散貨港口粉塵智能監(jiān)測與聯(lián)動控制技術(shù)

龐坤

摘要：散貨港口粉塵智能監(jiān)測與聯(lián)動控制技術(shù)，包括“1+N”粉塵智能監(jiān)測、粉塵精準(zhǔn)控制運(yùn)算模型和粉塵智能化控制系統(tǒng)。通過“1+N”的監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)粉塵全域網(wǎng)格化實時動態(tài)監(jiān)測。粉塵精準(zhǔn)控制運(yùn)算模型是通過大數(shù)據(jù)統(tǒng)計劃定網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)加權(quán)粉塵濃度，利用高斯擴(kuò)散模式的反推模式計算得到無組織排放源的源強(qiáng)，根據(jù)矩陣模型得到每個網(wǎng)格源強(qiáng)對于檢測濃度高值點位的貢獻(xiàn)率，對比網(wǎng)格矩陣對該次污染過程的貢獻(xiàn)率大小實現(xiàn)高排放的智能識別。粉塵智能控制系統(tǒng)是基于粉塵精準(zhǔn)控制運(yùn)算模型開發(fā)出的智能聯(lián)動控制軟件，通過生產(chǎn)指揮中心智能控制堆場噴槍，實現(xiàn)粉塵智能控制，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)實現(xiàn)粉塵超標(biāo)預(yù)警。

1.前言

交通運(yùn)輸是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)設(shè)施和基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)。港口作為世界貨物運(yùn)輸?shù)闹匾獦屑~，是世界經(jīng)濟(jì)增長的重要推動力。但隨著港口的發(fā)展，不可避免的帶來環(huán)境污染問題。如粉塵污染問題已經(jīng)成為散貨港口不可忽視的主要環(huán)境問題。

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，散貨港口的裝卸品種及吞吐量不斷增加，港口散貨的揚(yáng)塵污染日益嚴(yán)重。散貨港口粉塵污染已經(jīng)成為港口城市空氣污染的重要來源，顆粒物濃度嚴(yán)重超標(biāo)，霧霾頻發(fā)，已經(jīng)嚴(yán)重影響了港區(qū)工作人員及周邊住戶的健康、工作和生活，散貨港口的粉塵污染帶來健康損壞、環(huán)境破環(huán)及作業(yè)效率降低等一系列問題。這與2019年中央提出的“堅決打贏三大攻堅戰(zhàn)，決勝全面建成小康社會”不符，污染防治攻堅戰(zhàn)作為重要一戰(zhàn)，重點是打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)，要使主要污染物排放總量大幅減少。這就需要散貨港口做好粉塵污染防治工作，從源頭著手，以防為主，“防”“除”相結(jié)合，力爭把散貨港口的粉塵污染降到最低，建立綠色港口。

《中華人民共和國環(huán)境保護(hù)稅法》的正式實施，要求散貨港口按規(guī)定按其大氣污染物（散貨粉塵）排放量進(jìn)行交稅。在該稅法第十條中規(guī)定“應(yīng)稅大氣污染物的排放量的排序第一的計算方法為：納稅人安裝使用符合國家規(guī)定和監(jiān)測規(guī)范的污染物自動監(jiān)測設(shè)備的，按照污染物自動監(jiān)測數(shù)據(jù)計算;”且在第十三條中給出相關(guān)的減稅政策“納稅人排放應(yīng)稅大氣污染物或者水污染物的濃度值低于國家和地方規(guī)定的污染物排放標(biāo)準(zhǔn)百分之三十的，減按百分之七十五征收環(huán)境保護(hù)稅。納稅人排放應(yīng)稅大氣污染物或者水污染物的濃度值低于國家和地方規(guī)定的污染物排放標(biāo)準(zhǔn)百分之五十的，減按百分之五十征收環(huán)境保護(hù)稅?！彪S著該稅法的推行，在國內(nèi)散貨港口掀起了新一輪的粉塵治理技改高潮，港口運(yùn)營方開始更關(guān)注于粉塵污染治理的實效如粉塵污染監(jiān)測濃度的下降。要嚴(yán)格控制大氣污染物的排放，必須要具備有效的監(jiān)測措施。

散貨港口粉塵污染問題自散貨港口建立之初就存在，是全球性的問題，國內(nèi)外研究人員經(jīng)過長期的不懈努力，對散貨港口的粉塵監(jiān)測技術(shù)和除塵技術(shù)進(jìn)行了大量研究，已經(jīng)有較多方案可供企業(yè)選擇。然而，我國大部分散貨港口的粉塵污染依然嚴(yán)峻，究其原因，主要是現(xiàn)有的粉塵污染監(jiān)測與控制技術(shù)不適用，沒有科學(xué)完善的粉塵污染監(jiān)測控制體系，粉塵監(jiān)測和控制技術(shù)和管理還是粗放式和非標(biāo)準(zhǔn)化的，需要人工干預(yù)、人力清理的地方非常多，不能滿足未來散貨港口智能化、無人化的需求，隨著國家及人們對環(huán)境關(guān)注度越來越高，必然對環(huán)境質(zhì)量要求也越來越高。因此，散貨港口粉塵智能監(jiān)測與聯(lián)動控制技術(shù)的研究迫在眉睫。

2.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析

（1）散貨港口粉塵監(jiān)測國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

通常測量的粉塵顆粒濃度分成兩種表示方法：數(shù)量濃度和質(zhì)量濃度。數(shù)量濃度為單位體積里氣溶膠中含有粉塵顆粒的數(shù)量。質(zhì)量濃度為單位體積內(nèi)的氣溶膠中粉塵的質(zhì)量。到目前為止，人類已經(jīng)發(fā)展出了多種測量粉塵濃度的方法，雖然這些方法各有不同，但從基本原理上來區(qū)分，仍然可以將它們歸結(jié)為兩大類：取樣法和非取樣法。

國外有代表性的產(chǎn)品為英國的Simslin系列監(jiān)測儀以及其升級產(chǎn)品OSIRIS粉塵傳感器和計算機(jī)粉塵監(jiān)測系統(tǒng);德國丁達(dá)爾公司生產(chǎn)的TM系列粉塵儀;俄羅斯研制的π-101型自動測塵儀;日本柴田 LV-5E、P5系列微電腦粉塵儀;美國研制的RAM系列實時粉塵監(jiān)測儀、粉塵雷達(dá)和Auburn公司生產(chǎn)的3400型粉塵監(jiān)測儀。其中Simslin 系列監(jiān)測儀、TM系列粉塵儀、LV-5E、P5系列微電腦粉塵儀采用光散射法，π-101型自動測塵儀采用光吸收法，3400型粉塵監(jiān)測儀采用摩擦電法測量粉塵濃度。國內(nèi)粉塵濃度監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展較晚，但最近幾年也有所進(jìn)展：一是逐步向連續(xù)監(jiān)測發(fā)展，二是向多點連續(xù)監(jiān)測發(fā)展，三是向遠(yuǎn)距離大面積連續(xù)監(jiān)測發(fā)展。

（2）散貨港口粉塵控制技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

近年來，各種智能傳感器和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展為粉塵智能化監(jiān)測提供了技術(shù)條件。基于粉塵監(jiān)測的控制技術(shù)研究和應(yīng)用成為發(fā)展的新趨勢。目前一般專業(yè)化散貨港口的港機(jī)作業(yè)與作業(yè)粉塵控制設(shè)備進(jìn)行了聯(lián)動控制。以部分港口翻車機(jī)翻車作業(yè)為例，翻車作業(yè)前30秒啟動噴霧或噴淋裝置，翻車作業(yè)完成后30秒停止噴霧或噴淋裝置。但基于粉塵濃度監(jiān)測的港機(jī)粉塵控制設(shè)備聯(lián)動的研究和應(yīng)用還較少，且基本為針對局部作業(yè)流程或者單機(jī)的控制方面。散貨港口產(chǎn)塵點多，涉及靜態(tài)堆存，動態(tài)作業(yè)和道路揚(yáng)塵等，動態(tài)作業(yè)又包括翻車作業(yè)、卸料作業(yè)、堆料作業(yè)、轉(zhuǎn)運(yùn)作業(yè)和裝船作業(yè)等多個作業(yè)工藝。如果僅針對某個作業(yè)環(huán)節(jié)進(jìn)行抑塵，往往事倍功半，港區(qū)的整體抑塵效果仍然較差，達(dá)不到粉塵控制的整體目標(biāo)。

從粉塵控制手段方面來看，J.Faschingleitner等針對散貨固體在輸送過程中的揚(yáng)塵問題，提出了一種封閉的水噴霧系統(tǒng)來抑制最主要和次要的粉塵。王丹等歸納總結(jié)了散貨堆場防塵措施，該措施又分為濕法、干法、干濕結(jié)合、機(jī)械物理、生態(tài)方法等五種型式，其在分析了國內(nèi)港口防塵現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出了適宜于散貨堆場的抑塵集成技術(shù)。Ding等針對煤礦中煤塵的防塵抑塵問題，研究了磁化表面活性劑的除塵性能，對不同濃度表面活性劑的除塵效果進(jìn)行分析研究。Wang等針對地下煤礦的除塵問題設(shè)計了一種新型泡沫發(fā)生器除塵系統(tǒng)，并通過實驗證明了其有效性。

然而，目前的很多研究多重視單一環(huán)節(jié)，沒有系統(tǒng)研究港口全過程的粉塵綜合治理，這種治理離不開各個環(huán)節(jié)的協(xié)同，尤其是粉塵監(jiān)測和控制兩個過程的協(xié)同。

因此，本研究正是根據(jù)國內(nèi)外研究的缺失，開展散貨港口粉塵智能化監(jiān)測與控制技術(shù)研究，將粉塵監(jiān)測數(shù)據(jù)與粉塵控制技術(shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)散貨港口粉塵的全區(qū)域網(wǎng)格化實時監(jiān)測、預(yù)警和控制，對于散貨港口及周邊空氣環(huán)境質(zhì)量提升，保衛(wèi)港口城市藍(lán)天白云具有重要意義。

3.散貨港口粉塵智能監(jiān)測與聯(lián)動控制技術(shù)

（1）“1+N”散貨港口粉塵智能監(jiān)測技術(shù)

散貨港口粉塵實時動態(tài)監(jiān)測要求實時反映港口區(qū)域粉塵濃度及其分布情況，因此提出了“1+N”散貨港口粉塵智能監(jiān)測技術(shù)?！?+N”技術(shù)指的是1套激光雷達(dá)粉塵污染物監(jiān)測設(shè)備配合N套場內(nèi)布設(shè)的光散法或β射線法粉塵在線監(jiān)測儀。其中，1套激光雷達(dá)設(shè)備通過激光與顆粒物和氣態(tài)分子相互作用后產(chǎn)生散射光來獲取不同高度處污染物的濃度分布信息，再利用N套場內(nèi)分布的粉塵在線監(jiān)測儀進(jìn)行濃度標(biāo)定。由于激光雷達(dá)粉塵污染物監(jiān)測設(shè)備對粉塵的測定是定性/半定量的，因此需要粉塵監(jiān)測儀進(jìn)行定點標(biāo)定。通過“1+N”的組合，可實現(xiàn)實時反映港口區(qū)域粉塵濃度及其分布情況的需求。

“1+N”粉塵智能監(jiān)測方案與港口現(xiàn)有粉塵監(jiān)測系統(tǒng)相比，其優(yōu)勢在于：可直觀實時反映場界內(nèi)粉塵濃度;可摸清堆場起塵點及起塵規(guī)律;可實時反映堆場邊界濃度，有效反映是否環(huán)保達(dá)標(biāo)排放;還可直觀反映是否有場界外粉塵遷移入場，其濃度幾何。

激光雷達(dá)粉塵污染源監(jiān)測技術(shù)，簡稱“粉塵雷達(dá)”技術(shù)。其監(jiān)測原理為：“粉塵雷達(dá)”如激光探針一樣，通過不斷向大氣中發(fā)射激光束，掃描大氣中的信息，通過與顆粒物和氣態(tài)分子相互作用后產(chǎn)生散射光來獲取不同高度處污染物的濃度分布信息。該技術(shù)無需在堆場內(nèi)大量布點，港口區(qū)只需一臺儀器就可滿足粉塵監(jiān)測的全區(qū)域覆蓋效果，是現(xiàn)有港口粉塵監(jiān)測技術(shù)中最優(yōu)的選擇，相比其他布點監(jiān)測方案具有巨大的優(yōu)勢。

粉塵雷達(dá)與粉塵在線監(jiān)測儀的“1+N”智能監(jiān)測技術(shù)，是按照如下功能實現(xiàn)的：一、利用顆粒物激光雷達(dá)實現(xiàn)對散貨港口區(qū)域監(jiān)測掃描的全覆蓋;顆粒物激光雷達(dá)安裝于港區(qū)內(nèi)的制高點，進(jìn)行定時循環(huán)掃描;顆粒物激光雷達(dá)掃描后得到覆蓋散貨港口全域的消光系數(shù);消光系數(shù)發(fā)送回中心服務(wù)器，同樣用于對數(shù)據(jù)的統(tǒng)一處理和分析。二、中心服務(wù)器用于接收、處理、分析和存儲粉塵濃度數(shù)據(jù)，并通過顯示界面展示散貨港口每一個周期的粉塵監(jiān)測結(jié)果。三、設(shè)定粉塵在線監(jiān)測儀的位置具體坐標(biāo)為（x，y），其任一時刻監(jiān)測到的粉塵濃度數(shù)據(jù)為Qt，在同一時刻，通過所述顆粒物激光雷達(dá)監(jiān)測到的，坐標(biāo)為（x，y）處的消光系數(shù)為Et，中心服務(wù)器利用以下公式計算得到消光系數(shù)和粉塵濃度數(shù)據(jù)的折算系數(shù)αt：中心服務(wù)器利用計算得到的折算系數(shù)αt乘以該時刻所有位置的消光系數(shù)，既可以得到該時刻散貨港口全場所有位置的粉塵濃度數(shù)據(jù)。四、中心服務(wù)器將某時刻全場所有位置的粉塵濃度數(shù)據(jù)加載于散貨港口的地圖底圖之上，得到該時刻該散貨港口粉塵濃度分布的云圖。

（2）“粉塵濃度-核心影響因素-精準(zhǔn)控制決策模型

粉塵監(jiān)測與智能控制聯(lián)動的核心是要精準(zhǔn)定位起塵區(qū)域，污染的源頭追蹤一直是學(xué)術(shù)界研究的重點，通過對粉塵污染的溯源，找到真正造成污染的元兇，科學(xué)的、有針對性的、有的放矢的從源頭來治理粉塵污染?，F(xiàn)階段主要的細(xì)顆粒物的溯源方法主要有三種方法，其中包括源排放清單法、受體模型法和擴(kuò)散模型法。

源排放清單法，顧名思義就是要獲取到監(jiān)測區(qū)域所有污染源的排放數(shù)據(jù)。整個方法結(jié)果簡單明了，但主要問題在污染源清單的獲取和數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建中，由于監(jiān)測區(qū)域空氣污染物的開放性，使得前期排放清單的獲取難度過大，數(shù)據(jù)不夠完全（外來污染物的擴(kuò)散），另外由于活動水平資料的不全面，排放因子難以確定，使得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建難度過大。

受體模型法主要應(yīng)用監(jiān)測點的監(jiān)測信息，通過物理化學(xué)計算模型反推出細(xì)顆粒物的主要來源。受體模型法是應(yīng)用較早的源分析方法，而且是現(xiàn)階段國內(nèi)外在科學(xué)研究方面應(yīng)用較多的分析方法。但受體模型方法并不適用于快速溯源過程。

擴(kuò)散模型法，是基于監(jiān)測數(shù)據(jù)與氣象學(xué)空氣模型把污染物在空氣中的擴(kuò)散，物理化學(xué)變化通過數(shù)學(xué)模型的方式創(chuàng)建出來，通過監(jiān)測點的貢獻(xiàn)值大小來判斷主要污染源。首先擴(kuò)散模型法不僅可以獲取到監(jiān)測點位的污染源解析情況，并且可以獲取到整個監(jiān)測范圍內(nèi)的污染物擴(kuò)散情況。第二方面，由于還原了整個監(jiān)測空間污染物的擴(kuò)散過程，所以對分辨出本地和外來污染源。第三方面，通過還原出的擴(kuò)散模型對粉塵污染控制具有指導(dǎo)意義。

利用擴(kuò)散模型法開展起塵點溯源的計算過程中，前提假設(shè)是：每個網(wǎng)格內(nèi)的面源污染都可被視為中心點源，利用高斯擴(kuò)散模式的反推模式可計算得到無組織排放源的源強(qiáng)Q，根據(jù)矩陣模型得到每個網(wǎng)格源強(qiáng)對于檢測濃度高值點位的貢獻(xiàn)率aij，對比網(wǎng)格矩陣對該次污染過程的貢獻(xiàn)率aij大小;設(shè)定貢獻(xiàn)率閾值，aij超過的閾值網(wǎng)格啟動噴槍，實現(xiàn)網(wǎng)格化精準(zhǔn)控制。而網(wǎng)格化劃分的過程主要包括：將每個噴槍的控制區(qū)域范圍，其落入網(wǎng)格中，根據(jù)噴淋的控制區(qū)域范圍，劃分監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測網(wǎng)格片區(qū)，粉塵雷達(dá)設(shè)定為對每個監(jiān)測網(wǎng)格進(jìn)行監(jiān)測，智能統(tǒng)計每個網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)加權(quán)粉塵濃度，根據(jù)網(wǎng)格區(qū)的平均粉塵濃度分布情況結(jié)合氣象數(shù)據(jù)，根據(jù)相應(yīng)的底層算法得到粉塵控制決策依據(jù)。

（3）粉塵智能監(jiān)測與聯(lián)動控制系統(tǒng)平臺

系統(tǒng)架構(gòu)主要由三部分內(nèi)容組成：粉塵智能化監(jiān)測、粉塵精準(zhǔn)控制運(yùn)算模型和粉塵智能控制系統(tǒng)。

一、粉塵智能化監(jiān)測是通過“1+N”的監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)，其中激光雷達(dá)粉塵監(jiān)測系統(tǒng)用于區(qū)域監(jiān)測，粉塵在線監(jiān)測儀用于場界監(jiān)測和場內(nèi)分散點位監(jiān)測。粉塵在線監(jiān)測儀共用于激光雷達(dá)的定量化標(biāo)定。此套監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)港口區(qū)域監(jiān)測的全覆蓋效果。

二、粉塵精準(zhǔn)控制運(yùn)算模型是通過智能統(tǒng)計劃定網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)加權(quán)粉塵濃度，利用高斯擴(kuò)散模式的反推模式計算得到無組織排放源的源強(qiáng)，根據(jù)矩陣模型得到每個網(wǎng)格源強(qiáng)對于檢測濃度高值點位的貢獻(xiàn)率，對比網(wǎng)格矩陣對該次污染過程的貢獻(xiàn)率大小實現(xiàn)高排放的智能識別。

三、粉塵智能控制系統(tǒng)是基于粉塵精準(zhǔn)控制運(yùn)算模型開發(fā)出的智能聯(lián)動控制軟件，可聯(lián)動二級泵房、控制泵房，通過生產(chǎn)調(diào)水中心智能控制堆場噴槍，實現(xiàn)粉塵智能控制，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)實現(xiàn)粉塵超標(biāo)預(yù)警。

4.結(jié)論

粉塵智能監(jiān)測和聯(lián)動控制技術(shù)及其系統(tǒng)，其監(jiān)測范圍可實現(xiàn)散貨碼頭區(qū)域全覆蓋，監(jiān)測指標(biāo)為TSP、PM10和PM2.5，監(jiān)測系統(tǒng)能實時反映碼頭區(qū)域粉塵濃度分布情況。系統(tǒng)可實現(xiàn)監(jiān)測與控制聯(lián)動，能結(jié)合氣象參數(shù)、粉塵濃度和地理位置信息智能判斷堆場內(nèi)起塵位置，能根據(jù)判斷出的起塵位置自動啟動相關(guān)區(qū)域噴淋設(shè)施，可根據(jù)堆場不同作業(yè)情況智能控制噴淋設(shè)施，可根據(jù)氣象、環(huán)境等因素做出算法修正。通過軟件平臺可實時查詢碼頭各位置粉塵濃度分布，并可對粉塵濃度即將超標(biāo)區(qū)域進(jìn)行濃度預(yù)警。

系統(tǒng)可保證碼頭粉塵防治的全面性和整體性;提高環(huán)境效果，提高環(huán)保效率，減輕工人勞動強(qiáng)度;在有效除塵的同時，使水資源利用率達(dá)到最大化，節(jié)約抑塵用水。

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