第33卷第S1期苏州科技大学学报（工程技术版）Vol．33No．S1 2020年12月Journal of Suzhou University of Science and Technology（Engineering and Technology）Dec．2020
詹新望，任宪锋，刘建军，管叙欣，陆建锋
（张家港港务集团，江苏张家港215633）
摘要：开发并建设一套适用于散货码头的“1+1+N”粉尘监测与智能控制系统，应用粉尘多维度云监测和智能喷淋联动控制技术对散货堆场的粉尘进行智能监测和控制，结合气象参数进行分析，判断堆场内起尘区域，自动启动相关区域喷淋设施进行抑尘，减少散货粉尘污染。
关键词：云监测；激光雷达；智能算法；自学习
中图分类号：X831文献标志码：A文章编号：2096－3270（2020）S1－0047－08
1项目概述
近年来随着我国多地频繁遭遇持续雾霾天气，大气污染防治形势变得异常严峻。以可吸入颗粒物（PM10）
、细颗粒物（PM2.5）为特征污染物的区域性大气环境问题日益突出[1]。《中华人民共和国环境保护税法》2018年1月1日起正式实施，散货港口和码头按规定按其大气污染物（散货粉尘）排放量进行交税（安装使用符合国家规定和监测规范的污染物自动监测设备，按照污染物自动监测数据计算）。江苏省《苏交执法[2019]76号》文要求在2019年底前，所有沿江易起尘货种装卸的港口完成粉尘在线监测系统建设，随着相关法律法规的推行，在国内散货港口掀起了新一轮的粉尘治理技改高潮。
1.1散货码头环保设备设施配置
张家港港务集团港盛分公司作为专业化散货码头，现有7万吨级深水泊位2个，万吨级长江装船泊位2个，堆场面积约16×104m2，道路面积约2.4×104m2，均有喷淋系统覆盖，配置旋转式防尘喷129只，能远程手动、单周期半自动控制。现有洒水车、清扫车等环保车辆6辆，门机、皮带机等装卸设备均配置喷雾抑尘系统。散货堆场边界设置870m防风抑尘网，并建有码头、场地雨污水收集处理系统。
1.2项目主要内容
虽然现有环保设施种类较完备，但其仍不能完全满足粉尘智能控制的技术需求。该项目研发一套适用于港盛分公司的散货堆场粉尘在线监测与智能控制系统，应用粉尘多维度云监测和智能喷淋联动控制技术，对散货堆场的粉尘进行智能监测和控制，结合气象参数进行分析，判断堆场内起尘区域，自动
启动相关区域喷淋设施进行精准抑尘，减少散货粉尘污染。
2研究思路与系统架构
2.1建设粉尘在线监测系统
搭建一套粉尘在线监测系统，要求监测范围能实现散货码头区域全覆盖。主要监测指标为TSP、PM10和PM2.5。
2.2开发智能控制底层算法
开发一套基于粉尘在线监测系统的底层算法，要求如下：
（1）能结合气象参数、粉尘浓度和地理位置信息智能判断堆场内起尘位置。
（2）能根据判断出的起尘位置自动启动相关区域喷淋设施。
（3）可根据堆场不同作业情况智能控制喷淋设施。
（4）可根据气象、环境等因素做出算法修正。
2020
苏州科技大学学报（工程技术版）2.3搭建系统架构系统架构主要由三部分内容组成：粉尘智能化监测、粉尘精准控制运算模型和粉尘智能控制系统。系统架构如图1所示。
3技术方案设计
项目要求粉尘智能化监测方案能实时反映码头区域粉尘浓度及其分布情况，同时要求尽可能不使用堆场内大量布点的实施方案。因此，针对项目需求，设计“1+1+N ”粉尘智能化监测与控制方案。
3.1“1+1+N ”粉尘智能化监测方案
“1+1+N ”方案指的是1套激光雷达粉尘污染物监测设备配合1套用于场界监测的β射线法粉尘监测仪，再加上N 套场内布设的光散射法粉尘监测仪。其中，1套激光雷达设备通过激光与颗粒物和气态分子相互作用后产生散射光来获取不同高度处污染物的浓度分布信息，再利用场界的1套β射线法粉尘监测仪和N 套场内分布的光散射法设备进行浓度标定。“1+1+N ”粉尘智能监测方案与港口现有粉尘监测系统相比，其优势在于：直观实时反映场界内粉尘浓度、摸清堆场起尘点及起尘规律、实时反映堆场边界浓度、有效反映是否环保达标排放，还可直观反映是否有场界外粉尘迁移入场、其浓度几何。
图1粉尘智能监测与控制系统架构图
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第S1期图2现场测试结果示例
3.2激光雷达设备选型
能够满足本项目要求的粉尘在线监测技术为基于激光雷达技术的粉尘污染源监测技术，简称“粉尘雷达”技术。其监测原理为：“粉尘雷达”如激光探针一样，通过不断向大气中发射激光束，扫描大气中的信息，通过与颗粒物和气态分子相互作用后产生散射光来获取不同高度处污染物的浓度分布信息[2-3]。
项目组对国内外市场现有的粉尘雷达技术进行了调研，共调研了十余家设备生产/代理公司，择优选择无锡A 生产的便携式激光雷达。
从图2可看出，激光雷达可明显分辨出港口范围内所有的粉尘分布信息，其中较明显的污染源有2个，污染源1位于通江六路和沿江四路交汇处的矿石堆场内，同时也包括通江六路部分路段。结合现场视频监控查明污染起尘原因主要是矿石堆场正在进行作业工作，通江六路有大量运输车辆来往，导致污染源1起尘明显。
3.3粉尘在线监测仪“N ”的选型
粉尘在线监测仪需满足以下技术指标：连续自动检测TSP 、PM 10、PM 2.5；监测方法采用光散射法
（至少覆盖0.01~30.00mg ·m -3）、β射线法/微量振荡天平法（至少覆盖0.01~10.00mg ·m -3）；数据分辨率不大于
0.1μg ·m -3；具备设定浓度报警功能。
国内大部分环保公司生产的大气颗粒物浓度监测仪均可满足该技术指标的要求，如青岛E 公司生产的H6型大气颗粒物浓度监测仪设备等。
3.4智能化粉尘监测设备布点方案
3.4.1激光雷达布点方案
由于激光雷达监测过程中，激光发射需保持水平，因此需要在公司区域到一个制高点以避免遮挡。港区制高点如下：综合楼（24.4m ）、BT01-BT03筒仓（23m ）、BT05筒仓（21m ）、BD20-BD21灯塔（25m ）、防风抑尘网（17m ）。为了保证激光雷达不被遮挡，需选择相对较高的点位安装激光雷达设备。因此，综合楼楼顶的布点方案是较为合适的方案。
3.4.2粉尘在线监测仪布点方案
按照上级文件要求，根据堆场面积确定监测点数量。公司堆场面积在10×104~20×104m 2之间，监测
点数量需5个（“1+4”）。设定粉尘在线监测仪布点方案如图3所示（底图为张家港港务集团港盛分公司区域示意图）。
詹新望，等：堆场粉尘在线监测与智能控制系统建设的实践于2019年6月使用激光雷达在本公司制高点进行了现场实测，测试结果示例如图2所示（底图为张家港扫描雷达—2019.06.0413∶19~14∶56）。
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苏州科技大学学报（工程技术版）3.5关键产尘环节及控制措施核心影响因素研究
对港口作业工艺全流程进行梳理，分析关键产尘环节，并对产尘量及控制措施的效率的影响因素开展研究；对港口现有主流控制措施开展抑尘效果影响因素研究，对各类除尘措施除尘效率的影响因素进行分析，获取各除尘措施除尘效率核心影响因素。
风行三国
3.6智能监测与智能控制联动的底层算法开发
开发监测数据与控制智能联动的底层算法则是该项目的一个难点。
粉尘雷达监测结果显示的是实时的点位结果，而该项目港口的喷淋设备控制的是一片区域，这之间即存在矛盾———
点位超标和区域控制的矛盾[4]。因此，项目组认为正确的实施步骤为：（1）在监测系统安装之前，需对港口现有的喷淋系统进行调研，了解其每个喷头的控制区域范围，将其录入网格图中；
（2）根据喷淋的控制区域范围，划分监测系统的监测网格片区；
（3）粉尘雷达设定为对每个监测网格进行监测，智能统计每个网格区域内加权粉尘浓度；
（4）根据网格区的平均粉尘浓度分布情况结合气象数据来开发相应的底层算法；
小企业会计准则
（5）根据底层算法实现喷淋设备的智能控制。
在此基础上可开发出相应的联动控制程序。由于项目要求形成一套全自动粉尘控制系统，还可考虑将其现有喷淋操作规程进行程序化。
3.7自学习型智能监测与控制联动技术开发
由于堆场粉尘起尘模型包括大量的未知因素和随机因素，因此，如果要保证开发出的系统的可用性，有必要引入自学习的智能技术。具体思路为：设定程序喷洒水的阈值条件为一个模糊值（例如排放标准的75%）；随着系统的不断运行，通过在线识别，针对该港口的控制模型会变得越来越准确，越来越接近真实值；随着模型不断改进，基于模型综合而来的控制作用也随之不断改进。
3.8粉尘智能监测与控制软件包开发
最终开发出的能满足使用的软件包，其需求主要包括：
（1）接入设备。粉尘雷达：用于大面积监测粉尘相对浓度；粉尘监测设备：用于数据标定；气象监测仪器
：图3粉尘在线监测仪布点方案
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第S1期用于监测气象参数；喷淋系统：用于控制喷定点喷淋。
1962饥荒
（2）数据存储。粉尘雷达、粉尘监测设备、气象监测仪器等采集到的原始数据及标定后的数据均需要存储至数据库，所有设备与服务器在场区内组网形成专属局域网，所有数据均通过网络（有线或无线，视场地情况而定）上传至服务器，服务器端软件对数据进行展示和分析。
数据包括：激光消光度/偏振比；TSP/PM 2.5/PM 10；风速/风向/温度/湿度/大气压。
（3）软件功能。与场区平面图（或GIS 底图）结合显示的带有位置信息的实时粉尘浓度云图展示，蓝→绿→黄→橙→红渐变显示；历史粉尘浓度曲线展示；超标报警和预警（对应两个不同阈值）；连续（例如1h ）超标短信推送；超标污染源位置估计；喷淋系统手/自动模式控制。
4系统建设
按照技术方案，根据监测需求完成粉尘激光雷达、β射线法粉尘监测仪、光散射法粉尘监测仪选型，按“1+1+N ”布点方案在建筑物、场地上设置监测设备，开发智能监测与智能控制联动算法及系统，系统安装调试后投入运行。
4.1
粉尘监测仪设置4.1.1粉尘激光雷达设置
在公司综合楼顶部最高点设置大气颗粒物监测激光雷达（粉尘激光雷达），设定东北-西北区域+60°～+160°水平扫描角度，设定仰角+3°，避免激光光束直射门机、长江船舶等高大设备设施。激光雷达设置如图4所示。
4.1.2
β射线在线监测仪设置在通江九路南侧转角（防风抑尘网末端）设置场界外β射线粉尘在线监测仪，如图5所示。4.1.3光散射在线监测仪设置
按规定港区内监测点位设置宜选择在码头主要装卸作业点、主要的车辆出入口和散货堆场，码头、堆场区域监测点均采用光散射在线监测仪，如图6所示。
4.2智能化监测与控制联动
4.2.1网格矩阵模型
DNA变性与杂交
粉尘雷达、粉尘监测设备、气象监测仪器等采集到的原始数据及标定后的数据存储至数据库，所有设备与服务器在场区内组网形成专属局域网，所有数据均通过网络上传至服务器，服务器端软件对数据
进行展示和分析。粉尘智能控制平台通过智能统计划定网格区域内加权粉尘浓度，利用高斯扩散模式的反推模式计算得到无组织排放源的源强，根据矩阵模型得到每个网格源强对于检测浓度高值点位的贡献率，对比网格矩阵对该次污染过程的贡献率大小实现高排放的智能识别。
石河子大学学报
4.2.2联动智能控制
粉尘智能控制系统软件平台结合气象参数、粉尘浓度和地理位置信息智能判断堆场内起尘位置[5]，联动二级泵房、控制泵房，通过生产指挥中心智能控制堆场喷，实现粉尘智能控制，通过监测数据实现粉尘超标预警，控制流程图如7所示。图4
粉尘激光雷达
詹新望，等：堆场粉尘在线监测与智能控制系统建设的实践51贵州大学选课系统
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