基于無人機的船舶尾氣移動監測平臺研究

徐舜吉 倪訓鵬 張 劍 張亞朋

一、背景

航運尾氣排放污染已成為繼機動車尾氣污染、工業企業排放之后第三大大氣污染來源。我國港口多集中在長三角、珠三角、環渤海等人口稠密地區，致癌廢氣籠罩港口城市，給當地居民帶來巨大危害，加大航運污染治理力度刻不容緩。來自深圳環境科學研究院的測算數據顯示，一艘燃油硫含量3.5%的中大型集裝箱船，以70%最大功率的負荷24小時航行，其一天排放的PM2.5相當于21萬輛國四重貨車。2010年至2017年間，上海港集裝箱吞吐量逐年上升，穩居世界第一；貨物吞吐量總體保持上升趨勢，僅次于寧波-舟山港，居世界第二。船舶尾氣排放的污染物對上海及長三角港口城市群的空氣質量影響會越發顯著。船舶排放的SOx、NOx和PM2.5密集區主要分布在長江口和杭州灣水域，洋山深水港、寧波北侖港和上海北部航道排放量較大。船舶及港口污染是影響城市及區域空氣質量的“主要元兇”之一。主要排放物SOx易溶于水形成酸雨，加劇大氣污染，嚴重危害人體健康。

設立排放控制區是控制船舶大氣污染的一種重要手段，可以有效減少控制區內的污染物排放，減緩船舶排放對周邊地區大氣環境的影響。為貫徹實施《中華人民共和國大氣污染防治法》（2015年8月29日修訂通過，自2016年1月1日起實施），交通運輸部印發了《珠三角、長三角、環渤海（京津冀）水域船舶排放控制區實施方案》，并于2016年1月1日起正式施行。該方案要求，自2016年1月1日起，排放控制區內有條件的港口，可以實施高于現行排放控制要求的措施，包括船舶靠岸停泊期間使用硫含量不高于0.5%的燃油。自2017年起，船舶在排放控制區內的核心港口區域靠岸停泊期間（靠港后的1小時和離港前的1小時除外），應使用硫含量不高于0.50%的燃油。2018年起，這一要求擴大至排放控制區內所有港口內靠岸停泊的船舶。2018年11月30日，交通運輸部發布《船舶大氣污染物排放控制區實施方案》，于2019年1月1日生效實施，排放控制區新政將排放控制區的范圍擴展到全國沿海水域和長江、西江干線水域，同時對燃油硫含量的控制更加嚴格。

船舶排放控制區政策和效果的落地，需要強有力的監管手段作為保障。目前海事部門主要通過現場執法過程中的對燃油質量、供受油單證、記錄文書等控制區相關要求內容的檢查，并視情況進行燃油取樣檢測的方式實現對排放控制區船舶燃油硫含量的監管，存在檢查目標比較隨機、針對性不強、效率相對較低等缺點。如何充分利用最新的科技成果，自動識別使用硫含量超標燃油的嫌疑船舶，指導海事現場執法，急需進行相關研究。本文通過對基于無人機的移動監測平臺的研究分析，嘗試利用最新的科技成果推進船舶排放控制區各項政策的落實和船舶減排目標的實現。

二、無人機在行業應用中的現狀分析

（一）無人機在環保領域的應用

無人機因其經濟、便攜和易操作等優勢，目前在大氣環境監測領域已經大量應用。在環保領域應用最多的是無人機搭載可見光相機，但可見光相機對大氣污染物的觀測僅停留在拍照、視頻階段，缺乏精準監測數據作為支撐，并受光照、雨霧、攝像頭低分辨率等因素的影響，只能對污染濃度較大的可見性污染源（如黑煙囪、秸稈焚燒等）進行監控。

此外，在環保領域還有搭載紅外熱像儀的無人機，可使無人機在夜間條件下進行監測，熱像儀的熱分布可視化、測溫等特性能夠有效地發現夜間生產的排污企業，可作為遏制夜間偷排的一種手段。但熱像儀受環境條件的影響過大，且不同種類企業的熱分布形式不同，排放溫度與排放量沒有必然的關聯，相關模型復雜，需較長時間比對和監測才能得出檢測結論，難以滿足環境監測的迫切需求。

（二）無人機在船舶尾氣監測領域的應用

目前歐洲許多國家在排放控制區監管方面已經開始使用“固定翼飛機+氣體傳感器”的監測手段，即通過固定翼飛機搭載多種因子的高精度氣體檢測傳感器或氣體采集裝置，在排放控制區內對船舶尾氣進行監測。丹麥、比利時、德國等國家已經運用此種手段成功抓到多起使用燃油硫含量超標、違法排放尾氣的船舶。目前，丹麥等國正在研究通過“無人機+氣體傳感器”對船舶尾氣進行監測。

我國在利用“無人機+氣體傳感器”平臺進行排放控制區尾氣監測方面與歐洲基本處于同一起跑線，目前的研究已經取得了比較明顯的成果。本文即是通過“無人機+氣體傳感器”模式，探索基于無人機的船舶尾氣移動監測平臺建設的可行性。

三、無人機移動監測平臺的構建

（一）基本原理

無人機移動監測平臺的構建主要是利用無人機搭載尾氣監測吊艙。目前，常用的尾氣監測裝置有兩種：一種是使用嗅探器技術的尾氣監測吊艙，在船舶廢氣煙羽的下風向利用提取設備（嗅探器）測量SO2（ppb）和CO2（ppm）的比值，以此獲得燃油硫含量（%）。嗅探器分為一般嗅探器和微型嗅探器兩種，搭載平臺可為橋梁等岸基和無人機、直升機、固定翼飛機等飛行設備（微型嗅探器搭載平臺僅為旋翼機），對于0～0.2%燃油硫含量（FSC）的精確度為±0.1%（當NOx濃度不高于0.05%時）。另一種是光學傳感尾氣監測吊艙，通過測量SO2和NO2對光（如陽光）的吸收推算燃料硫含量（%），一般為岸基遙測，受船舶工況和環境能見度影響較大，可測燃油含硫量范圍為0.1%～1%，目前德國在使用，與嗅探器技術形成互補。

使用嗅探技術的尾氣監測吊艙具有體積小、便于無人搭載等特性，且光學傳感技術需要當時大氣的背景值，所以對周圍空氣環境有質量要求，在污染源較多的環境下測試結果的精度會大大降低。因此，無人機搭載使用嗅探器技術的尾氣監測吊艙，在實際應用中更為可行。

尾氣監測吊艙可以采集船舶尾氣煙羽中的SO2和CO2。研究表明，在船用燃油或柴油中碳含量約為87%。在發動機理想的工況下，其中的碳和硫全部燃燒分別轉化為CO2和SO2，則燃油中的硫含量可用式（1）計算：

其中：SFC為燃油中的硫含量，A（S）為硫的相對原子質量，A（C）為碳的相對原子質量。

通過式（1）計算得到燃油中硫含量的數據，即可以為執法人員執法提供依據，提高執法效率，解決在航船的燃油使用監管問題。

（二）系統組成（見圖1）

圖1 系統整體結構

1.無人機平臺的選型

目前，結合外高橋港區的風速、無人機需要搭載的吊艙重量和無人機的續航能力，我們選取了大疆M600pro。該無人機平臺是由主飛行器模塊、云臺相機模塊、鋰電池模塊、地面遙控器模塊、運輸箱模塊和軟件系統組成。使用時可以將尾氣檢測設備掛載于無人機機架下，并在系統實際運行時通過無人機的遙控器控制無人機監測的位置，同時無人機的機載相機可以將拍攝到的現場畫面傳輸至遙控器端地面監視器。

2.氣體檢測吊艙的配置

船舶尾氣監測吊艙系統主要由尾氣傳感模組、供電系統、吊艙外殼、尾氣數據控制、處理與傳輸系統、GPS模組、無人機控制端軟件系統以及服務器端軟件系統組成。使用時用戶可以將船舶尾氣監測吊艙系統掛載于無人機機架下，并在系統實際運行時在無人機的遙控器端通過GSM方式控制監測吊艙系統的部分工作狀態，同時船舶尾氣監測吊艙系統將監測所得的尾氣監測數據以及GPS數據等通過GPRS傳輸至數據服務器端。

3.數據處理和展示

數據處理和展示系統整體分為兩層結構：數據處理層和數據表示層。

數據處理層。數據處理層主要實現以下兩個功能模塊：（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。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。

（三）影響因素分析

1.如何準確識別煙羽

為準確測量尾氣中SO2和CO2的數值，首先需要定位尋找煙羽位置。目前，歐洲常用的識別煙羽的方法是在尾氣吊艙中加裝NO傳感器，由于空氣中不含NO，如果傳感器測得NO的數值，即表示進入船舶尾氣煙羽中。但是，由于上海港轄區船舶流量大，相鄰船舶較多，不能準確判斷NO來自于哪一船舶。為此，需使用紅外攝像機作為輔助設備，利用熱成像原理，識別船舶尾氣煙羽。

2.旋翼會擾動氣流，對結果有影響

無人機在飛行過程中，旋翼旋轉會對周圍的氣體產生影響，為了盡可能減少旋翼旋轉對測試結果的影響，需要將尾氣監測吊艙收集氣體的管路延伸到距離無人機較遠的位置，盡可能減少旋翼對尾氣濃度分布的影響。

3.磁場對無人機的干擾，影響無人機的飛行安全

無人機在飛行過程中，主要依賴指南針進行定位分辨方向。但是，由于監測位置在碼頭前沿水域或航道中，且船舶本身有各類通信設備，無人機經常會受到各類磁場干擾，對無人機的飛行安全產生影響。因此，無人機需要加裝防電磁干擾設備，保障其能夠適應在復雜環境下的工作。

四、無人機移動監測平臺應用效果分析

根據先易后難的順序，先使用無人機移動監測平臺對靠泊碼頭船舶進行了監測，同時配合執法人員登輪取樣，所得數據如表1所示。

從表1中可以看出，使用無人機測量在碼頭靠泊船舶尾氣中的SO2和CO2的濃度，測算船舶使用燃油硫含量數值和船舶實際使用燃油硫含量數值相比誤差較小，基本在10%范圍以內。

對靠泊船舶測試成功后，使用無人機在航道中對在航船舶進行多次監測，并對試驗結果進行了分析。

表1 碼頭靠泊船舶硫含量檢測對比表 ppm

圖2和圖3分別是對使用硫含量超標燃油的在航船舶“榮海98”輪和“錦昌茂”輪進行監測時，后臺數據庫中顯示的SO2和CO2在空氣中濃度的歷史變化曲線圖。從圖中我們可以看出當無人機進入船舶煙羽時，SO2和CO2的濃度會有明顯的升高趨勢，選取有效數值和背景值進行計算，即可推算出燃油中的硫含量。

圖2 “榮海98”輪尾氣中SO2和CO2濃度

圖3 “錦昌茂”輪尾氣中SO2和CO2濃度

通過監測船舶尾氣中的SO2和CO2的濃度，推算所用燃油中硫含量數據，并和實際燃油檢測數據進行對比，數據如表2所示。

表2 在航船舶硫含量測試對比表 ppm

從表2中可以看出，使用無人機監測船舶尾氣中SO2和CO2的濃度，經測算判定在航使用硫含量超標燃油的船舶，確實為超標船舶。但是，其所測算的燃油硫含量數值和檢測油樣所得數值差值較大。

對比表1和表2，無人機監測在航船舶使用燃油硫含量的數值與實際值有較大差距，而監測靠泊在碼頭的船舶誤差較小。經調查和分析，發現使用無人機檢測在航船舶尾氣時，如果監測到燃油硫含量超標會通知船舶去錨地錨泊待檢，船舶從被發現地到錨泊，需要航行一段時間，在這段時間船方為了逃避處罰會換油，甚至會想盡一切辦法從供油管系中泄放高硫燃油，因此所取油樣的硫含量會比無人機監測所得硫含量低很多。

五、無人機移動監測平臺應用中存在的問題

（一）如何將測試結果與執法過程相結合

目前，各類大氣監測傳感器對氣體濃度的檢測已經十分成熟，尤其在實驗室無干擾的情況下測試結果非常準。但是，由于海事監管船舶的特殊性，僅僅得到空氣中的數據，對海事監管作用不大。監測船舶尾氣中SO2和CO2的濃度，主要是為了推算燃油中的硫含量，為執法人員執法提供依據，監測尾氣最終的落腳點是為了推算轄區船舶使用燃油硫含量的情況。因此，如何更準確地將空氣中的SO2和燃油中的硫含量建立映射關系，針對映射后的計算結果設定報警閾值，保障既能夠提高執法人員執法效率，又能盡量不影響船舶正常作業是目前需要著重攻克的難點。

（二）處理數據需考慮各類干擾因素

無人機在船舶上空飛行，監測到的氣體數據不一定全部來自于該船舶。高空大氣環流復雜，同時還存在無人機氣流擾動等的影響，污染物擴散模型難以建立，要做到對船舶尾氣濃度分布和區域污染物時空分布快速反演并非易事。因此想要排除各類干擾項，使測試數據更加精確，還需要做大量工作。

（三）使用無人機監測大氣沒有相關標準

國家對環保監測的方法和標準有嚴格的規定，與大氣相關的技術規范已經很成熟，無人機屬于新鮮事物，自身的標準仍未確定，使用無人機進行氣體監測更沒有標準。沒有標準、規范，就沒有依據，因此目前無人機監測所獲得的數據只能夠作為參考佐證或科研數據，并不能直接用于執法證據。

六、對策措施

（一）建立分級報警系統，實現分級目標管理

在現階段數據量不夠大、映射關系不完善的情況下，為了滿足執法要求，根據已有數據和映射關系，可以建立分級報警系統，不同的報警級別表示船舶使用燃油硫含量超標的不同概率，執法人員可以根據報警級別不同，合理分配執法力量。“無人機+氣體監測+分級報警系統”可部分實現實時監控區域內污染物動態變化，快速捕捉污染源的異常排放行為，助力執法人員實現差異化管理和分級目標管理。

（二）建立多平臺數據比對系統，排除環境干擾

無人機監測的數據由于受到多種環境因素干擾，會產生不確定性。解決此類問題，需要與岸基監測點、遙感設備、大氣環境等多平臺數據比對、校準，并建立大數據平臺和相關數據模型進行解析，排除干擾因素影響，測得較為準確的船舶尾氣值。

（三）建議國家出臺船舶尾氣排放標準

現階段對于船舶尾氣的監測，只能作為執法參考，最終還是需要執法人員登船抽樣檢測，最后確定船舶使用燃油硫含量的數據。這一執法手段過于煩瑣，同時此手段僅能從油品來控制尾氣對大氣的污染，缺少對于燃油使用過程的監管。我們的最終目的是減少尾氣對大氣的污染，因此，更為直接有效的做法是在國家標準層面出臺直接對船舶尾氣排放要求的相關標準。這樣對源頭和結果雙管齊下，才能更好地監管船舶尾氣排放。同時，無人機對船舶尾氣的取樣方法和測量計算按照國家標準進行，其所得結果就可直接作為執法證據。