微型空气质量监测站在虹口区的建设和应用

魏亚龙，张 莎，金志浩

(上海市虹口区环境监测站，上海 200083)

1 引言

绿色高质量发展是上海市虹口区提升区域能级，实现绿色高质量发展的重要契机。加强生态环境监测能力建设，完善现代化生态环境治理体系，提升环境监管能力，才能确保生态环境质量稳定向好，形成全社会共治共享的生态环境新局面，实现生态治理体系和治理能力现代化。

完善生态环境监测技术体系，提升全过程监测质量监管能力，确保监测数据“真、准、全”，需建立完善涵盖大气、水、噪声、辐射等环境要素的环境质量监测网络，加强固定源、移动源和面源监测水平，提升生态环境质量与污染排放的关联分析能力。借助物联网、大数据、传感器、人工智能等新技术在监测监控业务中的应用，能够有效地促进这些目标的达成[1，2]。

微型空气质量监测站(以下简称微型空气站)是高度智能化的集数据采集、存储、传输和管理于一体的环境监测装备。它包括污染物传感器、数据采集传输系统以及图像系统，可将监测数据通过无线通讯实时发送至云平台。国标法标准站系统存在数量少、覆盖率低，同时数据滞后的局限性。微型空气站与传统监测设备相比体积小，点位布设灵活(可布设在一根综合杆上，无需站房建设)[3]，采用模块化设计,方便后期维护，若设备监测数据出现偏离,无需现场校准,通过远程即可进行参数修正,总体来说安装和维护成本较低[4]，时间分辨率高且使用成本低，采用无线通讯方式传输监测数据，可实现城市微环境空气质量的监测，克服了国标法标准站占地面积大、仪器成本高的缺点，从运行维护负责的情况来看扩大了监控范围。同时对监测结果进行“大数据分析”，还能够了解整个区域的大气污染变化趋势、污染成因等关键情况。通过分析某一阶段的大气污染云图，就能够了解整体的空气质量变化规律，为下一步决策提供参考[5～8]。

通过微型空气站的自动监测，可以更加准确地了解区域内的环境空气污染状况，便于开展大气污染预报预警，同时也有利于研究其他大气保护措施，为减排和控制空气污染提出指导意见[9]。本文介绍了虹口区微型空气站的布置情况和系统功能，对其在虹口区的应用情况进行了阐述。

2 微型空气站点位布置情况

虹口区北外滩区域毗邻黄浦江，地理位置优越，是虹口区开发建设的重点区域。北外滩开发的目标是形成运作全球的北外滩总部城、辐射全球的中央活动区核心区、引领全球的世界级会客厅。这对该区域的生态环境质量提出了更高的要求。目前虹口区的凉城国控点距离北外滩区域较远，监测数据无法全面、准确、实时地反映北外滩区域的环境空气质量情况(图1)。

图1 虹口区北外滩区域及监测点位置示意图

有鉴于此，2021年8月在北外滩区域大名路靠近南浔路路口综合杆(编号：虹0010309)上设置了微型空气站，实时监测环境空气6个参数(PM10、PM2.5、CO、NO2、O3、SO2)。通过该微型空气站了解整个区域的大气污染变化趋势、污染成因等关键情况，通过分析为污染防治提供有力抓手。

3 微型空气站系统功能

微型空气站型号为YD-02-1501型，它采用高度集成化模块设计，拆装方便，同时最大程度地降低了单个模块故障对整体的影响，包含气体传感器模块、颗粒物模块、调零模块、气路控制模块、主控模块、电源模块、数据采集传输系统以及图像系统等，其主要功能为监测环境空气中的气态污染物(CO、NO2、O3和 SO2)和颗粒物(PM2.5和 PM10)，对监测现场进行图像监控，数据进行处理及汇总后通过无线通讯实时发送至监控平台。

微型空气站采用高灵敏度电化学传感器和PM传感器，利用电化学反应分辨气体成分、检测气体浓度。结合嵌入式技术和网络通讯技术，可以连续监测大气中气态污染物浓度、颗粒物浓度等参数，全面展示需要的测量数据。

设备运行时，由高精度无刷旋转真空泵将环境空气吸入预处理器，再以稳定流量送到传感器气室，通过传感器时所产生的信号经放大、A/D转换后，由微处理器进行采集、计算、数据处理，产生浓度结果数据，数据结果可通过无线通讯实时送至监控平台，并支持“一址多传”的方式，同时所有数据都已备份在存储器中。

3.1 功能描述

(1)传感器模块可以进行单独插拔，可以进行单独校准和更换。

(2)可在本地设置及修改各项参数及完成传感器的零点标定及跨度标定，不连接电脑可直接独立工作。

(3)气态污染物气路预处理系统：除尘疏水过滤器方式，样品过滤≤0.2 μm。

(4)标定系统：可满足自动标定、远程控制标定和手动标定3种方式；气态污染物模块采用多点标定，支持5个以上校准点，确保准确性。

(5)数据存储功能：数据存储间隔1 min，同时可以保证每天工作24 h的情况下，数据可存储3年以上。

(6)气态污染因子测量采用模块化设计，拆卸方便；气室密封，配备零气发生装置和零气校准模块，可完成仪器现场校准调试。

(7)气态污染物采样流量需采用电子流量计测量，动态流量控制，在工作状态下，流量稳定在550～650 sccm，可显示即时流量，长寿命采样动力系统，安静，高效。

(8)颗粒物测量带自动调零和智能加热功能，实现对激光漂移和湿度影响矫正。自动调零功能可以实现跟踪气体与颗粒物长期监测的漂移误差。

3.2 参数及指标

3.2.1 传感器终端

微型空气站对颗粒物PM2.5和PM10同时监测。在户外环境中长期观测使用需要提供稳定气流控制并解决湿度影响，微型空气站的OPC-AF模块(Optical Particle Counter-Active Flow)，通过鞘气设计解决光路污染问题，以及智能加热对于进口空气的预处理方式可减少或消除湿度影响，同时无刷旋转真空泵的方式配合欧姆龙高精度流量控制器做脉冲宽度调制控制提供长时间稳定气流。

微型空气站的气体模块(BGM-B6)可对气态污染物(CO、NO2、O3和SO2)进行同时监测，并提供多种质控手段，包括多传感单元配对方案去除相互干扰，以及配对温湿度传感单元做环境校正，同时气体前端处理提供温湿度均衡减少误差，和定期零空气吹扫传感器，提供专有针对传感单元的虚拟基线漂移矫正算法。同时进气处采用了耐腐蚀的全向采样头，前处理方式保障了进气的零损失(表1)。

表1 传感器性能指标

3.2.2 视频监控终端

微型空气站配置的图像监控系统为大华网络球形摄像机，可自动及手动方式主动控制摄像机采集监测点位及点位周边可视范围内环境情况的图像，用于道路颗粒物和气态污染物历史数据分析和污染源溯源佐证，还可通过在线监测平台调取相应时间段的超标图片，远程多角度抓拍图像，实现查看监测点位周边环境情况，能更加直观地了解当时监测点位及点位周边环境数据超阈值的诱发因素的详细情况(表2)。

表2 大华网络球形摄像机技术指标

微型空气站主动控制摄像进行图像采集的主要依据是实时监测的颗粒物浓度，判断当前实测值是否超过预设阈值。正常情况下，监测站点设置摄像机每分钟自动对道路情况进行图像记录，该图像记录会被暂时储存在指定的缓存区域内，考虑到监测站点存储容量的因素，在下一分钟颗粒物数据未超过设定阈值时，暂时储存在指定的缓存区域内的上一分钟图像记录将会被下一分钟的图像记录覆盖。如颗粒物数据或气体污染物实时值超过预设阈值时，监测站点主动控制摄像机进行按预先设置好的3个角度进行道路情况的图像记录，并汇同前一分钟的道路情况图像记录通过无线网络传输至远程监控平台。通过该优化的主动控制图像采集机制，能有效解决超标时间段图像滞后的情况，为后期数据分析、现场情况判断提供强有力的技术支撑。

3.2.3 数据采集和传输系统

微型空气站的数据采集传输系统功能及要求完全符合《HJ 477 污染源在线自动监控(监测)数据采集传输仪技术要求》[10]及《HJ 212 污染源在线监控(监测)系统数据传输标准》[11]。微型空气站的实时监测数据采用直传方式，数据有效捕集率不低于95%(不含由于路灯本身没电等不可控原因导致的设备离线)，并通过平台系统对监测数据进行自动审核，数据分析工程师进行人工二次审核，确保监测数据真实、准确、有效。微型空气站具备“一址多传”功能，采用技术规范中制定的数据通讯协议，通过直传方式实时上传至信息平台。

3.3 质控及运维

仪器安装之前，在实验室内按质控作业指导书要求进行平行比对等，确保安装仪器之间的平行性和一致性。

至少配备4名专业人员负责数据审核、数据分析和设备运维等工作。配备固定车辆及专职人员，每月一次对微型空气站设备进行巡检和维护，定期校准仪器、更换颗粒物滤膜。每天专人负责数据审核，数据缺失及时响应。

当点位出现由于供电故障导致的数据缺失时，通过远程方式诊断并配合现场检查，24 h内发现，及时报修，协调督促相关部门尽快维修供电线路[12～14]。

4 微型空气站应用情况

2021年9～11月份对北外滩区域的环境空气质量进行了简要的分析，通过数据分析发现了污染的类别及其源头，提出了相应的对策，并取得了一些实质性的成果[15]。

4.1 环境空气质量监测

2021年9～11月份，大名路南浔路监测点(以下简称大名路南浔路)空气质量指数(AQI)最高值为110，出现在9月1日，最低值为24，出现在9月13日。优良天数共为86 d(其中优为17 d，良为69 d)，优良率为94.5%。出现轻度污染5 d，其中9月出现2 d,分别为1日和6日，首要污染物均为臭氧。11月出现3 d，分别为15日、16日和26日，首要污染物均为二氧化氮。

2021年9～11月份，上海市AQI指数最高值为125，出现在9月1日，最低值为17，出现在9月13日。优良天数共为85 d(其中，优为33 d，良为52 d)，优良率为93.4%。出现轻度污染6 d，其中9月出现5 d，分别为1日、21日、22日、28日和29日。10月出现1 d，为10月2日，首要污染物均为臭氧。

2021年9～11月，虹口凉城AQI指数最高值为115，出现在9月1日，最低值为14，出现在9月13日。优良天数共为85 d(其中，优为33 d，良为52 d)，优良率为93.4%，出现轻度污染6 d，其中9月出现2 d，分别为1日和28日，首要污染物均为臭氧。10月出现1 d，为10月2日，首要污染物为臭氧。11月出现3 d，分别为14日、16日和25日，首要污染物均为二氧化氮。

综上，9～11月份大名路南浔路AQI指数优良率为94.5%，优于虹口凉城和上海市(优良率均为93.4%)。空气质量为优的天数为17 d，不及虹口凉城和上海市的33 d。依据优良率，空气质量情况为10月>9月>11月，9月污染天气首要污染物为臭氧，11月污染天气首要污染物为二氧化氮(图2、表3)。

表3 大名路南浔路、虹口凉城和上海市空气质量比较 d

日期

从图3可见，2021年9～11月份，大名路南浔路PM10、PM2.5、NO2、SO2、CO-95%和O3-8h-90%的平均浓度分别为30 μg/m3、18 μg/m3、50 μg/m3、4 μg/m3、0.8 mg/m3和119 μg/m3。除NO2外，大名路南浔路其余指标9～11月浓度均低于上海市均值和虹口凉城(表4)。

图3 大名路南浔路、虹口凉城和上海市各污染物9～11月浓度比较

表4 大名路南浔路、虹口凉城和上海市各污染物9～11月份浓度 μg/m3

从图4可见，大名路南浔路各污染物的月均浓度，PM10：11月份>9月份>10月份；PM2.5：11月份>9月份>10月份；NO2：11月份>10月份>9月份；SO2：9月份>10月份=11月份；CO-95%：11月份>9月份>10月份；O3-8h-90%：9月份>10月份>11月份。

图4 大名路南浔路各污染物9～11月月均浓度比较

4.2 污染物溯源及治理

国标法标准站数据超标报警后，可能需要借助环保专业人员的分析并辅助现场管理人员的排查去寻找影响污染源，这种情况造成相关部门无法快速地对污染事件进行应急响应，从而错失污染监管和治理的最佳时间。微型空气站可以更快速更全面地反映不同区域的空气质量和通过分析发现其中存在的问题，从而为相

关部门制定改善和保护空气质量的决策做出重要的数据支持。

微型空气站2021年10月出现了颗粒物污染，溯源的结果发现距监测点东侧约300 m的东大名路旅顺路路口西北侧工地存在明显的裸土，并有围挡不到位的情况(图5a)。其后要求其进行了整改，问题得到了明显的改善(图5b)。

图5 工地整改前后对比

2021年11月26日数据显示凌晨时监测到的NO2数据偏高，通过视频监控溯源发现是由于清洁车辆(柴油车)频繁往返工作，尾气持续的排放造成的影响(图6)。

相关信息均以专报形式与相关职能部门共享，以便各部门针对性地加强日常管理，提高处置效率。

5 结论与讨论

通过在虹口区北外滩区域大名路南浔路附近设置微型空气站，进一步完善了虹口区的环境监测评估预警体系，通过现场巡查和数据分析，汇报每月北外滩区域环境空气质量监测结果，详细的了解北外滩区域空气质量情况及环境影响因素，对监测数据偏高的情况进行了分析溯源并由职能部门完成治理。

微型空气站在虹口区的应用证明，将其应用于大气环境污染防治是完全可行的，起到的作用也是立竿见影的，对于提升大气环境质量的监测效率具有积极意义。因此，微型空气站的建设是大趋势，同时也是大气环境污染防治的必然结果。