秦皇島市大氣污染指揮調度平臺的構建與應用

王磊 康瑾瑜 索娜 唐婷

（秦皇島市環境應急與重污染天氣預警中心 河北秦皇島 066000）

近年來，大氣污染進入了多污染物共存、多尺度共聯、多過程演化為特征的復合型大氣污染階段，污染特征逐步由以PM2.5為主的單一污染向區域性復合性污染轉變。現有技術手段在大氣污染來源、成因和未來趨勢科學分析、預判中的不足逐漸顯現，大氣污染防治工作進入瓶頸期。在這樣的前提下，大氣污染防治指揮調度平臺應運而生，他能夠有效提升大氣污染防治的精細化［2］，同時為環境管理部門實現重污染應急削峰、落實年度目標提供技術支撐。為提高大氣污染防治的精細化、科學化水平，充分利用秦皇島市的各種監測監控數據，秦皇島市生態環境局構建了秦皇島市大氣污染防治指揮調度平臺，本文對平臺的發展歷程和主要技術進行介紹。

1 發展歷程

秦皇島市大氣污染防治指揮調度平臺的建設經歷了從無到有、從簡單到復雜的發展過程，根據大氣污染防治指揮調度平臺的功能變化，將其發展大致分為以下3 個階段：

第1 階段是數據展示階段。在此階段主要是依托融匯全市國控、省控、市控、小型、微型空氣站的空氣質量監測數據，初步建立空氣質量監測網絡［2］；同時融合重點企業排放在線監控數據建立污染源監控網。

第2 階段是數據整合階段。這一階段數據不再是單純的數據展示，而是統籌整合跨部門、跨系統、跨層級的生態環境數據資源，將污染源監測數據、空氣質量監測數據、氣象觀測數據、組分站和超級站數據集成起來［3］，建設大氣環境數據倉。

第3 階段是智能化階段［4］。平臺的智慧化、精細化特點在這一階段逐漸凸顯，通過整合多維度監測數據，逐年、逐月智能分析各項相關考核指標；同時基于大數據算法凝練專家經驗，報警空氣質量異常，為當地政府的空氣質量保障工作提供科學的管控措施建議［5］；并在分析基礎上打通問題線索處置環節，構建閉環流程，線上線下協同處置突發問題，有效提高工作效率。

2 平臺設計與建設內容

目前，秦皇島市大氣污染指揮調度平臺經過3 個階段的發展，已經實現大數據中心及展示平臺、污染報警與統計、污染源排放分析、空氣質量數據研判分析、達標方案制定、污染成因分析、暑期環境質量保障指揮等功能，形成了“五個一”的發展模式，即一個數據集成中心、一張集中展示圖、一個調度指揮平臺、一套分析決策系統、一個閉環監管體系，切實實現科學找源、靶向打擊，推動秦皇島市生態環境監管關口前移、觸角向下延伸，提高了大氣污染監管工作水平。秦皇島市大氣污染指揮調度平臺總體框架見圖1。

圖1 秦皇島市大氣污染指揮調度平臺總體框架

2.1 一個數據集成中心

秦皇島市大氣污染指揮調度平臺打破各種環境信息孤島，在平臺上實現環境監測數據、污染源在線監測數據、氣象數據、源清單數據、超級站數據的無縫對接。

2.1.1 環境監測數據

包括周邊地市空氣質量監測站、本市空氣質量監測站和本市組分站/超級站等數據。

周邊地市空氣質量監測站包括全國337 個城市、1 508 個點位的空氣質量6 項污染物（PM10、PM2.5、NO2、SO2、O3、CO）數據，可以根據實時數據情況分區區域污染物的情況。

本市空氣質量監測站包括全市5 個國控空氣站、10 個省控空氣站、市控空氣站、小型空氣站、微型空氣站等共計412 個點位，數據內容涵蓋6 項污染物、綜合指數、AQI 和實時氣象情況（溫度、濕度、風向、氣壓、風速等），同時展示近48 h 各污染物濃度變化。

超級站包括顆粒物激光雷達監測、臭氧探測激光雷達、相干激光測風雷達、氣溶膠雷達、太陽光度計、濁度儀、黑炭儀等13 臺組分與垂直觀測數據，可以分析污染物的垂直分布特點和時間空間變化趨勢，判斷不同時段顆粒物組分的差異，判斷污染物來源、分析形成的原因及清除過程。

2.1.2 污染源在線監測數據

包括源清單數據、重點工業源在線數據、秸稈禁燒監控系統、移動源監測、工地揚塵監測等污染源數據。

源清單數據是基于工業源、移動源、揚塵源等污染源識別技術和實時量化技術，綜合運用數據庫和地理信息系統技術構建秦皇島多尺度高分辨率大氣污染物動態排放清單可視化展示。在現有源清單基礎上，如遇臭氧高值階段，使用1 臺VOCs 走航監測車實時分析區域污染物來源，同時配置道路積塵走航設備，對道路積塵情況進行監測。

重點工業源在線數據主要是全市195 家企業的655 個設備的排放在線監控設備，包括廢氣污染源和廢水污染源，其中廢氣污染源數據包含風量、主要污染物濃度、用電量、實時工況等數據；廢水數據包括主要污染物濃度、水量、實時工況等數據。

秸稈禁燒監控系統是在全市范圍內設置163 個秸稈禁燒監控點并與大氣污染指揮調度平臺實時聯網，能通過圖像識別著火點和延誤，及時發現違規秸稈焚燒情況。

移動源監測數據包括：①使用4 臺黑煙車固定監測設備和2 臺移動式尾氣遙感監測車監測的機動車排放數據；②充分利用全市58 家用車大戶的視頻進出監控設備和全市761 個車流量監測卡口，識別黃牌車和黑煙車情況。

工地揚塵的監測數據包括全市在建建筑工地339 處，設置303 個PM10監測設備和167 個視頻監控設備，能夠實時反映揚塵情況。另外海港區489 輛渣土車安裝GPS 設備，可以對渣土車駛入禁行區域及重點區域進行監控。

2.1.3 氣象數據

氣象數據主要包括實時氣象數據和預報氣象數據2 部分。

實時氣象數據包含風場、溫度、濕度、氣壓、降水、云層、雷達、閃電等氣象數據，其中秦皇島市氣象數據站點225 個，記錄風向、風速、相對濕度、溫度、氣壓、降水量、露點溫度，各站點可繪制最近24 h 的各氣象要素的變化情況折線圖。根據各站點的風向情況，融合大數據繪制實時風場圖，可以更直觀地展示風場的變化情況，為污染物的遷移分析提供依據。

預報氣象數據包括中央氣象臺發布的降水量預報、氣溫預報、GRAPES 區域模式不同高度的預報圖片，歐洲天氣中心、韓國氣象臺發布的不同高度風場、相對濕度預報圖片，呈現風向和風速圖，溫度和氣壓圖、相對濕度和降水圖。

2.2 一張集中展示圖

用一張圖的形式實現各類數據的異常告警和直觀展示，包括空氣質量異常告警、污染源超標告警和暑期環境質量保障平臺。

2.2.1 空氣質量異常告警

空氣質量異常告警通常有2 種情況：①站點同比告警，即當某個站點某項污染物高于同時段全市平均水平過高時告警；②環比告警，即當某個站點某項污染物高于本站點上小時平均水平過高時告警。

2.2.2 污染源超標告警

污染源超標告警包括工業源企業超標告警、工地揚塵超標告警和移動源超標告警。通過在系統中設定企業廢氣和廢水排放口污染物濃度限值、工地PM10濃度標準限值實現工業源和揚塵源的超標告警，通過秸稈禁燒圖像識別火點、煙霧、機動車尾氣檢測裝置識別黑煙車、用車大戶圖像識別黃牌車等異常情況，通過連接實時監控識別渣土車駛入禁行區域及重點區域等情況，及時發出告警。

2.2.3 暑期環境質量保障平臺

針對秦皇島的特殊地理位置和管控要求，建立暑期環境質量保障指揮平臺，可以綜合展示北戴河區當前小時的實時AQI 和等級、所有國省控實時AQI 柱形圖、斷面水質站點的實時水質雷達圖，展示北戴河區煙氣企業、VOCs 企業和廢水企業當天各個污染物的累計排放量，展示北戴河區空氣站、工業源、移動源、揚塵源的點位告警數量，展示北戴河區未來3 d 的環境和天氣預報，展示北戴河區空氣站點位和當前小時所有告警的污染源點位，展示噪聲監測點位的監測數據。

2.3 一個調度指揮平臺

通過大氣污染指揮調度平臺實現高效實時的指揮調度和精細管控。

2.3.1 指揮調度

結合對歷史空氣質量排名、優良率、級別構成、首要污染物等指標的逐年、逐月智能分析，了解空氣質量排名與改善情況，全面掌握空氣質量變化趨勢，分析污染源排放規律，為實時調度提供依據。

指揮調度系統是為了滿足大氣污染防治過程中發現異常事件，與事件交辦、管理、追溯等過程管理設計的在線應用，支持自動發起任務和手動發起任務。按照問題列表、問題交辦、核查指派、問題處置、案件審查、處置結果上報的流程建立全過程調度流程。

2.3.2 精細管控

根據分析預判結果，結合氣象形勢分析，制定精準管控措施，實施企、車、塵、港差異化動態管控，線上線下同步監控統計，跟蹤評估管控效果。

在工業源管控方面，通過對企業的廢氣和廢水排放量、排放濃度、用電量的實時監控，分析在正常生產和應急減排情況下的減排效果對比，也可對污染物超出正常范圍量進行統計，利于管理部門實施管控和調度。

在移動源管控方面，利用現有的用車大戶監控跟蹤進出車輛，監控車輛尾氣超標情況；在揚塵源管控方面，利用工地視頻實時瀏覽工期情況，對企業堆場顆粒物進行監測，有效防控揚塵污染；在站點周邊開展精細化揚塵源管控工作，對站點周邊餐飲、干洗、鍋爐等生活污染源現場巡查管控。

2.4 一套分析決策系統

通過平臺加強對數據的科學研判，進行溯源分析，來指導精準決策，對大數據信息實行“降維化”。

2.4.1 空氣質量預報預警

根據當地污染源情況，結合預報氣象數據，經過CMAQ、CAMx、WRF-Chem、NAQPMS 等空氣質量模型的運算，給出點位預報的污染物垂直分布圖，最多預報時長可達到7 d，在局部站點預報的基礎上，還增加了區域預報分布，直觀呈現區域環境污染的預計變化趨勢。

在預報工作完成之后，利用綜合環境監測數據回顧重點區域典型污染過程，識別區域內污染來源；通過分析工業源、移動源和面源等污染源活動水平，明確重點管控方向；最后利用重點源在線監測、高值熱點等信息對措施效果進行評估。

2.4.2 污染成因分析

接入氣象預測參數及后向軌跡模型，分析區域污染傳輸影響，可展示傳輸通道城市和選定的任意城市間數據關聯；利用組分站數據分析顆粒物和VOCs 的主要構成，解析污染物來源，組分站解析見圖2 和圖3；利用顆粒物激光雷達（圖4）監測技術分析顆粒物的垂直分布特點和高空傳輸影響；特征雷達圖［6］（圖5）以雷達圖形式反映空氣點位污染物特征，由此分析污染成因如機動車污染型、燃煤污染型等；污染玫瑰圖［圖6（a）］和等級玫瑰圖［圖6（b）］可分析某個空氣站指標/站點污染物濃度和風速風向的關系，可以較為明顯地反映風向對傳輸的影響；根據站點周邊上下風向站點污染物濃度隨時間空間變化規律，可分析近地層污染物來源。

圖2 組分站解析顆粒物的主要構成

圖3 組分站解析VOCs 的主要構成

圖4 顆粒物氣溶膠激光雷達

圖5 污染雷達圖

圖6 玫瑰圖

2.4.3 目標考核量化

利用常規監測數據、氣象數據等數據進行綜合分析，結合大數據、深度挖掘等技術，可實現實時動態監控秦皇島市（含各縣區）當前空氣質量狀況與達標之間差距，推算當日、當月、年度達標可能性，對減排目標進行動態分解。年目標動態分解到月，月目標動態分解到點位，日目標動態分解到小時，同時提供污染成因分析及相應管控建議，輔助環境管理部門為實現空氣質量達標開展動態決策提供科學依據。

2.5 一個閉環監管體系

在大氣污染防治指揮調度平臺上的閉環管理分為技術和管理2 個層面。

2.5.1 技術層面

利用各類監測數據結合氣象形勢，會商預報環境質量、預判污染過程、制定管控措施、發布調度指令、督導檢查措施落實、評估管控效果、實施考核問責的指揮調度閉環工作流程，形成預警預報信息、環境質量分析報告、污染過程分析報告、問題整改臺賬等工作成果。

2.5.2 管理層面

在管理方面，指揮調度平臺實現發現問題、原因分析、網格化管理派單、處理反饋的全周期管理模式，形成網格化監管、監督考核體系，及問題處理臺賬（記錄結案率、及時率），促進4 級環境監管網格有序工作。一旦發現問題和異常情況，第一時間制定應對措施，通過微信工作群或平臺App 派發任務，實現報警、派發、反饋閉環處置，形成網格化監管、監督考核體系、問題處理臺賬（記錄結案率、及時率），促進環境監管網格有序工作。

3 結論

（1）秦皇島市大氣污染防治指揮調度平臺的建設，打破現有各監測、污染源、氣象等數據信息的孤島，將各不同來源的數據進行收集、深度融合和集中展示，以“一張圖”的形式立體直觀展示多元數據，提高生態環境部門的數據整合展示能力。

（2）在數據展示的基礎上，秦皇島市大氣污染防治指揮調度平臺對多元數據進行深入分析，通過精準溯源告警、空氣質量預報、污染分析決策、指揮調度考核等一系列工作，實現技術和管理2 個層面的閉環管理，實現綜合、實時、多元化的監管方式，對異常情況及時做出響應和處理，進一步提高生態環境部門的環境質量預報、預警、管控等管理水平。

（3）在后續工作中，將繼續擴展關聯分析和空氣質量重污染應急評估等模塊，進一步提高大氣污染防治和監管的精細化、科學化、信息化水平，在實現污染物的實時監控、精準排查、精細化管理方面繼續發揮作用。