基于無人機的船舶尾氣監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

冀青鵬，李曉波，李 珂

(1.中國船舶集團有限公司第七一一研究所，上海 201108；2.船舶與海洋工程動力系統(tǒng)國家工程實驗室，上海 201108)

1 引言

隨著全球貿(mào)易的蓬勃發(fā)展，水路運輸成為貨運的重要組成部分，而運營船舶的數(shù)量急劇增多導(dǎo)致海洋大氣污染日益嚴(yán)重，據(jù)相關(guān)統(tǒng)計海洋污染中的50%是由于水路運輸造成的，船舶航行過程中產(chǎn)生的尾氣污染，成為航運密集水域空氣污染的主要來源[1]，2019年1月1日起，《船舶大氣污染物排放控制區(qū)實施方案》將排放控制區(qū)范圍擴大到全國沿海及長江和西江干線，要求進入控制區(qū)的海船應(yīng)使用硫含量不大于0.5%的燃油，2020年1月1日起，要求全球水域航行的海船都應(yīng)使用硫含量不大于0.5%的燃油[2]。隨著排放法規(guī)的日益嚴(yán)苛，海事部門對船舶大氣污染物排放的監(jiān)測監(jiān)管壓力也隨之增大，目前海事局執(zhí)法人員所使用的監(jiān)控手段是直接登輪抽油化驗，該種方法大大降低了執(zhí)法人員的執(zhí)法效率，提高了人工成本。以上海市為例，檢測率不到0.5%。為了提高監(jiān)控效率，目前有相關(guān)基于無人機的船舶氣態(tài)污染物監(jiān)測系統(tǒng)用來監(jiān)測船舶氣態(tài)污染物，但是系統(tǒng)使用GPRS方式傳輸數(shù)據(jù)，在港口碼頭等無信號區(qū)域無法實現(xiàn)信號的傳輸。

徐舜吉等[3]采用無人機搭載氣態(tài)污染物監(jiān)測吊艙監(jiān)測船舶氣態(tài)污染物的排放并將數(shù)據(jù)使用GPRS上傳至遠(yuǎn)程服務(wù)器，遠(yuǎn)程服務(wù)器運行分析算法計算船舶監(jiān)測船舶的燃油含硫量，從而判斷船舶排放是否超標(biāo)，該種方式使用GPRS數(shù)據(jù)流量作為數(shù)據(jù)傳輸方式，在有運營商信號的區(qū)域能較好的完成監(jiān)測任務(wù)，但是在沒有運營商信號區(qū)域無法上傳數(shù)據(jù)到遠(yuǎn)程服務(wù)器，這對監(jiān)測有一定影響。

史華杰等[4]采用無人機監(jiān)測船舶排放，使用GPRS數(shù)據(jù)流量作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ溃瑯釉摲N通訊方式在電信運營商信號覆蓋良好的地區(qū)可以較好地傳輸數(shù)據(jù)，但是在港口近海區(qū)等地方不能正常傳輸數(shù)據(jù)，同時系統(tǒng)通過燃油燃燒實驗判定燃油含硫量，該種方式需要多樣本標(biāo)定模型，才能準(zhǔn)確獲得船舶燃油含硫量。

LoRa技術(shù)是LPWAN通信技術(shù)中的一種，是美國Semtech公司采用和推廣的一種基于擴頻技術(shù)的超遠(yuǎn)距離無線傳輸方案[5]，LoRa無線技術(shù)作為物聯(lián)網(wǎng)“最后1 km”的接入方案，在企業(yè)物聯(lián)網(wǎng)專網(wǎng)建設(shè)方面更具有優(yōu)勢，無線網(wǎng)關(guān)在城市覆蓋距離可達2～5 km，農(nóng)村等空曠地帶可達到15 km，主要部署在居民樓小區(qū)樓頂?shù)鹊胤剑┩噶娗译姶泡椛涞停x址靈活，可遠(yuǎn)距離覆蓋地下室，弱強電井等地方[6]，在空曠的碼頭等地區(qū)具有應(yīng)用優(yōu)勢。

目前還沒有針對港口等特殊環(huán)境中監(jiān)測船舶氣態(tài)污染物系統(tǒng)的總體設(shè)計，導(dǎo)致監(jiān)測船舶氣態(tài)污染物成本高、效率低、精度差，因此，本文結(jié)合電子技術(shù)、電化學(xué)傳感器、氣態(tài)污染物擴散特性設(shè)計了基于無人機的船舶氣態(tài)污染物排放監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有更全面的傳感器包括氣態(tài)污染物濃度傳感器，氣象參數(shù)傳感器，定位傳感器，更加靈活的監(jiān)測方式，大大提高了船舶氣態(tài)污染物監(jiān)測的效率和精度，同時也降低了監(jiān)測的成本。

2 系統(tǒng)設(shè)計

監(jiān)測系統(tǒng)由傳感器及氣體處理系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)無人機系統(tǒng)組成，監(jiān)測船舶氣態(tài)污染物時，系統(tǒng)熱機程序完成且通信鏈路穩(wěn)定后通過無人機搭載監(jiān)測系統(tǒng)飛行至目標(biāo)船舶排煙后方，無人機按照監(jiān)測路徑飛行監(jiān)測，使用計算系統(tǒng)中的控制軟件，打開空氣泵，使用控制軟件監(jiān)測目標(biāo)船舶的污染物排放，查看污染物濃度曲線，確定污染物的峰值與平均值，計算出目標(biāo)船舶的燃油含硫量，如果燃油含硫量超標(biāo)，可以將濃度數(shù)據(jù)以及根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)傳回的GPS定位信息和第三方船舶AIS數(shù)據(jù)庫獲取目標(biāo)船舶的船舶AIS數(shù)據(jù)進行保存(圖1)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

2.1 氣體處理系統(tǒng)

氣體處理系統(tǒng)為傳感器的監(jiān)測提供穩(wěn)定良好的氣體供應(yīng)和監(jiān)測環(huán)境，主要對待檢測氣體進行過濾，提供密閉的監(jiān)測氣體室。使用真空泵對密閉氣體室中的待監(jiān)測氣體進行強制對流，以達到良好的監(jiān)測實時性，由于無人機承重有限，氣體室采用3D打印完成如圖2所示，在保證緊湊性的同時最大限度減輕重量。

圖2 氣體室

2.2 傳感器系統(tǒng)

傳感器系統(tǒng)配備了NO、CO2、SO2、NO2四種氣體濃度傳感器、溫濕度傳感器、大氣壓傳感器以及定位傳感器，且根據(jù)無人機的特殊使用環(huán)境，NO、SO2、NO2氣體濃度監(jiān)測傳感器采用英國Alphasense公司的B4系列高精度電化學(xué)傳感器，CO2傳感器使用Alphasense公司的NDIR傳感器，兩種氣體濃度傳感器都具有功耗低，穩(wěn)定性高，結(jié)構(gòu)尺寸小，靈敏度高，響應(yīng)時間快的特點，適合無人機搭載監(jiān)測。溫濕度傳感器采用SENSIRION公司的SHT3X-DIS系列傳感器，大氣壓力傳感器采用BOSCH的BMP280傳感器。定位傳感器使用UBLOX公司的NEO-6M模組。

2.3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)采用STM32F7系列芯片，搭載FreeRTOS實時操作系統(tǒng)，主要用于監(jiān)測系統(tǒng)的運行流程控制，包括傳感器信號的放大與轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)的存儲，數(shù)據(jù)的發(fā)送控制指令的接收，傳感器的標(biāo)定等。控制系統(tǒng)以1 Hz的頻率讀取電化學(xué)傳感器以及氣壓氣溫等傳感器的值并通過標(biāo)定程序?qū)鞲衅髦缔D(zhuǎn)換成實際量程值，然后通過MODBUS-RTU發(fā)送至無線LoRa通信模塊，無線LoRa模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至另一端的接收模塊中。

電化學(xué)傳感器較靈敏，傳感器原始電流較微弱，系統(tǒng)使用低噪聲放大電路對傳感器信號進行放大，避免因其他信號的干擾導(dǎo)致傳感器的不穩(wěn)定。

控制系統(tǒng)與遠(yuǎn)程計算系統(tǒng)之間的通信作為監(jiān)測系統(tǒng)較重要的一環(huán)，其中控制系統(tǒng)將氣體濃度傳感器的監(jiān)測值通過LoRa無線模塊發(fā)送到遠(yuǎn)程計算系統(tǒng)，同時接收遠(yuǎn)程計算系統(tǒng)發(fā)送的指令，監(jiān)測系統(tǒng)使用了標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS-RTU作為信息傳送的協(xié)議，在控制系統(tǒng)和計算系統(tǒng)之間完成了數(shù)據(jù)的傳遞。

2.4 計算系統(tǒng)

2.4.1 燃油含硫量的計算

燃油含硫量可以根據(jù)硫碳元素平衡的原理來計算，假設(shè)燃油中的硫碳元素完全燃燒，且全部轉(zhuǎn)換為SO2和CO2，則燃油含硫量可以使用式(1)來表示[7]。

(1)

式(1)中，F(xiàn)SC：燃油含硫量，單位%；CSO2,peak:SO2峰值；CSO2,mean:SO2背景值；CCO2,peak:CO2峰值；CCO2,mean:CO2背景值。

2.4.2 煙羽擴散仿真

船舶排放的氣態(tài)污染物經(jīng)過空氣中的擴散，污染物濃度會逐漸降低，污染物濃度逐漸降低稀釋的過程通常可以使用高斯擴散模型進行模擬[8]，高斯模型適用的前提條件，污染物濃度在y、z軸向上的分布符合高斯分布(正態(tài)分布)；在全部空間中風(fēng)速是均勻的、穩(wěn)定的；源強是連續(xù)均勻的；在擴散過程中污染物的質(zhì)量是守恒的。

(2)

式(2)中，ρ(x,y,z)空間中某一點的濃度，單位為g/m3；Q：源強，單位為g/s；ū：平均風(fēng)速，單位為m/s；σy：距遠(yuǎn)點x煙流中污染物在y向分布的標(biāo)準(zhǔn)差，單位為m；σz：距遠(yuǎn)點x煙流中污染物在z向分布的標(biāo)準(zhǔn)差，單位為m。

而實際上對于遠(yuǎn)洋船來說，船舶煙囪距離海平平面一般具有10 m左右的距離，因此需要考慮排放源的高度。

(3)

使用煙羽擴散高斯模型對源排為1000×10-9的排放進行模擬計算，結(jié)果如下，由圖3可知在沿著風(fēng)向污染物濃度逐漸降低，在距離源排200 m以內(nèi)污染物濃度在50×10-9以上完全可以使用電化學(xué)傳感器器進行測量污染物濃度。

圖3 高斯擴散仿真結(jié)果

2.4.3 監(jiān)測系統(tǒng)

以VisualStudio2013為開發(fā)環(huán)境，以C#語言開發(fā)了監(jiān)測系統(tǒng)的上位機軟件，軟件界面如圖4所示，該軟件具備監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)監(jiān)測、歷史曲線繪制、歷史數(shù)據(jù)保存、燃油含硫量的計算、AIS數(shù)據(jù)加載等功能。系統(tǒng)使用式(1)的燃油含硫量計算方式計算當(dāng)前被測船舶的燃油含硫量，并以監(jiān)測系統(tǒng)返回的GPS信號通過第三方AIS數(shù)據(jù)平臺獲取監(jiān)測系統(tǒng)當(dāng)前所在地的船舶AIS信息，最后將排放信息、船舶AIS信息都存儲到本地計算機上的數(shù)據(jù)庫中，數(shù)據(jù)庫使用MySql數(shù)據(jù)庫，保證數(shù)據(jù)可靠保存。

圖4 監(jiān)測軟件界面

3 驗證分析

3.1 實驗驗證

對集成后的系統(tǒng)使用標(biāo)準(zhǔn)氣進行試驗，準(zhǔn)備好測試用標(biāo)氣，連接好氣體管路，實驗參數(shù)設(shè)置如表1所示，使用計算系統(tǒng)中的監(jiān)測軟件發(fā)送開啟空氣泵的指令，待傳感器的值穩(wěn)定后進行實驗驗證，驗證實驗分為使用高濃度和低濃度兩種情況進行測試，測試結(jié)果如圖5、圖6所示。

表1 實驗設(shè)置

3.1.1 高濃度測試

采用標(biāo)氣濃度從500×10-9以100×10-9為步長逐漸降低到100×10-9，記錄傳感器的ADC值如圖5所示。

圖5 高濃度測試結(jié)果

當(dāng)SO2標(biāo)氣濃度從500×10-9每隔100×10-9逐漸降低100×10-9時，傳感器的信號通過數(shù)模轉(zhuǎn)換電路后其ADC值在(500～100)×10-9之間是大約以50為步長減小，當(dāng)NO2標(biāo)氣濃度從500×10-9每隔100×10-9逐漸降低100×10-9，傳感器的信號通過數(shù)模轉(zhuǎn)換電路后其ADC值在(500～100)×10-9之間是大約以32為步長減小，當(dāng)NO標(biāo)氣從500×10-9每隔100×10-9逐漸降低100×10-9，傳感器的信號通過數(shù)模轉(zhuǎn)換電路后其ADC值在(500～100)×10-9之間是大約以40為步長減小，由圖5可知在高濃度時候氣體傳感器的線性較好，而且使用一次線性擬合也具有較大的斜率，因此有較高的監(jiān)測精度。

3.1.2 低濃度測試

SO2傳感器在SO2標(biāo)氣從100×10-9降低到10×10-9時其傳感器的ADC值隨著濃度降低而降低，在低濃度區(qū)(濃度小于100×10-9)時，由圖6可知傳感器的ADC值具有較小的斜率，而且使用一次線性標(biāo)定會有一定的誤差，使用多點標(biāo)定即可較準(zhǔn)確的監(jiān)測SO2的濃度。NO2標(biāo)氣從100×10-9到10×10-9之間是亦隨著濃度降低而降低，但是ADC值沒有明顯的差別，在低濃度區(qū)(濃度小于100×10-9)時，傳感器的ADC值具有較小的斜率，在100～50×10-9范圍內(nèi)使用多點標(biāo)定即可即可較準(zhǔn)確的監(jiān)測NO2的濃度。NO標(biāo)氣從100×10-9到10×10-9之間是也隨著濃度降低而降低，在低濃度區(qū)傳感器的ADC的值相比高濃度區(qū)具有較小的斜率，所以在監(jiān)測低濃度的氣體時會有較大的誤差。

圖6 低濃度測試結(jié)果

由于高濃度區(qū)域和低濃度區(qū)域的線性有較大差別，因此直接使用500×10-9至10×10-9之間使用一次線性擬合會造成較大的誤差，分段擬合能達到較高的精度，即在500×10-9至100×10-9之間為一個擬合區(qū)間，100×10-9至10×10-9之間為另一個擬合區(qū)間，在高低濃度區(qū)間內(nèi)使用多段擬合能提高測量船舶氣態(tài)污染物濃度的精度。

3.2 實船驗證

為驗證無人機船舶氣態(tài)污染物監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸性能，以每天10艘船舶進行了監(jiān)測測試，共監(jiān)測10 d，測試結(jié)果如圖7所示，監(jiān)測系統(tǒng)能有效傳回傳感器的數(shù)據(jù)并且根據(jù)氣態(tài)污染物的濃度計算出燃油含硫量。

圖7 實船監(jiān)測結(jié)果

由圖7測試結(jié)果可知，使用LoRa數(shù)據(jù)回傳方式在無電信運營商信號區(qū)域能較好的回傳數(shù)據(jù)，且回傳成功率為80%，而成功率達不到100%的原因為監(jiān)測距離太遠(yuǎn)以及海水吸收無線信號等。

4 結(jié)論

以電化學(xué)傳感器為主的船舶氣態(tài)污染物排放監(jiān)測系統(tǒng)通過無人機搭載監(jiān)測系統(tǒng)近距離監(jiān)測目標(biāo)船只，大大提高了檢測效率，而且靠近船舶處由于船舶排放濃度高電化學(xué)傳感器具有較好的分辨率，通過實驗測試傳感器在高濃度范圍內(nèi)具有較好的線性度，但是從100×10-9到10×10-9范圍中線性度較差，因此在全量程范圍內(nèi)使用多段擬合能提高監(jiān)測精度，此外在LoRa信號范圍內(nèi)能較好地回傳監(jiān)測數(shù)據(jù)可以進行船舶氣態(tài)污染物排放的監(jiān)測。