摘 要

随着国家对空气污染的日益重视、环保部定期进行城市空气质量的排名，具有成本低、体积小巧、易于部署的大气环境监测仪在空气质量监测方面具有良好的应用前景。与国标站相比，低成本、小型化、多参数的大气环境监测仪更加适合网格化布局，及时、准确地反映区域环境空气质量状况及变化规律，为污染防治提供详实的数据资料和科学依据。

本文在分析大气环境监测装置发展现状的基础上，结合中山大学智能交通研究中心的项目，开展高速公路上的机动车排放监测系统设计，进行大气环境监测仪的设备比较选型以及后期数据分析。本文主要研究内容包括：

针对现在的交通污染动态运行与排放的关系研究中缺乏验证问题，采集所需数据进行验证；根据所需的数据要求，提出设备选择方案，并得出最佳的设备选型方案；针对已选设备，设计安装方案；举例说明采集到的数据如何支撑机动车污染排放验证，并预测污染物浓度。

关键词：空气质量；网格化监测；大气环境监测仪；车辆排放

Abstract

With the country’s increasing attention to air pollution and the regular ranking of urban air quality by the Ministry of Environmental Protection, the low-cost,compact, and easy-to-deploy atmospheric environment monitoring instrument has a good application prospect in air quality monitoring.Compared with the national standard station,the low-cost, miniaturized, multi-parameter atmospheric environment monitoring instrument is more suitable for the grid layout,timely and accurately reflect the regional ambient air quality status and change laws,and provides detailed data and scientific evidence for pollution prevention and control.

Based on the analysis of the development status of the atmospheric environment monitoring device, this thesis combines the project of the Intelligent Transportation Research Center of Sun Yat-sen University to develop the vehicle emission monitoring system design on the expressway, and conducts the equipment selection and analysis of the later period data of the atmospheric environment monitoring instrument. The main research contents of this article include:

The lack of validation in the current research on the relationship between traffic pollution dynamic operation and emissions and the collection of required data for verification;according to the required data requirements, the equipment selection scheme is proposed, and the best equipment selection scheme is obtained;design and install solutions for the selected equipment;illustrating how the collected data supports the verification of pollution emissions from motor vehicles and predicts pollutant concentrations.

Key Words：Air quality；Grid monitoring；Atmospheric environment monitor；Vehicle emissions

目录

第1章 绪论 1

1.1 项目背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 环境监测仪器市场前景 2

1.2.2 国内外环境监测仪器研究现状 2

1.2.3 气体监测仪市场现状 3

1.3 本文主要研究内容 4

1.4 技术路线 4

1.5 本章小结 5

第2章 测量设备的可靠性分析 6

2.1 监测对比点位的选取 6

2.1.1 国控点位的选取 6

2.1.2 网格化监测点位的选取 6

2.1.3 数据收集情况 7

2.2 可靠性对比分析 8

2.2.1 国控点与网格化监测点位数据对比 8

2.2.2 数据对比结论 14

2.2.3 所需设备要求 15

2.3 本章小结 15

第3章 设备选型对比 16

3.1 设备简介 16

3.1.1 广州先河科迪隆 16

3.1.2 聚光科技 17

3.1.3 罗克佳华 17

3.2 基本状况对比 18

3.3 技术指标对比 19

3.4 参数指标对比 21

3.4.1 广州先河科迪隆 21

3.4.2 聚光科技 23

3.4.3 罗克佳华 24

3.5 本章小结 25

第4章 高速公路设备的安装 26

4.1 所需设备要求 26

4.2 所选设备细节 26

4.3 测点情况 29

4.4 安装方案 31

4.5 本章小结 31

第5章 测量数据应用设想 32

5.1 网格化监测应用范围 32

5.2 网格化监测典型案例 32

5.3 高速公路项目分析 33

5.4 预测海藻的数量 34

5.4.1问题描述与目标 34

5.4.2 数据预处理 35

5.4.3 获取预测模型 36

5.4.4 模型的精简与调优 37

5.5 本章小结 39

第6章 课题的经济性与环保性分析 40

第7章 总结与展望 41

7.1 总结 41

7.2 展望 41

参考文献 42

附录 44

致谢 72

第1章 绪论

1.1 项目背景及意义

近年来，环境污染越来越严重，雾霾、大雾时常发生，PM2.5、PM10时常超标，突发环境事件的次数及其影响呈逐年上升趋势，它对公共健康，生态安全，生产和生活，甚至社会稳定都有重大影响。

国家环保“科技发展十二五规划”（环发[2011] 63号）明确提出要提高环境应急能力和警戒水平。保障环境安全是我国环境保护工作的重要组成部分^[1]。环境保护部在“2011年环境应急管理要点”中明确表示，“深化重点领域、重点行业环境风险防控工作，针对饮用水源地、工业园区构建连续自动监测预警体系”。2011年10月，国务院发布“关于加强重点环境保护工作的意见”明确指出：“完善基于‘预防为主’的环境风险管理体系，实施环境应急分类，动态和全过程管”。环境应急管理的重点已转移到风险防控体系建设。2015年7月，国务院出台的“生态环境监测网络建设计划”明确指出：“建立综合点，完善生态环境监测网络；全国联网实现生态环境监测信息的综合监测；自动预警，科学指导环境管理和风险防范；负责依法行政，建立生态环境监测监测机制。完善生态环境监测体系和安全体系”。

目前，中国生态环境监测网络的范围和要素不完整，建设计划，标准和信息不统一。信息化水平和共享水平不高，监测监督不严密，监测数据质量有待提高^[2]。难以满足生态文明建设的需要，影响了科学，权威和政府信誉的监测。

在新形势下新要求，加快建设生态环境监测网络，积极探索和建立“第一时间发现、第一时间警告、第一时间回应”自动化、网络化、智能化和信息化的环境监测和预警系统，促进重点地区大气预警工作的规范化，标准化和高效化。全面提高环境风险防范水平，加强环境数据综合分析和宏观决策支持能力。

以汽车尾气排放为例，排放的各种污染物的数量和浓度逐年增加，对环境空气的影响也越来越严重。因此，控制车辆污染物排放已成为各级政府和人民日益关注的问题^[3]。为了改善大气环境空气质量，特别是城区环境质量，应了解机动车排放污染的规律和特点，确定机动车排放造成的环境问题^[4]。采取有效的控制措施，有效预防和控制机动车排放^[5]。

基于以上目的，开展项目：高速公路车队污染物排放一体化监测系统研究，来实现机场高速交通流数据的多元采集，服务机场高速交通综合一体化监测示范路建设，同时服务于机动车污染排放动态网格化清单的编制及检验^[6]，实验拟于机场高速在机场高速蚌湖-平沙(南行)段K16 300和平沙-蚌湖(北行)段K14 355的情报板龙门架上各安装一套交通环境监测微型站，进行数据采集。该微型站将同时采集污染物排放数据与气象数据，结合同一时期的交通视频数据，分析挖掘动态交通行为与网格化排放关系。

要完成以上功能，设备选型至关重要。国控站点布置成本高，不适合于大范围布点。网格化大气环境监测仪相比于国控站点在精细化监测方面具备突出优势。首先，考虑到成本，网格化大气监测装置适合于大规模部署。二是大规模监测，国控站点不能实现广泛的监测，只能监测几公里范围内。网格化大气环境监测装置的大规模分布可实现区域联动和区域污染指数的实时了解。三是应用灵活，在污染严重地区，大气环境监测仪器可现场安装。第四，与国家标准站相比，体积相对较小，不占用空间，各种监测气体选项，配套功能，可随意选配监测气体和天气指标。

因此，开展高速公路车队污染物排放一体化监测系统研究是十分有意义的。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 环境监测仪器市场前景

环境监测仪器作为评估环境质量的重要工具，在环境监测和管理中发挥着非常重要的作用。随着环境监测行业的发展和监控水平的不断提高，环境监测仪器市场不断增长。

为了我国的可持续发展，我国政府始终把环境治理作为一项重要任务。伴随着一项项相关政策的发布和实施，表明了中国政府对环境治理的决心，也刺激了环境监测产品市场的发展。

环境监测仪器是仪器的细分领域，该仪器通过采集数据、分析数据、结合污染源和污染状况来进行现场分析。今天，中国的环境检测仪器主要涉及水、空气、土壤等方面。经过十多年的发展，环境监测仪器在研发领域呈现出巨大发展前景，一批上市仪器公司发展迅速，例如聚光科技、先河环保、雪迪龙、天瑞仪器等，都有能力在同一平台上与国外公司进行竞争。

近日，商务部国际贸易经济合作研究院发布2017年《中国绿色贸易发展报告》，据报告显示中国已经是全球最大的环境产品出口国，占出口总额的13.8%。同时，报告还指出，中国环境产品技术创新能力仍然薄弱，大气、水、土等领域的监测设备基本依赖进口。

环境监测设备市场发展进入良性循环，国产化步伐加快，主要得益于相关政策的扶持。国家要逐步加大对仪器仪表行业的支持力度，培育一批具有创新能力、自主知识产权和有自主竞争力的企业。同时，仪表公司必须不断加强自身的创新能力。

1.2.2 国内外环境监测仪器研究现状

政府对有效环境监测和控制的支持性政策，政府持续发展的环保产业以及公私合作促进有效的环境监测，随着全球环境监测水平的不断提高，公众对环境保护意识正在推动全球环境监测市场的发展。

在地理的基础上，这个市场分为以下区域：欧洲、北美、中国、亚洲（包括中国）和世界其他地区。基于一些因素的影响，例如先进监测技术的广泛采用，不断增加的公、私融资和投资以及政府扶持的出台，促进市场的快速发展。

预计中国市场2016年至2022年的增长率最高，这主要是由于亚洲主要国家大规模工业化和严格执行环境法规以及中国政府越来越重视遵守安全环境法规，这将进一步支持先进的环境监测产品的开发和推广。

我国生产的烟尘取样器，烟雾取样器，总悬浮颗粒物取样器，油分析仪和污水流量计等环境监测仪器非常先进。部分产品已达到国际先进水平，在国内市场具有一定优势。

国内的环境监测仪器主要是由中小型企业生产，中低档的环境监测仪器是其主要产品，远远不能满足我国环境监测发展的需要。

1.2.3 气体监测仪市场现状

气体检测仪可以检测的气体种类主要包括硫化氢，氧气，二氧化硫，氨气，二氧化氮，氰化氢，二氧化氯，臭氧和可燃气体等多种气体。

根据不同领域使用的气体检测仪器的不同，检测仪器主要分为两大系列：工业应用和民用两大系列。工业上使用的检测仪器主要分为三类：便携式、固定式和系统。企业上将气体检测仪器产品主要应用于石油、化工、冶金、煤矿、液化气等方面；民用气体检测仪器主要被应用于公共场所的污染物检测以及家庭用气体检测报警^[7]。

独立式气体检测仪器仪表在气体检测仪器仪表中属于技术和资金门槛相对较低，所以生产这种气体检测仪器仪表的企业最多，甚至很多企业只生产此类气体检测仪器仪表。而生产工业气体检测仪器和仪表的生产企业相对较少，因为生产这种仪器和仪表需要具有较高的技术和财务门槛，同时应具有较强的实力和规模。

目前，我国气体检测仪器仪表企业大多局限在工业安全、民用燃气安全领域，产品线相对较短，应用领域有限。少数企业涉及环保，暖通，医疗卫生，农村能源沼气，温室等领域。河南汉威依靠自身的技术与产业优势，在上述领域中，已经部署了一系列产品。暖通空调，医疗卫生，温室温室等领域的气体检测设备几乎遍布全球。

气体检测仪器仪表行业的广阔前景、快速发展及较高利润水平，吸引了相关工业仪器仪表巨头^[8]。工业仪器仪表巨头迅速调整方向介入气体检测仪器仪表行业，市场竞争越来越激烈，可以预见国内一些小型的气体检测仪器仪表企业面临洗牌的危险，而规模相对较大的企业也需要加强研发和技术创新^[9]，才有足够实力与跨国巨头竞争。

综上所述，气体检测仪器仪表行业市场前景广阔，具有巨大的发展空间，随着国家科学技术的发展，将迎来更大的机遇。

1.3 本文主要研究内容

本文通过围绕高速公路车队污染物排放一体化监测系统研究，主要开展以下工作：

（1）系统分析了国内外大气监测仪器的发展现状，结合研究内容，对高速公路车队污染物排放一体化监测系统中设备选型部分进行论述。

（2）对已采集到的数据与国控点的同期数据进行对比，提出所需设备的性能要求。

（3）按照所需的性能要求，对备选设备进行技术指标、参数指标各方面比较，从而得出最佳选型方案。

（4）根据已采集到的数据，举例验证车辆运行状况和污染物变化情形之间的关系，并以预测海藻数量为例，阐述如何根据已有条件，进行污染物浓度的预测。

1.4 技术路线

本文研究采用的技术路线流程如下：

1）进行数据对比，对设备性能提出要求。

2）按照所需数据和实际要求，提出设备的备选方案。

产品需求：

（1）能支持常规污染物PM2.5、NO（NO）、O、CO，复合型污染物VOC（TVOC）的动态监测需求，满足采用频率、检测精度要求；能同时采集气象参数者更佳。

（2）工作环境：满足户外环境正常工作条件。

（3）电力方案：市政供电（或电池供电）。

（4）数据传输：光纤传输、无线传输。

（5）价格：总预算10万。

3）通过技术指标、参数指标各方面对比，得出最佳设备选型方案。

4）根据所选设备以及外场的情况分析，进行安装方案的设计。

5）举例说明：如何根据采集到的数据来验证车辆运行状况和污染物变化情形之间的关系。

技术路线流程如图1.1所示：

图1.1 技术路线流程

1.5 本章小结

本章主要介绍了项目背景及意义、国内外研究现现状，阐述了本篇论文的主要研究内容，最后依据研究内容绘制了技术路线流程图。

第2章 测量设备的可靠性分析

为了评估设备的性能，必须有一些标准。在环境质量监控方面，对一台大气环境监测仪的性能进行评价，则是将其与附件的国控点同期数据进行比较，得出性能好坏。

2.1 监测对比点位的选取

2.1.1 国控点位的选取

佛山市大气自动监测系统华材职中国控点位，位于佛山机场附近，具体如图2.1所示。该点位于佛山市城市，代表参加省环保厅的珠三角区域空气质量监测网络，同时也是国家重点城市点位之一，监测数据直接向国家环境监测总站作实时传输，有着很好的代表性^[1]。

图2.1 佛山市环境空气质量国控自动监测站点分布图

2.1.2 网格化监测点位的选取

（1）网格化是指监测设备的布置在一定程度上形成类似于网格的形状。主要布点原则有网格布点法、同心圆布点法和扇形布点法^[10]，如图2.2所示：

图2.2 网格化主要布点原则

（2）对华材职中进行网格化监测，将华材职中和各个网格化监测点位的经纬度输入至excel表中进行排序，从而绘制出散点图。选取依据如下：

a）结合所给网格化监测点位3.1号~3.5号监测数据，有部分站点数据丢失，予以排除；

b）距离远者，则参考性不大，予以排除。

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