散貨港口粉塵智能監測與聯動控制技術

龐坤

摘要：散貨港口粉塵智能監測與聯動控制技術，包括“1+N”粉塵智能監測、粉塵精準控制運算模型和粉塵智能化控制系統。通過“1+N”的監測系統實現粉塵全域網格化實時動態監測。粉塵精準控制運算模型是通過大數據統計劃定網格區域內加權粉塵濃度，利用高斯擴散模式的反推模式計算得到無組織排放源的源強，根據矩陣模型得到每個網格源強對于檢測濃度高值點位的貢獻率，對比網格矩陣對該次污染過程的貢獻率大小實現高排放的智能識別。粉塵智能控制系統是基于粉塵精準控制運算模型開發出的智能聯動控制軟件，通過生產指揮中心智能控制堆場噴槍，實現粉塵智能控制，通過監測數據實現粉塵超標預警。

1.前言

交通運輸是國民經濟的基礎設施和基礎產業。港口作為世界貨物運輸的重要樞紐，是世界經濟增長的重要推動力。但隨著港口的發展，不可避免的帶來環境污染問題。如粉塵污染問題已經成為散貨港口不可忽視的主要環境問題。

隨著我國經濟的快速發展，散貨港口的裝卸品種及吞吐量不斷增加，港口散貨的揚塵污染日益嚴重。散貨港口粉塵污染已經成為港口城市空氣污染的重要來源，顆粒物濃度嚴重超標，霧霾頻發，已經嚴重影響了港區工作人員及周邊住戶的健康、工作和生活，散貨港口的粉塵污染帶來健康損壞、環境破環及作業效率降低等一系列問題。這與2019年中央提出的“堅決打贏三大攻堅戰，決勝全面建成小康社會”不符，污染防治攻堅戰作為重要一戰，重點是打贏藍天保衛戰，要使主要污染物排放總量大幅減少。這就需要散貨港口做好粉塵污染防治工作，從源頭著手，以防為主，“防”“除”相結合，力爭把散貨港口的粉塵污染降到最低，建立綠色港口。

《中華人民共和國環境保護稅法》的正式實施，要求散貨港口按規定按其大氣污染物（散貨粉塵）排放量進行交稅。在該稅法第十條中規定“應稅大氣污染物的排放量的排序第一的計算方法為：納稅人安裝使用符合國家規定和監測規范的污染物自動監測設備的，按照污染物自動監測數據計算;”且在第十三條中給出相關的減稅政策“納稅人排放應稅大氣污染物或者水污染物的濃度值低于國家和地方規定的污染物排放標準百分之三十的，減按百分之七十五征收環境保護稅。納稅人排放應稅大氣污染物或者水污染物的濃度值低于國家和地方規定的污染物排放標準百分之五十的，減按百分之五十征收環境保護稅。”隨著該稅法的推行，在國內散貨港口掀起了新一輪的粉塵治理技改高潮，港口運營方開始更關注于粉塵污染治理的實效如粉塵污染監測濃度的下降。要嚴格控制大氣污染物的排放，必須要具備有效的監測措施。

散貨港口粉塵污染問題自散貨港口建立之初就存在，是全球性的問題，國內外研究人員經過長期的不懈努力，對散貨港口的粉塵監測技術和除塵技術進行了大量研究，已經有較多方案可供企業選擇。然而，我國大部分散貨港口的粉塵污染依然嚴峻，究其原因，主要是現有的粉塵污染監測與控制技術不適用，沒有科學完善的粉塵污染監測控制體系，粉塵監測和控制技術和管理還是粗放式和非標準化的，需要人工干預、人力清理的地方非常多，不能滿足未來散貨港口智能化、無人化的需求，隨著國家及人們對環境關注度越來越高，必然對環境質量要求也越來越高。因此，散貨港口粉塵智能監測與聯動控制技術的研究迫在眉睫。

2.國內外研究現狀分析

（1）散貨港口粉塵監測國內外研究現狀

通常測量的粉塵顆粒濃度分成兩種表示方法：數量濃度和質量濃度。數量濃度為單位體積里氣溶膠中含有粉塵顆粒的數量。質量濃度為單位體積內的氣溶膠中粉塵的質量。到目前為止，人類已經發展出了多種測量粉塵濃度的方法，雖然這些方法各有不同，但從基本原理上來區分，仍然可以將它們歸結為兩大類：取樣法和非取樣法。

國外有代表性的產品為英國的Simslin系列監測儀以及其升級產品OSIRIS粉塵傳感器和計算機粉塵監測系統;德國丁達爾公司生產的TM系列粉塵儀;俄羅斯研制的π-101型自動測塵儀;日本柴田 LV-5E、P5系列微電腦粉塵儀;美國研制的RAM系列實時粉塵監測儀、粉塵雷達和Auburn公司生產的3400型粉塵監測儀。其中Simslin 系列監測儀、TM系列粉塵儀、LV-5E、P5系列微電腦粉塵儀采用光散射法，π-101型自動測塵儀采用光吸收法，3400型粉塵監測儀采用摩擦電法測量粉塵濃度。國內粉塵濃度監測技術的發展較晚，但最近幾年也有所進展：一是逐步向連續監測發展，二是向多點連續監測發展，三是向遠距離大面積連續監測發展。

（2）散貨港口粉塵控制技術國內外研究現狀

近年來，各種智能傳感器和物聯網的發展為粉塵智能化監測提供了技術條件。基于粉塵監測的控制技術研究和應用成為發展的新趨勢。目前一般專業化散貨港口的港機作業與作業粉塵控制設備進行了聯動控制。以部分港口翻車機翻車作業為例，翻車作業前30秒啟動噴霧或噴淋裝置，翻車作業完成后30秒停止噴霧或噴淋裝置。但基于粉塵濃度監測的港機粉塵控制設備聯動的研究和應用還較少，且基本為針對局部作業流程或者單機的控制方面。散貨港口產塵點多，涉及靜態堆存，動態作業和道路揚塵等，動態作業又包括翻車作業、卸料作業、堆料作業、轉運作業和裝船作業等多個作業工藝。如果僅針對某個作業環節進行抑塵，往往事倍功半，港區的整體抑塵效果仍然較差，達不到粉塵控制的整體目標。

從粉塵控制手段方面來看，J.Faschingleitner等針對散貨固體在輸送過程中的揚塵問題，提出了一種封閉的水噴霧系統來抑制最主要和次要的粉塵。王丹等歸納總結了散貨堆場防塵措施，該措施又分為濕法、干法、干濕結合、機械物理、生態方法等五種型式，其在分析了國內港口防塵現狀的基礎上，進一步提出了適宜于散貨堆場的抑塵集成技術。Ding等針對煤礦中煤塵的防塵抑塵問題，研究了磁化表面活性劑的除塵性能，對不同濃度表面活性劑的除塵效果進行分析研究。Wang等針對地下煤礦的除塵問題設計了一種新型泡沫發生器除塵系統，并通過實驗證明了其有效性。

然而，目前的很多研究多重視單一環節，沒有系統研究港口全過程的粉塵綜合治理，這種治理離不開各個環節的協同，尤其是粉塵監測和控制兩個過程的協同。

因此，本研究正是根據國內外研究的缺失，開展散貨港口粉塵智能化監測與控制技術研究，將粉塵監測數據與粉塵控制技術進行關聯，實現散貨港口粉塵的全區域網格化實時監測、預警和控制，對于散貨港口及周邊空氣環境質量提升，保衛港口城市藍天白云具有重要意義。

3.散貨港口粉塵智能監測與聯動控制技術

（1）“1+N”散貨港口粉塵智能監測技術

散貨港口粉塵實時動態監測要求實時反映港口區域粉塵濃度及其分布情況，因此提出了“1+N”散貨港口粉塵智能監測技術。“1+N”技術指的是1套激光雷達粉塵污染物監測設備配合N套場內布設的光散法或β射線法粉塵在線監測儀。其中，1套激光雷達設備通過激光與顆粒物和氣態分子相互作用后產生散射光來獲取不同高度處污染物的濃度分布信息，再利用N套場內分布的粉塵在線監測儀進行濃度標定。由于激光雷達粉塵污染物監測設備對粉塵的測定是定性/半定量的，因此需要粉塵監測儀進行定點標定。通過“1+N”的組合，可實現實時反映港口區域粉塵濃度及其分布情況的需求。

“1+N”粉塵智能監測方案與港口現有粉塵監測系統相比，其優勢在于：可直觀實時反映場界內粉塵濃度;可摸清堆場起塵點及起塵規律;可實時反映堆場邊界濃度，有效反映是否環保達標排放;還可直觀反映是否有場界外粉塵遷移入場，其濃度幾何。

激光雷達粉塵污染源監測技術，簡稱“粉塵雷達”技術。其監測原理為：“粉塵雷達”如激光探針一樣，通過不斷向大氣中發射激光束，掃描大氣中的信息，通過與顆粒物和氣態分子相互作用后產生散射光來獲取不同高度處污染物的濃度分布信息。該技術無需在堆場內大量布點，港口區只需一臺儀器就可滿足粉塵監測的全區域覆蓋效果，是現有港口粉塵監測技術中最優的選擇，相比其他布點監測方案具有巨大的優勢。

粉塵雷達與粉塵在線監測儀的“1+N”智能監測技術，是按照如下功能實現的：一、利用顆粒物激光雷達實現對散貨港口區域監測掃描的全覆蓋;顆粒物激光雷達安裝于港區內的制高點，進行定時循環掃描;顆粒物激光雷達掃描后得到覆蓋散貨港口全域的消光系數;消光系數發送回中心服務器，同樣用于對數據的統一處理和分析。二、中心服務器用于接收、處理、分析和存儲粉塵濃度數據，并通過顯示界面展示散貨港口每一個周期的粉塵監測結果。三、設定粉塵在線監測儀的位置具體坐標為（x，y），其任一時刻監測到的粉塵濃度數據為Qt，在同一時刻，通過所述顆粒物激光雷達監測到的，坐標為（x，y）處的消光系數為Et，中心服務器利用以下公式計算得到消光系數和粉塵濃度數據的折算系數αt：中心服務器利用計算得到的折算系數αt乘以該時刻所有位置的消光系數，既可以得到該時刻散貨港口全場所有位置的粉塵濃度數據。四、中心服務器將某時刻全場所有位置的粉塵濃度數據加載于散貨港口的地圖底圖之上，得到該時刻該散貨港口粉塵濃度分布的云圖。

（2）“粉塵濃度-核心影響因素-精準控制決策模型

粉塵監測與智能控制聯動的核心是要精準定位起塵區域，污染的源頭追蹤一直是學術界研究的重點，通過對粉塵污染的溯源，找到真正造成污染的元兇，科學的、有針對性的、有的放矢的從源頭來治理粉塵污染。現階段主要的細顆粒物的溯源方法主要有三種方法，其中包括源排放清單法、受體模型法和擴散模型法。

源排放清單法，顧名思義就是要獲取到監測區域所有污染源的排放數據。整個方法結果簡單明了，但主要問題在污染源清單的獲取和數據庫的創建中，由于監測區域空氣污染物的開放性，使得前期排放清單的獲取難度過大，數據不夠完全（外來污染物的擴散），另外由于活動水平資料的不全面，排放因子難以確定，使得準確的數據庫創建難度過大。

受體模型法主要應用監測點的監測信息，通過物理化學計算模型反推出細顆粒物的主要來源。受體模型法是應用較早的源分析方法，而且是現階段國內外在科學研究方面應用較多的分析方法。但受體模型方法并不適用于快速溯源過程。

擴散模型法，是基于監測數據與氣象學空氣模型把污染物在空氣中的擴散，物理化學變化通過數學模型的方式創建出來，通過監測點的貢獻值大小來判斷主要污染源。首先擴散模型法不僅可以獲取到監測點位的污染源解析情況，并且可以獲取到整個監測范圍內的污染物擴散情況。第二方面，由于還原了整個監測空間污染物的擴散過程，所以對分辨出本地和外來污染源。第三方面，通過還原出的擴散模型對粉塵污染控制具有指導意義。

利用擴散模型法開展起塵點溯源的計算過程中，前提假設是：每個網格內的面源污染都可被視為中心點源，利用高斯擴散模式的反推模式可計算得到無組織排放源的源強Q，根據矩陣模型得到每個網格源強對于檢測濃度高值點位的貢獻率aij，對比網格矩陣對該次污染過程的貢獻率aij大小;設定貢獻率閾值，aij超過的閾值網格啟動噴槍，實現網格化精準控制。而網格化劃分的過程主要包括：將每個噴槍的控制區域范圍，其落入網格中，根據噴淋的控制區域范圍，劃分監測系統的監測網格片區，粉塵雷達設定為對每個監測網格進行監測，智能統計每個網格區域內加權粉塵濃度，根據網格區的平均粉塵濃度分布情況結合氣象數據，根據相應的底層算法得到粉塵控制決策依據。

（3）粉塵智能監測與聯動控制系統平臺

系統架構主要由三部分內容組成：粉塵智能化監測、粉塵精準控制運算模型和粉塵智能控制系統。

一、粉塵智能化監測是通過“1+N”的監測系統實現，其中激光雷達粉塵監測系統用于區域監測，粉塵在線監測儀用于場界監測和場內分散點位監測。粉塵在線監測儀共用于激光雷達的定量化標定。此套監測系統能夠實現港口區域監測的全覆蓋效果。

二、粉塵精準控制運算模型是通過智能統計劃定網格區域內加權粉塵濃度，利用高斯擴散模式的反推模式計算得到無組織排放源的源強，根據矩陣模型得到每個網格源強對于檢測濃度高值點位的貢獻率，對比網格矩陣對該次污染過程的貢獻率大小實現高排放的智能識別。

三、粉塵智能控制系統是基于粉塵精準控制運算模型開發出的智能聯動控制軟件，可聯動二級泵房、控制泵房，通過生產調水中心智能控制堆場噴槍，實現粉塵智能控制，通過監測數據實現粉塵超標預警。

4.結論

粉塵智能監測和聯動控制技術及其系統，其監測范圍可實現散貨碼頭區域全覆蓋，監測指標為TSP、PM10和PM2.5，監測系統能實時反映碼頭區域粉塵濃度分布情況。系統可實現監測與控制聯動，能結合氣象參數、粉塵濃度和地理位置信息智能判斷堆場內起塵位置，能根據判斷出的起塵位置自動啟動相關區域噴淋設施，可根據堆場不同作業情況智能控制噴淋設施，可根據氣象、環境等因素做出算法修正。通過軟件平臺可實時查詢碼頭各位置粉塵濃度分布，并可對粉塵濃度即將超標區域進行濃度預警。

系統可保證碼頭粉塵防治的全面性和整體性;提高環境效果，提高環保效率，減輕工人勞動強度;在有效除塵的同時，使水資源利用率達到最大化，節約抑塵用水。

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國能（天津）港務有限責任公司