李亞軍（鹽田海事局，廣東 深圳 518081）

一、引言

近年來，無人機(jī)因靈活性高、可操作性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)已廣泛應(yīng)用于陸地工業(yè)園區(qū)環(huán)境質(zhì)量、交通運(yùn)輸及道路周邊污染擴(kuò)散監(jiān)測、城市低空空氣質(zhì)量監(jiān)測等環(huán)保領(lǐng)域。目前，無人機(jī)已逐步應(yīng)用于船舶大氣污染監(jiān)測方面，在船舶污染排放監(jiān)測中，無人機(jī)可以彌補(bǔ)定點(diǎn)監(jiān)測機(jī)動性不足的問題，突破水上作業(yè)的客觀條件限制，對在航船舶尾氣進(jìn)行有效監(jiān)測。2017—2018年，長江沿岸地方海事部門已經(jīng)在基于無人機(jī)的智能化水上作業(yè)領(lǐng)域做出嘗試并取得初步成效，2020年3月至5月，海事部門在長江、天津港等區(qū)域開展無人機(jī)監(jiān)測船舶尾氣應(yīng)用探索，取得較好成效。2020年7月至12月，鹽田海事局聯(lián)合第三方開展無人機(jī)搭載嗅探設(shè)備監(jiān)測船舶尾氣項(xiàng)目（以下簡稱“項(xiàng)目”），項(xiàng)目采用了多旋翼式無人機(jī)搭載Sirius-E2專業(yè)型空氣質(zhì)量及污染排放監(jiān)測傳感器，數(shù)據(jù)處理依托船舶排放快速篩查系統(tǒng)可實(shí)時(shí)反算燃油硫含量。項(xiàng)目使用的無人機(jī)搭載嗅探設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)主要由旋翼式無人機(jī)、嗅探傳感器模塊、飛行控制器、船舶排放快速篩查系統(tǒng)等組成，可通過4G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并通過云平臺進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控。執(zhí)行監(jiān)測任務(wù)前先選取目標(biāo)船，根據(jù)目標(biāo)船的速度、航行方向和船舶羽流（船舶內(nèi)燃機(jī)排氣差生的氣流）等信息，對無人機(jī)的飛行軌跡進(jìn)行估計(jì)，對獲得的信息進(jìn)行處理，確定無人機(jī)飛行計(jì)劃，進(jìn)行羽流測量。同時(shí)，將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳到船舶排放快速篩查系統(tǒng)進(jìn)一步處理，處理的數(shù)據(jù)包括：根據(jù)燃料碳平衡原理計(jì)算特定氣體的排放系數(shù)、測量時(shí)間、傳感器的測量數(shù)據(jù)、燃油硫含量值（FSC）和全球定位系統(tǒng)（GPS）信息。通過無人機(jī)搭載嗅探設(shè)備監(jiān)測船舶尾氣可快速獲取燃油硫含量及相關(guān)排放因子。本文在對無人機(jī)監(jiān)測船舶尾氣項(xiàng)目大量數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，研究無人機(jī)監(jiān)測船舶尾氣的應(yīng)用，嘗試提出建立陸海空一體化的船舶大氣污染排放控制監(jiān)測監(jiān)管體系。

二、無人機(jī)搭載嗅探設(shè)備監(jiān)測船舶尾氣的應(yīng)用分析

（一）提高執(zhí)法效率，落實(shí)船舶排放控制政策

無人機(jī)監(jiān)測船舶尾氣可以極大提高監(jiān)管效率，根據(jù)項(xiàng)目實(shí)施情況來看，2名執(zhí)法人員使用無人機(jī)監(jiān)測一艘船僅需要10~15分鐘，每天可監(jiān)測10~20艘次。相較以往執(zhí)法人員登輪、文書檢查、燃油取樣檢測等繁瑣流程，無人機(jī)監(jiān)測大大提高了監(jiān)管效率，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)無接觸監(jiān)管。另外，無人機(jī)可實(shí)現(xiàn)對在航船舶進(jìn)行尾氣監(jiān)測，對在港池航行船舶可以從岸基起飛監(jiān)測，對排放控制區(qū)內(nèi)在航船舶可以通過海巡執(zhí)法船攜帶無人機(jī)完成尾氣監(jiān)測。因此，無人機(jī)監(jiān)測船舶尾氣可以提高執(zhí)法效率，又可以監(jiān)測在我國管轄水域內(nèi)航行船舶使用燃油硫含量是否超過0.5%的排放控制標(biāo)準(zhǔn)。

（二）精準(zhǔn)監(jiān)測船舶尾氣污染物濃度，建立船舶大氣污染物排放數(shù)據(jù)庫

建立船舶大氣污染物排放數(shù)據(jù)庫是一項(xiàng)基礎(chǔ)工作，可為海事中心業(yè)務(wù)開展提供重要數(shù)據(jù)支撐。目前，大氣污染監(jiān)測分析技術(shù)已較成熟，但是，采用嗅探監(jiān)測、光學(xué)遙感監(jiān)測等技術(shù)的岸基固定監(jiān)測點(diǎn)位受風(fēng)速、風(fēng)向的影響及距離限制，很難精準(zhǔn)監(jiān)測，而無人機(jī)搭載嗅探設(shè)備進(jìn)入煙羽監(jiān)測距離近、干擾小，具有較高的精準(zhǔn)度。項(xiàng)目通過無人機(jī)監(jiān)測船舶尾氣反算燃油硫含量和調(diào)研獲取的燃油硫含量兩種方式獲取船舶燃油硫含量情況并繪制成分布直方圖（見圖1）。

圖1 不同區(qū)間硫含量船舶數(shù)量分布直方圖

可以看出船舶均呈現(xiàn)出以硫含量0.1%至0.5%區(qū)間為眾數(shù)的分布趨勢，驗(yàn)證了無人機(jī)搭載嗅探設(shè)備監(jiān)測尾氣數(shù)據(jù)具有較高精準(zhǔn)度。因此，通過無人機(jī)搭載嗅探設(shè)備監(jiān)測積累大量多種類污染物監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立船舶大氣污染物排放數(shù)據(jù)庫，可以與岸基固定嗅探或光學(xué)遙感監(jiān)測技術(shù)互補(bǔ)，逐步完善岸基監(jiān)測技術(shù)模型，提高岸基固定監(jiān)測精準(zhǔn)度，實(shí)現(xiàn)船舶硫氧化物排放精準(zhǔn)監(jiān)測。同時(shí)，可以針對氮氧化物、碳氧化物、顆粒物、黑碳等污染物監(jiān)測需求搭載不同類型的嗅探設(shè)備，從而為未來制定此類污染物排放控制決策提供數(shù)據(jù)支撐。

（三）拓展船舶大氣立體監(jiān)測監(jiān)管網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，構(gòu)建陸海空一體化船舶大氣污染監(jiān)測監(jiān)管體系

目前依托“大鵬灣船舶大氣污染物排放控制監(jiān)測監(jiān)管試驗(yàn)區(qū)”（以下簡稱“試驗(yàn)區(qū)”）建設(shè)平臺，經(jīng)過長期試驗(yàn)選定以嗅探監(jiān)測技術(shù)為基礎(chǔ)的監(jiān)測方案，通過不斷優(yōu)化監(jiān)測技術(shù)模型，初步建成“船舶排放監(jiān)測監(jiān)管信息平臺”（以下簡稱“信息平臺”，信息平臺監(jiān)測界面如圖2所示）。目前信息平臺主要布設(shè)4個(gè)岸基固定監(jiān)測點(diǎn)位、1個(gè)航標(biāo)固定監(jiān)測點(diǎn)位和1個(gè)船基移動監(jiān)測點(diǎn)位。同時(shí)，通過理論計(jì)算船舶污染物排放數(shù)據(jù)，建立基于地理信息系統(tǒng)的可視化的船舶大氣污染預(yù)警分布圖。未來無人機(jī)搭載嗅探設(shè)備監(jiān)測尾氣作為移動監(jiān)測的重要手段接入信息平臺，將進(jìn)一步豐富信息平臺的監(jiān)測手段。通過岸基、船基和無人機(jī)監(jiān)測模式深度融合，充分發(fā)揮各方優(yōu)勢，形成岸基和航標(biāo)固定監(jiān)測大數(shù)據(jù)初篩、船基和無人機(jī)移動監(jiān)測精篩的監(jiān)測層級，逐步構(gòu)建陸?？找惑w化的船舶大氣污染監(jiān)測監(jiān)管體系。

圖2 船舶排放監(jiān)測監(jiān)管信息平臺界面

三、無人機(jī)搭載嗅探設(shè)備監(jiān)測船舶尾氣存在的問題

（一）項(xiàng)目監(jiān)測數(shù)據(jù)整體精度不高，單船監(jiān)測數(shù)據(jù)不穩(wěn)定

項(xiàng)目利用無人機(jī)對300艘船舶進(jìn)行監(jiān)測，共獲取554條有效排放數(shù)據(jù)，其中硫含量最大值為0.9351%，最小值為0.013 1%，平均值為0.270 9%，超標(biāo)船舶（硫含量＞0.5%）7艘次。同時(shí)，通過調(diào)研問卷形式收集了306份船舶靠泊鹽田港期間使用燃油信息，其中使用硫含量超標(biāo)燃油船舶2艘（依據(jù)行政處罰結(jié)果）。2種獲取燃油硫含量信息方式的船舶分布見表1。

表1 無人機(jī)監(jiān)測船舶尾氣計(jì)算燃油硫含量和調(diào)研問卷形式獲取靠港船舶使用燃油硫含量分布情況表

通過對項(xiàng)目監(jiān)測數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)：同一艘船舶工況下不同時(shí)間監(jiān)測數(shù)據(jù)差異較大，單船監(jiān)測數(shù)據(jù)有一定的不確定性；而且整體監(jiān)測數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出使用超低硫燃油（硫含量≤0.1%）船舶尾氣監(jiān)測數(shù)據(jù)偏大，使用低硫燃油（0.1%＜硫含量≤0.5%）船舶尾氣監(jiān)測數(shù)據(jù)偏小的趨勢，可以看出監(jiān)測傳感器元件的實(shí)驗(yàn)室質(zhì)控維護(hù)不充分。

（二）無人機(jī)監(jiān)測使用超低硫燃油船舶尾氣數(shù)據(jù)誤差相對較大

無人機(jī)監(jiān)測船舶尾氣項(xiàng)目實(shí)施過程中，共采集了被監(jiān)測船舶供受油單證（BDN）硫含量信息85份。其中靠泊期間使用硫含量0.1%燃油船舶24艘，BDN平均硫含量按0.095%計(jì)算，靠泊期間使用硫含量0.5%燃油船舶61艘次，BND平均硫含量按0.475%計(jì)算。其監(jiān)測硫含量結(jié)果與BND平均硫含量對比分布圖表如下圖3、表2所示。

圖3 無人機(jī)監(jiān)測硫含量分布圖

表2 船舶使用不同等級硫含量燃油無人機(jī)監(jiān)測結(jié)果與BDN平均硫含量對比表

從無人機(jī)監(jiān)測硫含量分布圖、表可以得出，對不同硫含量等級燃油船舶的監(jiān)測結(jié)果集中區(qū)間不同，對使用硫含量0.1%的船舶監(jiān)測結(jié)果集中在0.1%~0.15%之間，對使用硫含量0.5%燃油的船舶監(jiān)測結(jié)果集中在0.25%~0.4%之間。通過監(jiān)測數(shù)據(jù)與收集的BDN數(shù)據(jù)對比，對使用不同硫含量等級燃油船舶，無人機(jī)監(jiān)測結(jié)果的偏差及趨勢變化是不同的。對使用硫含量0.1%燃油船舶的監(jiān)測值相對BDN硫含量平均值偏大42.63%，且相對離散；對使用硫含量0.5%燃油船舶的監(jiān)測值相對BDN硫含量平均值偏小34.73%，監(jiān)測值相對集中。由此可以得出，無人機(jī)監(jiān)測使用低硫燃油船舶尾氣的監(jiān)測值更加穩(wěn)定準(zhǔn)確，但是對使用超低硫燃油船舶監(jiān)測誤差相對大。

（三）無人機(jī)無法監(jiān)測使用脫硫塔船舶尾氣數(shù)據(jù)

目前，各國對脫硫塔排放要求日益嚴(yán)格，船舶靠泊期間使用脫硫塔的比例并不高。通過對323艘國際航行集裝箱船舶進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，靠泊期間實(shí)際使用脫硫塔船舶占所有統(tǒng)計(jì)船舶的6.5%，占安裝閉式或混合式脫硫塔船舶的56.7%。項(xiàng)目監(jiān)測了部分靠泊期間使用脫硫塔處理后的尾氣，監(jiān)測情況如圖4所示。

圖4 無人機(jī)監(jiān)測經(jīng)脫硫處理后船舶尾氣現(xiàn)場圖

監(jiān)測結(jié)果顯示，使用脫硫塔處理后的尾氣二氧化碳濃度結(jié)果正常，但無法監(jiān)測到二氧化硫濃度值。經(jīng)核查船舶靠泊期間使用脫硫塔處理后的尾氣排放報(bào)告，監(jiān)測期間船舶尾氣排放硫碳比約0.5~0.6，相當(dāng)于燃油硫含量為0.011 5%~0.013 8%，尾氣脫硫效果明顯?？梢哉J(rèn)為是經(jīng)過脫硫塔洗滌脫硫后尾氣中二氧化硫濃度過低，導(dǎo)致無人機(jī)無法捕捉到尾氣中的二氧化硫。因此，無人機(jī)監(jiān)測洗滌后船舶尾氣中低濃度氣體具有較大不穩(wěn)定性。

（四）干擾無人機(jī)監(jiān)測的因素較多

影響無人機(jī)監(jiān)測的影響因素一般分為外界因素和內(nèi)部因素，外界因素包括：氣象環(huán)境、船舶負(fù)荷、航速、港區(qū)電磁干擾等，一般情況下風(fēng)速船速較大、風(fēng)向變化較快及船舶低負(fù)荷下會嚴(yán)重影響監(jiān)測穩(wěn)定性，船舶航行設(shè)備及港作機(jī)械有強(qiáng)烈的電磁干擾，也會影響無人機(jī)飛行作業(yè)安全；內(nèi)部因素包括旋翼式無人機(jī)產(chǎn)生飛行氣流、不同污染物監(jiān)測傳感器間交叉干擾、監(jiān)測量程小等影響因素。船舶大氣監(jiān)測一般采用旋翼式無人機(jī)，旋翼式無人機(jī)懸停監(jiān)測時(shí)產(chǎn)生的氣流會影響船舶煙羽分布。通過實(shí)驗(yàn)室對傳感器測試標(biāo)定顯示，二氧化硫傳感器與二氧化氮傳感器工作時(shí)會產(chǎn)生交叉影響，影響監(jiān)測精度。同時(shí)，傳感器監(jiān)測量程小不能滿足較低濃度污染物的監(jiān)測要求。

（五）缺少無人機(jī)監(jiān)測船舶大氣污染物執(zhí)法工作制度規(guī)范

無人機(jī)監(jiān)測船舶大氣環(huán)境執(zhí)法工作是新型執(zhí)法模式，目前仍缺少相關(guān)制度規(guī)范，沒有制定船舶尾氣污染物限值標(biāo)準(zhǔn)，無人機(jī)在海事執(zhí)法中應(yīng)用也沒有相應(yīng)的操作規(guī)范，這將嚴(yán)重制約無人機(jī)搭載嗅探監(jiān)測技術(shù)在船舶大氣污染防治方面的應(yīng)用。

四、相關(guān)建議及對策

（一）對關(guān)鍵監(jiān)測元件進(jìn)行良好的實(shí)驗(yàn)室質(zhì)控維護(hù)，提高單船尾氣監(jiān)測穩(wěn)定性

尾氣監(jiān)測傳感器元件是精密器件，對尾氣污染物尤其是顆粒物具有較高敏感性，正常煙羽濃度下需定期更換煙氣抽吸濾器，一旦抽吸到黑度較大或者含大量顆粒物煙氣時(shí)會立即影響監(jiān)測精度和穩(wěn)定性。因此，需要操縱人員盡量避開短時(shí)高濃度煙羽，及時(shí)觀察監(jiān)測數(shù)據(jù)變化情況，根據(jù)收集的被監(jiān)測船舶使用燃油BDN信息定期對監(jiān)測傳感器元件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室質(zhì)控維護(hù)。

（二）采取防干擾措施，開發(fā)信息平臺驗(yàn)證系統(tǒng)，提高監(jiān)測精準(zhǔn)度

在實(shí)際操縱中，影響無人機(jī)監(jiān)測因素較多，因此，一方面需要不斷改進(jìn)無人機(jī)監(jiān)測設(shè)備，例如提升無人機(jī)飛行穩(wěn)定性、延長嗅探器取樣管路、減少飛行氣流對煙羽的干擾、采用防電磁干擾材料或加裝機(jī)載防電磁干擾儀器減少外部電磁影響、改進(jìn)傳感器擴(kuò)大監(jiān)測量程、提高臨界濃度監(jiān)測穩(wěn)定性等；另一方面依托信息平臺建立船舶大氣污染監(jiān)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證系統(tǒng)，將環(huán)境影響降至最低。信息平臺集成岸基固定、船基和無人機(jī)移動監(jiān)測等模式，通過獲取被監(jiān)測船舶BND硫含量信息和燃油樣品，將樣品快檢或送實(shí)驗(yàn)室檢測獲取精確硫含量等數(shù)據(jù)錄入驗(yàn)證系統(tǒng)，以此比對驗(yàn)證監(jiān)測模式結(jié)果，通過大量數(shù)據(jù)比對驗(yàn)證逐步完善不同監(jiān)測模式計(jì)算模型，排除干擾因素影響，提高監(jiān)測精度。

（三）制定無人機(jī)監(jiān)測船舶大氣污染物執(zhí)法工作制度規(guī)范

基于無人機(jī)在船舶大氣監(jiān)測應(yīng)用的實(shí)際，應(yīng)加快制定無人機(jī)監(jiān)測船舶尾氣執(zhí)法制度流程，建立執(zhí)法指南，規(guī)范現(xiàn)場執(zhí)法工作。制定無人機(jī)監(jiān)測船舶尾氣技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)依托試驗(yàn)區(qū)建設(shè)平臺，針對當(dāng)前先進(jìn)的大氣環(huán)境監(jiān)測技術(shù)開展實(shí)船試驗(yàn)研究，根據(jù)船舶大氣監(jiān)測場景，明確技術(shù)規(guī)范要求，篩選適合船舶大氣監(jiān)測的技術(shù)并制定無人機(jī)監(jiān)測船舶尾氣技術(shù)要求，推動形成行業(yè)或國家標(biāo)準(zhǔn)。

五、結(jié)語

在當(dāng)前船舶大氣污染監(jiān)測監(jiān)管工作中，構(gòu)建智慧管理體系，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程、在線、實(shí)時(shí)監(jiān)控是大勢所趨。無人機(jī)監(jiān)測作為一種可行、可靠的環(huán)境監(jiān)測手段，將完善陸?？找惑w化船舶大氣污染排放監(jiān)測監(jiān)管體系，成為船舶污染物排放控制智能管理的又一利器。