冀青鵬，李曉波，李 珂

(1.中國船舶集團有限公司第七一一研究所，上海 201108；2.船舶與海洋工程動力系統(tǒng)國家工程實驗室，上海 201108)

1 引言

隨著全球貿(mào)易的蓬勃發(fā)展，水路運輸成為貨運的重要組成部分，而運營船舶的數(shù)量急劇增多導(dǎo)致海洋大氣污染日益嚴重，據(jù)相關(guān)統(tǒng)計海洋污染中的50%是由于水路運輸造成的，船舶航行過程中產(chǎn)生的尾氣污染，成為航運密集水域空氣污染的主要來源[1]，2019年1月1日起，《船舶大氣污染物排放控制區(qū)實施方案》將排放控制區(qū)范圍擴大到全國沿海及長江和西江干線，要求進入控制區(qū)的海船應(yīng)使用硫含量不大于0.5%的燃油，2020年1月1日起，要求全球水域航行的海船都應(yīng)使用硫含量不大于0.5%的燃油[2]。隨著排放法規(guī)的日益嚴苛，海事部門對船舶大氣污染物排放的監(jiān)測監(jiān)管壓力也隨之增大，目前海事局執(zhí)法人員所使用的監(jiān)控手段是直接登輪抽油化驗，該種方法大大降低了執(zhí)法人員的執(zhí)法效率，提高了人工成本。以上海市為例，檢測率不到0.5%。為了提高監(jiān)控效率，目前有相關(guān)基于無人機的船舶氣態(tài)污染物監(jiān)測系統(tǒng)用來監(jiān)測船舶氣態(tài)污染物，但是系統(tǒng)使用GPRS方式傳輸數(shù)據(jù)，在港口碼頭等無信號區(qū)域無法實現(xiàn)信號的傳輸。

徐舜吉等[3]采用無人機搭載氣態(tài)污染物監(jiān)測吊艙監(jiān)測船舶氣態(tài)污染物的排放并將數(shù)據(jù)使用GPRS上傳至遠程服務(wù)器，遠程服務(wù)器運行分析算法計算船舶監(jiān)測船舶的燃油含硫量，從而判斷船舶排放是否超標，該種方式使用GPRS數(shù)據(jù)流量作為數(shù)據(jù)傳輸方式，在有運營商信號的區(qū)域能較好的完成監(jiān)測任務(wù)，但是在沒有運營商信號區(qū)域無法上傳數(shù)據(jù)到遠程服務(wù)器，這對監(jiān)測有一定影響。

史華杰等[4]采用無人機監(jiān)測船舶排放，使用GPRS數(shù)據(jù)流量作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ溃瑯釉摲N通訊方式在電信運營商信號覆蓋良好的地區(qū)可以較好地傳輸數(shù)據(jù)，但是在港口近海區(qū)等地方不能正常傳輸數(shù)據(jù)，同時系統(tǒng)通過燃油燃燒實驗判定燃油含硫量，該種方式需要多樣本標定模型，才能準確獲得船舶燃油含硫量。

LoRa技術(shù)是LPWAN通信技術(shù)中的一種，是美國Semtech公司采用和推廣的一種基于擴頻技術(shù)的超遠距離無線傳輸方案[5]，LoRa無線技術(shù)作為物聯(lián)網(wǎng)“最后1 km”的接入方案，在企業(yè)物聯(lián)網(wǎng)專網(wǎng)建設(shè)方面更具有優(yōu)勢，無線網(wǎng)關(guān)在城市覆蓋距離可達2～5 km，農(nóng)村等空曠地帶可達到15 km，主要部署在居民樓小區(qū)樓頂?shù)鹊胤剑┩噶娗译姶泡椛涞?，選址靈活，可遠距離覆蓋地下室，弱強電井等地方[6]，在空曠的碼頭等地區(qū)具有應(yīng)用優(yōu)勢。

目前還沒有針對港口等特殊環(huán)境中監(jiān)測船舶氣態(tài)污染物系統(tǒng)的總體設(shè)計，導(dǎo)致監(jiān)測船舶氣態(tài)污染物成本高、效率低、精度差，因此，本文結(jié)合電子技術(shù)、電化學(xué)傳感器、氣態(tài)污染物擴散特性設(shè)計了基于無人機的船舶氣態(tài)污染物排放監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有更全面的傳感器包括氣態(tài)污染物濃度傳感器，氣象參數(shù)傳感器，定位傳感器，更加靈活的監(jiān)測方式，大大提高了船舶氣態(tài)污染物監(jiān)測的效率和精度，同時也降低了監(jiān)測的成本。

2 系統(tǒng)設(shè)計

監(jiān)測系統(tǒng)由傳感器及氣體處理系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)無人機系統(tǒng)組成，監(jiān)測船舶氣態(tài)污染物時，系統(tǒng)熱機程序完成且通信鏈路穩(wěn)定后通過無人機搭載監(jiān)測系統(tǒng)飛行至目標船舶排煙后方，無人機按照監(jiān)測路徑飛行監(jiān)測，使用計算系統(tǒng)中的控制軟件，打開空氣泵，使用控制軟件監(jiān)測目標船舶的污染物排放，查看污染物濃度曲線，確定污染物的峰值與平均值，計算出目標船舶的燃油含硫量，如果燃油含硫量超標，可以將濃度數(shù)據(jù)以及根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)傳回的GPS定位信息和第三方船舶AIS數(shù)據(jù)庫獲取目標船舶的船舶AIS數(shù)據(jù)進行保存(圖1)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

2.1 氣體處理系統(tǒng)

氣體處理系統(tǒng)為傳感器的監(jiān)測提供穩(wěn)定良好的氣體供應(yīng)和監(jiān)測環(huán)境，主要對待檢測氣體進行過濾，提供密閉的監(jiān)測氣體室。使用真空泵對密閉氣體室中的待監(jiān)測氣體進行強制對流，以達到良好的監(jiān)測實時性，由于無人機承重有限，氣體室采用3D打印完成如圖2所示，在保證緊湊性的同時最大限度減輕重量。

圖2 氣體室

2.2 傳感器系統(tǒng)

傳感器系統(tǒng)配備了NO、CO2、SO2、NO2四種氣體濃度傳感器、溫濕度傳感器、大氣壓傳感器以及定位傳感器，且根據(jù)無人機的特殊使用環(huán)境，NO、SO2、NO2氣體濃度監(jiān)測傳感器采用英國Alphasense公司的B4系列高精度電化學(xué)傳感器，CO2傳感器使用Alphasense公司的NDIR傳感器，兩種氣體濃度傳感器都具有功耗低，穩(wěn)定性高，結(jié)構(gòu)尺寸小，靈敏度高，響應(yīng)時間快的特點，適合無人機搭載監(jiān)測。溫濕度傳感器采用SENSIRION公司的SHT3X-DIS系列傳感器，大氣壓力傳感器采用BOSCH的BMP280傳感器。定位傳感器使用UBLOX公司的NEO-6M模組。

2.3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)采用STM32F7系列芯片，搭載FreeRTOS實時操作系統(tǒng)，主要用于監(jiān)測系統(tǒng)的運行流程控制，包括傳感器信號的放大與轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)的存儲，數(shù)據(jù)的發(fā)送控制指令的接收，傳感器的標定等?？刂葡到y(tǒng)以1 Hz的頻率讀取電化學(xué)傳感器以及氣壓氣溫等傳感器的值并通過標定程序?qū)鞲衅髦缔D(zhuǎn)換成實際量程值，然后通過MODBUS-RTU發(fā)送至無線LoRa通信模塊，無線LoRa模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至另一端的接收模塊中。

電化學(xué)傳感器較靈敏，傳感器原始電流較微弱，系統(tǒng)使用低噪聲放大電路對傳感器信號進行放大，避免因其他信號的干擾導(dǎo)致傳感器的不穩(wěn)定。

控制系統(tǒng)與遠程計算系統(tǒng)之間的通信作為監(jiān)測系統(tǒng)較重要的一環(huán)，其中控制系統(tǒng)將氣體濃度傳感器的監(jiān)測值通過LoRa無線模塊發(fā)送到遠程計算系統(tǒng)，同時接收遠程計算系統(tǒng)發(fā)送的指令，監(jiān)測系統(tǒng)使用了標準的MODBUS-RTU作為信息傳送的協(xié)議，在控制系統(tǒng)和計算系統(tǒng)之間完成了數(shù)據(jù)的傳遞。

2.4 計算系統(tǒng)

2.4.1 燃油含硫量的計算

燃油含硫量可以根據(jù)硫碳元素平衡的原理來計算，假設(shè)燃油中的硫碳元素完全燃燒，且全部轉(zhuǎn)換為SO2和CO2，則燃油含硫量可以使用式(1)來表示[7]。

(1)

式(1)中，F(xiàn)SC：燃油含硫量，單位%；CSO2,peak:SO2峰值；CSO2,mean:SO2背景值；CCO2,peak:CO2峰值；CCO2,mean:CO2背景值。

2.4.2 煙羽擴散仿真

船舶排放的氣態(tài)污染物經(jīng)過空氣中的擴散，污染物濃度會逐漸降低，污染物濃度逐漸降低稀釋的過程通?？梢允褂酶咚箶U散模型進行模擬[8]，高斯模型適用的前提條件，污染物濃度在y、z軸向上的分布符合高斯分布(正態(tài)分布)；在全部空間中風(fēng)速是均勻的、穩(wěn)定的；源強是連續(xù)均勻的；在擴散過程中污染物的質(zhì)量是守恒的。

(2)

式(2)中，ρ(x,y,z)空間中某一點的濃度，單位為g/m3；Q：源強，單位為g/s；ū：平均風(fēng)速，單位為m/s；σy：距遠點x煙流中污染物在y向分布的標準差，單位為m；σz：距遠點x煙流中污染物在z向分布的標準差，單位為m。

而實際上對于遠洋船來說，船舶煙囪距離海平平面一般具有10 m左右的距離，因此需要考慮排放源的高度。

(3)

使用煙羽擴散高斯模型對源排為1000×10-9的排放進行模擬計算，結(jié)果如下，由圖3可知在沿著風(fēng)向污染物濃度逐漸降低，在距離源排200 m以內(nèi)污染物濃度在50×10-9以上完全可以使用電化學(xué)傳感器器進行測量污染物濃度。

圖3 高斯擴散仿真結(jié)果

2.4.3 監(jiān)測系統(tǒng)

以VisualStudio2013為開發(fā)環(huán)境，以C#語言開發(fā)了監(jiān)測系統(tǒng)的上位機軟件，軟件界面如圖4所示，該軟件具備監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)監(jiān)測、歷史曲線繪制、歷史數(shù)據(jù)保存、燃油含硫量的計算、AIS數(shù)據(jù)加載等功能。系統(tǒng)使用式(1)的燃油含硫量計算方式計算當(dāng)前被測船舶的燃油含硫量，并以監(jiān)測系統(tǒng)返回的GPS信號通過第三方AIS數(shù)據(jù)平臺獲取監(jiān)測系統(tǒng)當(dāng)前所在地的船舶AIS信息，最后將排放信息、船舶AIS信息都存儲到本地計算機上的數(shù)據(jù)庫中，數(shù)據(jù)庫使用MySql數(shù)據(jù)庫，保證數(shù)據(jù)可靠保存。

圖4 監(jiān)測軟件界面

3 驗證分析

3.1 實驗驗證

對集成后的系統(tǒng)使用標準氣進行試驗，準備好測試用標氣，連接好氣體管路，實驗參數(shù)設(shè)置如表1所示，使用計算系統(tǒng)中的監(jiān)測軟件發(fā)送開啟空氣泵的指令，待傳感器的值穩(wěn)定后進行實驗驗證，驗證實驗分為使用高濃度和低濃度兩種情況進行測試，測試結(jié)果如圖5、圖6所示。

表1 實驗設(shè)置

3.1.1 高濃度測試

采用標氣濃度從500×10-9以100×10-9為步長逐漸降低到100×10-9，記錄傳感器的ADC值如圖5所示。

圖5 高濃度測試結(jié)果

當(dāng)SO2標氣濃度從500×10-9每隔100×10-9逐漸降低100×10-9時，傳感器的信號通過數(shù)模轉(zhuǎn)換電路后其ADC值在(500～100)×10-9之間是大約以50為步長減小，當(dāng)NO2標氣濃度從500×10-9每隔100×10-9逐漸降低100×10-9，傳感器的信號通過數(shù)模轉(zhuǎn)換電路后其ADC值在(500～100)×10-9之間是大約以32為步長減小，當(dāng)NO標氣從500×10-9每隔100×10-9逐漸降低100×10-9，傳感器的信號通過數(shù)模轉(zhuǎn)換電路后其ADC值在(500～100)×10-9之間是大約以40為步長減小，由圖5可知在高濃度時候氣體傳感器的線性較好，而且使用一次線性擬合也具有較大的斜率，因此有較高的監(jiān)測精度。

3.1.2 低濃度測試

SO2傳感器在SO2標氣從100×10-9降低到10×10-9時其傳感器的ADC值隨著濃度降低而降低，在低濃度區(qū)(濃度小于100×10-9)時，由圖6可知傳感器的ADC值具有較小的斜率，而且使用一次線性標定會有一定的誤差，使用多點標定即可較準確的監(jiān)測SO2的濃度。NO2標氣從100×10-9到10×10-9之間是亦隨著濃度降低而降低，但是ADC值沒有明顯的差別，在低濃度區(qū)(濃度小于100×10-9)時，傳感器的ADC值具有較小的斜率，在100～50×10-9范圍內(nèi)使用多點標定即可即可較準確的監(jiān)測NO2的濃度。NO標氣從100×10-9到10×10-9之間是也隨著濃度降低而降低，在低濃度區(qū)傳感器的ADC的值相比高濃度區(qū)具有較小的斜率，所以在監(jiān)測低濃度的氣體時會有較大的誤差。

圖6 低濃度測試結(jié)果

由于高濃度區(qū)域和低濃度區(qū)域的線性有較大差別，因此直接使用500×10-9至10×10-9之間使用一次線性擬合會造成較大的誤差，分段擬合能達到較高的精度，即在500×10-9至100×10-9之間為一個擬合區(qū)間，100×10-9至10×10-9之間為另一個擬合區(qū)間，在高低濃度區(qū)間內(nèi)使用多段擬合能提高測量船舶氣態(tài)污染物濃度的精度。

3.2 實船驗證

為驗證無人機船舶氣態(tài)污染物監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸性能，以每天10艘船舶進行了監(jiān)測測試，共監(jiān)測10 d，測試結(jié)果如圖7所示，監(jiān)測系統(tǒng)能有效傳回傳感器的數(shù)據(jù)并且根據(jù)氣態(tài)污染物的濃度計算出燃油含硫量。

圖7 實船監(jiān)測結(jié)果

由圖7測試結(jié)果可知，使用LoRa數(shù)據(jù)回傳方式在無電信運營商信號區(qū)域能較好的回傳數(shù)據(jù)，且回傳成功率為80%，而成功率達不到100%的原因為監(jiān)測距離太遠以及海水吸收無線信號等。

4 結(jié)論

以電化學(xué)傳感器為主的船舶氣態(tài)污染物排放監(jiān)測系統(tǒng)通過無人機搭載監(jiān)測系統(tǒng)近距離監(jiān)測目標船只，大大提高了檢測效率，而且靠近船舶處由于船舶排放濃度高電化學(xué)傳感器具有較好的分辨率，通過實驗測試傳感器在高濃度范圍內(nèi)具有較好的線性度，但是從100×10-9到10×10-9范圍中線性度較差，因此在全量程范圍內(nèi)使用多段擬合能提高監(jiān)測精度，此外在LoRa信號范圍內(nèi)能較好地回傳監(jiān)測數(shù)據(jù)可以進行船舶氣態(tài)污染物排放的監(jiān)測。