大型自然通風奶牛舍空氣顆粒物濃度監測方法中采樣間隔優化

魯煜建 ，方志偉 ，李永振 ，梁 超 ,3，施正香 ,3，王朝元 ,3※

（1. 中國農業大學水利與土木工程學院,北京 100083；2. 農業農村部設施農業工程重點試驗室,北京 100083；3. 北京市畜禽健康養殖環境工程技術研究中心,北京 100083）

0 引言

規?；膛ｐB殖產生的顆粒物會引起奶牛以及牧場工作人員的呼吸道疾病，污染周邊居民的生活環境[1-2]。MITCHELL 等[3]監測得到奶牛場的顆粒物濃度水平已經超出了引起呼吸道疾病的顆粒物濃度閾值。近年來，中國奶牛場規?；壤粩嗌?，以開放式和半開放式建筑類型為主的大型奶牛場勢必會產生和排放大量顆粒物，加劇對人和動物的健康危害和環境污染等問題。因此，采用科學的監測方法對奶牛舍顆粒物濃度進行精準監測是牛舍環境調控和評估的重要保證[4]。在空間較大的自然通風奶牛舍內，顆粒物濃度測量結果的準確性除了與采樣點的位置與數量有關外，還會受到采樣間隔的影響[5]。

目前，多數研究采用間歇式的測量方法對奶牛舍顆粒物濃度進行檢測，即在一個季節或數個季節的檢測活動中，連續測量一周作為該季節的顆粒物濃度均值[6]，或者用一天中早、中、晚部分時段測量的平均值代表該日的顆粒物濃度水平，采樣間隔通常在1 h 到6 h 不等[7-9]。周英昊等[9]將每日早（07:00-09:00）、中（12:00-14:00）、晚（18:00-20:00）三次測量的均值作為當天的牛舍顆粒物濃度。這種間歇性測量方法的采樣間隔多根據經驗確定，雖然可操作性強，但受到季節和日變化規律的影響，通常無法準確反映顆粒物真實濃度水平。研究表明，奶牛舍內顆粒物濃度因受環境調控措施等影響，一般呈現季節性變化規律，且日變化總體呈現白天波動大、夜間平穩的特征[10-11]。除了間歇式采樣，部分研究采用連續性的測量方法，WINKEL 等[10,12]選取了1 s 的采樣間隔對自然通風奶牛舍的顆粒物濃度進行連續監測。過高的采樣頻率盡管能夠較好的反映顆粒物濃度波動情況，但也會帶來數據冗余，增大粗大誤差引入的風險和傳感器的工作負荷等。

近年來，傳感器和物聯網技術的快速發展為最大限度的獲取環境參數的真實水平提供了新方法。與此同時，傳感器監測方法優化的研究也不斷得到重視，其中誤差分析是一種常用的優化方法，即通過比較不同采樣方式下被測試數據與真值間的誤差確定最優的監測方法。基于物聯網環境在線監測系統，以17 個采樣點的5 min 連續測量結果為真值，李永振等[13]采用系統聚類和誤差分析的方法對自然通風奶牛舍內顆粒物監測設備的布點位置和數量進行了優化，在保證監測結果準確性的前提下降低了設備成本投入。YEO 等[14]采用誤差分析法探究能夠代表整棟豬舍溫度的最佳傳感器布點位置。目前，多數研究以優化采樣點位置和數量為主，對采樣間隔優化的研究鮮有報道?；谡`差分析方法，ULENS 等[15]和BJERG 等[16]分別對豬舍氨氣排放和奶牛舍甲烷濃度檢測的合理采樣時間和采樣間隔進行了研究，但二者一方面缺乏對不同采樣間隔下小時均值、日均值的系統探究；另一方面，相較于氣體，畜禽舍內的顆粒物來源更廣，影響因素更多，變化更加復雜[17]。JOO 等[12]的監測結果顯示，牛舍內顆粒物與污染氣體濃度呈現出不同的日變化規律。宋卿卿等[18]以10 s 采樣間隔獲取的暴露結果為基準值，探討了不同采樣間隔下（30 s 和1、5、10、30、60 min）細顆粒物個體暴露結果與基準值的變異率，確定最優采樣間隔為10 min，但畜禽舍內顆粒物環境與大氣和人居環境相差較大，二者不具有可比性。

本研究通過在自然通風奶牛舍內構建物聯網顆粒物濃度在線監測系統，以多點、長期的高頻率監測結果為真值，采用誤差分析的方法，確定秋冬季節奶牛舍顆粒物濃度日均值和小時均值的合理采樣間隔。

1 材料與方法

1.1 試驗奶牛舍基本信息與日常生產管理操作

試驗于2021 年9 月至2022 年3 月在江蘇省鹽城市某規模化奶牛場的1 棟自然通風泌乳奶牛舍中進行。如圖1 所示，試驗牛舍共飼養荷斯坦奶牛約1 200 頭，牛舍采用4 列散欄臥床對頭布置，舍內共有2 段擠奶通道，將牛舍均分為3 個相對獨立的飼養區域（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ），各區域間奶牛數量與飼養管理相同。牛舍尺寸為750 m（長）× 30 m（寬）× 4 m（檐高），采用雙坡可活動屋面和鐘樓屋頂的建筑結構，屋脊東西走向。

圖1 試驗奶牛舍與顆粒物濃度采樣點布置Fig.1 The experimental dairy barn and layout of particulate matter concentration sampling points

日常生產管理操作上，奶牛臥床與飼喂通道上方布置擾流風機，頸夾上方布置噴淋裝置，根據牛舍內的溫度變化狀況對風機和噴淋裝置進行調控。每日05:00-07:00、13:00-15:00、21:00-23:00 擠奶，期間進行喂料、推料、清糞、牛床墊料更換等操作。

1.2 監測設備

基于物聯網的奶牛舍顆粒物濃度在線監測系統主要由監測設備、網絡傳輸和云平臺構成。監測設備PCMU（particulate concentration monitoring unit）主要由單片機、TSP（SDS198，諾方電子技術有限公司，河南）、PM2.5（PMSX003N，攀滕科技有限公司，北京）傳感器、時鐘模塊等組成。TSP 傳感器的量程為0～20 000 μg/m3，靈敏度為1 μg/m3，精度為±30 μg/m3，功耗0.35 W；PM2.5傳感器的量程為0～500 μg/m3，靈敏度為1 μg/m3，精度為±10 μg/m3，功耗1.5 W。二者均采用激光散射原理進行測量。監測設備的采樣頻率為1 min,每5 min 將TSP和PM2.5濃度均值通過4 G 網絡自動上傳云平臺并存儲至數據庫。

1.3 布點位置

如圖1 所示，在借鑒文獻[10-12]對于奶牛舍環境監測布點方法的基礎上，兼顧不同功能區可能產生的顆粒物濃度差異，在試驗牛舍的3 個區域內共布置了17 個顆粒物濃度監測設備，即區域Ⅰ內的5 點（P1～P5），區域Ⅱ內的6 點（P6～P11）和區域Ⅲ內的6 點（P12～P17）。其中，P3 采樣點位于屋頂通風口下方，P6 和P11位于擠奶通道，P7 和P10 位于飼喂通道，P8 和P9 分別位于采食通道和清糞通道，其余采樣點均位于臥床上方。除屋頂通風口下方采樣高度為距離地面9.0 m外，其他測點高度均為2.5 m（奶牛身高1.5 m，奶牛臥床上邊緣距離地面1.2 m）。

1.4 相對誤差及其分布情況計算

本研究將牛舍內17 個采樣點的5 min 連續測量結果的平均濃度視為整棟舍的顆粒物濃度“真值”，5 min 是監測設備上傳數據的最高頻率。首先分別計算不同采樣間隔下顆粒物濃度每日的平均值（日均值）和每小時的平均值（小時均值）與真值的相對誤差（Er），計算見式（1），隨后統計所有Er值在5%和10%范圍內的占比。依據奶牛舍顆粒物濃度現場采樣精度的不同需求，借鑒生物分析檢測中的可接受標準，當相對誤差占比大于66.7%時，則認為該采樣間隔在5%或10%的范圍內可接受[19]，否則視為不可接受。

式中Er為不同采樣間隔下顆粒物濃度日均值或小時均值與真值的相對誤差，%，Ct為不同采樣間隔下顆粒物濃度日均值或小時均值，μg/m3；Cr為17 個采樣點的日均值或小時均值，μg/m3。

日均值和小時均值的采樣間隔優化是基于秋季和冬季所有的測量數據。采樣間隔的選擇借鑒了前人研究中的常用設定[6-9]。在日均值采樣間隔優化上，計算了30 min 和1、2、3、6、12 h 采樣間隔下秋冬季節顆粒物濃度日均值與真值的相對誤差占比情況。在小時均值采樣間隔優化上，根據牛舍日常生產管理操作將全天劃分為白天（05:00-23:00）與夜間（23:00-05:00），計算了10、15、20、30 min 和1 h 采樣間隔下白天與夜間顆粒物濃度的小時均值與真值的相對誤差占比。此外，考慮到生產管理操作，如清糞、喂料等會導致顆粒物濃度升高和波動增加，對奶牛與工作人員的健康產生影響[20]，本文計算了生產管理操作期間（05:00-07:00、13:00-15:00、21:00-23:00）顆粒物濃度的小時均值與真值的相對誤差占比。

1.5 數據處理與分析

數據清洗可以保證分析數據的可靠性，主要包括：剔除超出傳感器量程的數據，利用箱型圖剔除由于設備損壞、受擾動等導致的粗大誤差。此外，因為污染天氣（例如霧霾天等）會對舍內顆粒物濃度產生顯著影響，研究表明，當空氣質量指數（air quality index，AQI）大于100 時，畜禽舍內的顆粒物濃度會受到舍外顆粒物濃度的影響[21]，因此刪除該部分數據。清洗后的數據通過重采樣方式得到日均值和小時均值。采用克魯斯卡爾-沃利斯檢驗(K-W 檢驗)的非參數檢驗方法進行顯著性分析可知，P＜0.05。采用Python（3.7）軟件對數據進行處理、分析和畫圖。

2 結果與分析

2.1 顆粒物濃度日均值的采樣間隔優化

為便于展示不同季節的顆粒物日均濃度的變化情況，以秋季10 月和冬季12 月為例，圖2 展示了不同采樣間隔（5、30 min 和1、2、3、6、12 h）下的TSP 和 PM2.5日均濃度的變化規律?？傮w而言，秋季和冬季奶牛舍TSP 和PM2.5濃度日均值及其變化存在較大的差異，但在同一季節內，不同采樣間隔下TSP 和PM2.5濃度與真值呈現出相似的變化規律。隨著采樣間隔的增加，顆粒物濃度與真值的偏差逐漸增大。例如，在10 月份，當采樣間隔為30 min 和1、2、3 h 時，TSP 與PM2.5日均濃度與真值的變化趨勢接近，當采樣間隔擴大至6 h 和12 h時，TSP 與PM2.5的日均濃度分別為108.7、56.3 μg/m3和104.2、50.3 μg/m3，與5 min 采樣間隔下的真值（TSP:115.8 μg/m3、PM2.5：57.6 μg/m3）間呈現顯著偏差（P＜0.05）。此外，相較于TSP，秋冬季節不同采樣間隔下，PM2.5濃度與真值的變化趨勢更加接近。這可能是因為牛舍內PM2.5主要來自于奶牛糞便、飼料等，大部分時間內濃度都處于比較穩定的狀態，而TSP 的來源更廣、影響其濃度波動的因素更多，因此受采樣間隔的影響更大[22]。LU 等[20]的研究中同樣發現牛舍內TSP 濃度的波動較PM2.5更大。

圖2 不同采樣間隔下10 月和12 月的總懸浮顆粒物（TSP）和PM2.5 日均濃度變化規律Fig.2 The change of daily average total suspended particulate (TSP) and PM2.5 concentrations under varied sampling interval in October and December

綜上所述，在秋冬季節將顆粒物濃度采樣間隔延長到30 min 至3 h 時，測量的TSP 和PM2.5濃度能較好反映在該季節下自然通風奶牛舍顆粒物濃度日均值的變化趨勢。但是，如果要更加準確的測定牛舍內顆粒物日均濃度值，則需要對不同采樣間隔下顆粒物濃度日均值的誤差進行量化，以衡量不同采樣間隔可能帶來的不確定性。

表1 和表2 分別展示了不同采樣間隔下（30 min 和1、2、3、6、12 h）秋季和冬季TSP 和PM2.5日均濃度與真值的相對誤差在5%和10%范圍內的占比。由表1和表2 可知，秋冬季節TSP 和PM2.5日均濃度的相對誤差在5%和10%范圍內的占比均隨著采樣間隔的增大而減小。在5%的相對誤差允許范圍內，秋季和冬季TSP日均濃度的最大可接受采樣間隔分別為2 h（秋季）和1 h（冬季），而PM2.5的最大可接受采樣間隔分別為3 h（秋季）和1 h（冬季）。

表1 秋季不同采樣間隔下 TSP 和PM2.5 日均濃度與真值的相對誤差（Er ）在5%和10%范圍內的占比Table 1 The proportion of relative error (Er) between daily averaged TSP and PM2.5 concentrations under varied sampling interval and true value in autumn within the range of 5% and 10%%

表2 冬季不同采樣間隔下TSP 和PM2.5 日均濃度與真值的 Er在5%和10%范圍內的占比Table 2 The proportion ofEr between daily averaged TSP and PM2.5 concentrations under varied sampling interval and true value in winter within the range of 5% and 10%%

首先，秋季TSP 和PM2.5日均值的最大可接受采樣間隔大于冬季，主要與試驗牛舍在秋季和冬季采用了不同環境調控措施有關。秋季由于舍外溫度相對較高，試驗牛舍的卷簾、可活動屋面全部打開，較高的通風量會加速牛舍內顆粒物的擴散，使得TSP 與PM2.5濃度變化更加平穩[20]。冬季舍外溫度較低，為保證舍內溫度，牛舍的卷簾、風機處于關閉狀態，相對密閉的舍內環境（低通風量）使顆粒物濃度在受到生產管理操作影響時波動更加劇烈，因此，相較于秋季，冬季TSP 與PM2.5日均濃度的監測需要更小的采樣間隔。

其次，秋季TSP 的日均濃度最大可接受采樣間隔小于PM2.5，這主要是因為試驗牛舍秋季多數時間會開啟風機進行降溫，較高的舍內風速一方面會加速細顆粒物沉降至不同物體的表面，降低舍內PM2.5的濃度[23-24]，另一方面風速會削弱因生產管理操作導致的顆粒物濃度波動[20]，使得舍內PM2.5濃度的波動較小。對于TSP，盡管位于頸夾上方的噴淋會降低舍內TSP 濃度，但位于臥床和采食通道上方的風機會吹起飼料、墊料等粗顆粒物，導致舍內TSP 濃度的增加和劇烈波動。LI 等[21]在雞舍中同樣發現風機運行會導致TSP 濃度升高的現象，并認為高風速也會使得已經落至地面的灰塵等粗顆粒物再次懸浮至空氣中，從而增加舍內TSP 濃度和波動。因此，需要較小的采樣間隔才能夠保證秋季牛舍內TSP 日均濃度的準確監測。同一環境調控措施下，牛舍內TSP 日均值的最大采樣間隔小于PM2.5，這間接表明環境調控措施對舍內粗顆粒物的影響較大。

2.2 顆粒物濃度小時均值的采樣間隔優化

2.2.1 白天與夜間

受奶牛節律和生產管理操作的影響，奶牛舍顆粒物濃度日變化呈現白天波動大，夜間波動小的變化規律[10-11]。因此，可以在白天和夜間合理地設置不同采樣間隔來監測奶牛舍顆粒物的小時均值濃度波動，以便以更小的代價獲得準確的結果。

表3 和表4 分別展示了秋季和冬季不同采樣間隔下（10、15、20、30 min 和1 h）白天（05:00-23:00）與夜間（23:00-05:00）TSP 和PM2.5小時均值濃度與真值的相對誤差在5%和10%范圍內的占比。在5%相對誤差允許范圍內，秋季白天TSP 和PM2.5小時均值的最大可接受采樣間隔分別為20 和30 min，夜間TSP 和PM2.5小時均值的最大可接受采樣間隔均為30 min；冬季白天和夜間的TSP 和PM2.5小時均值的最大可接受采樣間隔均為15 和30 min。

表3 秋季不同采樣間隔下白天與夜間TSP 和PM2.5 小時濃度均值與真值的 Er 在5%和10%范圍內的占比Table 3 The proportion of Er between hourly averaged TSP and PM2.5 concentrations under varied sampling interval and true value in autumn daytime and nighttime within the range of 5% and 10%%

表4 冬季不同采樣間隔下白天與夜間TSP 和PM2.5 小時濃度均值與真值的Er 在5%和10%范圍內的占比Table 4 The proportion of Er between hourly averaged TSP and PM2.5 concentrations under varied sampling interval and true value in winter daytime and nighttime within the range of 5% and 10%%

首先，在5%相對誤差允許范圍內，秋季白天TSP濃度的最大可接受采樣間隔小于夜間，而冬季白天與夜晚TSP 濃度的最大可接受采樣間隔相同的原因可能是因為秋季晝夜溫差較大，牛舍內白天開啟風機而夜間關閉風機，由于沒有風機和管理操作的影響，秋季夜間的TSP 濃度變化較白天更加平穩，因而可以適當增大采樣間隔。冬季的白天和夜晚均關閉風機，在相對密閉的環境下，白天與夜間的顆粒物小時均值濃度的采樣間隔保持一致。

其次，相較于日均值，秋冬季節TSP 小時均值的最大可接受采樣間隔小于PM2.5的規律更加明顯，進一步表明舍內粗顆粒物的濃度波動較細顆粒物更加劇烈，需要更短的采樣間隔。除了受到環境調控措施的影響，生產管理操作、奶牛的活動等因素通常也會導致舍內粗顆粒物的波動。JOO 等[12]發現奶牛的活動會導致牛舍內TSP 濃度的升高。因此，采樣間隔的確定應根據不同粒徑的顆粒物差異化選擇。

圖3 展示了秋季不同采樣間隔下（10、15、20、30 min和1 h）的TSP 和PM2.5小時均值濃度變化規律。總體而言，TSP 和PM2.5濃度均呈現白天波動大，夜間波動小的特征，相較于PM2.5，TSP 的波動更加明顯。WINKEL等[10]同樣發現自然通風奶牛舍內PM10濃度在白天具有較多的波動峰值，而在夜間處于相對平穩狀態。隨著采樣間隔增加，測量值與真值的偏離逐漸增大，當采樣間隔為1 h 時，TSP 與PM2.5濃度的日變化與真值盡管具有相同的變化趨勢，但在小時濃度峰值和谷值點處相差較大（圖3 局部圖），這說明峰值和谷值濃度測量失準是采樣間隔較大時的主要誤差來源。此外，采樣時間也會影響檢測結果的準確性，由于牛舍的管理時間不同，當采樣期間未受生產管理操作影響時，顆粒物檢測結果可能會偏小，當采樣時間受管理操作影響時，監測值可能偏高。陳健等[8]在每天08:00-19:00 時間段內每隔2 h 采樣一次，得到秋季和冬季自然通風奶牛舍PM2.5的最大值分別117 μg/m3和146 μg/m3，小于本研究中PM2.5在秋季和冬季的峰值（152.3、250.2 μg/m3）。KASSIKA等[25]在擠奶、喂料等過程通過1 min 的采樣間隔得到的不同牛舍的PM2.5小時均值濃度峰值均高于264 μg/m3。

圖3 秋季不同采樣間隔下的TSP 和PM2.5 小時均值濃度全局和局部變化規律Fig.3 The global and local variations of hourly mean TSP and PM2.5 concentrations under varied sampling interval in autumn

2.2.2 管理操作期間

由圖3 可知，管理操作期間奶牛舍內顆粒物濃度的波動相對較大。因此，采用合理的采樣間隔測量該時段的顆粒物濃度對于表征牛舍顆粒物濃度峰值以及評估顆粒物對動物和工作人員的潛在健康風險具有重要作用。表5 展示了秋冬季節不同采樣間隔下（10、15、20、30 min和1 h）生產管理操作期間TSP 和PM2.5小時濃度均值與真值的相對誤差在5%和10%范圍內的占比。結果表明，在5%誤差范圍內，秋季生產管理期間TSP 和PM2.5小時均值的最大可接受采樣間隔為10 和20 min，而冬季TSP 和PM2.5最大可接受采樣間隔為10 和20 min，普遍高于TSP 與PM2.5在白天與夜間的小時均值最大可接受采樣間隔。由于生產管理期間TSP 和PM2.5濃度的波動更加劇烈，需要更短的采樣間隔來表征顆粒物濃度特征，這與圖3 中得到的需要在峰值點采用更高的采樣間隔的結論一致。

表5 秋冬季節不同采樣間隔下生產管理操作期間的TSP 和PM2.5 小時濃度均值與真值的Er 在5%和10%范圍內的占比Table 5 The proportion of Er between hourly averaged TSP and PM2.5 concentrations under varied sampling interval and true value in autumn and winter management time within the range of 5% and 10%%

相對于PM2.5，TSP 具有更小的采樣間隔，表明生產管理操作過程如喂料、清糞、更換墊料等操作對TSP 濃度的影響大于PM2.5。宋卿卿等[18]通過誤差分析方法得到通常情況下10 min 的采樣頻率可以滿足個體PM2.5暴露水平的評價，但當調查對象處于交通微環境、頻繁更換所處微環境或存在吸煙等對PM2.5暴露影響較大的行為時，建議采用1 min 或更高的采樣頻率，這與本研究得到的在顆粒物濃度波動更加劇烈的管理操作期間需要減小采樣間隔的結論一致。

3 結論

該研究通過在大型自然通風奶牛舍內構建顆粒物濃度在線監測系統，以舍內17 個采樣點5 min 采樣間隔的連續監測結果為真值，基于誤差分析方法，對秋冬季節奶牛舍顆粒物濃度的日均值和小時均值采樣間隔進行優化，得到如下結論：

1）為反映奶牛舍TSP 和PM2.5濃度在秋季和冬季的日均濃度，TSP 采樣間隔控制在2 h（秋季）和1 h（冬季）以內，PM2.5控制在3 h（秋季）和1 h（冬季）以內。

2）為反映秋冬季顆粒物濃度的小時均值及其波動，白天TSP 采樣間隔為20 min（秋季）和15 min（冬季），夜間TSP 采樣間隔為30 min（秋季）和15 min（冬季），白天和夜間PM2.5采樣間隔均為30 min。

3）為反映生產管理操作對舍內顆粒物濃度及其波動的影響，秋冬季TSP 濃度采樣間隔為10 min，PM2.5濃度采樣間隔為20 min。