Vgas7000机动车尾气遥感监测系统介绍及应用

发布时间: 2020/08/27 发布者：原创浏览量：

摘要文章对Vgas7000机动车尾气遥感监测技术原理和系统组成进行了简要的介绍，并通过实际应用的数据分析，展示了系统的应用价值，为机动车尾气排放污染的管控、进一步改善环境空气质量具有重要意义。
关键词：尾气遥感；TDLAS；激光；机动车

0 引言
近年来，我国机动车保有量增长迅速，机动车排放污染物对环境空气质量影响的比重在逐年升高。文献表明，机动车尾气排放的CO、HC(碳氢化合物)、NOx约占空气总污染物的71.5%，72.9%，3.8%，已上升为空气中污染物的主要来源^[1]。以北京市为例，2017年北京市全年PM_2.5主要来源中本地排放占三分之二，其中移动源占比45%，是最大的贡献源^[^2]。机动车尾气污染中，高排污车辆又是其中最重要的污染源，约80％的机动车尾气污染物来自20％的高排污车辆^[^3]。因此，有效鉴别高污染车辆，及时对高污染车辆进行检修调整，对机动车尾气污染治理具有重要意义。机动车尾气遥感监测技术作为近几年的新兴的检测技术手段，正逐步在国内开展应用，已经表现了较好的使用性能，具有广阔的发展应用前景。

1 机动车尾气遥感监测技术的主要原理
机动车尾气遥感检测技术是利用光学原理，远距离检测行驶中的机动车尾气排放污染物浓度和尾气烟羽不透光度的检测技术。目前市场上机动车尾气遥感监测技术原理主要有TDLAS（可调谐二极管激光吸收光谱）技术，NDIR（非分散红外光谱）技术、DOAS（紫外差分吸收光谱）技术，三种技术的对比见表1。由于TDLAS技术相比其它两种监测技术具有高灵敏度、抗干扰能力强、运维成本低等优点，具有更广阔的应用潜力。

表1 三种常见机动车尾气遥测技术对比

检测方法	NDIR	DOAS	TDLAS
光源	红外光源	紫外光源（氘灯/氙灯）	激光器
光源特性	复合光、稳定性弱、发散角大	复合光、稳定性弱、发散角大	单色光、稳定性强、准直光
光源寿命	1年	2年	10年
测量方法	采用直接吸收测量	采用直接吸收测量	采用波长调制光谱测量
信号稳定性	探测信号受到环境因素及震动等低频噪音干扰，信号稳定性低	探测信号受到环境因素及震动等低频噪音干扰，信号稳定性低	测量域从低频转至高频，消除了环境因素及震动等低频域噪音干扰，信号稳定性高
灵敏度	灵敏度低	灵敏度低	灵敏度高
系统漂移	易发生漂移，需频繁标定	易发生漂移，需频繁标定	无漂移，无需频繁标定
测量选择性	光源为复合光，光谱范围宽，包含多种气体吸收谱线，选择性低		激光为单色光，光谱线宽极窄可以精确测量待测气体单根分子吸收谱线，分辨率高
背景气体影响	测量易受背景气体（尤其是湿度）干扰影响	受大气分子、水汽和气溶胶影响较大，特别是大气能见度低时不能在探测端得到足够光强从而无法进行测量	不受背景气体影响
地面反射方式	镜面反射，不易安装，受振动影响光路容易跑偏	镜面反射，不易安装，受振动影响光路容易跑偏	后向反射，易安装，不受振动影响，不用频繁现场调光
运维成本	光源需定期更换，系统漂移需定期标定、镜面反射需频繁维护，运维成本高	光源需定期更换，系统漂移需定期标定、镜面反射需频繁维护，运维成本高	光源寿命长，系统无漂移无需频繁标定，后向反射无需频繁维护，运维成本低

1.1 Vgas7000系统技术原理
Vgas7000机动车尾气遥感监测系统采用TDLAS检测技术原理，根据CO、CO₂、HC、NO气体在红外光谱上具有的特定吸收峰，选取对应该吸收峰波段的可调谐半导体激光器作为气体检测光源。根据烟团对可见光的吸收原理，选择绿光激光作为不透光度检测光源。光源由遥测系统主机发出，当机动车经过测试地点时，发出的检测光束经过机动车尾气烟团，再由反射模块返回接收模块，光谱强度和特征会发生改变。根据该变化可计算出气体的浓度及不透光度。通过产品内置的燃烧方程反演算法，可反演机动车真实的尾气浓度。

图1 水平式机动车尾气遥感监测原理示意

1.2 Vgas7000系统组成
Vgas7000机动车尾气遥测系统由尾气遥测单元、速度与加速度检测单元、车辆拍照及车牌识别单元、气象监测单元及软件控制单元共五部分组成。根据实际道路监测的需求，还可增加黑烟抓拍、安防摄像、道路车流量监控及环境空气质量监测等单元。
尾气遥测单元  用于完成过往行驶的机动车的尾气污染物浓度分析，包括光学结构和光路调整系统，光源发射和接收控制系统，供电系统，恒温控制系统，数据通讯分析及传输系统，反射装置等。根据主机和反射装置安装方式的不同，可分为水平式遥感监测系统、垂直式遥感监测系统、移动便携式遥感监测设备。
速度和加速度单元  采用光电测速模块，获取机动车的速度和加速度检测数据，联动车牌识别，实现对过往车辆VSP（比功率）计算以及车速获取及超速判断。
车辆拍照及车牌识别单元  采用模块化车牌识别摄像机，及时抓取并识别车辆照片和车牌号、车辆类型等车辆的相关信息，并与尾气监测结果匹配，用于对车辆是否超标排放的查询依据。针对尾气超标车辆，系统会利用拍照方式对违规车辆的车牌信息进行记录。
气象监测单元  包括温度、湿度、风向、风速和大气压力传感器模块，实时在线监测环境的温度、湿度、风向、风速和大气压力数值。
软件控制单元  实现对系统各单元的控制联动和数据提取、设备标定功能，通过光纤传输，将现场所有监测结果上报到网络监控平台。

1.3 Vgas7000系统特点
Vgas7000机动车尾气遥感监测系统具有以下特点：
(1) 采用TDLAS技术，相比NDIR、DOAS检测手段，方法灵敏度更高，测量精度好，响应速度快，不受环境背景干扰。
(2) 采用全进口激光光源，采用分布反馈半导体激光器、带间级联半导体激光器、量子级联半导体激光器和绿光半导体激光器作为系统的检测光源，光源稳定性好，使用寿命长。
(3) 采用独特的光路设计，将多波段光束整合，光路设计布局紧凑，系统测量准确度高。
(4) 采用先进的后向反射技术，系统抗震能力强，维护成本低。
(5) 采用进口光学探测器，性能稳定、宽波长、响应时间短，信号噪声低，动态范围宽。
(6) 采用系统整体精准控温技术，消除温度漂移影响，适应多地区、全年度、多种环境气候条件要求。
(7) 软件内置燃烧方程算法、温度压力补偿算法等先进算法模型，反演机动车尾气中污染物气体的浓度，保证测量结果真实、准确。
(8) 系统具备在线标定功能，运行维护方式简单。
(9) 系统软件高度集成，实现多单元集成控制及精准数据传输。

2 应用效果
要提高汽车尾气遥感监测的准确率，就必须选择合适的检测地点。机动车尾气遥感监测系统安装点应处于一定坡度的上坡点，或者在高速路出口处，车辆需要加速路段。（VSP一般要求约在0-14kW/t范围内的检测数据为有效数据）。此外系统安装点位还应考虑以下原则：
建议最大不超过三车道；
高排放车辆（货车、重卡、大客等）通行频繁的路段；
尽量避免在风口路段，选择背风测量环境相对较好处安装布点，风速＜5.4m/s。
水平式尾气遥测系统可用于多车道尾气监测，垂直式尾气遥测系统适用于单车道尾气监测，移动便携式一般用于水平的道路执法抽检。当监测地点进行确定之后，还要通过实验来调整仪器的具体位置。
在某城市两处位置分别安装Vgas7000水平式和垂直式机动车尾气遥感监测系统，分别监测3车道和单车道的机动车尾气排放情况。选取两监测点3月份上传至监控平台的数据进行分析，分析结果如下。

表2 Vgas7000水平式与垂直式机动车尾气遥感监测数据 单位车次

设备类型	有效数据	尾气超标	黑烟超标	其它限行违规	超标比例/%
水平式	109668	553	15	2	0.50%
垂直式	37422	570	3	0	1.52%

从检测总数上看，水平式机动车尾气遥感监测系统的有效检测总数要远高于垂直式监测系统。原因主要有几个方面：水平式尾气遥感监测系统同时监测3车道，而垂直式系统只监测单车道，车道数量导致检测样本数量差异较大；水平式光路设计为水平方向，相比垂直式的光路，能更加有效的识别汽车尾气排放位置，而垂直式只能识别光路正下方的尾气。从超标数量上分析，虽然水平式检测的数据量高，但在尾气超标项目上，垂直式并未因为样本数量低而影响超标检出率，检出的超标数量基本与水平式持平。一方面反映在垂直式监测路段，过往超标车辆数量更多，另一方面也说明无论水平式还是垂直式遥感监测系统，在有效的检出条件下，均可以反映出较准确的尾气超标情况，体现系统的应用价值。

图2 水平式遥感监测超标车型分布

图3 水平式遥感监测超标车型中黄牌蓝牌对比

图4 垂直式遥感监测超标车型分布

从超标车辆类型上看，无论是水平式监测路段还是垂直式监测路段，大货车是主要的超标类型车辆，小货车、客车、面包车在水平式和垂直式不同路段监测样本不同，显示出不同的超标比例。水平式遥感监测中大货车超标比例为60%，而垂直式系统大货车比例为42%。此数据差异前文已经分析，主要是由于统计样本数和监测方式不同引起的差异，同时也说明水平式遥感监测系统在大货车超标监控方面，检出率要优于垂直式。水平式尾气遥感监测结果中，黄牌大货车占总体超标数量的59%，比总大货车的超标比例只低一个百分点，仅有1%的黄牌大货车没有超标，说明黄牌大货车的监管是机动车尾气控制的主要方向。
无论是水平式还是垂直式监测系统，均较好地反映了车辆的超标情况。在明确汽车工况的前提下，系统可准确地对重污染车辆进行筛选，多次检测超标的高污染排放车辆将列入黑名单。通过与交管部门的平台联网，勒令重污染车辆进行整改、淘汰高排污车辆，有效的对超标车辆进行监管，对城市空气质量环境改善具有重要作用。

3 问题与建议
目前机动车尾气排放污染控制仍是国内多数城市改善环境空气质量的关键问题之一。Vgas 7000机动车遥感监测系统检测精度高、响应速度快，不受背景环境的干扰，真实反映车辆尾气信息，系统的推广和应用对机动车监管、改善空气质量具有重要的意义。但实际应用过程中，考虑到资金投入和系统应用环境，采用TDLAS原理的尾气遥感监测技术尚不能完全替代现有其它技术。此外，现实检测过程中不能有效地排除人为干扰，如人为的怠速、排气筒改造等造成“数据无效”或无法检出，因此，机动车遥感尾气监测系统的应用仍需要国家法规政策的引导。当前机动车尾气遥感监测系统还有进一步的提升空间，如提高检出率、提高单车重复率等问题，相关的配套设备和监管平台也应进一步完善，提供更加准确、合理的数据分析支持，配合国家政策引领，打赢蓝天保卫战。

4 参考文献
[1] 城市汽车尾气排放与环境污染及其防治对策[J]
[2] 北京市生态环境局最新科研成果新一轮北京市PM2.5来源解析正式发布
[3] 机动车比功率在高排污车辆鉴别中的应用[J]