甄 楊 ，魏樹龍 ，張笑平 ，陳文亮 ，汪 鋒

（1.天津市計量監(jiān)督檢測科學(xué)研究院，天津 300192；2.天津同陽科技發(fā)展有限公司，天津 300384）

據(jù)我國環(huán)境保護(hù)部發(fā)布的《中國機(jī)動車環(huán)境管理年報（2017）》顯示，我國已連續(xù)8年成為世界機(jī)動車產(chǎn)銷第一大國，機(jī)動車所產(chǎn)生的污染已成為我國空氣污染的重要來源，是造成空氣中細(xì)顆粒物、光化學(xué)煙霧污染的重要原因。因此機(jī)動車污染的防治已顯得愈發(fā)緊迫。

隨著我國機(jī)動車保有量的快速增加，部分城市的空氣已經(jīng)開始呈現(xiàn)出煤煙和機(jī)動車尾氣復(fù)合污染的特點，直接影響人民群眾的健康。據(jù)北京、天津、上海等15個城市大氣細(xì)顆粒物（PM 2.5）源解析工作結(jié)果顯示，本地排放源中移動源對細(xì)顆粒物濃度的貢獻(xiàn)范圍為13.5%～41.0%，在極端空氣擴(kuò)散不利的情況下，貢獻(xiàn)率甚至?xí)_(dá)到50%以上[1]。

隨著我國對機(jī)動車尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)不斷提高，有效發(fā)現(xiàn)并治理道路上的高排放車輛，降低機(jī)動車尾氣對環(huán)境空氣造成的污染，改善城市空氣質(zhì)量顯得尤為重要。目前，我國控制機(jī)動車尾氣排放污染的主要措施為機(jī)動車的年檢、日常的路檢等。但由于我國對非運(yùn)營機(jī)動車年檢周期放寬至6年，且機(jī)動車在日常道路行駛時，車輛的載重負(fù)荷、保養(yǎng)維護(hù)、駕駛習(xí)慣等因素均會對其尾氣排放產(chǎn)生較大影響。雖然我國目前已初步建立了機(jī)動車環(huán)境管理體系，但是距離國務(wù)院關(guān)于藍(lán)天白云成為“新常態(tài)”的要求還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，如何提高機(jī)動車的尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)，如何加強(qiáng)對機(jī)動車尾氣排放的管控，成為當(dāng)下亟待解決的問題。

1 機(jī)動車尾氣遙感檢測技術(shù)

機(jī)動車尾氣遙感檢測是專門針對城市中的主要道路設(shè)計的全天候在線遙感檢測技術(shù)。作為一種新型的實時在線檢測技術(shù)，它具有較高的準(zhǔn)確度，能夠客觀實時地給出機(jī)動車尾氣的排放信息，具有不影響車輛正常行駛、防止檢測舞弊、自動化程度高等優(yōu)點。

該技術(shù)的檢測原理是基于氣體的受激吸收。當(dāng)一束激光穿過被測的氣體時，激光器波長頻率與被測氣體的某個吸收譜線中心頻率相同時，被測氣體的分子（原子）會吸收光子從而躍遷到高能級，該躍遷過程反應(yīng)出來即是激光能量的衰減。激光能量衰減可以由朗伯-比爾定律（Lambert-Beer law）表示，如圖1所示。

圖1 物質(zhì)吸光過程Fig.1 Material absorption process

根據(jù)Lambert-Beer定律[2-5]，對于單一頻率的激光，通過氣體吸收后其光強(qiáng)變?yōu)?/p>

式中：Iλ為出射光強(qiáng)度；I0（λ）為入射光強(qiáng)度；R為反射率；n為反射次數(shù)；S0為分子在吸收峰λ0處的吸收線強(qiáng)；g（λ-λ0）為分子在波長 λ 處的吸收線性函數(shù)，與溫度和壓力有關(guān)；c為分子數(shù)濃度；L為光程長。因此，當(dāng)已知入射光光強(qiáng)、出射光光強(qiáng)以及光程長等信息時，就可得出被測氣體的濃度數(shù)值。

由天津同陽科技發(fā)展有限公司研制的TY-CGT-22型移動式機(jī)動車遙感檢測系統(tǒng)，適合用于移動檢測以及單車道固定檢測。該系統(tǒng)由遙感檢測單元、車輛識別單元、實時監(jiān)控單元、氣象單元、控制軟件平臺、LED顯示單元、機(jī)動車尾氣檢測平臺中心端等組成，如圖2所示。

圖2 機(jī)動車尾氣遙感檢測系統(tǒng)構(gòu)架Fig.2 Frame of vehicle exhaust remote sensing detection system

在測量現(xiàn)場（如圖3所示），機(jī)動車尾氣遙感檢測單元檢測通過車輛的尾氣信息，機(jī)動車識別單元記錄車輛的行駛狀態(tài)并收集車輛的車牌信息，氣象單元收集車輛經(jīng)過時的環(huán)境信息，以便進(jìn)行更準(zhǔn)確的測量和分析，實時監(jiān)控單元對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)控，控制軟件平臺將各單元采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析統(tǒng)計，實時顯示各單元的檢測結(jié)果。

圖3 機(jī)動車尾氣遙感檢測系統(tǒng)效果圖Fig.3 Effect map of vehicle exhaust remote sensing detection system

該系統(tǒng)可以實現(xiàn)在1 s內(nèi)準(zhǔn)確地測量出車輛排放的氮氧化物NOx，碳?xì)浠衔颒C，一氧化碳CO，二氧化碳CO2等濃度以及尾氣的煙度，同時可捕獲汽車的車牌信息、車型、車體顏色、速度、加速度、汽車VSP等信息，如圖4所示；并記錄當(dāng)時的氣象信息，結(jié)合云平臺的大數(shù)據(jù)統(tǒng)計與處理分析功能，能夠客觀實時地給出機(jī)動車尾氣的排放信息，具有不影響車輛正常行駛，防止檢測舞弊，自動化程度高等優(yōu)點。

圖4 機(jī)動車尾氣遙感檢測軟件界面Fig.4 Software interface of vehicle exhaust remote sensing detection

2 機(jī)動車遙感檢測系統(tǒng)高低溫試驗

我國地域廣大，同一個季節(jié)區(qū)域溫度差異很大，不同的季節(jié)氣溫分布差異也很大，氣溫分布的特點是冬季氣溫普遍偏低，南熱北冷，南北溫差大，溫差近50℃。因此，對機(jī)動車尾氣遙感檢測系統(tǒng)進(jìn)行高低溫試驗研究，分析其環(huán)境性能試驗?zāi)芰Γ鞘直匾摹?/p>

為了評價檢測系統(tǒng)的在高低溫條件下工作狀態(tài)，試驗使用天津市計量監(jiān)督檢測科學(xué)研究院的步入式高低溫實驗箱，其溫度范圍為-40～100℃，濕度范圍為（相對濕度）20%～93%，UT=0.3℃，URH=2.0%（k=2），其中U為試驗箱的擴(kuò)展不確定度；k為包含因子。依據(jù)GB/T2423.1—2008《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗 第2部分：試驗方法 試驗A：低溫》和GB/T2423.2—2008《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗 第2部分：試驗方法 試驗B：高溫》，模擬環(huán)境溫度-40～70℃的工作條件，對尾氣遙感檢測系統(tǒng)進(jìn)行試驗。其中，環(huán)境溫度-40℃和70℃分別保持2 h，試驗時間共計8 h，同時觀察儀器工作狀態(tài)，采集并分析遙感數(shù)據(jù)。

高低溫試驗如圖5所示。試驗系統(tǒng)主要由尾氣遙感檢測單元和系統(tǒng)控制軟件平臺組成，包括光源發(fā)射系統(tǒng)、模擬機(jī)動車尾氣組分的光程池、光路接收系統(tǒng)和無線檢測終端。在高低溫實驗箱 （如圖6所示）內(nèi)將試驗系統(tǒng)以及光路搭設(shè)好，試驗數(shù)據(jù)通過無線傳輸至高低溫實驗箱外的軟件平臺。

圖5 高低溫試驗Fig.5 High and low temperature experiment

圖6 步入式高低溫實驗箱Fig.6 Enter type high and low temperature experiment box

檢測過程以NO在低溫狀態(tài)下的一個采樣過程為例。當(dāng)步入式高低溫實驗箱內(nèi)溫度降到-40℃時，采集遙感監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)，共采集3個采樣周期，每個采樣周期以1 s為間隔采集60個實時數(shù)據(jù)，體積分?jǐn)?shù)的采樣數(shù)據(jù)如圖7所示。然后，對每個采樣周期的60個數(shù)據(jù)求平均值，3個采樣周期的采樣平均值分別為 1979.424×10-6，1989.003×10-6，1986.338×10-6，再求取其平均值，得出溫度為-40℃時NO的體積分?jǐn)?shù)為1984.548×10-6。光程池內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)氣體體積分?jǐn)?shù)及高低溫試驗所采集的體積分?jǐn)?shù)見表1。

圖7 NO低溫試驗體積分?jǐn)?shù)采樣數(shù)據(jù)Fig.7 Low temperature experiment volume fraction sampling data of NO

表1 高低溫試驗體積分?jǐn)?shù)及絕對誤差Tab.1 Volume fraction and absolute error of high and low temperature experiments

由表可知，CO2的高溫和低溫狀態(tài)下的絕對誤差均沒有超過±0.25%，NO的高溫和低溫狀態(tài)下的絕對誤差均未超過±20×10-6，均滿足HJ 845—2017《在用柴油車排氣污染物測量方法及技術(shù)要求 （遙感檢測法）》的要求，且在高低溫試驗中，機(jī)動車遙感檢測設(shè)備工作正常。因此該設(shè)備的高低溫試驗性能符合要求。

3 結(jié)語

2017年3月，環(huán)保部、發(fā)展改革委、財政部、能源局和北京、天津、河北、河南、山東、山西等6省市聯(lián)合發(fā)布了 《京津冀及周邊地區(qū)2017年大氣污染防治工作方案》，明確了該地區(qū)的“2+26”城市2017年的大氣污染治理任務(wù)：“2＋26”城市均要安裝2臺（套）移動式遙感監(jiān)測設(shè)備、10臺（套）左右固定垂直式遙感監(jiān)測設(shè)備，以重點篩查柴油貨車和高排放的汽油車?？梢灶A(yù)見，隨著機(jī)動車尾氣遙感檢測標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布以及遙感檢測技術(shù)在全國范圍內(nèi)的逐步推廣，該檢測技術(shù)的普及使用將會為我國控制城市大氣環(huán)境質(zhì)量做出卓越貢獻(xiàn)。