李修嶺

（中國鐵路蘭州局集團(tuán)有限公司 科研技術(shù)監(jiān)督所，甘肅 蘭州）

引言

近年來，隨著鐵路運(yùn)輸?shù)目焖侔l(fā)展，車廂內(nèi)的環(huán)境衛(wèi)生也逐漸成為了人們關(guān)注的焦點(diǎn)[1-2]。而在后疫情時(shí)代，人們對(duì)健康安全和生活舒適度的關(guān)注進(jìn)一步提升[3-4]。過去研究表明，空氣污染與多種健康問題密切相關(guān)，我國也采取了一系列政策措施減少空氣污染對(duì)人體健康的影響[5-8]。高鐵作為短途出行的公共交通工具，其車廂內(nèi)部的空氣品質(zhì)對(duì)乘客的旅途舒適度和健康具有重要影響。高鐵作為封閉式的公共場所，其車廂客流量大、通風(fēng)受限、設(shè)備物品易感染等特點(diǎn)使得維持良好空氣品質(zhì)面臨一定挑戰(zhàn)[9-11]，因此如何對(duì)封閉環(huán)境中的空氣品質(zhì)進(jìn)行更好地監(jiān)測和評(píng)價(jià)，需進(jìn)一步研究探討。

本文以蘭州火車站至蘭州中川機(jī)場站的C633 次城際高鐵列車為研究對(duì)象，通過樹莓派微型電腦連接多種氣體傳感器采集車廂空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，通過實(shí)車監(jiān)測，檢測蘭州城際鐵路列車各項(xiàng)主要空氣污染物的水平，并根據(jù)《旅客列車衛(wèi)生及檢測技術(shù)規(guī)定》判斷各項(xiàng)污染物達(dá)標(biāo)狀況，以了解高鐵短途客車存在的主要衛(wèi)生問題，為其空氣質(zhì)量改善和技術(shù)改造提供衛(wèi)生學(xué)依據(jù)。通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算與可視化，使用兼顧最高分指數(shù)與平均分指數(shù)評(píng)價(jià)方法，構(gòu)建車廂空氣品質(zhì)評(píng)價(jià)模型，實(shí)現(xiàn)蘭州城際高鐵列車的空氣質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

在此次研究中，本文選擇城際高鐵列車C633 次、C634 次列車作為研究對(duì)象，同時(shí)選取蘭州市軌道交通地鐵一號(hào)線車廂內(nèi)部空氣品質(zhì)進(jìn)行對(duì)比分析，考慮到地鐵車廂內(nèi)客流量的影響，實(shí)驗(yàn)過程中記錄了每一站的上下車人數(shù)。

1.2 流程設(shè)計(jì)

本次實(shí)驗(yàn)流程分為氣體環(huán)境檢測平臺(tái)搭建、氣體檢測數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)分析與評(píng)價(jià)四個(gè)步驟。

氣體環(huán)境檢測的平臺(tái)搭建中傳感器選型需要利用環(huán)境監(jiān)測儀氣體傳感器設(shè)置多個(gè)氣體參數(shù)，包括空氣環(huán)境中的直徑小于2.5 μm 的細(xì)顆粒物（particulate matter 2.5, PM2.5）、濕度、氧氣、室內(nèi)有機(jī)氣態(tài)物質(zhì)（total volatile organic compounds, TVOC）、甲醛等12種空氣組分的含量，采用多種氣體傳感器可獲取當(dāng)前環(huán)境中各主要空氣組分濃度。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊硬件選型采用提供6 個(gè)通用異步收發(fā)器接口的微處理器。中央處理器裝置采用樹莓派4B 微型電腦主板，通過連接多種氣體傳感器對(duì)測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取及實(shí)時(shí)存儲(chǔ)。

其次對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行氣體檢測數(shù)據(jù)收集，實(shí)驗(yàn)具體相關(guān)方案如表1 所示。在數(shù)據(jù)預(yù)處理的過程中，對(duì)于數(shù)據(jù)文件進(jìn)行數(shù)據(jù)完整性檢查、數(shù)據(jù)存在性檢查及異常數(shù)據(jù)處理。最后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與評(píng)價(jià)，本文采用蘭州站至中川機(jī)場站的城際高鐵列車車廂內(nèi)數(shù)據(jù)和蘭州市軌道交通地鐵一號(hào)線車廂數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，通過應(yīng)用最高分指數(shù)評(píng)價(jià)法和平均分指數(shù)評(píng)價(jià)法對(duì)所采集數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

表1 實(shí)驗(yàn)方案

2 數(shù)據(jù)分析

列車車廂中存在很多威脅人體健康的有害物質(zhì)，其中以TVOC、甲醛為代表。因此本文研究的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)主要以上述有害物質(zhì)為主。

2.1 TVOC 含量分析

圖1 表明了不同類型車廂內(nèi)TVOC 的變化情況，其中虛線代表車頭，實(shí)線代表車尾。從圖1（a）中可以看出，地鐵車廂內(nèi)TVOC 在車頭內(nèi)隨著行程的增加先迅速降低后緩慢上升，在行程至20%左右達(dá)到最低點(diǎn)；TVOC 在車尾內(nèi)隨著行程的增加總體呈增加趨勢。圖1（b）中表明了在高鐵車廂內(nèi)的變化情況，隨著行程的增加，TVOC 在高鐵車頭車廂內(nèi)不斷增加，在行程至50%后趨于平穩(wěn)，而在全程行駛過程中，車尾的TVOC含量遠(yuǎn)低于車頭。高鐵內(nèi)車頭的TVOC 含量遠(yuǎn)高于地鐵，車尾TVOC 含量基本和地鐵的波動(dòng)范圍一致，高鐵車尾車廂和地鐵的空氣質(zhì)量均為次等空氣質(zhì)量，均優(yōu)于高鐵車頭車廂。

圖1 TVOC 在不同類型車廂的變化

2.2 甲醛含量分析

圖2 為甲醛在不同類型車廂內(nèi)的變化情況，其中點(diǎn)線代表車頭，實(shí)線代表車尾。從圖2 中可以看出，地鐵車尾甲醛含量低于車頭，高鐵車頭甲醛含量低于車尾，兩種類型車廂內(nèi)的甲醛含量不超過0.04 ppb，均遠(yuǎn)低于世界衛(wèi)生組織要求，屬于安全濃度范疇。

圖2 甲醛在不同類型車廂的變化

3 車廂空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)模型

3.1 模型構(gòu)建

結(jié)合研究環(huán)境的現(xiàn)狀特點(diǎn)選擇合適的評(píng)價(jià)方法能夠更好地分辨空氣中環(huán)境變量的影響程度進(jìn)而有針對(duì)性地提出改善意見。城際高鐵屬于公共場所室內(nèi)環(huán)境，根據(jù)相關(guān)資料，選擇氧氣、二氧化碳、PM2.5、甲醛和TVOC 作為空氣質(zhì)量的綜合評(píng)價(jià)因子。采用兼顧最高分指數(shù)與平均分指數(shù)的空氣質(zhì)量指數(shù)法進(jìn)行空氣品質(zhì)的綜合評(píng)價(jià)。根據(jù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)得到每一種空氣組分的平均分指數(shù)，將不同范圍內(nèi)的結(jié)果進(jìn)行等級(jí)劃分?？諝庵心愁愇廴疚锏目諝赓|(zhì)量綜合指數(shù)如式（1）所示：

式中，Ii為第i 類污染物的綜合指數(shù)；Ci為第i 種污染物的平均檢測濃度；Si為第i 種污染物的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

空氣質(zhì)量的綜合指數(shù)如式（2）所示：

式中，Ci為第i 種污染物的平均檢測濃度；Si為第i 種污染物的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；Imax為最高分指數(shù)；Iav為平均分指數(shù)；Imax反映超標(biāo)倍數(shù)；Iav平衡評(píng)價(jià)結(jié)果。

3.2 結(jié)果分析

表2 為空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)等級(jí)，通過對(duì)比表2 及模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。本文將采集的數(shù)據(jù)通過上述模型進(jìn)行求解分析，最終根據(jù)I 的范圍對(duì)不同類型車廂內(nèi)的空氣質(zhì)量等級(jí)評(píng)價(jià)，得到表3 的評(píng)價(jià)結(jié)果。

表2 空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)等級(jí)

表3 評(píng)價(jià)結(jié)果

通過對(duì)比表2 及表3 可以看出，自然環(huán)境下的空氣質(zhì)量綜合指數(shù)為0.77，仍未達(dá)到清潔狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)1空氣綜合評(píng)價(jià)等級(jí)為四級(jí)，屬于重度污染狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)2空氣綜合評(píng)價(jià)等級(jí)為三級(jí)，屬于輕度污染狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)3和4 空氣綜合評(píng)價(jià)指數(shù)為二級(jí)，屬于尚未污染狀態(tài)。高鐵的空氣綜合質(zhì)量優(yōu)于地鐵，同自然環(huán)境處于同一等級(jí)。

高鐵相較于地鐵而言，客流量相對(duì)較少，車廂內(nèi)人數(shù)密度相對(duì)較低，且選址開闊，站點(diǎn)多位于城市邊緣或近郊，在空氣質(zhì)量方面呈現(xiàn)出明顯的優(yōu)越性。

4 結(jié)論

本文對(duì)蘭州城際高鐵列車車廂環(huán)境中的空氣質(zhì)量進(jìn)行檢測，同時(shí)測量蘭州軌道交通地鐵一號(hào)線軌道列車車廂的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)作為對(duì)照組進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)不同環(huán)境下空氣中各類氣體的變化趨勢進(jìn)行了分析總結(jié)，應(yīng)用最高分指數(shù)與平均分指數(shù)法構(gòu)建空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)模型，對(duì)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。研究結(jié)果表明，城際高鐵短途客運(yùn)列車空氣質(zhì)量處于尚未污染水平，地鐵車廂內(nèi)空氣質(zhì)量水平為輕中度污染水平，高鐵列車空氣質(zhì)量水平明顯優(yōu)于地鐵。本文所得研究結(jié)論有利于增強(qiáng)乘客對(duì)出行環(huán)境和健康關(guān)系的認(rèn)識(shí)，為進(jìn)一步提升乘客旅途舒適度提供了理論和現(xiàn)實(shí)依據(jù)，進(jìn)而推動(dòng)軌道交通的環(huán)保發(fā)展。