尾气遥感技术在中国的应用综述

王鑫

尾气遥感技术在中国的应用综述

王鑫

（长安大学 汽车学院，陕西 西安 710064）

为探究尾气遥感技术在中国的应用进展，文章介绍了尾气遥感技术的基本原理，尾气遥感监测国内发展状况与主要遥感监测系统进行介绍分析，并和传统检测方法进行对比。尾气遥感监测能充分发挥大数据的优势，并且快速安全，是传统方法的十倍。当发现排污严重的车辆，可马上通过污染监测平台发现；遥感监测获取的海量数据，为环境污染治理提供有力支持。工作人员通过远程操控，减少健康损失。因此对于政府，遥感监测是极好的选择，提高监测效率且满足国家治污要求。

遥感监测；尾气排放；应用对比；监车方法

引言

中国机动车数量不断增加，据公安部统计，截止2018年末，中国机动车保有量己达3.27亿辆[1]。道路交通活动特别是轻型机动车排放污染物对城市地区空气污染状况有很大影响，并增加了近道路和当地空气中超细颗粒物，碳氧化合物、碳氢化合物、硫氧化合物、铅及氮氧化物等污染物的浓度。导致公众健康状况下降。因此加强车辆尾气排放监测和控制对提高空气质量与环境保护非常重要[2]。本文介绍了尾气遥感技术的基本原理，国内发展现状，中国关于尾气遥感监测的相关法规。并将尾气遥感监测与现阶段国内采用的主要遥感监测系统进行介绍分析。

1 尾气遥感监测原理

汽车尾气遥感监测通过光源向道路对面的光学反光镜发送紫外光和红外光，光学反光镜会将其反射到监测器中。汽车在道路上行驶时要通过这些光束，由于汽车尾气会吸收光线，从而改变透射光的强度，从而通过对监测器中光强的变化进行监测，对道路行驶的汽车排放的氮氧化物、碳氢化合物和一氧化碳的浓度进行监测。汽车尾气遥感监测仪主要对汽车尾气的各相对浓度进行测量，例如NO/CO2，HC/CO2、CO/CO2等。之后再依据一定的公式来进行推导和计算，从而得出尾气中各种气体的绝对浓度。因此如果行驶的车辆处于化学计量空燃比燃烧状态，则能够取得更好的遥测效果。具体监测原理是基于气体对于光的受激吸收。被测气体中穿过一束一定强度的激光，当激光的波长和频率与被测气体的吸收谱线中心频率相同时，激光的光子会被所测量气体吸收，从而被测气体的分子会由于能级升高发生跃迁，能级变高，具体原理如图所示。

遥感技术是利用汽车尾气中不同组分的特征吸收光谱来反演尾气浓度。首先光源发射出光强为的光，光束在开放式光路下穿过尾气并经尾气吸收后的透射光强变为I，0与I的定量关系可由Lambert Beer定律给出：

式中：为波长；为吸收系数；为相对体积浓度；为有效吸收光程。

如果光程是已知条件，尾气浓度可以由之前光强变化所确定的吸收强度进行计算，但由于尾气排出后会在空气中扩散，且实际光程是无法得到的，所以遥感技术直接测量的是，即烟羽值。计算烟羽值的式子可由式（1）推导出，如下边式（2）。

在尾气刚从排气管排出后，尾气中各种成分的扩撒速率是近似同步的，光程这一未知量可以通过不同组分的烟羽值相比进行消除，计算方式如式（3）所示，再带入发动机燃烧方程模型反演尾气浓度。

2 尾气遥感监测系统

遥感只能确定车辆尾气羽流中NO、CO、HC与二氧化碳（CO2）的排放浓度的相对比值，而不能确定尾气成分的绝对浓度。遥感数据的转换计算方法可以将排放浓度的相对比值转换为绝对浓度。尾气遥感监测系统分为现场采集设备和后期软件处理两个部分。其中现场采集设备由车牌识别摄像机、LED显示屏、反射器、主机、黑烟车视频识别单元、视频识别摄像机等组成，监测系统现场示意图如图2所示。

图2 监测系统现场示意图

监测设备会发出红外光和紫外光穿过车辆所排出的尾气在空气中扩散而形成的烟羽，到达反射板，反射板将红外光和紫外光反射回激光接受单元。在此过程中，红外光和紫外光的光强发生变化，当车辆通过监测设备时，排放的尾气会在空气中扩散形成烟羽，监测设备中光源发射器发出的光信号在通过尾气烟羽后强度会发生变化，通过分析激光接收单元接收回归反射板反射回来的光信号，通过分析差分特征光谱来求得烟羽中各尾气成分的体积浓度。近红外特征吸收光谱用来监测碳氧化物（CO与CO2）浓度，紫外差分特征吸收光谱来监测碳氢化物（HC）与氮氧化物（NO）体积浓。由于尾气烟羽的扩散，导致所监测的污染物体积浓度会偏小[3-4]。监测得到的数据通过网络上传到本地的数据管理及通讯系统和环保中心的数据库来对排放超标用户进行监控分析。遥感监测系统完整流程图如图3所示。

图3 尾气遥感监测系统

3 尾气遥感监测在中国的应用发展

在中国，北京市于2008年使用固定式机动车遥感监测设备。是第一个使用遥感技术进行机动车尾气监测并出台遥感监测地方标准的城市。2011年，北京市出台了《在用柴油汽车排气烟度测量方法及限值（遥测法）》。继北京市之后，广州市于2008年９月11 日，召开广东省遥感监测地方标准终审会并通过该标准。2009年，广州市出台了机动车遥感监测地方标准《在用汽车排气污染物限值及监测方法（遥测法）》，并应用机动车遥感监测技术开进行路（抽）监执法。国内2017年遥感监测次数是路监次数的18倍，政府有动力推进遥感监测以满足政策要求。2019年1月，发布了《柴油货车污染治理行动计划》。要求在柴油车通行主要路段建设遥感监测点位，并进行国家、省、市三级联网2020年完成。对于已铺设完成遥感监测设备路段，“黑尾巴”柴油车将无所遁形。工作人员可通过监测平台对机动车进行实时监测。遥感监测系统工作界面如下图4所示。

图4 遥感监测系统工作界面

4 尾气遥感监测与传统检测对比分析

机动车尾气测量传统方法主要为基于排气管的测量。使用测功机和便携式排放测量系统（PEMS）进行，优点是测量精确，缺点是无法大规模进行测量，且成本较大，速度也慢。其中测功机主要在汽车监测站中大量使用，而PEMS由于设备昂贵，目前主要在实验室中使用。用于测量实际道路中机动车的排放因子，以及机动车污染物的主要影响因素[5]，PEMS检测系统如下图5所示。

采用遥感技术的遥感监测设备最大的优点是测量速度快，是传统测功机测量的10倍以上。但是由于尾气烟羽扩散稀释导致尾气的不透光度有很大的不确定性，且光程未知，只能检测得到相对浓度，测量不精确，无法真实地反映车辆的颗粒物排放水平[6]。因此，尾气的遥感监测适用于大规模快速检测场景。

图5 PEMS检测系统

5 总结展望

本文对遥感监测的原理，遥感监测系统进行了详细介绍。对国内尾气遥感的发展进行简单调研，我国在柴油车出没路段大量铺设遥感监测站点，排污严重车辆将会被实时警告和整改，有利于改善交通污染排放状况。通过简单对比传统检测方法与遥感法。发现遥感监测其检测速度快，但准确性差，可通过同一车辆的多次遥测检测结果的平均值作为最终结果来判断被测车辆的排放情况。由于其快速安全，且所需操作人员少，且能提供大量污染数据，成为政府，目前去监测尾气的最佳选择。

[1] 刘雯月.车内微环境超细颗粒物浓度变化及预测研究[D].西安:长安大学,2019.

[2] 黄子龙,张文阁,余学春,等.遥感技术在汽车尾气颗粒物监测中的应用研究[J].中国计量,2019,281(4): 66-68.

[3] 郭华芳,曾君,胡跃明,等.基于可调二极管激光技术的汽车尾气遥感监测系统[J].环境污染治理技术与设备,2005(8): 91-94.

[4] 张强.基于遥感监测数据的机动车尾气排放估计算法研究[D].合肥:中国科学技术大学, 2019.

[5] Yang Wang,Zhenyu Xing,Shuhui Zhao.Are Emissions of Black Carbon From Gasoline Vehicles Overestimated? Real-time, in Situ Measurement of Black Carbon Emission Factors[J].Science of the Total Environment,2016,547:422-428.

[6] 张英良.西安市在用机动车遥感监测排放限值标准的研究[D].西安:西安工程大学,2017.

Application of Exhaust Remote Sensing Technology in China

WANG Xin

( School of Automobile, Chang'an University, Shaanxi Xi'an 710064 )

In order to explore the application progress of remote sensing technology for exhaust gas in China, this paper introduces the basic principle of remote sensing technology for exhaust gas, the development status in China, and the relevant laws and regulations for remote sensing monitoring of exhaust gas in China. The remote sensing monitoring of exhaust gas and the main remote sensing monitoring system used in China at present are introduced and analyzed. Remote sensing of exhaust gas can give full play to the advantages of big data, and it is ten times faster and safer than traditional methods. When the vehicle with serious pollution is found, it can be found immediately through the pollution detection platform; Massive data obtained by remote sensing detection provides strong support for environmental pollution control. The staff can reduce the loss of health through remote control. Therefore, remote sensing monitoring is an excellent choice for the government to improve detection efficiency and meet the national pollution control requirements.

Remote sensing monitoring; Automobile exhaust pollution; Application contrast; Inspection car method

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.021.057

U471.22

A

1671-7988(2021)21-215-03

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王鑫（1994—），男，硕士研究生，就读于长安大学汽车学院，研究方向：载运工具运用工程。