实时在线声学多测量仪

■技术点评　　点评机构：北京大学技术转移中心　　点评人：高炎 黄牧青 刘笑一 李士杰　　出镜主角：一项由加拿大研究人员研发的便携式PM2.5 在线实时测量技术。该系统首先用一个 PM2.5 采样器将PM2.5 从总的大气颗粒中分离提取出来，通过颗粒计数系统监测这些颗粒，然后利用基于悬浮颗粒物的基本原理, 计算出测量地点的PM2.5 数值, 并即时显示PM2.5 测量结果。这种便携式 PM2.5 在线检测仪器可以应用在几乎任何空气检测的场所。也可以进一步研发出用于科研用的高精度的测量仪器。　　研发现状：实验室内可行性研究成功 寻求商业投资和产品化合作伙伴 继续致力于市场开发与拓展。　　市场分析：PM2.5监测设备厂商主要有美国热电、美国MET ONE、美国API、法国ESA(法国苏氏环境公司)、澳大利亚的Eco Tech和Monitor等 国内的主要厂商有先河环保、武汉天虹、安徽蓝盾、中晟泰科等多家企业。由于我国在此领域投入较晚，非国产的PM2.5监测设备的市场占有率超过70%。业内相关人士估计，未来5年内国有厂商将赶超国外企业。　　作为一个重要的空气质量指标。世界大多数发达国家都对PM2.5进行检测以了解空气污染的情况。现有的离线(非实时)测量技术主要是基于称重法 它的问题是测量速度太慢：采一个数据要至少几个小时。这种方法是无法进行在线即时测量的。商业上的PM2.5 在线测量设备主要是应用于城市空气质量检测站里。它们虽然测量精度高但是设备庞大笨重而且价格昂贵。目前一台PM2.5监测设备的价格区间大致为8&mdash 38万元。　　据环保部初步测算，&ldquo 十二五&rdquo 期间，全国要建设1500多个PM2.5监测点位，前期投入将超过20多亿元。PM2.5监测点位的运行费用和维护成本也需考虑。这两部分成本占到PM2.5监测点位配置总成本的30%到40%。　　除了国家环保监测点位的设备市场外，很多厂家也推出了手持式的家用PM2.5检测仪，价格从1000元到8000元不等，一般专业一点的检测仪价格在3000元以上，但目前销量还很小。国内市场目前在销售的手持式PM2.5检测仪有美国LIGHTHOUSE公司PM2.5检测仪、武汉四方光电PM2.5检测仪、汉王PM2.5检测仪、北京艾然科技PM2.5检测仪、博朗通PM2.5检测仪等，产品化门槛并不高。价位由600&mdash 3000元不等，在天猫上，最高的销量不超过100台。　　可行商业模式：从当前市场来看，PM2.5在线实时测量仪的技术并不是难点，很多公司已经掌握 直接卖检测仪器的方式将导致市场价格竞争，难以形成竞争优势。智能空气监测设备最大的挑战在于，它是否抓住了人们&ldquo 需求背后的需求&rdquo ，让用户愿意买单。人们关注空气质量隐藏的需求是想让空气变得更好。针对PM2.5的空气质量状况，国内用户采用的办法是买口罩和使用空气净化器。但空气净化器并没有得到普及，据统计，由PM2.5激发的口罩市场规模每年达50亿。独立的空气监测设备并不被看好。　　国内通过手机APP发布PM2.5数据起家的墨迹天气，下载量达4.3亿次，日活跃用户4500万。2014年5月，墨迹天气推出&ldquo 空气果&rdquo ，集温度、湿度、二氧化碳、PM2.5等数据的检测和提醒于一体，定价999元。不过，这一较高的定价使空气果的受众少了许多，不少极客型用户表示价格低于500元才考虑尝试。另外，空气果的续航能力只有几天，对用户来说挑战不小。美国的Birdi是与空气果相似的设备。Birdi监测空气中的健康危害元素、污染和紧急情况等，包括烟雾、危险物(一氧化碳)、过敏源(花粉)和空气质量(微粒、温度、湿度、空气新鲜程度)。除了预防紧急情况外，Birdi还可以对空气质量进行评分，并提供改善建议。手机App可查看报告、接受警告，在危险情况Birdi App还可直接拨打火警电话。定价119美元，约合740元人民币。　　空气报警器和处理器找准了刚需。报警器是在危险情况下告知用户，用户马上可采取一系列措施来消除危险。而处理器则是可以直接改变空气，让人们生活更舒适、更安全。还有一点对独立监测设备是非常致命的：报警器在做报警的同时，可以顺带把空气监测做了，如Birdi 处理器在改变空气的同时，也可以顺便把空气监测做了，如TCL和360的空气卫士。空气监测器可通过开放API指挥智能窗帘开窗，指挥智能空调和净化器运转起来。不过要实现这一点并不容易。在产品达到一定存量前，品牌繁多的空调、净化器很难兼容。　　技术点评　　点评机构：北京大学技术转移中心　　点评人：高炎 黄牧青 刘笑一 李士杰

现状马来西亚雨水管理和公路隧道（"SMART"）项目的规模宏大--隧道长度为12公里，直径为11.8米，可收集多达400万立方米的洪水--这是一个艰巨而伟大的项目。这条隧道的设计概念极富创意，让人叹服，可以在旱季通过地下隧道疏导吉隆坡拥挤的交通，并在洪灾期间将雨水安全地分流到市中心地下。同时，支持这项大规模隧道和大型集水盆地的系统也同样令人惊叹，它被称为SMART工程的智能系统。这是一个由洪水检测设备和自动化管理机械组成的网络，与监控数据采集和控制 (SCADA)“大脑”连接，利用其收集的信息自动启动洪水管理闸门和水泵。技术由系统集成商Greenspan Technology Pty Ltd，设计的洪水检测和自动化管理系 统通过28个远程监测站来指导项目沿线31个闸门、7个大型水泵和4个独立发电装置（发电机组）的决策。三级系统Greenspan公司驻新加坡的国际经理Bruce Sproule解释，SMART项目设计为分三个阶段运作，以防止类似2007年那样的洪水对城市造成严重破坏。准确及时的流量和流速信息对SMART项目的成功和吉隆坡180万居民 的安全至关重要。为了确保高质量的数据流，Sproule的团队在项目总监Mark Wolf和项目经理Marc Schmidt的带领下，布置了一个由22个雨量计、50个与气泡系统相连的压力传感器和16个SonTek Argonaut声学多普勒测流组成的阵列。Greenspan公司的控制中心运营小组在Mark Van Elswyk的带领下，维护着由高频电台、GSM、光纤信号和微波传输组成的通信系统，以保持传感站点和SCADA系统之间的持续通信。通过以太网连接的Argonauts每分钟报告一次数据；通过高速VHF连接的Argonauts每5至10分钟广播一次。SCADA工程师Jarrah Watson、Nick Hitchins和Peter Johnson保持控制/采集系统精细地调整。河流、暂存池和隧道的数据与Greenspan公司的时间序列数据库中的降雨信息相结合，然后通过该公司的预测模型进行传输。结果驱动自动闸门，控制进入SMART集水井和隧道的流量，并在下游水量可以积累到排放水平时，启动大型水泵，对隧道进行排水。这是更准确的信息，Sproule说。如果受到潮汐影响或回水影响，可能会出现滞后现象，水深得来的流量数据是不准确的。Sproule说，当水位上升并且下游潮汐对吉隆坡洪水的影响越来越大时，预警模型就会从气体吹扫压力传感器的读数切换到声学多普勒测流仪的数据，以跟踪流量情况。他解释说，下游潮汐效应会产生滞后现象，从而减缓了洪水对来自上游力量带来的通常变化。关键是要追踪河流中到底发生了什么，而不是依赖于基于无障碍重力驱动条件的简单数学估计，这点非常重要。“这是更准确的信息，”Sproule说。“如果受到潮汐影响或回水影响， 水深换算的流量可能会出现滞后现象，而且数据不准确。”他补充说，Greenspan公司开发了自己的流速率定软件，以确保流量的准确计算。由于具有多个测量方向，SonTek-IQ非常适合存在滞后的情况。专有流量算法非常适合在灌溉渠道、天然河流和管道中收集数据。该仪器采用SonTek独有的SmartPulseHD自适应采样。使用垂直声束和压力进行水位自动校准。精心布置Sproule指出，在隧道内部和周围，SonTek Argonaut SL（侧视）测流仪布置在精心确定的高度，以便为高流量情况做好准备。两个Argonaut SW（浅水）测流仪测量下游排放点的双箱涵的流量和流速，为流量模型提供信息。即使洪水没有来临，信息流也提供了有价值的洞察力。Sproule指出，事实上，来自SW的数据显示，在洪水事件发生后，发现在其潜水面中储存了惊人数量的水，并在比Greenspan模型最初假设的更长的时间内才可以释放了这些水。Sproule指出，在洪水期间保护贵重设备可能是一项挑战。Greenspan公司的Wayne Farrell设计了“骑士头盔”站，用自动缩回的头盾保护传感器，让人想起中世纪的骑士头盔。“骑士头盔”站精心放置在测量系统中高水位的最佳高度，每次洪水过后都必须进行维护。Sproule 指出：“设计这些装置是为了防止仪器被大型残片冲走，但这些装置确实已经变成淤泥收集器。”他补充说，Greenspan公司开发了自己的校准软件，以方便测流仪的日常和暴雨后维护。该公司还开发了一个专有系统，为每个采样点建立8万个点的横断面。Sproule说，Greenspan团队还包括水文测量技术员BenNoble Clem Williams和Faizal Yusoff，他们认为SonTek Argonauts是SMART项目的必然选择。他解释说：“我们曾考虑过雷达/声纳，但价格非常昂贵，而且我们有很多使用SonTek设备的经验。”“在这个项目中，这是最简单、最准确的方法。我们在新加坡有一个八人的雨水监测小组，使用SonTek的设备已经14个月了，所以我们知道它能做什么，不能做什么。”服务支持很好，设备也很可靠。他补充道。仪器很可靠，一旦出现问题，公司会迅速做出响应。对于像SMART这样大规模的项目，快速响应至关重要。在2007年9月的一次系统测试中，该系统提前30分钟准确预测到了河流水位会上升，成功分流50万立方米水。随着车流穿过巨大的隧道，无声的传感器网络向Greenspan公司的SCADA系统报告时，Sproule对SMART项目进行了反思。“这是Greenspan公司设计过的最复杂的系统，”他指出，该系统平稳运行和保护吉隆坡11.8米高的隧道一样，是一个令人惊叹的奇迹。

2月28日，国家重大科学仪器设备开发专项——“高端动力装置扭矩和速度测量仪器设备的研发与应用”项目启动会，在中国计量科学研究院(以下简称“中国计量院”)召开。会议由国家质检总局科技司主持，科技部条财司副司长吴学梯、国家质检总局科技司副司长王越薇、中国计量院副院长宋淑英等领导及项目监理组、总体组、技术专家委员会、用户委员会和管理办公室等近百人参加了本次启动会。 科技部条财司副司长吴学梯在启动会上讲话　　启动会上，科技部条财司副司长吴学梯介绍了国家重大科学仪器设备开发专项的设立背景和目标定位，要求“高端动力装置扭矩和速度测量仪器设备的研发与应用”项目组瞄准产品开发目标，积极推进产业化 更加关注产品的知识产权 按照项目管理办法，落实好法人负责制的各项要求 严格进行项目经费管理，并希望相关项目参与单位加强协作，潜心开发，实现科学仪器设备自主创新。同时他对该项目利用信息化系统的创新管理方式表示肯定，并希望其能够得到进一步推广运用。　　项目总体组组长、中国计量院副院长宋淑英对与会领导、专家对中国计量院科技事业发展的关心支持和帮助表示感谢。她指出，“高端动力装置扭矩和速度测量仪器设备的研发与应用”项目是近年来中国计量院在重大仪器方面获得的第3个国家支持项目。作为项目牵头单位，中国计量院将继续做好支持和服务工作，与各项目参与单位团结协作，确保项目顺利实施，为我国摆脱高端测量仪器完全依赖进口的局面作出应有贡献。　　项目负责人、中国计量院力学与声学研究所所长张跃研究员就项目背景、总体目标、任务分解、预期成果及进度和经费安排等相关情况进行了汇报。项目办公室汇报了项目实施管理办法 各任务负责人分别汇报了任务的研究内容、考核指标、实施方案、进度及经费安排等。　　与会专家在认真听取汇报的基础上，展开热烈讨论，对项目进行点评，并提出实施意见建议。　　高端动力装备在装备制造业中占有举足轻重的地位，是各种重大成套技术装备的核心组成部分，例如，风力发电机组、大型舰船推进系统、高速列车动力系统及转向架、航空发动机、高档数控机床等。高端动力装备对国民经济的发展起着突出的作用，同时也代表了我国先进制造业，特别是装备制造业的能力和水平。　　而目前，我国大量的扭矩和速度参数测量系统，包括功率、最大扭矩、最高车速、加速度等，尤其是高端测量仪器依赖进口，并无法在国内溯源，严重制约了我国自主动力扭矩和速度测量仪器的可靠计量、研发与应用，从而制约了我国高技术含量、高国际竞争力的核心工业产品的自主研制和生产，开展具有自主知识产权的高端动力装置扭矩和速度测量仪器设备的研制需求迫切。　　国家重大科学仪器设备开发专项“高端动力装置扭矩和速度测量仪器设备的研发与应用”项目总体目标为：开展高端动力装置机械功率关键参数扭矩和速度精密测量技术的研究，攻克扭矩标准装置中高精密空气轴承支撑部件的核心技术及双天线雷达测速收发模块的关键技术。研究建立具有自主知识产权的高端动力装置的扭矩测量仪器(20kNm扭矩标准机)、高端动力装置速度测量仪器(双天线雷达测速仪器)和加速度计动态特性校准装置，填补国内空白，达到高端动力装置扭矩测量和速度测量的国际先进水平。　　据介绍，项目研制成果将有望为我国高端动力装备扭矩与速度等功率测量建立可靠的计量溯源体系，并将在仪器开发、产业化示范、节能减排等方面起到重要的推动作用。　　该项目的组织实施单位为国家质检总局，由中国计量科学研究院牵头，并负责其中4个任务，任务承担单位还包括清华大学、中国船舶重工集团第七〇四研究所、浙江省计量科学研究院、北京化工大学、辽宁省计量科学研究院、湖南省计量科学研究院、苏州苏试试验仪器股份有限公司与长沙普德利生科技有限公司等8家单位。项目起止时间为2012年10月至于2016年9月。主要包括12个任务：20kNm高准确度扭矩标准装置的研发、高准确度大质量参数测量装置的研制、高精度宽量程多普勒雷达测速技术的研究及其测量装置的研制、加速度计动态特性计量技术的研究与校准装置的建立、空气轴承支撑技术的研发、无扰动质量参数自动测量技术的研发、加速度计动态模型及参数辨识的研究、测速测距雷达测速仪在交通领域的应用研究、空气轴承支撑技术在高准确度扭矩标准机及船舶装配质量控制中的应用、安全气囊加速度计校准装置在汽车行业的应用以及双天线雷达测速仪在高铁行业的应用研究等。