环境空气自动监测质量智能成效审核技术研究与应用

邝俊侠 温佐钧 裴成磊 钟宇驰 师建中

(广州市环境监测中心站，广州 510030)

环境空气自动监测质量智能成效审核技术研究与应用

邝俊侠 温佐钧 裴成磊 钟宇驰 师建中

(广州市环境监测中心站，广州 510030)

空气质量自动监测质量成效审核，是对日常运行自动监测系统的分析仪器准确性、辅助设施的正常性、日常维护的正确性等多方面进行质量监督检查，从而判断整个监测系统的质量，是监测网络质量保证的重要的部分。本文结合了中国环境监测总站、广东省环境监测中心、香港环保署和台湾环保署的相关要求，研发了自动监测质量智能成效审核技术，应用于广州市40个空气质量发布点的监测质量保证，推动了广州市环境空气自动监测网的监测质量的进一步提高，取得了良好的效果。

环境空气 监测质量 智能 成效审核

1 引言

随着社会经济持续快速发展，环境问题日益突出，空气质量问题成为关注的焦点。广州市是全国最早开展环境空气自动监测的6个试点城市之一，目前已建成51个包括国控和市控点位的空气质量实时发布网，覆盖了广州市全部行政区，并应用于广州市各行政区的空气质量排名[1，2]，因此，在现有质量控制的基础上强化质量保证的手段，保障空气质量发布网的监测质量，使监测数据真实反映各区的空气质量状况。

成效审核是对自动监测系统的质量监督检查，是质量保证的重要的部分[3，4]，通过成效评估，可以及时掌握监测系统存在的问题，并迅速采取纠正措施进行解决，保证监测系统能长期可靠地连续运行和获取准确的监测数据[5]。

目前已有的对空气质量自动监测质量监督考核的方法主要是通过手工进行，考核过程中，气体污染物分析仪由于需要审核多个浓度点，现行的技术需要人工调整动态校准仪的输出，记录分析仪稳定响应的结果，再将结果整理到报表中，采用人工进行标准气比对实验已满足不了快速、高效以及大面积审核站点的要求。而监督考核的结果往往因为人工整理汇总和编制报告上报所造成的时间延时，使得管理人员不能及时了解各站点的检查情况，导致检查结果不具有实时性。考核的执行程度和执行效率也受人员的综合能力和素质的制约，除需要大量的人力和时间外，还容易出现人为误差或者修改的风险。

2 研究技术路线

智能化的成效审核需要满足环境空气自动监测质量控制的要求，同时需要具备高度的自动化和数字化，使审核工作的标准化和流程化。根据实际工作需要和质量监督流程，研发智能成效审核子站端软件及结果展示平台、制定审核内容方法和综合质量评分标准、现场审核方法、审核结果综合评定方法。智能化成效审核的技术流程如图1所示。

图1 成效审核技术流程图

3 智能成效审核技术

3.1 智能成效审核的内容及设计

环境质量成效审核是独立于环境空气质量自动监测子站管理质量体系的监督方法[5]，根据环境空气自动监测相关规范和质量管理作业指导书，参照国家对环境空气质量监督检查的内容制定评分标准，通过自带的标准质控设备和标准物质，对受检站点进行全面的监督检查。审核的内容包括站房环境、仪器设备状态、分析仪器准确度、原始记录的完整性、运维人员的技术水平等五个方面进行，其中准确度是保证数据质量最关键的一环，也是成效审核的重点。

根据国家目前法定监测因子，确定SO2、NO2、CO、O3、PM10、PM2.5为审核因子，另外利用标准气象仪器对风向、风速、相对湿度、气温、气压等五参数进行比对。要求如表1。

表1 审核内容及要求对照表

智能成效审核的设计思路是：①参数变化和漂移较少，审核耗时少，可一次性完成的审核项目，如PM10和PM2.5的流量和质量审定、气态分析仪器和动态校准仪的流量审定等，采取现场一次性人工审核。②需要长时间通入不同浓度标准气体如CO、O3、NO-NO2-NOx、SO2等气态分析仪的准确度审核，则使用计算机软件编程技术，对审核的流程实施自动化智能控制。③对于站房环境、仪器设备状态、原始记录的完整性、运维人员的技术水平等可现场得出结果的项目采用依照已制定评分标准即时分项评价方式进行。⑤气象参数、站房温湿度及气压，可以将实时连接外接测量设备并将数据同步传输至中心数据平台进行比对。

智能成效审核技术需具备自动化、智能化、实时性和高效率的特点(图2)。

图2 智能成效审核

3.2 研发现场成效审核控制软件和中心智能成效审核平台

现场成效审核控制软件：采用脚本文件的指令语句编写[6]，以《环境监测信息技术规定》(HJ660-2013)的数据传输协议，以向上备份的交互模式，向系统数据服务器报送30秒分辨率以上监测数据、仪器状态标识、性能诊断、报警信息等；向下可自动执行仪器定时自动校准、性能检验等质控任务，并可远程下达执行。在任务进行中对相关监测项目的数据作出该任务特定的状态标识，以区别于正常监测的数据，并在每次任务完成时，自动填写的实验

报表，如果成绩不合格，即生成提示短信上报。软件同时还具有监控站房环境、采样温湿度、采样流量、站房电压、标气气压、零气加热炉状态、空压机工作状态、站房浸漏监控、火警监控的功能。如图3所示。

图3 现场成效审核控制软件

现场成效审核控制软件台实现成效审核操作流程全自动执行，将所有审核任务执行的详细流程确定下来，使用计算机定时执行添加的审核任务，如图4所示。

图4 现场成效审核控制软件任务界面

完成全部审核任务后，根据审核过程监测数据自动计算结果，如图5所示。

图5 现场成效审核控制软件报表自动填写界面

智能成效审核平台：安装于广州市环境监测中心站服务器，接收各子站成效审核数据及报表，按拟定标准进行质量判别，并对结果进行统计、评价和多样化展示。审核人员通过智能成效审核平台可实时追踪各站点的成效审核实施的情况、了解各站点成效审核工作的进展、监督成效审核工作的实施。此外，为满足对不同指标的达标情况统计，中心端软件能按使用者的需求设置相关的审核指标开展审核工作。

3.3 现场成效审核

3.3.1 子站平台硬件构成

预装有现场成效审核控制软件工控机1台、气体动态校准仪1台、零气发生器1台、标准气体(SO2、NO、CO)各1瓶、标准流量计1套、恒流采样泵1台、五参数标准气象仪1台、标准温湿度计1台、标准气压计1台、装审核软件的PAD1台、GPS卫星定位仪1台，数据连线和特氟龙连接管若干。其中标准气体来自国家的一级标准，流量计和气象仪经过计量检定并与广州市环境监测中心站质控实验室比对合格，动态校准仪的质量流量控制器(MFC)和臭氧发生器要经过校准和质量传递才投入使用，所有的标准均可以溯源到国家计量基准。

3.3.2 现场成效审核部署

现场成效审核以突击检查形式进行，不事先通知运维人员进行准备。审核人员进入监测子站站房以后，快速部署气体动态校准仪、零气发生器、标准气体、工控机、采样管风机、气象比对设备等：

(1)采样总管：停止原采样总管的抽气风机，把总管底部堵住，在旁路加装可通过wifi遥控开关的恒流采样泵(目的是自动审核完成可遥控恢复正常采样)。在进行审核工作时，分析仪尽可能在正常采样模式下运行。测试用不同浓度的标准气体应该通过在正常采样过程中的所有滤纸、调节器和所有其它采样入口部件，即通入采样总管再进入被审核的分析仪中，确保发现采样总管到仪器之间管线连接所可能造成的问题，做到全流程成效审核。

(2)工控机：通过数据线把装有现场成效审核控制软件的工控机与原子站工控机并行连接，把成效审核软件设定为数据最小时间分辨率显示的模式(如30秒或1分钟)，对审核站点中原有数据采集软件中所有被审核仪器设置离线或者打上预标识，由成效审核软件接管被审核仪器设备，对其进行数据采集和仪器状态监控。

为确保审核期间站房环境与仪器状态的稳定性，使得整个审核流程都在实时监控过程中，使用现场成效审核控制软件实时获取站房温度、湿度和在线分析仪器设备状态参数，确保审核数据精确、可靠。

(3)布置气象比对仪器：便携式气象仪固定在站房顶靠近比对气象仪附近，数据接入到现场成效审核工控机。审核设备应该在与监测设备相同的环境条件下运作，以减少误差。

(4)布置校准设备：用相应的管线和数据线连接好气体动态校准仪、零气发生器、审核工控机、标准钢瓶气，通过审核工控机指令动态校准仪将标准气体稀释为不同浓度的气体输入采样总管以审核分析仪器的测量值。接入审核设备前先进行泄漏测试，并用标准气体冲洗减压阀和连接管路，排除残留气体。

以上程序准备完毕后仪器设备进入预热状态。在审核设备预热期间，对站房环境、仪器设备状态、原始记录、仪器数据一致性、最新校准结果、耗材更换状况等进行逐一检查，通过PAD端子站平台软件对照评分，并标注现场检查中发现的各种问题和情况，同步推送至中心智能成效审核平台。

3.3.3 准确度审核

对于气体分析仪的准确度审核是对多点浓度(NO2分析仪器还需进行钼转化炉转化效率的测试)、响应时间、采样流量来进行审核；颗粒物分析仪(PM10和PM2.5)审核内容包括流量审核和质量传感器审核；动态气体校准仪审核内容包括零气和标气流量的审核；气象审核内容包括风速、风向、温湿度、大气压力等五参数审核。

(1)气态分析仪的审核：首先用标准流量计对各气态分析仪的采样流量和气体动态校准仪器的标气流量和零气流量进行测试，然后标准气体输出口接入采样总管的多支路管最上端接口，由现场成效审核控制软件控制采样总管的恒流采样泵动作，并通过软件快速测试各分析仪跨度点响应情况，核查审核设备是否能正常输送和获取仪器数据和状态。

气体项目的审核一般采用满量程的18%、36%、80%至少三个阶梯浓度水平来进行测试，为检查仪器零点情况，在开始及结束时审核零点一次。如果需要对同一个站点进行复审，复审时改变各个审核级别的审核浓度，让每次的浓度都有所不同。用现场成效审核控制软件自动执行成效审核工作，记录气态分析仪的响应，并与审核浓度作比较，计算它们之间的偏差和生成成效审核结果的电子表格，自动推送到中心端平台，整个过程无需人工干预。可设定气态分析仪成效审核开始的实际时间，添加各气态分析仪成效审核任务队列，预设时间为审核设备开机2小时后进行，以确保审核设备有足够的预热时间。

(2)颗粒物分析仪的审核：利用标准流量计对颗粒物分析仪进行流量和泄漏检查，有配质量校准膜的仪器则用标准膜进行质量检查。

(3)气象分析仪的比对：将便携式五参数标准气象仪与子站的气象分析仪并排摆放，分别比对风速、风向、大气温湿度、大气压力的准确度。

对颗粒物分析仪的流量质量、动态校准仪和气态分析仪的流量审核结果，均记录到“智能成效审核系统”PAD端软件中。当各审核项目出现超出警告/控制极限时，应该立刻通知现场运维人员并上报环保主管部门以便其采取相应的措施。完成现场检查和审核项目中手工审核部分后，将现场成效审核PAD端软件审核结果推送至中心智能成效审核平台。完成所有现场审核后，将子站内监测设备恢复至审核工作之前的最初状态，预留足够的时间清除剩余在采样系统内的审核气体，检查数据采集系统所显示的数据是否处于正常大气浓度范围之内再恢复仪器在线，将监测设备恢复至正常环境监测运作模式，检查数据采集系统是否正常，填写监测子站工作记录表，现场成效审核结束。

3.4 审核结果展示

所有数据和结果通过在子站平台软件实时推送到中心平台，中心平台对数据和结果入库统计，实现多功能可视化展示，包括结果查询、成绩排名、结果统计、网络准确度等功能，如图6所示。

4 总结

智能成效审核技术的研究综合国家、广东省和粤港澳对空气自动监测质量控制和考核的相关规范、规定以及技术手段，结合广州市的实际情况，在该市40个空气质量发布点得到了成功的应用，提高了质量监督的工作效率和监测数据的准确性，提升了环境空气自动监测网络质量体系的整体水平。

图6 中心智能成效审核平台审核结果展示

[1] 裴成磊，黄祖照，刘叶新，等. 对空气质量实时发布站点的监控研究[J]. 环境监控管理与技术，2015,27(1):67-70.

[2] 裴成磊，黄祖照，刘叶新，等 .空气质量自动监测综合示范站建设及管理[J]. 分析仪器，2014 ,(4):95-98.

[3] 广东省环境监测中心 .珠江三角洲空气监控系统QA/QC标准操作程序[M]. 广州：广东科技出版社，2007.

[4] 广东省环境监测中心 .区域空气质量监测网络质量管理体系与标准操作程序[M]，广州：广东科技出版社，2013.

[5] 袁鸾，谢敏，周炎 .浅谈区域空气质量监测网络成效评估指标体系的建立[J].中国高新技术企业，2017.07:3-6.

[6] 师建中 .环境自动监测数据处理通用技术研究[J] .实验科学与技术，2009,7(4):30,98 .

Development and application of intelligent performance audit technology of ambient air automatic monitoring quality.

Kuang Junxia, Wen Zuojun, Pei Chenglei, Zhong Yuchi, Shi Jianzhong

(Guangzhou Environmental Monitoring Center, Guangzhou 510030, China)

Performance audit is an importance method as the part of quality assurance in air quality monitoring network, which audits the accuracy of instruments, normality of auxiliary equipment, validity of routine maintenance etc. Intelligent technology was developed and applied by studying the relative requirements of CNEMC, GDMEC, HKEPD and TWEPD. It has been applied to audit the quality of 40 sites in Guangzhou air quality monitoring network, whic achieves good results.

ambient air; monitoring quality; intelligent; performance audit

邝俊侠，男，1967年出生，高级工程师，主要从事环境质量自动监测领域的工作及研究，E-mail：peichenglei@163.com。

10.3936/j.issn.1001-232x.2017.02.018

2017-01-04