舰艇舱室挥发性有机化合物来源分析及污染等级分类

侯 晨，史喜成，白书培，韩 浩，李 灿



舰艇舱室挥发性有机化合物来源分析及污染等级分类

侯 晨1, 2，史喜成1，白书培1，韩 浩1，李 灿2

(1. 防化研究院国民核生化灾害防护国家重点实验室，北京 100191；2. 中国人民解放军92609部队，北京 100077)

针对舰艇舱室挥发性有机化合物采样数据，利用主成分分析法对21种有机化合物气体进行分析以确定各种有机化合物的主要来源，在主成分分析获得的降维数据基础上，进一步采用K-均值聚类算法对有机化合物进行分类，根据聚类结果制定了舱室污染等级评价标准，实现舱室挥发性有机化合物高、中、低污染等级分类．

舰艇舱室；挥发性有机化合物；主成分分析；K-均值聚类

由于考虑结构和安全因素，舰艇舱室空间通常设计得比较狭窄，再加上舰艇内部通风不畅，在航行过程中会因为柴油、汽油、油漆、人员活动等原因产生大量的有机污染物[1-3]．在密闭的舱室环境中，舱室空气中污染物浓度会随着舰艇的运行逐渐增加，各种有害气体会影响艇员身体健康，严重时甚至会危及生命安全[4-6]．由于现代舰艇采用了各种新型的材料和设备，因此十多年前制定的水面舰艇和潜艇舱室空气组分容许浓度国家标准已经无法适应舱室空气污染治理[7]．当前我国对舰艇舱室空气污染已经开展了相关研究，通过采样不同时间和不同舱室的空气以分析各种污染物组成种类和特性，为空气质量主动、被动控制提供了参考[8-11]；基于获得的采样数据，初步研究了对舱室多种污染物通用的空气质量评价公式[12].为了进一步对舰艇舱室挥发性有机物污染进行源头治理，有必要采用统计分析的方法对舱室空气成分进行来源分析．

本文针对舰艇舱室挥发性有机化合物采样数据，首先利用主成分分析法对21种有机化合物气体进行分析以确定各种有机化合物的来源，在主成分分析获得的降维数据基础上，进一步采用K-均值聚类算法对有机化合物进行分类，根据聚类结果制定科学合理的舱室污染等级评价标准，实现舱室挥发性有机化合物高、中、低污染等级分类．

1 舱室挥发性有机化合物来源分析

现代舰艇由于新型材料的使用，舱室中各种挥发性有机化合物种类增多，污染物浓度呈现上升趋势.为分析各种气体的来源，本文采集了某型舰艇舱室中不同运行阶段的21种挥发性有机化合物样本，样本数据共计56组，样本均值和标准差如表1所示．

表1 舱室样本数据均值和标准差统计结果

Tab.1 Sample data meanofcabin and the statistical re-sults of standard deviation

由于各种气体的浓度差异较大，必须将样本进行归一化以获得合理的分析结果．本文采用的归一化公式为

图1舱室挥发性有机化合物样本数据归一化处理后 分布

Fig.1 Distribution of sample data of volatile organic compounds in cabin after normalization process-ing

归一化后的样本数据KMO和Bartlett检验结果如表2所示，其中KMO检验结果显示变量之间的偏相关性满足进行因子分析的要求，而Bartlett检验结果显示变量之间相关性显著适宜进行因子分析．

在归一化样本数据基础上，采用主成分分析法对数据进行分析，各因子特征值和方差占比结果如表3所示，从表3可知4个成分对方差的累积贡献率为87.413%,，其分析结果表明利用4个主要因子即可基本表征舱室挥发性有机化合物特征．

表2 舱室气体KMO和Bartlett的检验结果

Tab.2 Test result of cabin gas KMO and Bartlett

表3 舱室挥发性有机化合物成分对方差的影响

Tab.3 Effect of volatile organic compounds in cabin on variance

为了选择最佳的4个特征量来代表全部的挥发性有机化合物，本文利用Kaiser标准化四分旋转法对归一化样本进行处理，得因子载荷矩阵见表4．根据因子的载荷矩阵，各主成分的得分函数可表示为

为了便于分析，表4中数值小于0.300的载荷因子均忽略不计，根据各主成分载荷系数可知，主成分1主要以苯、三氯乙烯、甲苯、正辛烷、乙苯、间对甲苯、壬烷、邻二甲苯等苯系物为主，主成分2主要以癸烷、十一烷、甲基萘2、甲基萘1、十五烷、二叔丁基苯酚等烷基苯类物质为主，主成分3主要以十二烷、萘、正十三烷、十六烷等烷烃物为主，主成分4主要以间二氯苯、萘、二叔丁基苯酚等物质为主．文献[16-17]通过气相色谱质谱内标法检测发现油漆中主要以苯、甲苯、乙苯、间(对)二甲苯、邻二甲苯等挥发性苯系物为主，因此可认为主成分1中的物质来源于舰艇中油漆；烷基苯类物质是电器用油、冷冻机油、液压油、汽轮机油、导热油等的主要成分[18]，甲基萘为基础油的主要成分，二叔丁基苯酚为机油抗氧化剂的主要成分之一，在舰船舱室环境中多次定性检出[19-20]，因此可认为主成分2中的物质来源于舰载机油和液压油的高温释放；文献[21-24]通过源成分谱对比分析，指出汽油和柴油蒸汽中主要包含芳烃、异构烷烃、烯烃、甲基叔丁基醚、环烷烃、正构烷烃等烷烃挥发性有机化合物，因此可认为主成分3中的物质来源于舰载油料常温挥发；主成分4中的间二氯苯主要用于防蛀、防霉、除臭、驱虫，是舰艇卫生间/垃圾场除臭剂和织物防蛀剂的主要成分[25]，而二叔丁基苯酚主要用于天然橡胶或者合成橡胶防老剂、塑料抗氧 剂[26]，大量包含于舰艇门窗密封部件、桌椅、床铺等生活用品之中，因此可认为主成分3中的物质来源于舰艇上的人员活动．

表4 样本因子载荷矩阵

Tab.4 Loading matrix of sample factor

图2 舱室挥发性有机化合物样本主成因子得分

2 基于K-均值的污染等级自动分类

在实际舰艇舱室空气质量治理过程中，不仅需要通过主成分分析法寻找舱室挥发性有机化合物来源，还需要制定一种舱室挥发性有机化合物污染等级分类标准，从而根据不同污染级别制定相应的治理措施.

舰艇舱室VOC的主要治理措施有通风换气、空气净化和源头控制．通风换气在执行任务期间难以实现．舱室配备的针对VOC的空气净化措施主要有活性炭吸附和催化燃烧两大类，活性炭吸附具有广谱性，缺点是存在吸附容量饱和问题；催化燃烧可将碳氢类VOC催化分解为二氧化碳和水，净化效率高，缺点是需要消耗较多电能且副产物多．源头控制是VOC控制最有效的措施之一，制定一种舱室挥发性有机化合物的污染等级分类方法，可以有效地指导源头控制，从而改善舱室空气质量．

由于舱室样本数据维数太高，因此难以根据人工经验制定相应的分类标准，本文利用K-均值聚类算法[27-28]对降维后的样本数据进行无监督学习，通过自动聚类的方法对样本数据进行分割．

本文将舱室挥发性有机化合物污染等级分为高、中、低3种类型，采用欧氏距离计算样本与质心之间的距离，K-均值聚类算法目标函数为

由于降维后的样本数据维度为4，为了便于分析分类结果，图3分别描述了4种主成因子的分类情况．从主成因子1～4的分类结果来看，分类1是因子得分较高的样本，分类2是因子得分居中的样本，分类3是因子得分较低的样本．根据分类与因子得分之间的对应关系，将分类1定为高污染样本，分类2定为中污染样本，分类3定为低污染样本．

表5 舱室样本降维后分类数据质心

Tab.5 Classification data centroid of cabin sample after dimensionality reduction

图3 主成因子分类结果

3 舱室样本分类分析

利用K-均值聚类算法获得污染等级分类结果与主成因子1的因子得分特性很接近，但与其他3种主成因子得分特性存在一定的差异，为了制定合理的分类标准，本文结合舱室样本综合得分特性对K-均值聚类算法分类结果进行了进一步的分析．舱室挥发性有机化合物样本综合得分为

根据上述分析可以获得舰艇舱室挥发性有机化合物分类规则：

从图4的分析可以发现，上述高污染等级与中污染等级、中污染等级与低污染等级之间存在一定区域的重叠，其原因主要在于本文采集的舱室挥发性有机化合物样本数量有限，随着样本数量的增加，样本数据之间的分界线将变得更加清晰、准确．

图4 舱室挥发性有机化合物样本综合得分分类结果

4 结 语

通过主成分分析法对舰艇舱室挥发性有机化合物样本分析，舱室中苯系物主要来源于油漆，甲基萘、二叔丁基苯酚等物质来源于舰载机油和液压油的高温释放，烷烃物来源于舰艇油料常温挥发，间二氯苯、萘等物质主要来源于舰艇上的人员活动．结合主成分分析法和K-均值聚类算法结果，根据舰艇舱室挥发性有机化合物样本主成因子1得分值和样本综合因子得分值，能够有效评估舱室挥发性有机化合物的高、中、低污染等级．随着舱室气体样本数量的增加，舱室挥发性有机化合物污染等级分类将变得更加准确和高效．

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(责任编辑：田 军)

Source Analysis and the Classification of Pollution Grades of Volatile Organic Compounds in the Naval Vessel Cabin

Hou Chen1, 2，Shi Xicheng1，Bai Shupei1，Han Hao1，Li Can2

(1. State Key Laboratory of National NBC Protection，Beijing 100191，China；2．No.92609 Unit of PLA，Beijing 100077，China)

Based on the volatile organic compounds in the cabin of naval vessel，21 kinds of organic compound gases are analyzed through principal component analysis to determine the main sources of various organic compounds．According to the dimensionality-reduced data，K-means clustering is used to classify the samples automatically．Reasonable criteria are formulated to evaluate the pollution grades based on the clustering results．Finally，the volatile organic compounds are classified into grades of high pollution，moderate pollution and low pollution.

naval vessel cabin；volatile organic compounds；principal component analysis；K-means clustering

10.11784/tdxbz201702019

U664.86

A

0493-2137(2018)01-0050-07

2017-02-13；

2017-04-06.

侯 晨（1982—  ），女，博士研究生，工程师.

侯 晨，houch601@163.com.

2017-04-27.

http://kns.cnki.net/kcms/detail/12.1127.N.20170427.0925.002.html.