工作原理
PM2.5在線源解析系統(tǒng)由激光解析子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲與計算子系統(tǒng)、聚類分析與源解析子系統(tǒng)等三個部分組成。激光解析子系統(tǒng)是將PM 2.5顆粒進行激光電離后分析每個顆粒的碎片質(zhì)量來獲得顆粒物特征譜(類似于指紋)的一種工具。有了這些特征信息，假設相同的電離激光和同樣的分析器所得到的顆粒質(zhì)譜數(shù)據(jù)是有其內(nèi)在規(guī)律的，即具有相同質(zhì)譜規(guī)律的顆粒物有著相同的化學組成。由此通過聚類分析，就可以找到顆粒物的污染來源信息。
PM2.5激光解析子系統(tǒng)
PM2.5激光解析子系統(tǒng)采用空氣動力學透鏡進樣，有效地提高進樣效率和檢測效率;優(yōu)化雙光束測徑裝置和激光解析電離裝置的空間結(jié)構(gòu)，縮短氣溶膠漂移距離，從而提高小顆粒的檢測范圍，能同時檢測顆粒物的動力學直徑以及顆粒物電離出的正負離子，為PM2.5在線源解析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。還可以監(jiān)測顆粒物化學組分的瞬時變化、顆粒物混合狀態(tài)、水溶性陽離子、元素碳、有機碳、酸根離子、有機酸、有機胺等，用于研究PM2.5的時空變化以及來源追蹤，揭示空氣污染過程的特征和規(guī)律。
1. 顆粒物進樣
氣溶膠顆粒通過PM 2.5切割器切割后進入儀器，在三級真空條件下，顆粒在空氣動力學透鏡的作用下聚焦成為準直線的顆粒束，然后進入測徑區(qū)。
2. 顆粒物測徑
在測徑區(qū)該顆粒連續(xù)經(jīng)過兩束405nm測徑激光器發(fā)射的激光束，產(chǎn)生的散射光分別被橢球面鏡反射聚焦到光電倍增管(PMT)上得以檢測，由于顆粒粒徑不同其飛行速度也不同，因此通過時序電路測量兩個PMT信號的時間間隔，就可以計算顆粒的飛行速度，進而換算出氣溶膠顆粒的空氣動力學直徑。
3. 顆粒物電離與質(zhì)譜分析
第二束測徑激光還用來立即觸發(fā)電離激光。顆粒進入電離區(qū)后，被193nm 的受激準分子激光電離產(chǎn)生正、負離子，然后離子被雙極型飛行時間質(zhì)量分析器檢測，可同時得到顆粒物的正負離子信息。
PM2.5激光解析子系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集軟件是基于專業(yè)的科學計算軟件Igor Pro開發(fā)的人機交互數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集軟件保存數(shù)據(jù)的格式為HDF。HDF (Hierarchical Data Format)是一種分層式數(shù)據(jù)管理結(jié)構(gòu)，是一個能夠自我描述、多目標、用于科學數(shù)據(jù)存儲和分發(fā)的通用數(shù)據(jù)格式。
數(shù)據(jù)存儲與計算子系統(tǒng)
PM2.5激光解析子系統(tǒng)的輸出數(shù)據(jù)是一些記錄著每個顆粒物碎片成分信息的數(shù)據(jù)集。海量的數(shù)據(jù)集需要大容量的存儲。cStor云存儲系統(tǒng)是南京云創(chuàng)大數(shù)據(jù)科技股份有限公司自主研發(fā)的、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高科技產(chǎn)品，整套系統(tǒng)包括軟件與硬件，是一個海量的云存儲平臺。傳統(tǒng)的大規(guī)模存儲系統(tǒng)相比，cStor針對絕大多數(shù)數(shù)據(jù)密集型應用的特點從多個方面進行了優(yōu)化，從而在一定規(guī)模下達到成本、可靠性和性能的平衡。
DeepRack深度學習一體機是南京云創(chuàng)大數(shù)據(jù)科技股份有限公司自主研發(fā)的深度學習軟硬件平臺，包含24U半高機柜，最多可配置4臺4U高性能服務器;每臺服務器CPU選用英特爾E5-2600系列至強處理器;每臺服務器最多可插入4塊英偉達GPU卡;提供最大每秒128萬億次的單精度計算能力;四個節(jié)點滿配時相當于160臺服務器的計算能力。
聚類分析與源解析子系統(tǒng)
已采集的海量數(shù)據(jù)集用人工的分析方法顯然是不可能的。目前已經(jīng)用于質(zhì)譜數(shù)據(jù)分析的方法主要有：分級聚類分析(HCA)、主成分分析(PCA)、模糊C均值(FCM)、自組織特征映射神經(jīng)網(wǎng)絡(SOM)和自適應共振算法(ART-2a)。模糊C均值(FCM)是一種基于劃分的聚類算法，它的思想就是使得被劃分到同一簇的對象之間相似度大，而不同簇之間的相似度小。FCM能有效地處理大數(shù)據(jù)集(large dada set)和高維數(shù)據(jù)集，非常適合于激光解析數(shù)據(jù)的聚類分析。可將不同顆粒物按照組成的相似性進行歸類;每分鐘可完成多達十萬個譜的聚類分析;用戶可以自行定義顆粒物的類別，并獲取不同類別顆粒物的粒徑分布、時間組成、顆粒物的平均譜圖等。
還可利用深度學習對數(shù)據(jù)進行深度挖掘，獲得特殊的信息，如不同的化學種類離子、顆粒物類別之間的混合狀態(tài)，來源相關(guān)性分析等。
PM 2.5 在線源解析的具體步驟如下：
A.放源特征譜庫的建立
同的排放源，質(zhì)譜特征(指紋)不同。可依托大量的污染源檢測結(jié)果，通過聚類分析，建立大氣顆粒物污染源特征譜庫。大氣顆粒物可人為地劃分成揚塵、生物質(zhì)燃燒、機動車尾氣、工業(yè)生產(chǎn)、燃煤、二次無機氣溶膠、海鹽、其它等污染源。結(jié)合《大氣顆粒物來源解析技術(shù)指南(試行)》對這些類別的污染源進行采樣，再利用激光解析子系統(tǒng)對其粒徑、化學成分和質(zhì)譜特征進行測定，并利用模糊聚類(fuzzy clustering)算法歸納出污染源特征譜庫。
B.受體環(huán)境的顆粒物聚類分析
同樣地，利用LAAPToF對空氣環(huán)境受體中的PM2.5的粒徑、化學成分和質(zhì)譜特征進行測定，并利用模糊聚類算法歸納出受體環(huán)境顆粒物譜庫。
C.受體與排放源的比對識別
建立“指紋”比對模型，綜合考慮該地區(qū)污染排放的行業(yè)特征、氣候條件、地形地貌等因素，把受體環(huán)境檢測到的數(shù)據(jù)與排放源特征譜中的示蹤離子進行比對，并對結(jié)果進行歸納、統(tǒng)計，研究不同季節(jié)細顆粒物成分及來源構(gòu)成的變化規(guī)律，以明確空氣污染治理的方向及措施。
