尾氣遙感技術在中國的應用綜述

王鑫

尾氣遙感技術在中國的應用綜述

王鑫

（長安大學 汽車學院，陜西 西安 710064）

為探究尾氣遙感技術在中國的應用進展，文章介紹了尾氣遙感技術的基本原理，尾氣遙感監測國內發展狀況與主要遙感監測系統進行介紹分析，并和傳統檢測方法進行對比。尾氣遙感監測能充分發揮大數據的優勢，并且快速安全，是傳統方法的十倍。當發現排污嚴重的車輛，可馬上通過污染監測平臺發現；遙感監測獲取的海量數據，為環境污染治理提供有力支持。工作人員通過遠程操控，減少健康損失。因此對于政府，遙感監測是極好的選擇，提高監測效率且滿足國家治污要求。

遙感監測；尾氣排放；應用對比；監車方法

引言

中國機動車數量不斷增加，據公安部統計，截止2018年末，中國機動車保有量己達3.27億輛[1]。道路交通活動特別是輕型機動車排放污染物對城市地區空氣污染狀況有很大影響，并增加了近道路和當地空氣中超細顆粒物，碳氧化合物、碳氫化合物、硫氧化合物、鉛及氮氧化物等污染物的濃度。導致公眾健康狀況下降。因此加強車輛尾氣排放監測和控制對提高空氣質量與環境保護非常重要[2]。本文介紹了尾氣遙感技術的基本原理，國內發展現狀，中國關于尾氣遙感監測的相關法規。并將尾氣遙感監測與現階段國內采用的主要遙感監測系統進行介紹分析。

1 尾氣遙感監測原理

汽車尾氣遙感監測通過光源向道路對面的光學反光鏡發送紫外光和紅外光，光學反光鏡會將其反射到監測器中。汽車在道路上行駛時要通過這些光束，由于汽車尾氣會吸收光線，從而改變透射光的強度，從而通過對監測器中光強的變化進行監測，對道路行駛的汽車排放的氮氧化物、碳氫化合物和一氧化碳的濃度進行監測。汽車尾氣遙感監測儀主要對汽車尾氣的各相對濃度進行測量，例如NO/CO2，HC/CO2、CO/CO2等。之后再依據一定的公式來進行推導和計算，從而得出尾氣中各種氣體的絕對濃度。因此如果行駛的車輛處于化學計量空燃比燃燒狀態，則能夠取得更好的遙測效果。具體監測原理是基于氣體對于光的受激吸收。被測氣體中穿過一束一定強度的激光，當激光的波長和頻率與被測氣體的吸收譜線中心頻率相同時，激光的光子會被所測量氣體吸收，從而被測氣體的分子會由于能級升高發生躍遷，能級變高，具體原理如圖所示。

遙感技術是利用汽車尾氣中不同組分的特征吸收光譜來反演尾氣濃度。首先光源發射出光強為的光，光束在開放式光路下穿過尾氣并經尾氣吸收后的透射光強變為I，0與I的定量關系可由Lambert Beer定律給出：

式中：為波長；為吸收系數；為相對體積濃度；為有效吸收光程。

如果光程是已知條件，尾氣濃度可以由之前光強變化所確定的吸收強度進行計算，但由于尾氣排出后會在空氣中擴散，且實際光程是無法得到的，所以遙感技術直接測量的是，即煙羽值。計算煙羽值的式子可由式（1）推導出，如下邊式（2）。

在尾氣剛從排氣管排出后，尾氣中各種成分的擴撒速率是近似同步的，光程這一未知量可以通過不同組分的煙羽值相比進行消除，計算方式如式（3）所示，再帶入發動機燃燒方程模型反演尾氣濃度。

2 尾氣遙感監測系統

遙感只能確定車輛尾氣羽流中NO、CO、HC與二氧化碳（CO2）的排放濃度的相對比值，而不能確定尾氣成分的絕對濃度。遙感數據的轉換計算方法可以將排放濃度的相對比值轉換為絕對濃度。尾氣遙感監測系統分為現場采集設備和后期軟件處理兩個部分。其中現場采集設備由車牌識別攝像機、LED顯示屏、反射器、主機、黑煙車視頻識別單元、視頻識別攝像機等組成，監測系統現場示意圖如圖2所示。

圖2 監測系統現場示意圖

監測設備會發出紅外光和紫外光穿過車輛所排出的尾氣在空氣中擴散而形成的煙羽，到達反射板，反射板將紅外光和紫外光反射回激光接受單元。在此過程中，紅外光和紫外光的光強發生變化，當車輛通過監測設備時，排放的尾氣會在空氣中擴散形成煙羽，監測設備中光源發射器發出的光信號在通過尾氣煙羽后強度會發生變化，通過分析激光接收單元接收回歸反射板反射回來的光信號，通過分析差分特征光譜來求得煙羽中各尾氣成分的體積濃度。近紅外特征吸收光譜用來監測碳氧化物（CO與CO2）濃度，紫外差分特征吸收光譜來監測碳氫化物（HC）與氮氧化物（NO）體積濃。由于尾氣煙羽的擴散，導致所監測的污染物體積濃度會偏小[3-4]。監測得到的數據通過網絡上傳到本地的數據管理及通訊系統和環保中心的數據庫來對排放超標用戶進行監控分析。遙感監測系統完整流程圖如圖3所示。

圖3 尾氣遙感監測系統

3 尾氣遙感監測在中國的應用發展

在中國，北京市于2008年使用固定式機動車遙感監測設備。是第一個使用遙感技術進行機動車尾氣監測并出臺遙感監測地方標準的城市。2011年，北京市出臺了《在用柴油汽車排氣煙度測量方法及限值（遙測法）》。繼北京市之后，廣州市于2008年９月11 日，召開廣東省遙感監測地方標準終審會并通過該標準。2009年，廣州市出臺了機動車遙感監測地方標準《在用汽車排氣污染物限值及監測方法（遙測法）》，并應用機動車遙感監測技術開進行路（抽）監執法。國內2017年遙感監測次數是路監次數的18倍，政府有動力推進遙感監測以滿足政策要求。2019年1月，發布了《柴油貨車污染治理行動計劃》。要求在柴油車通行主要路段建設遙感監測點位，并進行國家、省、市三級聯網2020年完成。對于已鋪設完成遙感監測設備路段，“黑尾巴”柴油車將無所遁形。工作人員可通過監測平臺對機動車進行實時監測。遙感監測系統工作界面如下圖4所示。

圖4 遙感監測系統工作界面

4 尾氣遙感監測與傳統檢測對比分析

機動車尾氣測量傳統方法主要為基于排氣管的測量。使用測功機和便攜式排放測量系統（PEMS）進行，優點是測量精確，缺點是無法大規模進行測量，且成本較大，速度也慢。其中測功機主要在汽車監測站中大量使用，而PEMS由于設備昂貴，目前主要在實驗室中使用。用于測量實際道路中機動車的排放因子，以及機動車污染物的主要影響因素[5]，PEMS檢測系統如下圖5所示。

采用遙感技術的遙感監測設備最大的優點是測量速度快，是傳統測功機測量的10倍以上。但是由于尾氣煙羽擴散稀釋導致尾氣的不透光度有很大的不確定性，且光程未知，只能檢測得到相對濃度，測量不精確，無法真實地反映車輛的顆粒物排放水平[6]。因此，尾氣的遙感監測適用于大規模快速檢測場景。

圖5 PEMS檢測系統

5 總結展望

本文對遙感監測的原理，遙感監測系統進行了詳細介紹。對國內尾氣遙感的發展進行簡單調研，我國在柴油車出沒路段大量鋪設遙感監測站點，排污嚴重車輛將會被實時警告和整改，有利于改善交通污染排放狀況。通過簡單對比傳統檢測方法與遙感法。發現遙感監測其檢測速度快，但準確性差，可通過同一車輛的多次遙測檢測結果的平均值作為最終結果來判斷被測車輛的排放情況。由于其快速安全，且所需操作人員少，且能提供大量污染數據，成為政府，目前去監測尾氣的最佳選擇。

[1] 劉雯月.車內微環境超細顆粒物濃度變化及預測研究[D].西安:長安大學,2019.

[2] 黃子龍,張文閣,余學春,等.遙感技術在汽車尾氣顆粒物監測中的應用研究[J].中國計量,2019,281(4): 66-68.

[3] 郭華芳,曾君,胡躍明,等.基于可調二極管激光技術的汽車尾氣遙感監測系統[J].環境污染治理技術與設備,2005(8): 91-94.

[4] 張強.基于遙感監測數據的機動車尾氣排放估計算法研究[D].合肥:中國科學技術大學, 2019.

[5] Yang Wang,Zhenyu Xing,Shuhui Zhao.Are Emissions of Black Carbon From Gasoline Vehicles Overestimated? Real-time, in Situ Measurement of Black Carbon Emission Factors[J].Science of the Total Environment,2016,547:422-428.

[6] 張英良.西安市在用機動車遙感監測排放限值標準的研究[D].西安:西安工程大學,2017.

Application of Exhaust Remote Sensing Technology in China

WANG Xin

( School of Automobile, Chang'an University, Shaanxi Xi'an 710064 )

In order to explore the application progress of remote sensing technology for exhaust gas in China, this paper introduces the basic principle of remote sensing technology for exhaust gas, the development status in China, and the relevant laws and regulations for remote sensing monitoring of exhaust gas in China. The remote sensing monitoring of exhaust gas and the main remote sensing monitoring system used in China at present are introduced and analyzed. Remote sensing of exhaust gas can give full play to the advantages of big data, and it is ten times faster and safer than traditional methods. When the vehicle with serious pollution is found, it can be found immediately through the pollution detection platform; Massive data obtained by remote sensing detection provides strong support for environmental pollution control. The staff can reduce the loss of health through remote control. Therefore, remote sensing monitoring is an excellent choice for the government to improve detection efficiency and meet the national pollution control requirements.

Remote sensing monitoring; Automobile exhaust pollution; Application contrast; Inspection car method

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.021.057

U471.22

A

1671-7988(2021)21-215-03

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1671-7988(2021)21-215-03

王鑫（1994—），男，碩士研究生，就讀于長安大學汽車學院，研究方向：載運工具運用工程。