基于無人機的船舶尾氣檢測系統設計

史華杰，安博文，潘勝達，白響恩，周 凡

（上海海事大學 信息工程學院，上海 201306）

隨著我國航運事業的高速發展，各大港區的船舶流量不斷加大，船舶尾氣污染日趨嚴重。為應對當前節能減排的國際形勢，國內部分港區開始建立船舶尾氣排放區。經調研，目前在海事監管領域中對于港區船舶尾氣排放的監管，首先人為通過視覺觀察船舶煙囪口的尾氣排放情況，然后選擇性地登船，進行燃油取樣，送第三方檢驗部門做化驗分析，最后以油樣的相關指標參數作為船舶是否排放超標的依據。而得到檢查結果一般需要2天以上的時間。因此，該方法檢查目標較隨機，針對性不強，效率相對較低。

無人機因具有輕巧靈活、裝載方便等優點，在船舶的動態管理、防污染監視、執法取證等方面具有其他方式不可比擬的優勢。用無人機裝載氣體檢測設備，沿港區航線飛行，就可以快速檢測港區各艘船舶的尾氣濃度，根據燃料油的硫含量與尾氣中SO2濃度關系，即可間接檢測出燃料油中的硫含量范圍。然而，現今國內已有的氣體檢測設備[1-3]主要針對火力發電廠、石油化工企業等行業，其主要檢測方式都需要固定安裝在煙囪上，設備體積龐大，因此無法裝載到無人機上。此外，還必須先通過燃燒試驗，確定燃料油的硫含量與尾氣中SO2兩者的定量關系。針對以上問題及需求，文中設計了基于無人機的船舶尾氣檢測系統。

1 系統總體規劃

基于無人機的船舶尾氣檢測系統的整體結構如圖1所示。其結構分為3層：數據采集層、處理層和表示層。

圖1 檢測系統的整體結構Fig.1 Overall structure of detection system

數據采集層包括氣體檢測吊艙系統和AIS基站，分別用于采集氣體濃度和船舶信息。其中氣體檢測吊艙系統選用STM32為主控芯片，以GPRS（general packet radio service）作為網絡基礎，將檢測數據通過IP數據流的方式傳輸至數據處理層。AIS（automatic identification system）基站通過 VHF天線，可接收附近海域船舶的VHF信號，并通過RS485將AIS報文傳輸至數據處理層。

數據處理層主要實現2個功能模塊：①接收、解析并存儲AIS和氣體檢測信息；②融合船舶和吊艙系統的GPS信息，識別對應船舶的尾氣濃度。

數據表示層利用WebGIS技術，將船舶與吊艙設備制作成地圖符號，在地圖界面上動態渲染檢測信息。

2 系統設計及實現

2.1 氣體檢測吊艙系統

針對無人機載重的局限性，設計了氣體檢測吊艙系統。吊艙系統負責氣體濃度的檢測、傳輸。

2.1.1 氣路結構

氣體檢測的主要對象是?？坑诟蹍^船舶的煙囪口排放的尾氣。為了提高檢測結果的可靠性與精度，在檢測時需要控制檢測設備靠近尾氣排放的煙囪口。由于所排放煙氣帶來的高溫會對檢測設備產生影響，降低檢測設備的檢測精度和使用壽命，嚴重時甚至造成設備的永久損壞。為此，氣體檢測吊艙系統采用如圖2所示的氣路結構設計。

圖2 氣路結構Fig.2 Gas path structure

由圖可見，在輕量化外殼內部設定了1個小型氣泵負責抽取冷卻管中的氣體，煙氣體通過長度1 m的耐高溫冷卻管，冷卻降溫后再進行尾氣檢測，以防止煙氣溫度過高對傳感器以及控制中心的破壞；使用除濕過濾裝置，對采集的氣體進行除濕過濾，以防硫氧化物遇水形成液態酸性物質腐蝕整個設備；待測氣體進入傳感器室，經過滲透膜后進入電解槽，使在電解液中被擴散吸收的氣體在規定的氧化電位下進行電位電解，根據耗用的電解電流求出該氣體的濃度，獲取氣體中的含硫濃度，最后氣體從出氣接口排出。

2.1.2 電子學結構設計

氣體檢測吊艙系統電子學結構圖3所示。在該結構中設計兩級電源轉換，采用MP2303A作為一級電源，MP2303A將28 V降至5 V，為SIM868模塊和傳感器模塊提供工作電壓；AMS1117-3.3作為二級電源，將5 V降至3.3 V，其主要作用是為STM32提供穩壓電源。其中SIM868模塊作為通訊模塊，該模塊需外接GPS和GPRS天線，用于獲取經緯度信息和傳輸檢測信息，為此輕量化外殼設計了GPS和GPRS天線接口。核心板選用STM32F103作為主控芯片。

圖3 吊艙系統電子學結構Fig.3 Pod system electronic structure

2.1.3 軟件設計

該系統采用 FreeRTOS操作系統[4]，FreeRTOS每個執行的線程都被稱為“任務”。程序設計中需要對各個任務進行調度。FreeRTOS共有4種任務狀態，分別為掛起、就緒、阻塞、運行。任務之間的數據傳輸，設計使用向隊列中傳入結構體的方式來實現。如圖4所示，首先隊列中數據為空，當任務A完成后，將數據發送到指定隊列中，然后任務B從隊列中獲取數據，最后刪除隊列中已被獲取的數據，隊列再次為空。

圖4 數據傳輸方式Fig.4 Data transmission method

該檢測系統的主要任務是傳感數據的采集和傳輸。針對傳感數據的采集和傳輸，采用阻塞態的同步事件和隊列數據傳輸方式實現。數據采集和傳輸流程如圖5所示。

圖5 傳感器信息處理流程Fig.5 Sensor information processing flow chart

當UART中斷未發生時，中斷服務例程和中斷延遲處理均處于阻塞狀態，當UART中斷發生，中斷服務例程從阻塞狀態轉換成就緒狀態，等待任務調度器調用，中斷服務例程完成后，將采集數據結構體存放至數據隊列中。中斷延遲處理函數首先獲取信號量，若信號量有效，則等待延遲，接著從數據隊列中獲取采集數據結構體，然后控制中心通過AT指令集，控制通訊模塊SIM868芯片，獲取當前GPS信息和網絡時間，最后將數據信息編碼，通過IP數據流的方式傳輸到數據服務器。其中對于數據處理層和氣體檢測吊艙系統的雙向數據傳輸，氣體檢測吊艙系統設定為客戶端，主動連接數據處理層的IP和端口。

為保證延遲處理任務僅處理一次有效的采集數據報文，則三者的時間應滿足

式中：Ts為延遲信號量；Ti為傳感器數據固定上傳傳輸數據的時間間隔；Td為延遲函數處理時間。

由于網絡延遲等其他原因，氣體濃度采集報文在GPRS網絡傳輸的過程中，存在信息報文缺失的情況，為保證傳輸過程中信息的完整性，采用的傳輸協議見表1。

表1 氣體檢測傳輸協議Tab.1 Gas detection and transmission protocol

該協議采用前38按位相加再取反+1方式生成校驗碼。接收方首先需通過按照前38位生成校驗碼，然后與傳輸信息中的第39位校驗碼對比，若相等，表示氣體濃度信息完整，則正常解析；若不相等，表明該信息為錯誤信息，則丟棄該條報文。

2.2 數據處理層

2.2.1 AIS 數據報文

ITU-R M.1371.5建議書在 VHF水上移動頻段使用時分多址的自動識別系統的技術特性[5]確定了AIS報文格式。AIS共有27類不同內容的消息報文。該系統需檢測在港區運動船舶的信息。對于運動船舶的消息報文的類型分別為 1，2，3，18，19。 解析這5類消息，可以獲取船舶的經度、緯度、地面航速、地面航向等信息。

2.2.2 匹配對應船舶的尾氣濃度

將船舶信息和吊艙檢測信息進行融合，匹配對應船舶排放的尾氣濃度。尾氣吊艙和船舶位置關系如圖6所示。

圖6 檢測點和船舶的相對位置Fig.6 Relative position of detection point and ship

在不考慮其他因素的情況下，可知尾氣吊艙設備的有效檢測范圍為Rd。若可求得附近各艘船舶與吊艙設備的相對距離Lab，那么當船舶與吊艙設備相對距離滿足Lab＜Rd條件時，吊艙設備當前檢測的氣體濃度即為對應船舶尾氣排放的濃度。根據AIS報文和采集數據報文，已知條件為吊艙設備和船舶的經緯度，為此首先需根據兩者間的經緯度求其相對距離 Lab。

設A為船舶，B為吊艙設備，已知A的經緯度為（Aj，Aw），B 的經緯度（Bj，Bw），地球半徑為 R。 吊艙設備相對于地面的高度相對于地球半徑而言相對較小，故在此忽略吊艙設備距離地面的高度。

當兩點間距離較近時，采用式（2），求出AB間的距離 Lab，即

式中：Xa，Ya，Za為三維直角坐標下點 A 的坐標；Xb，Yb，Zb為三維直角坐標下點B的坐標。遍歷數據庫中的船舶數據，當Lab＜Rd時，當前時刻吊艙設備檢測的氣體濃度即為對應船舶的尾氣排放濃度。

2.3 數據表示層

數據表示層以WebGIS的方式實時渲染檢測信息。對WebGIS的二次渲染，采用第三方開源庫OpenLayers進行地圖數據的渲染。OpenLayers是一個專為WebGIS客戶端設計并用于實現標準格式發布的類庫，其整體結構如圖7所示。

圖7 OpenLayers架構Fig.7 OpenLayers structure

圖中，Map為地圖容器；View為負責地圖的中心點和投影；Layer資源數據的圖層。其中Layers分為 Tile，Image，Vector三類圖層。 Vector層主要用于客戶端渲染矢量數據。該檢測系統主要在Vector圖層對船舶信息和檢測信息符號化，對地圖進行二次渲染。地圖要素是構成地圖的基本要素，且各要素具有唯一標識號。根據數據庫主鍵的唯一性約束，設計主鍵與地圖要素標識號一一對應。對船舶和吊艙信息實時渲染的流程如圖8所示。

圖8 WebGIS數據渲染流程Fig.8 WebGIS data rendering flow chart

客戶端首先創建AJAX對象，然后以POST方式向后端請求信息，后端服務器根據請求參數，遍歷數據庫并查詢檢測信息，正常獲取信息后并將該信息編碼成JSON格式的數據報文發送至客戶端?？蛻舳双@取并解析檢測信息報文，根據檢測信息的唯一標識號，遍歷地圖上的已存在要素，若返回值為空，則創建新要素，并添加到矢量圖層。反之，則獲取該要素并更改要素的屬性，最后刷新整個矢量圖層。

為了更加明顯區分不同時間段的船舶，對于船舶符號，系統設計了2套不同顏色的船舶，黃色船舶符號為當前系統時間與接收到AIS報文時間差超過0.5 h以上的船舶，綠色船舶符號則為時間差在0.5 h以內的船舶。

3 系統的測試與分析

該船舶尾氣檢測系統設計完成后，分別在實驗室和港區對該系統進行測試。尾氣燃燒實驗室測試現場和港區實測現場如圖9所示。

圖9 系統測試現場Fig.9 System test site

不同硫含量的燃料油可以影響發動機排放的SO2濃度。實驗室分別對硫含量（質量分數）0.52%和0.706%的燃料油進行了燃燒試驗，以獲得不同硫含量的燃料油與尾氣中SO2濃度的定量關系。實驗室尾氣燃燒的環境參數如下：溫度25℃，相對濕度61%，風速3 m/s；發動機轉速89 r/min，功率892 kW。實驗室煙囪口直接測試所得的實際尾氣排放測試結果如圖10所示。

圖10 實驗室煙囪口直接測試的尾氣排放濃度Fig.10 Emission concentration of laboratory chimney exhaust gas

根據圖10煙囪口的直接測試結果顯示，硫含量為（質量分數）0.706%的燃料油，其排放的尾氣中SO2排放濃度均值為384 mg/m3；硫含量（質量分數）0.52%的燃料油，其SO2排放濃度均值為228 mg/m3?？梢姡芭欧诺奈矚庵蠸O2濃度，隨燃料油中硫含量的減少而減少。

根據港區實際檢測數據繪制的數據折線如圖11所示。無人機吊艙檢測數據受無人機實際飛行時采樣點位置的影響，且吊艙測得的數據受風速風向影響較大，因系統測試當天港區風力較大，故測試結果起伏較為明顯。

圖11 港區無人機飛行檢測的數據折線Fig.11 Data folding of flight detection for UAV in port area

數據表示層對檢測信息的實時渲染效果如圖12所示。其中，圖12a為網頁地圖對于檢測信息渲染的整體效果，圖12b為無人機吊艙實時顯示的檢測數據，圖12c為船舶運行的動態信息。

數據表示層對于無人機自動巡航檢測到的各艘船舶排放SO2的濃度信息統計匯總如圖13所示。 其中，SO2濃度/（mg·m-3）和燃油硫含量（質量分數）的映射關系，以實驗室燃燒試驗的結果作為標準。

圖12 GIS實時信息Fig.12 GIS real-time information

圖13 船舶尾氣排放實時顯示Fig.13 Real-time display of ship exhaust emission

經過實際測試，根據檢測尾氣中SO2的濃度來間接測量燃油硫含量范圍的方法，具有一定的可行性。在港區的實際測試中，該系統可以自動識別船舶，并確定尾氣中SO2的濃度以及燃油中硫含量的范圍。

4 結語

結合海事監管的實際需求，設計了基于無人機的船舶尾氣檢測系統。該系統借助無人機靈活、方便裝載的優點，能夠快速巡航并自動檢測船舶的SO2濃度和燃油中的硫含量，與原來的檢測方式相對比，降低了人力、時間成本。目前實驗室僅對2種不同硫含量的燃料油完成了燃燒對比測試，后續還將開展更多的燃燒測試，以測定不同燃料油的硫含量與尾氣中SO2定量關系。

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[5] 國際電聯無線電通信部門．ITU-R M.1371-5建議書：在VHF水上移動頻段使用時分多址的自動識別系統的技術特性[S]．日內瓦：國際電信聯盟，2014． ■