WO2021057030A1 - 一种车载式走航溯源监测系统 - Google Patents

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郑龙飞
周德荣
李时政
王丽玮
谢郁宁
蒋琳
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Abstract

一种车载式走航溯源监测系统，包括设置在流动监测车上的臭氧及VOCs一体式监测仪（16），能直接对大气中的臭氧、挥发性有机物VOCs进行在线监测，并对有毒有害气体、异味特征污染物的类别，危害程度进行定性定量分析；同时通过额外搭载的积尘负荷监测仪（19），还可对所经道路上扬尘浓度的分布状况进行分析监测，有利于环卫重点工作的开展；该走航溯源监测系统，设备机动性好、监测范围广、监测精确度好、监测系统可以随时出动对任何区域进行臭氧及VOCs监测，也可以边走航边监测，监测覆盖面广。

Description

一种车载式走航溯源监测系统 技术领域
本实用新型属于城市工业源挥发性有机物检测领域，更具体地说，涉及一种针对化工园区的臭氧及VOCs走航溯源系统。
背景技术
近年来臭氧污染问题逐渐凸显，尤其是各类化工园区和工业集聚区已经成为大气气态污染物重要的固定排放源，但化工园区存在污染底数不清、企业有组织/无组织排放成分不明等问题，导致可移动的大气污染气体监测系统需求日趋明显。
目前针对化工园区的臭氧及VOCs(挥发性有机物)污染物监测主要有三种模式。第一种模式是单台单点监测，单台定点监测是将臭氧或VOCs设备安装在某一个固定地点进行在线监测。比如，公开(公告)号为CN207366528U，公开(公告)日为2018-05-15的中国实用新型专利，公开了一种挥发性有机物在线监测设备，包括柜体，柜体通过铰链与柜门固定连接，柜体内水平设有多层隔板，每层隔板上均开设有透气孔，隔板上表面固定连接有监测装置，监测装置包括处理器、控制单元、信息采集单元、电源模块、通讯单元、输出单元、输入单元和数据存储单元，柜体背面的底部固定连接有进气管，进气管靠近柜体的一端设置有第一电磁阀，进气管远离柜体的一端固定连接有吹气管，吹气管的中部设置有第二电磁阀，吹气管远离进气管的一端固定连接有自动反吹清洗器，进气管的一侧固定连接有出气管；该实用新型的优点在于：实现自动化控制，减轻人力负担，使用方便，提高了检修效率，便于检修，但是，其只能提供单点监测模式，只能评价局部大气状况，无法说清污染来源。
第二种模式是多台设备多点位组网监测，组网监测是通过整体规划，在化工园区的企业厂区或批量网格点位安装臭氧或VOCs监测仪器，并通过网络把所有监测的污染气体数据都集成服务器上进行大数据综合分析。比如，公开(公告)号为CN205449930U，公开(公告)日为2016-08-10的中国实用新型专利，公开了一种基于无线云传感网的大气污染物在线监测设备和系统。本实用新型通过利用无线云传感网的云平台的特性，为大气污染物在线监测设备设置无线传感网通信模块，将其接入到无线云传感网中，并实时地向云服务器上传大气污染物的监测信息，并接收用户通过云服务器下达的控制指令。由此，可以自动远程进行大气污染物的在线监测，并对监测设备进行远程监控。该网监测模式虽然能反映区域的整体情况，但大批量建设成本较高，且无法应对突发状况，实现能应急监测。
第三种模式是单套设备的移动监测，通过将臭氧或VOCs设备搭载在移动载体上(汽车)进行行进间监测，在此基础上叠加GPS实时位置信息来获取路径上的污染物浓度。比如，公 开(公告)号为CN105021691A，公开(公告)日为2015-11-04的中国发明专利申请文件，公开了一种基于流动监测车的挥发性有机物在线质谱检测系统及方法，所述系统包括流动监测车和挥发性有机物在线质谱仪；所述流动监测车的内部设置有驾驶室、工作区、功能区和仪器区；所述挥发性有机物在线质谱仪为单光子电离飞行时间质谱仪，其放置在功能区内，用于实现工业源挥发性有机物排放的实时在线定性定量分析。该监测车可以检测出工业源挥发性有机物的组成和浓度，同时能够在无需样品前处理条件下直接快速测样，实现高通量样品分析，并且在走航模式下也可以对污染源挥发性有机物排放进行检测，进而表征挥发性有机物组成和浓度在较高时间分辨率下随时间排放情况。但是其移动监测模式受限于传统仪器的低时间分辨率和监测因子的单一性，无法做到对同时对多种污染物快速溯源响应，系统性和效率值较差。
大气环境中的臭氧是由臭氧前体物(主要为VOCs和氮氧化物)在一定气象条件下经历一些列复杂的光化学反应产生，所以控制化工园区臭氧污染除了弄清楚区域臭氧高值区外，同时需要对臭氧前体物，即氮氧化物和VOCs排放进行监测，进而精准追溯。因此，要发明一种针对化工园区的臭氧及VOCs走航溯源系统，在应急状态或日常查源下对排放的高值区域进行移动、密集监测，为追本溯源提供数据依据，同时基于污染数据车载服务器匹配相应的扩散模型快速识别出园区污染企业，对该污染企业进行有效管控，最终通过溯源监测与预警，构建多业务共享协同的园区管治体系，提高系统化、科学化、精细化和信息化管理水平。
发明内容
1.要解决的问题
本实用新型的目的是提供一种针对化工园区的车载式走航溯源监测系统，能够快速排查臭氧、VOCs及有毒有害气体、异味特征气体高值区域；
目的之二是将气象仪、TVOC传感器、多成分气体监测仪、积尘负荷监测仪及红外摄像头合理的集成在一起，避免仪器之间相互干扰，影响监测结果。
2.技术方案
为了解决上述问题，本实用新型所采用的技术方案如下：
一种车载式走航溯源监测系统，包括流动监测车，所述流动监测车上安装有GPS卫星定位系统，流动监测车内部设有仪器设备室，所述仪器设备室内前部设置有工作平台，后部设置有臭氧及VOCs一体式监测仪(对大气中的臭氧、挥发性有机物进行监测，支持扩展有毒有害和异味特征物质的浓度监测)、积尘负荷监测仪(走航过程中兼顾对道路上的积尘等粗颗粒物的测量)以及供电系统(可以为蓄电池组或者其他能够移动供电的电源)；所述流动监测车的车顶平台设置有红外摄像机、气象仪以及TVOC传感器；
所述流动监测车还设置有采样总管，所述采样总管中部设置有分离隔板，所述分离隔板 将采样总管分隔为互不相通的上采样支路与下采样支路；上采样支路的上端穿出流动监测车的车顶平台与外部大气联通，下采样支路的下端穿出流动监测车的车厢底板与外部大气联通。具体来说流动监测车的车顶平台开设有采样孔，采样总管的上采样支路从采样孔穿出车顶平台，并且利于法兰盘来保证上采样支路与采样孔之间的位置固定与车内环境的密封；流动监测车的车厢底板也开设有采样孔，采样总管的下采样支路从采样孔穿出车厢底板，同样利于法兰盘来保证下采样支路与采样孔之间的位置固定以及车内环境的密封；
所述臭氧及VOCs一体式监测仪与上采样支路联通，积尘负荷监测仪与下采样支路联通。臭氧及VOCs一体式监测仪、积尘负荷监测仪均自带主动式大流量的吸气泵分别经由上采样支路、下采样支路来对流动监测车外部的气体进行取样。
优选地方案，大气采样总管是可拆卸式的，便于灵活调整流动监测车内部的空间以满足不同的空间需求。
优选地方案，采样总管整个内壁涂敷有特氟龙涂层。能够尽可能避免待监测分析的气体和颗粒物的壁吸附，扰乱监测结果。
优选地方案，上采样支路穿出流动监测车的车顶平台的上端设置有防雨帽。
优选地方案，所述的臭氧及VOCs一体式监测仪及积尘负荷监测仪在安装时均加装有减震机构。减震机构可以是钢丝绳减震器也可以是橡胶垫减震器，只要能够保证设备在流动监测车行驶过程中没有硬冲击即可，保证设备正常工作。
优选地方案，工作平台内部配有工具柜。
优选地方案，所述工作平台内部安装有不间断电源设备UPS、数据处理与传输控制系统；所述不间断电源设备UPS用来配合供电系统供电。数据处理与GPS卫星定位系统、传输控制系统与臭氧及VOCs一体式监测仪、积尘负荷监测仪、红外摄像机、TVOC传感器以及气象仪相连接，所述的数据处理与传输控制系统主要包括工控机、服务器(内嵌有包含数据采集软件、分析软件以及远程登录软件的数据分析软件系统)、电脑及数据预处理软件等(可以参考文献：姚建群.吉林松原天河大桥健康监测系统综述.绿色交通,2017(7)：235-236)，用于实现GPS卫星定位系统、臭氧及VOCs一体式监测仪、积尘负荷监测仪、红外摄像机、TVOC传感器以及气象仪的数据分析处理与传输；工作平台上方的位置安装有显示器，显示器与数据处理与传输控制系统相连接，红外摄像机拍摄的图像及各仪器的实时监测数据经数据处理与传输控制系统传输到显示器，然后通过显示器显示。
优选地方案，所述仪器设备室内还设有乘客工作椅，工作椅可以在导轨上前后滑动调节。
优选地方案，所述的流动监测车上还安装有GPS卫星定位系统。GPS卫星定位系统能够将车的位置，速度及加速度等数据传递至数据处理与传输控制系统，通过数据处理与传输控 制系统直接在车辆运行轨迹上展示污染物高值的分布情况。
优选地方案，所述流动监测车内部还设置有驾驶室，所述驾驶室与仪器设备室利用隔板进行隔断，驾驶室的玻璃上增加防爆隔热膜，内饰材质防火。
优选地方案，所述的流动监测车的车辆后端为双开门，其中一侧车门安装有登顶梯。
3.有益效果
相比于现有技术，本实用新型的有益效果为：
(1)本实用新型提供的车载式走航溯源监测系统，集臭氧及VOCs一体式监测仪、积尘负荷监测仪、数据处理与传输控制系统、供电系统、视频监控系统(红外摄像机及显示器)为一体，实现了车载上装仪器设备在移动走航溯源工作模式下长时间的连续工作；
一方面依靠高时间分辨率的臭氧及VOCs一体式监测仪的实时数据结合GPS卫星定位系统，能够实现污染物的快速精准溯源确定VOCs高值浓度空间位置，同时依赖于臭氧及VOCs一体式监测仪强大功能通过驻点监测评价系统还可对有毒有害气体、异味特征污染物的类别，危害程度进行定量分析；
另一方面能实现平台展示和综合分析报告快速输出，不但能够将快速溯源和定量评价获取的数据在平台上实时展示，同时能够基于小尺度大气扩散模型判断具体因子的来源区域和潜在影响区域，输出综合的分析报告；且
走航溯源监测系统包含了视频监控系统，通过红外摄像机，与显示器的配合使用，可实时记录臭氧VOCs高值位置实景画面，保留图像资料，为执法提供有力支撑；且
通过额外搭载的积尘负荷监测仪，还可同时输出所经道路上扬尘浓度的分布状况，有利于环卫重点工作的开展；
(2)本实用新型提供的车载式走航溯源监测系统，采样总管中部设置有分离隔板，所述分离隔板将采样总管分隔为互不相通的上采样支路与下采样支路；臭氧及VOCs一体式监测仪与上采样支路联通，积尘负荷监测仪与下采样支路联通；臭氧及VOCs一体式监测仪、积尘负荷监测仪均自带主动式大流量的吸气泵分别经由上采样支路、下采样支路来对流动监测车外部的气体进行取样，能够避免两套仪器设备共用采样总管带来内部气流的混乱，影响监测结果，尤其是能够有效地避免下部气流的颗粒污染物影响臭氧及VOCs一体式监测仪的监测；
(3)本实用新型提供的车载式走航溯源监测系统，安装有GPS卫星定位系统，能够将车的位置，速度及加速度等数据传递给数据处理与传输控制系统，通过数据处理与传输控制系统直接在车辆运行轨迹上展示污染物高值的分布情况；
走航溯源车搭载的软件系统内嵌了小尺度大气扩散模型，能够实时基于监测数据对污染 物的未来扩散和传输来源进行模拟计算；
建设成本低，一套系统可以根据需要到达指定区域做监测，同时获取臭氧和VOCs浓度数据，依赖于设备自身强大功能甚至可获取有毒有害、异味特征污染物的浓度数据。只需要配备一套系统即可完成仪器组网监测方案多台仪器的监测工作。
附图说明
图1为化工园区臭氧及VOCs走航溯源系统的架构设计示意图；
图2为化工园区臭氧及VOCs走航溯源系统的侧面结构图；
图3为化工园区臭氧及VOCs走航溯源系统内部结构俯视图；
图4为多通道采样总管具体构造示意图；
图5为利用本实用新型提供的车载式走航溯源监测系统对某一化工园区进行挥发性有机物质监测的空间分布图；
图6为为利用本实用新型提供的车载式走航溯源监测系统对某一化工园区进行臭氧监测的空间分布图；
图中：1、车辆底盘；2、供电系统；3、空调；4、服务器；5、驾驶室；6、隔板；7、登顶梯；8、采样总管；9、分离隔板；10、防雨帽；11、TVOC传感器；12、上采样支路；13、下采样支路；14、红外摄像机；15、气象仪；16、臭氧及VOCs一体式监测仪；17、工作平台；18、显示器；19、积尘负荷监测仪；20、蓄电池柜；21、工作椅；22、导轨；23、驾驶室工作椅。
具体实施方式
需要说明的是，当元件被称为“安装”于另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以两元件直接为一体；当一个元件被称为“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能两元件直接为一体。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
“TVOC”为总挥发性有机物。
“VOCs”为挥发性有机物。
本文所述的“钢丝绳减震器”为现有的钢丝绳减震器(比如：广州越海阀门制造有限公司生产的，车载船载精密仪器用钢丝绳减震器，型号：ZD ZTE ZTG XHS GSG，具体安装使用方法参见使用说明书)，包括两个定位板，两个定位板中间设置有钢丝绳。使用时，其中一个定位板固定在车体面/工作平台面上，相应仪器的安装面与另一定位板固定向固定；“橡胶垫减震器”与现有的橡胶垫减震器结构一致(比如：上海青浦震新减振器厂生产的，精密仪器用橡胶垫减震器，型号：JSD-210，具体安装使用方法参见使用说明书)，包括螺栓孔与金属橡 胶复合板，安装时螺栓孔与仪器联接，金属橡胶复合板的安装孔与车体面/工作平台面联接固定。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
另外，本文所使用的“前”是以流动监测车的车头朝向为前，“后”是以流动监测车的车尾为后。
下面结合具体实施例对本实用新型进一步进行描述。
如图1和图2所示，本实用新型提供的车载式走航溯源监测系统包括流动监测车，所述流动监测车的车辆底盘1经过改装划分为仪器设备室与驾驶室5，驾驶室5与仪器设备室利用隔板6进行隔断；驾驶室5内设置有驾驶室工作椅23，驾驶室5的玻璃上增加防爆隔热膜，内饰材质防火。流动监测车后端为双开门，双开门中的一侧车门安装有登顶梯7，流动监测车的车顶平台从后往前依次布置有气体采样总管8、TVOC传感器11、红外摄像机14以及气象仪15。仪器设备室内侧壁上安装有空调3，仪器设备室前部设置工作平台17，中部设有可以在导轨22上前后滑动调节位置的工作椅21，后部设置有臭氧及VOCs一体式监测仪16、积尘负荷监测仪19以及供电系统2，另外，流动监测车上还安装有GPS卫星定位系统。
供电系统2可以是蓄电池，通过蓄电池柜20安装在仪器设备室内，当然供电系统2也可以其他可以实现移动供电的设备。
工作平台17内部安装有配合供电系统2供电的不间断电源设备UPS、数据处理与传输控制系统，并配有工具柜。数据处理与传输控制系统主要包括工控机、服务器4(内嵌有包含数据采集软件、分析软件以及远程登录软件的数据分析软件系统)电脑及数据预处理软件等(可以参考文献：姚建群.吉林松原天河大桥健康监测系统综述.绿色交通,2017(7)：235-236.)，数据处理与传输控制系统与GPS卫星定位系统、臭氧及VOCs一体式监测仪16、积尘负荷监测仪19、TVOC(总挥发性有机物)传感器、红外摄像机14以及气象仪15相连接。工作平台17上方隔墙上安装有显示器18，显示器18与数据处理与传输控制系统相连接用于红外摄像机14所拍摄的图像及臭氧及VOCs一体式监测仪16、积尘负荷监测仪19、气象仪15所监测的数据结果展示使用。
臭氧及VOCs一体式监测仪16及积尘负荷监测仪19在安装时其安装面(比如底部和背部)均加装有减震机构，减震机构可以是钢丝绳减震器也可以是橡胶垫减震器，只要能够保证设备在流动监测车行驶过程中没有硬冲击即可，保证设备正常工作即可。以钢丝绳减震器为例，根据设备的重量、质心和尺寸，在工作平台面17和车壁上与设备底部、侧面相对应的 适当位置预埋过渡铁板，由于设备的操作面在行驶方向右侧，故在与设备机身接触的工作平台17和车壁之间横向分布钢丝绳减震器，减少因为载车刹或加速的惯性冲击，从而保证设备仪器的正常工作。
如图3所示，采样总管8中部设有分离隔板9，分离隔板9将采样总管8分隔为互不相通的上采样支路12与下采样支路13；臭氧及VOCs一体式监测仪16、积尘负荷监测仪19均自带主动式大流量的吸气泵，其中，臭氧及VOCs一体式监测仪16与上采样支路12连通，上采样支路12的上端穿出流动监测车的车顶平台与外部大气连通并设置有防雨帽10；积尘负荷监测仪19与下采样支路13路连通，下采样支路13的下端穿出流动监测车的车厢底板与外部大气联通。
流动监测车的车顶平台开设有采样孔，采样总管8的上采样支路12从采样孔穿出车顶平台，并且利于法兰盘来保证上采样支路12与采样孔之间的位置固定与车内环境的密封；流动监测车的车厢底板也开设有采样孔，采样总管8的下采样支路13从采样孔穿出车厢底板，同样利于法兰盘来保证下采样支路13与采样孔之间的位置固定以及车内环境的密封。
如图1所示，本实用新型提供的车载式走航溯源监测系统工作原理及流程如下：
设备调试：各类仪器设备在运行之前，在实验室进行定期校准和调试，随车走航工作过程中无须实时校准。
运行监测：如图1-3所示，车辆1在行进过程中，臭氧及VOCs一体式监测仪16、积尘负荷监测仪19通过自带的大流量采样泵实时抽取车顶和车底的空气样品，空气样品分别经由上采样支路12、下采样支路13进入臭氧及VOCs一体式监测仪16、积尘负荷监测仪19的各自的腔室内进行在线分析，臭氧及VOCs一体式监测仪16可兼顾对园区的有毒有害气体、异味特征污染物的类别、危害程度进行定量分析；与此同时TVOC传感器11和气象仪15在车辆行进过程中能够实时反馈大气环境因子的数据变化，GPS卫星定位系统记录车轮行驶数据实现大气污染物整体空间分布状况展示，通过内嵌小尺度大气扩散模型对高值浓度空间位置的传输源头进行快速溯源，在此基础上一旦发现污染物排放源则利用红外摄像机14进行拍照留存；上述所有仪器设备的监测/记录数据均通过数据线实时传输到数据处理与传输控制系统上对数据进行分析并在显示器18上实时显示监测结果，且最终基于监测数据和影像信息输出综合的分析报告来支撑相关环保业务单位的执法工作。
实施例2
本实用新型中，利用车载式走航溯源监测系统针对某一化工园区进行监测，有效的识别并监测出了园区中的挥发性有机物苯(如图4所示)及臭氧(如图5所示)，并展现了污染物整体空间分布状况，图中条状模型高度越高代表该监测点的挥发性有机物/臭氧的浓度越高。
以上所述，仅为本实用新型专利较佳的实施例，但本实用新型专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型专利所公开的范围内，根据本实用新型专利的技术方案及其实用新型专利构思加以等同替换或改变，都属于本实用新型专利的保护范围。

Claims (9)

  1. 一种车载式走航溯源监测系统，包括流动监测车，所述流动监测车上安装有GPS卫星定位系统，其特征在于：所述流动监测车内部设有仪器设备室；所述仪器设备室内前部设置有工作平台，后部设置有臭氧及VOCs一体式监测仪、积尘负荷监测仪以及供电系统；所述流动监测车的车顶平台设置有红外摄像机、气象仪以及TVOC传感器；
    所述流动监测车还设置有采样总管，所述采样总管中部设置有分离隔板，所述分离隔板将采样总管分隔为互不相通的上采样支路与下采样支路，所述上采样支路的上端穿出流动监测车的车顶平台与外部大气联通，下采样支路的下端穿出流动监测车的车厢底板与外部大气联通；臭氧及VOCs一体式监测仪与上采样支路连通，积尘负荷监测仪与下采样支路连通。
  2. 根据权利要求1所述的车载式走航溯源监测系统，其特征在于：所述的采样总管内壁涂敷有特氟龙涂层。
  3. 根据权利要求2所述的车载式走航溯源监测系统，其特征在于：所述上采样支路穿出流动监测车车顶平台的上端设置有防雨帽。
  4. 根据权利要求1所述的车载式走航溯源监测系统，其特征在于：所述的臭氧及VOCs一体式监测仪以及积尘负荷监测仪在安装时的安装面均加装有减震机构。
  5. 根据权利要求1所述的车载式走航溯源监测系统，其特征在于：所述工作平台内部还设置有工具柜。
  6. 根据权利要求1所述的车载式走航溯源监测系统，其特征在于：所述工作平台内部安装有不间断电源设备UPS以及数据处理与传输控制系统，不间断电源设备UPS用来配合供电系统供电，数据处理与传输控制系统与GPS卫星定位系统、臭氧及VOCs一体式监测仪、积尘负荷监测仪、红外摄像机以及气象仪相连接；所述工作平台上方安装有与数据处理与传输控制系统相连接的显示器。
  7. 根据权利要求1所述的车载式走航溯源监测系统，其特征在于：所述仪器设备室内还设有工作椅，所述工作椅可以通过导轨调节位置。
  8. 根据权利要求1所述的车载式走航溯源监测系统，其特征在于：所述流动监测车内部还设置有驾驶室，所述驾驶室与仪器设备室利用隔板进行隔断。
  9. 根据权利要求1所述的车载式走航溯源监测系统，其特征在于：所述的流动监测车的车辆后端为双开门，双开门中的一侧车门安装有登顶梯。
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