微型空氣質量監測站在虹口區的建設和應用

魏亞龍，張 莎，金志浩

(上海市虹口區環境監測站，上海 200083)

1 引言

綠色高質量發展是上海市虹口區提升區域能級，實現綠色高質量發展的重要契機。加強生態環境監測能力建設，完善現代化生態環境治理體系，提升環境監管能力，才能確保生態環境質量穩定向好，形成全社會共治共享的生態環境新局面，實現生態治理體系和治理能力現代化。

完善生態環境監測技術體系，提升全過程監測質量監管能力，確保監測數據“真、準、全”，需建立完善涵蓋大氣、水、噪聲、輻射等環境要素的環境質量監測網絡，加強固定源、移動源和面源監測水平，提升生態環境質量與污染排放的關聯分析能力。借助物聯網、大數據、傳感器、人工智能等新技術在監測監控業務中的應用，能夠有效地促進這些目標的達成[1，2]。

微型空氣質量監測站(以下簡稱微型空氣站)是高度智能化的集數據采集、存儲、傳輸和管理于一體的環境監測裝備。它包括污染物傳感器、數據采集傳輸系統以及圖像系統，可將監測數據通過無線通訊實時發送至云平臺。國標法標準站系統存在數量少、覆蓋率低，同時數據滯后的局限性。微型空氣站與傳統監測設備相比體積小，點位布設靈活(可布設在一根綜合桿上，無需站房建設)[3]，采用模塊化設計,方便后期維護，若設備監測數據出現偏離,無需現場校準,通過遠程即可進行參數修正,總體來說安裝和維護成本較低[4]，時間分辨率高且使用成本低，采用無線通訊方式傳輸監測數據，可實現城市微環境空氣質量的監測，克服了國標法標準站占地面積大、儀器成本高的缺點，從運行維護負責的情況來看擴大了監控范圍。同時對監測結果進行“大數據分析”，還能夠了解整個區域的大氣污染變化趨勢、污染成因等關鍵情況。通過分析某一階段的大氣污染云圖，就能夠了解整體的空氣質量變化規律，為下一步決策提供參考[5～8]。

通過微型空氣站的自動監測，可以更加準確地了解區域內的環境空氣污染狀況，便于開展大氣污染預報預警，同時也有利于研究其他大氣保護措施，為減排和控制空氣污染提出指導意見[9]。本文介紹了虹口區微型空氣站的布置情況和系統功能，對其在虹口區的應用情況進行了闡述。

2 微型空氣站點位布置情況

虹口區北外灘區域毗鄰黃浦江，地理位置優越，是虹口區開發建設的重點區域。北外灘開發的目標是形成運作全球的北外灘總部城、輻射全球的中央活動區核心區、引領全球的世界級會客廳。這對該區域的生態環境質量提出了更高的要求。目前虹口區的涼城國控點距離北外灘區域較遠，監測數據無法全面、準確、實時地反映北外灘區域的環境空氣質量情況(圖1)。

圖1 虹口區北外灘區域及監測點位置示意圖

有鑒于此，2021年8月在北外灘區域大名路靠近南潯路路口綜合桿(編號：虹0010309)上設置了微型空氣站，實時監測環境空氣6個參數(PM10、PM2.5、CO、NO2、O3、SO2)。通過該微型空氣站了解整個區域的大氣污染變化趨勢、污染成因等關鍵情況，通過分析為污染防治提供有力抓手。

3 微型空氣站系統功能

微型空氣站型號為YD-02-1501型，它采用高度集成化模塊設計，拆裝方便，同時最大程度地降低了單個模塊故障對整體的影響，包含氣體傳感器模塊、顆粒物模塊、調零模塊、氣路控制模塊、主控模塊、電源模塊、數據采集傳輸系統以及圖像系統等，其主要功能為監測環境空氣中的氣態污染物(CO、NO2、O3和 SO2)和顆粒物(PM2.5和 PM10)，對監測現場進行圖像監控，數據進行處理及匯總后通過無線通訊實時發送至監控平臺。

微型空氣站采用高靈敏度電化學傳感器和PM傳感器，利用電化學反應分辨氣體成分、檢測氣體濃度。結合嵌入式技術和網絡通訊技術，可以連續監測大氣中氣態污染物濃度、顆粒物濃度等參數，全面展示需要的測量數據。

設備運行時，由高精度無刷旋轉真空泵將環境空氣吸入預處理器，再以穩定流量送到傳感器氣室，通過傳感器時所產生的信號經放大、A/D轉換后，由微處理器進行采集、計算、數據處理，產生濃度結果數據，數據結果可通過無線通訊實時送至監控平臺，并支持“一址多傳”的方式，同時所有數據都已備份在存儲器中。

3.1 功能描述

(1)傳感器模塊可以進行單獨插拔，可以進行單獨校準和更換。

(2)可在本地設置及修改各項參數及完成傳感器的零點標定及跨度標定，不連接電腦可直接獨立工作。

(3)氣態污染物氣路預處理系統：除塵疏水過濾器方式，樣品過濾≤0.2 μm。

(4)標定系統：可滿足自動標定、遠程控制標定和手動標定3種方式；氣態污染物模塊采用多點標定，支持5個以上校準點，確保準確性。

(5)數據存儲功能：數據存儲間隔1 min，同時可以保證每天工作24 h的情況下，數據可存儲3年以上。

(6)氣態污染因子測量采用模塊化設計，拆卸方便；氣室密封，配備零氣發生裝置和零氣校準模塊，可完成儀器現場校準調試。

(7)氣態污染物采樣流量需采用電子流量計測量，動態流量控制，在工作狀態下，流量穩定在550～650 sccm，可顯示即時流量，長壽命采樣動力系統，安靜，高效。

(8)顆粒物測量帶自動調零和智能加熱功能，實現對激光漂移和濕度影響矯正。自動調零功能可以實現跟蹤氣體與顆粒物長期監測的漂移誤差。

3.2 參數及指標

3.2.1 傳感器終端

微型空氣站對顆粒物PM2.5和PM10同時監測。在戶外環境中長期觀測使用需要提供穩定氣流控制并解決濕度影響，微型空氣站的OPC-AF模塊(Optical Particle Counter-Active Flow)，通過鞘氣設計解決光路污染問題，以及智能加熱對于進口空氣的預處理方式可減少或消除濕度影響，同時無刷旋轉真空泵的方式配合歐姆龍高精度流量控制器做脈沖寬度調制控制提供長時間穩定氣流。

微型空氣站的氣體模塊(BGM-B6)可對氣態污染物(CO、NO2、O3和SO2)進行同時監測，并提供多種質控手段，包括多傳感單元配對方案去除相互干擾，以及配對溫濕度傳感單元做環境校正，同時氣體前端處理提供溫濕度均衡減少誤差，和定期零空氣吹掃傳感器，提供專有針對傳感單元的虛擬基線漂移矯正算法。同時進氣處采用了耐腐蝕的全向采樣頭，前處理方式保障了進氣的零損失(表1)。

表1 傳感器性能指標

3.2.2 視頻監控終端

微型空氣站配置的圖像監控系統為大華網絡球形攝像機，可自動及手動方式主動控制攝像機采集監測點位及點位周邊可視范圍內環境情況的圖像，用于道路顆粒物和氣態污染物歷史數據分析和污染源溯源佐證，還可通過在線監測平臺調取相應時間段的超標圖片，遠程多角度抓拍圖像，實現查看監測點位周邊環境情況，能更加直觀地了解當時監測點位及點位周邊環境數據超閾值的誘發因素的詳細情況(表2)。

表2 大華網絡球形攝像機技術指標

微型空氣站主動控制攝像進行圖像采集的主要依據是實時監測的顆粒物濃度，判斷當前實測值是否超過預設閾值。正常情況下，監測站點設置攝像機每分鐘自動對道路情況進行圖像記錄，該圖像記錄會被暫時儲存在指定的緩存區域內，考慮到監測站點存儲容量的因素，在下一分鐘顆粒物數據未超過設定閾值時，暫時儲存在指定的緩存區域內的上一分鐘圖像記錄將會被下一分鐘的圖像記錄覆蓋。如顆粒物數據或氣體污染物實時值超過預設閾值時，監測站點主動控制攝像機進行按預先設置好的3個角度進行道路情況的圖像記錄，并匯同前一分鐘的道路情況圖像記錄通過無線網絡傳輸至遠程監控平臺。通過該優化的主動控制圖像采集機制，能有效解決超標時間段圖像滯后的情況，為后期數據分析、現場情況判斷提供強有力的技術支撐。

3.2.3 數據采集和傳輸系統

微型空氣站的數據采集傳輸系統功能及要求完全符合《HJ 477 污染源在線自動監控(監測)數據采集傳輸儀技術要求》[10]及《HJ 212 污染源在線監控(監測)系統數據傳輸標準》[11]。微型空氣站的實時監測數據采用直傳方式，數據有效捕集率不低于95%(不含由于路燈本身沒電等不可控原因導致的設備離線)，并通過平臺系統對監測數據進行自動審核，數據分析工程師進行人工二次審核，確保監測數據真實、準確、有效。微型空氣站具備“一址多傳”功能，采用技術規范中制定的數據通訊協議，通過直傳方式實時上傳至信息平臺。

3.3 質控及運維

儀器安裝之前，在實驗室內按質控作業指導書要求進行平行比對等，確保安裝儀器之間的平行性和一致性。

至少配備4名專業人員負責數據審核、數據分析和設備運維等工作。配備固定車輛及專職人員，每月一次對微型空氣站設備進行巡檢和維護，定期校準儀器、更換顆粒物濾膜。每天專人負責數據審核，數據缺失及時響應。

當點位出現由于供電故障導致的數據缺失時，通過遠程方式診斷并配合現場檢查，24 h內發現，及時報修，協調督促相關部門盡快維修供電線路[12～14]。

4 微型空氣站應用情況

2021年9～11月份對北外灘區域的環境空氣質量進行了簡要的分析，通過數據分析發現了污染的類別及其源頭，提出了相應的對策，并取得了一些實質性的成果[15]。

4.1 環境空氣質量監測

2021年9～11月份，大名路南潯路監測點(以下簡稱大名路南潯路)空氣質量指數(AQI)最高值為110，出現在9月1日，最低值為24，出現在9月13日。優良天數共為86 d(其中優為17 d，良為69 d)，優良率為94.5%。出現輕度污染5 d，其中9月出現2 d,分別為1日和6日，首要污染物均為臭氧。11月出現3 d，分別為15日、16日和26日，首要污染物均為二氧化氮。

2021年9～11月份，上海市AQI指數最高值為125，出現在9月1日，最低值為17，出現在9月13日。優良天數共為85 d(其中，優為33 d，良為52 d)，優良率為93.4%。出現輕度污染6 d，其中9月出現5 d，分別為1日、21日、22日、28日和29日。10月出現1 d，為10月2日，首要污染物均為臭氧。

2021年9～11月，虹口涼城AQI指數最高值為115，出現在9月1日，最低值為14，出現在9月13日。優良天數共為85 d(其中，優為33 d，良為52 d)，優良率為93.4%，出現輕度污染6 d，其中9月出現2 d，分別為1日和28日，首要污染物均為臭氧。10月出現1 d，為10月2日，首要污染物為臭氧。11月出現3 d，分別為14日、16日和25日，首要污染物均為二氧化氮。

綜上，9～11月份大名路南潯路AQI指數優良率為94.5%，優于虹口涼城和上海市(優良率均為93.4%)。空氣質量為優的天數為17 d，不及虹口涼城和上海市的33 d。依據優良率，空氣質量情況為10月>9月>11月，9月污染天氣首要污染物為臭氧，11月污染天氣首要污染物為二氧化氮(圖2、表3)。

表3 大名路南潯路、虹口涼城和上海市空氣質量比較 d

日期

從圖3可見，2021年9～11月份，大名路南潯路PM10、PM2.5、NO2、SO2、CO-95%和O3-8h-90%的平均濃度分別為30 μg/m3、18 μg/m3、50 μg/m3、4 μg/m3、0.8 mg/m3和119 μg/m3。除NO2外，大名路南潯路其余指標9～11月濃度均低于上海市均值和虹口涼城(表4)。

圖3 大名路南潯路、虹口涼城和上海市各污染物9～11月濃度比較

表4 大名路南潯路、虹口涼城和上海市各污染物9～11月份濃度 μg/m3

從圖4可見，大名路南潯路各污染物的月均濃度，PM10：11月份>9月份>10月份；PM2.5：11月份>9月份>10月份；NO2：11月份>10月份>9月份；SO2：9月份>10月份=11月份；CO-95%：11月份>9月份>10月份；O3-8h-90%：9月份>10月份>11月份。

圖4 大名路南潯路各污染物9～11月月均濃度比較

4.2 污染物溯源及治理

國標法標準站數據超標報警后，可能需要借助環保專業人員的分析并輔助現場管理人員的排查去尋找影響污染源，這種情況造成相關部門無法快速地對污染事件進行應急響應，從而錯失污染監管和治理的最佳時間。微型空氣站可以更快速更全面地反映不同區域的空氣質量和通過分析發現其中存在的問題，從而為相

關部門制定改善和保護空氣質量的決策做出重要的數據支持。

微型空氣站2021年10月出現了顆粒物污染，溯源的結果發現距監測點東側約300 m的東大名路旅順路路口西北側工地存在明顯的裸土，并有圍擋不到位的情況(圖5a)。其后要求其進行了整改，問題得到了明顯的改善(圖5b)。

圖5 工地整改前后對比

2021年11月26日數據顯示凌晨時監測到的NO2數據偏高，通過視頻監控溯源發現是由于清潔車輛(柴油車)頻繁往返工作，尾氣持續的排放造成的影響(圖6)。

相關信息均以專報形式與相關職能部門共享，以便各部門針對性地加強日常管理，提高處置效率。

5 結論與討論

通過在虹口區北外灘區域大名路南潯路附近設置微型空氣站，進一步完善了虹口區的環境監測評估預警體系，通過現場巡查和數據分析，匯報每月北外灘區域環境空氣質量監測結果，詳細的了解北外灘區域空氣質量情況及環境影響因素，對監測數據偏高的情況進行了分析溯源并由職能部門完成治理。

微型空氣站在虹口區的應用證明，將其應用于大氣環境污染防治是完全可行的，起到的作用也是立竿見影的，對于提升大氣環境質量的監測效率具有積極意義。因此，微型空氣站的建設是大趨勢，同時也是大氣環境污染防治的必然結果。