過境柴油車不透光煙度遙感測量方法研究

汪 鋒,張 濤,郭曉霞,張金永,侯艷霞

(天津同陽科技發展有限公司，天津 300384 )

1 引言

機動車排放已成為我國空氣污染[1]的重要來源之一，是造成細顆粒物[2]、光化學煙霧[3]污染的重要原因。

《中國機動車環境管理年報(2018)》顯示，北京地區移動排放源[4]對顆粒物濃度[5]貢獻上升到45%。在機動車污染中，柴油車[6]和非道路移動源[7]排放問題最突出，占汽車保有量7.8%的柴油貨車，排放了77.8%的顆粒物(PM)，由此可見，搞好汽車尾氣排放污染防治，柴油車的排放管控至關重要；而柴油車的尾氣排放防治中，中型、重型貨車和大型客車的尾氣排放[8]管控是重中之重。

柴油車多為貨車，車輛長度區間大，載貨[9]與空載[10]對污染物排放的影響大；其排氣管位置多樣，其中很大一部分并不露出車體，隱藏在車底中部或中前部；其排氣方向分為側向排氣和水平向下排氣。這些因素給柴油車的遙感測量[11，12]帶來了非常大的麻煩。

本文提出一種過境柴油車不透光煙度[13]遙感測量方法，通過軟硬件的協調，解決過境柴油車測量效率[14]、測量精度[15]等問題。

2 方案與方法

2.1 當前現狀

當前過境柴油車基本上都是采用人工接觸式檢測，對機動車排氣管采樣，通過儀器分析得出檢測數據，這種檢測方式普遍存在以下問題：

(1)檢測效率低：每輛車的檢測時間在3～5 min。

(2)車輛易擁堵：因為檢測需要一定時間,所以會造成車輛擁堵問題。

(3)人員配置多：每個檢測點位需要多名檢測人員，協同操作，才能完成測量。

(4)測量較困難：車輛尾氣排口的位置不固定，傳統的遙感檢測設備從技術原理上決定了無法實現對排氣口不統一的大型車輛尾氣的檢測，同時，手持式設備造成檢測人員操作不便。

(5)身體危害：檢測人員直接接觸機動車尾氣，會對身體健康造成傷害。

2.2 系統方案

本文結合現場實際情況，給出一種新的過境柴油車不透光煙度遙感測量方法。目標是建立新型的“高排放柴油車遙感篩查執法檢測站”，改變原有將遙感檢測設備安裝在馬路上進行檢測的方式，采用“遙感執法檢測站”檢測、篩查、分流、處理的一體化設計方案，克服了原有遙感檢測方法“忽視”高排放柴油車檢測的缺點，通過遙感檢測裝置篩查高排放車輛，通過人工檢測對篩查出的超標車輛進行處理，全自動化檢測、篩查、分流、處理，充分發揮遙感檢測快速高效與人工檢測現場執法處理的優點，實現對大型/重型柴油貨車和客車尾氣排放有效管控的目標。整體系統如圖1所示。

圖1 遙感檢測系統

在具體的實施過程中，在過境站點處建設一定角度的坡度，以模擬柴油車踩油門狀態，在坡度的合適位置建立矩陣式柴油車尾氣遙感檢測儀，采集柴油車加速狀況下排出的煙氣。考慮到過境站點一般遠離市區，環境比較惡劣，在檢測點處加裝蜂窩遮陽防風矩陣，以消除環境因素的干擾。參考示意見圖2～4。

圖2 現場路況及設備架設示意

2.3 計算方法

數據采集主要由光電二極管組成，其主要接收來自遙測輔機端的光度值。采集24個光電二極管輸出的電流值，準換成電壓值，并進行均值濾波，線性校正。

圖3 現場坡道示意

圖4 現場遮陽蜂窩矩陣示意

每個光電二極管電流值轉換成電壓值的過程中，受到激光的均勻度，采樣電阻的精度、放大電路的精度等各種因素的綜合影響，導致每一路的數值都不一致、為了減少這種不一致性的影響，采用了數據歸一化處理。這樣處理后，數據反應的是每個光電二極管光度值變化的百分比。

入射最大光度值=環境光度值+激光光度值。

在設備進行光度矯正時，分別測量環境光度值和入射最大光度值，并計算出環境光度占入射最大光度值的百分比，和激光光度的百分比，即激光的透光率。

環境光占比=(環境光度值/入射最大光度值)%。

激光光占比=(1-環境光占比)%。

實時測量光度時，計算出實時入射光度值的變化百分比，再計算出入射激光的實時激光透光率。

實時激光透光率=實時入射光度值/入射最大光度值×激光光占比。

每次使用測量裝置前都要進行光度設置，設定入射最大光度值，環境光度占比。在使用過程中，由于環境光強弱的變化，假設激光光度保持不變，在測量過程中要對環境光度占比進行修正。

數據分析模塊將上述過程進行匯總，判斷車輛經過、遮擋、車輪、煙團位置等詳細信息。

前端主控根據收到的信息，將車型、尾氣煙團位置等在軟件上展示處理，并輔以判斷煙團濃度是否位于對應車型的排氣管處。圖5是數據采集和分析模塊對采集到的數據進行處理后的波形圖，從圖5中可以看出：車輛輪廓是6排輪車輛，煙團吸收位于第二和第三排車輪后(圖中波形吸收處)。根據此波形圖繪制的車型如圖6所示，此車型尾氣管確實位于第二排輪之后，排煙最大應在第二和第三排輪之間，和實際相符。

圖5 數據采集示意

圖6 車輛輪廓

3 結果與討論

針對上述方法，考慮對遙感測量的不透光煙度與手持式不透光計測量的光吸收系數做一個對比。在國家標準中，針對柴油車測量不透光煙度>30%屬于超標，而光吸收系數則是>1.1則判斷為超標。

選擇15 d的遙感測量數據，篩選出不透光煙度>30%的車輛進行手工不透光煙度計復檢，看光吸收系數是否>1.1，以此評價復檢不合格率；同時從遙測合格的車輛中每天抽檢20輛，用手工不透光煙度計測量光吸收系數是否超標看誤檢率。

以實際某一個過境柴油車站點為例的數據對比如表1所示。

表1 某過境柴油車站點數據

4 結論

本文提出了一種過境柴油車不透光煙度遙感測量方法，通過增加坡度、蜂窩遮陽矩陣、矩陣式遙感檢測設備，再通過算法優化，提取出車輛輪廓圖、車輛尾氣濃度排放位置等信息，綜合判斷柴油車是否超標。

通過實際數據對比可知，目前遙感檢測方式測量不透光煙度和手工不透光煙度計測量光吸收相關性還不是非常高。遙感檢測不透光煙度大于30%且手工不透光煙度計測量光吸收大于1.1的吻合率只有37.8%。

但從另外一個指標漏檢率來評判，遙測中合格車輛抽檢，是否存在超標車輛，本文提出的方法可以控制漏檢率在4.3%。

綜合以上，遙感檢測可以達到一定程度的篩查目的，減少現場人員工作量、提高工作效率、降低工作人員的身體傷害等。