龐圣桐，尹 朧，鐘玉潔，李 波

(1.綿陽市機(jī)動車污染監(jiān)控及固體廢物管理中心，四川 綿陽 621000；2.四川省機(jī)動車排污監(jiān)控中心，成都 610031)

前 言

根據(jù)近幾年國家生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《中國移動源環(huán)境管理年報》[1～3]顯示，柴油車是汽車氮氧化物、顆粒物排放的主要貢獻(xiàn)者，柴油車排放的氮氧化物占汽車排放總量的80%以上，顆粒物占90%以上。近年來綿陽市汽車保有量迅速增長，以柴油車為主排放大量的氮氧化物和顆粒物，引發(fā)臭氧污染和灰霾天氣增多，可造成上呼吸道感染等疾病[4]。2019年至2021年，綿陽市柴油車排放檢測年初檢合格率由82.7%上升到95.63%，現(xiàn)行排放檢測限值不能有效地篩選出高排放柴油車，結(jié)合綿陽市大氣污染物來源解析，汽車氮氧化物和顆粒物的排放量分別約占各類污染源排放總量的36%和35%，貢獻(xiàn)率均居首位的實(shí)際情況，有必要通過調(diào)整柴油車排放檢測限值，提高排放管控要求，來更有效地篩選出高排放柴油車并促進(jìn)提前淘汰，減少氮氧化物和顆粒物的排放，推進(jìn)環(huán)境空氣質(zhì)量持續(xù)改善。

此前，彭美春[5]等研究人員應(yīng)用數(shù)據(jù)挖掘方法得出了不同工況下柴油車排放煙度符合限值要求的事件之間具有良好關(guān)聯(lián)度的結(jié)論。金博強(qiáng)[6]等研究人員應(yīng)用數(shù)據(jù)挖掘方法，利用相對光吸收系數(shù)與累積頻率，提出了優(yōu)化調(diào)整柴油車排放限值的建議。但以上研究基于GB3847-2005[7]，僅對不同工況下柴油車的排放煙度進(jìn)行分析，本研究在此基礎(chǔ)上，基于GB3847-2018[8]規(guī)定的柴油車加載減速法排放限值及測量方法，還分析了實(shí)測輪邊功率、氮氧化物的排放對柴油車排放檢測結(jié)果的影響，利用光吸收系數(shù)與累積頻率關(guān)系，應(yīng)用關(guān)聯(lián)規(guī)則數(shù)據(jù)挖掘的方法，通過對綿陽市2021年柴油車排放檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提出合理的柴油車排放限值調(diào)整建議，為綿陽市柴油車大氣污染物排放治理提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 綿陽市柴油車現(xiàn)狀

截至2021年底，綿陽市柴油車保有量為5.5萬輛。按照排放階段劃分，不同排放階段的柴油車保有量占比如圖1所示，其中國Ⅰ及以下占1.72%，國Ⅱ占4.92%，國Ⅲ占29.57%，國Ⅳ占33.04%，國Ⅴ占20.14%，國Ⅵ占10.61%，國Ⅱ及以下排放階段的柴油黃標(biāo)車占比相對較低為6.64%，國Ⅲ、國Ⅳ排放階段的老舊柴油車占比相對較高為62.61%。

圖1 不同排放階段的柴油車占比Fig.1 Proportion of diesel vehicles by different emission stages

1.2 數(shù)據(jù)處理及分析方法

1.2.1 數(shù)據(jù)處理

獲取柴油車采用加載減速法的檢測數(shù)據(jù)，排除復(fù)檢、實(shí)驗(yàn)對比等重復(fù)性檢測數(shù)據(jù)，采用拉依達(dá)準(zhǔn)則對異常值剔除，得到有效數(shù)據(jù)。

1.2.2 分析方法

采用關(guān)聯(lián)規(guī)則數(shù)據(jù)挖掘方法運(yùn)用IBM SPSS Modeler軟件對獲取的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，挖掘出數(shù)據(jù)項(xiàng)之間的相互關(guān)系。

關(guān)聯(lián)規(guī)則數(shù)據(jù)挖掘：設(shè)D為事務(wù)集合數(shù)據(jù)庫，其中每個事務(wù)T都是項(xiàng)目集I=﹛i1，i2，……im﹜中項(xiàng)的組合，即T?I。

關(guān)聯(lián)規(guī)則是形如：A→B的蘊(yùn)涵式，其中A?I，B?I，并且A∩B=?。關(guān)聯(lián)規(guī)則A→B在事務(wù)數(shù)據(jù)庫D中的支持度support是指D中同時包含A事務(wù)、B事務(wù)的概率，即概率P(A∪B)，計算式如下：

(1)

式中，count(A∪B)指事務(wù)集合數(shù)據(jù)庫D中包含A∪B的事務(wù)數(shù)，count (D)指事務(wù)集合數(shù)據(jù)庫的總事務(wù)數(shù)。

關(guān)聯(lián)規(guī)則A→B在事務(wù)數(shù)據(jù)庫D中的置信度是指如果D中包含A事務(wù)，同時也包含B事務(wù)的概率。

(2)

式中，count(A∪B)指事務(wù)集合數(shù)據(jù)庫D中包含A∪B的事務(wù)數(shù)，count(A)指事務(wù)集合數(shù)據(jù)庫D中包含A事務(wù)的事務(wù)數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 數(shù)據(jù)分析

2.1.1 樣本獲取

獲取綿陽市2021年柴油車加載減速法檢測的數(shù)據(jù)樣本，累計32387組，數(shù)據(jù)處理后，得到有效數(shù)據(jù)29130組。

2.1.2 關(guān)聯(lián)度分析

按照GB3847-2018規(guī)定，檢測最大輪邊功率和相對應(yīng)的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)鼓表面線速度(VelMaxHP)并檢測100%VelMaxHP點(diǎn)和80% VelMaxHP點(diǎn)的排氣光吸收系數(shù)k及80% VelMaxHP點(diǎn)的氮氧化物，若修正后的最大輪邊功率低于所要求的最小功率，或者上述測得的排氣光吸收系數(shù)k、氮氧化物有任何一項(xiàng)超過了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值，均判斷檢測不合格。采用關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘判定柴油車檢測合格的4個因素，即：輪邊功率、100%VelMaxHP點(diǎn)的光吸收系數(shù)、80% VelMaxHP點(diǎn)的光吸收系數(shù)、80% VelMaxHP點(diǎn)的氮氧化物符合限值要求與否之間的依賴和相互關(guān)聯(lián)性，分析調(diào)整限值后對檢測合格率的影響。

設(shè)事件A為輪邊功率符合40%額定功率限值要求，事件B為100%VelMaxHP點(diǎn)的光吸收系數(shù)符合限值要求，事件C為80% VelMaxHP點(diǎn)的光吸收系數(shù)符合限值要求，事件D為80% VelMaxHP點(diǎn)的氮氧化物符合限值要求，以上所有事件均成立，則車輛檢測結(jié)果合格。對獲取樣本數(shù)據(jù)處理分析發(fā)現(xiàn)，事件A、B、C、D之間具有良好的關(guān)聯(lián)度，當(dāng)采用GB3847-2018中的限值a判定時，關(guān)聯(lián)度最好的三組關(guān)聯(lián)規(guī)則為B→C、BC→D、BCD→A，關(guān)聯(lián)度分析結(jié)果見表1。

表1 事件B與事件C、事件BC與事件D、事件BCD與事件A的關(guān)聯(lián)結(jié)果Tab.1 The association between event B and event C，event BC and event D，event BCD and event A

由以上分析得出，事件B發(fā)生時，則事件C也發(fā)生的支持度為98.17%，置信度為99.71%，即當(dāng)100%VelMaxHP點(diǎn)的光吸收系數(shù)符合限值要求時，80%VelMaxHP點(diǎn)的光吸收系數(shù)也符合限值要求的可能性為99.71%，P(C|B)=99.71%；事件BC發(fā)生時，則事件D也發(fā)生的支持度為97.46%，置信度為99.28%，即當(dāng)100%VelMaxHP點(diǎn)和80%VelMaxHP點(diǎn)的光吸收系數(shù)均符合限值要求時，80% VelMaxHP點(diǎn)的氮氧化物排放也符合限值要求的可能性為99.28%，P(D|BC)=99.28%；事件BCD發(fā)生時，則事件A也發(fā)生的支持度為96.25%，置信度為98.77%，即當(dāng)100%VelMaxHP點(diǎn)和80%VelMaxHP點(diǎn)的光吸收系數(shù)、80% VelMaxHP點(diǎn)的氮氧化物排放均符合限值要求時，輪邊功率也符合要求的可能性為98.77%，P(A|BCD)=98.77%。柴油車檢測合格率的計算如下：

P(ABCD)=P(B)×P(C|B)×P(D|BC)×P(A|BCD)

(3)

2.1.3 光吸收系數(shù)與累積頻率關(guān)系

累積頻率的計算公式如下：

(4)

(5)

式中：Ci為第i個光吸收系數(shù)的累積頻率，%；fi為第i個光吸收系數(shù)的頻率，%；n為互不相同的光吸收系數(shù)個數(shù)；mi為第i個光吸收系數(shù)的頻數(shù)；M為光吸收系數(shù)的總個數(shù)。

100%VelMaxHP點(diǎn)的光吸收系數(shù)與累積頻率的關(guān)系見圖2。

圖2 100%VelMaxHP點(diǎn)的光吸收系數(shù)與累積頻率的關(guān)系Fig.2 Relationship between the light absorption coefficient and cumulative frequency of the 100% VelMaxHP points

當(dāng)采用限值a判定時，100%VelMaxHP點(diǎn)光吸收系數(shù)小于1.2m-1對應(yīng)的累積頻率為98.45%，由式(3)計算得到柴油車合格率，即P(ABCD)為96.2589%，樣本中合格柴油車數(shù)量累計28041，合格率為96.2616%，經(jīng)比對，關(guān)聯(lián)度分析計算出的檢測合格率與樣本真實(shí)檢測合格率的相對誤差僅為0.0028%，認(rèn)為通過關(guān)聯(lián)度分析計算柴油車檢測合格率的方法是可靠的。

2.2 限值調(diào)整分析

GB3847-2018中的限值b與限值a比較，提高了100%VelMaxHP點(diǎn)和80% VelMaxHP點(diǎn)的排氣煙度控制要求，光吸收系數(shù)限值由1.2m-1降為0.7 m-1；提高了 80% VelMaxHP點(diǎn)的氮氧化物排放控制要求，氮氧化物排放限值由1500×10-6降為900×10-6。當(dāng)采用限值b判定時，關(guān)聯(lián)度最好的三組關(guān)聯(lián)規(guī)則為B→A、AB→C、ABC→D，關(guān)聯(lián)度分析結(jié)果見表2。

表2 事件B與事件A、事件AB與事件C、事件ABC與事件D的關(guān)聯(lián)結(jié)果Tab.2 The association between event B and event A，event AB and event C，event ABC and event D

100%VelMaxHP點(diǎn)的光吸收系數(shù)小于0.7m-1對應(yīng)的累積頻率為87.61%，由式(3)計算得到柴油車檢測合格率為63.7485%。由以上分析，若采用限值b判定，則篩選不合格柴油車比例為36.2515%，相對于采用限值a的不合格比例增幅為32.5131%，不滿足推薦城市控制高排放車輛比例為10%～25%[9]的要求。根據(jù)表2的關(guān)聯(lián)度分析結(jié)果，事件ABC發(fā)生，則事件D也發(fā)生的支持度為63.75%，置信度為76.46%，即當(dāng)輪邊功率、100%VelMaxHP點(diǎn)和80%VelMaxHP點(diǎn)的光吸收系數(shù)均符合限值要求時，80% VelMaxHP點(diǎn)的氮氧化物排放也符合要求的可能性僅為76.46%，由此得出，柴油車在80% VelMaxHP點(diǎn)的氮氧化物排放要符合限值900×10-6，則管控要求相對過嚴(yán)。

當(dāng)80% VelMaxHP點(diǎn)的氮氧化物排放限值采用限值a中的1500×10-6，若100%VelMaxHP點(diǎn)和80%VelMaxHP點(diǎn)的光吸收系數(shù)采用限值b中的0.7 m-1，可篩選不合格柴油車比例為17.2253%；同時還對100%VelMaxHP點(diǎn)和80%VelMaxHP點(diǎn)的光吸收系數(shù)限值分別采用1.0m-1、0.8m-1、0.6m-1進(jìn)行計算，可篩選不合格柴油車比例分別為7.2367%、11.5313%、21.3115%。

綜合上述分析，當(dāng)80% VelMaxHP點(diǎn)的氮氧化物排放限值采用限值a中的1500×10-6，若將100%VelMaxHP點(diǎn)和80% VelMaxHP點(diǎn)的光吸收系數(shù)限值由1.2m-1調(diào)整為1.0m-1，篩選的不合格柴油車比例不滿足高排放車輛控制比例10%～25%的要求；若將100%VelMaxHP點(diǎn)和80% VelMaxHP點(diǎn)的光吸收系數(shù)限值由1.2m-1調(diào)整為0.8m-1，篩選的不合格柴油車比例相對于高排放車輛控制比例10%～25%的范圍偏低；若將100%VelMaxHP點(diǎn)和80% VelMaxHP點(diǎn)的光吸收系數(shù)限值由1.2m-1調(diào)整為0.6m-1，篩選的不合格柴油車比例相對于高排放車輛控制比例10%～25%的范圍偏高；若將100%VelMaxHP點(diǎn)和80% VelMaxHP點(diǎn)的光吸收系數(shù)限值由1.2m-1調(diào)整為0.7m-1，篩選的不合格柴油車比例相對于高排放車輛控制比例10%～25%的范圍較為合理。

2.3 限值調(diào)整后的影響

2.3.1 限值調(diào)整后對柴油黃標(biāo)車的影響

樣本中國Ⅱ及以下排放階段的柴油黃標(biāo)車數(shù)量為639輛，數(shù)據(jù)處理分析后，獲得100%VelMaxHP點(diǎn)的光吸收系數(shù)小于0.7m-1對應(yīng)的累積頻率為80.12%，當(dāng)采用調(diào)整后的限值判定時，關(guān)聯(lián)度最好的三組關(guān)聯(lián)規(guī)則為B→A、AB→C、ABC→D，關(guān)聯(lián)度分析結(jié)果見表3。

表3 事件B與事件A、事件AB與事件C、事件ABC與事件D的關(guān)聯(lián)結(jié)果Tab.3 The association between event B and event A，event AB and event C，event ABC and event D

由式(3)計算得到柴油黃標(biāo)車檢測合格率為72.2883%，不合格柴油黃標(biāo)車比例為27.7117%，高于推薦城市控制高排放車輛比例10%～25%的范圍，有助于提前淘汰。

2.3.2 調(diào)整限值后對老舊柴油車的影響

樣本中國Ⅲ、國Ⅳ排放階段的老舊柴油車數(shù)量為15598輛，數(shù)據(jù)處理分析后，獲得100%VelMaxHP點(diǎn)的光吸收系數(shù)小于0.7m-1對應(yīng)的累積頻率為80.16%，當(dāng)采用調(diào)整后的限值判定時，關(guān)聯(lián)度最好的三組關(guān)聯(lián)規(guī)則為B→A、AB→C、ABC→D，關(guān)聯(lián)分析結(jié)果見表4。

表4 事件B與事件A、事件AB與事件C、事件ABC與事件D的關(guān)聯(lián)結(jié)果Tab.4 The association between event B and event A，event AB and event C，event ABC and event D

由式(3)計算得到老舊柴油車檢測合格率為73.0577%，不合格老舊柴油車比例為26.9423%，高于推薦城市控制高排放車輛比例10%～25%的范圍，有助于提前淘汰。

2.3.3 調(diào)整限值后對國Ⅴ、國Ⅵ柴油車的影響

樣本中國Ⅴ、國Ⅵ排放階段的柴油車數(shù)量為12893輛，數(shù)據(jù)處理分析后，獲得100%VelMaxHP點(diǎn)的光吸收系數(shù)小于0.7m-1對應(yīng)的累積頻率為97%，當(dāng)采用調(diào)整后的限值判定時，關(guān)聯(lián)度最好的三組關(guān)聯(lián)規(guī)則為B→A、AB→C、ABC→D，關(guān)聯(lián)分析結(jié)果見表5。

表5 事件B與事件A、事件AB與事件C、事件ABC與事件D的關(guān)聯(lián)結(jié)果Tab.5 The association between event B and event A，event AB and event C，event ABC and event D

由式(3)計算得到國Ⅴ、國Ⅵ柴油車檢測合格率為95.0427%，由此得出，調(diào)整限值后，對于排放階段為國Ⅴ、國Ⅵ柴油車的排放管控相對較寬松。

3 結(jié) 語

(1)當(dāng)80% VelMaxHP點(diǎn)的氮氧化物排放限值為900×10-6，100%VelMaxHP點(diǎn)和80% VelMaxHP點(diǎn)的光吸收系數(shù)限值為0.7m-1，可篩選不合格柴油車比例為36.2515%，超過了推薦城市控制高排放車輛比例10%～25%的范圍要求，排放管控過嚴(yán)。

(2)當(dāng)80% VelMaxHP點(diǎn)的氮氧化物排放限值為1500×10-6，100%VelMaxHP點(diǎn)和80% VelMaxHP點(diǎn)的光吸收系數(shù)限值為0.7m-1，可篩選不合格柴油車比例為17.2253%，相對于高排放車輛控制比例10%～25%的范圍較為合理。

(3)調(diào)整限值后，經(jīng)計算得出，柴油黃標(biāo)車和老舊柴油車的不合格比例分別為27.7117%和26.9423%。

(4)研究表明調(diào)整限值后能更有效地篩選出高排放柴油車，有助于提前淘汰，減少氮氧化物和顆粒物的排放，推動環(huán)境空氣質(zhì)量持續(xù)改善，為綿陽市柴油車大氣污染物排放治理提供科學(xué)參考。