污染源自动监测造假数据特征分析

杨先锋

（河南省生态环境监控中心，河南 郑州 450000）

随着我国经济社会的发展和城镇化的不断加快，绿水青山就是金山银山的环保理念逐渐深入人心，生态环境保护得到了明显的重视。但污染源监测的传统方法不仅需要大量的人力，而且耗费了大量的时间和财力物力，使监测效率大打折扣[1]。自动化水平的提升和科技的不断进步使污染源自动监测系统展现出突出的优势，不仅可以增加平行样本的监测数量以保证样本的精确性，而且避免了人为操作误差的出现，提高了监测的效率[2]。但与此同时也出现了一些新的问题，一些企业为了逃避监管，甚至直接篡改、伪造自动监测数据，数据造假的乱象层出不穷[3-5]，西方等发达国家也面临诸多类似的问题[6-7]。为了打击数据造假行为，生态环境部门投入了大量的人力、物力和精力。笔者根据近年来打击监控数据造假的实践操作，从数据特征分析着手，整理总结了污染源自动监测数据造假的共性特征，以及时识别造假的数据，精确发现违法线索，减少盲目行动，降低行政执法成本，从而提升污染源自动监测系统的应用效率和环境保护的有效性，供环保执法人员参考。

1 各种造假手段的共性特征分析

无论是通过软件还是硬件，抑或是其他特殊手段对污染源自动监测数据进行修改，最终的目的都是使企业的污染排放情况符合国家规定的排放标准。监测数据看似合格，但实际上各类监测指标之间的内在联系是固定的，造假行为在逻辑上往往与理论事实相悖，通过分析可以发现数据之间存在相互矛盾。笔者经过多年执法打 假发现各种造假手段的共性特征存在于污染排放情况之中，以烟气温度、氧含量、过量空气系数等指标为例，具体分析如下：

1.1 烟气温度

烟温大小能说明废气企业湿法脱硫设施是否运行以及运行负荷的高低。采用湿法脱硫工艺的企业，烟气温度一般在30～50 ℃左右，若烟气温度较高但二氧化硫能够达标排放的，具有造假嫌疑，可作为关注重点。

根据数据逻辑分析算法，电力生产行业的企业，烟气温度一般在40～60 ℃左右、水泥行业的脱硝排口，烟气温度一般在100～130 ℃左右等，不在正常范围内均为异常数据。按照行业构建烟气温度上下限值，依据上下限值进行判断分析。

1.2 氧含量

根据笔者近年来的打假经验，砖瓦窑行业企业烟气含氧量一般不低于17%；65 t/h以下燃煤锅炉烟气含氧量一般不低于6%；65 t/h以上燃煤锅炉烟气含氧量一般不低于4.5%；水泥熟料窑尾烟气含氧量一般不低于8%；不在正常范围内的均为异常数据。

此外，氧含量低于20%时，脱硫出口处氧含量数据应为正态分布，且与颗粒物浓度成明显正相关。相比于建材厂A的氧含量与颗粒物浓度监测数据（图1），另一建材厂B的数据（图2）在氧含量低于20% 时颗粒物和氧含量无明显关系，可将其列为异常数据，进行重点关注。

图1 建材厂A脱硫出口处氧含量与颗粒物浓度散点图

图2 建材厂B脱硫出口处氧含量与颗粒物浓度散点图

1.3 过量空气系数与处理负荷

根据废气污染物实测浓度、折算浓度、含氧量计算出实测过量空气系数，该系数长时间与行业标准过量空气系数差别过大的可作为关注重点。

企业污染防治设施处理能力有一定上限，超过处理能力后将难以达标排放，例如，大唐某电厂A脱硫设施最大处理能力为二氧化硫2 000 mg/m3、万方某电厂B脱硫设施最大处理能力为二氧化硫8 000 mg/m3、污水处理厂氨氮最大处理能力一般为30 mg/L，污染物进口浓度数据超过设备处理负荷但能达标排放的企业可作为关注重点。类似于污水处理厂等进口浓度数据比较完整的行业，可以先从其进口浓度数据和处理负荷等着手分析。

2 软件造假的数据特征分析

企业为使监测数据达到国家规定的排放标准，可能通过软件造假手段对监测数据造假，比如修改斜率与截距、量程，修改速度场系数、修改烟道截面积、修改氧含量或过量空气系数等，使执法单位无法获取企业实际的污染数据[8]。

2.1 修改斜率与截距

在执法过程中笔者发现一些企业存在通过修改斜率和截距从而降低污染物排放浓度，使监测数据符合国家排放标准的行为。修改斜率和截距会造成企业排放的污染物浓度变低，笔者根据多年执法经验发现，在斜率和截距发生变化后，对修改前一周的数据和修改后一周的数据进行对比，依据数据变化情况进行判定。

假设y为工控机向监控平台传输的数据；k为斜率；x为污染源自动监测仪器测得的数据（当x为二氧化硫、氮氧化物和颗粒物时，须根据过量空气系数进行折算）；b为截距，可建立公式y=kx+b进行分析。由于x为前端监测仪器监测数据，没有存到污染源相关的数据库中，暂时无法计算，只能通过参数上传系统中的参数报警数据进行分析。但斜率k一般在1左右，通常在0.8-1.2范围之间。截距一般在0左右，最大变化幅度通常不超过10作初步筛选，基于此，可以筛选出不在范围内的为异常企业重点关注。实际案例中通过修改斜率与截距的监测数据变化情况可见下表1。

表1 修改斜率与截距对监测数据的影响

2.2 修改量程

烟气分析仪和工控机都有量程，两个量程应保持一致。当工控机量程设置不同于烟气分析仪量程时，工控机上的监控数据会等比例地变大或变小。当工控机量程被人为修改后，会出现数据突变和达到上限值后不再变化的情况，存在数据造假嫌疑。由于烟气分析仪的量程数据暂时无法获取，所以只能参照参数上传系统中的参数报警数据进行分析[9]。

笔者在执法打假时了解到，部分企业通过修改量程的方式伪造污染源自动监测数据，详情见表2。

表2 企业修改量程伪造污染监测数据详情表

2.3 修改速度场系数

笔者在执法过程中发现，一些企业存在修改监测站周围气体的速度，导致速度场系数发生变化，从而造成企业污染物排放量减少，使监测结果符合国家排放标准的行为。

通过公式VS=KV*Vp进行判定，其中VS为由工控机向监控平台传输的速度；KV为速度场系数；Vp为实测速度。速度场系数修改后企业排放的污染物浓度会变低，需要对比相似背景条件的速度场系数，甄别其是否属于异常突变。由于速度场系数是用户对监测流速进行修正，初始速度没有存储，所以暂时无法计算，可参照参数上传系统中的参数报警信息进行数据分析。部分企业修改速度场系数造假情况见下表3。

表3 企业修改速度场系数伪造污染监测数据详情表

2.4 修改氧含量或过量空气系数

在公式α=21/（21-XO2）中，XO2为基准氧含量，指基准氧含量为污染源实测氧含量。在公式C=C’*（α’/α）中，C为折算浓度；C’为原始浓度；α’为实测过量空气系数；α为过量空气系数，指燃料完全燃烧实际所需空气量与理论完全燃烧所需空气量的比值。

由公式可知，含氧量XO2越高，过量空气系数α越高，折算浓度C越小，越容易通过国家排放标准。通过氧含量可以测出过量空气系数，与上传到系统中的过量空气系数信息进行长期比较，将数据差别过大的企业作为异常企业重点关注。

根据各现场锅炉的类型，国家标准规定不同行业类型的锅炉有不同的标准过量空气系数，见表4。

表4 部分行业环保排放折算值基准氧含量及过量空气系数

执法过程中发现，某企业长期篡改过量空气系数，最大篡改幅度将过量空气系数由1.4篡改为3.5，使颗粒物、二氧化硫、氮氧化物浓度为原来的0.4倍。执法人员依法将自动监控设施查封后，该企业依然顶风作案，在执法人员离开后再次将过量空气系数由1.4篡改为3.5，使二氧化硫浓度由超标排放变为达标排放，同时使颗粒物、氮氧化物折算浓度变小。

3 硬件造假的数据特征分析

企业为使监测数据达到国家规定的排放标准，可能通过破坏采样仪器等硬件手段进行监测数据造假。比如在设备采样管上私接稀释样本、修改PLC程序、旁路排放等，使监测中心无法获取企业实际的污染排放情况[10]。

通过审核站房视频并结合监测数据突变时间能够发现是否存在破坏硬件监测仪器正常运行的情况。根据监控显示，当有人员进入站房后，监控数据发生突变、污染物从超标突然变成稳定达标、污染物浓度振幅突降、改动摄像机位置或监控方向、监控数据缺失、站房内人员擅动采样设备等情况时，应将该企业列为重点关注对象。硬件造假的判断标准如下图1所示。

图1 硬件造假判断标准

3.1 破坏采样仪器

因监测仪往往需要放置在工厂内排污口等地点，企业可能通过破坏采样仪器的方法使环保监测中心无法获得企业实际排放数据[11]，具体表现为在设备采样管上私接稀释装置，直接拔掉采样探头致使监测设备采集不到真实样品。执法人员发现某企业含氧量为21%，二氧化硫浓度、氮氧化物浓度为0，疑似停产、没有烟气排放。但是烟气温度仍为160 ℃、烟气流量仍为80 000 m3/h，烟气温度和烟气流量与正常生产时一致，又表征没有停产。此外，该企业所属的行业停产是渐进式的，难以瞬间停产到位，而含氧量、二氧化硫浓度、氮氧化物浓度由正常生产突变为停产迹象，反映停产立即到位。通过研判执法人员认为该企业正常生产，但擅自拔掉采样探头或者切断采样管线。经突击检查，发现该企业因车间自动监控数据多次超标，负责人指使员工拔掉自动监控设施采样管线。

3.2 修改PLC程序

PLC（Programmable Logic Controller）指可编程逻辑控制器，一种专门为在工业环境下自动化控制而设计的数字运算操作电子系统[12]。某些企业擅自修改环保监测仪器内部PLC程序，以此伪造监测数据。执法人员查看某公司机组脱硫前、后工控机时发现PLC程序均有修改记录，修改时间与检查组到达该企业时间相吻合。在机组脱硫后工控机PLC程序修改后，二氧化硫数据由保持一年时间的350 mg/m3左右迅速升高，最高达到3 261.2 mg/m3。经调查，该公司通过修改工控机PLC程序伪造污染监测数据，虽然烟气分析仪显示的数据仍为真实测量值，但是从工控机向环境监控部门上传的数据并非从烟气分析仪采集，而是从工控机PLC程序采集。

3.3 稀释排放或旁路排放

在排放标准主要限制排放浓度时，一些企业为规避法律法规标准，把污染物稀释后排放，从而实现低浓度达标排放[13]。某印染厂的污水处理设施运行效果不佳但废水稳定达标排放，引起了环保执法人员的怀疑。经仔细检查后发现，该企业向污水中人为引入自来水，对处理后的废水进行稀释排放。

除稀释排放外，部分企业存在旁路排放（不经法定排放口排放）等规避监管的行为[14]。洛阳某公司1号和2号锅炉共用一套脱硫设施，脱硫改造后，烟气通过脱硫塔顶部的排气筒排放，原有烟囱并未拆除，在脱硫塔顶部的排气筒上安装一套自动监控设施。1号、2号锅炉存在烟气旁路，烟气可通过四个旁路进入通往原有烟囱的烟道中，并经原有烟囱排放，且不经过自动监控设施监控。

4 其他特殊手段造假的数据特征分析

4.1 数据补传

对数据补传频次较多，并排除网络故障的情况下进行重点分析，可进行同环比分析，对补传前、后时间段出现数据超标情况的企业进行重点关注。分析方法如下：

（1）每天统计前一天数据监测时间和入库时间间隔大于2个小时的数据比例，比例大于设定值为异常（x/y=z，x:满足条件的监测数据条数；y:已传数据的条数；z:比例）；

（2）每天统计前一天企业缺失数据情况和缺失数据的比例（x/y=z，x:满足条件的监测数据条数；y:已传数据的条数；z:比例）；

（3）污染物因子数据传输率分析，按城市、运维单位、企业进行传输率汇总分析；

（4）智能运维系统分析，按城市、运维单位、企业进行完成率汇总统计分析。将补传频繁且排除网络故障的企业和补传前后数据有超标情况的企业设为重点关注企业进行分析。

某企业现场工控机二 氧化硫浓度自动监控数据超标，二氧化硫浓度最大值分别为1 965.45 mg/m3和794.01 mg/m3，分别超标5.6倍和1.6倍。经调查，该企业在超标期间将自动监控设施断网，以致超标数据未上传至地方生态环境部门，以逃避监管的方式排放污染物。

4.2 数据修约

根据监控数据打假经验，部分企业在污染物超标时，将超标数据修约为不超标数据，规避超标处罚。针对这一问题，对超标数据的修约情况进行统计，对超标数据修约率高、修约小时数多的企业和运维单位进行重点关注。在数据审核时要核对企业修约上传凭证信息，查看是否存在凭证造假、与修约情况不符的现象。分析方法参考4.1数据补传。

4.3 数据变化趋势及行业排放规律

对污染物浓度的变化趋势进行分析，将污染物浓度与平均值相比，将长期波动较小的企业作为关注重点，进一步研究数据筛查算法，进行大数据分析，对监控数据长期呈规律性波动的数据进行筛查，并重点关注。

分析和总结同一行业污染物排放基本规律，将不符合行业污染物排放规律的企业作为关注重点。

5 结论与建议

从数据特征分析着手，笔者根据近年来打击监控数据造假的实践经验，以烟气温度、氧含量、过量空气系数等指标分析了各种污染监测数据造假手段的共性特征，以理论知识和实际案例相结合的形式总结了软件、硬件和其他造假的手段和识别方法，以及时甄别虚假数据，准确发现违法线索，减少盲目行动，减少行政执法成本。

无论是利用软件还是硬件等各种手段造假，最终目的是使企业的污染排放情况符合国家规定的排放标准，根据以上分析，现提出以下建议供执法人员参考：

（1）探索建立企业监控数据造假风险指数评价体系，对于存在历史数据造假行为、造假单位所属集团下的其他企业等造假风险指数高的企业进行重点关注。

（2）对各监测系统进行优化，把关联性强的功能进行整合，形成更方便操作的工作系统。研究数据筛查算法，进行大数据分析，为系统分析造假行为提供参数和公式。

（3）加强对数据修约和补传的管理，对违规次数较多的企业进行重点关注。深挖工控机软件参数，实时监控影响自动监控数据的所有参数。

（4）紧密结合环境污染攻坚重点工作，在新的排放标准实施、提标改造要求、重点管理整治等阶段，将涉及的企业作为关注重点。根据企业规模大小、治理设施工艺先进程度等指标进行综合研判是否存在造假行为。

（5）对全省或其他省份发现的数据造假案例进行经验总结，建立造假案例库，方便环境监控管理部门学习，结合监控管理和打假工作经验建立数据分析指标库。