新型環境感知技術創新及其在環境研究與管理中的應用.pdf

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1、第十一屆長三角空氣質量管理技術研討會新型環境感知技術創新及其在環境研究與管理中的應用寧治教授環境及可持續發展學部|香港科技大學主任環境中心實驗室|香港科技大學副院長前沿交叉學科學院|香港科技大學 2 介紹內容大氣監測技術發展趨勢及方向介紹監測技術發展趨勢與方向傳感技術路線及前沿發展環境感知技術的新型應用3D空間的環境監測與擴展應用傳感器移動監測的技術發展與網絡應用自適應高密度傳感器網絡數據的環境應用環境感知與模型結合在大數據與環境健康的應用 3 環境感知與監測的需求背景 4 更加注重代表性組分、關鍵組分，監測性能更優化，監測技術面向更低濃度監測技術更穩定、高精度、更快速、更全面、更智能、模塊化

2、多種監測方法共存以滿足科學和高精度需求基于基于管理評價需要管理評價需要 穩定性更強趨勢 監測精度更高的趨勢 評價組分定性定量更精準的趨勢 標準化的趨勢基于基于監測技術性能監測技術性能 低濃度監測發展 高活性物質的監測技術應用發展趨勢 含氧和低沸點VOC組分監測需求基于基于實際應用實際應用 小型化發展趨勢 模塊化發展趨勢 智能化發展趨勢 時間分辨率更高的趨勢 更低成本趨勢基于基于機理研究機理研究 監測因子更全面的趨勢 應用場景更廣的趨勢大氣監測技術發展的趨勢 5 大氣監測技術發展的方向監測技術的發展與環境研究及管理政策強相關;科研與產業發展與需求需要匹配；前瞻性的技術發展要求足夠的技術儲備。排放

3、監測監管 以控制污染排放為主要需求的監測技術及應用 以達標監測為主要需求的監測技術標準化環境監測 國控點及地方監測網絡為硬性需求的監測技術 科學研究為需求的高精監測設備需求智能化環境監測環境加密大氣網格化固定監測移動環境監測 3D多維度監測網絡化學組分環境監測VOC、顆粒物組分為重點需求的監測需求惡臭及空氣質量達標任務所需監測+管理建筑室內監測綠色建筑概念下的室內監測與BMS聯動以能耗為終點的建筑環境及室內監測健康環境監測小型穿戴式為長者及敏感人群的環境監測以人體暴露的呼出氣及健康狀況早期診斷19801990200020102020203020402050溫室污染物監測雙碳目標引導下的長期與短

4、期溫室污染物監測碳排放監管與核算需求驅動的精準監測與研究 6 傳感監測技術發展新型傳感監測技術方案與傳統監測技術和一般消費級傳感器的區別。傳統監測站 造價和維護成本高；高精確度，同時需要專業維護；適合區域/本地空氣監測而非獲取個性化信息。專業型傳感器 相對較低成本，小巧輕便，方便部署；根據不同污染物，在適合的應用環境下，提供良好表現。消費級傳感器 便宜和小巧，適合個人或家庭使用；提供指示信息,不滿足供科研數據/商業應用要求。7 傳感監測技術發展監測目標主要工作原理主要技術難點與瓶頸顆粒物質量濃度Photometer or PM count converted massHumidity impa

5、ct,large particle efficiency,refractive index顆粒物粒徑Optical particle countingParticle density and size range超細顆粒物數量濃度Condensation and optical counting;Particle charge current.Cost and inconsistency with upper/lower size limit主要氣體污染物Electrochemical;Metal oxide;Optical sensingHigh/Low Temp/RH impact惡臭氣體

6、Electrochemical;Metal oxide sensingSelectivity and sensitivity總揮發性有機物Electrochemical;Photoionization Detection(PID)Humidity impact and sensitivity有機物組分Microcolumn and PIDDurability and portabilityPM sensors are being understood and developed fast by researchers and industry sectors;Gas sensors for c

7、riteria pollutants in grid monitoring application showed inconsistent performance with challenges for its future.Gas SensorPM Sensor 8 交叉學科的基礎技術進步新材料的出現提供了感知層的更多拓展應用微型光源的穩定性提升及波長的雙向延伸MEMS的發展加速了超微型機電一體化芯片級計算能力的提升讓復雜算法變得可能納米技術的發展提升生物化學傳感器監測性能質量更輕、體積更小、價格更低應用場景也因此極大豐富對現有監測手段的補充與強化 9 科研團隊介紹傳感技術底層開發及算法研究

8、 新型傳感技術原理研究及儲備 微型半導體傳感器開發 算法研究傳感器集成技術與設備的工程研發 系統級集成開發 新技術設計研發 監測設備工程研發傳感器及傳感器網絡應用 大氣科學研究 大氣監測與健康暴露研究 環境管理與政策 社區公益項目科學工程實踐 10 光譜掃描傳感器Patents:PWG/PA/357/10/2013(PRC,US)MEMS 法布里珀羅干涉儀FPI的微型化，利用兩片距離與光波波長接近量級的透光材料實現光譜掃描用于紅外波段的超微型光譜吸收氣體分析檢測從 NDIR 到 DIR(Dispersive InfraRed）的氣體監測技術改進 3900-5000 nm10 nm resolu

9、tion8 seconds per scan+/-0.8 ppm for 5 mins avgChan et al.2014,STOTEN 11 顆粒物計數傳感器通過激光脈沖實現大粒徑范圍顆粒物計數穩定紅光激光與光路氣路設計實現秒級別的50個通道(0.2-20 微米)連續顆粒物粒徑分布傳感用于顆粒物生長過程，空間分布分析Amplitude(or height)of that voltage pulse is indicative of the particle size,Using the elapsed sample period these counts can be easily con

10、verted into estimates of particle concentrations by size within a volumeVoltage2462PM2.5PM10TSPQin et al.2022 12 氣體傳感器的挑戰與解決路徑傳統監測設備只需要對一個維度（濃度）進行調零跨度；傳感器的應用特點決定了必須同時面對三個維度的挑戰：濃度，溫度與濕度。動態基準追蹤捕捉溫濕度變化對于基準信號的影響Credit:Pang et al.2017Humidity“shock”issueTemperature“fever”issue短時間的濕度變化對氣體傳感器信號有著長周期及短周期的非線

11、性影響溫度在35度和-10度范圍之外的變化會對傳感器的基準信號產生大的影響Zero signal tracks the baseline.Baseline output Concentration=0(國際PCT專利)13 大氣污染物傳感器的數據質量溯源性目標 動態基準追蹤解決了溫濕度變化引起的傳感器讀數不準確以及需要頻繁學習校準的問題，在不同環境背景下，均可達到很高的準確性；隨著應用場景的豐富，各地機構正制定傳感器監測相關質量標準，但是過多的標定干預及數學計算讓傳感器監測難以建立標準；是否可以參照標準站點的質控方式建立傳感器的數據質量可溯源性？14 在環境溫度為15-35度下，濕度為35%-

12、100%條件下，分鐘值氣體污染物在低ppb條件下與標準站點對比數據顯示極高的一致性；小時值與標準站對比連續監測中，可達到 R20.95.數據來源于香港環保署測試。大氣污染物傳感器的數據質量溯源性目標 動態基準追蹤解決了溫濕度變化引起的傳感器讀數不準確以及需要頻繁學習校準的問題，在不同環境背景下，均可達到很高的準確性；隨著應用場景的豐富，各地機構正制定傳感器監測相關質量標準，但是過多的標定干預及數學計算讓傳感器監測難以建立標準；是否可以參照標準站點的質控方式建立傳感器的數據質量可溯源性？15 顆粒物在高濃度環境中場景應用超高分辨率粒徑譜傳感器獲得PM2.5與PM10的高精度監測效果 傳感器的數據

13、質量溯源性目標 16 介紹內容大氣監測技術發展趨勢及方向介紹技術標準與趨勢發展技術路線及前沿發展環境感知技術的新型應用環境信息在3D空間及微時間尺度的擴展與應用傳感器移動監測網絡的技術框架與應用自適應性的傳感器網絡數據的環境應用環境感知與模型結合在大數據與環境健康的應用 17 傳感監測技術的應用美國環保署利用傳感器數據進行森林野火環境影響管理 18 傳感監測技術的應用美國環保署利用傳感器數據進行森林野火環境影響管理 19 介紹內容大氣監測技術發展趨勢及方向介紹技術標準與趨勢發展技術路線及前沿發展環境感知技術的新型應用環境信息在3D空間及微時間尺度的擴展與應用傳感器移動監測網絡的技術框架與應用自

14、適應性的傳感器網絡數據的環境應用環境感知與模型結合在大數據與環境健康的應用 20 3D空間及微時間尺度下的應用1200 m800 m500 m300 m0 m高空粒子生成臭氧形成機理研究跨邊界層污染輸送研究區域污染輸送研究空氣質量模型驗證臭氧形成機理研究船舶及工業污染煙羽嗅探污染熱點空間識別近地面空間污染垂直闊線Qi et al.2019 AE.Supported by Shanghai EMCAnand et al.2020 STOTEN,Supported by HKEPDSupported by Hong Kong GFS and EPD and GBA Environmental La

15、boratory.21 無人機載傳感器在船舶煙羽嗅探的應用Anand et al.2020 STOTEN,Supported by HKEPD and SZMSA 22 無人機傳感器的煙羽嗅探無人機機載傳感器紅外攝像的煙囪定位及追蹤全參數(CO,NO2,O3,NO,SO2,VOC,PM2.5,CO2)載荷重量 rural areas,and by 2050,about 69%of the worlds population will be living in urban cities.香港陸地面積:1,104 km2常住人口:7.2 million人口密度:6,500/km2 50 Trans

16、port Network provides 24 hours transport volume and speed spectrumVehicle EmissionsMarine Emissions Best available bottom-upemissions inventoryAgent-based MATSIM ModelAIS marine shipping informationCMAQ+AQMS+機器學習獲得街道尺度空氣質量模擬信息環境感知與模型結合在大數據與環境健康的應用 51 靜態排放清單與動態交通和氣象輸入結合Real-time trafficWeather&AQ For

17、ecastsPlace of InterestUrban Morphology環境感知與模型結合在大數據與環境健康的應用 52 環境感知與模型結合在大數據與環境健康的應用城市微環境及個人暴露污染物特征 53 香港科技大學校園空氣網絡20+Locations環境感知與模型結合在大數據與環境健康的應用通風條件與建筑物室內室外(I/O)污染物濃度比的關系 54 環境感知與模型結合在大數據與環境健康的應用 55 介紹內容大氣監測技術發展趨勢及方向介紹技術標準與趨勢發展技術路線及前沿發展環境感知技術的新型應用環境信息在3D空間及微時間尺度的擴展與應用傳感器移動監測網絡的技術框架與應用自適應性的傳感器網絡數據的環境應用環境感知與模型結合在大數據與環境健康的應用歡迎有志于環境監測技術研究與研發的同學加入團隊！Email:zhiningust.hk 56