王鑫

尾氣遙感技術(shù)在中國的應(yīng)用綜述

王鑫

（長安大學(xué) 汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

為探究尾氣遙感技術(shù)在中國的應(yīng)用進展，文章介紹了尾氣遙感技術(shù)的基本原理，尾氣遙感監(jiān)測國內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r與主要遙感監(jiān)測系統(tǒng)進行介紹分析，并和傳統(tǒng)檢測方法進行對比。尾氣遙感監(jiān)測能充分發(fā)揮大數(shù)據(jù)的優(yōu)勢，并且快速安全，是傳統(tǒng)方法的十倍。當(dāng)發(fā)現(xiàn)排污嚴(yán)重的車輛，可馬上通過污染監(jiān)測平臺發(fā)現(xiàn)；遙感監(jiān)測獲取的海量數(shù)據(jù)，為環(huán)境污染治理提供有力支持。工作人員通過遠程操控，減少健康損失。因此對于政府，遙感監(jiān)測是極好的選擇，提高監(jiān)測效率且滿足國家治污要求。

遙感監(jiān)測；尾氣排放；應(yīng)用對比；監(jiān)車方法

引言

中國機動車數(shù)量不斷增加，據(jù)公安部統(tǒng)計，截止2018年末，中國機動車保有量己達3.27億輛[1]。道路交通活動特別是輕型機動車排放污染物對城市地區(qū)空氣污染狀況有很大影響，并增加了近道路和當(dāng)?shù)乜諝庵谐氼w粒物，碳氧化合物、碳氫化合物、硫氧化合物、鉛及氮氧化物等污染物的濃度。導(dǎo)致公眾健康狀況下降。因此加強車輛尾氣排放監(jiān)測和控制對提高空氣質(zhì)量與環(huán)境保護非常重要[2]。本文介紹了尾氣遙感技術(shù)的基本原理，國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀，中國關(guān)于尾氣遙感監(jiān)測的相關(guān)法規(guī)。并將尾氣遙感監(jiān)測與現(xiàn)階段國內(nèi)采用的主要遙感監(jiān)測系統(tǒng)進行介紹分析。

1 尾氣遙感監(jiān)測原理

汽車尾氣遙感監(jiān)測通過光源向道路對面的光學(xué)反光鏡發(fā)送紫外光和紅外光，光學(xué)反光鏡會將其反射到監(jiān)測器中。汽車在道路上行駛時要通過這些光束，由于汽車尾氣會吸收光線，從而改變透射光的強度，從而通過對監(jiān)測器中光強的變化進行監(jiān)測，對道路行駛的汽車排放的氮氧化物、碳氫化合物和一氧化碳的濃度進行監(jiān)測。汽車尾氣遙感監(jiān)測儀主要對汽車尾氣的各相對濃度進行測量，例如NO/CO2，HC/CO2、CO/CO2等。之后再依據(jù)一定的公式來進行推導(dǎo)和計算，從而得出尾氣中各種氣體的絕對濃度。因此如果行駛的車輛處于化學(xué)計量空燃比燃燒狀態(tài)，則能夠取得更好的遙測效果。具體監(jiān)測原理是基于氣體對于光的受激吸收。被測氣體中穿過一束一定強度的激光，當(dāng)激光的波長和頻率與被測氣體的吸收譜線中心頻率相同時，激光的光子會被所測量氣體吸收，從而被測氣體的分子會由于能級升高發(fā)生躍遷，能級變高，具體原理如圖所示。

遙感技術(shù)是利用汽車尾氣中不同組分的特征吸收光譜來反演尾氣濃度。首先光源發(fā)射出光強為的光，光束在開放式光路下穿過尾氣并經(jīng)尾氣吸收后的透射光強變?yōu)?i>I，0與I的定量關(guān)系可由Lambert Beer定律給出：

式中：為波長；為吸收系數(shù)；為相對體積濃度；為有效吸收光程。

如果光程是已知條件，尾氣濃度可以由之前光強變化所確定的吸收強度進行計算，但由于尾氣排出后會在空氣中擴散，且實際光程是無法得到的，所以遙感技術(shù)直接測量的是，即煙羽值。計算煙羽值的式子可由式（1）推導(dǎo)出，如下邊式（2）。

在尾氣剛從排氣管排出后，尾氣中各種成分的擴撒速率是近似同步的，光程這一未知量可以通過不同組分的煙羽值相比進行消除，計算方式如式（3）所示，再帶入發(fā)動機燃燒方程模型反演尾氣濃度。

2 尾氣遙感監(jiān)測系統(tǒng)

遙感只能確定車輛尾氣羽流中NO、CO、HC與二氧化碳（CO2）的排放濃度的相對比值，而不能確定尾氣成分的絕對濃度。遙感數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換計算方法可以將排放濃度的相對比值轉(zhuǎn)換為絕對濃度。尾氣遙感監(jiān)測系統(tǒng)分為現(xiàn)場采集設(shè)備和后期軟件處理兩個部分。其中現(xiàn)場采集設(shè)備由車牌識別攝像機、LED顯示屏、反射器、主機、黑煙車視頻識別單元、視頻識別攝像機等組成，監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場示意圖如圖2所示。

圖2 監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場示意圖

監(jiān)測設(shè)備會發(fā)出紅外光和紫外光穿過車輛所排出的尾氣在空氣中擴散而形成的煙羽，到達反射板，反射板將紅外光和紫外光反射回激光接受單元。在此過程中，紅外光和紫外光的光強發(fā)生變化，當(dāng)車輛通過監(jiān)測設(shè)備時，排放的尾氣會在空氣中擴散形成煙羽，監(jiān)測設(shè)備中光源發(fā)射器發(fā)出的光信號在通過尾氣煙羽后強度會發(fā)生變化，通過分析激光接收單元接收回歸反射板反射回來的光信號，通過分析差分特征光譜來求得煙羽中各尾氣成分的體積濃度。近紅外特征吸收光譜用來監(jiān)測碳氧化物（CO與CO2）濃度，紫外差分特征吸收光譜來監(jiān)測碳氫化物（HC）與氮氧化物（NO）體積濃。由于尾氣煙羽的擴散，導(dǎo)致所監(jiān)測的污染物體積濃度會偏小[3-4]。監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)上傳到本地的數(shù)據(jù)管理及通訊系統(tǒng)和環(huán)保中心的數(shù)據(jù)庫來對排放超標(biāo)用戶進行監(jiān)控分析。遙感監(jiān)測系統(tǒng)完整流程圖如圖3所示。

圖3 尾氣遙感監(jiān)測系統(tǒng)

3 尾氣遙感監(jiān)測在中國的應(yīng)用發(fā)展

在中國，北京市于2008年使用固定式機動車遙感監(jiān)測設(shè)備。是第一個使用遙感技術(shù)進行機動車尾氣監(jiān)測并出臺遙感監(jiān)測地方標(biāo)準(zhǔn)的城市。2011年，北京市出臺了《在用柴油汽車排氣煙度測量方法及限值（遙測法）》。繼北京市之后，廣州市于2008年９月11 日，召開廣東省遙感監(jiān)測地方標(biāo)準(zhǔn)終審會并通過該標(biāo)準(zhǔn)。2009年，廣州市出臺了機動車遙感監(jiān)測地方標(biāo)準(zhǔn)《在用汽車排氣污染物限值及監(jiān)測方法（遙測法）》，并應(yīng)用機動車遙感監(jiān)測技術(shù)開進行路（抽）監(jiān)執(zhí)法。國內(nèi)2017年遙感監(jiān)測次數(shù)是路監(jiān)次數(shù)的18倍，政府有動力推進遙感監(jiān)測以滿足政策要求。2019年1月，發(fā)布了《柴油貨車污染治理行動計劃》。要求在柴油車通行主要路段建設(shè)遙感監(jiān)測點位，并進行國家、省、市三級聯(lián)網(wǎng)2020年完成。對于已鋪設(shè)完成遙感監(jiān)測設(shè)備路段，“黑尾巴”柴油車將無所遁形。工作人員可通過監(jiān)測平臺對機動車進行實時監(jiān)測。遙感監(jiān)測系統(tǒng)工作界面如下圖4所示。

圖4 遙感監(jiān)測系統(tǒng)工作界面

4 尾氣遙感監(jiān)測與傳統(tǒng)檢測對比分析

機動車尾氣測量傳統(tǒng)方法主要為基于排氣管的測量。使用測功機和便攜式排放測量系統(tǒng)（PEMS）進行，優(yōu)點是測量精確，缺點是無法大規(guī)模進行測量，且成本較大，速度也慢。其中測功機主要在汽車監(jiān)測站中大量使用，而PEMS由于設(shè)備昂貴，目前主要在實驗室中使用。用于測量實際道路中機動車的排放因子，以及機動車污染物的主要影響因素[5]，PEMS檢測系統(tǒng)如下圖5所示。

采用遙感技術(shù)的遙感監(jiān)測設(shè)備最大的優(yōu)點是測量速度快，是傳統(tǒng)測功機測量的10倍以上。但是由于尾氣煙羽擴散稀釋導(dǎo)致尾氣的不透光度有很大的不確定性，且光程未知，只能檢測得到相對濃度，測量不精確，無法真實地反映車輛的顆粒物排放水平[6]。因此，尾氣的遙感監(jiān)測適用于大規(guī)模快速檢測場景。

圖5 PEMS檢測系統(tǒng)

5 總結(jié)展望

本文對遙感監(jiān)測的原理，遙感監(jiān)測系統(tǒng)進行了詳細介紹。對國內(nèi)尾氣遙感的發(fā)展進行簡單調(diào)研，我國在柴油車出沒路段大量鋪設(shè)遙感監(jiān)測站點，排污嚴(yán)重車輛將會被實時警告和整改，有利于改善交通污染排放狀況。通過簡單對比傳統(tǒng)檢測方法與遙感法。發(fā)現(xiàn)遙感監(jiān)測其檢測速度快，但準(zhǔn)確性差，可通過同一車輛的多次遙測檢測結(jié)果的平均值作為最終結(jié)果來判斷被測車輛的排放情況。由于其快速安全，且所需操作人員少，且能提供大量污染數(shù)據(jù)，成為政府，目前去監(jiān)測尾氣的最佳選擇。

[1] 劉雯月.車內(nèi)微環(huán)境超細顆粒物濃度變化及預(yù)測研究[D].西安:長安大學(xué),2019.

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Application of Exhaust Remote Sensing Technology in China

WANG Xin

( School of Automobile, Chang'an University, Shaanxi Xi'an 710064 )

In order to explore the application progress of remote sensing technology for exhaust gas in China, this paper introduces the basic principle of remote sensing technology for exhaust gas, the development status in China, and the relevant laws and regulations for remote sensing monitoring of exhaust gas in China. The remote sensing monitoring of exhaust gas and the main remote sensing monitoring system used in China at present are introduced and analyzed. Remote sensing of exhaust gas can give full play to the advantages of big data, and it is ten times faster and safer than traditional methods. When the vehicle with serious pollution is found, it can be found immediately through the pollution detection platform; Massive data obtained by remote sensing detection provides strong support for environmental pollution control. The staff can reduce the loss of health through remote control. Therefore, remote sensing monitoring is an excellent choice for the government to improve detection efficiency and meet the national pollution control requirements.

Remote sensing monitoring; Automobile exhaust pollution; Application contrast; Inspection car method

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.021.057

U471.22

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1671-7988(2021)21-215-03

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王鑫（1994—），男，碩士研究生，就讀于長安大學(xué)汽車學(xué)院，研究方向：載運工具運用工程。