機動車排放多源數據融合及應用研究

馬冬，肖寒，王宏麗，付明亮

（中國環境科學研究院 國家環境保護機動車污染控制與模擬重點實驗室，北京 100012）

隨著社會經濟的發展，我國機動車保有量持續增加，2022 年機動車保有量達到4.2 億輛，其中汽車保有量達到3.2 億輛[1]。機動車排放的大氣污染物包括一氧化碳、碳氫化合物、氮氧化物及顆粒物等。2021 年，全國機動車這四項污染物排放總量為1557.7 萬噸[2]。大氣污染物源解析顯示，機動車排放已成為我國大氣污染的重要來源。

與固定點源排放不同，機動車點多面廣、流動性強，為排放監管帶來巨大挑戰。隨著信息網絡及大數據技術的不斷發展，我國在機動車環保信息公開、環保定期檢驗、遙感監測、車載自動診斷系統（OBD）遠程監控等領域積累了大量的數據，通過對多源大數據進行分析處理，對加強機動車污染控制，改善城市大氣環境具有重要意義。

1 機動車排放多源數據發展現狀

1.1 數據現狀

研究機動車排放需要對機動車排放污染物進行準確測量，分析污染物排放的物化原理和數學統計規律，研究從微觀到宏觀的排放分析方法，從而發現高排放車輛，對車輛超標原因進行溯源分析，為制定更新排放標準和政策法規提供技術支持。

自2001 年以來，我國在新車、在用車檢測及監管方面積累了大量的數據，對加強機動車排放監管、開展機動車排放政策法規和標準制定及評估等工作提供了重要數據基礎。

（1）為強化企業主體責任，根據《關于開展機動車和非道路移動機械環保信息公開工作的公告》，機動車和非道路移動機械生產、進口企業應當向社會公開其生產、進口機動車和非道路移動機械的排放檢驗信息和污染控制技術信息，并對信息公開的真實性、準確性、完整性負責。《中國移動源環境管理年報（2022 年）》顯示，截至2021 年年底，全國共有1287 家機動車企業33 809 個車型進行了環保信息公開，其中，輕型車型6191 個、重型車型23 854 個、摩托車型1368 個、新能源車型2396 個。

（2）為加強在用車環境管理，我國建立了機動車環保定期檢驗制度，發布實施了在用車檢驗標準，對排放檢驗不達標的車輛，不得上路行駛[3]?！吨袊苿釉喘h境管理年報（2022 年）》顯示，截至2021 年年底，全國31 個?。ㄗ灾螀^、直轄市）均已開展了機動車排放定期檢驗工作，共有檢驗機構13 380 家，其中汽油車（含燃氣車）簡易工況法檢測線30 397 條，柴油車加載減速檢測線24 310 條，OBD 檢測線41 752 條。基本建成國家-省-市三級聯網的機動車定期排放檢驗機構監控平臺，實現機動車排放檢驗機構全國聯網監控。2021 年，各地通過國家-省-市三級聯網平臺報送機動車定期檢驗數據8896.6 萬條。其中，汽油車（含燃氣車）穩態工況法、簡易瞬態工況法、雙怠速法檢測首檢合格率分別為95.5%、97.3%、96.2%。柴油車加載減速工況法、自由加速法檢測首檢合格率分別為95.6%、98.9%。

（3）《大氣污染防治法》要求在不影響正常通行的情況下，可以通過遙感監測等技術手段對在道路上行駛的機動車的大氣污染物排放狀況進行監督抽測，公安機關交通管理部門予以配合。為貫徹落實《大氣污染防治法》要求，加強機動車實際道路排放監測，我國制定實施了在用柴油車遙感檢測標準，對道路行駛的車輛進行監督抽測，如果車輛在6 個月內發現連續超標兩次，即可認定為排放不合格，必須進行維修治理。截至2021 年年底，全國已完成建設遙感監測（含黑煙抓拍）點位并與國家-省-市三級聯網平臺聯網2590 個，累計報送19.9 億條監測數據，對有效篩查高排放車輛、加強在用車排放控制發揮重要作用。

（4）OBD 是監控機動車排放狀態的重要裝置，一旦車輛有可能引起排放超標的情況，會點亮車輛儀表板上的故障指示燈提醒車主及時進行維修。重型柴油車國六標準中增加了遠程監控要求，要求國六重型車具備OBD 數據采集和發送功能，可實時對車輛的排放狀況進行監測，并要求和生態環境主管部門聯網，確保監管部門能夠實時監控重型柴油車排放狀況，有效降低實際道路排放。目前，北京、杭州和唐山等地已經開展了重型車遠程監控示范項目，根據《柴油貨車污染治理攻堅戰行動計劃》規定，2019 年年底前重點區域50%以上具備條件的重型柴油車將安裝遠程在線監控并與生態環境部門聯網，2020 年1 月起，重點區域將未安裝遠程在線監控系統的營運車輛列入重點監管對象。

此外，還有一些機動車排放檢驗相關的方法，如跟車尾氣收集檢測，采用上路跟隨的方式，采集幾分鐘內的汽車排放污染物進行分析；交通道路微站動態檢測方法，主要部署在主要交通道路旁，目前還處于研究開發階段。

通過對檢測數據進行匯總歸類可以發現，多源數據從數據種類上來說可以分為車輛參數（含車型、控制單元OBD 信息）、排放檢驗結果（含OBD 檢查）、車輛工況數據（速度、加速度、比功率、負載）及氣象參數（大氣壓、溫度、濕度）、環境數據（道路類型、坡度等），而車輛參數中的號牌號碼、車輛型號、車輛識別代號、信息公開編號具備一定程度的唯一性，可以用來作為數據融合處理的依據。

1.2 存在的問題

由于影響機動車排放的因素眾多，除了車輛本身采用的發動機和后處理技術等核心因素外，駕駛人駕駛習慣、氣象條件、車輛駕駛狀態、車輛運行模式、車輛負載、道路條件等會影響機動車的污染物排放水平。另外，檢測使用的檢驗設備、檢驗設備維護校準狀態等也會干擾排放檢驗的結果。僅通過一種機動車排放檢驗方法，難以綜合考慮所有的影響因素，測算一輛車的真實排放水平，必須綜合處理多種機動車排放檢驗相關數據進行測算評價。

隨著信息網絡和大數據技術的快速發展，我國機動車排放檢驗信息化水平逐步提高，各省（自治區、直轄市）均建立了相應的信息化系統，積累了大量的檢測和監管數據。但是，由于數據來源、頻率和數據格式等存在差異，導致數據種類繁多、質量參差不齊，難以進行有效的綜合利用。如何對種類繁多的機動車排放檢驗相關數據進行綜合處理和分析，正確的計算和評估機動車污染排放水平，是機動車污染排放控制的關鍵環節。

2 機動車排放多源數據融合分析

2.1 數據處理

受檢測設備性能、檢測人員、設備運行和維護的影響，原始業務數據往往不能滿足數據綜合處理和分析的需要，數據的完整性、規范性和異常都會影響最終的數據分析結果[4]，所以在對多源數據進行分析處理前，需要進行數據的預處理工作，按照圖1 設定的多源數據處理和分析流程，將不同來源的數據提取和轉換后，對數據進行診斷修復，按照數據關聯度對數據進行置信分析，將帶有數據置信度的數據利用車輛參數中包括的號牌號碼、車輛型號、車輛識別代號和信息公開編號作為依據進行融合處理后存入數據倉庫。按照評價分析的方向對數據進行離線預算，計算結果進入數據集市，數據集市可以為機動車道路排放綜合評價、發現高排放車輛和低排放車輛、超標原因溯源分析、關鍵污染控制裝置和檢驗設備的評價提供穩定的數據支持。

圖1 多源數據分析處理和應用流程

機動車多源數據主要包括了新車型式檢驗、遙感監測、定期檢驗等，這幾種主要的檢測技術由于監管運行模式、運行主體存在較大差異，特別是定期檢驗和遙感監測，基本都是通過各省（自治區、直轄市）自建的信息化系統進行，需要把不同數據源的數據進行預處理，轉化為標準的多源數據格式，多源數據的預處理包括了數據單位標準化、數據項目標準化、標準當量折算三個步驟。

（1）測量單位標準化

對不同來源但物理含義相同的測量單位進行標準化統一，如環境參數的溫度、濕度、大氣壓分別統一為℃、%、kPa；車輛工況數據的速度、加速度分別統一為m/s，m/s2；一氧化碳濃度、氮氧化物濃度、碳氫化合物濃度、顆粒物濃度、顆粒物數濃度分別統一為%、ppm、ppm、μg/m3、個/m3；排放因子統一為g/km。車輛參數最大總質量、累積行駛里程分別統一為kg、km 等。

（2）數據格式標準化

對不同來源但物理含義相同的數據項目進行標準化，如號牌號碼統一為帶發牌機關中文縮寫；號牌顏色、排放標準階段統一用代碼表示，如1 代表黃色車牌，Ⅰ代表國Ⅰ排放標準階段等；測量日期與時間格式分別統一為YYYY/MM/DD、24h:mi:ss。燃料種類統一用代碼標識，如A 代表汽油、B 代表柴油。

（3）污染物標準當量折算

多源數據中不同的機動車排放檢測由于檢測原理不同，對污染物濃度的測量結果也不相同，如一氧化碳、碳氫化合物、氮氧化物、顆粒物的排放結果應按標準測量單位進行標準化處理，轉換為同一量綱。

多源數據經過預處理后，為便于后續開展數據應用和評價，還需要對數據進行分析和處理，才能最終形成標準的多源數據格式。分析和處理主要包括數據質量診斷、數據修復、置信度分析和數據融合，最后數據存儲進入數據倉庫。數據倉庫可以提供給最終的應用場景，按照設定的數據主題進行計算，最后進入數據集市。

2.2 數據融合

多源數據融合是指利用技術手段將獲取到的所有信息綜合到一起并對信息進行統一的評價。多源數據融合方法主要有數據級融合、特征級融合和決策級融合三種。數據級融合屬于最底層的數據融合，其是對原始數據進行簡單預處理之后直接進行關聯和融合，融合之后才作數據特征提取；特征級融合是先對數據進行特征提取，再對數據進行關聯融合；決策級融合是先對各數據源進行決策，然后再將這些決策進行關聯融合，最終獲得整體一致性的決策結果。

機動車檢測源數據經過預處理和分析處理后，先要進行數據級的融合，將各數據源的原始數據進行鏈接整合，進入數據倉庫。車輛參數是進行融合處理的關鍵項目，如圖2 所示，型式檢驗數據源用于融合的車輛參數為1-信息公開編號、3-車輛型號；新車下線檢驗用于融合的車輛參數為1-信息公開編號、2-車輛識別代號；定期檢驗（含新車注冊登記檢驗）用于融合的車輛參數為1-車輛識別代號、3-車輛型號、4-號牌號碼；遙感檢測、跟車檢測、道路微站檢測用于融合的車輛參數均為4-號牌號碼。另外，測試時間和地點作為附件融合關鍵項目可以用于道路微站檢測、遙感檢測、跟車檢測。

圖2 多源數據級融合

經過第一次數據融合后可以得到車型綜合檢驗數據和車輛綜合檢驗數據，存入數據倉庫，可用來映射不同主題的數據集市，為多源數據的評價應用提供數據支撐。

3 機動車排放多源數據應用

經過對多源數據進行預處理、分析、融合后，可以得到大數據樣本的機動車排放檢驗數據庫。通過對多源大數據進行分析，可為機動車環保達標監管、排放標準制定、政策實施效果評估等提供重要數據支撐。

3.1 環保達標監管

從車輛的設計、生產、下線，直至賣到消費者手里、再到車輛達到其有效壽命期之前，企業需要建立完整的自查體系，確保每輛車的排放水平滿足標準的要求。監管部門有權對新發動機、新生產車和在用車進行達標抽查，如果不滿足標準要求，生產企業需要采取整改措施。如果企業故意弄虛作假、以次充好，還有可能因違反《大氣污染防治法》而被停產整治、環保召回、行政處罰。通過環保檢驗、路檢路查等大數據分析，可以追溯超標排放車輛生產或進口企業、污染控制裝置生產企業、登記地、排放檢驗機構、維修單位、加油站點、供油企業、運輸企業等，從而實現全鏈條環境監管。2017 年12 月，原環境保護部通報了對山東凱馬汽車制造有限公司和山東唐駿歐鈴汽車制造有限公司違反大氣污染防治制度的行政處罰決定,邁出了機動車環保處罰的第一步。

《大氣污染防治法》第五十八條要求國家建立機動車和非道路移動機械環境保護召回制度。生產、進口企業獲知機動車、非道路移動機械排放大氣污染物超過標準，屬于設計、生產缺陷或者不符合規定的環境保護耐久性要求的，應當召回；未召回的，由國務院市場監督管理部門會同國務院生態環境主管部門責令其召回。2021 年4 月，國家市場監督管理總局、生態環境部組織發布了《機動車排放召回管理規定》，進一步明確機動車生產者的責任義務、缺陷調查及召回實施程序等相關內容。機動車環保召回在信息收集、缺陷判定等方面存在一定的難度。在現有的環保監管制度下，通過對機動車環保檢驗信息、污染控制技術信息、有關維修信息和投訴舉報信息等進行系統分析，能夠更快更準確地發現、獲取排放缺陷的相關信息。

3.2 法規標準制定

排放標準對機動車污染防治具有重要意義。標準中影響最大、難度最高的就是合理確定機動車排放測試方法及限值。標準測試方法及限值過嚴，不利于行業的健康發展；標準測試方法及限值過松，不利于行業節能減排。通過對新車型式檢驗數據及在用車環保檢驗數據進行分析統計，可為標準測試方法及限值的確定提供重要的參考。

隨著機動車保有量的快速增長及排放控制水平的不斷提高，為滿足新形勢下環境保護工作的需求，生態環境部、國家市場監督管理總局對《車用壓燃式發動機和壓燃式發動機汽車排氣煙度排放限值及測量方法》（GB 3847—2005）及《點燃式發動機汽車排氣污染物排放限值及測量方法（雙怠速法及簡易工況法）》（GB 18285—2005）進行了修訂[5，6]。修訂過程中，充分利用了新車型式檢驗數據及在用車環保檢驗數據的統計結果，為測試方法及限值的確定提供了重要依據。

在確定新車下線檢測方法及限值時，主要以汽車企業環保型式檢驗申報數據為基礎，通過對10 762 個國五汽油車型的檢驗數據統計分析發現，雙怠速法分析儀器誤差范圍已經遠遠超過車輛的實際排放水平，已不適合國五排放標準及以上車輛的下線檢測，從而在標準中建議采用更為嚴格的瞬態工況法。通過對1000 個輕型柴油車車型和6900 個重型柴油發動機機型的檢驗數據統計分析發現，輕型柴油車第四階段和第三階段排放水平相差不大，平均值接近。重型柴油機隨著排放標準的下降，排放水平不斷降低。結合輕重型柴油機排放差異，確定新車下線檢測限值為0.6m-1。

在用車排放檢驗的目的主要是篩選高排放車輛，大數據分析表明，車隊中排放最差的10%—20%的車輛，其污染物排放量可占到整個車隊的40%—50%。以地方生態環境部門機動車環保定期檢驗數據為基礎，將高污染車輛控制在10%—25%，其中限值a 以控制高污染車輛10%—20%為目標，限值b 以控制30%—40%高污染車輛為目標。通過對北京、廣州、深圳、廈門、杭州、南京、沈陽、長春、重慶、貴陽、西寧等11 個城市共計1000 多萬條的環檢數據進行統計分析，結合各地實際情況，確定了在用車排放檢驗方法及限值要求。

3.3 政策效果評估

機動車排放清單對全面掌握機動車排放現狀、科學評估不同控制措施的減排效益、準確預測機動車排放趨勢具有重要意義。機動車排放因子及活動水平是排放清單模型中的重要參數[7]。通過機動車環保檢驗、遙感監測等大數據分析，可以對不同城市的排放因子、年均行駛里程等進行修正，更加科學合理的評估城市機動車排放狀況，為機動車排放清單建立、污染物總量核查等工作提供數據支持。

機動車定期檢驗、道路遙感監測一方面可以快速有效篩查高排放車輛，加強在用機動車排放監管，另一方面還可以積累統計相關數據，了解機動車實際排放水平及變化規律，為機動車排放控制政策的制定及評估提供支持[8]。通過定期檢驗、遙感監測等數據分析，可以得到不同類型車輛的實際排放因子及分布特征，重點分析高排放車輛排放因子及超標比例，從而為精細化管理提供重要的數據支撐。

機動車年均行駛里程數據對機動車排放有重要影響，也是計算排放量的重要參數。目前行駛里程主要是通過對當地機動車進行實際調查獲得，數據樣本受到一定限制[9]。隨著機動車定期排放檢驗機構國家-省-市三級聯網監控平臺的建設，為機動車活動水平的獲得增加了新的途徑。通過對排放檢驗中的行駛里程數據進行統計分析，可以得到330 多個地級市的不同類型車輛的實際活動水平特征及變化趨勢，為區域和城市開展交通運輸結構調整和減排效果評估提供支持。

4 結語

“十四五”期間，建議以國家-省-市三級聯網為基礎，整合機動車信息公開數據、總量核查數據、環保定期檢驗數據、遙感監測數據及違法違規信息等，建立“一車一檔”的機動車環保檔案系統，進一步加強大數據在機動車環保監管、政策法規制定及評估等方面的應用。研究建立基于環保監管數據的機動車區域聯防聯控機制，利用新車信息公開、在用車年檢、遙感監測、遠程OBD 監控等信息，建立機動車污染防治聯動和追溯機制，對機動車生產、進口企業、檢驗機構、用戶等開展區域聯防聯控，加強機動車實際排放控制，提升機動車環境管理水平，為改善區域和城市大氣環境質量，深入打好污染防治攻堅戰提供重要的技術支撐。