無人機在船艙有毒有害氣體檢測中的應(yīng)用

唐國進 吳魏成

（中國檢驗認證集團廣西有限公司防城港分公司 廣西防城港 538011）

有限空間作業(yè)場所一般多含有H2S、CO、CO2、氨氣、H2S等氣體［1］。船舶貨艙同樣屬于有限空間范疇，航行過程中，為了保護貨物不受外界因素的影響，貨艙通常處于通風(fēng)不足或關(guān)閉的狀態(tài)，使得內(nèi)部空氣質(zhì)量急劇下降，存在巨大的安全隱患，嚴重時會引發(fā)安全事故。同時，因為我國進出口常用的隨航熏蒸最常用的熏蒸劑就是磷化鋁，利用磷化氫氣體在密閉的船艙中進行熏蒸消殺［2］。磷化氫氣體屬于劇毒氣體，人員不慎進入通風(fēng)不足或是磷化氫殘留濃度過高的船艙內(nèi)進行作業(yè)時，很有可能發(fā)生中毒，甚至危及生命。

目前，無人機技術(shù)在環(huán)保、搜救等方面得到應(yīng)用，有學(xué)者基于Arduino的無人機空氣質(zhì)量檢測裝置，通過無人機檢測在高空煙囪、管道等的有害氣體濃度，檢測并收集數(shù)據(jù)得知該區(qū)域的空氣質(zhì)量，從而采取措施改善空氣質(zhì)量［3］。隨著天然氣在我國能源比重中占比越來越大，天然氣的配套設(shè)施也隨之增加，有學(xué)者利用無人機的優(yōu)勢來彌補傳統(tǒng)檢測方法的安全性差和時效性差的缺陷，通過自主飛行算法，控制無人機沿危險濃度面進行飛行，完成濃度測繪［4］。我國是一個農(nóng)業(yè)大國，而農(nóng)業(yè)生產(chǎn)必將產(chǎn)生大量的CO2氣體影響大氣質(zhì)量，為能更加科學(xué)地進行排放監(jiān)測和管理，有學(xué)者使用無人機、傳感器和模擬仿真技術(shù)，研發(fā)了一套無人機CO2濃度實時監(jiān)測系統(tǒng)［5］。然而很少有研究無人機技術(shù)在船艙有毒有害氣體檢測上的應(yīng)用。傳統(tǒng)的檢測方法是在船舶人孔和艙內(nèi)四周放置手持泵吸式氣體檢測儀進行分點檢測，工作量大且繁瑣，檢測人員不得不直接接觸到有毒有害氣體，存在較高的風(fēng)險。本文采用無人機通過特制卡扣搭載氣體檢測傳感器，使用可伸縮投擲器以及無線控制和數(shù)據(jù)傳輸軟件，通過數(shù)據(jù)處理器建立模型遠距離檢測，大大降低了檢測人員及下艙作業(yè)人員面臨的安全風(fēng)險。

1 檢測裝置整體結(jié)構(gòu)

1.1 總體研制方案

無人機有毒有害氣體檢測裝置其特征在于該裝置包括無人機、地面控制站，所述地面控制站設(shè)置有信號接收器、氣體監(jiān)測器及數(shù)據(jù)處理器。無人機上安裝有氣體檢測傳感器，氣體檢測傳感器采集氣體數(shù)據(jù)后發(fā)送至地面控制站的信號接收器，信號接收器再將信號輸送至數(shù)據(jù)處理器及氣體監(jiān)測器，通過數(shù)據(jù)處理器建立模型，若濃度超標預(yù)警，可及時作出應(yīng)急防范部署。

1.2 氣體傳感器的選擇

此前，筆者針對船舶貨艙及艙梯進行了大量的數(shù)據(jù)采集，通過分析船艙內(nèi)有毒有害氣體的濃度與貨物自身的理化特性、天氣、貨艙及艙梯結(jié)構(gòu)、通風(fēng)時間的相關(guān)關(guān)系［6］，研究得知，船艙內(nèi)有毒有害氣體受天氣、人孔結(jié)構(gòu)、所載貨物性質(zhì)、通風(fēng)時長原因影響，致使CO、H2S、O2、可燃性氣體的濃度異常率較高。故本文主要針對上述4種氣體進行了測試和實驗，但實際工作運用不僅僅限于這4種氣體。

1.2.1 硫化氫傳感器

SPEC Sensors硫化氫傳感器（H2S傳感器）-3SPH2S-50具有尺寸小、低剖面（Φ20mm×20mm×3.0mm）、長壽命且電流的靈敏度比較高、響應(yīng)時間極短、穩(wěn)定性強等特點。

1.2.2 氧氣傳感器

ES1-O2-25%-HH氧氣傳感器是使用德國ECSense固態(tài)聚合物電化學(xué)檢測技術(shù)，尺寸僅為Φ11.5mm×12.5mm×3.0mm，它靈敏度高達（0.2±0.03）nA/（μg/mL），檢測范圍0~25%vol，低功耗且無電解液滲漏，快速響應(yīng)。

1.2.3 一氧化碳傳感器

一氧化碳傳感器選用alphasense電化學(xué)式一氧化碳傳感器CO-D4，它尺寸小，僅為Φ20.2mm×16.5mm×2.5mm，測量范圍達到1000μg/mL，靈敏度高，響應(yīng)時間快，數(shù)據(jù)精確且傳輸快，性能穩(wěn)定。

1.2.4 可燃性氣體傳感器

可燃性氣體傳感器選用的是MQ-6可燃氣體傳感器，其檢測范圍為300～10 000μg/mL（甲烷、丙烷），尺寸Φ20.2mm×16.5mm×2.5mm，通過簡單的電路就能將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應(yīng)的輸出信號。還具有壽命長、成本低且對可燃氣體有良好靈敏度的特點，特別是對丙烷、丁烷的靈敏度較高。

1.3 無人機的選擇

無人機選擇大疆經(jīng)緯M300 RTK型號，它最大可承受15m/s（7級風(fēng)），續(xù)航時間長達55min，可載重2.7kg，能實現(xiàn)15km圖像數(shù)據(jù)傳輸，滿足改裝的要求。

1.4 無人機與氣體傳感器裝置的連接

無人機與氣體檢測傳感器組合模塊的連接方式一方面需要考慮到拆卸的方便性，另一方面還需要考慮到如果無人機與檢測裝置的距離問題，因為無人機的風(fēng)葉轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生的風(fēng)力會影響采集的氣體的濃度，影響數(shù)據(jù)的準確性和檢測的效果。因此，采用的連接方案是在無人機下部與降落支架中間安裝一個特制支架，無人機的機殼上通過綁帶設(shè)有搭載平臺，搭載平臺上安裝有可放線投擲器與氣體檢測傳感器相連接（氣體檢測傳感器置于卡槽中成為一個模塊組合）。

1.5 檢測系統(tǒng)構(gòu)架與控制軟件開發(fā)

氣體檢測裝置即氣體傳感器卡槽組合內(nèi)部集成無線模組，先與無線模塊建立連接，再使無線模塊與藍牙模塊建立連接，藍牙模塊與移動終端連接，從而在移動終端與檢測裝置之間建立無線數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)了手機對遠端檢測裝置的監(jiān)控操作。移動終端控制軟件可對檢測設(shè)備進行遠程管理，如設(shè)置報警值、濃度分析、數(shù)值匯總、查詢設(shè)備當前狀態(tài)等。

2 檢測的方法和步驟

檢測需在艙內(nèi)貨物上方1.5m處繞圈飛行，傳感器模組會對船艙中的各氣體濃度進行采集記錄，無線傳輸至地面控制站，及時匯總分析相關(guān)數(shù)值，具體流程如下。

（1）在檢測開始之前，綜合分析現(xiàn)場飛行條件情況，進行無人機、信號接收器、氣體監(jiān)測器、數(shù)據(jù)處理器的連接自檢。

（2）控制無人機飛行至貨艙上方10~20m高空區(qū)域，通過無人機圖像傳輸，觀察艙內(nèi)結(jié)構(gòu)和船艙內(nèi)貨物情況。

（3）控制無人機飛至距貨物1.5~2.0m上方區(qū)域，在艙內(nèi)繞圈飛行1min進行濃度測定，所測得的數(shù)據(jù)自動無線傳輸至地面控制站進行數(shù)據(jù)處理。

（4）逐艙檢測完成后，原路返回，結(jié)束檢測。

3 實驗及數(shù)據(jù)分析

3.1 準確度試驗

2021年11月至2022年1月期間，使用傳統(tǒng)手持式檢測儀與無人機檢測對多艘靠港船舶進行對比檢測，總共收集到50組有效的比較數(shù)據(jù)樣本，部分數(shù)據(jù)如表1至表4所示。

表1 一氧化碳濃度對比檢測結(jié)果

表2 硫化氫濃度對比檢測結(jié)果

表3 氧氣濃度對比檢測結(jié)果

表4 可燃性氣體濃度對比檢測結(jié)果

通過對比測試數(shù)據(jù)得知，無人機檢測與傳統(tǒng)手持式有毒有害氣體檢測結(jié)果相近，實驗檢測的氣體濃度相對偏差均在±2%范圍，結(jié)果較準確，符合預(yù)期。

3.2 精密度試驗

為了測試無人機檢測裝置的精準度，分別隨機對4艘出現(xiàn)CO、O2、H2S、可燃性氣體濃度異常的船舶進行了獨立的11次檢測，其檢測結(jié)果見表5，檢測的相對標準偏差在0.3%~0.9%。

表5 4種氣體對比檢測結(jié)果

4 討論

多次實驗結(jié)果表明該方法具備可行性，與傳統(tǒng)的手持式氣體檢測方式相比，使用無人機檢測實現(xiàn)了檢測過程及結(jié)果的全方位記錄，且能實時觀察所檢測氣體的濃度變化，不僅大大縮短了檢測時間，提高了工作效率，而且因其靈敏度高使得在出現(xiàn)有毒有害氣體濃度異常時能作出最快速的應(yīng)急措施反應(yīng)和防范。此方法還可避免檢測人員近距離接觸有毒有害氣體，有利于保護檢測人員的身體健康，同時，還可避免與外國船員接觸，降低新型冠狀病毒、黃熱病等高風(fēng)險傳染病的感染風(fēng)險。