鄺俊俠 溫佐鈞 裴成磊 鐘宇馳 師建中

(廣州市環(huán)境監(jiān)測中心站，廣州 510030)

環(huán)境空氣自動(dòng)監(jiān)測質(zhì)量智能成效審核技術(shù)研究與應(yīng)用

鄺俊俠 溫佐鈞 裴成磊 鐘宇馳 師建中

(廣州市環(huán)境監(jiān)測中心站，廣州 510030)

空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測質(zhì)量成效審核，是對(duì)日常運(yùn)行自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的分析儀器準(zhǔn)確性、輔助設(shè)施的正常性、日常維護(hù)的正確性等多方面進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)督檢查，從而判斷整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)的質(zhì)量，是監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量保證的重要的部分。本文結(jié)合了中國環(huán)境監(jiān)測總站、廣東省環(huán)境監(jiān)測中心、香港環(huán)保署和臺(tái)灣環(huán)保署的相關(guān)要求，研發(fā)了自動(dòng)監(jiān)測質(zhì)量智能成效審核技術(shù)，應(yīng)用于廣州市40個(gè)空氣質(zhì)量發(fā)布點(diǎn)的監(jiān)測質(zhì)量保證，推動(dòng)了廣州市環(huán)境空氣自動(dòng)監(jiān)測網(wǎng)的監(jiān)測質(zhì)量的進(jìn)一步提高，取得了良好的效果。

環(huán)境空氣 監(jiān)測質(zhì)量 智能 成效審核

1 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展，環(huán)境問題日益突出，空氣質(zhì)量問題成為關(guān)注的焦點(diǎn)。廣州市是全國最早開展環(huán)境空氣自動(dòng)監(jiān)測的6個(gè)試點(diǎn)城市之一，目前已建成51個(gè)包括國控和市控點(diǎn)位的空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)發(fā)布網(wǎng)，覆蓋了廣州市全部行政區(qū)，并應(yīng)用于廣州市各行政區(qū)的空氣質(zhì)量排名[1，2]，因此，在現(xiàn)有質(zhì)量控制的基礎(chǔ)上強(qiáng)化質(zhì)量保證的手段，保障空氣質(zhì)量發(fā)布網(wǎng)的監(jiān)測質(zhì)量，使監(jiān)測數(shù)據(jù)真實(shí)反映各區(qū)的空氣質(zhì)量狀況。

成效審核是對(duì)自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的質(zhì)量監(jiān)督檢查，是質(zhì)量保證的重要的部分[3，4]，通過成效評(píng)估，可以及時(shí)掌握監(jiān)測系統(tǒng)存在的問題，并迅速采取糾正措施進(jìn)行解決，保證監(jiān)測系統(tǒng)能長期可靠地連續(xù)運(yùn)行和獲取準(zhǔn)確的監(jiān)測數(shù)據(jù)[5]。

目前已有的對(duì)空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測質(zhì)量監(jiān)督考核的方法主要是通過手工進(jìn)行，考核過程中，氣體污染物分析儀由于需要審核多個(gè)濃度點(diǎn)，現(xiàn)行的技術(shù)需要人工調(diào)整動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)儀的輸出，記錄分析儀穩(wěn)定響應(yīng)的結(jié)果，再將結(jié)果整理到報(bào)表中，采用人工進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)氣比對(duì)實(shí)驗(yàn)已滿足不了快速、高效以及大面積審核站點(diǎn)的要求。而監(jiān)督考核的結(jié)果往往因?yàn)槿斯ふ韰R總和編制報(bào)告上報(bào)所造成的時(shí)間延時(shí)，使得管理人員不能及時(shí)了解各站點(diǎn)的檢查情況，導(dǎo)致檢查結(jié)果不具有實(shí)時(shí)性。考核的執(zhí)行程度和執(zhí)行效率也受人員的綜合能力和素質(zhì)的制約，除需要大量的人力和時(shí)間外，還容易出現(xiàn)人為誤差或者修改的風(fēng)險(xiǎn)。

2 研究技術(shù)路線

智能化的成效審核需要滿足環(huán)境空氣自動(dòng)監(jiān)測質(zhì)量控制的要求，同時(shí)需要具備高度的自動(dòng)化和數(shù)字化，使審核工作的標(biāo)準(zhǔn)化和流程化。根據(jù)實(shí)際工作需要和質(zhì)量監(jiān)督流程，研發(fā)智能成效審核子站端軟件及結(jié)果展示平臺(tái)、制定審核內(nèi)容方法和綜合質(zhì)量評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)、現(xiàn)場審核方法、審核結(jié)果綜合評(píng)定方法。智能化成效審核的技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 成效審核技術(shù)流程圖

3 智能成效審核技術(shù)

3.1 智能成效審核的內(nèi)容及設(shè)計(jì)

環(huán)境質(zhì)量成效審核是獨(dú)立于環(huán)境空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測子站管理質(zhì)量體系的監(jiān)督方法[5]，根據(jù)環(huán)境空氣自動(dòng)監(jiān)測相關(guān)規(guī)范和質(zhì)量管理作業(yè)指導(dǎo)書，參照國家對(duì)環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)督檢查的內(nèi)容制定評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，通過自帶的標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)控設(shè)備和標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，對(duì)受檢站點(diǎn)進(jìn)行全面的監(jiān)督檢查。審核的內(nèi)容包括站房環(huán)境、儀器設(shè)備狀態(tài)、分析儀器準(zhǔn)確度、原始記錄的完整性、運(yùn)維人員的技術(shù)水平等五個(gè)方面進(jìn)行，其中準(zhǔn)確度是保證數(shù)據(jù)質(zhì)量最關(guān)鍵的一環(huán)，也是成效審核的重點(diǎn)。

根據(jù)國家目前法定監(jiān)測因子，確定SO2、NO2、CO、O3、PM10、PM2.5為審核因子，另外利用標(biāo)準(zhǔn)氣象儀器對(duì)風(fēng)向、風(fēng)速、相對(duì)濕度、氣溫、氣壓等五參數(shù)進(jìn)行比對(duì)。要求如表1。

表1 審核內(nèi)容及要求對(duì)照表

智能成效審核的設(shè)計(jì)思路是：①參數(shù)變化和漂移較少，審核耗時(shí)少，可一次性完成的審核項(xiàng)目，如PM10和PM2.5的流量和質(zhì)量審定、氣態(tài)分析儀器和動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)儀的流量審定等，采取現(xiàn)場一次性人工審核。②需要長時(shí)間通入不同濃度標(biāo)準(zhǔn)氣體如CO、O3、NO-NO2-NOx、SO2等氣態(tài)分析儀的準(zhǔn)確度審核，則使用計(jì)算機(jī)軟件編程技術(shù)，對(duì)審核的流程實(shí)施自動(dòng)化智能控制。③對(duì)于站房環(huán)境、儀器設(shè)備狀態(tài)、原始記錄的完整性、運(yùn)維人員的技術(shù)水平等可現(xiàn)場得出結(jié)果的項(xiàng)目采用依照已制定評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)即時(shí)分項(xiàng)評(píng)價(jià)方式進(jìn)行。⑤氣象參數(shù)、站房溫濕度及氣壓，可以將實(shí)時(shí)連接外接測量設(shè)備并將數(shù)據(jù)同步傳輸至中心數(shù)據(jù)平臺(tái)進(jìn)行比對(duì)。

智能成效審核技術(shù)需具備自動(dòng)化、智能化、實(shí)時(shí)性和高效率的特點(diǎn)(圖2)。

圖2 智能成效審核

3.2 研發(fā)現(xiàn)場成效審核控制軟件和中心智能成效審核平臺(tái)

現(xiàn)場成效審核控制軟件：采用腳本文件的指令語句編寫[6]，以《環(huán)境監(jiān)測信息技術(shù)規(guī)定》(HJ660-2013)的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，以向上備份的交互模式，向系統(tǒng)數(shù)據(jù)服務(wù)器報(bào)送30秒分辨率以上監(jiān)測數(shù)據(jù)、儀器狀態(tài)標(biāo)識(shí)、性能診斷、報(bào)警信息等；向下可自動(dòng)執(zhí)行儀器定時(shí)自動(dòng)校準(zhǔn)、性能檢驗(yàn)等質(zhì)控任務(wù)，并可遠(yuǎn)程下達(dá)執(zhí)行。在任務(wù)進(jìn)行中對(duì)相關(guān)監(jiān)測項(xiàng)目的數(shù)據(jù)作出該任務(wù)特定的狀態(tài)標(biāo)識(shí)，以區(qū)別于正常監(jiān)測的數(shù)據(jù)，并在每次任務(wù)完成時(shí)，自動(dòng)填寫的實(shí)驗(yàn)

報(bào)表，如果成績不合格，即生成提示短信上報(bào)。軟件同時(shí)還具有監(jiān)控站房環(huán)境、采樣溫濕度、采樣流量、站房電壓、標(biāo)氣氣壓、零氣加熱爐狀態(tài)、空壓機(jī)工作狀態(tài)、站房浸漏監(jiān)控、火警監(jiān)控的功能。如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場成效審核控制軟件

現(xiàn)場成效審核控制軟件臺(tái)實(shí)現(xiàn)成效審核操作流程全自動(dòng)執(zhí)行，將所有審核任務(wù)執(zhí)行的詳細(xì)流程確定下來，使用計(jì)算機(jī)定時(shí)執(zhí)行添加的審核任務(wù)，如圖4所示。

圖4 現(xiàn)場成效審核控制軟件任務(wù)界面

完成全部審核任務(wù)后，根據(jù)審核過程監(jiān)測數(shù)據(jù)自動(dòng)計(jì)算結(jié)果，如圖5所示。

圖5 現(xiàn)場成效審核控制軟件報(bào)表自動(dòng)填寫界面

智能成效審核平臺(tái)：安裝于廣州市環(huán)境監(jiān)測中心站服務(wù)器，接收各子站成效審核數(shù)據(jù)及報(bào)表，按擬定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行質(zhì)量判別，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、評(píng)價(jià)和多樣化展示。審核人員通過智能成效審核平臺(tái)可實(shí)時(shí)追蹤各站點(diǎn)的成效審核實(shí)施的情況、了解各站點(diǎn)成效審核工作的進(jìn)展、監(jiān)督成效審核工作的實(shí)施。此外，為滿足對(duì)不同指標(biāo)的達(dá)標(biāo)情況統(tǒng)計(jì)，中心端軟件能按使用者的需求設(shè)置相關(guān)的審核指標(biāo)開展審核工作。

3.3 現(xiàn)場成效審核

3.3.1 子站平臺(tái)硬件構(gòu)成

預(yù)裝有現(xiàn)場成效審核控制軟件工控機(jī)1臺(tái)、氣體動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)儀1臺(tái)、零氣發(fā)生器1臺(tái)、標(biāo)準(zhǔn)氣體(SO2、NO、CO)各1瓶、標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)1套、恒流采樣泵1臺(tái)、五參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)氣象儀1臺(tái)、標(biāo)準(zhǔn)溫濕度計(jì)1臺(tái)、標(biāo)準(zhǔn)氣壓計(jì)1臺(tái)、裝審核軟件的PAD1臺(tái)、GPS衛(wèi)星定位儀1臺(tái)，數(shù)據(jù)連線和特氟龍連接管若干。其中標(biāo)準(zhǔn)氣體來自國家的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，流量計(jì)和氣象儀經(jīng)過計(jì)量檢定并與廣州市環(huán)境監(jiān)測中心站質(zhì)控實(shí)驗(yàn)室比對(duì)合格，動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)儀的質(zhì)量流量控制器(MFC)和臭氧發(fā)生器要經(jīng)過校準(zhǔn)和質(zhì)量傳遞才投入使用，所有的標(biāo)準(zhǔn)均可以溯源到國家計(jì)量基準(zhǔn)。

3.3.2 現(xiàn)場成效審核部署

現(xiàn)場成效審核以突擊檢查形式進(jìn)行，不事先通知運(yùn)維人員進(jìn)行準(zhǔn)備。審核人員進(jìn)入監(jiān)測子站站房以后，快速部署氣體動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)儀、零氣發(fā)生器、標(biāo)準(zhǔn)氣體、工控機(jī)、采樣管風(fēng)機(jī)、氣象比對(duì)設(shè)備等：

(1)采樣總管：停止原采樣總管的抽氣風(fēng)機(jī)，把總管底部堵住，在旁路加裝可通過wifi遙控開關(guān)的恒流采樣泵(目的是自動(dòng)審核完成可遙控恢復(fù)正常采樣)。在進(jìn)行審核工作時(shí)，分析儀盡可能在正常采樣模式下運(yùn)行。測試用不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣體應(yīng)該通過在正常采樣過程中的所有濾紙、調(diào)節(jié)器和所有其它采樣入口部件，即通入采樣總管再進(jìn)入被審核的分析儀中，確保發(fā)現(xiàn)采樣總管到儀器之間管線連接所可能造成的問題，做到全流程成效審核。

(2)工控機(jī)：通過數(shù)據(jù)線把裝有現(xiàn)場成效審核控制軟件的工控機(jī)與原子站工控機(jī)并行連接，把成效審核軟件設(shè)定為數(shù)據(jù)最小時(shí)間分辨率顯示的模式(如30秒或1分鐘)，對(duì)審核站點(diǎn)中原有數(shù)據(jù)采集軟件中所有被審核儀器設(shè)置離線或者打上預(yù)標(biāo)識(shí)，由成效審核軟件接管被審核儀器設(shè)備，對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和儀器狀態(tài)監(jiān)控。

為確保審核期間站房環(huán)境與儀器狀態(tài)的穩(wěn)定性，使得整個(gè)審核流程都在實(shí)時(shí)監(jiān)控過程中，使用現(xiàn)場成效審核控制軟件實(shí)時(shí)獲取站房溫度、濕度和在線分析儀器設(shè)備狀態(tài)參數(shù)，確保審核數(shù)據(jù)精確、可靠。

(3)布置氣象比對(duì)儀器：便攜式氣象儀固定在站房頂靠近比對(duì)氣象儀附近，數(shù)據(jù)接入到現(xiàn)場成效審核工控機(jī)。審核設(shè)備應(yīng)該在與監(jiān)測設(shè)備相同的環(huán)境條件下運(yùn)作，以減少誤差。

(4)布置校準(zhǔn)設(shè)備：用相應(yīng)的管線和數(shù)據(jù)線連接好氣體動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)儀、零氣發(fā)生器、審核工控機(jī)、標(biāo)準(zhǔn)鋼瓶氣，通過審核工控機(jī)指令動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)儀將標(biāo)準(zhǔn)氣體稀釋為不同濃度的氣體輸入采樣總管以審核分析儀器的測量值。接入審核設(shè)備前先進(jìn)行泄漏測試，并用標(biāo)準(zhǔn)氣體沖洗減壓閥和連接管路，排除殘留氣體。

以上程序準(zhǔn)備完畢后儀器設(shè)備進(jìn)入預(yù)熱狀態(tài)。在審核設(shè)備預(yù)熱期間，對(duì)站房環(huán)境、儀器設(shè)備狀態(tài)、原始記錄、儀器數(shù)據(jù)一致性、最新校準(zhǔn)結(jié)果、耗材更換狀況等進(jìn)行逐一檢查，通過PAD端子站平臺(tái)軟件對(duì)照評(píng)分，并標(biāo)注現(xiàn)場檢查中發(fā)現(xiàn)的各種問題和情況，同步推送至中心智能成效審核平臺(tái)。

3.3.3 準(zhǔn)確度審核

對(duì)于氣體分析儀的準(zhǔn)確度審核是對(duì)多點(diǎn)濃度(NO2分析儀器還需進(jìn)行鉬轉(zhuǎn)化爐轉(zhuǎn)化效率的測試)、響應(yīng)時(shí)間、采樣流量來進(jìn)行審核；顆粒物分析儀(PM10和PM2.5)審核內(nèi)容包括流量審核和質(zhì)量傳感器審核；動(dòng)態(tài)氣體校準(zhǔn)儀審核內(nèi)容包括零氣和標(biāo)氣流量的審核；氣象審核內(nèi)容包括風(fēng)速、風(fēng)向、溫濕度、大氣壓力等五參數(shù)審核。

(1)氣態(tài)分析儀的審核：首先用標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)對(duì)各氣態(tài)分析儀的采樣流量和氣體動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)儀器的標(biāo)氣流量和零氣流量進(jìn)行測試，然后標(biāo)準(zhǔn)氣體輸出口接入采樣總管的多支路管最上端接口，由現(xiàn)場成效審核控制軟件控制采樣總管的恒流采樣泵動(dòng)作，并通過軟件快速測試各分析儀跨度點(diǎn)響應(yīng)情況，核查審核設(shè)備是否能正常輸送和獲取儀器數(shù)據(jù)和狀態(tài)。

氣體項(xiàng)目的審核一般采用滿量程的18%、36%、80%至少三個(gè)階梯濃度水平來進(jìn)行測試，為檢查儀器零點(diǎn)情況，在開始及結(jié)束時(shí)審核零點(diǎn)一次。如果需要對(duì)同一個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行復(fù)審，復(fù)審時(shí)改變各個(gè)審核級(jí)別的審核濃度，讓每次的濃度都有所不同。用現(xiàn)場成效審核控制軟件自動(dòng)執(zhí)行成效審核工作，記錄氣態(tài)分析儀的響應(yīng)，并與審核濃度作比較，計(jì)算它們之間的偏差和生成成效審核結(jié)果的電子表格，自動(dòng)推送到中心端平臺(tái)，整個(gè)過程無需人工干預(yù)?？稍O(shè)定氣態(tài)分析儀成效審核開始的實(shí)際時(shí)間，添加各氣態(tài)分析儀成效審核任務(wù)隊(duì)列，預(yù)設(shè)時(shí)間為審核設(shè)備開機(jī)2小時(shí)后進(jìn)行，以確保審核設(shè)備有足夠的預(yù)熱時(shí)間。

(2)顆粒物分析儀的審核：利用標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)對(duì)顆粒物分析儀進(jìn)行流量和泄漏檢查，有配質(zhì)量校準(zhǔn)膜的儀器則用標(biāo)準(zhǔn)膜進(jìn)行質(zhì)量檢查。

(3)氣象分析儀的比對(duì)：將便攜式五參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)氣象儀與子站的氣象分析儀并排擺放，分別比對(duì)風(fēng)速、風(fēng)向、大氣溫濕度、大氣壓力的準(zhǔn)確度。

對(duì)顆粒物分析儀的流量質(zhì)量、動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)儀和氣態(tài)分析儀的流量審核結(jié)果，均記錄到“智能成效審核系統(tǒng)”PAD端軟件中。當(dāng)各審核項(xiàng)目出現(xiàn)超出警告/控制極限時(shí)，應(yīng)該立刻通知現(xiàn)場運(yùn)維人員并上報(bào)環(huán)保主管部門以便其采取相應(yīng)的措施。完成現(xiàn)場檢查和審核項(xiàng)目中手工審核部分后，將現(xiàn)場成效審核PAD端軟件審核結(jié)果推送至中心智能成效審核平臺(tái)。完成所有現(xiàn)場審核后，將子站內(nèi)監(jiān)測設(shè)備恢復(fù)至審核工作之前的最初狀態(tài)，預(yù)留足夠的時(shí)間清除剩余在采樣系統(tǒng)內(nèi)的審核氣體，檢查數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所顯示的數(shù)據(jù)是否處于正常大氣濃度范圍之內(nèi)再恢復(fù)儀器在線，將監(jiān)測設(shè)備恢復(fù)至正常環(huán)境監(jiān)測運(yùn)作模式，檢查數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是否正常，填寫監(jiān)測子站工作記錄表，現(xiàn)場成效審核結(jié)束。

3.4 審核結(jié)果展示

所有數(shù)據(jù)和結(jié)果通過在子站平臺(tái)軟件實(shí)時(shí)推送到中心平臺(tái)，中心平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)和結(jié)果入庫統(tǒng)計(jì)，實(shí)現(xiàn)多功能可視化展示，包括結(jié)果查詢、成績排名、結(jié)果統(tǒng)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)準(zhǔn)確度等功能，如圖6所示。

4 總結(jié)

智能成效審核技術(shù)的研究綜合國家、廣東省和粵港澳對(duì)空氣自動(dòng)監(jiān)測質(zhì)量控制和考核的相關(guān)規(guī)范、規(guī)定以及技術(shù)手段，結(jié)合廣州市的實(shí)際情況，在該市40個(gè)空氣質(zhì)量發(fā)布點(diǎn)得到了成功的應(yīng)用，提高了質(zhì)量監(jiān)督的工作效率和監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，提升了環(huán)境空氣自動(dòng)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量體系的整體水平。

圖6 中心智能成效審核平臺(tái)審核結(jié)果展示

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Development and application of intelligent performance audit technology of ambient air automatic monitoring quality.

Kuang Junxia, Wen Zuojun, Pei Chenglei, Zhong Yuchi, Shi Jianzhong

(Guangzhou Environmental Monitoring Center, Guangzhou 510030, China)

Performance audit is an importance method as the part of quality assurance in air quality monitoring network, which audits the accuracy of instruments, normality of auxiliary equipment, validity of routine maintenance etc. Intelligent technology was developed and applied by studying the relative requirements of CNEMC, GDMEC, HKEPD and TWEPD. It has been applied to audit the quality of 40 sites in Guangzhou air quality monitoring network, whic achieves good results.

ambient air; monitoring quality; intelligent; performance audit

鄺俊俠，男，1967年出生，高級(jí)工程師，主要從事環(huán)境質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測領(lǐng)域的工作及研究，E-mail：peichenglei@163.com。

10.3936/j.issn.1001-232x.2017.02.018

2017-01-04