秦皇岛市大气污染指挥调度平台的构建与应用

王磊 康瑾瑜 索娜 唐婷

（秦皇岛市环境应急与重污染天气预警中心 河北秦皇岛 066000）

近年来，大气污染进入了多污染物共存、多尺度共联、多过程演化为特征的复合型大气污染阶段，污染特征逐步由以PM2.5为主的单一污染向区域性复合性污染转变。现有技术手段在大气污染来源、成因和未来趋势科学分析、预判中的不足逐渐显现，大气污染防治工作进入瓶颈期。在这样的前提下，大气污染防治指挥调度平台应运而生，他能够有效提升大气污染防治的精细化［2］，同时为环境管理部门实现重污染应急削峰、落实年度目标提供技术支撑。为提高大气污染防治的精细化、科学化水平，充分利用秦皇岛市的各种监测监控数据，秦皇岛市生态环境局构建了秦皇岛市大气污染防治指挥调度平台，本文对平台的发展历程和主要技术进行介绍。

1 发展历程

秦皇岛市大气污染防治指挥调度平台的建设经历了从无到有、从简单到复杂的发展过程，根据大气污染防治指挥调度平台的功能变化，将其发展大致分为以下3 个阶段：

第1 阶段是数据展示阶段。在此阶段主要是依托融汇全市国控、省控、市控、小型、微型空气站的空气质量监测数据，初步建立空气质量监测网络［2］；同时融合重点企业排放在线监控数据建立污染源监控网。

第2 阶段是数据整合阶段。这一阶段数据不再是单纯的数据展示，而是统筹整合跨部门、跨系统、跨层级的生态环境数据资源，将污染源监测数据、空气质量监测数据、气象观测数据、组分站和超级站数据集成起来［3］，建设大气环境数据仓。

第3 阶段是智能化阶段［4］。平台的智慧化、精细化特点在这一阶段逐渐凸显，通过整合多维度监测数据，逐年、逐月智能分析各项相关考核指标；同时基于大数据算法凝练专家经验，报警空气质量异常，为当地政府的空气质量保障工作提供科学的管控措施建议［5］；并在分析基础上打通问题线索处置环节，构建闭环流程，线上线下协同处置突发问题，有效提高工作效率。

2 平台设计与建设内容

目前，秦皇岛市大气污染指挥调度平台经过3 个阶段的发展，已经实现大数据中心及展示平台、污染报警与统计、污染源排放分析、空气质量数据研判分析、达标方案制定、污染成因分析、暑期环境质量保障指挥等功能，形成了“五个一”的发展模式，即一个数据集成中心、一张集中展示图、一个调度指挥平台、一套分析决策系统、一个闭环监管体系，切实实现科学找源、靶向打击，推动秦皇岛市生态环境监管关口前移、触角向下延伸，提高了大气污染监管工作水平。秦皇岛市大气污染指挥调度平台总体框架见图1。

图1 秦皇岛市大气污染指挥调度平台总体框架

2.1 一个数据集成中心

秦皇岛市大气污染指挥调度平台打破各种环境信息孤岛，在平台上实现环境监测数据、污染源在线监测数据、气象数据、源清单数据、超级站数据的无缝对接。

2.1.1 环境监测数据

包括周边地市空气质量监测站、本市空气质量监测站和本市组分站/超级站等数据。

周边地市空气质量监测站包括全国337 个城市、1 508 个点位的空气质量6 项污染物（PM10、PM2.5、NO2、SO2、O3、CO）数据，可以根据实时数据情况分区区域污染物的情况。

本市空气质量监测站包括全市5 个国控空气站、10 个省控空气站、市控空气站、小型空气站、微型空气站等共计412 个点位，数据内容涵盖6 项污染物、综合指数、AQI 和实时气象情况（温度、湿度、风向、气压、风速等），同时展示近48 h 各污染物浓度变化。

超级站包括颗粒物激光雷达监测、臭氧探测激光雷达、相干激光测风雷达、气溶胶雷达、太阳光度计、浊度仪、黑炭仪等13 台组分与垂直观测数据，可以分析污染物的垂直分布特点和时间空间变化趋势，判断不同时段颗粒物组分的差异，判断污染物来源、分析形成的原因及清除过程。

2.1.2 污染源在线监测数据

包括源清单数据、重点工业源在线数据、秸秆禁烧监控系统、移动源监测、工地扬尘监测等污染源数据。

源清单数据是基于工业源、移动源、扬尘源等污染源识别技术和实时量化技术，综合运用数据库和地理信息系统技术构建秦皇岛多尺度高分辨率大气污染物动态排放清单可视化展示。在现有源清单基础上，如遇臭氧高值阶段，使用1 台VOCs 走航监测车实时分析区域污染物来源，同时配置道路积尘走航设备，对道路积尘情况进行监测。

重点工业源在线数据主要是全市195 家企业的655 个设备的排放在线监控设备，包括废气污染源和废水污染源，其中废气污染源数据包含风量、主要污染物浓度、用电量、实时工况等数据；废水数据包括主要污染物浓度、水量、实时工况等数据。

秸秆禁烧监控系统是在全市范围内设置163 个秸秆禁烧监控点并与大气污染指挥调度平台实时联网，能通过图像识别着火点和延误，及时发现违规秸秆焚烧情况。

移动源监测数据包括：①使用4 台黑烟车固定监测设备和2 台移动式尾气遥感监测车监测的机动车排放数据；②充分利用全市58 家用车大户的视频进出监控设备和全市761 个车流量监测卡口，识别黄牌车和黑烟车情况。

工地扬尘的监测数据包括全市在建建筑工地339 处，设置303 个PM10监测设备和167 个视频监控设备，能够实时反映扬尘情况。另外海港区489 辆渣土车安装GPS 设备，可以对渣土车驶入禁行区域及重点区域进行监控。

2.1.3 气象数据

气象数据主要包括实时气象数据和预报气象数据2 部分。

实时气象数据包含风场、温度、湿度、气压、降水、云层、雷达、闪电等气象数据，其中秦皇岛市气象数据站点225 个，记录风向、风速、相对湿度、温度、气压、降水量、露点温度，各站点可绘制最近24 h 的各气象要素的变化情况折线图。根据各站点的风向情况，融合大数据绘制实时风场图，可以更直观地展示风场的变化情况，为污染物的迁移分析提供依据。

预报气象数据包括中央气象台发布的降水量预报、气温预报、GRAPES 区域模式不同高度的预报图片，欧洲天气中心、韩国气象台发布的不同高度风场、相对湿度预报图片，呈现风向和风速图，温度和气压图、相对湿度和降水图。

2.2 一张集中展示图

用一张图的形式实现各类数据的异常告警和直观展示，包括空气质量异常告警、污染源超标告警和暑期环境质量保障平台。

2.2.1 空气质量异常告警

空气质量异常告警通常有2 种情况：①站点同比告警，即当某个站点某项污染物高于同时段全市平均水平过高时告警；②环比告警，即当某个站点某项污染物高于本站点上小时平均水平过高时告警。

2.2.2 污染源超标告警

污染源超标告警包括工业源企业超标告警、工地扬尘超标告警和移动源超标告警。通过在系统中设定企业废气和废水排放口污染物浓度限值、工地PM10浓度标准限值实现工业源和扬尘源的超标告警，通过秸秆禁烧图像识别火点、烟雾、机动车尾气检测装置识别黑烟车、用车大户图像识别黄牌车等异常情况，通过连接实时监控识别渣土车驶入禁行区域及重点区域等情况，及时发出告警。

2.2.3 暑期环境质量保障平台

针对秦皇岛的特殊地理位置和管控要求，建立暑期环境质量保障指挥平台，可以综合展示北戴河区当前小时的实时AQI 和等级、所有国省控实时AQI 柱形图、断面水质站点的实时水质雷达图，展示北戴河区烟气企业、VOCs 企业和废水企业当天各个污染物的累计排放量，展示北戴河区空气站、工业源、移动源、扬尘源的点位告警数量，展示北戴河区未来3 d 的环境和天气预报，展示北戴河区空气站点位和当前小时所有告警的污染源点位，展示噪声监测点位的监测数据。

2.3 一个调度指挥平台

通过大气污染指挥调度平台实现高效实时的指挥调度和精细管控。

2.3.1 指挥调度

结合对历史空气质量排名、优良率、级别构成、首要污染物等指标的逐年、逐月智能分析，了解空气质量排名与改善情况，全面掌握空气质量变化趋势，分析污染源排放规律，为实时调度提供依据。

指挥调度系统是为了满足大气污染防治过程中发现异常事件，与事件交办、管理、追溯等过程管理设计的在线应用，支持自动发起任务和手动发起任务。按照问题列表、问题交办、核查指派、问题处置、案件审查、处置结果上报的流程建立全过程调度流程。

2.3.2 精细管控

根据分析预判结果，结合气象形势分析，制定精准管控措施，实施企、车、尘、港差异化动态管控，线上线下同步监控统计，跟踪评估管控效果。

在工业源管控方面，通过对企业的废气和废水排放量、排放浓度、用电量的实时监控，分析在正常生产和应急减排情况下的减排效果对比，也可对污染物超出正常范围量进行统计，利于管理部门实施管控和调度。

在移动源管控方面，利用现有的用车大户监控跟踪进出车辆，监控车辆尾气超标情况；在扬尘源管控方面，利用工地视频实时浏览工期情况，对企业堆场颗粒物进行监测，有效防控扬尘污染；在站点周边开展精细化扬尘源管控工作，对站点周边餐饮、干洗、锅炉等生活污染源现场巡查管控。

2.4 一套分析决策系统

通过平台加强对数据的科学研判，进行溯源分析，来指导精准决策，对大数据信息实行“降维化”。

2.4.1 空气质量预报预警

根据当地污染源情况，结合预报气象数据，经过CMAQ、CAMx、WRF-Chem、NAQPMS 等空气质量模型的运算，给出点位预报的污染物垂直分布图，最多预报时长可达到7 d，在局部站点预报的基础上，还增加了区域预报分布，直观呈现区域环境污染的预计变化趋势。

在预报工作完成之后，利用综合环境监测数据回顾重点区域典型污染过程，识别区域内污染来源；通过分析工业源、移动源和面源等污染源活动水平，明确重点管控方向；最后利用重点源在线监测、高值热点等信息对措施效果进行评估。

2.4.2 污染成因分析

接入气象预测参数及后向轨迹模型，分析区域污染传输影响，可展示传输通道城市和选定的任意城市间数据关联；利用组分站数据分析颗粒物和VOCs 的主要构成，解析污染物来源，组分站解析见图2 和图3；利用颗粒物激光雷达（图4）监测技术分析颗粒物的垂直分布特点和高空传输影响；特征雷达图［6］（图5）以雷达图形式反映空气点位污染物特征，由此分析污染成因如机动车污染型、燃煤污染型等；污染玫瑰图［图6（a）］和等级玫瑰图［图6（b）］可分析某个空气站指标/站点污染物浓度和风速风向的关系，可以较为明显地反映风向对传输的影响；根据站点周边上下风向站点污染物浓度随时间空间变化规律，可分析近地层污染物来源。

图2 组分站解析颗粒物的主要构成

图3 组分站解析VOCs 的主要构成

图4 颗粒物气溶胶激光雷达

图5 污染雷达图

图6 玫瑰图

2.4.3 目标考核量化

利用常规监测数据、气象数据等数据进行综合分析，结合大数据、深度挖掘等技术，可实现实时动态监控秦皇岛市（含各县区）当前空气质量状况与达标之间差距，推算当日、当月、年度达标可能性，对减排目标进行动态分解。年目标动态分解到月，月目标动态分解到点位，日目标动态分解到小时，同时提供污染成因分析及相应管控建议，辅助环境管理部门为实现空气质量达标开展动态决策提供科学依据。

2.5 一个闭环监管体系

在大气污染防治指挥调度平台上的闭环管理分为技术和管理2 个层面。

2.5.1 技术层面

利用各类监测数据结合气象形势，会商预报环境质量、预判污染过程、制定管控措施、发布调度指令、督导检查措施落实、评估管控效果、实施考核问责的指挥调度闭环工作流程，形成预警预报信息、环境质量分析报告、污染过程分析报告、问题整改台账等工作成果。

2.5.2 管理层面

在管理方面，指挥调度平台实现发现问题、原因分析、网格化管理派单、处理反馈的全周期管理模式，形成网格化监管、监督考核体系，及问题处理台账（记录结案率、及时率），促进4 级环境监管网格有序工作。一旦发现问题和异常情况，第一时间制定应对措施，通过微信工作群或平台App 派发任务，实现报警、派发、反馈闭环处置，形成网格化监管、监督考核体系、问题处理台账（记录结案率、及时率），促进环境监管网格有序工作。

3 结论

（1）秦皇岛市大气污染防治指挥调度平台的建设，打破现有各监测、污染源、气象等数据信息的孤岛，将各不同来源的数据进行收集、深度融合和集中展示，以“一张图”的形式立体直观展示多元数据，提高生态环境部门的数据整合展示能力。

（2）在数据展示的基础上，秦皇岛市大气污染防治指挥调度平台对多元数据进行深入分析，通过精准溯源告警、空气质量预报、污染分析决策、指挥调度考核等一系列工作，实现技术和管理2 个层面的闭环管理，实现综合、实时、多元化的监管方式，对异常情况及时做出响应和处理，进一步提高生态环境部门的环境质量预报、预警、管控等管理水平。

（3）在后续工作中，将继续扩展关联分析和空气质量重污染应急评估等模块，进一步提高大气污染防治和监管的精细化、科学化、信息化水平，在实现污染物的实时监控、精准排查、精细化管理方面继续发挥作用。