基于物聯網的船舶排放控制區監控系統設計

何騰蛟 馮雯雯 杜何陽

一、前言

2015年12月，中國海域船舶排放控制區實施方案正式出臺，該方案規定在珠三角、長三角、環渤海（京津冀）水域設立船舶排放控制區，控制船舶硫氧化物、氮氧化物和顆粒物排放，改善我國沿海和沿河區域特別是港口城市的環境空氣質量，并為控制船舶大氣污染奠定基礎。[1]2016年1月29日，中華人民共和國海事局印發《關于加強船舶排放控制區監督管理工作的通知》，深圳市于2016年10月1日提前實施2017年的船舶排放控制區要求，是繼上海市之后第二個提前實施的核心港口城市。自2017年9月1日起，長三角船舶排放控制區全面提前實施交通運輸部船舶排放控制區方案，即所有船舶到港以后按要求換用低硫燃油或使用岸電、尾氣后處理等替代措施。[2]日前，交通運輸部等13個部門聯合印發《關于加強船用低硫燃油供應保障和聯合監管的指導意見》（簡稱《指導意見》），提出通過政策引導、行業自律、強化監管，維護公平、有序、健康的船用燃油流通市場秩序，提升我國船用低硫燃油供應能力和質量，促進綠色交通發展。

為有效提升海事主管機關對船舶排放控制區內船舶大氣污染防治監督管理能力，監控轄區船舶硫含量燃油的使用情況，貫徹落實交通運輸部船舶排放控制相關要求，筆者擬基于物聯網技術，提出對船舶排放控制區內船舶排放廢氣進行實時監控的系統設想，以縮小船舶排放控制區監控對象范圍，為主管機關查處不符合燃油硫含量標準的船舶提供參考，提高其監管技術水平和效能。

二、船舶排放控制區監管現狀與存在問題

現階段，海事主管機關對控制區內船舶大氣污染防治的監管方式主要是利用船舶尾氣遙測感應技術、現場巡視、AIS（船舶自動識別系統）及CCTV視頻監控等手段，并結合現場監督和安全檢查工作，對船舶的輪機日志、燃油供受單證等材料進行核查。監管手段單一、執法力量不足及實施困難等問題已經越來越對監控工作產生掣肘，監管效果難以得到保證。據筆者分析，現行的船舶廢氣監控手段具體存在以下問題：

（1）實時性差，不利于掌握排放控制區邊界船舶廢氣排放情況。

（2）視頻覆蓋不夠廣，存在監控盲點，不能及時發現船舶違法排放并處理。

（3）連續性差，不能夠長時間連續監控船舶廢氣排放情況。

（4）數據零碎分散，不利于管理部門宏觀掌握轄區船舶廢氣排放情況。

三、船舶排放控制區監控系統可行性分析

1.環境治理

伴隨我國海運業的快速發展，港口吞吐量及船舶進出港艘次不斷增加，船舶及其相關作業活動對海洋環境造成的污染威脅也不斷加大，目前又由于霧霾天氣愈加頻繁地出現，船舶廢氣排放也引起了公眾的廣泛關注，香港環保署數據顯示，2012年，船舶排放的二氧化硫、氮氧化物排放分擔率分別達到50%和32%；中國環保部機動車排污監控中心統計顯示，2013年全國船舶二氧化硫排放量約占全國排放總量的8.4%，氮氧化物排放量占11.3%，受船舶污染影響最大的是港口城市，其次是江河沿岸城市。[3]

2.政策推動

綜觀有關船舶排放控制區的政策文件，其主旨包含推動控制船舶大氣污染，改善港口城市環境空氣質量，大力發展智慧環保，完善污染物排放在線監測系統，增加監測污染物種類，擴大監測范圍，推動我國船舶大氣污染防治工作，提高環境污染風險防范水平和應急處理能力等多方面。

3.技術支持

各級海事機構在之前的信息化管理方面已與通迅技術公司有成功的戰略合作基礎，諸如船位報告系統、遠程移動圖像傳輸系統、海事水上安保指揮GIS平臺、海事業務管理平臺以及CCTV電視監控等系統的開發，因此，雙方在此基礎上可以將船舶排放控制區監管工作加入到合作領域中，不斷深入推進信息化管理的途徑和方式。

4.“智慧海事”建設

在海事監管模式由“汗水型”向“智慧型”快速轉變的大背景下，搭建“互聯網+海事監管+大氣污染防治”的平臺，高效能發揮船舶動態監控中心作用，完善中國海事云計算平臺，匯集、整合各類海事信息等多方面資源的功能，助力船舶排放控制區監管工作。

四、船舶排放控制區監控系統設計原理

船舶排放控制區監控系統將物聯網技術和船舶排放控制區相結合，實現在船舶排放控制區對船舶廢氣排放情況進行實時監控。該系統由數據采集和視頻監控兩部分組成，由于目前的視頻監控技術較為成熟，本文只對系統數據采集功能的實現進行詳細介紹。數據采集部分由傳感器、GPRS數據采集終端、GPRS無限通信網絡、數據管理中心、客戶端監控軟件組成，數據采集終端與客戶端采集平臺的通信協議為標準MODBUS TCP協議[4]（系統框圖如圖1所示）。

圖1 船舶排放控制區監控系統框

數據采集部分的核心環節是數據采集終端和客戶端監控軟件的功能實現。GPRS 數據采集終端作為嵌入式PC與無線GPRS MODEM 的結合，具備了GPRS撥號上網和TCP/IP數據通信的功能，[4]通過向數據管理中心發起TCP或UDP通信請求，建立通信連接，進行數據雙向通信，接到串口數據時，DTU立即將串口數據封裝到TCP/UDP包里，發送到數據管理中心。每個數據采集終端都分配唯一的IP地址，以隊列形式排列，在正常通信鏈接情況下，對各數據采集終端進行掃描，成功采集完整的數據包。

客戶端監控軟件為主管機關排放控制區大氣污染防治提供重要參考，通過云計算、高性能計算機硬件技術手段，整合數據庫資源，通過建立模型對存儲的排放數據進行實時處理、分析和挖掘，并結合CCTV電視監控系統，使客觀數據與直觀監控第一時間內進行結合，供執法人員進行快速有效監管。船舶廢氣排放實時數據信息主要采用網頁瀏覽模式獲得，通過經過授權的計算機在互聯網直接登陸監控界面，并可實現在CCTV電視監控覆蓋范圍內對目標船舶進行同步視頻監控，進而便于指揮中心及時發現違排船舶，快速啟動現場執法及相關證據收集程序，為主管機關查處不符合燃油硫含量標準的船舶提供有力依據。

五、船舶排放控制區監控系統數據采集功能實現

1.傳感器硬件設計

根據現行船舶排放控制區第一階段對硫氧化物、氮氧化物和顆粒物的排放控制要求，船舶排放控制區內有條件的港口可以實施船舶靠岸停泊期間使用硫含量≤0.5% m/m的燃油等高于現行排放控制要求的措施，本系統主要對進入排放控制區的船舶煙囪排放廢氣進行持續監測，船舶廢氣具體包括氣態污染物（包括硫氧化物、氮氧化物等）以及顆粒物（也稱煙塵）。其中，氣態污染物監測采用PH傳感器HT61-P899，含塵（顆粒物）廢氣的監測采用粉塵傳感器DSM501A，將傳感器設備安裝到船舶煙囪頂部排氣管的適當位置。為了適應燃燒過程后氣樣的連續采集，傳感器材料需具備較強的防爆能力，在高溫條件下抗腐蝕性能較強。

2.GPRS DTU

數據傳輸單元DTU （Data Transfer unit），通過無線通信網絡進行數據傳輸，可以進行串口數據與IP數據互轉。具有RS485/RS232接口，串口速率：110 bps～230 400 bps，采用MODBUS ASCⅡRTU工業通信協議，電源適應范圍為DC6 V～DC32 V，內置電源反向保護和過壓過流保護。

3.數據采集程序的實現

本程序單船數據采集的氣態污染物和顆粒物這兩路信號是以并聯形式與RS485總線連接，程序需對數據采集過程中出現的異常情況予以考慮處理，流程圖如圖2所示。

圖2 數據采集程序流程

通過設置定時器對氣態污染物和顆粒物數據循環讀取，程序開始運行后，首先清空輸入輸出緩沖區，送出讀取目標數據的命令，同時內部定時器開始計時，定時間隔超過儀表回答延遲默認本次通訊失敗，程序自動讀取下一組數據。這里設定定時間隔為100 ms，在100 ms之內，若接收緩沖區收到大于等于9個字節，認為通訊成功，隨即存儲測量值，進行數據處理，顯示有價值的采集數據。充分考慮網絡覆蓋盲區，使用數據庫功能，可進一步實現對已采集數據實時進行存儲。[5]

4.數據采集終端供電方式

數據采集終端主要采用船電供電方式，但需要在終端機箱內安裝備用蓄電池。正常情況下，船舶電力系統為數據采集終端供電，當出現船舶電力系統供電異常的情況，通過電源管理模塊將供電模式切換到蓄電池供電。

5.數據采集終端的防爆要求

考慮到數據采集終端適用在不同船型上的防爆要求，數據采集終端機箱必須使用不銹鋼防爆機箱。

6.GPRS無限通信網絡

GPRS網絡是依托于手機模塊的功能實現的，只要是具有GPRS功能模塊的終端處于移動信號覆蓋的地方，無須用戶自己鋪設有形電纜或架設基站。[6]GPRS無限通信網絡包括GPRS模塊、GPRS/Internet網絡、數據中心數據管理單元。GPRS無線通信系統由發射設備、傳輸介質、接收設備三大部分組成?？紤]到排放控制區內部分海域尚未覆蓋通信網絡的情況，應當增加數據儲存單元，一旦網絡連接成功，立即向數據管理中心發送斷網期間儲存的船舶煙囪排放廢氣情況的數據信息。GPRS數據采集終端聯網傳輸框圖如圖3所示。

圖3 GPRS數據采集終端聯網傳輸框圖

六、CCTV在船舶排放控制區監控系統中的重要運用

本系統通過將物聯網技術和船舶排放控制區監管相結合，擬實現對排放控制區內目標船舶煙囪排放情況實行實時有效監控的目的，但這種方式獲取的僅僅是原始數據信息，缺少直觀方式對排放情況進行觀察了解，并且如遇及系統配置的電器元件出現故障時，不能及時有效反饋現場信息，因此本系統還需要利用原有CCTV電視監控系統作為必要完善和補充。CCTV系統中高清攝像頭的運用使得煙霧清晰可見，通過有針對性的視頻智能分析，可以做到煙體色彩識別（分析識別煙體的顏色）、煙體黑度分析（判斷煙體的黑度信息）和與船舶排放控制區監控系統所采集的原始數據相比對驗證。根據環保部門提供的數據監測內容，設置種類不同、等級不同的報警閥值，當數據超過閥值時，聯動預案啟動，[7]通過OSD疊加和GIS地圖對接技術，直觀地將目標船舶視頻在指揮中心大屏彈出，在電子海圖上顯示其位置信息，并于第一時間通知基層海事執法人員及時趕往現場進行船舶燃油硫含量查驗等相關工作。

七、結語

首先，船舶排放控制區監控系統基于物聯網技術對排放控制區內船舶排放廢氣進行實時可靠數據采集和監控，不僅為主管機關提供一手數據，準確及時掌握行政處罰依據，更有效地提高了主管部門的管理效率，縮小船舶排放控制區監控對象范圍，極大提高了查處燃油硫含量不符合現行標準的船舶的可能性，提升主管機關對船舶排放控制區的管控效果，解決執法人員力量不足與監管任務繁重之間的矛盾。其次，該系統反映的監控數據可以使船公司及時了解本公司經營船舶是否在排放控制區有違排現象，這樣可以盡量避免因船舶違排而面臨處罰和扣分的情況，也可以促使船公司督促所經營船舶嚴格執行排放控制區排放標準，承擔起相應的社會責任。同時，船舶排放控制區監控系統可以定期對收集數據進行統計分析，利用政務公開的方式，使公眾了解船舶排放控制區的環境狀況，參與到船舶大氣污染防治的社會治理工作中。因此，該監控系統的發展前景較為良好，具備研究開發的基礎動力。

1]李慧.我國首次設立船舶排放控制區[N].光明日報,2015-2-08(8).

2]魏敏.9月起長三角船舶排放控制區全面實施船舶靠岸換油(2017-09-05)[2017-10-15].[EB/OL].http://m.ce.n/bwzg/201709/05/t20170905_25749920.shtml.

3]王昆婷.《船舶發動機排氣污染物排放限值及測量方法(中國第一、二階段)》二次公開征求意見 促使在用船舶全面減排[N].中國環境報,2015-06-08(6).

[4]練操,范萌,陳長軍.基于測量機器人的遠程遙控技術開發[J].人民長江,2011(22):89-95.

[5]王平,張新東君.基于智能儀表的數據采集系統設計[J].自動化與儀表,2009(4):9-18.

[6]趙敏.基于GPRS網絡的無線通信系統的研究和實現[D].太原:太原理工大學,2008.

[7]蔣豐.視頻監控在智慧環保中的應用與發展[J].中國安防,2014(5):21-25.