【原】減排前沿丨顆粒物傳感器可有效應(yīng)用于空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)

大城小E 2024-09-11 發(fā)布于上海

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本文由上海市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心蔡云飛高級(jí)工程師供稿。

隨著全球空氣污染問題的日益嚴(yán)重，顆粒物（PM_2.5和PM₁₀）對(duì)人體健康的影響成為近年來學(xué)者重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容之一。PM_2.5和PM₁₀是指空氣中直徑小于或等于2.5微米和10微米的顆粒物，它們可以深入人體呼吸系統(tǒng)，增加心血管疾病、呼吸系統(tǒng)疾病甚至癌癥的風(fēng)險(xiǎn)。然而，傳統(tǒng)的顆粒物監(jiān)測(cè)設(shè)備價(jià)格昂貴，不利于大規(guī)模部署和長期使用。因此，開發(fā)低成本、高精度的顆粒物傳感器設(shè)備具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

一

研究方法

復(fù)旦大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院趙卓慧、上海市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心蔡云飛聯(lián)合上海大學(xué)高松研究團(tuán)隊(duì)在上海進(jìn)行了為期一年的室外環(huán)境和兩個(gè)月的室內(nèi)環(huán)境的平行測(cè)量，比較了傳感器設(shè)備與傳統(tǒng)儀器的測(cè)量結(jié)果。研究使用了六種不同的機(jī)器學(xué)習(xí)模型，包括多元線性模型（ML）、K最近鄰模型（KNN）、支持向量機(jī)模型（SVM）、決策樹模型（DT）、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型（MLP）和隨機(jī)森林（RF）模型，對(duì)傳感器設(shè)備的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化。通過大量的實(shí)地測(cè)量數(shù)據(jù)，訓(xùn)練和比對(duì)發(fā)現(xiàn)隨機(jī)森林（RF）模型以其出色的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性脫穎而出。

二

室內(nèi)環(huán)境顆粒物傳感器應(yīng)用效果

在室內(nèi)環(huán)境中，傳感器的性能經(jīng)過六種機(jī)器學(xué)習(xí)模型的優(yōu)化后，結(jié)果顯示隨機(jī)森林（RF）模型以PM_2.5和PM₁₀的R2值分別為0.97和0.91，提供了最佳的測(cè)量準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。這一結(jié)果優(yōu)于多元線性模型（ML，PM_2.5和PM₁₀的R2分別為0.66和0.64）、K最近鄰（KNN，R2分別為0.93和0.84）、支持向量機(jī)（SVM，R2分別為0.85和0.77）、決策樹（DT，R2分別為0.95和0.85）和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（MLP，R2分別為0.90和0.80）模型。這些數(shù)據(jù)表明，在室內(nèi)環(huán)境中，RF模型對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的解釋和預(yù)測(cè)能力最強(qiáng)，使得傳感器能夠提供與參考儀器相媲美的測(cè)量結(jié)果。

三

室外環(huán)境顆粒物傳感器應(yīng)用效果

在室外環(huán)境中，隨機(jī)森林（RF）模型同樣展現(xiàn)出優(yōu)越的性能，對(duì)PM_2.5和PM₁₀的R2值分別達(dá)到0.90和0.80，明顯優(yōu)于ML模型的0.79和0.26、KNN模型的0.83和0.76、SVM模型的0.85和0.23、DT模型的0.84和0.59以及MLP模型的0.84和0.41。這些結(jié)果證實(shí)了RF模型在處理室外環(huán)境復(fù)雜性方面的優(yōu)勢(shì)，尤其是在調(diào)整了溫度、相對(duì)濕度和PM_2.5/PM₁₀比率等氣象因素后，進(jìn)一步提高了傳感器設(shè)備的測(cè)量準(zhǔn)確性。

圖1 機(jī)器學(xué)習(xí)模型優(yōu)化

綜合比較，無論是在室內(nèi)還是室外環(huán)境，隨機(jī)森林（RF）模型都以其最高的R2值和最低的均方根誤差（RMSE）證明了其在優(yōu)化傳感器設(shè)備性能方面的較高能力，為提高傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和可靠性方面的提供了重要價(jià)值。

四

傳感器與標(biāo)準(zhǔn)儀器測(cè)試結(jié)果可比對(duì)

經(jīng)過RF模型優(yōu)化后的傳感器設(shè)備，在室內(nèi)外環(huán)境中對(duì)PM_2.5和PM₁₀的測(cè)量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)儀器的對(duì)比顯示，相關(guān)系數(shù)（R2）分別達(dá)到了0.97和0.91（室內(nèi)）以及0.90和0.80（室外），均方根誤差（RMSE）也控制在了一個(gè)較低的范圍內(nèi)。表明優(yōu)化后的傳感器設(shè)備能夠提供高精度的測(cè)量結(jié)果，滿足環(huán)境監(jiān)測(cè)的需求。

在室內(nèi)環(huán)境中，傳感器設(shè)備的測(cè)量結(jié)果與TSI儀器的測(cè)量結(jié)果非常接近，相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.96以上。在室外環(huán)境中，傳感器設(shè)備的測(cè)量結(jié)果與TEOM儀器的測(cè)量結(jié)果也顯示出良好的一致性。此外，研究還發(fā)現(xiàn)，傳感器設(shè)備在不同季節(jié)和不同污染水平下的測(cè)量性能均表現(xiàn)出色。

圖2室內(nèi)環(huán)境的五種場(chǎng)景下，PM_2.5和PM₁₀(μg/m³)傳感器和參比儀器TSI(黑線)平行測(cè)量

圖3 室外環(huán)境場(chǎng)景下，PM_2.5和PM₁₀(μg/m³)傳感器和參比儀器TEOM(黑線)的平行測(cè)量

綜上所述，顆粒物傳感器監(jiān)測(cè)技術(shù)通過多種機(jī)器學(xué)習(xí)方法應(yīng)用與優(yōu)化，可以顯著提升顆粒物傳感器設(shè)備的性能，使其在室內(nèi)外環(huán)境中對(duì)PM_2.5和PM₁₀的測(cè)量精度均有明顯提高，并且優(yōu)化后的傳感器設(shè)備在室內(nèi)外環(huán)境中均展現(xiàn)出了高準(zhǔn)確性和應(yīng)用效果。這項(xiàng)研究不僅提升了顆粒物傳感器設(shè)備的性能，也為環(huán)境監(jiān)測(cè)和流行病學(xué)研究提供了新的技術(shù)支持。未來應(yīng)用低成本、高效率的傳感器監(jiān)測(cè)設(shè)備，將有助于更廣泛地收集空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，為進(jìn)一步評(píng)估環(huán)境空氣質(zhì)量、人群暴露風(fēng)險(xiǎn)等提供技術(shù)支撐。

參考文獻(xiàn)：

Tang, H., et al., Multi-Scenario Validation and Assessment of a Particulate Matter Sensor Monitor Optimized by Machine Learning Methods. Sensors (Basel, Switzerland), 2024. 24(11): p. 3448.