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(yīng)用的數(shù)據(jù)分析，展示了系統(tǒng)的應(yīng)用價值，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迅速，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P(guān)M2.5主要來源中本地排放占三分之二，其中移動源占比45%，是的貢獻源[2]。機動車尾氣污染中，高排污車輛又是其中最重要的污染源，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(yīng)用，已經(jīng)表現(xiàn)了較好的使用性能，具有廣闊的發(fā)展應(yīng)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(xué)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，具有更廣闊的應(yīng)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(fù)合光、穩(wěn)定性弱、發(fā)散角大 | 復(fù)合光、穩(wěn)定性弱、發(fā)散角大 | 單色光、穩(wěn)定性強、準(zhǔn)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)至高頻，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(biāo)定 | 易發(fā)生漂移，需頻繁標(biāo)定 | 無漂移，無需頻繁標(biāo)定 |
| 測量選擇性 | 光源為復(fù)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，光譜線寬極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，受振動影響光路容易跑偏 | 鏡面反射，不易安裝，受振動影響光路容易跑偏 | 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(biāo)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(biāo)定、鏡面反射需頻繁維護，運維成本高 | 光源壽命長，系統(tǒng)無漂移無需頻繁標(biāo)定，后向反射無需頻繁維護，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(yīng)該吸收峰波段的可調(diào)諧半導(dǎo)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(dāng)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。
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(xué)結(jié)構(gòu)和光路調(diào)整系統(tǒng)，光源發(fā)射和接收控制系統(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(shè)備。
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超速判斷。
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，用于對車輛是否超標(biāo)排放的查詢依據(jù)。針對尾氣超標(biāo)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。
氣象監(jiān)測單元 包括溫度、濕度、風(fēng)向、風(fēng)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(fēng)向、風(fēng)速和大氣壓力數(shù)值。
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(shè)備標(biāo)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(luò)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，方法靈敏度更高，測量精度好，響應(yīng)速度快，不受環(huán)境背景干擾。
(2) 采用全進口激光光源，采用分布反饋半導(dǎo)體激光器、帶間級聯(lián)半導(dǎo)體激光器、量子級聯(lián)半導(dǎo)體激光器和綠光半導(dǎo)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) 采用的光路設(shè)計，將多波段光束整合，光路設(shè)計布局緊湊，系統(tǒng)測量準(zhǔn)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(xué)探測器，性能穩(wěn)定、寬波長、響應(yīng)時間短，信號噪聲低，動態(tài)范圍寬。
(6) 采用系統(tǒng)整體精準(zhǔn)控溫技術(shù)，消除溫度漂移影響，適應(yīng)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(zhǔn)確。
(8) 系統(tǒng)具備在線標(biāo)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(zhǔn)數(shù)據(jù)傳輸。
2 應(yīng)用效果
要提高汽車尾氣遙感監(jiān)測的準(zhǔn)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(yīng)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(yīng)考慮以下原則：
建議不超過三車道；
高排放車輛（貨車、重卡、大客等）通行頻繁的路段；
盡量避免在風(fēng)口路段，選擇背風(fēng)測量環(huán)境相對較好處安裝布點，風(fēng)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抽檢。當(dāng)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，分析結(jié)果如下。表2 Vgas7000水平式與垂直式機動車尾氣遙感監(jiān)測數(shù)據(jù) 單位車次
| 設(shè)備類型 | 有效數(shù)據(jù) | 尾氣超標(biāo) | 黑煙超標(biāo) | 其它限行違規(guī) | 超標(biāo)比例/% |
| 水平式 | 109668 | 553 | 15 | 2 | 0.50% |
| 垂直式 | 37422 | 570 | 3 | 0 | 1.52% |
從檢測總數(shù)上看，水平式機動車尾氣遙感監(jiān)測系統(tǒng)的有效檢測總數(shù)要遠高于垂直式監(jiān)測系統(tǒng)。原因主要有幾個方面：水平式尾氣遙感監(jiān)測系統(tǒng)同時監(jiān)測3車道，而垂直式系統(tǒng)只監(jiān)測單車道，車道數(shù)量導(dǎo)致檢測樣本數(shù)量差異較大；水平式光路設(shè)計為水平方向，相比垂直式的光路，能更加有效的識別汽車尾氣排放位置，而垂直式只能識別光路正下方的尾氣。從超標(biāo)數(shù)量上分析，雖然水平式檢測的數(shù)據(jù)量高，但在尾氣超標(biāo)項目上，垂直式并未因為樣本數(shù)量低而影響超標(biāo)檢出率，檢出的超標(biāo)數(shù)量基本與水平式持平。一方面反映在垂直式監(jiān)測路段，過往超標(biāo)車輛數(shù)量更多，另一方面也說明無論水平式還是垂直式遙感監(jiān)測系統(tǒng)，在有效的檢出條件下，均可以反映出較準(zhǔn)確的尾氣超標(biāo)情況，體現(xiàn)系統(tǒng)的應(yīng)用價值。圖2 水平式遙感監(jiān)測超標(biāo)車型分布
圖3 水平式遙感監(jiān)測超標(biāo)車型中黃牌藍牌對比
圖4 垂直式遙感監(jiān)測超標(biāo)車型分布
從超標(biāo)車輛類型上看，無論是水平式監(jiān)測路段還是垂直式監(jiān)測路段，大貨車是主要的超標(biāo)類型車輛，小貨車、客車、面包車在水平式和垂直式不同路段監(jiān)測樣本不同，顯示出不同的超標(biāo)比例。水平式遙感監(jiān)測中大貨車超標(biāo)比例為60%，而垂直式系統(tǒng)大貨車比例為42%。此數(shù)據(jù)差異前文已經(jīng)分析，主要是由于統(tǒng)計樣本數(shù)和監(jiān)測方式不同引起的差異，同時也說明水平式遙感監(jiān)測系統(tǒng)在大貨車超標(biāo)監(jiān)控方面，檢出率要優(yōu)于垂直式。水平式尾氣遙感監(jiān)測結(jié)果中，黃牌大貨車占總體超標(biāo)數(shù)量的59%，比總大貨車的超標(biāo)比例只低一個百分點，僅有1%的黃牌大貨車沒有超標(biāo)，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超標(biāo)情況。在明確汽車工況的前提下，系統(tǒng)可準(zhǔn)確地對重污染車輛進行篩選，多次檢測超標(biāo)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，有效的對超標(biāo)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。
3 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(yīng)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(yīng)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(yīng)用過程中，考慮到資金投入和系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境，采用TDLAS原理的尾氣遙感監(jiān)測技術(shù)尚不能替代現(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(yīng)用仍需要國家法規(guī)政策的引導(dǎo)。當(dāng)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(fù)率等問題，相關(guān)的配套設(shè)備和監(jiān)管平臺也應(yīng)進一步完善，提供更加準(zhǔn)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)。
4 參考文獻
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