內河船舶污染物排放在線監(jiān)控系統(tǒng)

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(yè)研發(fā)中心，武漢 430014)

內河船舶污染物排放在線監(jiān)控系統(tǒng)

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(yè)研發(fā)中心，武漢 430014)

針對內河船舶常規(guī)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(fā)，利用傳感器、AIS/3G通信設備和軟件監(jiān)控平臺設計一套污染物排放在線監(jiān)控系統(tǒng)，將實時監(jiān)控功能成功應用到了船舶污染物排放的監(jiān)管中。該系統(tǒng)能夠實時監(jiān)測船舶排污信息，記錄相關數(shù)據(jù)，對出現(xiàn)的異常情況進行報警，并報告給管理機構以實現(xiàn)有效監(jiān)管。

船舶工程；船舶污染物；AIS/3G；在線監(jiān)控

近年來，隨著我國內河航運快速發(fā)展，船舶數(shù)量迅速增長，船舶大型化趨勢日益明顯。同時，受內陸地區(qū)經(jīng)濟發(fā)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(guī)的制定相對滯后，管理機關缺乏對船舶的違規(guī)排放進行有效監(jiān)控的手段，從而使得船舶違規(guī)排放污染物的現(xiàn)象屢禁不止，內河水質受到嚴重威脅。

內河船舶常規(guī)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(xiàn)代化技術的發(fā)展，利用高科技手段對船舶污染物排放進行在線監(jiān)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(tǒng)和自動識別系統(tǒng)設備管理規(guī)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(tǒng)(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(fā)揮著重要作用，其本身特性為其應用開發(fā)提供了良好的可擴充性。因此，針對船舶污染物違規(guī)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(fā)基于AIS/3G的內河船舶污染物排放在線監(jiān)控系統(tǒng)，為海事監(jiān)管提供了新的工具和方法。

1 系統(tǒng)框架設計

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

圖1 內河船舶污染物排放在線監(jiān)控系統(tǒng)

1.基于多傳感器的船舶污染物排放在線監(jiān)測子系統(tǒng)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(jiān)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(jiān)測艙底油污水的排放，PH計主要用于監(jiān)測船舶洗艙水的排放，COD監(jiān)測儀主要用于監(jiān)測生活污水的排放，流量計和液位計則主要用于輔助監(jiān)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(tǒng)主要是利用現(xiàn)有的船載AIS設備(現(xiàn)采用AIS-B類船載終端)進行功能擴展開發(fā)，增加3G模塊以接收船舶污染物排放在線監(jiān)測子系統(tǒng)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(wǎng)信道將信息傳輸至船舶污染物排放海事監(jiān)控平臺子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)以下稱“船載擴展型AIS設備”。

3.船舶污染物排放海事監(jiān)控平臺子系統(tǒng)是在海事機構設置的后臺軟件監(jiān)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(tǒng))發(fā)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(xiàn)海事監(jiān)管中心對船舶污染物排放的在線監(jiān)測、執(zhí)法和取證。

2 系統(tǒng)工作原理

以船舶艙底水排放在線監(jiān)控為例介紹系統(tǒng)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(jiān)控指標為油份濃度和排放量。

艙底水排放監(jiān)控系統(tǒng)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(tǒng)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(jù)“信息采集檢測分系統(tǒng)接口交互協(xié)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(shù)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(jiān)測值超過閾值，系統(tǒng)將進行聲光自動報警，并將超標排放信息通過AIS和3G公網(wǎng)實時地傳輸?shù)交荆偻ㄟ^公網(wǎng)傳到海事監(jiān)管中心。海事監(jiān)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(guī)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(shù)據(jù)以便日后查詢。在海事監(jiān)管中心可以在線監(jiān)測到每艘船舶的排污情況并進行取證。

3 系統(tǒng)硬件設計

以船舶艙底油污水排放在線監(jiān)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(jiān)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(guī)，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(jīng)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(shù)字通信通道、3G數(shù)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(tǒng)廣播和顯示使用。根據(jù)ICE 61162協(xié)議，AIS能夠在兩個不同的VHF頻道上接收和發(fā)送信息。

2) AIS的微處理器根據(jù)AIS的網(wǎng)絡協(xié)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(jiān)控中心發(fā)現(xiàn)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(tài)的基本參數(shù)(如1和0表示“是”或“否”超標)經(jīng)過TDMA和DSC解碼后送入微控制器，控制器將接收到的所有數(shù)據(jù)封裝成符合ICE 61162協(xié)議的VDM或VDO語句，通過串行數(shù)據(jù)接口送出，或封裝成BBM語句按照“AIS基站接口交互協(xié)議”經(jīng)VHF廣播出去；而描述排污狀態(tài)的詳細參數(shù)(如具體的油份濃度數(shù)值、流量值等)則通過3G數(shù)字通信通道傳輸給海事監(jiān)控系統(tǒng)。

3.3監(jiān)測信息管理

通過AIS傳輸?shù)膶崟r數(shù)據(jù)，監(jiān)控系統(tǒng)可以方便地記錄和查詢與艙底水排放相關的信息。該系統(tǒng)在監(jiān)測期間，實時記錄時間、經(jīng)緯度、幾何精度、傳感器開/關狀態(tài)、舷外排放狀態(tài)、自動校驗的數(shù)據(jù)和系統(tǒng)故障或排放報警等。船舶自動廣播的AIS數(shù)據(jù)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(fā)生時，迅速地展開調查和評估，實現(xiàn)對船舶艙底水排放的監(jiān)控。

2) 當出現(xiàn)以下情況時系統(tǒng)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(xiàn)時，系統(tǒng)會發(fā)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(tǒng)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(jiān)管提供可靠的證據(jù)(見圖3)。

圖3 船載擴展型AIS設備界面

4 系統(tǒng)軟件設計

4.1協(xié)議及報文設計

由圖2顯示的信息傳輸功能可知，要實現(xiàn)系統(tǒng)的功能還需設計相關接口協(xié)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(tǒng)接口交互協(xié)議”、監(jiān)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(xié)議”、監(jiān)控信息由船載擴展型AIS設備利用3G通道進入海事監(jiān)管平臺的“信息監(jiān)控管理分系統(tǒng)接口交互協(xié)議”。

船舶污染物排放信息傳輸/告警船載子系統(tǒng)通過RS232或RS422與基于多傳感器的船舶污染物排放在線監(jiān)測子系統(tǒng)連接，污染物排放在線監(jiān)測子系統(tǒng)將污染源排放信息組成符合ICE 61162規(guī)范的自定義語句，按照“信息采集檢測分系統(tǒng)接口交互協(xié)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(jiān)控平臺軟件開發(fā)

船舶污染物排放在線監(jiān)控系統(tǒng)軟件平臺采用Microsoft Visual C++ 6.0結合Arc GIS軟件進行開發(fā)。軟件能動態(tài)地顯示船舶污染物排放監(jiān)控信號；船舶排污信息與地理信息系統(tǒng)相結合，顯示每個設備的工作狀態(tài)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(jiān)控平臺子系統(tǒng)軟件可以實現(xiàn)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?shù)拇拔廴疚锱欧判畔ⅰ?/p>

4.2.2船舶艙底水(油污水)排放監(jiān)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(tǒng)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(jiān)控軟件平臺

4.2.3船舶洗艙水排放監(jiān)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(tǒng)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(jiān)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(tǒng)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(shù)據(jù)進行導入、導出，為海事監(jiān)管部門執(zhí)法提供證據(jù)。

4.2.6系統(tǒng)管理功能

可對系統(tǒng)進行用戶管理、通信參數(shù)設置、污染物閾值參數(shù)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(jiān)控系統(tǒng)利用現(xiàn)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(jiān)控傳感器及3G無線網(wǎng)絡傳輸設備，可以將船舶污染物排放的相關數(shù)據(jù)實時地傳輸?shù)胶Ｊ卤O(jiān)管中心，加大船舶排污的監(jiān)控力度，提高海事監(jiān)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(tǒng)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

A