內河船舶污染物排放在線監控系統

鄧 健， 崔振威， 楊獻朝， 陳立家， 陳姚杰

(1.武漢理工大學 航運學院， 武漢 430070； 2.交通運輸部 水運科學研究院， 北京 100088；3.內河航運技術湖北省重點實驗室， 武漢 430070；4.交通運輸部長江航運技術行業研發中心，武漢 430014)

內河船舶污染物排放在線監控系統

鄧 健1，3，4， 崔振威1， 楊獻朝2， 陳立家1，3，4， 陳姚杰1

(1.武漢理工大學 航運學院， 武漢 430070； 2.交通運輸部 水運科學研究院， 北京 100088；3.內河航運技術湖北省重點實驗室， 武漢 430070；4.交通運輸部長江航運技術行業研發中心，武漢 430014)

針對內河船舶常規污染物的排放處理情況，基于內河船舶裝載的AIS終端進行擴展開發，利用傳感器、AIS/3G通信設備和軟件監控平臺設計一套污染物排放在線監控系統，將實時監控功能成功應用到了船舶污染物排放的監管中。該系統能夠實時監測船舶排污信息，記錄相關數據，對出現的異常情況進行報警，并報告給管理機構以實現有效監管。

船舶工程；船舶污染物；AIS/3G；在線監控

近年來，隨著我國內河航運快速發展，船舶數量迅速增長，船舶大型化趨勢日益明顯。同時，受內陸地區經濟發展水平的限制，內河船舶管理水平和船舶狀況參差不齊，使得內河面臨的船舶污染問題日趨嚴重。我國關于內河船舶污染物排放法律法規的制定相對滯后，管理機關缺乏對船舶的違規排放進行有效監控的手段，從而使得船舶違規排放污染物的現象屢禁不止，內河水質受到嚴重威脅。

內河船舶常規污染物主要包括船舶污水、船舶垃圾、船舶廢氣等，其中船舶污水對水體的污染最為嚴重。隨著現代化技術的發展，利用高科技手段對船舶污染物排放進行在線監控已成為可能。2010年，我國海事部門頒布了《國內航行船舶船載電子海圖系統和自動識別系統設備管理規定》，要求長江干線、珠江干線、京杭運河及黃浦江的100總噸以上的所有營運船舶都要配備自動識別系統(Automatic Identification System，AIS)。AIS在保障船舶航行安全、保護人身安全等海事管理領域中發揮著重要作用，其本身特性為其應用開發提供了良好的可擴充性。因此，針對船舶污染物違規排放的情況，利用內河船舶本身已配備的AIS進行深入拓展應用；同時，增加3G(3rd-Generation)通信模塊，開發基于AIS/3G的內河船舶污染物排放在線監控系統，為海事監管提供了新的工具和方法。

1 系統框架設計

此系統共由3個子系統組成，分別是基于多傳感器的船舶污染物排放在線監測子系統、船舶污染物排放信息傳輸/告警船載子系統和船舶污染物排放海事監控平臺子系統(見圖1)。

圖1 內河船舶污染物排放在線監控系統

1.基于多傳感器的船舶污染物排放在線監測子系統主要是將油份濃度傳感器、流量計、PH(Pondus Hydrogen)計、液位計、COD(Chemica Oxygen Demand)監測儀等傳感器設備安裝在內河船舶污染物排放管路上，用于采集船舶污染物排放信息。其中，油份濃度儀主要用于監測艙底油污水的排放，PH計主要用于監測船舶洗艙水的排放，COD監測儀主要用于監測生活污水的排放，流量計和液位計則主要用于輔助監測具體的排放量等。

2.船舶污染物排放信息傳輸/告警船載子系統主要是利用現有的船載AIS設備(現采用AIS-B類船載終端)進行功能擴展開發，增加3G模塊以接收船舶污染物排放在線監測子系統傳輸進來的污染物排放信息，并進行相關處理。如果排放指標超標，一方面可通過AIS功能擴展設備對船上人員進行聲光和顯示告警，另一方面可利用AIS信道和3G公網信道將信息傳輸至船舶污染物排放海事監控平臺子系統。該子系統以下稱“船載擴展型AIS設備”。

3.船舶污染物排放海事監控平臺子系統是在海事機構設置的后臺軟件監控平臺，其將船載設備(船舶污染物排放信息傳輸/告警船載子系統)發送回來的船舶排污信息與AIS傳送的船位、船速等信息通過GIS(Geographic Information System)與電子海圖相結合，實現海事監管中心對船舶污染物排放的在線監測、執法和取證。

2 系統工作原理

以船舶艙底水排放在線監控為例介紹系統的工作原理。船舶艙底水帶來的主要是含油污水的污染，因此其監控指標為油份濃度和排放量。

艙底水排放監控系統由油份濃度傳感器、流量計、船載擴展型AIS設備等組成。在艙底油污水排出管路上安裝油份濃度傳感器、流量計，船載擴展型AIS安裝在駕駛臺上。

系統的工作原理：改造后的油份濃度計采集污染物排放的油份濃度信號、改造后的流量計采集排放量信號后，將采集到的各種信號通過A/D轉換、放大等處理后依據“信息采集檢測分系統接口交互協議”(見“4.1”)送入船載擴展型AIS設備；通過計算和判斷, 將處理后的數值與設定的閾值進行比較。假設油份濃度設定的閾值為15 mg/L，如果監測值超過閾值，系統將進行聲光自動報警，并將超標排放信息通過AIS和3G公網實時地傳輸到基站，再通過公網傳到海事監管中心。海事監管中心綜合利用CCTV(Closed Circuit Television)和甚高頻(Very Frequency, VHF)設備予以核實，對不滿足排放條件而違規排放艙底油污水的船舶及時予以制止和處罰；或與GIS電子海圖相結合，實時記錄船舶排放艙底水的具體位置，保存相關數據以便日后查詢。在海事監管中心可以在線監測到每艘船舶的排污情況并進行取證。

3 系統硬件設計

以船舶艙底油污水排放在線監控的硬件設備介紹信息采集的原理。

3.1信息采集

選擇油份濃度傳感器、流量計、PH計、液位計、COD監測儀作為信息傳感器進行相關信息的采集。油份濃度傳感器選擇Deckma OMD 24系列船用油份濃度計，符合MARPOL 73/78公約及MEPC.107(49)新規，可以測量0～30 mg/L范圍內的油份質量濃度，采用光散射原理和超強的懸浮固體濃度抑制技術來設計。流量傳感器則采用螺旋轉子流量計，輸出電脈沖信號，該脈沖信號經放大器放大后送至二次儀表進行流量和總量的顯示或計算。

3.2信息傳輸

船載擴展型AIS設備在硬件上由5部分組成：VHF數字通信通道、3G數字通信通道、信息處理與控制器、GPS(Global Positioning System)接收機和RS232或RS422設備接口。

1) 船載擴展型AIS設備的接口收集本船艙底油污水排放的信息，如排放量、油份濃度等。同時，GPS接收機收集其他船舶信息，供系統廣播和顯示使用。根據ICE 61162協議，AIS能夠在兩個不同的VHF頻道上接收和發送信息。

2) AIS的微處理器根據AIS的網絡協議控制VHF鏈路上的信息傳輸和信息交換。其中VHF包含一個DSC(Digital Selective Calling)設備，能接收岸臺呼叫，當他船或監控中心發現排污時，通過DSC設備與船進行交流。

3) 受VHF信道帶寬的限制，排污狀態的基本參數(如1和0表示“是”或“否”超標)經過TDMA和DSC解碼后送入微控制器，控制器將接收到的所有數據封裝成符合ICE 61162協議的VDM或VDO語句，通過串行數據接口送出，或封裝成BBM語句按照“AIS基站接口交互協議”經VHF廣播出去；而描述排污狀態的詳細參數(如具體的油份濃度數值、流量值等)則通過3G數字通信通道傳輸給海事監控系統。

3.3監測信息管理

通過AIS傳輸的實時數據，監控系統可以方便地記錄和查詢與艙底水排放相關的信息。該系統在監測期間，實時記錄時間、經緯度、幾何精度、傳感器開/關狀態、舷外排放狀態、自動校驗的數據和系統故障或排放報警等。船舶自動廣播的AIS數據可以快速全面地記錄、回放和存檔(見圖2)。

圖2 信息傳輸流程圖

1) 當事故發生時，迅速地展開調查和評估，實現對船舶艙底水排放的監控。

2) 當出現以下情況時系統將自動報警：油份質量濃度量程超限；油份濃度計故障；流量計故障；校驗故障；打印紙缺紙故障；水泵電機被錯誤供電；航速太低；排放電磁閥被錯誤打開等。

3) 當報警出現時，系統會發出聲光報警，海事部門在檢查油類記錄簿的同時，可以將上面記錄的信息與AIS系統自動記錄的船舶排污歷史信息相對照，也可對排油可疑船舶隨時進行回放調查，為海事監管提供可靠的證據(見圖3)。

圖3 船載擴展型AIS設備界面

4 系統軟件設計

4.1協議及報文設計

由圖2顯示的信息傳輸功能可知，要實現系統的功能還需設計相關接口協議，分別是由傳感器信號進入船載擴展型AIS設備的“信息采集檢測分系統接口交互協議”、監控信息由船載擴展型AIS設備進入AIS基站的“AIS基站接口交互協議”、監控信息由船載擴展型AIS設備利用3G通道進入海事監管平臺的“信息監控管理分系統接口交互協議”。

船舶污染物排放信息傳輸/告警船載子系統通過RS232或RS422與基于多傳感器的船舶污染物排放在線監測子系統連接，污染物排放在線監測子系統將污染源排放信息組成符合ICE 61162規范的自定義語句，按照“信息采集檢測分系統接口交互協議”主動通過串口輸出。

同時，由于AIS報文格式中還沒有專門的船舶污染物排放信息，因此選擇了AIS報文中的空閑字段進行利用，只用于傳輸船舶污染物排放是否超標的信息，“1”為排放超標，“0”為排放不超標。

4.2監控平臺軟件開發

船舶污染物排放在線監控系統軟件平臺采用Microsoft Visual C++ 6.0結合Arc GIS軟件進行開發。軟件能動態地顯示船舶污染物排放監控信號；船舶排污信息與地理信息系統相結合，顯示每個設備的工作狀態信號以及報警信號等，形成友好的人機交互界面(見圖4)。

船舶污染物排放海事監控平臺子系統軟件可以實現下列功能。

4.2.1船舶污染物排放信息通信功能

可實時接收船載AIS擴展型終端通過AIS和3G傳輸的船舶污染物排放信息。

4.2.2船舶艙底水(油污水)排放監控功能

可對船舶艙底水(油污水)的實時排放信息進行存儲、判斷、查詢、報警、統計等；可在電子江圖上實時顯示排放的位置和軌跡。

圖4 內河船舶污染物排放在線監控軟件平臺

4.2.3船舶洗艙水排放監控功能

可對船舶洗艙水的實時排放信息進行存儲、判斷、查詢、報警、統計等；可在電子江圖上實時顯示排放的位置和軌跡。

4.2.4船舶生活污水排放監控功能

可對船舶艙底水(油污水)的實時排放信息進行存儲、判斷、查詢、報警、統計等；可在電子江圖上實時顯示排放的位置和軌跡。

4.2.5海事管理功能

海事主管部門可以對船舶污染數據進行導入、導出，為海事監管部門執法提供證據。

4.2.6系統管理功能

可對系統進行用戶管理、通信參數設置、污染物閾值參數設置等。

5 結 語

基于AIS擴展應用的內河船舶污染物排放在線監控系統利用現有內河船舶裝備的AIS設備，通過升級改造，結合污染物排放監控傳感器及3G無線網絡傳輸設備，可以將船舶污染物排放的相關數據實時地傳輸到海事監管中心，加大船舶排污的監控力度，提高海事監管能力。該解決方案融入到船載AIS設備中，有效利用AIS報文的空閑字段傳輸排污基本信息，降低了安裝成本，保證了安裝船舶的覆蓋率；同時，該方案融合了3G通信，有效彌補了利用AIS傳輸信息內容的不足，保證了系統的可擴充性。

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On-LinePollutantsDischargeMonitoringSystemofInlandWaterShips

DENGJian1,3，4,CUIZhenwei1,YANGXianchao2,CHENLijia1,3，4,CHENYaojie1
(1. School of Navigation, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China; 2. Water Transport Institute, Ministry of Communication and Transportation, Beijing 100088, China; 3. Hubei Key Laboratory of Inland Shipping Technology, Wuhan 430070, China; 4. Shipping Technology Industry Ramp;D Center, Ministry of Communication and Transportation, Wuhan 430014, China)

In order to manage inland water shipping pollutant discharge, an on-line monitoring system of inland water ship pollutant discharge is designed based on the AIS(Automatic Identification System) terminals on board ships. The system, consisting of sensors, an AIS/3G(3rd-Generation) communication devices and a monitoring software platform, performs real-time monitoring of shipping pollutants discharge and data recording. An alarm will be activated if abnormal event happens. The alarm is sent to the administrative authorities simultaneously.

ship engineering; ship pollutant; AIS/3G; on-line monitoring

2014-02-10

交通運輸部重大科技專項基金(2011328222130)

鄧 健 (1977-), 男, 湖南長沙人, 副教授, 博士, 從事水上交通安全與防污染研究。E-mail: dengjian_whut@aliyun.com.

1000-4653(2014)02-0093-04

U664.9

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