徐舜吉 倪訓(xùn)鵬 張 劍 張亞朋

一、背景

航運(yùn)尾氣排放污染已成為繼機(jī)動(dòng)車尾氣污染、工業(yè)企業(yè)排放之后第三大大氣污染來源。我國港口多集中在長三角、珠三角、環(huán)渤海等人口稠密地區(qū)，致癌廢氣籠罩港口城市，給當(dāng)?shù)鼐用駧砭薮笪：Γ哟蠛竭\(yùn)污染治理力度刻不容緩。來自深圳環(huán)境科學(xué)研究院的測(cè)算數(shù)據(jù)顯示，一艘燃油硫含量3.5%的中大型集裝箱船，以70%最大功率的負(fù)荷24小時(shí)航行，其一天排放的PM2.5相當(dāng)于21萬輛國四重貨車。2010年至2017年間，上海港集裝箱吞吐量逐年上升，穩(wěn)居世界第一；貨物吞吐量總體保持上升趨勢(shì)，僅次于寧波-舟山港，居世界第二。船舶尾氣排放的污染物對(duì)上海及長三角港口城市群的空氣質(zhì)量影響會(huì)越發(fā)顯著。船舶排放的SOx、NOx和PM2.5密集區(qū)主要分布在長江口和杭州灣水域，洋山深水港、寧波北侖港和上海北部航道排放量較大。船舶及港口污染是影響城市及區(qū)域空氣質(zhì)量的“主要元兇”之一。主要排放物SOx易溶于水形成酸雨，加劇大氣污染，嚴(yán)重危害人體健康。

設(shè)立排放控制區(qū)是控制船舶大氣污染的一種重要手段，可以有效減少控制區(qū)內(nèi)的污染物排放，減緩船舶排放對(duì)周邊地區(qū)大氣環(huán)境的影響。為貫徹實(shí)施《中華人民共和國大氣污染防治法》（2015年8月29日修訂通過，自2016年1月1日起實(shí)施），交通運(yùn)輸部印發(fā)了《珠三角、長三角、環(huán)渤海（京津冀）水域船舶排放控制區(qū)實(shí)施方案》，并于2016年1月1日起正式施行。該方案要求，自2016年1月1日起，排放控制區(qū)內(nèi)有條件的港口，可以實(shí)施高于現(xiàn)行排放控制要求的措施，包括船舶靠岸停泊期間使用硫含量不高于0.5%的燃油。自2017年起，船舶在排放控制區(qū)內(nèi)的核心港口區(qū)域靠岸停泊期間（靠港后的1小時(shí)和離港前的1小時(shí)除外），應(yīng)使用硫含量不高于0.50%的燃油。2018年起，這一要求擴(kuò)大至排放控制區(qū)內(nèi)所有港口內(nèi)靠岸停泊的船舶。2018年11月30日，交通運(yùn)輸部發(fā)布《船舶大氣污染物排放控制區(qū)實(shí)施方案》，于2019年1月1日生效實(shí)施，排放控制區(qū)新政將排放控制區(qū)的范圍擴(kuò)展到全國沿海水域和長江、西江干線水域，同時(shí)對(duì)燃油硫含量的控制更加嚴(yán)格。

船舶排放控制區(qū)政策和效果的落地，需要強(qiáng)有力的監(jiān)管手段作為保障。目前海事部門主要通過現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)法過程中的對(duì)燃油質(zhì)量、供受油單證、記錄文書等控制區(qū)相關(guān)要求內(nèi)容的檢查，并視情況進(jìn)行燃油取樣檢測(cè)的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)排放控制區(qū)船舶燃油硫含量的監(jiān)管，存在檢查目標(biāo)比較隨機(jī)、針對(duì)性不強(qiáng)、效率相對(duì)較低等缺點(diǎn)。如何充分利用最新的科技成果，自動(dòng)識(shí)別使用硫含量超標(biāo)燃油的嫌疑船舶，指導(dǎo)海事現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)法，急需進(jìn)行相關(guān)研究。本文通過對(duì)基于無人機(jī)的移動(dòng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)的研究分析，嘗試?yán)米钚碌目萍汲晒七M(jìn)船舶排放控制區(qū)各項(xiàng)政策的落實(shí)和船舶減排目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

二、無人機(jī)在行業(yè)應(yīng)用中的現(xiàn)狀分析

（一）無人機(jī)在環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用

無人機(jī)因其經(jīng)濟(jì)、便攜和易操作等優(yōu)勢(shì)，目前在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域已經(jīng)大量應(yīng)用。在環(huán)保領(lǐng)域應(yīng)用最多的是無人機(jī)搭載可見光相機(jī)，但可見光相機(jī)對(duì)大氣污染物的觀測(cè)僅停留在拍照、視頻階段，缺乏精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為支撐，并受光照、雨霧、攝像頭低分辨率等因素的影響，只能對(duì)污染濃度較大的可見性污染源（如黑煙囪、秸稈焚燒等）進(jìn)行監(jiān)控。

此外，在環(huán)保領(lǐng)域還有搭載紅外熱像儀的無人機(jī)，可使無人機(jī)在夜間條件下進(jìn)行監(jiān)測(cè)，熱像儀的熱分布可視化、測(cè)溫等特性能夠有效地發(fā)現(xiàn)夜間生產(chǎn)的排污企業(yè)，可作為遏制夜間偷排的一種手段。但熱像儀受環(huán)境條件的影響過大，且不同種類企業(yè)的熱分布形式不同，排放溫度與排放量沒有必然的關(guān)聯(lián)，相關(guān)模型復(fù)雜，需較長時(shí)間比對(duì)和監(jiān)測(cè)才能得出檢測(cè)結(jié)論，難以滿足環(huán)境監(jiān)測(cè)的迫切需求。

（二）無人機(jī)在船舶尾氣監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用

目前歐洲許多國家在排放控制區(qū)監(jiān)管方面已經(jīng)開始使用“固定翼飛機(jī)+氣體傳感器”的監(jiān)測(cè)手段，即通過固定翼飛機(jī)搭載多種因子的高精度氣體檢測(cè)傳感器或氣體采集裝置，在排放控制區(qū)內(nèi)對(duì)船舶尾氣進(jìn)行監(jiān)測(cè)。丹麥、比利時(shí)、德國等國家已經(jīng)運(yùn)用此種手段成功抓到多起使用燃油硫含量超標(biāo)、違法排放尾氣的船舶。目前，丹麥等國正在研究通過“無人機(jī)+氣體傳感器”對(duì)船舶尾氣進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

我國在利用“無人機(jī)+氣體傳感器”平臺(tái)進(jìn)行排放控制區(qū)尾氣監(jiān)測(cè)方面與歐洲基本處于同一起跑線，目前的研究已經(jīng)取得了比較明顯的成果。本文即是通過“無人機(jī)+氣體傳感器”模式，探索基于無人機(jī)的船舶尾氣移動(dòng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)建設(shè)的可行性。

三、無人機(jī)移動(dòng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)的構(gòu)建

（一）基本原理

無人機(jī)移動(dòng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)的構(gòu)建主要是利用無人機(jī)搭載尾氣監(jiān)測(cè)吊艙。目前，常用的尾氣監(jiān)測(cè)裝置有兩種：一種是使用嗅探器技術(shù)的尾氣監(jiān)測(cè)吊艙，在船舶廢氣煙羽的下風(fēng)向利用提取設(shè)備（嗅探器）測(cè)量SO2（ppb）和CO2（ppm）的比值，以此獲得燃油硫含量（%）。嗅探器分為一般嗅探器和微型嗅探器兩種，搭載平臺(tái)可為橋梁等岸基和無人機(jī)、直升機(jī)、固定翼飛機(jī)等飛行設(shè)備（微型嗅探器搭載平臺(tái)僅為旋翼機(jī)），對(duì)于0～0.2%燃油硫含量（FSC）的精確度為±0.1%（當(dāng)NOx濃度不高于0.05%時(shí)）。另一種是光學(xué)傳感尾氣監(jiān)測(cè)吊艙，通過測(cè)量SO2和NO2對(duì)光（如陽光）的吸收推算燃料硫含量（%），一般為岸基遙測(cè)，受船舶工況和環(huán)境能見度影響較大，可測(cè)燃油含硫量范圍為0.1%～1%，目前德國在使用，與嗅探器技術(shù)形成互補(bǔ)。

使用嗅探技術(shù)的尾氣監(jiān)測(cè)吊艙具有體積小、便于無人搭載等特性，且光學(xué)傳感技術(shù)需要當(dāng)時(shí)大氣的背景值，所以對(duì)周圍空氣環(huán)境有質(zhì)量要求，在污染源較多的環(huán)境下測(cè)試結(jié)果的精度會(huì)大大降低。因此，無人機(jī)搭載使用嗅探器技術(shù)的尾氣監(jiān)測(cè)吊艙，在實(shí)際應(yīng)用中更為可行。

尾氣監(jiān)測(cè)吊艙可以采集船舶尾氣煙羽中的SO2和CO2。研究表明，在船用燃油或柴油中碳含量約為87%。在發(fā)動(dòng)機(jī)理想的工況下，其中的碳和硫全部燃燒分別轉(zhuǎn)化為CO2和SO2，則燃油中的硫含量可用式（1）計(jì)算：

其中：SFC為燃油中的硫含量，A（S）為硫的相對(duì)原子質(zhì)量，A（C）為碳的相對(duì)原子質(zhì)量。

通過式（1）計(jì)算得到燃油中硫含量的數(shù)據(jù)，即可以為執(zhí)法人員執(zhí)法提供依據(jù)，提高執(zhí)法效率，解決在航船的燃油使用監(jiān)管問題。

（二）系統(tǒng)組成（見圖1）

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

1.無人機(jī)平臺(tái)的選型

目前，結(jié)合外高橋港區(qū)的風(fēng)速、無人機(jī)需要搭載的吊艙重量和無人機(jī)的續(xù)航能力，我們選取了大疆M600pro。該無人機(jī)平臺(tái)是由主飛行器模塊、云臺(tái)相機(jī)模塊、鋰電池模塊、地面遙控器模塊、運(yùn)輸箱模塊和軟件系統(tǒng)組成。使用時(shí)可以將尾氣檢測(cè)設(shè)備掛載于無人機(jī)機(jī)架下，并在系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)通過無人機(jī)的遙控器控制無人機(jī)監(jiān)測(cè)的位置，同時(shí)無人機(jī)的機(jī)載相機(jī)可以將拍攝到的現(xiàn)場(chǎng)畫面?zhèn)鬏斨吝b控器端地面監(jiān)視器。

2.氣體檢測(cè)吊艙的配置

船舶尾氣監(jiān)測(cè)吊艙系統(tǒng)主要由尾氣傳感模組、供電系統(tǒng)、吊艙外殼、尾氣數(shù)據(jù)控制、處理與傳輸系統(tǒng)、GPS模組、無人機(jī)控制端軟件系統(tǒng)以及服務(wù)器端軟件系統(tǒng)組成。使用時(shí)用戶可以將船舶尾氣監(jiān)測(cè)吊艙系統(tǒng)掛載于無人機(jī)機(jī)架下，并在系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)在無人機(jī)的遙控器端通過GSM方式控制監(jiān)測(cè)吊艙系統(tǒng)的部分工作狀態(tài)，同時(shí)船舶尾氣監(jiān)測(cè)吊艙系統(tǒng)將監(jiān)測(cè)所得的尾氣監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及GPS數(shù)據(jù)等通過GPRS傳輸至數(shù)據(jù)服務(wù)器端。

3.數(shù)據(jù)處理和展示

數(shù)據(jù)處理和展示系統(tǒng)整體分為兩層結(jié)構(gòu)：數(shù)據(jù)處理層和數(shù)據(jù)表示層。

數(shù)據(jù)處理層。數(shù)據(jù)處理層主要實(shí)現(xiàn)以下兩個(gè)功能模塊：（1）接收、解析并存儲(chǔ)AIS和氣體檢測(cè)信息。（2）融合船舶和吊艙系統(tǒng)的GPS 信息，識(shí)別對(duì)應(yīng)船舶的尾氣濃度。

數(shù)據(jù)表示層。數(shù)據(jù)表示層利用WebGIS技術(shù)，將船舶與吊艙設(shè)備制作成地圖符號(hào)，在地圖界面上動(dòng)態(tài)渲染檢測(cè)信息。

（三）影響因素分析

1.如何準(zhǔn)確識(shí)別煙羽

為準(zhǔn)確測(cè)量尾氣中SO2和CO2的數(shù)值，首先需要定位尋找煙羽位置。目前，歐洲常用的識(shí)別煙羽的方法是在尾氣吊艙中加裝NO傳感器，由于空氣中不含NO，如果傳感器測(cè)得NO的數(shù)值，即表示進(jìn)入船舶尾氣煙羽中。但是，由于上海港轄區(qū)船舶流量大，相鄰船舶較多，不能準(zhǔn)確判斷NO來自于哪一船舶。為此，需使用紅外攝像機(jī)作為輔助設(shè)備，利用熱成像原理，識(shí)別船舶尾氣煙羽。

2.旋翼會(huì)擾動(dòng)氣流，對(duì)結(jié)果有影響

無人機(jī)在飛行過程中，旋翼旋轉(zhuǎn)會(huì)對(duì)周圍的氣體產(chǎn)生影響，為了盡可能減少旋翼旋轉(zhuǎn)對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，需要將尾氣監(jiān)測(cè)吊艙收集氣體的管路延伸到距離無人機(jī)較遠(yuǎn)的位置，盡可能減少旋翼對(duì)尾氣濃度分布的影響。

3.磁場(chǎng)對(duì)無人機(jī)的干擾，影響無人機(jī)的飛行安全

無人機(jī)在飛行過程中，主要依賴指南針進(jìn)行定位分辨方向。但是，由于監(jiān)測(cè)位置在碼頭前沿水域或航道中，且船舶本身有各類通信設(shè)備，無人機(jī)經(jīng)常會(huì)受到各類磁場(chǎng)干擾，對(duì)無人機(jī)的飛行安全產(chǎn)生影響。因此，無人機(jī)需要加裝防電磁干擾設(shè)備，保障其能夠適應(yīng)在復(fù)雜環(huán)境下的工作。

四、無人機(jī)移動(dòng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)應(yīng)用效果分析

根據(jù)先易后難的順序，先使用無人機(jī)移動(dòng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)對(duì)靠泊碼頭船舶進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，同時(shí)配合執(zhí)法人員登輪取樣，所得數(shù)據(jù)如表1所示。

從表1中可以看出，使用無人機(jī)測(cè)量在碼頭靠泊船舶尾氣中的SO2和CO2的濃度，測(cè)算船舶使用燃油硫含量數(shù)值和船舶實(shí)際使用燃油硫含量數(shù)值相比誤差較小，基本在10%范圍以內(nèi)。

對(duì)靠泊船舶測(cè)試成功后，使用無人機(jī)在航道中對(duì)在航船舶進(jìn)行多次監(jiān)測(cè)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。

表1 碼頭靠泊船舶硫含量檢測(cè)對(duì)比表 ppm

圖2和圖3分別是對(duì)使用硫含量超標(biāo)燃油的在航船舶“榮海98”輪和“錦昌茂”輪進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，后臺(tái)數(shù)據(jù)庫中顯示的SO2和CO2在空氣中濃度的歷史變化曲線圖。從圖中我們可以看出當(dāng)無人機(jī)進(jìn)入船舶煙羽時(shí)，SO2和CO2的濃度會(huì)有明顯的升高趨勢(shì)，選取有效數(shù)值和背景值進(jìn)行計(jì)算，即可推算出燃油中的硫含量。

圖2 “榮海98”輪尾氣中SO2和CO2濃度

圖3 “錦昌茂”輪尾氣中SO2和CO2濃度

通過監(jiān)測(cè)船舶尾氣中的SO2和CO2的濃度，推算所用燃油中硫含量數(shù)據(jù)，并和實(shí)際燃油檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 在航船舶硫含量測(cè)試對(duì)比表 ppm

從表2中可以看出，使用無人機(jī)監(jiān)測(cè)船舶尾氣中SO2和CO2的濃度，經(jīng)測(cè)算判定在航使用硫含量超標(biāo)燃油的船舶，確實(shí)為超標(biāo)船舶。但是，其所測(cè)算的燃油硫含量數(shù)值和檢測(cè)油樣所得數(shù)值差值較大。

對(duì)比表1和表2，無人機(jī)監(jiān)測(cè)在航船舶使用燃油硫含量的數(shù)值與實(shí)際值有較大差距，而監(jiān)測(cè)靠泊在碼頭的船舶誤差較小。經(jīng)調(diào)查和分析，發(fā)現(xiàn)使用無人機(jī)檢測(cè)在航船舶尾氣時(shí)，如果監(jiān)測(cè)到燃油硫含量超標(biāo)會(huì)通知船舶去錨地錨泊待檢，船舶從被發(fā)現(xiàn)地到錨泊，需要航行一段時(shí)間，在這段時(shí)間船方為了逃避處罰會(huì)換油，甚至?xí)氡M一切辦法從供油管系中泄放高硫燃油，因此所取油樣的硫含量會(huì)比無人機(jī)監(jiān)測(cè)所得硫含量低很多。

五、無人機(jī)移動(dòng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)應(yīng)用中存在的問題

（一）如何將測(cè)試結(jié)果與執(zhí)法過程相結(jié)合

目前，各類大氣監(jiān)測(cè)傳感器對(duì)氣體濃度的檢測(cè)已經(jīng)十分成熟，尤其在實(shí)驗(yàn)室無干擾的情況下測(cè)試結(jié)果非常準(zhǔn)。但是，由于海事監(jiān)管船舶的特殊性，僅僅得到空氣中的數(shù)據(jù)，對(duì)海事監(jiān)管作用不大。監(jiān)測(cè)船舶尾氣中SO2和CO2的濃度，主要是為了推算燃油中的硫含量，為執(zhí)法人員執(zhí)法提供依據(jù)，監(jiān)測(cè)尾氣最終的落腳點(diǎn)是為了推算轄區(qū)船舶使用燃油硫含量的情況。因此，如何更準(zhǔn)確地將空氣中的SO2和燃油中的硫含量建立映射關(guān)系，針對(duì)映射后的計(jì)算結(jié)果設(shè)定報(bào)警閾值，保障既能夠提高執(zhí)法人員執(zhí)法效率，又能盡量不影響船舶正常作業(yè)是目前需要著重攻克的難點(diǎn)。

（二）處理數(shù)據(jù)需考慮各類干擾因素

無人機(jī)在船舶上空飛行，監(jiān)測(cè)到的氣體數(shù)據(jù)不一定全部來自于該船舶。高空大氣環(huán)流復(fù)雜，同時(shí)還存在無人機(jī)氣流擾動(dòng)等的影響，污染物擴(kuò)散模型難以建立，要做到對(duì)船舶尾氣濃度分布和區(qū)域污染物時(shí)空分布快速反演并非易事。因此想要排除各類干擾項(xiàng)，使測(cè)試數(shù)據(jù)更加精確，還需要做大量工作。

（三）使用無人機(jī)監(jiān)測(cè)大氣沒有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

國家對(duì)環(huán)保監(jiān)測(cè)的方法和標(biāo)準(zhǔn)有嚴(yán)格的規(guī)定，與大氣相關(guān)的技術(shù)規(guī)范已經(jīng)很成熟，無人機(jī)屬于新鮮事物，自身的標(biāo)準(zhǔn)仍未確定，使用無人機(jī)進(jìn)行氣體監(jiān)測(cè)更沒有標(biāo)準(zhǔn)。沒有標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，就沒有依據(jù)，因此目前無人機(jī)監(jiān)測(cè)所獲得的數(shù)據(jù)只能夠作為參考佐證或科研數(shù)據(jù)，并不能直接用于執(zhí)法證據(jù)。

六、對(duì)策措施

（一）建立分級(jí)報(bào)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)分級(jí)目標(biāo)管理

在現(xiàn)階段數(shù)據(jù)量不夠大、映射關(guān)系不完善的情況下，為了滿足執(zhí)法要求，根據(jù)已有數(shù)據(jù)和映射關(guān)系，可以建立分級(jí)報(bào)警系統(tǒng)，不同的報(bào)警級(jí)別表示船舶使用燃油硫含量超標(biāo)的不同概率，執(zhí)法人員可以根據(jù)報(bào)警級(jí)別不同，合理分配執(zhí)法力量。“無人機(jī)+氣體監(jiān)測(cè)+分級(jí)報(bào)警系統(tǒng)”可部分實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控區(qū)域內(nèi)污染物動(dòng)態(tài)變化，快速捕捉污染源的異常排放行為，助力執(zhí)法人員實(shí)現(xiàn)差異化管理和分級(jí)目標(biāo)管理。

（二）建立多平臺(tái)數(shù)據(jù)比對(duì)系統(tǒng)，排除環(huán)境干擾

無人機(jī)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)由于受到多種環(huán)境因素干擾，會(huì)產(chǎn)生不確定性。解決此類問題，需要與岸基監(jiān)測(cè)點(diǎn)、遙感設(shè)備、大氣環(huán)境等多平臺(tái)數(shù)據(jù)比對(duì)、校準(zhǔn)，并建立大數(shù)據(jù)平臺(tái)和相關(guān)數(shù)據(jù)模型進(jìn)行解析，排除干擾因素影響，測(cè)得較為準(zhǔn)確的船舶尾氣值。

（三）建議國家出臺(tái)船舶尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)

現(xiàn)階段對(duì)于船舶尾氣的監(jiān)測(cè)，只能作為執(zhí)法參考，最終還是需要執(zhí)法人員登船抽樣檢測(cè)，最后確定船舶使用燃油硫含量的數(shù)據(jù)。這一執(zhí)法手段過于煩瑣，同時(shí)此手段僅能從油品來控制尾氣對(duì)大氣的污染，缺少對(duì)于燃油使用過程的監(jiān)管。我們的最終目的是減少尾氣對(duì)大氣的污染，因此，更為直接有效的做法是在國家標(biāo)準(zhǔn)層面出臺(tái)直接對(duì)船舶尾氣排放要求的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。這樣對(duì)源頭和結(jié)果雙管齊下，才能更好地監(jiān)管船舶尾氣排放。同時(shí)，無人機(jī)對(duì)船舶尾氣的取樣方法和測(cè)量計(jì)算按照國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，其所得結(jié)果就可直接作為執(zhí)法證據(jù)。