王 剛， 張福印， 李明輝， 王金龍， 王藝博， 武傳偉

(1.漢威科技集團(tuán)股份有限公司，河南 鄭州 450001；2.鄭州大學(xué) 化工學(xué)院，河南 鄭州 450001)

0 引 言

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，大量工業(yè)廢氣、工地?fù)P塵以及化石燃料燃燒產(chǎn)生的污染物排放到大氣中，造成嚴(yán)重的空氣污染，制約著經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)綠色發(fā)展。近年來(lái)，顆粒物污染和臭氧污染已成為影響我國(guó)城市空氣質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一[1]。隨著大氣污染防治工作逐漸向區(qū)縣、園區(qū)等精細(xì)尺度延伸，網(wǎng)格化高密度監(jiān)測(cè)的需求逐漸旺盛[2]。針對(duì)該需求，利用低成本多參數(shù)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)或標(biāo)準(zhǔn)儀器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)密集布點(diǎn)的模式，可以獲得更高時(shí)空分辨率的污染分布特征，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境氣體的實(shí)時(shí)精確監(jiān)測(cè)[3]。

低成本多參數(shù)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)儀器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相比，具有價(jià)格低廉、體積小等優(yōu)點(diǎn)，然而，由于傳感器與標(biāo)準(zhǔn)儀器之間的對(duì)比工作還不夠完善，對(duì)于具體的用戶來(lái)說(shuō)，傳感器數(shù)據(jù)的可信度有待考證。另外，網(wǎng)格化布設(shè)的多參數(shù)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大多工作在室外，環(huán)境因素是一個(gè)影響很大的變量，進(jìn)而導(dǎo)致傳感器在室外測(cè)試中的效果往往不太理想[3]。算法優(yōu)化使得數(shù)據(jù)訂正結(jié)果得到明顯改善[4～8]，也為低成本多參數(shù)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能改善提供了參考。當(dāng)前，常用的非線性多項(xiàng)式模型補(bǔ)償技術(shù)只研究了單一參數(shù)，沒(méi)有直接應(yīng)用于多參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中；其他的主流建模方法還包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法，如反向傳播(BP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[4]、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[9]，雖然獲得了較好的效果，但是仍然存在學(xué)習(xí)速度慢，容易陷入局部最優(yōu)解及在不同場(chǎng)合參數(shù)調(diào)整復(fù)雜等缺點(diǎn)。

為解決上述問(wèn)題，本文搭建了一種基于偏最小二乘回歸(partial least squares regression，PLSR)算法的低成本多參數(shù)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；通過(guò)采集得到的顆粒物、氮氧化物(NO2)、二氧化硫(SO2)、臭氧(O3)和一氧化碳(CO)等傳感器模組原始信息，及標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的相關(guān)濃度信息，分別建立PLSR模型，并對(duì)模型的參數(shù)估計(jì)進(jìn)行逼近，得到最優(yōu)模型；最后通過(guò)放置室外與實(shí)測(cè)值對(duì)比，進(jìn)行驗(yàn)證。

1 模型介紹

1.1 PLSR模型和評(píng)價(jià)方法

PLSR主要用于變量個(gè)數(shù)較多，而觀測(cè)數(shù)據(jù)數(shù)量較少，且變量之間存在多重相關(guān)性時(shí)的回歸建模[10]。用PLSR建立的模型，可以通過(guò)提取成分和篩選成分的方式，提取對(duì)因變量的解釋最強(qiáng)、對(duì)因變量影響最大的綜合變量，具有傳統(tǒng)經(jīng)典回歸分析等方面所沒(méi)有的優(yōu)點(diǎn)[10]。PLSR分析可以集成多元線性回歸分析、典型相關(guān)分析和主成分分析，可以很好解決變量之間存在多重相關(guān)性或樣本點(diǎn)過(guò)少的回歸難題。

通過(guò)回歸分析，將低成本多參數(shù)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)得到的各個(gè)監(jiān)測(cè)因子的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)儀器的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，得到?jīng)Q定系數(shù)R2，計(jì)算公式為

(1)

還可以通過(guò)均方根誤差(root mean square error,RMSE)來(lái)評(píng)價(jià)傳感器數(shù)據(jù)本身的質(zhì)量

(2)

式中yi,p和yi分別為傳感器第i個(gè)數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)儀器第i個(gè)數(shù)據(jù)。

模型建立和評(píng)價(jià)方法可以通過(guò)如圖1所示的數(shù)據(jù)處理流程圖來(lái)表示。

圖1 數(shù)據(jù)處理流程圖

1.2 顆粒物濃度預(yù)測(cè)模型建立與分析

本文所采用的顆粒物傳感器，可以同時(shí)輸出0.3～10 μm粒徑范圍的顆粒物數(shù)量，主要原因是小于0.3 μm的顆粒物不能散射足夠的光強(qiáng)而無(wú)法用光度計(jì)測(cè)量到，而大于10.0 μm的顆粒物由于很難進(jìn)入光感應(yīng)區(qū)而難以被測(cè)量[12]。在本模型中，將不同范圍粒徑數(shù)的顆粒物按表1進(jìn)行分類。將A0.5，A1.0，A2.5，A5.0，A10.0作為PM2.5和PM10濃度貢獻(xiàn)的自變量，PM2.5和PM10.0為因變量，建立PLSR模型，即

表1 顆粒物傳感器粒徑輸出分類

(3)

式中B2.5和B10.0為求解PM2.5和PM10.0濃度時(shí)的常數(shù)項(xiàng)，K為對(duì)應(yīng)的系數(shù)。

1.3 氣體濃度預(yù)測(cè)模型建立與分析

由于臭氧是一種強(qiáng)氧化性氣體，可以對(duì)SO2,NO2產(chǎn)生一定的氧化還原反應(yīng)。因此，在對(duì)氣體濃度建模時(shí)，同時(shí)考慮三種氣體之間的相互作用。另外，CO也是常規(guī)測(cè)試的氣體。針對(duì)4種氣體的濃度監(jiān)測(cè)模型為

(4)

2 實(shí)驗(yàn)部分與數(shù)據(jù)來(lái)源分析

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為了有效支撐模型驗(yàn)證工作，搭建了一種低成本多參數(shù)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其總體框圖如圖2所示。為了盡可能消除外界環(huán)境對(duì)傳感器的影響，通過(guò)采樣頭和伴熱管線提高顆粒物傳感器測(cè)量的可靠性；通過(guò)采樣泵和恒溫裝置提高SO2NO2O3CO傳感器測(cè)量的可靠性。顆粒物傳感器的測(cè)量結(jié)果通過(guò)數(shù)據(jù)總線傳輸至系統(tǒng)控制模塊；氣體傳感器的輸出與待測(cè)物質(zhì)濃度相關(guān)的電信號(hào)，通過(guò)調(diào)理電路轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，再傳輸至系統(tǒng)控制模塊。系統(tǒng)控制模塊把收到的數(shù)字信號(hào)加以處理，傳輸至顯示模塊，方便本地顯示處理；通過(guò)傳輸模塊把本地?cái)?shù)據(jù)直接上傳至相應(yīng)的平臺(tái)，進(jìn)行數(shù)據(jù)二次處理和展示。系統(tǒng)控制模塊，還可以通過(guò)伴熱控制模塊和恒溫控制模塊，分別保證伴熱管線和恒溫裝置的溫度穩(wěn)定性。

圖2 低成本多參數(shù)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖

本文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，所使用的顆粒物傳感器是基于光散射原理的，即空氣中的顆粒物進(jìn)入傳感器之后在激光光源的照射下會(huì)發(fā)生散射，然后利用光度計(jì)來(lái)測(cè)量顆粒物散射出來(lái)的光強(qiáng)，通過(guò)從散射光獲得的信號(hào)使用算法來(lái)對(duì)可檢測(cè)顆粒進(jìn)行粒徑分離，轉(zhuǎn)換成需要的濃度值。所使的NO2,SO2,O3,CO等四個(gè)因子傳感器則是基于電化學(xué)原理的。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)儀器介紹

顆粒物監(jiān)測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)儀器，選用的是采用β射線衰減原理的由Thermo Scientific公司生產(chǎn)的5014i型環(huán)境顆粒物連續(xù)監(jiān)測(cè)儀。環(huán)境空氣由采樣泵吸入，經(jīng)顆粒物切割器后進(jìn)入采樣，途經(jīng)自動(dòng)加熱管，最后沉積在采樣濾膜上。由C—14放射源發(fā)出的β粒子在穿過(guò)采集了顆粒物的采樣膜后其能量會(huì)發(fā)生衰減，根據(jù)顆粒物吸收β射線的量與粉塵粒子的質(zhì)量成正比關(guān)系來(lái)計(jì)算出粉塵的質(zhì)量濃度[12]。NO2監(jiān)測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)儀器，選用基于化學(xué)發(fā)光技術(shù)[13]的42i型(NO—NO2—NOx)分析儀，通過(guò)將NO2轉(zhuǎn)化成亞硝酸根，利用還原劑將亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化為NO后與O3反應(yīng)的氣相化學(xué)發(fā)光。發(fā)光強(qiáng)度與NO2的濃度成線性比例關(guān)系。SO2監(jiān)測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)儀器，選用基于脈沖熒光技術(shù)的43i型SO2分析儀，SO2分子在吸收紫外激勵(lì)光后，會(huì)躍遷至較高的能量狀態(tài)，然后衰減至較低的能量狀態(tài)，同時(shí)在另一個(gè)波長(zhǎng)發(fā)射出紫外光，所發(fā)射的UV光與SO2濃度成正比。O3監(jiān)測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)儀器，選用基于朗伯—比爾定律的49i型雙光室紫外光度臭氧分析儀，利用O3濃度對(duì)254 nm紫外光吸光度成正比。CO監(jiān)測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)儀器，選用的是采用48i型氣體過(guò)濾相關(guān)法CO分析儀，基于CO對(duì)波長(zhǎng)4.6 μm的紅外輻射有吸收的原理，且濃度與吸收成正比。

2.3 數(shù)據(jù)來(lái)源

測(cè)試數(shù)據(jù)是2020年12月2日至2020年12月8日采用自研儀器測(cè)得的PM2.5,PM10,CO,SO2,NO2,O3數(shù)據(jù)，及采用標(biāo)準(zhǔn)儀器得到的數(shù)據(jù)。為了便于對(duì)比，多參數(shù)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的時(shí)間間隔都是5 min。

3 實(shí)驗(yàn)分析

基于1.2節(jié)和1.3節(jié)的模型研究，根據(jù)式(3)，可建立顆粒物的偏最小二乘模型如式(5)所示

(5)

測(cè)得12月2日至12月8日，標(biāo)準(zhǔn)儀器測(cè)量結(jié)果與低成本多參數(shù)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的預(yù)測(cè)結(jié)果時(shí)序圖如圖3所示。其中MIPM2.5與MIPM10分別表示標(biāo)準(zhǔn)儀器測(cè)量的PM2.5和PM10濃度結(jié)果；預(yù)測(cè)PM2.5與預(yù)測(cè)PM10分別表示低成本多參數(shù)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量的PM2.5和PM10濃度結(jié)果?？梢园l(fā)現(xiàn)預(yù)測(cè)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果的測(cè)量結(jié)果差值均小于20 μg/m3。標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備測(cè)量結(jié)果與預(yù)測(cè)結(jié)果的均方根誤差分別為11.64 μg/m3和13.35 μg/m3；其決定系數(shù)R2如圖4所示，分別為0.838 7和0.803 1。p>

圖3 顆粒物濃度標(biāo)準(zhǔn)儀器測(cè)量結(jié)果與預(yù)測(cè)結(jié)果的時(shí)序

圖4 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備測(cè)得PM顆粒物濃度和低成本多參數(shù)系統(tǒng)測(cè)得濃度對(duì)比

根據(jù)式(3)，可建立四種氣體的偏最小二乘模型如式(6)所示

(6)

測(cè)得12月2日至12月8日，標(biāo)準(zhǔn)儀器測(cè)量結(jié)果與低成本多參數(shù)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的預(yù)測(cè)結(jié)果時(shí)序圖如圖5所示。其中SO2,NO2,CO和O3分別表示標(biāo)準(zhǔn)儀器測(cè)量的相應(yīng)四氣體的濃度結(jié)果；預(yù)測(cè)SO2,預(yù)測(cè)NO2,預(yù)測(cè)CO和預(yù)測(cè)O3分別表示低成本多參數(shù)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量的相應(yīng)四氣體的濃度結(jié)果。可以發(fā)現(xiàn)預(yù)測(cè)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果的趨勢(shì)變化是比較一致的。標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備測(cè)量結(jié)果與預(yù)測(cè)結(jié)果的均方根誤差分別為：2.77 μg/m3,15.67 μg/m3,0.11 mg/m3和28.83 mg/m3；其決定系數(shù)R2如圖6所示，分別為0.217 8,0.447 9,0.571 5和0.353 7。

圖5 四種氣體濃度標(biāo)準(zhǔn)儀器測(cè)量結(jié)果與預(yù)測(cè)結(jié)果的時(shí)序圖

圖6 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備測(cè)得氣體污染物濃度和低成本多參數(shù)系統(tǒng)測(cè)得濃度對(duì)比

4 結(jié) 論

本文提出了一種低成本多參數(shù)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用偏最小二乘回歸法，建立顆粒物傳感器不同粒徑輸出與顆粒物濃度PM2.5和PM10之間的關(guān)系模型；建立氣體傳感器輸出與氣體污染物濃度之間的關(guān)系模型。建模過(guò)程簡(jiǎn)單方便，具有較好的操作性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備測(cè)量PM2.5和PM10結(jié)果與預(yù)測(cè)結(jié)果的均方根誤差分別為11.64 μg/m3和13.35 μg/m3；決定系數(shù)R2分別為0.838 7和0.803 1; 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備測(cè)量SO2,NO2,CO和O3的結(jié)果與預(yù)測(cè)結(jié)果的均方根誤差分別為：2.77 μg/m3,15.67 μg/m3,0.11 mg/m3和28.83 μg/m3；其決定系數(shù)R2分別為0.217 8,0.447 9,0.571 5和0.353 7。因此，在大氣空氣質(zhì)量測(cè)量中，可使用偏最小二乘回歸法對(duì)PM2.5,PM10,SO2,NO2,CO和O3等污染物進(jìn)行預(yù)測(cè)，并取得較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，且符合環(huán)保產(chǎn)品認(rèn)證實(shí)施規(guī)則中微型環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)要求。