CN109115966A - 一种可实时监测污染物浓度及扩散范围的监测设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可实时监测污染物浓度及扩散范围的监测设备，包括：安装在监测车上的气象监测系统，用于采集各种气象参数的气象数据；安装在监测车上的视频采集系统，用于对采集现场的进行全方位拍摄，得到现场的视频图像；安装在监测车上的环境监测系统，用于利用各种传感器获取各种污染物地面浓度值；安装在监测车上的大数据平台支持系统，用于根据预存的扩展模型以及所述气象数据及污染物地面浓度，计算污染物的污染物排放量，从而计算污染物扩散范围；安装在监测车上的数据传输与展示系统，用于展示所得的视频图像及污染物地面浓度值，以及污染物扩散范围。
Description
技术领域
本发明属于空气污染物检测领域，特别是一种可实时定点监测或移动监测空气污染物，并对污染物的扩散进行模拟分析预测的监测设备。
背景技术
随着我国生态文明建设的全面推进，人民群众对环境空气质量的要求日益提高，环境空气质量监测工作也面临着愈来愈复杂的挑战。此外，随着城市机动化进程不断发展，城市交通道路拥堵状况日益加剧，城市人口密度不断加大，以城市道路为源头的污染物排放问题越来越严重。有研究表明，机动车尾气排放已成为北京市大气污染物的第一来源，危害着人们的健康。因此，城市道路空气污染物的溯源分析已成为控制城市大气污染问题的首要研究对象。
可机动性的移动式车载环境监测装置可以有效提高上述环境监测工作的效率，及时应对突发性环境污染事件的监测工作需要。然而，目前常规的移动式车载环境监测装置尚存在一些显著的技术性问题，总结如下：
1、作为环境监测装置主体与移动平台的车辆，通常是由普通车辆改装而成的，仅仅是将检测仪器搬至车内，随到一处进行人工检测的定点分析模式，且辅助设备与工具的配备缺乏全局性考虑，往往难以满足实际监测工作的需求。
2、环境监测数据的采集、传输、整合与分析虽然经过了一些系统化、结构化的探究，但是往往也只能实现简单的机械性整合，难以形成立体化、多维度的有机分析体系，难以发挥信息化平台的最高效能。
总之，目前市面应用较多的环境监测车或应急监测车主要可以概括为车载实验室，限定专业监测人员，需现场校准、预处理，操作复杂且时效性差。另外难以实现执法、咨询等市场多样性的需求。
发明内容
针对现有污染物移动监测装置的不足，本发明提供了一种可实时监测污染物浓度及扩散范围的监测设备。
本发明的一种可实时监测污染物浓度及扩散范围的监测设备，包括：
安装在监测车上的气象监测系统，用于采集各种气象参数的气象数据；
安装在监测车上的视频采集系统，用于对采集现场的进行全方位拍摄，得到现场的视频图像；
安装在监测车上的环境监测系统，用于利用各种传感器获取各种污染物地面浓度值；
安装在监测车上的大数据平台支持系统，用于根据预存的扩展模型以及所述气象数据及污染物地面浓度值，计算污染物的污染物排放量，从而计算污染物扩散范围；
安装在监测车上的数据传输与展示系统，用于展示所得的视频图像及污染物地面浓度值，以及污染物扩散范围。
优选地，本发明的监测设备还包括超标判断单元，用于判断当前采集的污染物地面浓度是否超出历史阈值，并在超出历史阈值时进行显示。
优选地，所述超标判断单元包括：过滤模块，用于对接收的环境监测系统所检测到的污染物地面浓度信号进行过滤，得到去除干扰的各种污染物地面浓度值；比较模块，用于将排出干扰的各种污染物地面浓度值与历史阈值进行比较，若高于历史阈值则将其发送给数据传输与展示系统进行显示。
优选地，过滤模块通过对污染物地面浓度信号进行平滑处理，过滤到瞬时峰值，得到所述去除干扰的各种污染物地面浓度值。
优选地，所述监测设备还包括最高污染浓度单元，用于获取并保存最高污染浓度。
优选地，最高污染浓度单元包括：检测模块，用于已知最大污染物地面浓度，对当前环境监测系统输出的污染物地面浓度进行检测，得到检测值；保存模块，用于在所述检测值大于已知最大污染物地面浓度时，保存该检测值，并将该检测值作为下一个已知最大污染物地面浓度。
优选地，大数据平台支持系统利用从气象监测系统得到地面原排放高度处的平均风速U、垂直于平均风向的水平横向扩展参数σy、初始化横向扩展参数σy、铅直扩展参数σz、无组织污染有效高度He，以及从环境监测系统得到的污染物地面浓度值C，计算出污染物排放量Q。
优选地，所述大数据平台支持系统的扩展模型为：
优选地，大数据平台支持系统包括合成单元，用于将视频采集系统采集的视频图像和环境监测系统获取的污染物地面浓度值合成在一起。
优选地，所述合成单元将从环境监测系统提取的污染物地面浓度值以及地理数据添加到视频采集系统采集的视频图像中。
本发明的技术效果在于：通过监测设备在城市道路、厂区周边等地对污染物的浓度进行采集、监测与扩散模型的分析评估，对于防治和采取补救措施等起到了极大的辅助作用，尤其是监测设备上配备的各种污染物扩散模型系统，可在不同点位开展预测，并在行车走航过程中进行实时预测分析。
附图说明
图1是本发明的一种可实时监测污染物浓度及扩散范围的监测设备的结构的示意图；
图2是本发明的一种可实时监测污染物浓度及扩散范围的监测设备的结构的实施例一的示意图；
图3是本发明的一种可实时监测污染物浓度及扩散范围的监测设备的结构的实施例二的示意图；
图4是本发明的一种可实时监测污染物浓度及扩散范围的监测设备的结构的实施例一的超标判断单元的结构示意图；
图5是本发明的一种可实时监测污染物浓度及扩散范围的监测设备的结构的实施例二的最高污染浓度单元的结构示意图。
具体实施方式
图1显示了本发明的一种可实时监测污染物浓度及扩散范围的监测设备，包括：安装在监测车上的气象监测系统，用于采集各种气象参数的气象数据，例如地面原排放高度处的平均风速U、垂直于平均风向的水平横向扩展参数σy、初始化横向扩展参数σy、铅直扩展参数σz、无组织污染有效高度He等等；安装在监测车上的视频采集系统，用于对采集现场的进行全方位拍摄，得到现场的视频图像，，以便得到污染的视频证据；安装在监测车上的环境监测系统，用于利用各种传感器获取各种污染物地面浓度值，车体上可以安装各种传感器，比如可监测大气环境常的PM10、PM2.5、二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳、臭氧；以及恶臭、TVOC、NH3、H2S、HCl、甲硫醇、甲硫醚，具体污染物可根据待测组份不同进行传感器的添加与置换。其中，PM10和PM2.5的解析精度精至0.001mg/m3，二氧化硫、氮氧化物和臭氧的监测精度可达到1ppb，而一氧化碳的监测精度达到了0.1ppb；安装在监测车上的大数据平台支持系统，用于根据预存的扩展模型以及所述气象数据及污染物地面浓度，计算污染物的污染物排放量，从而计算污染物扩散范围；安装在监测车上的数据传输与展示系统，用于展示所得的视频图像及污染物地面浓度值，以及污染物扩散范围。
在第一实施例中，本发明的环境监测系统首先将传感器得到污染物地面浓度的模拟信号模数转换处理后，得到污染物地面浓度的数据；然后在大数据平台系统中，将其输入到扩散模型中，从而计算出污染物排放量；然后通过在不同位置进行测量，即可以得到污染物扩散范围。
此外，大数据平台系统中还设有合成模块，用于将测量的污染物地面浓度数据与视频系统拍摄的视频图像合成在一起，即将污染物地面浓度数据模拟到发生污染的视频图像中，以便作为追究责任的证据。
图2显示了本发明的一种可实时监测污染物浓度及扩散范围的监测设备的第一实施例，在该实施例中，环境监测系统输出两种数据，一种是与第一实施例相同的污染物地面浓度数据；一种是传感器输出经由超标判断单元处理的数据，超标判断单元用历史阈值作为标准对当前采集的污染物地面浓度进行衡量，以便判断是否超出历史阈值，并在超出历史阈值时进行显示。
图4显示了该超标判断单元的电路结构，可以包括过滤模块，用于对接收的环境监测系统所检测到的污染物地面浓度信号进行过滤，得到去除干扰的各种污染物地面浓度值；比较模块，用于将排出干扰的各种污染物地面浓度值与历史阈值进行比较，若高于历史阈值则将其发送给数据传输与展示系统进行显示。
一般来说，过滤模块通过对污染物地面浓度信号进行平滑处理，过滤到瞬时峰值，得到所述去除干扰的各种污染物地面浓度值。
图3显示了本申请的一种可实时监测污染物浓度及扩散范围的监测设备的第二实施例，该实施例除了可以有超标判断电路之外，还可以有最高污染浓度单元；前者用于将稳定的污染物地面浓度与标准值进行比较，以判断是否超标，并在超标时进行报警处理；后者则是记录最大值，而不是记录超标值，只有当浓度值大于历史最高值时，才进行记录。
图5显示了最高污染浓度单元的结构，其包括：检测模块，用于已知最大污染物地面浓度，对当前环境监测系统输出的污染物地面浓度进行检测，得到检测值；保存模块，用于在所述检测值大于已知最大污染物地面浓度时，保存该检测值，并将该检测值作为下一个已知最大污染物地面浓度。
该最高污染浓度单元的检测模块利用已知最大污染物地面浓度对当前的污染物地面浓度进行检测，并且不断的更新已知最大污染物地面浓度，即用最新的最大污染物地面浓度来替代过去的值，从而总是保存最高的污染物地面浓度。
通常，大数据平台支持系统利用从气象监测系统得到地面原排放高度处的平均风速U、垂直于平均风向的水平横向扩展参数σy、初始化横向扩展参数σy、铅直扩展参数σz、无组织污染有效高度He，以及从环境监测系统得到的污染物地面浓度值C，计算出污染物排放量Q。
此外，大数据平台支持系统的扩展模型为：
这样，就可以利用传感器检测的污染物浓度计算出污染物排放量Q。
另一方面，也可以建立预先建立污染物地面浓度值C与污染物排放量Q的对应关系，形成查找列表，通过查找得到污染物排放量Q。
此外，大数据平台支持系统包括合成单元，用于将视频采集系统采集的视频图像和环境监测系统获取的污染物地面浓度值合成在一起。合成单元将从环境监测系统提取的污染物地面浓度值以及地理数据添加到视频采集系统采集的视频图像中。
本发明集多种功能和优点于一体，相比于现市面上在用的监测装置，本发明可进行应急监测、也可作为常规巡查监测，并根据监测结果和扩散模型来计算污染物的扩散情况，在污染事故中准确找到污染源，并提供相应解决方法。特种车作为所有移动设备的载体，可根据需求及时抵达任何指定监测地点，而且为监测设备提供电源，并设有会议桌和视频设备，必要时可做指挥车使用。
本发明内置的算法模块可对污染物扩散进行溯源分析，通过对模型进行反推，得出污染物扩散基础条件等信息，以高斯扩撒模型为例进行说明：
高斯扩散模式是目前应用得最为广泛、验证得最为充分、拓展得最为深入的大气污染物扩散模式。其核心思想是大气污染物沿风向传输的过程中，在垂直与水平方向上均服从高斯统计分布。根据高斯模式的基本形式，在有风气象条件下，面源下风向地面污染物浓度可按下式计算：
将(1)式进行反推，即以浓度C为自变量，污染物排放量Q为因变量；同时，认为浓度C均在平均风向轴线上，即Y＝0。得到高斯反推模式如下：
式中：C——污染物地面浓度，mg/m3；
Q——单位时间污染物排放量，mg/s；
Y——地面浓度点与通过污染源的平均风向轴线在水平面上的垂直距离，m；
U——污染源排放高度处的平均风速，m/s；
σy——垂直于平均风向的水平横向扩散参数，m；
σy0——初始化横向扩散参数，m，可选取σy0＝Ly/4，Ly为无组织源在Y方向的长度；
σz——铅直扩散参数，m；
He——无组织污染源有效高度，m。
而扩散参数σy、σz可表达为：
式中，α1——横向扩散参数回归指数；α2——铅直扩散参数回归指数；γ1——横向扩散参数回归系数；γ2——铅直扩散参数回归系数；X——距大气污染源下风方向水平距离，m。
本发明与传统的移动式车载监测装置的不同之处在于集成性与时效性强、可实时定点或移动采集、监测、显示并预测污染物浓度水平与扩散范围，操作方便。而且本发明采用定型成熟的新能源车体，节能环保，更符合大气环境监测的实际需求，并创新性的将强大的开放式数据库接入服务，装备环保大数据决策支持平台及会议指挥通讯系统，具备实时监测、监控预警、预测模拟、溯源分析及应急指挥等功能。
尽管上文对本发明进行了详细说明，但是本发明不限于此，本技术领域技术人员可以根据本发明的原理进行各种修改。因此，凡按照本发明原理所作的修改，都应当理解为落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种可实时监测污染物浓度及扩散范围的监测设备，包括：
安装在监测车上的气象监测系统，用于采集各种气象参数的气象数据；
安装在监测车上的视频采集系统，用于对采集现场的进行全方位拍摄，得到现场的视频图像；
安装在监测车上的环境监测系统，用于利用各种传感器获取各种污染物地面浓度值；
安装在监测车上的大数据平台支持系统，用于根据预存的扩展模型以及所述气象数据及污染物地面浓度，计算污染物的污染物排放量，从而计算污染物扩散范围；
安装在监测车上的数据传输与展示系统，用于展示所得的视频图像及污染物地面浓度值，以及污染物扩散范围。
2.根据权利要求1所述的监测设备，其中，还包括超标判断单元，用于判断当前采集的污染物地面浓度是否超出历史阈值，并在超出历史阈值时进行显示。
3.根据权利要求2所述的监测设备，其中，所述超标判断单元包括：
过滤模块，用于对接收的环境监测系统所检测到的污染物地面浓度信号进行过滤，得到去除干扰的各种污染物地面浓度值；
比较模块，用于将排出干扰的各种污染物地面浓度值与历史阈值进行比较，若高于历史阈值则将其发送给数据传输与展示系统进行显示。
4.根据权利要求3所述的监测设备，其中，过滤模块通过对污染物地面浓度信号进行平滑处理，过滤到瞬时峰值，得到所述去除干扰的各种污染物地面浓度值。
5.根据权利要求4所述的监测设备，其中，还包括最高污染浓度单元，用于获取并保存最高污染浓度。
6.根据权利要求5所述的监测设备，其中，最高污染浓度单元包括：
检测模块，用于已知最大污染物地面浓度，对当前环境监测系统输出的污染物地面浓度进行检测，得到检测值；
保存模块，用于在所述检测值大于已知最大污染物地面浓度时，保存该检测值，并将该检测值作为下一个已知最大污染物地面浓度。
7.根据权利要求5所述的监测设备，其中，大数据平台支持系统利用从气象监测系统得到地面原排放高度处的平均风速U、垂直于平均风向的水平横向扩展参数σY、初始化横向扩展参数σY、铅直扩展参数σZ、无组织污染有效高度He，以及从环境监测系统得到的污染物地面浓度值C，计算出污染物排放量Q。
8.根据权利要求7所述的监测设备，其中，所述大数据平台支持系统的扩展模型为：
9.根据权利要求8所述的监测设备，其中，大数据平台支持系统包括合成单元，用于将视频采集系统采集的视频图像和环境监测系统获取的污染物地面浓度值合成在一起。
10.根据权利要求9所述的监测设备，其中，所述合成单元将从环境监测系统提取的污染物地面浓度值以及地理数据添加到视频采集系统采集的视频图像中。
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