大氣環境中PM2.5在線監測及評價理論研究*

王玉田 張亞吉 苑媛媛 趙 煦 牛凱增

(燕山大學河北省儀器科學與技術重點實驗室，河北 秦皇島 066004)

大氣環境中PM2.5在線監測及評價理論研究*

王玉田 張亞吉#苑媛媛 趙 煦 牛凱增

(燕山大學河北省儀器科學與技術重點實驗室，河北 秦皇島 066004)

基于光散射法研制了一種PM2.5在線監測系統，運用該系統對PM2.5質量濃度進行實時監測。鑒于PM2.5在空氣質量評價中僅作為一個參考指標，專門針對PM2.5的評價機制研究較少，將層次分析法與模糊評價法相結合，對一段時間內PM2.5的濃度進行評價，得到時段內空氣PM2.5的質量狀況。模糊評價法可很好地反映評價等級劃分的模糊性和連續性，層次分析法能夠將復雜的系統進行定量處理，評價結果符合實際情況。

PM2.5測量 空氣質量評價 光散射 層次分析 模糊評價

PM2.5是指空氣動力學當量直徑小于或等于2.5 μm的顆粒，為可吸入顆粒物。PM2.5的化學成分主要包括有機質、可溶性物質和微量元素等。由于PM2.5粒徑較小，被吸入人體后可直接進入肺泡沉積，導致心與肺的相關疾病，PM2.5還會破壞染色體和DNA結構導致基因突變。PM2.5的來源主要包括自然源和人為排放，其中人為排放是PM2.5的主要來源[1-4]。

PM2.5作為重要的空氣質量參考指標，在地區環境空氣質量信息中經常實時發布?？諝赓|量指數法是評價區域環境空氣質量的常用方法，該方法計算簡單，發布效率高，可以實現對空氣質量的實時監控。值得注意的是，在進行空氣質量指數評價時參考的是PM2.5、PM10、CO、SO2、NO2和O3的平均質量濃度，而PM2.5在多個地區已經成為大氣環境污染的首要污染物，僅將其作為一個參考指標評價空氣質量已不滿足人們對PM2.5污染的了解需求。

我國對于PM2.5的監測研究正處于起步階段，沒有足量的實測數據和完整的科學理論。本研究構建一套PM2.5在線監測系統可以實現對PM2.5的實時監測，并將模糊評價法和層次分析法相結合對PM2.5濃度進行評價，得到PM2.5的污染狀況，為PM2.5污染水平的研究提供更多依據。

1 基于光散射法的在線監測系統

1.1 光散射法

測量空氣中污染物濃度的方法可分為采樣法和非采樣法，采樣法包括微量振蕩天平法、濾膜稱重法、β射線吸收法，非采樣方法包括黑度法、光散射法。光散射法在煙霧粉塵測量中具有測量時間短、測量精度高等特點[5]。光照射到空氣中的懸浮顆粒上發生散射，其當顆粒物的性質保持不變時，自身的質量濃度和散射光強度成正比關系，利用轉換系數即可得到顆粒物的質量濃度。光散射法結合了顆粒物相關參數和Mie散射理論，反推出顆粒物的質量濃度，單個顆粒物的散射光強表達如式(1)所示。

(1)

式中：IS(θ)為單個顆粒物在θ方向的散射光強，cd；θ為散射角；d為顆粒物直徑，μm；λ為入射光波長，μm；m為折射率；I為入射光強，cd。

當有N個顆粒物時，散射光強表達如式(3)所示。

(2)

(3)

式中：W為顆粒物質量濃度，μg/m3；ρ為顆粒物密度，mg/m3。

在固定測試裝備中，入射光強I、入射光波長λ、顆粒物直徑d、密度ρ、折射率m、散射角θ均視為定值，則可得散射光強與顆粒物質量濃度的關系。該方法可實現PM2.5的實時在線非接觸監測，直接得到測量數據。

1.2 測量原理

目前國內外還未研制出專門測量PM2.5質量濃度的傳感器，只能將測量小顆粒物的粉塵傳感器近似看作測量PM2.5的敏感元件。敏感元件要具備靈敏度高、穩定性可靠等特點，最終選擇GP2Y1010AU0F粉塵傳感器為敏感原件，其可測量0.8 μm以上的微小粒子，具有極低的電流消耗(最大20 mA，典型11 mA)，敏感元件的工作原理如圖1所示。發光二極管(LED)發出的光照射到細顆粒物后發生散射，光學接收器(PD)接收散射光，把光脈沖轉換成電脈沖，在顆粒物性質保持一定的前提下，經過電路的放大、識別，利用顆粒物光強與質量濃度的轉換關系就可得到顆粒物濃度。

圖1 敏感元件工作原理Fig.1 Operating principle of sensor

根據圖1有：

V1=I1R1

(4)

式中：V1為輸出電壓，V；I1為流經PD的電流，A；R1為電阻，Ω。

脈沖驅動控制LED發出光強，PD將接收到的光信號轉換為電信號，流過PD的電流與散射光強呈線性關系，如式(5)所示。

I1=kI(θ)

(5)

式中：k為直線斜率。

敏感元件中LED的驅動周期為10 ms，脈沖寬度為0.32 ms，取樣時間為0.28 ms。結合式(3)、式(4)、式(5)即可得到輸出電壓V1與顆粒物質量濃度W的關系。將該設備放在不同粉塵情況的場所中，記錄V1與W的數據，繪制兩者關系曲線，如圖2所示。

圖2 顆粒物質量濃度與輸出電壓的關系Fig.2 Relationship between particulates concentration and the output voltage

由圖2可見，當顆粒物質量濃度在500 μg/m3以內時，V1與W基本呈線性相關，關系式見式(6)，因此可根據LED輸出電壓反推出顆粒物質量濃度。

W=(0.17×V1-0.1)×1 000

(6)

PM2.5監測系統的核心為敏感元件，在當前PM2.5監測領域，部分PM2.5監測儀采用激光粉塵傳感器，激光粉塵傳感器和紅外粉塵傳感器的測量精度相差不大，激光粉塵傳感器的光源為激光LED，因此結構和電路復雜，價格較高；紅外原理的粉塵傳感器技術較成熟，光源為紅外LED光源，結構和電路相對簡單，價格合理，更具有發展潛力。

2 模糊層次分析法

2.1 層次分析法

模糊層次分析法是將層次分析法和模糊評價法相結合，采用層次分析法來確定評價指標體系中各個指標的權重值,使用模糊評價法對涉及的模糊指標進行評定[6-7]。層次分析法確定權重系數有以下4個步驟：

(1) 建立遞階層次模型

一個有層次的結構模型需要3個層次：最高層、中間層(準則層)、最底層(方案層)。建立各層次的因素集U，令U=(U1，U2，…，Un)。

(2) 構造判斷矩陣

判斷矩陣中元素的取值一般選用1～9標度法，標度取值及定義如表1所示。根據表1中判斷矩陣標度定義，對評估因素集中的因素進行兩兩比較，構造n階判斷矩陣P[8-9]。

表1 判斷矩陣標度取值及定義1)

注：1)與其他因素相比，其他因素更重要時，標度取值根據重要程度取相應倒數。

(3) 確定權重

采用層次分析法確定權重系數，本質上是計算判斷矩陣的特征向量和最大特征值。首先，計算判斷矩陣P中第i行各元素的乘積Mi；其次，計算Mi的n次方根得Wi，則向量W=[W1,W2,…,Wn]T歸一化處理即為所求特征向量，即判斷矩陣中各元素的權重；最后，計算判斷矩陣P的最大特征值[10]，各參數計算公式如下：

(7)

(8)

(9)

式中：(PW)i為向量PW中的第i個元素。

(4) 一致性檢驗

為提高權重評價的可靠性，必須對判斷矩陣作一致性檢驗，故引入一致性指標CI。

CI=(λmax-n)/n-1

(10)

多階判斷矩陣還需引入平均隨機一致性指標RI，RI值的確定如表2所示。

一致性比率CR計算如下：

CR=CI/RI

(11)

當CR<0.10時，認為判斷矩陣具有滿意的一致性，否則需要調整[11]。

2.2 模糊評價法

由于本研究是對一個采樣點一段時間內的PM2.5進行評價，故采用一級模糊評價分析方法。一級模糊評價步驟如下：

(1) 建立因子集

因子集是綜合評價中各評價因素所組成的集合，一級模糊評價中并不涉及其他指標層，在對一個時間段內多個時刻的PM2.5濃度進行評價時，因子集就是參與評價的各個時刻PM2.5濃度。一般設因子集為Z，Z=(z1,z2,…,zn)。計算中還需確定因子集中各因子的權重，設各因子權重向量為A，A=(a1,a2,…,an)，其中：

(12)

(2) 建立評價集

評價等級是用來評價各個因素的模糊概念，評價等級個數通常不超過9而大于4，且取奇數的情況較多。設有x個評價等級，評價集一般表示為V=(v1,v2,…,vx)。

(3) 確定單因素評價矩陣

對因子集中的某個單因素作單因素評價，一般采用專家調查法對各指標進行評分，根據評分結果構建模糊關系矩陣R(見式(13))，rij計算方法見式(14)：

(13)

rij=yij/y

(14)

式中：y為專家的總人數；yij為y個專家中選擇zi隸屬于vj的人數。

(4) 確定模糊子集B

當因子權重向量A和單因素評價矩陣R已知時，對R作模糊線性變換，可把A變成評價集V上的模糊子集B。

B=A*R=(b1,b2,…,bx)

(15)

式中：*為廣義模糊合成運算符號。

表2 判斷矩陣的RI值

2.3 最大隸屬度原則

(16)

(17)

表3 最大隸屬度原則的有效性判斷

3 實驗部分

3.1 監測數據的獲取

利用前文構建的PM2.5監測系統測定PM2.5實時濃度，選定某市上午10:00—11：00時段，每隔10 min記錄1次，每個時間點讀取5個數據，監測結果如表4所示。

3.2 監測數據的評價

由層次分析法的相關概念，以表4中不同時刻的平均值建立因素集，根據表1中判斷矩陣的標度及其定義，對各時刻濃度相對重要性進行主觀比較，得到判斷矩陣P(見式(18))，由式(7)、式(8)計算得到權重計算的相關參數，結果如表5所示。

(18)

根據表2確定的RI值，由式(9)、式(10)、式(11)可得一致性檢驗計算結果，如表6所示。由表6可見，判斷矩陣一致性比率CR<0.10，具有滿意的一致性，無需調整。

利用模糊評價法確定多個時間點監測數據的濃度指標。首先，確定準則層因素集Z，Z中的因子為監測期間各時間點PM2.5質量濃度平均值，則Z=(57.80,57.78,57.78,57.76,57.76,57.74,57.70)；由式(12)計算得到Z中各因子的權重A=(0.069,0.129,0.069,0.346,0.129,0.129,0.129)。其次，確定評價集。本研究設置評價等級數為5，即評價集V=(v1,v2,v3,v4,v5)，對應的評價等級評分標準分別為優(v1)，良(v2)，輕度污染(v3)，重度污染(v4)，嚴重污染(v5)。

表4 監測數據

表5 多時間點權重計算相關參數

表6 一致性檢驗實驗結果

利用專家調查法，根據已設定的評價集，請20名專家對各個時刻的空氣質量進行評分，則y值為20，記錄各時刻選擇zi隸屬于vj的專家人數，由式(14)可得到指標層的單因素評價矩陣R。

(19)

在模糊評價綜合算法中選用(·，+)模型，則B=A*R=(0.41，0.59，0，0，0)，B中最大元素為b2，值為0.59。根據最大隸屬度原則，評價結果屬于v2等級，即為良。

3.3 評價結果檢驗與分析

對最大隸屬度原則進行有效性判斷，計算最大隸屬度原則的改進判斷方法，根據式(16)、(17)計算判斷結果有效性，如表7所示。

表7 有效性計算結果

由于α=0.595，根據表3可知計算結果比較有效，不需要再進行調整。

實驗結果表明，該市當天10：00—11：00的時間段內，PM2.5污染狀況為良。該方法考慮了污染等級劃分的模糊性，可應用于任意時間段內空氣PM2.5的質量評價，評價結果符合實際情況，實用性強。

4 結 語

(1) 研究了大氣環境中PM2.5在線監測系統與評價理論，能夠實現對PM2.5質量濃度的實時測量和對測量結果的綜合評價，確定其空氣狀況。

(2) 在PM2.5的評價中，層次分析法能將復雜的系統分解，將思維過程數學化、系統化，模糊評價法充分考慮到污染程度等級劃分的模糊性，將層次分析法與模糊評價法相結合，采用模糊層次分析法對PM2.5濃度進行評價，更符合實際。

(3) 以某市10：00—11:00時段PM2.5實時監測數據為例，運用所提出的評價方法對空氣PM2.5的質量進行綜合評價，對評價結果進行分析和總結，最后得到該環境中PM2.5的評價結果為良。

參考文獻:

[1] HUANG Guanghan,CHENG Tiantao,ZHANG Renjian,et al.Optical properties and chemical composition of PM2.5in Shanghai in the spring of 2012[J].Particuology,2014,13(2):52-59.

[2] DU Xuan,KONG Qian,GE Weihua,et al.Characterization of personal exposure concentration of fine particles for adults and children exposed to high ambient concentrations in Beijing,China[J].Journal of Environmental Sciences,2010,22(11):1757-1764.

[3] PUI D Y H,CHEN S C,ZUO Zhili.PM2.5in China: measurements,sources,visibility and health effects,and mitigation[J].Particuology,2014,13(2):1-26.

[4] 李潤奎，李志鵬，高文舉，等．北京市大氣PM2.5的季節特征和空間趨勢[J].中國科學通報，2015(3)：387-395．

[5] 徐慶君，韋德泉，田貴才．基于Mie散射理論的鈮酸鋰晶粒散射特性[J].發光學報，2009，30(6)：867-871．

[6] GORAI A K,KANCHAN,UPADHYAY A,et al.Design of fuzzy synthetic evaluation model for air quality assessment[J].Environment Systems and Decisions,2014,34(3):456-469.

[7] 郭金玉，張忠彬，孫慶云．層次分析法的研究應用[J].中國安全科學學報，2008，18(5)：148-153．

[8] MANDIC K,DELIBASIC B,KNEZEVIC S,et al.Analysis of the financial parameters of Serbian banks through the application of the fuzzy AHP and TOPSIS methods[J].Economic Modelling,2014,43(2):30-37.

[9] ZAFARANI H R,HASSANI A,BAGHERPOUR E.Achieving a desirable combination of strength and workability in Al/SiC composites by AHP selection method[J].Journal of Alloys & Compounds,2014,589(4):295-300.

[10] 鄧雪，李家銘，曾浩健，等．層次分析法權重計算分析及其應用研究[J].數學的實踐與認識，2012，42(7)：93-100．

[11] LI Dongsheng,YANG Qiulin,YU Deqiang.On enterprise social responsibility comprehensive evaluation based on two-step fuzzy evaluation method[J].Modern Economy,2013,4(1):66-72.

[12] JIA Junsong,FAN Ying，GUO Xiaodan.The low carbon development (LCD) levels’ evaluation of the world’s 47 countries (areas) by combining the FAHP with the TOPSIS method[J].Expert Systems with Applications,2012,39(7):6628-6640.

[13] ZHAO Xiongfei,LIU Yongbao,HE Xing.Fault diagnosis of gas turbine based on fuzzy matrix and the principle of maximum membership degree[J].Energy Procedia,2012,16:1448-1454.

StudyonatmospherePM2.5onlinemonitoringandevaluationtheory

WANGYutian,ZHANGYaji,YUANYuanyuan,ZHAOXu,NIUKaizeng.

(MeasurementTechnologyandInstrumentKeyLabofHebeiProvince,YanshanUniversity,QinhuangdaoHebei066004)

Based on light scattering method,a PM2.5online monitoring system was established. The system was applied to monitor PM2.5concentration in real-time. Considering PM2.5was only a reference indicator in the air quality index method,and few studies devoted to PM2.5evaluation mechanisms,this paper proposed fuzzy analytic hierarchy process,which combined fuzzy evaluation method with analytic hierarchy process,to evaluate PM2.5concentrations in a period of time. Fuzzy evaluation method could reflect the fuzziness and continuity between the evaluation level,and analytic hierarchy process could deal with complex systems quantitatively. The case analysis showed that the evaluation results of fuzzy analytic hierarchy process accords with actual conditions

PM2.5measurement; air quality evalution; light scattering; analytic hierarchy; fuzzy evaluation

王玉田,男,1952年生，博士,教授,主要從事光電子學與激光技術研究。#

。

*國家自然科學基金資助項目(No.61471312)；河北省自然科學基金資助項目(No.F2015203240)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2016.12.001

編輯:丁 懷 (

2016-06-20)