大气传感器

山东省济南市，2017年8月，首批100辆出租车装上了能监测PM2.5和PM10的传感器，使得济南成为全国首个利用出租车进行大气监测的城市。同年10月，又有200辆出租车加装道路走航监测设备。在北京，中国环境科学研究院大气环境研究所科研楼三层楼顶，一排排精密仪器正在不停运转，一组组数据被精确记录。传感器测试观测室里多台不同品牌不同型号的大气污染物传感器正在进行性能比对，这些数据将为改进传感器性能提供基础依据。从济南到北京，从车载传感器到传感器测试观测室，新型低成本大气传感器是中国环境科学研究院大气环境研究所的研究方向之一。作为生态环境部直属科研单位的中国环境科学研究院，近年来正在不断投入开展大气传感器的相关研发，为城市大气污染监测与溯源提供更精细的技术工具和数据依据。始于需求 源自基层大气传感器应用始于基层，源自2013年的一个电话。“我们从2013年开始研究城市网格化监测和大气传感器的应用，其需求来源于2013年山西省太原市的一个电话。”中国环境科学研究院大气环境研究所副所长高健告诉记者。2013年，全国首次开展城市空气质量六项参数监测，也就是这一年，太原市夏季出现了严重的臭氧污染。为了扭转不利局面，太原市政府找到了中国环境科学研究院团队。但当时的太原只有4个监测点位，很难全面代表整个城市的污染状况。无奈之下，高健团队利用手动采样的方法在太原布设了60个监测点位，没想到效果很好，整个城市的污染地图被很好地呈现出来。从那时起，高健带领团队开始寻找便捷、低成本、有一定精度的传感器产品，来替代成本高、耗人力大但精度高的手工方法。2013年—2016年，大气污染防治领域开始出现类似产品，“微型站”开始成为“标准站”的有效补充。2016年，高健团队组织了包括国内外十余个品牌的大气传感器评测工作，为时一年的细致评测后，发布了研究论文，阐述了大气传感器的适用条件、存在问题和改进方案。在大气污染防治应用方面，大气传感器也迎来了井喷，针对工地、企业、园区、港口等目标场景的固定式应用，逐渐发展到无人机搭载、船载、车载等移动方式。例如济南市生态环境局2018年全面建成1000余个微站，在市、区县、街镇三级大气污染联防联动中得到广泛应用，实现了济南市大气污染治理向公里级网格化精细监管、快速精准溯源、联动高效治理的转变。目前，环保无人机搭载传感器设备在全国多个工业园区进行污染源位置排查、环境应急监测，锁定排放源，联动环境应急处置。船载传感器也已在江苏、上海等地示范应用，监测内河、港口等重点区域的空气质量，补全移动源监管的重要环节。小小传感器 能解大问题每个城市有各自的“基因”，决定了人与路的关系。道路是城市的血管，密集处往往是人口聚居地，是商业发达区域，是各类污染排放聚集区。在济南，从你身边经过的出租车，或许不是寻常的出租车，它可能装载着传感器。这些设备从出租车的外观上是看不出来的，因为设备藏身在车灯里。别看传感器体积小，它能弥补固定环境监测器械分布不均匀的缺陷。“在项目初期，我们考虑可以利用出租车的覆盖范围广、监测结果不受人为干预的特点，在车顶上安装传感器，可实时监测污染情况，通过与现有的空气监测站等定点大气网格化监测数据相互补充、相互校准的方式，获得监测区域的大气质量数据，高效促进大气污染源头治理。”高健告诉记者。每3秒一组数据；定位精度小于20米，精准治理；300辆车每天合计行程超过 6.9万公里，数据超过360万组，平均每天可覆盖95%以上的主城区机动车道路……这些数据弥补了定点大气网格化监测的不足，依托传感器的有力支撑，可以实现城市毛细血管的净化与疏通。获取数据只是第一步，治理才是关键。相关部门可以根据从出租车传感器上获取的实时数据，精准锁定哪些地方有道路扬尘污染，从而进行精准治理，既节约时间，也节约了成本。在安徽省亳州市，除市区所有出租车外，还投入了近百辆装有大气环境监测系统的小型车辆，做到了监管全覆盖。相关人员一旦发现手机云图上出现颜色异常，就会第一时间在微信群里反映，通知对应的部门和执法人员到现场进行处理。截至目前，全国已有40多个城市，数千辆出租车安装并应用了这一传感器。“下一步，我们将加强研究，把传感器做精、做好，利用传感器体积小、成本低的优势，帮助城市更好地解决当地空气污染问题。”高健表示。新型传感器 面向新需求生态环境治理精细化是新时代生态文明建设的新要求、新考验。数据准确、参数齐全的新型传感器正在走上舞台。大气传感器需要解决的不仅仅是高时空分辨率的数据支撑，更是要通过多参数、全方位的监测，提升我们对城市污染来源和影响的科学认识。近年来，高健团队并没有停止对传感器技术前沿的探索。“新产品、新方法、新技术如雨后春笋般不断涌现，关键是要锁定最合适的产品和技术，解决科学需求。”中国环境科学研究院大气环境研究所助理研究员沈毅成告诉记者，“我们正在将新型的粒径谱传感器、黑碳传感器应用于走航监测中。新型的测量参数能够帮助我们区分道路扬尘、柴油车、汽油车尾气和城市本底污染，实现街区尺度的颗粒物来源解析。”目前，济南市的微站网络和走航出租车搭载的PM2.5传感器已经全部升级成为粒径谱传感器，能够将颗粒物的浓度细分成31个粒径区间，可以有效区分不同类型的颗粒物对PM2.5、PM10的相对贡献。“更加先进设备不断走出去，多元化的数据不断传回来，大数据赋能智慧环保已经到来。”沈毅成表示。

--基于云校准+人工智能，成本仅为传统技术的1/7 为精准把脉空气质量状况，有的放矢地实施科学监管，“多、快、好、省”地完成空气质量监测的目标，各地都在积极落实各级政府和企业大气污染防治责任，有效传导治霾工作压力，建设完善大气环境监测网络体系。 河北省目前建议，在传输通道8城市的1464个乡镇推行建设小型空气站，主要测定pm2.5和so2两个参数。 据了解，目前市场上存在两种监测方法和产品能满足上述需求，一种是标准方法的小型空气站（以下简称小型站），其中pm2.5分析仪采用β射线法，so2分析仪采用紫外荧光法；另一种是传感器技术的微型空气站（以下简称微型站），其中pm2.5采用光散射法，so2采用电化学法。 作为新型监测方法，传感器方法已在全国近50个城市得到应用，安装布点近1万台。鉴于传感器技术的发展和完善，微型站的监测已经得到普遍认可。其中，河北省已经制定并发布了网格化监测的地方标准（db13），国家环境监测总站及北京市环境监测中心已经开展相关技术规范的制定工作，中国环境科学研究院也出具了权威使用报告。 那么，相比传统的监测方法，传感器技术在大气环境质量监测的应用具备哪些突出的优势？能否大范围推广呢？ 投资运营成本低9台小型站投资可安装66台微型站 据了解，目前市场上销售的小型站价格在30万元～50万元区间，站房建设成本约1万元，年运维费约5万元；而相比，微型站的价格在6万元～7万元区间，年运维费约1万元。 以河北省廊坊市香河县为例，县辖9个乡镇，共需9台设备。以小型站投资计算，设备总费用一次性投入大约450万元，年运维费大约45万元；以微型站投资建设计算，设备一次性投入总费用大约60万，年运维费大约9万元。两者相差近376.5万元。按9台小型站的首年总费用估算，可以安装66台微型站。 河北省传输通道8城市有1464个乡镇，因此共需1464台设备，如果选用小型站，设备总费用大约需要7.32亿元，运维费用首年大约需要7320万元，总费用大约共计8亿元。如果选用微型站，1464台设备费用只需要9516万元，运维费用首年只需要1464万，总费用1.1亿。如果按照1464台小型站的首年总费用计算，大约可以安装10736台传微型站，基本实现河北省传输通道8城市网格化密集布点，精准监控的功能。 最大化提升服务质量满足快速、准确、全参数、全场景，多功能监测要求 成本的大幅降低，并不意味着传感器法产品在满足技术要求方面打折扣。在现实应用中，标准方法的小型站只能监测两种参数，对安装要求高，前期需要方案设计、点位筛选和站房建设的准备，在协调好电源后，需要包括1名专业人士在内的2人～3人，3天才能安装完成。同时，后期维护和数据校准繁琐，需要消耗大量的人力物力。 相对而言，基于云校准+人工智能技术平台的传感器型微站不仅小巧轻便、易安装，而且准确性满足当前环境监测的需求，成本低，能耗少，基本不需要现场运维，充分考虑现代仪器使用的自动化、智能化功能，可以实现快速、准确、全参数、全场景、多功能监测的要求。 此外，在数据的准确性上，传感器型微型站绝对偏差小、误差可控，完全符合国家标准的要求。以在河北省某县所布点的传感器微型站为例，通过与该县环保局标准站的数据进行比对（关于仪器准确性的具体对比方法参照hj618-2011标准规定），将传感器数据与国标站数据进行线性回归分析，以传感器设备数据为横轴，标准站数据为纵轴，计算回归曲线的斜率k和截距b（图1和图2），根据公式（|1-k|）*100%计算，pm2.5、so2数据与国站数据对比变化趋势一致，准确性较好，长期误差在10%以内。 图1. 传感器微型站与某县环保局标准站pm2.5准确性对比图2. 传感器微型站与某县环保局标准站so2准确性对比 管理功能更加强大有效帮助地方落实大气污染防治责任标准方法的小型站，只是小版本的传统空气站，仅用于表征各乡镇空气质量状况，无法充分完善大气环境监测网络系统功能，达不到精细化溯源的功能。 基于云校准+人工智能技术平台的传感器微型站，由于成本低、准确度高，可以实现高密度精细化布点，使得每个乡镇监测点位由目前的一个增加到几十个甚至上百个，由此形成的传感网络能覆盖从污染源到受体区域，监控污染形成的全过程，通过提供高精度空气质量地图、区域热点分析、污染排名分析和其它基础统计分析，准确定位污染源，通过污染事件监控报警、污染溯源分析和专业的数据分析报告为科学精准治霾提供有力支撑，具有更强大的功能。 据了解，目前基于云校准+人工智能技术平台的传感器微型站已经在全国二十多个城市安装布点，实现了高密度精准化监管功能。其中在河北某两个县的23个乡镇，一共布点了43台设备，总费用约345万元，实现了以下监测功能：一是完善大气环境监测网络系统；二是实时监控各乡镇街道的污染状况；三是实现各乡镇街道空气质量排名，提高管理效率；四是精确地找到污染源位置，达到追溯污染源的功能；五是有效帮助各级政府和企业落实大气污染防治责任。 图3是大数据软件平台对某县各乡镇站点一个月内（20170720-20170820期间）pm2.5浓度日均值进行排名，从图中可以看出，某县污染浓度高的地方集中在周边的东北部和西北部，几个站点排名靠前，其中k镇污染浓度最高，排名第一，而核心区域内pm2.5污染浓度最低，排名靠后。 图3.某县各乡镇站点pm2.5浓度排名统计效果图 图4为某县各镇pm2.5发生污染事件频次的统计图图5为某县各点位pm2.5发生污染事件频次的分布图 从另一个维度，用事件发生次数代表污染源排放情况。通过对该县监测站点颗粒物pm2.5污染事件的统计分析（图3）和（图4），可以看出，污染事件的高发区域集中在该县周边地区的东北部及西部地区，而核心区域内污染事件的频次最低，其中k镇污染频次为最高，统计时间段内发生污染次数为12次，污染频次最低的h管区和u管区集中在核心区域，观测期间内均发生3次污染。这与浓度排名分析结果相符，进一步印证了监测数据的科学性。 综上所述，基于云校准+人工智能技术平台的传感器微型站费用低，是传统小型站费用的1/7，技术上满足环境监测要求，而且功能更加智能强大，有现成的案例可以参考，极大地节省了人力和物力上的投入，适合实现高密度精细化布点，使得每个乡镇监测点位由当前的一个增加到几十个，由此形成的传感网络能覆盖从污染源到受体区域，监控污染形成的全过程，通过提供高精度污染地图、多种数据统计分析、污染来源追踪及精准定位等功能，能真正实现完善城市大气环境监测网络体系功能，有效传导治霾工作压力，为科学精准治霾提供有力支撑，实现更多的价值。

p 　　大气中超细颗粒物的检测首次有了低成本便携式利器。近日，北京大学物理学院肖云峰研究员和龚旗煌院士带领的课题组，成功制备了基于纳米光纤阵列的全光传感器，新传感器的单颗粒粒径分辨率首次达到10纳米。 /p p 　　颗粒物的高灵敏传感检测在环境监控、国家安全和生化研究等方面具有重要意义。基于光学方法的传感技术具有非物理接触、易于操作且灵敏度高等优势，故而传统光纤传感器已在高灵敏检测领域“大显身手”。 /p p 　　肖云峰对科技日报记者解释：“国际学术界研究表明，当光纤直径减小至光波长量级时，光纤外部产生显著的倏逝场(尺度约在百纳米量级)，其对周围环境的微弱变化极为敏感，因此，可利用颗粒物在倏逝场中的散射效应，实现对超细颗粒物的传感与尺寸分布测量。” /p p 　　据肖云峰介绍，在新研究中，他们首先精确地计算了散射效率与散射体尺寸和光纤直径的关系，预测了纳米光纤传感器的最优几何尺寸和探测极限 随后进行了高灵敏度的纳米光纤阵列的设计和制备，并通过优化光纤模式，实现了单个标准聚苯乙烯纳米颗粒的传感和测量，粒径分辨率达10纳米。 /p p 　　课题组利用这一传感器对2015年和2016年北京冬季大气细颗粒物进行了持续监测，直接获得了百纳米尺度细颗粒物的粒径分布信息及实时演化图，以此数据为基础计算得到的细颗粒物质量浓度数据与官方公布的数据趋势符合良好，展示了此成果具有较高的应用价值。 /p p 　　龚旗煌院士说：“与其他传感器相比，纳米光纤型传感不仅精度高，且成本低、操作简单、便于携带，可快速精准地检测出大气中的超细颗粒物，有望为环境保护和雾霾形成机理研究提供一种新的工具。” /p p 　　这项成果发表在重要光学期刊《光：科学与应用》上，研究得到了国家自然科学基金委、科技部等的支持。 /p