船舶柴油機排放在線監(jiān)測系統(tǒng)設計

趙海鷗，陳智君，魏柳新，楊　偉，吳　銳，金華標

(武漢理工大學 能源與動力工程學院，武漢 430063)

船舶柴油機排放在線監(jiān)測系統(tǒng)設計

趙海鷗，陳智君，魏柳新，楊偉，吳銳，金華標

(武漢理工大學 能源與動力工程學院，武漢 430063)

摘要：針對目前船舶柴油機廢氣排放暫無實時監(jiān)督手段的現(xiàn)狀，通過結合AIS/3G無線通信技術、GPS技術、嵌入式系統(tǒng)技術及計算機軟件技術，設計基于船載在線監(jiān)測儀、AIS/3G船岸數(shù)據(jù)通信模塊和岸基數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的船舶柴油機排放在線監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)船舶柴油機排放信息實時采集、顯示、記錄，以及與獲得訪問權限的外部用戶進行信息互通等功能，可為有效提高船舶柴油機廢氣排放的監(jiān)督力度提供技術手段。

關鍵詞：船舶柴油機排放；AIS/3G；在線監(jiān)測

2000年以來，世界經(jīng)濟和航運業(yè)的迅速發(fā)展，運營船舶的數(shù)量急劇增加，與此同時造成的污染問題也日趨嚴重[1]。航運污染已成為繼機動車尾氣污染、工業(yè)企業(yè)排放之后第3大大氣污染源?，F(xiàn)階段海事管理機構通常采取源頭控制[2]和檢驗過程控制，這2種監(jiān)督管理方式完全依靠傳統(tǒng)的人工實地檢驗完成，需要投入大量的時間和人力，并且存在不客觀性；隨著航運業(yè)的快速發(fā)展以及船舶廢氣排放控制更加嚴格，這種傳統(tǒng)的監(jiān)管方式其弊端更加凸顯。因此，探索一種便捷、高效的監(jiān)管措施迫在眉捷。國際海事組織(IMO)規(guī)定，大中型船舶(總噸位300以上)必須安裝AIS A類船臺，中小型船舶安裝AIS B類船臺[3]。AIS(船舶自動識別系統(tǒng))在保障船舶航行安全、保護人身安全等海事管理領域中發(fā)揮著重要作用[4]，其本身特性為其應用開發(fā)提供了良好的可擴充性。因此，針對船舶柴油機排放情況，設計以數(shù)據(jù)采集、GPS定位、AIS/3G無線傳輸為基礎的船載硬件系統(tǒng)，以船舶排放信息顯示、記錄、存儲、各港口各部門信息互通為基礎的岸基數(shù)據(jù)管理軟件系統(tǒng)。

1系統(tǒng)總體框架

系統(tǒng)由3部分構成，分別為船載在線監(jiān)測儀、船岸數(shù)據(jù)通信模塊、岸基數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)；通過船載排放監(jiān)測儀采集船舶柴油機排放相關信息，利用船岸數(shù)據(jù)通信模塊將采集的數(shù)據(jù)傳送至岸基數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，再依靠岸基數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)將接收到的信息進行相關處理。

安裝于船舶機艙的船載在線監(jiān)測儀主要將排氣溫度、中冷器前后溫度、排氣壓力、SOx、NOx、CH4、O2、柴油機轉(zhuǎn)速及油耗等傳感器安裝在進排氣管路、主軸或進回油管路，用于采集與廢氣排放相關的信息。其中SOx、NOx、CH4及O2傳感器用于監(jiān)測柴油機進排氣中各自的含量；排氣溫度、中冷器前后溫度、排氣壓力、柴油機轉(zhuǎn)速及油耗傳感器用于輔助測量排放信息。

安裝于駕駛臺的船岸數(shù)據(jù)通信模塊提供2種可供選擇的方案，利用現(xiàn)有船載AIS設備(B級船載終端)或者3G通信模塊進行拓展應用，接收來自船載在線監(jiān)測儀采集的排放數(shù)據(jù)以及GPS模塊采集的時間、經(jīng)緯度等信息；利用AIS VHF信道或3G網(wǎng)絡將所需信息傳至岸基數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。

岸基數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)是在海事監(jiān)管機構設置的后臺監(jiān)控軟件，通過接收、解碼船舶發(fā)送的AIS信息或3G網(wǎng)絡信息獲得參數(shù)，在上位軟件上直觀顯示出船舶排放等相關信息，并利用數(shù)據(jù)庫記錄船舶排放數(shù)據(jù)，可實現(xiàn)對船舶排放歷史數(shù)據(jù)的查詢、分析和輸出等功能，并預留其他信息顯示端口。同時通過搭建基于Web的應用平臺，可以實現(xiàn)主管機關與企業(yè)終端用戶、個人用戶和其他相關部門等彼此之間的連接，并且也可為主管機關提供集中的信息整合呈現(xiàn)平臺。

2系統(tǒng)硬件設計

2.1信息采集

信息采集通過船載在線監(jiān)測儀實現(xiàn)，選用O2傳感器、NOx傳感器及SOx傳感器等對船舶柴油機廢氣排放相關信息進行采集，見圖1。

圖1　信息采集部分系統(tǒng)組成

O2傳感器選用英國SST公司產(chǎn)品，量程：0%～100%，壓力范圍：2×10-4～0.3 MPa ，工作溫度：-100～250 ℃，具有較好線性度和較高精度。

NOx傳感器選用5WK96614I，量程：0～1.5×10-3(體積分數(shù)，%，下同)，精度：±5×10-5，適用排氣溫度：200～800 ℃。

SOx和CH4采用FIX3200，工作溫度: -20～+500 ℃，SOx檢測量程：0～1×10-3，分辨率：1×10-6，精度：≤±2%；CH4檢測量程：0%～5%，分辨率：0.01% VOL精度：≤±2%。值得注意的是，安裝SOx與CH4傳感器前需安裝氣體前置處理系統(tǒng)(排氣分析管路)，用于排放廢氣的降溫、除濕和除塵。

NOx比排放的計算公式如下。

(1)

式中：mNOx——NOx比排放，g/(kW·h)；

φNOx——NOx體積分數(shù)，%；

K——溫濕修正系數(shù)；

Q——單位功率排氣流量，g/(kW·h)，

(2)

其中：b——油耗率，g/(kW·h)；

φO2——O2體積分數(shù)，% 。

由信號處理單元對傳感器采集的信號進行上述計算，從而得出具體NOx比排放；SOx與CH4計算原理相同。

2.2排放信息傳輸

船岸數(shù)據(jù)通信模塊主要由6部分構成：AIS終端、3G通訊模塊、信號處理單元、GPS模塊、RS232和RSS422接口。

信號處理單元接收來自船載在線監(jiān)測儀采集的相關信息，比如，排氣溫度、中冷器前后溫度、SOx、NOx、CH4、O2、柴油機轉(zhuǎn)速及油耗等；同時接收來自GPS模塊的時間、經(jīng)度及緯度信息。

信號處理單元將接收到的全部數(shù)據(jù)打包成符合IEC61162和IEC62287協(xié)議的標準語句，通過RS422串行數(shù)據(jù)接口傳送至指定的AIS設備，再由其封裝成標準VDO語句經(jīng)2個不同的VHF頻道(頻道1，161.975 MHz)；頻道2，162.025 MHz)廣播至AIS基站和周圍船舶，AIS基站利用RS422將數(shù)據(jù)傳輸至岸基數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)服務器。同時，信號處理單元也將數(shù)據(jù)按自定義要求封裝，通過RS232串行數(shù)據(jù)接口傳送至3G模塊，再由其通過互聯(lián)網(wǎng)將接收的數(shù)據(jù)傳輸至岸基數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)服務器。

2.3監(jiān)測信息管理

在岸基管理系統(tǒng)中可以方便地記錄、查詢和存儲通過AIS/3G傳輸?shù)膶崟r廢氣排放相關信息。當廢氣排放出現(xiàn)超標時，可以將油類記錄簿和(engine international air pollution prevention certificate， EIAPP)證書記錄的信息與AIS/3G系統(tǒng)自動存儲的船舶廢氣排放歷史信息相對照，同時也可對廢氣排放可疑船舶隨時進行回放調(diào)查，為海事監(jiān)管提供可靠的證據(jù)。

3系統(tǒng)軟件設計

3.1AIS/3G報文設計

船岸數(shù)據(jù)通訊模塊通過CAN總線與安置于機艙中的船載在線監(jiān)測儀相連接，通訊模塊中的信號處理單元將廢棄排放信息封裝成符合IEC61162、IEC62287以及ITU-R M.1371-1標準語句，通過串口輸至AIS船載終端或3G模塊。

由于AIS標準報文格式中沒有專門的船舶廢氣排放信息，因此選擇了AIS標準報文——消息6中“特定應用數(shù)據(jù)”進行傳輸，由于傳送數(shù)據(jù)量較大(大于82 bit)，需要將數(shù)據(jù)進行分段傳輸。3G傳送數(shù)據(jù)并無相關限制，可按自定義的數(shù)據(jù)格式直接進行傳輸。

3.2岸基數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

自主設計研發(fā)岸基數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)(數(shù)據(jù)采集)軟件，采用VC++6.0集成開發(fā)環(huán)境進行可視化軟件設計，利用計算機圖形技術和方法建立友好的人機交互界面，見圖2。

圖2　岸基數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)(數(shù)據(jù)采集)示意

同時，在岸基數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中引入Web技術，以此將所有港口碼頭附近的船舶的柴油機廢氣排放信息進行公開和交互，從而有效監(jiān)督與控制船舶的廢氣排放。

所有港口接收到的船舶柴油機廢氣排放相關信息將傳送至數(shù)據(jù)管理服務器，外部用戶(比如：個人手機用戶、企業(yè)終端用戶和其他線相關部門等)在獲得訪問權限前提下，可通過Web服務器訪問所有船舶排放相關信息，見圖3。

4結論

船舶柴油機排放在線監(jiān)測系統(tǒng)，可將柴油機廢氣排放信息實時傳輸至岸基數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，本系統(tǒng)的設計可為提高船舶柴油機廢氣排放的監(jiān)管力度和海事監(jiān)管能力提供技術手段。但由于目前船舶并未被要求安裝該系統(tǒng)，因此其推廣應用還有很多工作要做。

圖3　岸基數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲結構

參考文獻

[1] 宋亞楠.內(nèi)河和近海船舶排放特性及排放清單研究[D].北京:北京理工大學， 2015.

[2] 中國船級社.船用柴油機氮氧化物排放試驗及檢驗指南[S].北京:人民交通出版社,2011.

[3] 袁安存,張淑芳.通用船載自動識別系統(tǒng)國際標準匯編[M].大連:大連海事大學出版社,2005.

[4] 萬恒奕.艦船CODOG動力裝置控制[M].武漢:海軍工程學院,1994.

Design of the On-line Monitoring System of Marine Diesel Emission

ZHAO Hai-ou, CHEN Zhi-jun, WEI Liu-xin, YANG Wei, WU Rui, JIN Hua-biao

(School of Energy and Power Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)

Abstract:In view of the on-line monitoring system on marine diesel emission, an on-line monitoring system is designed based on the technologies of AIS/3G communication, GPS, embedded and data management system. The system performs real-time monitoring of marine diesel emission, data recording, the information exchanging among the related department. On the other hand, it will improve the supervision on the marine diesel emission effectively.

Key words:marine diesel emission; AIS/3G; on-line monitoring

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.03.017

收稿日期：2015-12-04

第一作者簡介：趙海鷗(1991—)，男，碩士生 E-mail:haiouzhaowh@163.com

中圖分類號：U664.121

文獻標志碼：A

文章編號：1671-7953(2016)03-0073-03

修回日期：2015-12-25

研究方向:輪機自動化，廢氣排放