一种道路交通源污染实时定量遥测系统技术方案

本发明专利技术属于大气污染监测技术领域，具体为道路交通源污染实时定量遥测系统。本发明专利技术系统包括光谱采集模块、云台模块、气象监测模块、道路交通信息采集模块、系统控制模块；放置在上风向一端，通过控制云台模块中两个电机的转动使两个观测方位角分别为平行道路方向和斜穿道路方向两个方向；遥测系统还包括计算分析模块，部署于远程数据处理终端；计算分析模块利用光谱采集模块中得到的污染物信息、气象监测模块所观测的气象信息，以及道路交通信息采集模块获得的车辆信息，实时计算道路交通源污染物排放通量以及单车污染物排放量；本发明专利技术实现了远程道路交通源实时自动化遥测，观测方式简单，易于实现，操作方便。操作方便。操作方便。

【技术实现步骤摘要】
一种道路交通源污染实时定量遥测系统


[0001]本专利技术属于大气污染监测
，具体涉及一种道路交通源(如二氧化氮)污染的遥测系统。

技术介绍

[0002]随着人民生活水平的改善，人民对于健康生活环境的需求越来越高。然而随着工业技术的发展进步我国机动车保有量逐年递增，道路交通车辆排放的尾气成为许多城市大气污染的最大污染源，称之为道路交通源污染；城市污染类型正由煤烟型污染向混合型或机动车型污染转化，危害人们的健康。汽车尾气中的污染物主要有一氧化碳、氮氧化物(如二氧化氮)和PM2.5等。在道路两侧附近的人群吸入汽车排放的污染物对人体肺部或其他生理造成严重影响，其中氮氧化物更是会增加人体的癌症风险。汽车污染物的排放受不同的测量地点、不同的驾驶条件(例如高速公路路段的坡度、允许的速度限制、道路工程等)的影响，因此亟需量化测量实际行驶过程中机动车排放污染物对周围环境的影响。
[0003]目前，定点空气污染监测站对道路污染物监测，经常使用的有化学采样法，可调谐半导体激光器的TD
‑
LAS法等。其中，基于化学采样方法的监测站无法对整条道路的气态污染物排放进行量化，而基于红外激光的TD
‑
LAS方法无法反演得到机动车主要污染物氮氧化物的数值。

技术实现思路

[0004]为了克服现有问题，本专利技术的目的在于提供一种能够对道路交通源机动车辆污染进行实时、定量计算的遥测系统。
[0005]本专利技术提供的对道路交通源污染实时、定量遥测系统,通过两个方向的同时观测得到的测量的差值定量计算特定道路区域内的道路交通源带来的二氧化氮等污染。所述遥测系统包括观测系统，该观测系统包括光谱采集模块、云台模块、气象监测模块、道路交通信息采集模块、系统控制模块；其中：
[0006]所述光谱采集模块，其主体为超分辨率光谱仪,用以采集300nm
‑
400nm的光谱，通过基于朗伯
‑
比尔定律的超光谱分析技术，可以获得二氧化氮等污染物的浓度值；
[0007]所述云台模块，包括仰角电机和方位角电机；其中可通过软件控制电机的转动，进而改变观测方位角度和两个观测方向的仰角；
[0008]所述气象监测模块，包括DHT22温湿度传感器、BMP085大气气压传感器和风向风速传感器；其中，DHT22温湿度传感器用于测量大气的温度值和相对湿度值，BMP085传感器用于测量大气气压值，风向风速传感器用于测量风向值和风速值；
[0009]所述道路交通信息采集模块，包括可伸缩式架杆、交通监控摄像头和DSP图像处理器；其中，交通监控摄像头安装在可伸缩架杆上，用于拍摄获取所观测道路交通源的车辆数量信息和种类信息，经过DSP图像处理器的处理，同步发送到远程数据处理终端；
[0010]所述系统控制模块，包括STM32控制器、数据控制终端；STM32控制器用于对云台模
块电机进行控制，数据控制终端用于对超分辨率光谱仪与气象监测模块中传感器数据采集进行控制。
[0011]由于斜穿道路的观测方向污染物总量与参考方向相减可以有效反映道路交通源污染排放情况，本专利技术的遥测系统，需放置在上风向一端，可以通过控制云台模块中两个电机的转动使两个观测方位角分别为平行道路方向和斜穿道路方向两个方向；并且两个方向都要确保在有效光程L范围内没有对光路形成阻碍的遮挡物。
[0012]本专利技术的遥测系统，还包括一计算分析模块，该计算分析模块部署于远程数据处理终端，用于实时计算道路交通源污染物排放通量。
[0013]计算分析模块利用光谱采集模块中得到的污染物信息、气象监测模块所观测的气象信息，以及道路交通信息采集模块获得的车辆信息，计算道路交通源污染物排放通量；具体包括：
[0014](1)计算观测方向的光路长度L，确定此方向观测范围；
[0015](2)根据气象监测模块中的风向风速传感器提供的实时风向数据，利用正弦定理确定道路交通源观测范围M；
[0016](3)将仪器得到的观测方向与参考方向污染物的光路总浓度结合气象监测模块中获得的风向风速数据，计算道路污染物排放通量。
[0017](1)有效光光路长度L的计算：
[0018]在日常晴朗天气条件下，利用氧二聚体O4在大气中的占比相对稳定的性质，有效光程L可以通过温度T、相对湿度H和压强P计算,公式如下：
[0019][0020]其中，是超分辨率光谱仪反演得到的氧二聚体光路总浓度，单位为molec(cm)
‑2，可以通过所述光谱仪采集到的光谱使用大气环境非线性最小二乘算法对光谱进行反演得到。温度T的单位为开尔文，压强P的单位为百帕，N
A
为阿伏伽德罗常数，计算时取常值6.02
×
1023，R为理想气体常数，取常值8.3145J
·
mol
‑1·
K
‑1，L的单位为千米。
[0021](2)道路交通源观测范围M的计算：
[0022]具体计算公式如下：
[0023][0024]其中，M的单位为千米，为观测时期平均风向和道路方向的夹角，θ为仪器观测方向和道路方向的夹角。
[0025](3)道路污染物排放通量的计算：
[0026]结合光路总浓度与风向风速数据，实现对道路范围交通源污染物排放通量的计算：
[0027]①
计算两观测方向污染物浓度差值：
[0028]dPTC＝PTC
tar
–
PTC
ref
；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0029]光路总浓度定义为PTC，污染物方向光路总浓度定义为PTC
tar
，参考方向观测到的
范围污染物光路总浓度设为PTC
ref
，dPTC为差分光路总浓度，单位皆为molec(cm)
‑2即分子数/平方厘米；
[0030]②
计算垂直方向污染物总浓度VTC：
[0031]将得到的垂直风速确定为所观测道路交通源范围内污染物总量扩散速度，而上述得到的差分光路总浓度dPTC可通过几何近似的方法转为垂直总浓度VTC：
[0032]VTC＝dPTC
·
sin(α)；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0033]其中，垂直总浓度VTC和差分光路总浓度dPTC的单位都为分子数/平方厘米，α为观测仰角，可取为30
°
，因为在实际使用中30
°
可以很好实现垂直总浓度和光路总浓度的转换，且在避免建筑物遮挡的同时保证可以合理地反映近地面道路气态污染物的排放；
[0034]③
道路交通源污染物排放通量E：
[0035]先计算垂直于参考方向(即道路机动车行驶方向)的风速：
[0036][0037]V<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种道路交通源污染实时定量遥测系统,其特征在于，通过两个方向的同时观测得到的测量差值定量计算特定道路区域内的道路交通源带来的二氧化氮等污染；所述遥测系统包括观测系统，该观测系统包括光谱采集模块、云台模块、气象监测模块、道路交通信息采集模块、系统控制模块；其中：所述光谱采集模块，其主体为超分辨率光谱仪,用以采集300nm
‑
400nm的光谱，通过基于朗伯
‑
比尔定律的超光谱分析技术，获得污染物的浓度值；所述云台模块，包括仰角电机和方位角电机；其中，通过软件控制电机的转动，进而改变观测方位角度和两个观测方向的仰角；所述气象监测模块，包括DHT22温湿度传感器、BMP085大气气压传感器和风向风速传感器；其中，DHT22温湿度传感器用于测量大气的温度值和相对湿度值，BMP085传感器用于测量大气气压值，风向风速传感器用于测量风向值和风速值；所述道路交通信息采集模块，包括可伸缩式架杆、交通监控摄像头和DSP图像处理器；其中，交通监控摄像头安装在可伸缩架杆上，用于拍摄获取所观测道路交通源的车辆数量信息和种类信息，经过DSP图像处理器的处理，同步发送到远程数据处理终端；所述系统控制模块，包括STM32控制器、数据控制终端；STM32控制器用于对云台模块电机进行控制，数据控制终端用于对超分辨率光谱仪与气象监测模块中传感器数据采集进行控制；由于斜穿道路的观测方向污染物总量与参考方向相减可以有效反映道路交通源污染排放情况，所述遥测系统，放置在上风向一端，通过控制云台模块中两个电机的转动使两个观测方位角分别为平行道路方向和斜穿道路方向两个方向；并且两个方向都确保在有效光程L范围内没有对光路形成阻碍的遮挡物。2.根据权利要求1所述的遥测系统,其特征在于，还包括一计算分析模块，该计算分析模块部署于远程数据处理终端；计算分析模块利用光谱采集模块中得到的污染物信息、气象监测模块所观测的气象信息，以及道路交通信息采集模块获得的车辆信息，实时计算道路交通源污染物排放通量；具体包括：(1)计算观测方向的光路长度L，确定此方向观测范围；在日常晴朗天气条件下，利用氧二聚体O4在大气中的占比相对稳定的性质，有效光路长度L通过温度T、相对湿度H和压强P计算,公式如下：其中，是超分辨率光谱仪反演得到的氧二聚体光路总浓度，单位为molec(cm)
‑2，可以通过所述光谱仪采集到的光谱使用大气环境非线性最小二乘算法对光谱进行反演得到；温度T的单位为开尔文，压强P的单位为百帕，N
A
为阿伏伽德罗常数，计算时取常值6.02
×
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，R为理想气体常数，L的单位为千米；(2)根据气象监测模块中的风向风速传感器提供的实时...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘瀚洋，刘诚，李启华，邢成志，谈伟，季祥光，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：