CN112485319A - 大气环境走航监测方法及信息处理方法、装置、监测车 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种大气环境走航监测方法及信息处理方法、装置、监测车，其中走航监测方法包括：步骤S1：进行一次走航，依次采集走航路径上各取样点的VOCs浓度、气溶胶浓度和臭氧浓度，并输入至训练好的第一模型中，分别得到各取样点的目标VOCs浓度；步骤S2：按照走航路径再进行一次走航，依次采集走航路径上各取样点的实际VOCs浓度以及风速和风向信息，计算得到本次走航各取样点的实际VOCs浓度和由第一模型输出的目标VOCs浓度的差值；步骤S3：判断各差值是否超过设定阈值，如为是，则将对应取样点的风速、风向和差值输入至训练好的第二模型中，得到对应于该取样点的潜在污染源的位置信息。与现有技术相比，本发明具有提高污染溯源准确性等优点。

Description

大气环境走航监测方法及信息处理方法、装置、监测车
技术领域
本发明涉及大气环境监测领域，尤其是涉及一种大气环境走航监测方法及信息处理方法、装置、监测车。
背景技术
挥发性有机物(Volatile organic compounds，VOCs)是形成臭氧(O3)和细颗粒物(PM2.5)污染的重要前体物，成分复杂、来源广泛。大部分VOCs及其光化学产物具有生物毒性，有些还具有致癌、致畸、致突变效应，严重威胁人类生命安全。近年来，在NOx，SOx被大幅减排的大趋势下，VOCs总排放量仍呈增长趋势，对大气环境影响日益突出。VOCs排放到大气环境中之后，会引发一系列的氧化自由基导致的光化学反应，形成臭氧(O3)和细颗粒物(PM2.5)污染，且部分VOCs会产生恶臭。
为进一步改善环境空气质量，打好蓝天保卫战，迫切需要全面加强VOCs污染防治工作。VOCs在线监测，可以实时反映污染物的时空变化，为评估其污染程度和治理效果提供实验手段和数据支撑，然而，环境中VOCs受气流及大气稀释作用，浓度、物种变化速度快，这对分析仪器提出了很高的要求。在大气方面，传统的环境监测手段为“空气质量自动监测站”污染物浓度和种类实时监测。该模式下的监测为固定点位监测，前期投入成本大、审批过程繁杂、耗费物资多、设备维护难度大、监测数据种类少等不足。如果需要精准对于污染源进行溯源，需要设计大量的监测站，无疑极大的提高了成本。
为了解决以上问题，一些现有技术通过探索走航的方式降低成本，例如中国专利CN108415038A公开了一种车载移动式VOCs和恶臭气体质谱仪及污染源精准锁定系统，包含气体进样系统，离子源产生器，反应器，质谱测量仪，气象参数测量仪，GPS/北斗定位系统，自动采样模块。通过控制与采集软件对整机的气压、温度、流量、电压、电流、质谱状态等参数进行监测和控制，保障气体进样系统，离子源产生器，反应器，质谱测量仪，GPS/北斗定位系统等子系统的监控和运行控制。溯源分析软件系统通过质谱仪测量的数据，GPS信息，气象参数信息结合区域VOCs特征数据库，对污染高值点进行快速分析和来源解析。溯源分析软件系统提供解析结果对疑似污染排放点进行采样保存，固定污染排放证据。
然而，包括上述精准锁定系在内的走航方式的检测系统，都无法利用时序信息，因此在溯源环节往往不精准，此外，现有的VOCs溯源系统也无法忽略了各成分之间的相关性，没有考虑到VOCs与气溶胶、臭氧浓度的相互转化对于VOCs浓度变化的影响，也导致VOCs的溯源的不准确。
发明内容
本发明的一方面是为了提供一种大气环境走航监测方法及信息处理方法、装置、监测车，在考虑了VOCs与气溶胶、臭氧浓度的相互转化的同时，利用两次同轨迹走航取得VOCs浓度的时序信息进行污染源的定位，从而大大提高了溯源的准确性。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种大气环境走航监测方法，包括：
步骤S1：按照预配置的第一走航路径进行一次走航，依次采集所述第一走航路径上各取样点的VOCs浓度、气溶胶浓度和臭氧浓度，并将采集到的各取样点的VOCs浓度、气溶胶浓度和臭氧浓度输入至训练好的第一模型中，分别得到预设时间间隔后各取样点的目标VOCs浓度；
步骤S2：按照所述第一走航路径再进行一次走航，依次采集所述第一走航路径上各取样点的实际VOCs浓度以及风速和风向信息，并计算得到本次走航各取样点的实际VOCs浓度和由第一模型输出的目标VOCs浓度的差值；
步骤S3：判断对应于各取样点的所述差值是否超过设定阈值，如为是，则将该取样点的风速、风向和所述差值输入至训练好的第二模型中，得到对应于该取样点的潜在污染源的位置信息。
进一步的，两次走航的时间间隔与所述预设时间间隔一致。
进一步的，所述气溶胶浓度包括PM2.5浓度和PM10浓度。
为了进一步提高溯源的准确性，所述方法还包括：
步骤S4：根据各潜在污染源的位置信息编制第二走航路径，并进行一次走航，依次采集第二走航路径上各取样点的VOCs浓度，并判断VOCs浓度是否超标，若为是，则将与该取样点位置距离最近的潜在污染源的位置信息输出。
更进一步的，如果各潜在污染源位置可达的情况下，所述第二走航路径为串接各潜在污染源的路径。
本发明的另一方面在于，提供一种可以由计算机程序实现的大气环境走航监测信息处理方法，从而实现可以单人单车实现走航任务，具体的，该信息处理方法包括：
接收到第一指令后，响应于该第一指令，接收第一走航路径上各取样点的VOCs浓度、气溶胶浓度和臭氧浓度；
接收到第二指令后，响应于该第二指令，停止接收，并将接收到的各取样点的VOCs浓度、气溶胶浓度和臭氧浓度输入至训练好的第一模型中，分别得到预设时间间隔后各取样点的目标VOCs浓度；
当距离接收到第一指令达到所述预设时间间隔后，发出提示信号，并接收第一走航路径上各取样点的VOCs浓度以及风速和风向信息，并计算得到本次接收的各取样点的实际VOCs浓度和由第一模型输出的目标VOCs浓度的差值；
判断对应于各取样点的所述差值是否超过设定阈值，如为是，则将该取样点的风速、风向和所述差值输入至训练好的第二模型中，得到对应于该取样点的潜在污染源的位置信息。
进一步的，所述气溶胶浓度包括PM2.5浓度和PM10浓度。
本发明的又一方面在于提供一种大气环境走航监测信息处理装置及走航监测车，其中走航监测信息处理装置包括存储器、处理器，以及存储于所述存储器中并由所述处理器执行的程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现上述的信息处理方法。
走航监测车则包括载体车辆，以及安装于所述载体车辆上的大气参数采集装置和上述信息处理装置。
进一步的，所述大气参数采集装置包括飞行时间质谱仪、激光雷达、臭氧监测仪和气象五参数监测仪。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1)在考虑了VOCs与气溶胶、臭氧浓度的相互转化的同时，利用两次同轨迹走航取得VOCs浓度的时序信息进行污染源的定位，从而大大提高了溯源的准确性。
2)根据各潜在污染源的位置信息编制第二走航路径，再进一步走航监测，避免了误判，提高了溯源准确性。
3)通过计时和指令输入控制，可以实现单人单车完成走航监测任务，极大地提高了效率。
4)采用飞行时间质谱仪，可以提高在走航过程中VOCs的采样精度，从而提高溯源准确性。
附图说明
图1为本发明的检测方法的流程示意图；
图2为本发明其中一个实施例中的走航方式示意图；
图3为本发明其中一个实施例中临时任务执行示意图；
其中：1、走航监测车，101、第一走航路径。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
一种大气环境走航监测方法，如图1所示，包括：
步骤S1：按照预配置的第一走航路径进行一次走航，依次采集第一走航路径上各取样点的VOCs浓度、气溶胶浓度和臭氧浓度，并将采集到的各取样点的VOCs浓度、气溶胶浓度和臭氧浓度输入至训练好的第一模型中，分别得到预设时间间隔后各取样点的目标VOCs浓度，其中，在本申请的一个实施例中，气溶胶浓度包括PM2.5浓度和PM10浓度，第一模型可以采用卷积神经网络模型，第一模型的训练过程，使用相隔同样预设时间间隔的VOCs浓度、气溶胶浓度和臭氧浓度作为训练集数据，预设时间间隔则为10-30分钟；
步骤S2：按照第一走航路径再进行一次走航，依次采集第一走航路径上各取样点的实际VOCs浓度以及风速和风向信息，并计算得到本次走航各取样点的实际VOCs浓度和由第一模型输出的目标VOCs浓度的差值，其中，两次走航的时间间隔与预设时间间隔一致；
步骤S3：判断对应于各取样点的差值是否超过设定阈值，如为是，则将该取样点的风速、风向和差值输入至训练好的第二模型中，得到对应于该取样点的潜在污染源的位置信息，其中，第二模型可以采用卷积神经网络模型或长短期记忆模型，第二模型的训练过程，使用指定污染源位置下的VOCs变化值、风俗、风向作为训练集数据，其中，设定阈值为目标VOCs浓度的5％-10％。
为了进一步提高溯源的准确性，在本申请的一个实施例中，方法还包括：步骤S4：根据各潜在污染源的位置信息编制第二走航路径，并进行一次走航，依次采集第二走航路径上各取样点的VOCs浓度，并判断VOCs浓度是否超标，若为是，则将与该取样点位置距离最近的潜在污染源的位置信息输出。
基于上述实施例的方式对某地进行实地试验监测，污染源的漏检率为0，误检率降低了30％。
此外，在本申请的其他实施例中，如图2所示，走航监测车1可以有多辆，对于第一走航路径101，多辆走航监测车1可以依次走航，从而在第一走航路径101过长时缩短两次走航的间隔时间，从而目标VOCs浓度的预测准确度。
更进一步的，如果各潜在污染源位置可达的情况下，第二走航路径为串接各潜在污染源的路径。
在本申请的另一方面，在某些实施例中，提供一种可以由计算机程序实现的大气环境走航监测信息处理方法，从而实现可以单人单车实现走航任务，具体的，该信息处理方法包括：
接收到第一指令后，响应于该第一指令，接收第一走航路径上各取样点的VOCs浓度、气溶胶浓度和臭氧浓度；
接收到第二指令后，响应于该第二指令，停止接收，并将接收到的各取样点的VOCs浓度、气溶胶浓度和臭氧浓度输入至训练好的第一模型中，分别得到预设时间间隔后各取样点的目标VOCs浓度；
当距离接收到第一指令达到预设时间间隔后，发出提示信号，并接收第一走航路径上各取样点的VOCs浓度以及风速和风向信息，并计算得到本次接收的各取样点的实际VOCs浓度和由第一模型输出的目标VOCs浓度的差值；
判断对应于各取样点的差值是否超过设定阈值，如为是，则将该取样点的风速、风向和差值输入至训练好的第二模型中，得到对应于该取样点的潜在污染源的位置信息。
走航监测车1则包括载体车辆，以及安装于所述载体车辆上的大气参数采集装置和上述信息处理装置。
大气参数采集装置包括飞行时间质谱仪、激光雷达、臭氧监测仪和气象五参数监测仪，具体的，搭载的设备及数量如表1所示：
表1
Figure BDA0002731988860000061
此外，本申请载体车辆采用专用底盘车进行整车改制而成，主要用于现场的环境监测等功能。走航车改装遵循“机动灵活、安全可靠、高效实用、节能环保、舒适便捷”的设计要求，在原车的基础上，将现代通讯技术、网络技术、电子技术、车载供配电等各种技术有机结合，互相补充、为现场监测提供保障。
本项目提供的大气参数采集装置实时在线VOCs和颗粒物全谱走航监测解决方案，走航速度最高可达100km/h，可在“城市—多个园区—城市”走航，实现园区内部的“精耕细作”，也可察看城市整体的VOCs和颗粒物排放分布。也可以在一天内在“城市—城市”之间走航，实现城市间VOCs和颗粒物的对比，快速高效的走航不仅加强城市环境应急能力和预警水平，同时为环境污染防控提供更为及时有效的决策支持。
本申请采用飞行时间质谱仪PTRTOFMS与激光雷达等技术进行“大气污染源快速溯源”，可同时捕捉大气中的VOCs组分和NOx组分等，并对所采集的污染物数据进行模拟分析，再对监测到的污染源进行后续人工现场精准核查，实现“移动监测走航大气污染物快速溯源”的监测模式，第一时间发现污染源，第一时间溯源定位分析，从根源出发，大大增强污染源溯源的时效性和精准性。
将高时间分辨的质子转移反应-飞行时间质谱仪改装放置在监测车上，以60-100km/h的速度边行驶边监测，实现对所经路径上VOCs秒级乃至亚秒级连续在线监测，同时结合GIS地理信息、可视化动态呈现总挥发性有机物浓度以及各特征监测因子浓度的三维时空分布及变化。该系统行车监测方便，道路适应能力强，无需担心限高困扰，是环保监测领域科学监测科技督查的利器。
根据走航路径，可同时获得该线路范围内环境空气的VOCs(挥发性有机化合物组分)与PM2.5、PM10浓度含量以及沿线的浓度变化三维数据，利用走航数据溯源，可快速定位污染源，并获得相关污染浓度相关数据。
此外，本申请也可以被用于固定探测模式：
移动走航车即可以走航监测，还可以实现固定位置对污染区域或污染源进行长时间的监测，可以获得该监测点位的时间分布数据，以便对污染物进行时间轴分布的分析，找到污染规律以及污染变化趋势，是瞬时污染释放还是持续不断的生成；
采用走航监测VOCs数据以及颗粒物浓度数据，勾勒各监测因子的空间分布和时间分布图，掌握污染物在时间和空间上面的序列分布，从而对污染物进行溯源。另外利用VOCs的实时数据和颗粒物的动态数据，可以建立VOCs与气溶胶、臭氧浓度及转化的模型，对大气预警预报具有指导性的作用。
如图3所示，本申请在后续走航过程中，根据前期结果设计精确走航路线，‘不走冤枉路’，针对重点位置展开反复排查。走航时根据仪器响应时间出数后再前进，直至锁定区域一个或者多个浓度高点。记录高点浓度的信号强度、走航第几分钟、地理位置，当时风向、风速信息。
本申请既可在重点园区“精耕细作”，落实问题企业偷排漏排情况，也可获得区域VOCs和NOx、O3分布特征，以及解决污染/异味溯源的难题，从而找到来源，精准打击，解决居民投诉问题，恶臭气体聚集导致局部空气污染严重，产生的臭味、异味扰民进而引发环境污染投诉，各地环境监管部门面临较大社会舆论压力。走航监测车在日常巡检过程中发现异常污染区域(浓度异常，异味投诉)，利用在线溯源技术开展精准溯源，精准打击和管控。
本申请走航监测车可以搭载丰富的传感器，还具有以下优势：
1、测的快——以高达100km/h的速度‘边走边测’；每秒10张谱图(每0.1秒出一个浓度)。
2、定量准——‘闻一知十’，只需对少量VOCs标样进行定期测量，即可对谱图上测得的绝大部分信号进行定量或者半定量分析。
3、范围广——适合复杂多种VOCs排放的分析场景：
·烯烃
·芳香烃、苯系物
·含氧化合物：醇、醛、酮、有机酸等等
·含氮化合物：腈、有机胺、酰胺
·硫化物：硫化氢、有机硫等
·卤带烃：含氯，含氟等
4、简单测——直接进样，实时定性定量。
5、灵敏度高——独有的Vocus PTR离子源和漂移管设计大幅减少了待测物器壁损失，从而带来相对其他商用PTR-MS多达十倍的灵敏度。
6、低检测限——高灵敏度和低背景干扰成就了在秒为时间单位的实时监测案例中的亚ppt级的检测限。
7、高质量分辨率——高达7000质量解析度：可有效分离同量异素体
8、准确测——化学软电离反应，很少或几乎无碎片，保持目标物分子特征。
9、灵活性好——客户化定制，根据客户的要求，可定制Vocus PTR-TOF的硬件和软件。
10、定性好——符合野外测量的硬件标准：紧凑，耐用的硬件设计充分保障了在外场测量中的仪器性能。
11、维护少——耗材少，运维成本低。

Claims (10)

1.一种大气环境走航监测方法，其特征在于，包括：
步骤S1：按照预配置的第一走航路径进行一次走航，依次采集所述第一走航路径上各取样点的VOCs浓度、气溶胶浓度和臭氧浓度，并将采集到的各取样点的VOCs浓度、气溶胶浓度和臭氧浓度输入至训练好的第一模型中，分别得到预设时间间隔后各取样点的目标VOCs浓度；
步骤S2：按照所述第一走航路径再进行一次走航，依次采集所述第一走航路径上各取样点的实际VOCs浓度以及风速和风向信息，并计算得到本次走航各取样点的实际VOCs浓度和由第一模型输出的目标VOCs浓度的差值；
步骤S3：判断对应于各取样点的所述差值是否超过设定阈值，如为是，则将该取样点的风速、风向和所述差值输入至训练好的第二模型中，得到对应于该取样点的潜在污染源的位置信息。
2.根据权利要求1所述的一种大气环境走航监测方法，其特征在于，两次走航的时间间隔与所述预设时间间隔一致。
3.根据权利要求1所述的一种大气环境走航监测方法，其特征在于，所述气溶胶浓度包括PM2.5浓度和PM10浓度。
4.根据权利要求1所述的一种大气环境走航监测方法，其特征在于，所述方法还包括：
步骤S4：根据各潜在污染源的位置信息编制第二走航路径，并进行一次走航，依次采集第二走航路径上各取样点的VOCs浓度，并判断VOCs浓度是否超标，若为是，则将与该取样点位置距离最近的潜在污染源的位置信息输出。
5.根据权利要求4所述的一种大气环境走航监测方法，其特征在于，所述第二走航路径为串接各潜在污染源的路径。
6.一种大气环境走航监测信息处理方法，其特征在于，包括：
接收到第一指令后，响应于该第一指令，接收第一走航路径上各取样点的VOCs浓度、气溶胶浓度和臭氧浓度；
接收到第二指令后，响应于该第二指令，停止接收，并将接收到的各取样点的VOCs浓度、气溶胶浓度和臭氧浓度输入至训练好的第一模型中，分别得到预设时间间隔后各取样点的目标VOCs浓度；
当距离接收到第一指令达到所述预设时间间隔后，发出提示信号，并接收第一走航路径上各取样点的VOCs浓度以及风速和风向信息，并计算得到本次接收的各取样点的实际VOCs浓度和由第一模型输出的目标VOCs浓度的差值；
判断对应于各取样点的所述差值是否超过设定阈值，如为是，则将该取样点的风速、风向和所述差值输入至训练好的第二模型中，得到对应于该取样点的潜在污染源的位置信息。
7.根据权利要求6所述的一种大气环境走航监测信息处理方法，其特征在于，所述气溶胶浓度包括PM2.5浓度和PM10浓度。
8.一种大气环境走航监测信息处理装置，包括存储器、处理器，以及存储于所述存储器中并由所述处理器执行的程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求6或7所述的方法。
9.一种大气环境走航监测车，包括载体车辆，以及安装于所述载体车辆上的大气参数采集装置，其特征在于，还包括如权利要求8所述的信息处理装置。
10.根据权利要求9所述的一种大气环境走航监测车，其特征在于，所述大气参数采集装置包括飞行时间质谱仪、激光雷达、臭氧监测仪和气象五参数监测仪。
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