基于物聯(lián)網(wǎng)的船舶排放控制區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

何騰蛟 馮雯雯 杜何陽

一、前言

2015年12月，中國海域船舶排放控制區(qū)實(shí)施方案正式出臺(tái)，該方案規(guī)定在珠三角、長(zhǎng)三角、環(huán)渤海（京津冀）水域設(shè)立船舶排放控制區(qū)，控制船舶硫氧化物、氮氧化物和顆粒物排放，改善我國沿海和沿河區(qū)域特別是港口城市的環(huán)境空氣質(zhì)量，并為控制船舶大氣污染奠定基礎(chǔ)。[1]2016年1月29日，中華人民共和國海事局印發(fā)《關(guān)于加強(qiáng)船舶排放控制區(qū)監(jiān)督管理工作的通知》，深圳市于2016年10月1日提前實(shí)施2017年的船舶排放控制區(qū)要求，是繼上海市之后第二個(gè)提前實(shí)施的核心港口城市。自2017年9月1日起，長(zhǎng)三角船舶排放控制區(qū)全面提前實(shí)施交通運(yùn)輸部船舶排放控制區(qū)方案，即所有船舶到港以后按要求換用低硫燃油或使用岸電、尾氣后處理等替代措施。[2]日前，交通運(yùn)輸部等13個(gè)部門聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于加強(qiáng)船用低硫燃油供應(yīng)保障和聯(lián)合監(jiān)管的指導(dǎo)意見》（簡(jiǎn)稱《指導(dǎo)意見》），提出通過政策引導(dǎo)、行業(yè)自律、強(qiáng)化監(jiān)管，維護(hù)公平、有序、健康的船用燃油流通市場(chǎng)秩序，提升我國船用低硫燃油供應(yīng)能力和質(zhì)量，促進(jìn)綠色交通發(fā)展。

為有效提升海事主管機(jī)關(guān)對(duì)船舶排放控制區(qū)內(nèi)船舶大氣污染防治監(jiān)督管理能力，監(jiān)控轄區(qū)船舶硫含量燃油的使用情況，貫徹落實(shí)交通運(yùn)輸部船舶排放控制相關(guān)要求，筆者擬基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，提出對(duì)船舶排放控制區(qū)內(nèi)船舶排放廢氣進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控的系統(tǒng)設(shè)想，以縮小船舶排放控制區(qū)監(jiān)控對(duì)象范圍，為主管機(jī)關(guān)查處不符合燃油硫含量標(biāo)準(zhǔn)的船舶提供參考，提高其監(jiān)管技術(shù)水平和效能。

二、船舶排放控制區(qū)監(jiān)管現(xiàn)狀與存在問題

現(xiàn)階段，海事主管機(jī)關(guān)對(duì)控制區(qū)內(nèi)船舶大氣污染防治的監(jiān)管方式主要是利用船舶尾氣遙測(cè)感應(yīng)技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)巡視、AIS（船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)）及CCTV視頻監(jiān)控等手段，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)督和安全檢查工作，對(duì)船舶的輪機(jī)日志、燃油供受單證等材料進(jìn)行核查。監(jiān)管手段單一、執(zhí)法力量不足及實(shí)施困難等問題已經(jīng)越來越對(duì)監(jiān)控工作產(chǎn)生掣肘，監(jiān)管效果難以得到保證。據(jù)筆者分析，現(xiàn)行的船舶廢氣監(jiān)控手段具體存在以下問題：

（1）實(shí)時(shí)性差，不利于掌握排放控制區(qū)邊界船舶廢氣排放情況。

（2）視頻覆蓋不夠廣，存在監(jiān)控盲點(diǎn)，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)船舶違法排放并處理。

（3）連續(xù)性差，不能夠長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)監(jiān)控船舶廢氣排放情況。

（4）數(shù)據(jù)零碎分散，不利于管理部門宏觀掌握轄區(qū)船舶廢氣排放情況。

三、船舶排放控制區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)可行性分析

1.環(huán)境治理

伴隨我國海運(yùn)業(yè)的快速發(fā)展，港口吞吐量及船舶進(jìn)出港艘次不斷增加，船舶及其相關(guān)作業(yè)活動(dòng)對(duì)海洋環(huán)境造成的污染威脅也不斷加大，目前又由于霧霾天氣愈加頻繁地出現(xiàn)，船舶廢氣排放也引起了公眾的廣泛關(guān)注，香港環(huán)保署數(shù)據(jù)顯示，2012年，船舶排放的二氧化硫、氮氧化物排放分擔(dān)率分別達(dá)到50%和32%；中國環(huán)保部機(jī)動(dòng)車排污監(jiān)控中心統(tǒng)計(jì)顯示，2013年全國船舶二氧化硫排放量約占全國排放總量的8.4%，氮氧化物排放量占11.3%，受船舶污染影響最大的是港口城市，其次是江河沿岸城市。[3]

2.政策推動(dòng)

綜觀有關(guān)船舶排放控制區(qū)的政策文件，其主旨包含推動(dòng)控制船舶大氣污染，改善港口城市環(huán)境空氣質(zhì)量，大力發(fā)展智慧環(huán)保，完善污染物排放在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，增加監(jiān)測(cè)污染物種類，擴(kuò)大監(jiān)測(cè)范圍，推動(dòng)我國船舶大氣污染防治工作，提高環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)防范水平和應(yīng)急處理能力等多方面。

3.技術(shù)支持

各級(jí)海事機(jī)構(gòu)在之前的信息化管理方面已與通迅技術(shù)公司有成功的戰(zhàn)略合作基礎(chǔ)，諸如船位報(bào)告系統(tǒng)、遠(yuǎn)程移動(dòng)圖像傳輸系統(tǒng)、海事水上安保指揮GIS平臺(tái)、海事業(yè)務(wù)管理平臺(tái)以及CCTV電視監(jiān)控等系統(tǒng)的開發(fā)，因此，雙方在此基礎(chǔ)上可以將船舶排放控制區(qū)監(jiān)管工作加入到合作領(lǐng)域中，不斷深入推進(jìn)信息化管理的途徑和方式。

4.“智慧海事”建設(shè)

在海事監(jiān)管模式由“汗水型”向“智慧型”快速轉(zhuǎn)變的大背景下，搭建“互聯(lián)網(wǎng)+海事監(jiān)管+大氣污染防治”的平臺(tái)，高效能發(fā)揮船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)控中心作用，完善中國海事云計(jì)算平臺(tái)，匯集、整合各類海事信息等多方面資源的功能，助力船舶排放控制區(qū)監(jiān)管工作。

四、船舶排放控制區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

船舶排放控制區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和船舶排放控制區(qū)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)在船舶排放控制區(qū)對(duì)船舶廢氣排放情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集和視頻監(jiān)控兩部分組成，由于目前的視頻監(jiān)控技術(shù)較為成熟，本文只對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集功能的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行詳細(xì)介紹。數(shù)據(jù)采集部分由傳感器、GPRS數(shù)據(jù)采集終端、GPRS無限通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)管理中心、客戶端監(jiān)控軟件組成，數(shù)據(jù)采集終端與客戶端采集平臺(tái)的通信協(xié)議為標(biāo)準(zhǔn)MODBUS TCP協(xié)議[4]（系統(tǒng)框圖如圖1所示）。

圖1 船舶排放控制區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)框

數(shù)據(jù)采集部分的核心環(huán)節(jié)是數(shù)據(jù)采集終端和客戶端監(jiān)控軟件的功能實(shí)現(xiàn)。GPRS 數(shù)據(jù)采集終端作為嵌入式PC與無線GPRS MODEM 的結(jié)合，具備了GPRS撥號(hào)上網(wǎng)和TCP/IP數(shù)據(jù)通信的功能，[4]通過向數(shù)據(jù)管理中心發(fā)起TCP或UDP通信請(qǐng)求，建立通信連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)雙向通信，接到串口數(shù)據(jù)時(shí)，DTU立即將串口數(shù)據(jù)封裝到TCP/UDP包里，發(fā)送到數(shù)據(jù)管理中心。每個(gè)數(shù)據(jù)采集終端都分配唯一的IP地址，以隊(duì)列形式排列，在正常通信鏈接情況下，對(duì)各數(shù)據(jù)采集終端進(jìn)行掃描，成功采集完整的數(shù)據(jù)包。

客戶端監(jiān)控軟件為主管機(jī)關(guān)排放控制區(qū)大氣污染防治提供重要參考，通過云計(jì)算、高性能計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)手段，整合數(shù)據(jù)庫資源，通過建立模型對(duì)存儲(chǔ)的排放數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理、分析和挖掘，并結(jié)合CCTV電視監(jiān)控系統(tǒng)，使客觀數(shù)據(jù)與直觀監(jiān)控第一時(shí)間內(nèi)進(jìn)行結(jié)合，供執(zhí)法人員進(jìn)行快速有效監(jiān)管。船舶廢氣排放實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息主要采用網(wǎng)頁瀏覽模式獲得，通過經(jīng)過授權(quán)的計(jì)算機(jī)在互聯(lián)網(wǎng)直接登陸監(jiān)控界面，并可實(shí)現(xiàn)在CCTV電視監(jiān)控覆蓋范圍內(nèi)對(duì)目標(biāo)船舶進(jìn)行同步視頻監(jiān)控，進(jìn)而便于指揮中心及時(shí)發(fā)現(xiàn)違排船舶，快速啟動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)法及相關(guān)證據(jù)收集程序，為主管機(jī)關(guān)查處不符合燃油硫含量標(biāo)準(zhǔn)的船舶提供有力依據(jù)。

五、船舶排放控制區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集功能實(shí)現(xiàn)

1.傳感器硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)行船舶排放控制區(qū)第一階段對(duì)硫氧化物、氮氧化物和顆粒物的排放控制要求，船舶排放控制區(qū)內(nèi)有條件的港口可以實(shí)施船舶靠岸停泊期間使用硫含量≤0.5% m/m的燃油等高于現(xiàn)行排放控制要求的措施，本系統(tǒng)主要對(duì)進(jìn)入排放控制區(qū)的船舶煙囪排放廢氣進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)，船舶廢氣具體包括氣態(tài)污染物（包括硫氧化物、氮氧化物等）以及顆粒物（也稱煙塵）。其中，氣態(tài)污染物監(jiān)測(cè)采用PH傳感器HT61-P899，含塵（顆粒物）廢氣的監(jiān)測(cè)采用粉塵傳感器DSM501A，將傳感器設(shè)備安裝到船舶煙囪頂部排氣管的適當(dāng)位置。為了適應(yīng)燃燒過程后氣樣的連續(xù)采集，傳感器材料需具備較強(qiáng)的防爆能力，在高溫條件下抗腐蝕性能較強(qiáng)。

2.GPRS DTU

數(shù)據(jù)傳輸單元DTU （Data Transfer unit），通過無線通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，可以進(jìn)行串口數(shù)據(jù)與IP數(shù)據(jù)互轉(zhuǎn)。具有RS485/RS232接口，串口速率：110 bps～230 400 bps，采用MODBUS ASCⅡRTU工業(yè)通信協(xié)議，電源適應(yīng)范圍為DC6 V～DC32 V，內(nèi)置電源反向保護(hù)和過壓過流保護(hù)。

3.數(shù)據(jù)采集程序的實(shí)現(xiàn)

本程序單船數(shù)據(jù)采集的氣態(tài)污染物和顆粒物這兩路信號(hào)是以并聯(lián)形式與RS485總線連接，程序需對(duì)數(shù)據(jù)采集過程中出現(xiàn)的異常情況予以考慮處理，流程圖如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集程序流程

通過設(shè)置定時(shí)器對(duì)氣態(tài)污染物和顆粒物數(shù)據(jù)循環(huán)讀取，程序開始運(yùn)行后，首先清空輸入輸出緩沖區(qū)，送出讀取目標(biāo)數(shù)據(jù)的命令，同時(shí)內(nèi)部定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，定時(shí)間隔超過儀表回答延遲默認(rèn)本次通訊失敗，程序自動(dòng)讀取下一組數(shù)據(jù)。這里設(shè)定定時(shí)間隔為100 ms，在100 ms之內(nèi)，若接收緩沖區(qū)收到大于等于9個(gè)字節(jié)，認(rèn)為通訊成功，隨即存儲(chǔ)測(cè)量值，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，顯示有價(jià)值的采集數(shù)據(jù)。充分考慮網(wǎng)絡(luò)覆蓋盲區(qū)，使用數(shù)據(jù)庫功能，可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)已采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)進(jìn)行存儲(chǔ)。[5]

4.數(shù)據(jù)采集終端供電方式

數(shù)據(jù)采集終端主要采用船電供電方式，但需要在終端機(jī)箱內(nèi)安裝備用蓄電池。正常情況下，船舶電力系統(tǒng)為數(shù)據(jù)采集終端供電，當(dāng)出現(xiàn)船舶電力系統(tǒng)供電異常的情況，通過電源管理模塊將供電模式切換到蓄電池供電。

5.數(shù)據(jù)采集終端的防爆要求

考慮到數(shù)據(jù)采集終端適用在不同船型上的防爆要求，數(shù)據(jù)采集終端機(jī)箱必須使用不銹鋼防爆機(jī)箱。

6.GPRS無限通信網(wǎng)絡(luò)

GPRS網(wǎng)絡(luò)是依托于手機(jī)模塊的功能實(shí)現(xiàn)的，只要是具有GPRS功能模塊的終端處于移動(dòng)信號(hào)覆蓋的地方，無須用戶自己鋪設(shè)有形電纜或架設(shè)基站。[6]GPRS無限通信網(wǎng)絡(luò)包括GPRS模塊、GPRS/Internet網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)管理單元。GPRS無線通信系統(tǒng)由發(fā)射設(shè)備、傳輸介質(zhì)、接收設(shè)備三大部分組成。考慮到排放控制區(qū)內(nèi)部分海域尚未覆蓋通信網(wǎng)絡(luò)的情況，應(yīng)當(dāng)增加數(shù)據(jù)儲(chǔ)存單元，一旦網(wǎng)絡(luò)連接成功，立即向數(shù)據(jù)管理中心發(fā)送斷網(wǎng)期間儲(chǔ)存的船舶煙囪排放廢氣情況的數(shù)據(jù)信息。GPRS數(shù)據(jù)采集終端聯(lián)網(wǎng)傳輸框圖如圖3所示。

圖3 GPRS數(shù)據(jù)采集終端聯(lián)網(wǎng)傳輸框圖

六、CCTV在船舶排放控制區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)中的重要運(yùn)用

本系統(tǒng)通過將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和船舶排放控制區(qū)監(jiān)管相結(jié)合，擬實(shí)現(xiàn)對(duì)排放控制區(qū)內(nèi)目標(biāo)船舶煙囪排放情況實(shí)行實(shí)時(shí)有效監(jiān)控的目的，但這種方式獲取的僅僅是原始數(shù)據(jù)信息，缺少直觀方式對(duì)排放情況進(jìn)行觀察了解，并且如遇及系統(tǒng)配置的電器元件出現(xiàn)故障時(shí)，不能及時(shí)有效反饋現(xiàn)場(chǎng)信息，因此本系統(tǒng)還需要利用原有CCTV電視監(jiān)控系統(tǒng)作為必要完善和補(bǔ)充。CCTV系統(tǒng)中高清攝像頭的運(yùn)用使得煙霧清晰可見，通過有針對(duì)性的視頻智能分析，可以做到煙體色彩識(shí)別（分析識(shí)別煙體的顏色）、煙體黑度分析（判斷煙體的黑度信息）和與船舶排放控制區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)所采集的原始數(shù)據(jù)相比對(duì)驗(yàn)證。根據(jù)環(huán)保部門提供的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)內(nèi)容，設(shè)置種類不同、等級(jí)不同的報(bào)警閥值，當(dāng)數(shù)據(jù)超過閥值時(shí)，聯(lián)動(dòng)預(yù)案啟動(dòng)，[7]通過OSD疊加和GIS地圖對(duì)接技術(shù)，直觀地將目標(biāo)船舶視頻在指揮中心大屏彈出，在電子海圖上顯示其位置信息，并于第一時(shí)間通知基層海事執(zhí)法人員及時(shí)趕往現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行船舶燃油硫含量查驗(yàn)等相關(guān)工作。

七、結(jié)語

首先，船舶排放控制區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)排放控制區(qū)內(nèi)船舶排放廢氣進(jìn)行實(shí)時(shí)可靠數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，不僅為主管機(jī)關(guān)提供一手?jǐn)?shù)據(jù)，準(zhǔn)確及時(shí)掌握行政處罰依據(jù)，更有效地提高了主管部門的管理效率，縮小船舶排放控制區(qū)監(jiān)控對(duì)象范圍，極大提高了查處燃油硫含量不符合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的船舶的可能性，提升主管機(jī)關(guān)對(duì)船舶排放控制區(qū)的管控效果，解決執(zhí)法人員力量不足與監(jiān)管任務(wù)繁重之間的矛盾。其次，該系統(tǒng)反映的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)可以使船公司及時(shí)了解本公司經(jīng)營(yíng)船舶是否在排放控制區(qū)有違排現(xiàn)象，這樣可以盡量避免因船舶違排而面臨處罰和扣分的情況，也可以促使船公司督促所經(jīng)營(yíng)船舶嚴(yán)格執(zhí)行排放控制區(qū)排放標(biāo)準(zhǔn)，承擔(dān)起相應(yīng)的社會(huì)責(zé)任。同時(shí)，船舶排放控制區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)可以定期對(duì)收集數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，利用政務(wù)公開的方式，使公眾了解船舶排放控制區(qū)的環(huán)境狀況，參與到船舶大氣污染防治的社會(huì)治理工作中。因此，該監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展前景較為良好，具備研究開發(fā)的基礎(chǔ)動(dòng)力。

1]李慧.我國首次設(shè)立船舶排放控制區(qū)[N].光明日?qǐng)?bào),2015-2-08(8).

2]魏敏.9月起長(zhǎng)三角船舶排放控制區(qū)全面實(shí)施船舶靠岸換油(2017-09-05)[2017-10-15].[EB/OL].http://m.ce.n/bwzg/201709/05/t20170905_25749920.shtml.

3]王昆婷.《船舶發(fā)動(dòng)機(jī)排氣污染物排放限值及測(cè)量方法(中國第一、二階段)》二次公開征求意見 促使在用船舶全面減排[N].中國環(huán)境報(bào),2015-06-08(6).

[4]練操,范萌,陳長(zhǎng)軍.基于測(cè)量機(jī)器人的遠(yuǎn)程遙控技術(shù)開發(fā)[J].人民長(zhǎng)江,2011(22):89-95.

[5]王平,張新東君.基于智能儀表的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與儀表,2009(4):9-18.

[6]趙敏.基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的無線通信系統(tǒng)的研究和實(shí)現(xiàn)[D].太原:太原理工大學(xué),2008.

[7]蔣豐.視頻監(jiān)控在智慧環(huán)保中的應(yīng)用與發(fā)展[J].中國安防,2014(5):21-25.