城市污染源實時在線監測系統研究

晏 丹

(中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037)

近年來，隨著我國城市建設的快速發展，城市揚塵、煙塵等的排放使得城市大氣污染防治面臨嚴峻的考驗[1]。生態環保部公布了《2019年中國生態環境狀況公報》，該公報所公布的數據顯示，全國53.4%的城市環境空氣質量超標，以 PM2.5為首要污染物的超標天數分別占總超標天數的 45.0%，據國家環境監測中心報告，揚塵對PM2.5的貢獻率大約在23%。因此，有效監測和治理揚塵污染是打贏“藍天保衛戰”的重要環節。

本文針對目前城市揚塵污染治理存在的監控點多、面廣、線長，而管理人員數量少、疲于應付以及信息共享差、治理環節多、協同成本高、治理效果反復的缺點，建立了城市揚塵實時在線監測系統，實現了對大氣揚塵污染源在線實時監測和有效管控，為施工方及行業監管部門提供“測得準、傳得快、說得清”的數據業務，幫助行業客戶實現揚塵監管與遠程治理的目標。

1 系統總體方案

城市揚塵實時在線監測將遠程監測與治理相結合，實現了城市揚塵監測、治理和預防，系統由城市揚塵在線監測設備、數據傳輸網絡和在線監測平臺組成。其中揚塵監測設備包括對顆粒物TSP[2]、PM10、PM2.5等粒度顆粒物的綜合監測。PM10、PM2.5切割器采用呼吸性粉塵分離原理進行研究設計，首先通過切割頭把大氣顆粒物按要求進行切割，抽塵系統把切割后的顆粒物導入到激光散射粉塵檢測裝置進行測量。采用GPRS傳輸，把數據傳輸到監控系統平臺，實現揚塵污染源的遠程在線監管，系統可根據監測數據與超限數據對比，采取防塵、降塵措施(圖1)。

圖1 揚塵污染監控系統示意Fig.1 Schematic of the dust pollution monitoring system

2 揚塵監測設備

2.1 監測設備結構

揚塵監測儀由PM10/PM2.5切割器、激光粉塵檢測模塊、主控板、恒流抽塵系統、電源和無線通信模塊組成。①PM10/PM2.5切割器。采用旋風切割方法，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行粉塵檢測，為保證系統長期的穩定運行，檢測過程中采用了清潔氣隔塵的結構，避免了對檢測結構的污染。③主控板。為信號處理、數據處理、算法計算的中樞系統，實現與監測系統的通信。④恒流抽塵系統。把大氣中的粉塵以穩定的流量抽入到檢測系統中。⑤無線模塊。通過移動公網把數據傳輸到監控中心，揚塵監測儀可以大規模部署，每個節點均可以將采集到的數據傳輸到監控中心進行處理[7]。⑥電源模塊。主要是通過市電供電的方式進行供電。監測設備結構如圖2所示。

圖2 監測設備結構Fig.2 Monitoring equipment structure

2.2 顆粒物檢測技術

為實現城市污染在線監測系統能對顆粒物進行在線監測，采用光散射法進行顆粒物測量。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、可以實現在線測量的優點，已經成為顆粒物質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量濃度方法的一種，滿足本項目測量需求。其基本原理是：當顆粒性質一定的情況，顆粒物的散射光強度和其質量(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量濃度。顆粒群散射法測量顆粒質量濃度流程如圖3所示。

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

2.3 光學檢測模塊

粉塵傳感器的基本構成可以分為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。光學檢測模塊結構如圖4所示。

圖4 光學檢測模塊結構Fig.4 Optical detection module structure

利用光散射法測量顆粒物質量濃度時，其中光學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檢測室，在被測含塵氣體進入到光敏感區時，根據光散射原理，粉塵顆粒會散射入射的激光，通過旋轉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化成電信號，便可得到與粉塵顆粒散射光強相關的電壓信號，對此信號進行處理和計算[4]，并結合一個周期內的粒徑分布，就可以得出粉塵的質量濃度。

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，散射光強度極弱，即使通過精密光學檢測單元收集后，照射到光電轉換器件上產生的電流也只有nA級[5]。本文選用鎖相環放大技術[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 微電路放大器結構Fig.5 Microcircuit amplifier structure

具體光電信號檢測過程：低噪聲預放對含噪信號進行初步放大處理，然后利用濾波器和陷波器對信號進行濾噪處理和信號放大。在測量檢測過程中，容易出現被測信號頻率漂移、不穩定、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，這也是能實現鎖相放大的必要條件。參考信號依次經過觸發電路、移相電路、驅動電路，觸發電路產生方波或其他規則信號，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信號通道進行處理。

3 數據傳輸

為提高遠程監測的效率[8-9]，本文選用GPRS進行數據傳輸。揚塵監測設備通過串口連接到GPRS 數據終端上，然后將數據打成 IP包，再通過GRPS 空中接口接入到GPRS 網絡，最終通過各種網關和路由到達系統數據中心。

4 監控軟件平臺

城市揚塵污染源監管平臺是面向監測人員的操作平臺，相關監測人員可通過此平臺查看城市污染源的實時監測數據，得到污染分析趨勢，并利用遠程控制防塵治理設備進行遠程在線污染治理。

4.1 監管系統主體結構

監管系統主體采用 Browser /Server 3 層系統結構[10-11]，分別由數據層、業務層和表現層構成[12](圖6)。

圖6 城市揚塵污染源監管平臺架構Fig.6 Urban dust pollution source supervision platform architecture

(1)表現層。表現層為監管系統操作用戶提供信息服務，可將系統獲得的監管數據面向用戶可視化顯示，并能實現污染源基本信息數據庫、建設施工單位信息數據庫等數據庫的接口交互[13]。系統操作用戶可通過系統網址登錄系統，根據權限要求查看、查詢監測點污染監測信息，并可根據污染嚴重程度，通過遠程聯動的方式，對監測點現場開展噴霧降塵等治理措施。

(2)業務層。業務層可為監管系統提供功能服務[14]，包括對系統門戶的交互信息提供業務支持、受理和反饋。監管系統能實現網絡地圖、數據采集、數據管理、作業視頻實時顯示、污染物超限抓拍和現場錄制，同時提供單個污染源的污染物動態擴散分布功能，根據用戶選擇可繪制單個污染源的污染物擴散分布圖或者區域污染源擴散分布圖，并對污染物監測數據超標報警、自動回放視頻、識別抓拍違規圖片，實現在線治理功能[13]。

(3)數據層。類似于“數據倉庫”，提供了污染源基本信息、建設施工單位信息數據庫、設備狀態數據庫的各種數據信息、狀態信息和控制信息[15]。

4.2 監控軟件功能

數據層與業務層、表現層共同搭建了城市揚塵污染源監管系統的3 層架構，建立清晰的邏輯層級關系。對應該平臺，構建了污染物實時監測子系統、監管設備信息管理子系統、污染物信息管理子系統、綜合報警子系統、綜合業務管理子系統，各子系統可以實現不同的功能[16]。

(1)污染物實時監測子系統。獲得污染源實時監測數據包括數字數據、圖像數據、揚塵排放超警戒自動抓拍等數據。

(2)城市揚塵監管設備信息管理子系統。系統可實現添加、修改、配置監測設備信息及相關參數，實時查詢設備的工作狀態，同時可保存設備的停電、校準、報警等狀態信息。

(3)監測污染物信息管理子系統。可對監測信息進行分析，提供單個污染源的污染物動態擴散分布，可實現對數據的匯總、查詢、打印、保存。

(4)綜合報警子系統。可對污染源監控數據超標報警，并整理數據，形成滿足用戶需求的污染物超標報警報表。

(5)綜合業務管理子系統。實現對各級管理部門與建設單位、施工單位、監理單位等的工作聯動。

5 結語

針對目前城市大氣污染整理的需求及監管過程中存在的問題，將“互聯網+”和大氣污染監管相結合，設計完成了城市污染源實時在線監測系統，可對大氣污染實時監測，并可進行污染物遠程治理，及時控制污染趨勢，達到揚塵監測與管控的目標。為打好城市大氣污染防治攻堅戰提供了技術手段，促進了環境空氣質量的提升。