USE OF REMOTE-SENSING TECHNOLOGY FOR VEHICLE EMISSIONS MONITORING AND CONTROL
Από RemoteSensing Wiki
USE OF REMOTE-SENSING TECHNOLOGY FOR VEHICLE EMISSIONS MONITORING AND CONTROL
Πηγή:https://theicct.org/sites/default/files/publications/ICCT_remote-sensing_brief_201812.pdf
Συγγραφείς: Tim Dallmann
ΕΙΣΑΓΩΓΗ
Η αλματώδης με ξέφρενούς ρυθμούς, ανάπτυξη της τεχνολογίας στα τέλη του 20ου αιώνα, συνοδεύεται από μια εκτεταμένη οικολογική καταστροφή στον πλανήτη μας. Η ατμόσφαιρα του πλανήτη μας δέχεται σήμερα μια επιβάρυνση από ρυπογόνους παράγοντες σε τρομακτικό και συνεχώς αυξανόμενο ρυθμό. Οι ρύποι των ΙΧ αποτελούν μία από τις αιτίες του προβλήματος που επιβαρύνουν συνεχώς την κατάσταση. Η μέτρηση των εκπομπών καυσαερίων από τα οχήματα κατά την κανονική λειτουργία τους στο δρόμο είναι το κλειδί για κάθε αποτελεσματικό σύστημα ελέγχου της ατμοσφαιρικής ρύπανσης στον τομέα των μεταφορών. Ιδιαιτέρως σημαντικό είναι να επισημανθεί και να εντοπιστεί η διαφορά μεταξύ της απόδοσης των δοκιμών πιστοποίησης και των πραγματικών εκπομπών οχημάτων "πραγματικού κόσμου", προκειμένου να αποσαφηνιστεί η πραγματική υφιστάμενη κατάσταση. Το παρόν άρθρο επιχειρεί να παρουσιάσει τη μέθοδο παρακολούθησης και ελέγχου των εκπομπών των οχημάτων μέσω της αξιοποίησης της επιστήμης της τηλεπισκόπησης. Η πιο ευρέως γνωστή μέθοδος δοκιμής εκπομπών οχημάτων κατά τη χρήση χρησιμοποιεί ένα φορητό σύστημα μέτρησης εκπομπών ή PEMS. Αυτό περιλαμβάνει δειγματοληψία και ανάλυση της εξάτμισης με εξοπλισμό τοποθετημένο σε ένα μεμονωμένο όχημα καθώς κυκλοφορεί πάνω από το δρόμο ή σε κλειστή διαδρομή, και παράγει λεπτομερή, ανά δευτερόλεπτο, καταγραφή των εκπομπών από αυτό το μεμονωμένο όχημα. Το PEMS χρησιμοποιείται ευρέως από ερευνητές και διαδραμάτισε βασικό ρόλο στην ανίχνευση εκτεταμένης φοροδιαφυγής και παραβίασης των κανονισμών εκπομπών οχημάτων από τους κατασκευαστές και έχει ενσωματωθεί στα πρωτόκολλα δοκιμών πιστοποίησης τόσο για βαρέα όσο και για ελαφρά οχήματα. Είναι όμως χρονοβόρο και ακριβό. Για αυτούς και άλλους λόγους, το PEMS δεν είναι εγγενώς κατάλληλο για την παρακολούθηση και την επιτήρηση του στόλου. Η τηλεπισκόπηση ως μέσο μέτρησης των εκπομπών μηχανοκίνητων οχημάτων είναι λιγότερο γνωστή, αν και είναι μια καθιερωμένη ερευνητική τεχνική σε αυτόν τον τομέα καθώς και σε άλλους. Σε σύγκριση με τη δοκιμή PEMS είναι λιγότερο δαπανηρή τόσο σε χρόνο όσο και σε χρήμα. Η διακριτική ("απομακρυσμένη") φύση της τεχνικής την καθιστά κατάλληλη για την παρακολούθηση του στόλου.
ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΤΗΛΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗΣ για την παρακολούθηση του φαινομένου
Τα συστήματα τηλεπισκόπησης χρησιμοποιούν φασματοσκόπια απορρόφησης για τη μη παρεμβατική μέτρηση των συγκεντρώσεων ρύπων στα καυσαέρια των εν χρήσει οχημάτων. Μια φωτεινή πηγή και ένας ανιχνευτής τοποθετούνται είτε δίπλα είτε πάνω από ένα οδόστρωμα, με το όργανο προσανατολισμένο έτσι ώστε η φωτεινή δέσμη που παράγεται από την πηγή να διασχίζει τα λοφία καυσαερίων των οχημάτων που διέρχονται. Οι ρύποι αλληλοεπιδρούν με το φως, επομένως η σχετική ποσότητα αυτών των ειδών που υπάρχουν στα καυσαέρια του οχήματος μπορεί να προσδιοριστεί μετρώντας πόσο φως ορισμένων μηκών κύματος απορροφάται καθώς η δέσμη φωτός διέρχεται από το λοφίο. Κάθε μέτρηση τηλεπισκόπησης διαρκεί λιγότερο από ένα δευτερόλεπτο και, όταν είναι επιτυχής, δίνει μια εκτίμηση της συγκέντρωσης των ρύπων σε σχέση με τη συγκέντρωση του CO2 στο νέφος των καυσαερίων. Τα συστήματα τηλεπισκόπησης μετρούν το μονοξείδιο του αζώτου (NO), το διοξείδιο του αζώτου (NO2), το μονοξείδιο του άνθρακα (CO), τους υδρογονάνθρακες (HC) και το διοξείδιο του άνθρακα (CO2). Οι εκπομπές σωματιδίων (PM) μετρούνται έμμεσα με χρήση αδιαφάνειας λοφίου. Οι εκπομπές διοξειδίου του θείου (SO2) και αμμωνίας (NH1) μπορούν επίσης να μετρηθούν χρησιμοποιώντας τηλεπισκόπηση. Τα δεδομένα εκπομπών είναι περιορισμένης χρησιμότητας εάν δεν μπορούν να συνδεθούν με πληροφορίες σχετικά με το όχημα από το οποίο προέρχονται, συμπεριλαμβανομένου του τρόπου λειτουργίας του οχήματος τη στιγμή της μέτρησης. Τα συστήματα τηλεπισκόπησης ενσωματώνουν πρόσθετο εξοπλισμό για την απόκτηση αυτών των πληροφοριών. Μια κάμερα καταγράφει μια εικόνα του αριθμού πινακίδας του οχήματος, η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ανάκτηση των προδιαγραφών του οχήματος (π.χ. μάρκα, μοντέλο, τύπος καυσίμου, μέγεθος κινητήρα, πρότυπο εκπομπών) από βάσεις δεδομένων καταχώρησης. Μια άλλη συσκευή μετρά την ταχύτητα και τον ρυθμό επιτάχυνσης του οχήματος, η οποία παρέχει πληροφορίες σχετικά με το φορτίο του κινητήρα του οχήματος τη στιγμή της μέτρησης των εκπομπών. Τέλος, οι αισθητήρες μετρούν τις συνθήκες περιβάλλοντος, όπως η θερμοκρασία, η πίεση και η σχετική υγρασία.
Ένα πλήρες αρχείο τηλεπισκόπησης για ένα μεμονωμένο όχημα περιέχει τις ακόλουθες πληροφορίες:
τη μέτρηση συγκέντρωσης κάθε είδους εκπομπών σε σχέση με το CO2 συγκριτικά με τη συγκέντρωση τους στον αέρα του περιβάλλοντος
τη ταχύτητα και το ρυθμό επιτάχυνσης του οχήματος
τις συνθήκες μέτρησης: χαρακτηριστικά δρόμου, θερμοκρασία και πίεση περιβάλλοντος και σχετική υγρασία
τις προδιαγραφές του οχήματος, συμπεριλαμβανομένης της μάρκας, του μοντέλου, της κατηγορίας, έτος μοντέλου, τύπος και μέγεθος αμαξώματος, τύπος καυσίμου, μέγεθος κινητήρα, πρότυπο εκπομπών, τιμή CO₂ έγκρισης τύπου και μάζα άδειας οχήματος
Οι ερευνητές επισημαίνουν μέσω του άρθρου πως υπάρχουν δύο κύριοι προμηθευτές εξοπλισμού τηλεπισκόπησης και υπηρεσιών δοκιμών στις Ηνωμένες Πολιτείες και την Ευρωπαϊκή Ένωση: η Hager Environmental and Atmospheric Technologies (HEAT) και η Opus Inspection. Κάθε μία από αυτές τις εταιρείες έχει αναπτύξει συστήματα τηλεπισκόπησης που ακολουθούν τις γενικές αρχές που περιγράφονται παραπάνω. Ωστόσο, υπάρχουν σημαντικές διαφορές στις προσεγγίσεις μέτρησης που εφαρμόζουν οι δύο εταιρείες. Η πιο εύκολα εμφανής διαφορά μεταξύ των δύο, που απεικονίζεται στο Σχήμα 1, είναι η τοποθέτηση της φωτεινής πηγής και των μονάδων ανιχνευτή σε σχέση με το οδόστρωμα. Το όργανο Opus, το RSD5000, εφαρμόζει μια γεωμετρία κατά μήκος του δρόμου, όπου το όργανο τοποθετείται στο πλάι του δρόμου και η φωτεινή δέσμη διασχίζει οριζόντια το λοφίο της εξάτμισης. Αντίθετα, το όργανο τηλεπισκόπησης HEAT EDAR είναι τοποθετημένο πάνω από ένα οδόστρωμα με τη φωτεινή δέσμη να περνά κατακόρυφα μέσα από τα στόμια εξάτμισης των οχημάτων δοκιμής. Από πρακτική άποψη, η γεωμετρία από πάνω προς τα κάτω του οργάνου EDAR διευκολύνει τη διενέργεια μετρήσεων σε τοποθεσίες με πολλές λωρίδες και καθιστά τη μέτρηση λιγότερο ευαίσθητη στο ύψος και τον προσανατολισμό της εξάτμισης του οχήματος δοκιμής. Από την άλλη πλευρά, η τοποθέτηση στο δρόμο και η εύκολη μεταφορά του RSD5000 υποστηρίζουν σχετικά γρήγορη εγκατάσταση και αυξάνουν την ευελιξία ανάπτυξης του οργάνου. Το όργανο HEAT EDAR διακρίνεται περαιτέρω από το Opus RSD5000 στη χρήση λέιζερ ως πηγή φωτός. Το λέιζερ σαρώνεται σε όλο το πλάτος του οδοστρώματος, επιτρέποντας τη μέτρηση ολόκληρου του νέφους εξάτμισης του οχήματος.
ΑΝΑΛΥΣΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΤΗΛΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗΣ
Σε σύγκριση με μια δοκιμή PEMS, μια μεμονωμένη εγγραφή τηλεπισκόπησης παρέχει περιορισμένο αριθμό δεδομένων σχετικά με τις επιδόσεις εκπομπών ενός οχήματος. Το δείγμα τηλεπισκόπησης διαρκεί λιγότερο από 1 δευτερόλεπτο και οι μετρούμενες εκπομπές είναι αντιπροσωπευτικές μιας μεμονωμένης κατάστασης οδήγησης, όπως ορίζεται από την ταχύτητα και την επιτάχυνση του οχήματος και τον βαθμό δρόμου. Η δοκιμή τηλεπισκόπησης είναι συγκρίσιμη με δεδομένα αξίας ενός δευτερολέπτου από μια δοκιμή PEMS, η οποία μπορεί να διαρκέσει έως και αρκετές ώρες. Το μικρό μήκος δοκιμής θα πρέπει να θεωρείται ως χαρακτηριστικό της μεθόδου τηλεπισκόπησης και όχι ως περιορισμός. Η προσέγγιση επιτρέπει τη μέτρηση των πραγματικών εκπομπών από έναν πολύ μεγάλο αριθμό οχημάτων σε σύντομο χρονικό διάστημα και με οικονομικά αποδοτικό τρόπο. Ένα μόνο όργανο τηλεπισκόπησης μπορεί να μετρήσει τις εκπομπές χιλιάδων οχημάτων κάθε μέρα. Ενώ κάθε μεμονωμένη μέτρηση είναι μόνο ένα στιγμιότυπο των εκπομπών από ένα μόνο όχημα, το συνολικό δείγμα μπορεί να παρέχει λεπτομερείς πληροφορίες για τις εκπομπές όχι μόνο από τον μετρούμενο στόλο αλλά και από συγκεκριμένες υποομάδες εντός αυτού. Εάν οι μετρήσεις τηλεπισκόπησης πραγματοποιούνται σε πολλές τοποθεσίες σε μια αστική περιοχή ή ακόμα και σε τοποθεσίες σε διαφορετικές γεωγραφικές περιοχές με παρόμοιους στόλους οχημάτων, το συνδυασμένο σύνολο δεδομένων μπορεί να προσφέρει μια πλούσια προοπτική για τις πραγματικές επιδόσεις εκπομπών σε μια σειρά συνθηκών οδήγησης και περιβάλλοντος . Το αποτέλεσμα μιας μέτρησης τηλεπισκόπησης είναι η συγκέντρωση ενός δεδομένου ρύπου στο στόμιο εξάτμισης του υπό δοκιμή οχήματος σε σχέση με το CO, συγκέντρωση στα καυσαέρια. Αυτή η τιμή τυπικά μετατρέπεται σε ειδικό συντελεστή εκπομπής καυσίμου, ο οποίος είναι ένα μέτρο της μάζας του ρύπου που εκπέμπεται από το όχημα ανά μάζα καυσίμου που καίγεται (γραμμάρια ανά κιλό καυσίμου, g/kg). Αναπτύχθηκαν μέθοδοι για την περαιτέρω μετατροπή των ειδικών για το καύσιμο συντελεστών εκπομπών σε ρυθμούς εκπομπών ειδικών για την απόσταση (γραμμάρια ανά χιλιόμετρο, g/km) προκειμένου να γίνει σύγκριση με τα ρυθμιστικά όρια και τα μοντέλα συντελεστών εκπομπών. Μέχρι στιγμής, αυτές οι μέθοδοι έχουν εφαρμοστεί μόνο σε συγκεντρωτικά δείγματα εγγραφών τηλεπισκόπησης για συγκεκριμένες ομάδες οχημάτων, όχι σε μεμονωμένα δείγματα οχημάτων. Οι περισσότερες αναλύσεις δεδομένων τηλεπισκόπησης συγκεντρώνουν μεμονωμένα αρχεία εκπομπών οχημάτων για την αξιολόγηση των εκπομπών για συγκεκριμένες ομάδες οχημάτων. Αυτές οι ομαδοποιήσεις μπορούν, για παράδειγμα, να είναι ανά τύπο οχήματος, τύπο καυσίμου, πιστοποιημένο πρότυπο εκπομπών και/ή έτος μοντέλου, κατασκευαστή και μοντέλο ή οικογένεια οχημάτων. Εάν υπάρχουν επαρκή δεδομένα, μπορεί να πραγματοποιηθεί περαιτέρω ανάλυση του τρόπου με τον οποίο οι εκπομπές για κάθε υποομάδα ποικίλλουν ανάλογα με το φορτίο του κινητήρα ή τη θερμοκρασία περιβάλλοντος. Γενικά, όσο πιο λεπτός είναι ο βαθμός ευκρίνειας της ανάλυσης, τόσο περισσότερα δεδομένα τηλεπισκόπησης απαιτούνται για την παροχή στατιστικά ισχυρών αποτελεσμάτων.
ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΗΛΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗΣ
Επειδή η τηλεπισκόπηση επιτρέπει στους ερευνητές να συλλέγουν οικονομικά δεδομένα εκπομπών από μια σειρά οχημάτων, μπορεί να συμβάλει σε διάφορα προγράμματα, πολιτικές και αποφάσεις που σχετίζονται με την ποιότητα του αέρα.
Προσδιορισμός μεμονωμένων υψηλών ή χαμηλών εκπομπών
Η τηλεπισκόπηση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον εντοπισμό οχημάτων που κατά πάσα πιθανότητα έχουν είτε ελαττωματικό σύστημα ελέγχου εκπομπών είτε κάποιο που έχει παραβιαστεί. Ομοίως, η τηλεπισκόπηση μπορεί να αναγνωρίσει οχήματα στα οποία, κατά πάσα πιθανότητα, το σύστημα ελέγχου εκπομπών λειτουργεί σωστά και πλήρως. Αυτή η δυνατότητα θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για διάφορους σκοπούς, όπως η υποστήριξη και η βελτίωση της ακρίβειας και κάλυψης υφιστάμενων προγραμμάτων περιοδικής τεχνικής επιθεώρησης (PTI), η υποστήριξη προγραμμάτων οδικής επιθεώρησης ή η υποστήριξη ενός "προγράμματος καθαρής οθόνης που επιτρέπει στους οδηγούς να παρακάμπτουν τις περιοδικές εκπομπές καυσαερίων δοκιμής πιστοποίησης με την επαλήθευση ότι οι εκπομπές του οχήματός τους βρίσκονται εντός ενός ορίου.
Βελτίωση των μοντέλων εκπομπών ρύπων και ποιότητας αέρα
Η τηλεπισκόπηση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία πραγματικών παραγόντων εκπομπών σε πολλά επίπεδα ευαισθησίας ανάλογα με τη διαθεσιμότητα δεδομένων. Παράγοντες εκπομπών μπορεί να είναι οι εξής: ο τύπος οχήματος (π.χ. ελαφρύ ή βαρέως τύπου), ο τύπος καυσίμου (π.χ. βενζίνη ή ντίζελ), πρότυπο εκπομπών (π.χ. Euro 5 ή Euro 6), ο κατασκευαστής (π.χ. Volkswagen ή Renault), η οικογένεια οχημάτων (όλα τα οχήματα με τον ίδιο κινητήρα) ή μοντέλο οχήματος. Οι πραγματικοί παράγοντες εκπομπών θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν ως στοιχεία εισόδου σε διάφορα μοντέλα εκπομπών, εργαλεία πρόβλεψης ποιότητας αέρα ή μοντέλα κυκλοφορίας και θα επέτρεπαν σημαντική βελτίωση στην ακρίβεια των εκροών τέτοιων μοντέλων.
Καθοδήγηση νέων πολιτικών
Τοπικές, περιφερειακές, εθνικές και σε επίπεδο Ευρωπαϊκής Ένωσης αρχές εργάζονται για την ανάπτυξη ή τη βελτίωση πολιτικών που θα μπορούσαν να επεξεργάζονται καλύτερα τα δεδομένα που λαμβάνονται από την τηλεπισκόπηση. Για παράδειγμα, οι πόλεις που εξετάζουν την εφαρμογή ζώνης χαμηλών εκπομπών ή απαγόρευσης οχημάτων θα μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν τα δεδομένα για να προβλέψουν την αποτελεσματικότητα διαφορετικών επαναλήψεων πολιτικής. Ομοίως, οι κυβερνήσεις που εξετάζουν ένα πρόγραμμα απόσυρσης και αντικατάστασης οχημάτων θα μπορούσαν να προσδιορίσουν τους στόχους οχημάτων με τις υψηλότερες εκπομπές, για μέγιστο αντίκτυπο. Οι υπεύθυνοι χάραξης πολιτικής που αναπτύσσουν κανονισμούς εκπομπών για νέα οχήματα μπορούν να χρησιμοποιήσουν δεδομένα πραγματικού κόσμου για να εντοπίσουν περιορισμούς ή ελαττώματα σε υφιστάμενους κανονισμούς.
Παρακολούθηση της αποτελεσματικότητας της πολιτικής.
Τα δεδομένα τηλεπισκόπησης μπορούν να βοηθήσουν στον προσδιορισμό του εάν οι πολιτικές παράγουν τα επιδιωκόμενα αποτελέσματά τους, π.χ. εάν το σχέδιο χρέωσης συμφόρησης/τοξικότητας μιας πόλης έχει οδηγήσει σε μετρήσιμη μείωση της ρύπανσης.
Παρακολούθηση της αποτελεσματικότητας των τεχνολογιών που προωθούνται
Τα δεδομένα τηλεπισκόπησης μπορούν να βοηθήσουν στον προσδιορισμό του εάν οι τεχνολογίες προάγουν και επιτυγχάνουν τα επιδιωκόμενα αποτελέσματα τους, δηλαδή επιδιώκεται ο έλεγχος της αποτελεσματικότητας των τεχνολογιών στον πραγματικό κόσμο και του τρόπου με τον οποίο αυτές αλλάζει με το χρόνο.
Αποτελεσματικό έλεγχο ολόκληρου του στόλου
Η τηλεπισκόπηση μπορεί να χρησιμοποιηθεί από δημόσιους ή ιδιωτικούς ιδιοκτήτες στόλου να παρακολουθούν την «υγεία» του στόλου τους. Ένας ιδιοκτήτης στόλου θα μπορούσε, για παράδειγμα, να δημιουργήσει ένα σύστημα απομακρυσμένης ανίχνευσης για δειγματοληψία της εξάτμισης του οχήματος για πολλές ημέρες, εβδομάδες ή μήνες και να χρησιμοποιήσει τα δεδομένα για τον εντοπισμό υψηλών εκπομπών που πρέπει να επισκευαστούν ή να αντικατασταθούν.
Κατανόηση του αντίκτυπου συγκεκριμένων συνθηκών οδήγησης
Συνθήκες οδήγησης όπως : το είδος του οχήματος, η ταχύτητα, η θερμοκρασία περιβάλλοντος, το υψόμετρο και ο βαθμός του δρόμου επηρεάζουν τις πραγματικές εκπομπές ρύπων. Μερικές πόλεις ή περιοχές μπορεί να έχουν συγκεκριμένες συνθήκες οδήγησης—για παράδειγμα, πιο απότομες κατηγορίες, πιο ακραίες θερμοκρασίες ή υψηλότερο υψόμετρο—που προκαλούν το προφίλ εκπομπών εκεί να διαφέρει από τον μέσο όρο. Η τηλεπισκόπηση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον προσδιορισμό κάθε είδους οδήγησης και να το συνδυάσει με τις εκπομπές των αερίων ρύπων.
Σύνδεση με τις αποφάσεις της αγοράς
Η τηλεπισκόπηση παρέχει βασικές πληροφορίες για κάθε είδος οχήματος και για κάθε μοντέλο οχήματος. Οι πληροφορίες σχετικά με τις πραγματικές εκπομπές μιας συγκεκριμένης μάρκας και μοντέλου οχήματος μπορούν να επηρεάσουν τις αποφάσεις αγοράς τόσο μικρών (σε επίπεδο μεμονωμένου καταναλωτή) όσο και μεγάλων (π.χ. στόλοι δημοτικών λεωφορείων).
