王春迎，潘本峰，吳修祥，宋艷艷，張 玲，馬景金，孫 凱

1.河北先河環(huán)保科技股份有限公司，河北 石家莊 050035 2.中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站,國(guó)家環(huán)境保護(hù)環(huán)境監(jiān)測(cè)質(zhì)量控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012 3.中國(guó)環(huán)境保護(hù)產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)，北京 100000

基于大數(shù)據(jù)分析的大氣網(wǎng)格化監(jiān)測(cè)質(zhì)控技術(shù)研究

王春迎1，潘本峰2，吳修祥1，宋艷艷1，張 玲1，馬景金1，孫 凱3

1.河北先河環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?，河北 石家莊 050035 2.中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站,國(guó)家環(huán)境保護(hù)環(huán)境監(jiān)測(cè)質(zhì)量控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012 3.中國(guó)環(huán)境保護(hù)產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)，北京 100000

基于對(duì)現(xiàn)階段中國(guó)環(huán)境空氣的污染特征及監(jiān)測(cè)手段進(jìn)行分析，研究了如何采用傳感器技術(shù)進(jìn)行大氣污染防治網(wǎng)格化監(jiān)測(cè)。對(duì)標(biāo)物校準(zhǔn)、訓(xùn)化校準(zhǔn)、自適應(yīng)校準(zhǔn)、傳遞校準(zhǔn)等校準(zhǔn)質(zhì)控技術(shù)進(jìn)行了充分研究并基于此建立了自主學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的校準(zhǔn)體系。為解決傳感器應(yīng)用過(guò)程中零點(diǎn)漂移、溫度和濕度漂移、時(shí)間漂移等問(wèn)題，利用大數(shù)據(jù)、基因算法成功開(kāi)發(fā)出了智能數(shù)據(jù)修正模型，實(shí)現(xiàn)了低成本、高穩(wěn)定、具有相當(dāng)精度且可自動(dòng)化運(yùn)行的網(wǎng)格化監(jiān)測(cè)體系。

大數(shù)據(jù)；傳感器；網(wǎng)格化監(jiān)測(cè)；質(zhì)控

近年來(lái)，針對(duì)中國(guó)環(huán)境污染情況，各地區(qū)采取了一定的措施，但改善的速度、幅度距離新的環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求和國(guó)際先進(jìn)水平仍有一定差距。城市污染源主要來(lái)自于揚(yáng)塵、工業(yè)生產(chǎn)、機(jī)動(dòng)車(chē)排放、燃煤、餐飲等污染。大氣污染排放情況復(fù)雜多變，缺乏完整的動(dòng)態(tài)污染源排放清單。因此，需要對(duì)區(qū)域內(nèi)各類污染物來(lái)源進(jìn)行更嚴(yán)格的管控，對(duì)環(huán)境實(shí)施精細(xì)化管理。

在國(guó)務(wù)院辦公廳《關(guān)于加強(qiáng)環(huán)境監(jiān)管執(zhí)法的通知》的要求下，許多地區(qū)采用人工監(jiān)管方式對(duì)城市環(huán)境進(jìn)行網(wǎng)格化管理，在大氣污染防治工作中取得了顯著成效，但人力、物力消耗巨大，且時(shí)效性與對(duì)突發(fā)污染事件的響應(yīng)和判別存在較大不足。而傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)設(shè)備由于價(jià)格昂貴、體積龐大，不能完全滿足網(wǎng)格化環(huán)境監(jiān)管工作的需要，尤其在局部污染及污染細(xì)節(jié)監(jiān)測(cè)方面的能力稍顯不足，難以滿足環(huán)境精細(xì)化管理需求[1]。傳感器技術(shù)憑借方便、快捷及待測(cè)物持續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)等特點(diǎn)，在北京市通州區(qū)、河北省石家莊市等地有了較為廣泛的應(yīng)用，為各地政府進(jìn)行網(wǎng)格化環(huán)境監(jiān)管提供了科技支撐，促進(jìn)當(dāng)?shù)卣卫泶髿馕廴居蓱{經(jīng)驗(yàn)、憑感覺(jué)、粗放式向網(wǎng)格化、實(shí)時(shí)化、精準(zhǔn)化治霾轉(zhuǎn)變，大幅提升治霾的工作效能，推動(dòng)大氣質(zhì)量持續(xù)改善。但是在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，若單純采用傳感器進(jìn)行網(wǎng)格化建設(shè)時(shí)，仍存在很多問(wèn)題。

1 大氣網(wǎng)格化監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)及問(wèn)題

大氣網(wǎng)格化監(jiān)測(cè)，通過(guò)大量應(yīng)用傳感器技術(shù)，打破了傳統(tǒng)空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)監(jiān)測(cè)的點(diǎn)位限制，建設(shè)并融合環(huán)境質(zhì)量監(jiān)控網(wǎng)格、重點(diǎn)污染源監(jiān)控網(wǎng)格等不同監(jiān)測(cè)網(wǎng)格，實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域的全覆蓋精準(zhǔn)監(jiān)控，消滅監(jiān)測(cè)盲區(qū)，實(shí)時(shí)掌握區(qū)域內(nèi)環(huán)境污染分布狀況及空氣質(zhì)量變化趨勢(shì)，為實(shí)現(xiàn)區(qū)域環(huán)境空氣質(zhì)量精細(xì)化管理提供支撐。但是如何克服傳感器固有的零漂、溫漂、時(shí)漂等缺陷，保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確、穩(wěn)定、可靠，是目前開(kāi)展大氣網(wǎng)格化監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。

1.1 大氣網(wǎng)格化監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)原則

為達(dá)到區(qū)域大氣污染防治精細(xì)化管理的目的，根據(jù)不同污染源類型及監(jiān)控需求，在目標(biāo)區(qū)域采用高密度網(wǎng)格點(diǎn)布設(shè)實(shí)測(cè)的方法進(jìn)行網(wǎng)格化布點(diǎn)，對(duì)各點(diǎn)位相關(guān)污染物濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)區(qū)域高時(shí)間分辨率、高空間分辨率和多參數(shù)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)；反映整個(gè)城市、背景、邊界、傳輸通道、農(nóng)村鄉(xiāng)鎮(zhèn)以及城鄉(xiāng)結(jié)合部等區(qū)域的空氣質(zhì)量整體狀況和變化趨勢(shì)。

對(duì)區(qū)域內(nèi)污染源重點(diǎn)監(jiān)控，科學(xué)評(píng)估區(qū)域內(nèi)主要固定污染源、工業(yè)園區(qū)、道路交通、無(wú)組織排放源的污染排放狀況及其對(duì)環(huán)境空氣質(zhì)量的影響。

1.2 大氣網(wǎng)格化監(jiān)測(cè)技術(shù)要求

大氣網(wǎng)格化監(jiān)測(cè)技術(shù)是對(duì)傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)的有效補(bǔ)充，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，大氣網(wǎng)格化監(jiān)測(cè)需滿足以下技術(shù)要求。

監(jiān)測(cè)參數(shù)全面：按照《GB 3095—2016環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)環(huán)境空氣中空氣污染物一般項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)要求，大氣網(wǎng)格化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，應(yīng)能夠?qū)Νh(huán)境大氣中的顆粒物(PM10、PM2.5)、二氧化硫(SO2)、二氧化氮(NO2)、一氧化碳(CO)及臭氧(O3)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在特殊地區(qū)，還應(yīng)能對(duì)硫化氫、VOC等特征污染物進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

多種環(huán)境下的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性：大氣網(wǎng)格化監(jiān)測(cè)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)區(qū)域的全覆蓋監(jiān)測(cè)，包括居民區(qū)、商業(yè)區(qū)、道路交通、建筑工地、工業(yè)排放源等多種環(huán)境監(jiān)測(cè)對(duì)象。不同監(jiān)測(cè)對(duì)象間存在較大的環(huán)境差異性。大氣網(wǎng)格化監(jiān)測(cè)技術(shù)必須保證在不同應(yīng)用場(chǎng)景下，測(cè)量結(jié)果具有良好的一致性及可靠性。

時(shí)間分辨率較高：大氣污染物變化遷移始終是動(dòng)態(tài)的，較高的時(shí)間分辨率可以捕捉到更多的空氣質(zhì)量信息。在應(yīng)用中，大氣網(wǎng)格化監(jiān)測(cè)技術(shù)時(shí)間分辨率一般不大于15 min，較常規(guī)的空氣質(zhì)量自動(dòng)站提升了4倍。

穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸：大氣網(wǎng)格化監(jiān)測(cè)應(yīng)采用實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)實(shí)時(shí)匯集至數(shù)據(jù)中心進(jìn)行處理。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖畲笱舆t時(shí)間不應(yīng)超過(guò)30 s。

1.3 傳感器技術(shù)在大氣網(wǎng)格化監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀與問(wèn)題

傳感器是能夠感受規(guī)定的被測(cè)量信號(hào)并按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置的總稱，通常被測(cè)量是非電物理量，輸出信號(hào)一般為電量[2]。在環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)中，光學(xué)傳感器[3]通常利用光散射方法來(lái)監(jiān)測(cè)空氣中顆粒物及粉塵的濃度，不改變浮游粉塵的物理化學(xué)性質(zhì)，能夠自動(dòng)連續(xù)監(jiān)測(cè)空氣中的含塵濃度，但儀器的響應(yīng)經(jīng)常受到塵粒結(jié)構(gòu)、形狀、粒度及光源波長(zhǎng)等因素的影響[4]。研究表明，顆粒物的粒度分布對(duì)散射光強(qiáng)的影響較大，顆粒物的粒徑越大，測(cè)量的顆粒物濃度值會(huì)偏低；同時(shí)，水霧對(duì)光散射測(cè)量的影響也較大，測(cè)量的顆粒物在含有水霧的情況下，會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果偏大[5]。光散射方法測(cè)量環(huán)境空氣中的顆粒物濃度，尤其是空氣中大粒徑顆粒物的濃度，會(huì)有較大的偏差，不能直接用于環(huán)境空氣中顆粒物的監(jiān)測(cè)[6]。

用于檢測(cè)碳?xì)浠衔?、羰基化合物、硫化物、硫氧化物、氮氧化物等[7]的電化學(xué)傳感器在實(shí)際應(yīng)用中主要存在兩個(gè)問(wèn)題：第一是交叉靈敏度問(wèn)題，即一個(gè)傳感器同時(shí)對(duì)幾種氣體敏感，在混合氣體測(cè)量過(guò)程中容易產(chǎn)生交叉干擾現(xiàn)象；第二就是氣體傳感器的特性漂移問(wèn)題，即輸入-輸出特性隨時(shí)間不斷發(fā)生緩慢變化。其中，導(dǎo)致電化學(xué)傳感器特性漂移的因素比較復(fù)雜，如傳感器本身的老化、環(huán)境因素的變化等，而且漂移往往是隨機(jī)的，沒(méi)有規(guī)律性，嚴(yán)重影響應(yīng)用過(guò)程中的準(zhǔn)確性。通過(guò)基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)器和系統(tǒng)辨識(shí)器的動(dòng)態(tài)在線標(biāo)定法，可實(shí)現(xiàn)傳感器特性漂移的判定，但此方法[8]僅在漂移幅度較大時(shí)比較有效，仍然不能完全解決傳感器的特性漂移問(wèn)題。

為解決傳感器特性漂移的問(wèn)題，部分研究人員采用標(biāo)準(zhǔn)氣體對(duì)傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)[9]。但考慮到傳感器會(huì)受空氣成分組成及環(huán)境條件影響，因此國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)要求在對(duì)電化學(xué)傳感器校準(zhǔn)時(shí)，需使用空氣作為背景氣[10]。然而，即使用以空氣作背景氣進(jìn)行標(biāo)定、測(cè)量時(shí)沒(méi)發(fā)現(xiàn)誤差，但由于設(shè)備使用環(huán)境在不斷變化中，背景氣的代表性通常較差，也不能保證傳感器在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合下的測(cè)量準(zhǔn)確性。

因此，為了提高傳感器在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性與長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性，迫切需要一種能有效修正環(huán)境背景中溫、濕度影響和交叉氣體干擾以及特性漂移的新技術(shù)和新方法。

2 大數(shù)據(jù)融合聯(lián)動(dòng)修正質(zhì)控技術(shù)設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

本文介紹了一種將傳感器技術(shù)與國(guó)標(biāo)法技術(shù)聯(lián)合的“大數(shù)據(jù)融合聯(lián)動(dòng)修正”技術(shù)，通過(guò)建立基于自主學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法[11]的四種校準(zhǔn)體系即標(biāo)物校準(zhǔn)、訓(xùn)化校準(zhǔn)、大數(shù)據(jù)分析的實(shí)時(shí)校準(zhǔn)(又叫自適應(yīng)校準(zhǔn))與傳遞校準(zhǔn)。解決了傳感器應(yīng)用過(guò)程中零點(diǎn)漂移、溫度漂移、時(shí)間漂移等問(wèn)題，提高了氣體傳感器在應(yīng)用過(guò)程中的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性。

2.1 標(biāo)物校準(zhǔn)及訓(xùn)化校準(zhǔn)

首先，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行氣體傳感器的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)校準(zhǔn)，即采用多種標(biāo)準(zhǔn)氣體混合，在不同的混合比例、不同濃度梯度及不同環(huán)境條件下，對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定，并通過(guò)基因算法對(duì)氣體傳感器交叉干擾僅環(huán)境(溫、濕度)進(jìn)行修正，并保證氣體傳感器在量程范圍內(nèi)的線性。

其次，在室外，利用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法儀器(空氣自動(dòng)站)對(duì)氣體傳感器進(jìn)行訓(xùn)化，并通過(guò)基因算法自動(dòng)適應(yīng)環(huán)境變化，保證氣體傳感器在不同環(huán)境條件下數(shù)據(jù)質(zhì)量的一致性。

2.2 大數(shù)據(jù)分析的實(shí)時(shí)校準(zhǔn)

由于氣體傳感器受空氣成分及環(huán)境條件的影響較大，不同地區(qū)環(huán)境條件及污染氣體成分差別較大，氣體傳感器在同一地點(diǎn)校準(zhǔn)后，不適用于其他地區(qū)應(yīng)用。為了解決這一問(wèn)題，采用了氣體傳感器與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法儀器組合布點(diǎn)的方式，在一定區(qū)域范圍內(nèi)，運(yùn)用大數(shù)據(jù)平臺(tái)，使用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法儀器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控傳感器的數(shù)據(jù)漂移情況，甄別異常設(shè)備；傳感器設(shè)備定期自動(dòng)獲取規(guī)定區(qū)域的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法儀器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，從而自動(dòng)開(kāi)展運(yùn)行的自適應(yīng)校準(zhǔn)，避免了環(huán)境差異、時(shí)間漂移、特征漂移造成數(shù)據(jù)不準(zhǔn)問(wèn)題，保證長(zhǎng)期穩(wěn)定的運(yùn)行，保證監(jiān)測(cè)結(jié)果的有效性和準(zhǔn)確性。

此外，采用國(guó)標(biāo)法設(shè)備對(duì)污染源區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)具有法律效力，可直接用于環(huán)境執(zhí)法。

2.3 傳遞校準(zhǔn)

對(duì)于在特殊環(huán)境下，如在工業(yè)園區(qū)、道路交通、餐飲集中區(qū)等污染特征明顯的區(qū)域安裝和使用的顆粒物傳感器與氣體傳感器，或者通過(guò)自適應(yīng)校準(zhǔn)不能完全保證傳感器的數(shù)據(jù)質(zhì)量時(shí)，利用裝有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法儀器的移動(dòng)校準(zhǔn)車(chē)進(jìn)行定期質(zhì)控和校準(zhǔn)，確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確和可靠。采用大數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，自動(dòng)識(shí)別傳感器的準(zhǔn)確度，將偏離較大的傳感器設(shè)備報(bào)警提醒，售后服務(wù)人員采用移動(dòng)校準(zhǔn)車(chē)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的傳感器設(shè)備進(jìn)行比對(duì)測(cè)試，并與移動(dòng)校準(zhǔn)車(chē)GPS自動(dòng)匹配，實(shí)現(xiàn)非接觸傳遞校準(zhǔn)，可解決化工園區(qū)、企業(yè)、特殊污染區(qū)域、特殊時(shí)段測(cè)量的偏差，保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)長(zhǎng)期準(zhǔn)確性。

2.4 基于大數(shù)據(jù)分析技術(shù)對(duì)傳感器質(zhì)控驗(yàn)證試驗(yàn)

2.4.1 訓(xùn)化校準(zhǔn)前后對(duì)比

本實(shí)驗(yàn)采用經(jīng)過(guò)標(biāo)物校準(zhǔn)與訓(xùn)化校準(zhǔn)后傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。實(shí)驗(yàn)用的5臺(tái)傳感器均在氣體標(biāo)定實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成標(biāo)物校準(zhǔn)，并在空氣自動(dòng)站附近進(jìn)行比對(duì)，其中1#～4#的傳感器采用了自主學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行實(shí)時(shí)校準(zhǔn)，5#傳感器未采取任何校準(zhǔn)措施，實(shí)驗(yàn)時(shí)間共2周(2016年2月1日至13日)。5臺(tái)傳感器與空氣自動(dòng)站數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表1，傳感器與空氣自動(dòng)站數(shù)據(jù)相關(guān)性見(jiàn)表2。

表1 傳感器與空氣自動(dòng)站周均值偏差 %

表2 傳感器與空氣自動(dòng)站數(shù)據(jù)相關(guān)性

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用了自主學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行實(shí)時(shí)校準(zhǔn)的1#～4#傳感器與空氣自動(dòng)站數(shù)據(jù)一致性較高，數(shù)據(jù)相關(guān)性達(dá)0.75以上，最大周均值偏差小于10.51%；5#傳感器由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中未采取連續(xù)的校準(zhǔn)措施，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與空氣自動(dòng)站偏差超過(guò)30%，除顆粒物外，其他氣體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的相關(guān)性均低于60%。

2.4.2 自適應(yīng)校準(zhǔn)前后對(duì)比

實(shí)驗(yàn)在衡水市進(jìn)行了測(cè)試。傳感器室外環(huán)境連續(xù)運(yùn)行3個(gè)月(2016年4月1日至6月30日)后，隨機(jī)抽取1#～4#設(shè)備返回空氣自動(dòng)站附近進(jìn)行連續(xù)一周(2016年5月27日至6月2日)的比對(duì)測(cè)試，并另選取5#未經(jīng)校準(zhǔn)的設(shè)備作為比較。5#僅使用了標(biāo)物校準(zhǔn)和訓(xùn)化校準(zhǔn)，未進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)校準(zhǔn)。數(shù)據(jù)比對(duì)結(jié)果見(jiàn)表3、表4。

表3 傳感器與空氣自動(dòng)站周均值偏差 %

表4 傳感器與空氣自動(dòng)站數(shù)據(jù)相關(guān)性

數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果表明，1#～4#經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)和質(zhì)控設(shè)備的傳感器的測(cè)量均值與空氣自動(dòng)站偏差小于4.1%，數(shù)據(jù)相關(guān)性大于0.81；可以滿足現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)的要求；未校準(zhǔn)設(shè)備的傳感器，雖在運(yùn)行前經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)標(biāo)定及現(xiàn)場(chǎng)訓(xùn)化，但由于缺乏后期的連續(xù)質(zhì)控和校準(zhǔn)，數(shù)據(jù)偏差超過(guò)30%，已經(jīng)不滿足于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)的要求。

2.4.3 結(jié)果驗(yàn)證

圖1為O3自適應(yīng)前后傳感器與空氣自動(dòng)站濃度的對(duì)比，由圖1可以看出，在經(jīng)過(guò)標(biāo)物校準(zhǔn)、訓(xùn)化校準(zhǔn)而未經(jīng)過(guò)自適應(yīng)校準(zhǔn)的傳感器設(shè)備與標(biāo)準(zhǔn)站監(jiān)測(cè)濃度偏差很大，經(jīng)過(guò)自適應(yīng)校準(zhǔn)后傳感器與空氣自動(dòng)站濃度變化趨勢(shì)相一致。

圖1 O3自適應(yīng)校準(zhǔn)前后傳感器與空氣自動(dòng)站濃度比較

圖2為O3自適應(yīng)校準(zhǔn)前后傳感器與空氣自動(dòng)站濃度誤差的對(duì)比，由圖2可以看出，在經(jīng)過(guò)標(biāo)物校準(zhǔn)、訓(xùn)化校準(zhǔn)而未經(jīng)過(guò)自適應(yīng)校準(zhǔn)的傳感器設(shè)備與空氣自動(dòng)站監(jiān)測(cè)濃度誤差很大，經(jīng)過(guò)自適應(yīng)校準(zhǔn)后傳感器與空氣自動(dòng)站濃度誤差在±20 μg/m3。

圖2 O3自適應(yīng)校準(zhǔn)前后傳感器與空氣自動(dòng)站濃度誤差比較

圖3為O3自適應(yīng)校準(zhǔn)前后與空氣自動(dòng)站監(jiān)測(cè)濃度相關(guān)性的對(duì)比圖，由圖3可以看出，經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)后，傳感器與空氣自動(dòng)站的數(shù)據(jù)相關(guān)性從0.779 7提高到0.93以上。

圖3 O3自適應(yīng)校準(zhǔn)前后傳感器與空氣自動(dòng)站監(jiān)測(cè)濃度相關(guān)性比較

綜上，采用傳感器與國(guó)標(biāo)方法儀器即空氣自動(dòng)站組合布設(shè)，可以在較大范圍內(nèi)保證傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，提高監(jiān)測(cè)水平。

3 結(jié)果與討論

氣體傳感器目前在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，但氣體傳感器存在易受環(huán)境條件影響、氣體交叉干擾及特性漂移等問(wèn)題，測(cè)量準(zhǔn)確性較低，限制了其在環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用效果。同時(shí)，對(duì)氣體傳感器僅采用標(biāo)氣校準(zhǔn)的方式，也無(wú)法保證其在室外實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合下數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。通過(guò)分析基于傳感器技術(shù)在大氣污染防治網(wǎng)格化管理中的應(yīng)用，可以得出如下結(jié)論：

以自主學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法為核心的四種校準(zhǔn)體系即標(biāo)物校準(zhǔn)、訓(xùn)化校準(zhǔn)、大數(shù)據(jù)分析的實(shí)時(shí)校準(zhǔn)(又叫自適應(yīng)校準(zhǔn))與傳遞校準(zhǔn)，可對(duì)氣體傳感器實(shí)時(shí)、連續(xù)的校準(zhǔn)，有效提高氣體傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

在環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)中，采用氣體傳感器與國(guó)標(biāo)方法儀器的組合布點(diǎn)方式對(duì)傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)的校準(zhǔn)和質(zhì)控，能有效消除氣體傳感器在室外環(huán)境中可能受到的溫、濕度影響和交叉干擾影響以及特性漂移問(wèn)題，確保氣體傳感器的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，對(duì)環(huán)境實(shí)施精細(xì)化管理具有重要意義。

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Research on Quality Control of Atmospheric Grid Monitoring Based on Large Data Analysis

WANG Chunying1，PAN Benfeng2，WU Xiuxiang1，SONG Yanyan1，ZHANG Ling1，MA Jingjin1，SUN Kai3

1.Hebei Sailhero Environmental Protection Hi-tech Co.,Ltd., Shijiazhuang 050035, China 2.State Environmental Protection Key Laboratory of Quality Control in Environmental Monitoring, China National Environmental Monitoring Centre, Beijing 100012, China 3.China Association of Environmental Protection Industry, Beijing 100000, China

The pollution characteristics and monitoring methods of environmental air in China are analyzed, and how to adopt the sensor technology to monitor the air pollution prevention and control is studied. The calibration quality control technology, such as calibration, acclimation, adaptive calibration and transfer calibration, has been fully researched and a calibration system for autonomous learning neural network algorithm is established. In order to solve the problem of zero drift, temperature and humidity drift and time drift in the process of sensor application, this paper develops an intelligent data correction model using large data and genetic algorithm, and achieves low cost, high stability, accuracy and automatic operation of the grid monitoring system.

large data；sensor；grid monitoring；quality control

2016-10-08;

2016-10-25

王春迎(1982-)，女，河北張家口人，碩士，工程師。

孫 凱

X831

A

1002-6002(2016)06- 0001- 06

10.19316/j.issn.1002-6002.2016.06.01