套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，由子站數(shù)據(jù)系統(tǒng)、中心數(shù)據(jù)系統(tǒng)和通訊網(wǎng)絡(luò)組成。子站數(shù)據(jù)系統(tǒng)負責(zé)采集、存儲、傳輸監(jiān)測數(shù)據(jù)；中心端系統(tǒng)負責(zé)接收、存儲數(shù)據(jù)，并可對數(shù)據(jù)進行查詢和質(zhì)控；通訊網(wǎng)絡(luò)負責(zé)承載數(shù)據(jù)的傳輸。

3.1.1 子站數(shù)據(jù)系統(tǒng)

子站數(shù)據(jù)系統(tǒng)由工控機和數(shù)據(jù)采集軟件構(gòu)成。空氣質(zhì)量監(jiān)測綜合示范站項目眾多，為滿足儀器數(shù)據(jù)采集的實時性要求，管理上按照不同的數(shù)據(jù)采集軟件將儀器分為兩大類。一類數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單，以數(shù)值數(shù)據(jù)為主且數(shù)據(jù)量不大，主要有常規(guī)監(jiān)測項目儀器、顆粒物監(jiān)測儀器、溫室氣體監(jiān)測儀器、EC／OC分析儀、VOC氣相色譜儀、黑碳分析儀等。此類監(jiān)測儀器數(shù)據(jù)可以使用常規(guī)空氣自動監(jiān)測子站數(shù)據(jù)采集軟件采集。第二類監(jiān)測儀器數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜或原始數(shù)據(jù)是以圖片文件形式存儲，數(shù)據(jù)采集和傳輸困難，如風(fēng)廓線雷達、溫廓線雷達、激光雷達、粒徑鋪儀、太陽光度計等。此類監(jiān)測儀器單獨配置數(shù)采工控機，加裝專業(yè)數(shù)據(jù)采集軟件，數(shù)據(jù)傳輸采用ftp數(shù)據(jù)傳輸方式。

子站數(shù)據(jù)系統(tǒng)的每臺工控機均有固定的遠程控制賬號，可遠程監(jiān)控站內(nèi)儀器監(jiān)測數(shù)據(jù)、運行狀況，并對出現(xiàn)問題的儀器進行前期診斷和維護。

3.1.2 中心數(shù)據(jù)系統(tǒng)

中心數(shù)據(jù)系統(tǒng)是由中心系統(tǒng)服務(wù)器和系統(tǒng)軟件組成。子站數(shù)據(jù)系統(tǒng)中的第一類儀器數(shù)據(jù)可直接被中心數(shù)據(jù)系統(tǒng)接受存儲。中心系統(tǒng)可以隨時查看30秒實時數(shù)據(jù)、五分和每個小時的原始值，并可進行數(shù)據(jù)質(zhì)控。子站系統(tǒng)中的第二類儀器通過ftp存儲于中心系統(tǒng)服務(wù)器固定路徑下，使用專業(yè)軟件查看數(shù)據(jù)。

為確保中心數(shù)據(jù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)接收可靠性，管理上除主服務(wù)器外，另配置兩臺備用服務(wù)器。中心數(shù)據(jù)系的數(shù)據(jù)安全是十分重要的，為此，數(shù)據(jù)庫文件實現(xiàn)每日備份（備份收數(shù)機器同時接收數(shù)據(jù)），服務(wù)器賬號密碼半年更新一次，賬號和密碼的權(quán)限按操作人員的職權(quán)劃分，一般操作人員只能進行數(shù)據(jù)查看，有管理員級別的操作人員可實現(xiàn)數(shù)據(jù)質(zhì)控，報表制作，數(shù)據(jù)對外發(fā)送等操作；操作人員的操作時間、姓名等信息保存于數(shù)據(jù)庫中，方便跟蹤判斷。

隨著海島旅游產(chǎn)業(yè)的悄然興起，為了擴展業(yè)務(wù)與提升用戶體驗，電子商務(wù)等相關(guān)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品越來越多逐漸融入到朱家尖的各個景點，景區(qū)對于高新技術(shù)驅(qū)動下的旅游產(chǎn)業(yè)非常向往，朱家尖東沙社區(qū)東荷嘉園專門成立了電子商務(wù)產(chǎn)業(yè)園來發(fā)展旅游產(chǎn)業(yè)，并取得了較好的成果[3]。

3.1.3 通訊系統(tǒng)

綜合示范站子站端采用ADSL作為主通訊網(wǎng)絡(luò)，為保障通訊網(wǎng)絡(luò)的可靠性，組建了3G無線輔助通訊網(wǎng)絡(luò)。輔助通訊網(wǎng)絡(luò)采用鏈路備份功能：正常狀態(tài)下采用主通訊網(wǎng)絡(luò)，輔助通訊網(wǎng)絡(luò)處于預(yù)備狀態(tài)；當主通訊網(wǎng)絡(luò)失效時，輔助通訊網(wǎng)絡(luò)隨即生效；主通訊網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后，隨即切換回正常狀態(tài)。綜合示范站中心端使用兩條專用通訊線路，兩條線路同時接收數(shù)據(jù)，通訊線路配以專人進行維護。實踐證明這種通訊網(wǎng)絡(luò)能管理方式能很好地保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼＿\行。

3.2 儀器運行管理

自動監(jiān)測儀器運行環(huán)境較為一致，按照常規(guī)空氣自動監(jiān)測子站做好運行管理［2－4］能較好地保障站內(nèi)儀器24小時穩(wěn)定運行，但綜合示范站因監(jiān)測儀器種類繁多，配套監(jiān)測設(shè)備復(fù)雜，管理上對以下幾點進行了強化：

（1）氫氣安全保障：綜合示范站內(nèi)VOC和甲烷非甲烷總體分析儀器需要氫氣，氫氣是易燃易爆的氣體。主要使用氫氣發(fā)生器，而避免使用氫氣鋼瓶氣，注意站內(nèi)的通風(fēng)透氣，排氣扇24小時連續(xù)運行。

（2）激光防護：激光雷達、OC／EC分析儀均使用激光作為光源，激光能量集中，亮度很高，即使是反射光也會對人眼造在傷害，應(yīng)在激光出口周圍加裝了防護欄，豎立警示招牌。

（3）溫控保障。監(jiān)測儀器穩(wěn)定運行需要穩(wěn)定的環(huán)境溫度，如溫控設(shè)備故障，站內(nèi)溫度會迅速升高，過高穩(wěn)定會導(dǎo)致大多數(shù)儀器故障，風(fēng)廓線儀更會出現(xiàn)過溫自動斷電的情況。因此，對溫控設(shè)備要制定嚴格檢修計劃，溫控電源采用專用線路。

（4）電磁防護：風(fēng)廓線雷達在工作時發(fā)射天線將產(chǎn)生微波，微波輻射會對人體造成傷害。在風(fēng)廓線發(fā)射天線外安裝微波防護網(wǎng)，并加鎖防止外人進入。

（6）管路密封：儀器日常工作和標定時都會有危害健康的氣體排除，所有儀器廢氣嚴禁直接排入站內(nèi)；對各條管路加強儀器管路連接氣密性的檢查，及時更換破損的管路。

3.3 運行質(zhì)量管理

采樣系統(tǒng)、監(jiān)測儀器、通訊系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)中任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都會影響到空氣質(zhì)量自動監(jiān)測綜合示范站正常運行，影響數(shù)據(jù)的準確性、可靠性，維護人員的責(zé)任心與技術(shù)水平的差異等都會直接影響數(shù)據(jù)的準確性。為此，廣州市環(huán)境監(jiān)測中心站制定了《GD0507空氣質(zhì)量自動監(jiān)測系統(tǒng)質(zhì)量保證管理規(guī)定》和《GD0505自動監(jiān)測儀器維護保養(yǎng)管理規(guī)定》，建立了一套行之有效的質(zhì)量保證和質(zhì)量控制管理辦法［5，6］。

為規(guī)范溫室氣體運行維護保證國家環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)站的運行質(zhì)量和數(shù)據(jù)準確性，中國環(huán)境監(jiān)測總站根據(jù)環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測技術(shù)規(guī)范，編制了溫室氣體站自動監(jiān)測設(shè)備的運行維護手冊（含質(zhì)控）。廣州市站與2011年8月啟用了該手冊，按時做好每一項工作。

針對新型監(jiān)測儀器，目前可借鑒的管理經(jīng)驗不多，多年的運行實踐總結(jié)了一些對監(jiān)測數(shù)據(jù)會造成影響的因素，以便為數(shù)據(jù)質(zhì)控提供參考。

3.3.1 濕度影響

（1）在粒徑譜儀采樣分析時，如果濕度超過50～70%將大大減弱粒子的散射效果，對數(shù)據(jù)的準確性造成影響。珠三角等南部沿海地區(qū)，在春夏時節(jié)濕度較大，為保證數(shù)據(jù)的準確性，需要加強對干燥劑的更換，廣州站使用變色硅膠作為干燥劑，更換周期為10～15天。

（2）大氣中的水汽會影響風(fēng)廓線雷達探測的高度，因為濕空氣的反射系數(shù)變化更大。如果空氣很干燥，會發(fā)生有一段距離門的風(fēng)數(shù)據(jù)缺失，而上下的距離門都有數(shù)據(jù)。

3.3.2 降雨影響

（1）對于風(fēng)廓線雷達來說，降雨的回波信號比空氣回波信號強，這將會導(dǎo)致雷達波束所探測的風(fēng)速等信息不準確。因此，降雨時要注意對數(shù)據(jù)的質(zhì)控。

（2）激光雷達以激光為光源，通過探測激光與大氣相互作用的輻射信號來遙感大氣。降雨時，雨滴將對激光信號造成影響，使得測量的信號不再準確，此時數(shù)據(jù)一般是無效的。

（3）微量震蕩天平法監(jiān)測顆粒物質(zhì)量濃度的監(jiān)測儀器，在濕度劇烈變化時監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)會有異常，需對數(shù)據(jù)進行質(zhì)控；在降雨時間較長時會造成測值偏高，降雨停止后一段時間，會出現(xiàn)負值，需對降雨前后數(shù)據(jù)的質(zhì)控。濾膜負載過高、切割器阻塞也是數(shù)據(jù)波動較大的一個原因，在顆粒物濃度較高季節(jié)，及時更換濾膜、清洗切割器是數(shù)據(jù)穩(wěn)定的重要保障。

（4）太陽光度計有雨量傳感器，有降雨時儀器將自動停止運行，不再產(chǎn)生數(shù)據(jù)。

3.3.3 過濾器影響

（1）粒徑譜儀鞘氣是通過轉(zhuǎn)配過濾器過濾空氣形成的，如過濾器發(fā)生阻塞，導(dǎo)致粒徑譜儀流量報警并會導(dǎo)致峰位置的偏移，從而影響數(shù)據(jù)的準確性。珠三角等南部沿海地區(qū)，秋冬季較易發(fā)生灰霾天氣，長時間后會使過濾器超過負載而發(fā)生阻塞。因此，在秋冬季節(jié)要每天查看儀器流量和監(jiān)測數(shù)據(jù)，如發(fā)生流量報警或數(shù)據(jù)偏差過大，要及時更換過濾器。

（2）溫室氣體甲烷非甲烷總烴分析儀在進行零點檢查時，濾膜負載較大會影響零點檢查結(jié)果。

3.3.4 輔助氣體影響

（1）溫室氣體試點監(jiān)測項目中甲烷非甲烷總烴分析儀需要氮氣作為載氣，使用氫氣作為燃料氣，氮氣壓力過低，儀器測值將為零，氫氣壓力過低將導(dǎo)致儀器點火失敗并停止運行，產(chǎn)生異常數(shù)據(jù)。運行管理中，氮氣發(fā)生器和氫氣發(fā)生器的壓力值是需要密切關(guān)注。

（2）甲烷非甲烷總烴分析使用氫氣作為燃料氣，氫氣發(fā)生器使用電解水的方法產(chǎn)生氫氣，并用干燥劑濾除水分。但氫氣發(fā)生器使用的干燥劑管容量較小，容易過載。如果氫氣水分過濾不充分，將對監(jiān)測數(shù)據(jù)和儀器本身造成影響。因此，需要加強對對干燥劑的檢查和更換。

4 結(jié)語

廣州市空氣質(zhì)量監(jiān)測綜合示范站建成運行已有四年，科學(xué)合理的運行管理能保障站內(nèi)各臺儀器的正常運行，提高監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性。

［1］包權(quán) .上海市環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測數(shù)據(jù)審核體系的構(gòu)建及其應(yīng)用［J］.環(huán)境科學(xué)與管理，2010，35（12）：160－164.

［2］《空氣和廢棄監(jiān)測分析方法指南》編委會 .空氣和廢棄監(jiān)測分析方法指南（上冊）［M］.北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2006：77.

［3］王衛(wèi) .空氣自動監(jiān)測系統(tǒng)運行管理故障處理［J］.環(huán)境監(jiān)控與預(yù)警，2011，3（1）：23－24.

［4］邢夢林，張軍，陳向明，鄭瑤，李金鋒，郭新望 .空氣自動監(jiān)測系統(tǒng)運行影響因素分析［J］.干旱環(huán)境監(jiān)測，2008，22（4）：249－253.

［5］《空氣和廢棄監(jiān)測分析方法指南》編委會 .空氣和廢棄監(jiān)測分析方法指南（上冊）［M］.北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2006：116－117.

［6］倫偉明 .空氣質(zhì)量自動監(jiān)測系統(tǒng)的運行與控制［J］.現(xiàn)代測量與綜合示范站管理，2008（2）：50－52.