Vgas7000機動車尾氣遙感監(jiān)測系統(tǒng)介紹及應用

時間：2020-07-06作者：華電智控（北京）技術(shù)有限公司瀏覽：205

Vgas7000機動車尾氣遙感監(jiān)測系統(tǒng)介紹及應用

摘要  文章對Vgas7000機動車尾氣遙感監(jiān)測技術(shù)原理和系統(tǒng)組成進行了簡要的介紹，并通過實際應用的數(shù)據(jù)分析，展示了系統(tǒng)的應用**，為機動車尾氣排放污染的管控、進一步改善環(huán)境空氣質(zhì)量具有重要意義。

關(guān)鍵詞：尾氣遙感；TDLAS；激光；機動車

0 引言

近年來，我國機動車保有量增長*，機動車排放污染物對環(huán)境空氣質(zhì)量影響的比重在逐年升高。文獻表明，機動車尾氣排放的CO、HC(碳氫化合物)、NOx約占空氣總污染物的71.5%，72.9%，3.8%，已上升為空氣中污染物的主要來源^[1]。以北京市為例，2017年北京市全年PM_2.5主要來源中本地排放占三分之二，其中移動源占比45%，是較大的貢獻源^[2]。機動車尾氣污染中，高排污車輛又是其中較重要的污染源，約80％的機動車尾氣污染物來自20％的高排污車輛^[3]。因此，有效鑒別高污染車輛，及時對高污染車輛進行檢修調(diào)整，對機動車尾氣污染治理具有重要意義。機動車尾氣遙感監(jiān)測技術(shù)作為近幾年的新興的檢測技術(shù)手段，正逐步在國內(nèi)開展應用，已經(jīng)表現(xiàn)了較好的使用性能，具有廣闊的發(fā)展應用前景。

1 機動車尾氣遙感監(jiān)測技術(shù)的主要原理

機動車尾氣遙感檢測技術(shù)是利用光學原理，遠距離檢測行駛中的機動車尾氣排放污染物濃度和尾氣煙羽不透光度的檢測技術(shù)。目前市場上機動車尾氣遙感監(jiān)測技術(shù)原理主要有TDLAS（可調(diào)諧二極管激光吸收光譜）技術(shù)，NDIR（非分散紅外光譜）技術(shù)、DOAS（紫外差分吸收光譜）技術(shù)，三種技術(shù)的對比見表1。由于TDLAS技術(shù)相比其它兩種監(jiān)測技術(shù)具有高靈敏度、抗干擾能力強、運維成本低等優(yōu)點，具有較廣闊的應用潛力。

表1 三種常見機動車尾氣遙測技術(shù)對比

檢測方法	NDIR	DOAS	TDLAS
光源	紅外光源	紫外光源（氘燈/氙燈）	激光器
光源特性	復合光、穩(wěn)定性弱、發(fā)散角大	復合光、穩(wěn)定性弱、發(fā)散角大	單色光、穩(wěn)定性強、準直光
光源壽命	1年	2年	10年
測量方法	采用直接吸收測量	采用直接吸收測量	采用波長調(diào)制光譜測量
信號穩(wěn)定性	探測信號受到環(huán)境因素及震動等低頻噪音干擾，信號穩(wěn)定性低	探測信號受到環(huán)境因素及震動等低頻噪音干擾，信號穩(wěn)定性低	測量域從低頻轉(zhuǎn)**頻，消除了環(huán)境因素及震動等低頻域噪音干擾，信號穩(wěn)定性高
靈敏度	靈敏度低	靈敏度低	靈敏度高
系統(tǒng)漂移	易發(fā)生漂移，需頻繁標定	易發(fā)生漂移，需頻繁標定	無漂移，*頻繁標定
測量選擇性	光源為復合光，光譜范圍寬，包含多種氣體吸收譜線，選擇性低		激光為單色光，光譜線寬較窄可以精確測量待測氣體單根分子吸收譜線，分辨率高
背景氣體影響	測量易受背景氣體（尤其是濕度）干擾影響	受大氣分子、水汽和氣溶膠影響較大，特別是大氣能見度低時不能在探測端得到足夠光強從而無法進行測量	不受背景氣體影響
地面反射方式	鏡面反射，不易安裝，受振動影響光路*跑偏	鏡面反射，不易安裝，受振動影響光路*跑偏	后向反射，易安裝，不受振動影響，不用頻繁現(xiàn)場調(diào)光
運維成本	光源需定期更換，系統(tǒng)漂移需定期標定、鏡面反射需頻繁維護，運維成本高	光源需定期更換，系統(tǒng)漂移需定期標定、鏡面反射需頻繁維護，運維成本高	光源壽命長，系統(tǒng)無漂移*頻繁標定，后向反射*頻繁維護，運維成本低

1.1 Vgas7000系統(tǒng)技術(shù)原理

Vgas7000機動車尾氣遙感監(jiān)測系統(tǒng)采用TDLAS檢測技術(shù)原理，根據(jù)CO、CO₂、HC、NO氣體在紅外光譜上具有的特定吸收峰，選取對應該吸收峰波段的可調(diào)諧半導體激光器作為氣體檢測光源。根據(jù)煙團對可見光的吸收原理，選擇綠光激光作為不透光度檢測光源。光源由遙測系統(tǒng)主機發(fā)出，當機動車經(jīng)過測試地點時，發(fā)出的檢測光束經(jīng)過機動車尾氣煙團，再由反射模塊返回接收模塊，光譜強度和特征會發(fā)生改變。根據(jù)該變化可計算出氣體的濃度及不透光度。通過產(chǎn)品內(nèi)置的燃燒方程反演算法，可反演機動車真實的尾氣濃度。




圖1 水平式機動車尾氣遙感監(jiān)測原理示意

1.2 Vgas7000系統(tǒng)組成

Vgas7000機動車尾氣遙測系統(tǒng)由尾氣遙測單元、速度與加速度檢測單元、車輛拍照及車牌識別單元、氣象監(jiān)測單元及軟件控制單元共五部分組成。根據(jù)實際道路監(jiān)測的需求，還可增加黑煙抓拍、安防攝像、道路車流量監(jiān)控及環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測等單元。

l  尾氣遙測單元  用于完成過往行駛的機動車的尾氣污染物濃度分析，包括光學結(jié)構(gòu)和光路調(diào)整系統(tǒng)，光源**和接收控制系統(tǒng)，供電系統(tǒng)，恒溫控制系統(tǒng)，數(shù)據(jù)通訊分析及傳輸系統(tǒng)，反射裝置等。根據(jù)主機和反射裝置安裝方式的不同，可分為水平式遙感監(jiān)測系統(tǒng)、垂直式遙感監(jiān)測系統(tǒng)、移動便攜式遙感監(jiān)測設備。

l  速度和加速度單元  采用光電測速模塊，獲取機動車的速度和加速度檢測數(shù)據(jù)，聯(lián)動車牌識別，實現(xiàn)對過往車輛VSP（比功率）計算以及車速獲取及**速判斷。

l  車輛拍照及車牌識別單元  采用模塊化車牌識別攝像機，及時抓取并識別車輛照片和車牌號、車輛類型等車輛的相關(guān)信息，并與尾氣監(jiān)測結(jié)果匹配，用于對車輛是否**標排放的查詢依據(jù)。針對尾氣**標車輛，系統(tǒng)會利用拍照方式對違規(guī)車輛的車牌信息進行記錄。

l  氣象監(jiān)測單元  包括溫度、濕度、風向、風速和大氣壓力傳感器模塊，實時在線監(jiān)測環(huán)境的溫度、濕度、風向、風速和大氣壓力數(shù)值。

l  軟件控制單元  實現(xiàn)對系統(tǒng)各單元的控制聯(lián)動和數(shù)據(jù)提取、設備標定功能，通過光纖傳輸，將現(xiàn)場所有監(jiān)測結(jié)果上報到網(wǎng)絡監(jiān)控平臺。

1.3 Vgas7000系統(tǒng)特點

Vgas7000機動車尾氣遙感監(jiān)測系統(tǒng)具有以下特點：

(1)        采用TDLAS技術(shù)，相比NDIR、DOAS檢測手段，方法靈敏度較高，測量精度好，響應速度快，不受環(huán)境背景干擾。

(2)        采用進口激光光源，采用分布反饋半導體激光器、帶間級聯(lián)半導體激光器、**級聯(lián)半導體激光器和綠光半導體激光器作為系統(tǒng)的檢測光源，光源穩(wěn)定性好，使用壽命長。

(3)        采用*特的光路設計，將多波段光束整合，光路設計布局緊湊，系統(tǒng)測量準確度高。

(4)        采用**的后向反射技術(shù)，系統(tǒng)抗震能力強，維護成本低。

(5)        采用進口光學探測器，性能穩(wěn)定、寬波長、響應時間短，信號噪聲低，動態(tài)范圍寬。

(6)        采用系統(tǒng)整體精準控溫技術(shù)，消除溫度漂移影響，適應多地區(qū)、全年度、多種環(huán)境氣候條件要求。

(7)        軟件內(nèi)置燃燒方程算法、溫度壓力補償算法等**算法模型，反演機動車尾氣中污染物氣體的濃度，保證測量結(jié)果真實、準確。

(8)        系統(tǒng)具備在線標定功能，運行維護方式簡單。

(9)        系統(tǒng)軟件高度集成，實現(xiàn)多單元集成控制及精準數(shù)據(jù)傳輸。

4 應用效果

要提高汽車尾氣遙感監(jiān)測的準確率，就必須選擇合適的檢測地點。機動車尾氣遙感監(jiān)測系統(tǒng)安裝點應處于一定坡度的上坡點，或者在高速路出口處，車輛需要加速路段。（VSP一般要求約在0-14kW/t范圍內(nèi)的檢測數(shù)據(jù)為有效數(shù)據(jù)）。此外系統(tǒng)安裝點位還應考慮以下原則：

l  建議較大不**過三車道；

l  高排放車輛（貨車、重卡、大客等）通行頻繁的路段；

l  盡量避免在風口路段，選擇背風測量環(huán)境相對較好處安裝布點，風速＜5.4m/s。

水平式尾氣遙測系統(tǒng)可用于多車道尾氣監(jiān)測，垂直式尾氣遙測系統(tǒng)適用于單車道尾氣監(jiān)測，移動便攜式一般用于水平的道路執(zhí)法抽檢。當監(jiān)測地點進行確定之后，還要通過實驗來調(diào)整儀器的具體位置。

在某城市兩處位置分別安裝Vgas7000水平式和垂直式機動車尾氣遙感監(jiān)測系統(tǒng)，分別監(jiān)測3車道和單車道的機動車尾氣排放情況。選取兩監(jiān)測點3月份上傳至監(jiān)控平臺的數(shù)據(jù)進行分析，只低一個百分點，僅有1%的黃牌大貨車沒有**標，說明黃牌大貨車的監(jiān)管是機動車尾氣控制的主要方向。無論是水平式還是垂直式監(jiān)測系統(tǒng)，均較好地反映了車輛的**標情況。在明確汽車工況的前提下，系統(tǒng)可準確地對重污染車輛進行篩選，多次檢測**標的高污染排放車輛將列入黑名單。通過與交管部門的平臺聯(lián)網(wǎng)，勒令重污染車輛進行整改、淘汰高排污車輛，有效的對**標車輛進行監(jiān)管，對城市空氣質(zhì)量環(huán)境改善具有重要作用。

5 問題與建議

目前機動車尾氣排放污染控制仍是國內(nèi)多數(shù)城市改善環(huán)境空氣質(zhì)量的關(guān)鍵問題之一。Vgas 7000機動車遙感監(jiān)測系統(tǒng)檢測精度高、響應速度快，不受背景環(huán)境的干擾，真實反映車輛尾氣信息，系統(tǒng)的推廣和應用對機動車監(jiān)管、改善空氣質(zhì)量具有重要的意義。但實際應用過程中，考慮到資金投入和系統(tǒng)應用環(huán)境，采用TDLAS原理的尾氣遙感監(jiān)測技術(shù)尚不能完全替代現(xiàn)有其它技術(shù)。此外，現(xiàn)實檢測過程中不能有效地排除人為干擾，如人為的怠速、排氣筒改造等造成“數(shù)據(jù)無效”或無法檢出，因此，機動車遙感尾氣監(jiān)測系統(tǒng)的應用仍需要國家法規(guī)政策的引導。當前機動車尾氣遙感監(jiān)測系統(tǒng)還有進一步的提升空間，如提高檢出率、提高單車重復率等問題，相關(guān)的配套設備和監(jiān)管平臺也應進一步完善，提供較加準確、合理的數(shù)據(jù)分析支持，配合國家政策**，打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)。

6 參考文獻

[1] 城市汽車尾氣排放與環(huán)境污染及其防治對策[J]

[2] 北京市生態(tài)環(huán)境局 較新科研成果新一輪北京市PM2.5來源解析正式發(fā)布

[3] 機動車比功率在高排污車輛鑒別中的應用[J]




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