CN108088953A - 一种行进过程中道路尾气污染物监测方法及其监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及道路尾气监测领域，更具体而言，涉及一种行进过程中道路尾气污染物监测方法及其监测装置，该装置由监测装置及配套载具和数据中心组成。在一个区域内分布设置有若干台可以移动的监测装置，若干台监测装置对所经区域的空气取样，检测并得出各污染物组分含量值，连同位置信息一并发送至数据中心，通过数据中心中的数据分析软件，将检测数据集可视化的显示在地理信息系统软件上，并通过中心网站对外发布。本发明的目的在于提供一种可以在行进过程中测定所处区域道路尾气污染物的监测系统和快速测定道路尾气污染物的在线监测装置和其配套的监测方法，定性地分析城市中道路尾气污染物的分布情况，定量地计算各主要污染物的排放情况。
Description
技术领域
本发明涉及道路尾气监测领域，更具体而言，涉及一种行进过程中道路尾 气污染物监测方法及其监测装置。
背景技术
保护环境是我国的基本国策，具体包括：重拳治理大气雾霾和水污染，在 重点区域实行大气污染联防联控。目前机动车排放的尾气是公认的大气雾霾的 主要来源。在雾霾治理过程中，对道路尾气在城市区域的分布情况的及时掌握 是治理大气污染的首要问题。但是，现今我国对道路尾气的污染测算和在城市 中的分布情况以及各种污染物的总量是无法确定的，从而难以对治理城市道路 尾气污染提供准确的数据支持。发现问题是解决问题的先决条件，定性地分析 城市中道路尾气污染物的分布情况、定量地计算各主要污染物的排放总量，能 助力职能部门采取更加有效的手段治理城市空气污染。为此，亟待需要一套能 快速测定道路尾气污染情况的实时监测系统及其相关设备。
目前针对道路尾气污染物的监测主要有两种方式：一种是在城市中的主要 路口安装固定式的道路尾气在线监控装置，通过红外光、紫外光光谱等检测手 段分析道路尾气污染物的种类和含量。另一种是在机动车排气管处安装尾气分 析装置，监测车辆的尾气排放污染物水平。这两种方式对于城市中道路尾气污 染物监测均有很大的局限性。在第一种方式中，每一个安装于路口道路尾气监 测装置只能反应出其附近的道路尾气情况，要想准确且全面的了解城市中各条 道路的道路尾气排放情况，需要在城市的每一个路口均安装道路尾气监测装置， 投资是十分巨大的，不具备现实意义。在第二种方式中，尾气监测装置只监测 安装它的车辆的尾气排放情况，当其排放超标是通知环保部门和车主，这种方 式是车辆尾气排放合格检测的延伸，并不能够对城市中道路尾气污染物的情况 进行监测。
综上所述，有必要对现有技术中所存在的不足进行改进。
发明内容
为了克服现有技术中所存在的不足，本发明提供一种行进过程中道路尾气 污染物监测方法及其监测装置，以定性地分析城市中道路尾气污染物的分布情 况、定量地计算各主要污染物的排放情况。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：
一种行进过程中道路尾气污染物监测方法，在一个区域内分布设置有若干 台可以移动的监测装置，若干台监测装置对所经区域的空气取样，检测并得出 各污染物组分含量值，连同位置信息一并发送至数据中心；数据中心对一台或 多台监测装置的检测数据进行分析，计算出城市中各条道路的尾气排放污染物 分布情况。
通过数据中心中的数据分析软件，将检测数据集可视化的显示在地理信息 系统软件上，并通过中心网站对外发布。
监测装置通过4G或3G或GPRS网络与数据中心通讯。
监测装置定时从空气中抽取采样气体，然后存储在气罐中，气罐通过气室 连接各个传感器，各个传感器对采样气体各组分含量检测完毕后，将采样气体 排出，监测装置记录采样时的经纬度和空气温湿度测值。
监测装置包括检测气路、传感器装置和控制装置，所述检测气路包括过进 气口、气罐和出气口，所述进气口依次通过进气阀、过滤装置和真空抽气泵与 气罐连通，所述出气口依次通过排气阀和真空排气泵与气罐连通，所述气罐通 过气室与传感器装置连通，所述检测气路和传感器装置均与控制装置连接，并 通过控制装置实现数据的传输。
所述控制装置包括主控芯片、定位模块、无线通信模块、环境状态监测模 块、存储模块和人机界面模块，所述定位模块、无线通信模块、环境状态监测 模块、存储模块和人机界面模块分别与主控芯片连接
还包括电源管理，负责给整个检测装置供电和电池的充放电管理
还包括缓冲减震装置，所述检测气路、传感器装置和控制装置均设置在缓 冲减震装置中，所述缓冲减震装置包括箱体和弹簧，所述箱体内设设有可移动 的上固定板和下固定板，所述上固定板和下固定板分别通过弹簧与箱体联接。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：
一种行进过程中道路尾气污染物监测方法及其监测装置，改变了现有的固 定点位监测模式，建立了多个监测装置和数据中心的在线监测系统，通过安装 在移动载具的监测装置在行进过程中，快速且准确测定和分析所经路段的道路 尾气污染水平，并将道路尾气排放情况可视化的显示在图表和地图和地理信息 系统界面上。在一个城市中投放多套监测装置，可以在很短的时间内就能获取 城市中各条道路的污染分布情况，发送至数据中心进行分析。达到了定性地分 析城市中道路尾气污染物的分布情况、定量地计算各主要污染物的排放情况的 目的。
附图说明
图1是本发明的监测装置结构示意图；
图2是本发明控制装置示意框图；
图3是本发明电源管理示意框图；
图4是本发明缓冲减震装置结构示意图框图；
其中：1为进气口，2为气罐，3为出气口，4为进气阀，5为过滤装置，6 为真空抽气泵，7为排气阀，8为真空排气泵，9为传感器装置，10为气室，11 为缓冲减震装置，12为箱体，13为上固定板，14为下固定板，15为弹簧。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清 楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是 全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造 性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本实施例中，一种行进过程中道路尾气污染物检测装置由监测装置及配 套载具和数据中心组成。该装置的检测方法：安装有监测装置的车辆在行进过 程中，监测装置从空气中抽取采样气体，然后存储在气罐中，气罐通过气室连 接各个传感器，各个传感器对采样气体各组分含量检测完毕后，将采样气体排 出，监测装置记录采样时的经纬度和空气温湿度测值。一次采样检测过程完成 后，监测装置得出各个组分的测值连同定位信息和环境状态信息作为道路中某 一处的一条实时道路尾气监测数据，监测装置将这条数据存储本机同时上发至 远端的数据中心。监测装置不断的采样、定位、检测、上发，就可以测定道路 中各处的尾气污染物状况，在一个城市中投放多套车载的监测装置，这些监测 装置随着车辆在城市中行驶，在很短的时间内就能获取城市中各条道路的污染 分布情况，发送至数据中心进行分析。
在本实施例中，如图1所示，监测装置包括检测气路、传感器、控制装置、 电源管理及缓冲装置。所述检测气路包括过进气口1、气罐2和出气口3，所述 进气口1依次通过进气阀4、过滤装置5和真空抽气泵6与气罐2连通，所述出 气口3依次通过排气阀7和真空排气泵8与气罐2连通，所述气罐2通过气室 10与传感器装置9连通，所述检测气路和传感器装置9均与控制装置连接，并 通过控制装置实现数据的传输。
所述检测气路部分的进气孔安装有防雨装置和防尘滤网通过气管延伸，进 气动作由电控进气阀门和真空抽气泵协作完成。抽取的采样气体首先经过过滤 装置过滤掉粉尘、油滴、水汽后再进入气罐，气罐连接有多个气室，每个气室 连接包括氧气传感器、氮氧化物传感器、硫化物传感器、二氧化碳传感器、可 吸入颗粒物传感器。这些传感器负责对采样气体各组分含量进行检测。检测完 毕后进行排气，排气动作由真空排气泵和电控排气阀门协作完成。同时，气罐 部分连接有气体压力传感器，它的作用是在抽气是时保证采样气体的压力符合 检测的需求，同时保证排气时，排气泵将气罐抽成近似真空状态，这样保证连 续采样时，上次采样气体残留的最小可能性，从而保证每次检测的独立性。
传感器装置包括但不限于氧气传感器、氮氧化物传感器、硫化物传感器、 可吸入颗粒物传感器、二氧化碳传感器、气体压力传感器。
如图2所示，控制装置包括主控芯片、定位模块、无线通信模块、环境监 测模块、存储模块和人机界面模块，所述定位模块、无线通信模块、环境状态 监测模块、存储模块和人机界面模块分别与主控芯片连接。所述主控芯片控制 监测装置检测气路部分的动作、获取各个传感器的监测数值、获取定位信息、 上发道路尾气污染物检测数据、与数据中心的服务器进行通信，并接受数据中 心的远程控制。
所述定位模块通过GPS方式或北斗方式进行定位，所述无线通信模块通过 4G或3G或GPRS网络与数据中心通讯，所述环境监测模块包括但不限于空气传 感器、空气湿度传感器、风向风速传感器，所述存储模块包括闪存卡或硬盘或 FLASH模块，所述人机界面单元包括触摸屏和实体按钮。
如图3所示，电源管理负责给整个检测装置供电和电池的充放电管理，电 池为可充放电的锂电池或铅酸电池或镍氢电池。整个监测装置从载具汽车的蓄 电池取电，可适配12V或24V规格的电源输入。因为具备独立的可充电电池， 监测装置在临时性的切断电源输入的状态下稳定工作。
如图4所示，所述缓冲减震装置11，包括箱体12和弹簧15，所述箱体12 内设设有可移动的上固定板13和下固定板14，所述上固定板13和下固定板14 分别通过弹簧15与箱体12联接。监测装置的各部分单元固定在上下两个固定 板之间。整个监测装置具备减震结构对各单元进行减震保护，这样在载具车辆 行进过程中，监测装置能可靠工作。
在本实施例中，所述数据中心包括数据存储服务器、数据通信服务器、数 据分析软件、地理信息系统软件、数据中心网站。将监测装置发至数据中心的 数据集中存储、分析，通过数据分析软件，将数据集可视化的显示在地理信息 系统软件上，并通过中心网站对外发布。数据中心的数据通信服务器可以管理 监测装置，包括远程设置参数、远程起停设备、远程控制设备、远程授时功能。
在本实施例中，系统配套的监测方法：
道路尾气污染物的扩散方式为随机流动点源，所述道路尾气污染物监测方 法选用但不限于以高斯扩散模型对道路尾气污染物的分布情况进行分析处理。
扩散过程受多种因素影响，如空气温度、湿度、风速、风向。首先，按照 影响因子的重要性，选择风速与风向作为主要参考要素量化计算。
以监测装置上报的监测采样时的原点为点源排放点在地面的投影点建立坐 标系。通过气象监测仪获得该区域的风速和风向。
根据场论知识,一维扩散方程为：
对于三维流体扩散,物质通量的时间变化率是3个方向扩散结果的总和, 则流体连续三维扩散为：
为简化模型便于求解,假设扩散各向同性且扩散系数为常数,即Dx＝Dy＝Dz ＝D,则无风条件下扩散方程可简化为：
在下风向任—点(x、y、z)污染物平均浓度的分布函数
由概率统计理论可以写出方差的表达式：
选定源强的积分式：
式中：σy`σz——污染物在y、z方向分布的标准差，m；
ρ——任一点处污染物的浓度，g/m3；
——平均风速，m/s；
Q——源强，g/s；
由上面四个方程组成的方程组，其中可以测量或计算的已知量有源强Q、平 均风速标准差σy`σz，未知量有浓度ρ、待定函数A(x)、待定系数a、b。 因此方程组可以求解。
便得到无界空间连续点源扩散的高斯模式：
任一点P(x,y,H)的污染物浓度：
P点的实际污染物浓度应为实源和像源贡献之和，即
因此可得高架连续点源在正态分布假设下的高斯扩散模式。由此模式可以 求出下风向任一点的污染物浓度。
实际应用在道路尾气检测系统中，呈现在地图上为二维俯视图，可以忽略 高度值对浓度值得影响，P点取z，H均为0。源强采用硬件实测的方法，且认 为在接下来的一段时间内，尾气源强稳定，适用高斯扩散模型。式(5)中x，y 的值转化为所需计算的从源到目标点的距离：Dest＝Math.Sqrt(X*X+Y*Y)。由 GPS的经纬度数据向该距离转化比例，以某地区为例：
double miLon＝0.00001207；//1米的经度
double miLat＝0.000007930；//1米的纬度
风速作为已知量，在计算时以形参的方式调用，单位m/s，数据类型double 型。风向的影响按照矩形矢量分解为x方向和y方向：
double cx1＝_cy1*Math.sin(this.AirAngle)-_cx1*Math.cos(this.AirAngle)；
double cy1＝_cx1*Math.sin(this.AirAngle)+_cy1*Math.cos(this.AirAngle)；
参数值的选取使用多距离情况下测量实际污染物浓度，求解未知参数因子 的方法。垂直风向扩散系数在源到目标距离小于1000米时和超过1000米后有 明显变化，故垂直风向扩散系数：
侧风向扩散系数a2：
下风向扩散系数a3根据距离变化，有3段取值：
取上述值后，式(7)用C#语言编码表示为：
其中，Q代表单位排放量，AipSpeed代表风速，x代表横坐标值，y代表纵坐标 值。
上面仅对本发明的较佳实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实 施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗 旨的前提下作出各种变化，各种变化均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种行进过程中道路尾气污染物监测方法，其特征在于：在一个区域内分布设置有若干台可以移动的监测装置，若干台监测装置对所经区域的空气取样，检测并得出各污染物组分含量值，连同位置信息一并发送至数据中心；数据中心对一台或多台监测装置的检测数据进行分析，计算出城市中各条道路的尾气排放污染物分布情况。
2.根据权利要求1所述的一种行进过程中道路尾气污染物监测方法，其特征在于：通过数据中心中的数据分析软件，将检测数据集可视化的显示在地理信息系统软件上，并通过中心网站对外发布。
3.根据权利要求1所述的一种行进过程中道路尾气污染物监测方法，其特征在于：监测装置通过4G或3G或GPRS网络与数据中心通讯。
4.根据权利要求1所述的一种行进过程中道路尾气污染物监测方法，其特征在于：监测装置定时从空气中抽取采样气体，然后存储在气罐中，气罐通过气室连接各个传感器，各个传感器对采样气体各组分含量检测完毕后，将采样气体排出，监测装置记录采样时的经纬度和空气温湿度测值。
5.根据权利要求1所述检测方法采用的监测装置，其特征在于：包括检测气路、传感器装置(9)和控制装置，所述检测气路包括过进气口(1)、气罐(2)和出气口(3)，所述进气口(1)依次通过进气阀(4)、过滤装置(5)和真空抽气泵(6)与气罐(2)连通，所述出气口(3)依次通过排气阀(7)和真空排气泵(8)与气罐(2)连通，所述气罐(2)通过气室(10)与传感器装置(9)连通，所述检测气路和传感器装置(9)均与控制装置连接，并通过控制装置实现数据的传输。
6.根据权利要求5所述的监测装置，其特征在于：还包括缓冲减震装置(11)，所述检测气路、传感器装置(9)和控制装置均设置在缓冲减震装置(11)中，所述缓冲减震装置(11)包括箱体(12)和弹簧(15)，所述箱体(12)内设设有可移动的上固定板(13)和下固定板(14)，所述上固定板(13)和下固定板(14)分别通过弹簧(15)与箱体(12)联接。
7.根据权利要求5所述的监测装置，其特征在于：所述控制装置包括主控芯片、定位模块、无线通信模块、环境状态监测模块、存储模块和人机界面模块，所述定位模块、无线通信模块、环境状态监测模块、存储模块和人机界面模块分别与主控芯片连接。
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