基于無人機(jī)的船舶尾氣檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

史華杰，安博文，潘勝達(dá)，白響恩，周 凡

（上海海事大學(xué) 信息工程學(xué)院，上海 201306）

隨著我國航運(yùn)事業(yè)的高速發(fā)展，各大港區(qū)的船舶流量不斷加大，船舶尾氣污染日趨嚴(yán)重。為應(yīng)對(duì)當(dāng)前節(jié)能減排的國際形勢，國內(nèi)部分港區(qū)開始建立船舶尾氣排放區(qū)。經(jīng)調(diào)研，目前在海事監(jiān)管領(lǐng)域中對(duì)于港區(qū)船舶尾氣排放的監(jiān)管，首先人為通過視覺觀察船舶煙囪口的尾氣排放情況，然后選擇性地登船，進(jìn)行燃油取樣，送第三方檢驗(yàn)部門做化驗(yàn)分析，最后以油樣的相關(guān)指標(biāo)參數(shù)作為船舶是否排放超標(biāo)的依據(jù)。而得到檢查結(jié)果一般需要2天以上的時(shí)間。因此，該方法檢查目標(biāo)較隨機(jī)，針對(duì)性不強(qiáng)，效率相對(duì)較低。

無人機(jī)因具有輕巧靈活、裝載方便等優(yōu)點(diǎn)，在船舶的動(dòng)態(tài)管理、防污染監(jiān)視、執(zhí)法取證等方面具有其他方式不可比擬的優(yōu)勢。用無人機(jī)裝載氣體檢測設(shè)備，沿港區(qū)航線飛行，就可以快速檢測港區(qū)各艘船舶的尾氣濃度，根據(jù)燃料油的硫含量與尾氣中SO2濃度關(guān)系，即可間接檢測出燃料油中的硫含量范圍。然而，現(xiàn)今國內(nèi)已有的氣體檢測設(shè)備[1-3]主要針對(duì)火力發(fā)電廠、石油化工企業(yè)等行業(yè)，其主要檢測方式都需要固定安裝在煙囪上，設(shè)備體積龐大，因此無法裝載到無人機(jī)上。此外，還必須先通過燃燒試驗(yàn)，確定燃料油的硫含量與尾氣中SO2兩者的定量關(guān)系。針對(duì)以上問題及需求，文中設(shè)計(jì)了基于無人機(jī)的船舶尾氣檢測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體規(guī)劃

基于無人機(jī)的船舶尾氣檢測系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。其結(jié)構(gòu)分為3層：數(shù)據(jù)采集層、處理層和表示層。

圖1 檢測系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of detection system

數(shù)據(jù)采集層包括氣體檢測吊艙系統(tǒng)和AIS基站，分別用于采集氣體濃度和船舶信息。其中氣體檢測吊艙系統(tǒng)選用STM32為主控芯片，以GPRS（general packet radio service）作為網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)，將檢測數(shù)據(jù)通過IP數(shù)據(jù)流的方式傳輸至數(shù)據(jù)處理層。AIS（automatic identification system）基站通過 VHF天線，可接收附近海域船舶的VHF信號(hào)，并通過RS485將AIS報(bào)文傳輸至數(shù)據(jù)處理層。

數(shù)據(jù)處理層主要實(shí)現(xiàn)2個(gè)功能模塊：①接收、解析并存儲(chǔ)AIS和氣體檢測信息；②融合船舶和吊艙系統(tǒng)的GPS信息，識(shí)別對(duì)應(yīng)船舶的尾氣濃度。

數(shù)據(jù)表示層利用WebGIS技術(shù)，將船舶與吊艙設(shè)備制作成地圖符號(hào)，在地圖界面上動(dòng)態(tài)渲染檢測信息。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

2.1 氣體檢測吊艙系統(tǒng)

針對(duì)無人機(jī)載重的局限性，設(shè)計(jì)了氣體檢測吊艙系統(tǒng)。吊艙系統(tǒng)負(fù)責(zé)氣體濃度的檢測、傳輸。

2.1.1 氣路結(jié)構(gòu)

氣體檢測的主要對(duì)象是?？坑诟蹍^(qū)船舶的煙囪口排放的尾氣。為了提高檢測結(jié)果的可靠性與精度，在檢測時(shí)需要控制檢測設(shè)備靠近尾氣排放的煙囪口。由于所排放煙氣帶來的高溫會(huì)對(duì)檢測設(shè)備產(chǎn)生影響，降低檢測設(shè)備的檢測精度和使用壽命，嚴(yán)重時(shí)甚至造成設(shè)備的永久損壞。為此，氣體檢測吊艙系統(tǒng)采用如圖2所示的氣路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

圖2 氣路結(jié)構(gòu)Fig.2 Gas path structure

由圖可見，在輕量化外殼內(nèi)部設(shè)定了1個(gè)小型氣泵負(fù)責(zé)抽取冷卻管中的氣體，煙氣體通過長度1 m的耐高溫冷卻管，冷卻降溫后再進(jìn)行尾氣檢測，以防止煙氣溫度過高對(duì)傳感器以及控制中心的破壞；使用除濕過濾裝置，對(duì)采集的氣體進(jìn)行除濕過濾，以防硫氧化物遇水形成液態(tài)酸性物質(zhì)腐蝕整個(gè)設(shè)備；待測氣體進(jìn)入傳感器室，經(jīng)過滲透膜后進(jìn)入電解槽，使在電解液中被擴(kuò)散吸收的氣體在規(guī)定的氧化電位下進(jìn)行電位電解，根據(jù)耗用的電解電流求出該氣體的濃度，獲取氣體中的含硫濃度，最后氣體從出氣接口排出。

2.1.2 電子學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

氣體檢測吊艙系統(tǒng)電子學(xué)結(jié)構(gòu)圖3所示。在該結(jié)構(gòu)中設(shè)計(jì)兩級(jí)電源轉(zhuǎn)換，采用MP2303A作為一級(jí)電源，MP2303A將28 V降至5 V，為SIM868模塊和傳感器模塊提供工作電壓；AMS1117-3.3作為二級(jí)電源，將5 V降至3.3 V，其主要作用是為STM32提供穩(wěn)壓電源。其中SIM868模塊作為通訊模塊，該模塊需外接GPS和GPRS天線，用于獲取經(jīng)緯度信息和傳輸檢測信息，為此輕量化外殼設(shè)計(jì)了GPS和GPRS天線接口。核心板選用STM32F103作為主控芯片。

圖3 吊艙系統(tǒng)電子學(xué)結(jié)構(gòu)Fig.3 Pod system electronic structure

2.1.3 軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)采用 FreeRTOS操作系統(tǒng)[4]，F(xiàn)reeRTOS每個(gè)執(zhí)行的線程都被稱為“任務(wù)”。程序設(shè)計(jì)中需要對(duì)各個(gè)任務(wù)進(jìn)行調(diào)度。FreeRTOS共有4種任務(wù)狀態(tài)，分別為掛起、就緒、阻塞、運(yùn)行。任務(wù)之間的數(shù)據(jù)傳輸，設(shè)計(jì)使用向隊(duì)列中傳入結(jié)構(gòu)體的方式來實(shí)現(xiàn)。如圖4所示，首先隊(duì)列中數(shù)據(jù)為空，當(dāng)任務(wù)A完成后，將數(shù)據(jù)發(fā)送到指定隊(duì)列中，然后任務(wù)B從隊(duì)列中獲取數(shù)據(jù)，最后刪除隊(duì)列中已被獲取的數(shù)據(jù)，隊(duì)列再次為空。

圖4 數(shù)據(jù)傳輸方式Fig.4 Data transmission method

該檢測系統(tǒng)的主要任務(wù)是傳感數(shù)據(jù)的采集和傳輸。針對(duì)傳感數(shù)據(jù)的采集和傳輸，采用阻塞態(tài)的同步事件和隊(duì)列數(shù)據(jù)傳輸方式實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)采集和傳輸流程如圖5所示。

圖5 傳感器信息處理流程Fig.5 Sensor information processing flow chart

當(dāng)UART中斷未發(fā)生時(shí)，中斷服務(wù)例程和中斷延遲處理均處于阻塞狀態(tài)，當(dāng)UART中斷發(fā)生，中斷服務(wù)例程從阻塞狀態(tài)轉(zhuǎn)換成就緒狀態(tài)，等待任務(wù)調(diào)度器調(diào)用，中斷服務(wù)例程完成后，將采集數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體存放至數(shù)據(jù)隊(duì)列中。中斷延遲處理函數(shù)首先獲取信號(hào)量，若信號(hào)量有效，則等待延遲，接著從數(shù)據(jù)隊(duì)列中獲取采集數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體，然后控制中心通過AT指令集，控制通訊模塊SIM868芯片，獲取當(dāng)前GPS信息和網(wǎng)絡(luò)時(shí)間，最后將數(shù)據(jù)信息編碼，通過IP數(shù)據(jù)流的方式傳輸?shù)綌?shù)據(jù)服務(wù)器。其中對(duì)于數(shù)據(jù)處理層和氣體檢測吊艙系統(tǒng)的雙向數(shù)據(jù)傳輸，氣體檢測吊艙系統(tǒng)設(shè)定為客戶端，主動(dòng)連接數(shù)據(jù)處理層的IP和端口。

為保證延遲處理任務(wù)僅處理一次有效的采集數(shù)據(jù)報(bào)文，則三者的時(shí)間應(yīng)滿足

式中：Ts為延遲信號(hào)量；Ti為傳感器數(shù)據(jù)固定上傳傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔；Td為延遲函數(shù)處理時(shí)間。

由于網(wǎng)絡(luò)延遲等其他原因，氣體濃度采集報(bào)文在GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)倪^程中，存在信息報(bào)文缺失的情況，為保證傳輸過程中信息的完整性，采用的傳輸協(xié)議見表1。

表1 氣體檢測傳輸協(xié)議Tab.1 Gas detection and transmission protocol

該協(xié)議采用前38按位相加再取反+1方式生成校驗(yàn)碼。接收方首先需通過按照前38位生成校驗(yàn)碼，然后與傳輸信息中的第39位校驗(yàn)碼對(duì)比，若相等，表示氣體濃度信息完整，則正常解析；若不相等，表明該信息為錯(cuò)誤信息，則丟棄該條報(bào)文。

2.2 數(shù)據(jù)處理層

2.2.1 AIS 數(shù)據(jù)報(bào)文

ITU-R M.1371.5建議書在 VHF水上移動(dòng)頻段使用時(shí)分多址的自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的技術(shù)特性[5]確定了AIS報(bào)文格式。AIS共有27類不同內(nèi)容的消息報(bào)文。該系統(tǒng)需檢測在港區(qū)運(yùn)動(dòng)船舶的信息。對(duì)于運(yùn)動(dòng)船舶的消息報(bào)文的類型分別為 1，2，3，18，19。 解析這5類消息，可以獲取船舶的經(jīng)度、緯度、地面航速、地面航向等信息。

2.2.2 匹配對(duì)應(yīng)船舶的尾氣濃度

將船舶信息和吊艙檢測信息進(jìn)行融合，匹配對(duì)應(yīng)船舶排放的尾氣濃度。尾氣吊艙和船舶位置關(guān)系如圖6所示。

圖6 檢測點(diǎn)和船舶的相對(duì)位置Fig.6 Relative position of detection point and ship

在不考慮其他因素的情況下，可知尾氣吊艙設(shè)備的有效檢測范圍為Rd。若可求得附近各艘船舶與吊艙設(shè)備的相對(duì)距離Lab，那么當(dāng)船舶與吊艙設(shè)備相對(duì)距離滿足Lab＜Rd條件時(shí)，吊艙設(shè)備當(dāng)前檢測的氣體濃度即為對(duì)應(yīng)船舶尾氣排放的濃度。根據(jù)AIS報(bào)文和采集數(shù)據(jù)報(bào)文，已知條件為吊艙設(shè)備和船舶的經(jīng)緯度，為此首先需根據(jù)兩者間的經(jīng)緯度求其相對(duì)距離 Lab。

設(shè)A為船舶，B為吊艙設(shè)備，已知A的經(jīng)緯度為（Aj，Aw），B 的經(jīng)緯度（Bj，Bw），地球半徑為 R。 吊艙設(shè)備相對(duì)于地面的高度相對(duì)于地球半徑而言相對(duì)較小，故在此忽略吊艙設(shè)備距離地面的高度。

當(dāng)兩點(diǎn)間距離較近時(shí)，采用式（2），求出AB間的距離 Lab，即

式中：Xa，Ya，Za為三維直角坐標(biāo)下點(diǎn) A 的坐標(biāo)；Xb，Yb，Zb為三維直角坐標(biāo)下點(diǎn)B的坐標(biāo)。遍歷數(shù)據(jù)庫中的船舶數(shù)據(jù)，當(dāng)Lab＜Rd時(shí)，當(dāng)前時(shí)刻吊艙設(shè)備檢測的氣體濃度即為對(duì)應(yīng)船舶的尾氣排放濃度。

2.3 數(shù)據(jù)表示層

數(shù)據(jù)表示層以WebGIS的方式實(shí)時(shí)渲染檢測信息。對(duì)WebGIS的二次渲染，采用第三方開源庫OpenLayers進(jìn)行地圖數(shù)據(jù)的渲染。OpenLayers是一個(gè)專為WebGIS客戶端設(shè)計(jì)并用于實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)格式發(fā)布的類庫，其整體結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 OpenLayers架構(gòu)Fig.7 OpenLayers structure

圖中，Map為地圖容器；View為負(fù)責(zé)地圖的中心點(diǎn)和投影；Layer資源數(shù)據(jù)的圖層。其中Layers分為 Tile，Image，Vector三類圖層。 Vector層主要用于客戶端渲染矢量數(shù)據(jù)。該檢測系統(tǒng)主要在Vector圖層對(duì)船舶信息和檢測信息符號(hào)化，對(duì)地圖進(jìn)行二次渲染。地圖要素是構(gòu)成地圖的基本要素，且各要素具有唯一標(biāo)識(shí)號(hào)。根據(jù)數(shù)據(jù)庫主鍵的唯一性約束，設(shè)計(jì)主鍵與地圖要素標(biāo)識(shí)號(hào)一一對(duì)應(yīng)。對(duì)船舶和吊艙信息實(shí)時(shí)渲染的流程如圖8所示。

圖8 WebGIS數(shù)據(jù)渲染流程Fig.8 WebGIS data rendering flow chart

客戶端首先創(chuàng)建AJAX對(duì)象，然后以POST方式向后端請求信息，后端服務(wù)器根據(jù)請求參數(shù)，遍歷數(shù)據(jù)庫并查詢檢測信息，正常獲取信息后并將該信息編碼成JSON格式的數(shù)據(jù)報(bào)文發(fā)送至客戶端?？蛻舳双@取并解析檢測信息報(bào)文，根據(jù)檢測信息的唯一標(biāo)識(shí)號(hào)，遍歷地圖上的已存在要素，若返回值為空，則創(chuàng)建新要素，并添加到矢量圖層。反之，則獲取該要素并更改要素的屬性，最后刷新整個(gè)矢量圖層。

為了更加明顯區(qū)分不同時(shí)間段的船舶，對(duì)于船舶符號(hào)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了2套不同顏色的船舶，黃色船舶符號(hào)為當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間與接收到AIS報(bào)文時(shí)間差超過0.5 h以上的船舶，綠色船舶符號(hào)則為時(shí)間差在0.5 h以內(nèi)的船舶。

3 系統(tǒng)的測試與分析

該船舶尾氣檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，分別在實(shí)驗(yàn)室和港區(qū)對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行測試。尾氣燃燒實(shí)驗(yàn)室測試現(xiàn)場和港區(qū)實(shí)測現(xiàn)場如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)測試現(xiàn)場Fig.9 System test site

不同硫含量的燃料油可以影響發(fā)動(dòng)機(jī)排放的SO2濃度。實(shí)驗(yàn)室分別對(duì)硫含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）0.52%和0.706%的燃料油進(jìn)行了燃燒試驗(yàn)，以獲得不同硫含量的燃料油與尾氣中SO2濃度的定量關(guān)系。實(shí)驗(yàn)室尾氣燃燒的環(huán)境參數(shù)如下：溫度25℃，相對(duì)濕度61%，風(fēng)速3 m/s；發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速89 r/min，功率892 kW。實(shí)驗(yàn)室煙囪口直接測試所得的實(shí)際尾氣排放測試結(jié)果如圖10所示。

圖10 實(shí)驗(yàn)室煙囪口直接測試的尾氣排放濃度Fig.10 Emission concentration of laboratory chimney exhaust gas

根據(jù)圖10煙囪口的直接測試結(jié)果顯示，硫含量為（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）0.706%的燃料油，其排放的尾氣中SO2排放濃度均值為384 mg/m3；硫含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）0.52%的燃料油，其SO2排放濃度均值為228 mg/m3?？梢?，船舶排放的尾氣中SO2濃度，隨燃料油中硫含量的減少而減少。

根據(jù)港區(qū)實(shí)際檢測數(shù)據(jù)繪制的數(shù)據(jù)折線如圖11所示。無人機(jī)吊艙檢測數(shù)據(jù)受無人機(jī)實(shí)際飛行時(shí)采樣點(diǎn)位置的影響，且吊艙測得的數(shù)據(jù)受風(fēng)速風(fēng)向影響較大，因系統(tǒng)測試當(dāng)天港區(qū)風(fēng)力較大，故測試結(jié)果起伏較為明顯。

圖11 港區(qū)無人機(jī)飛行檢測的數(shù)據(jù)折線Fig.11 Data folding of flight detection for UAV in port area

數(shù)據(jù)表示層對(duì)檢測信息的實(shí)時(shí)渲染效果如圖12所示。其中，圖12a為網(wǎng)頁地圖對(duì)于檢測信息渲染的整體效果，圖12b為無人機(jī)吊艙實(shí)時(shí)顯示的檢測數(shù)據(jù)，圖12c為船舶運(yùn)行的動(dòng)態(tài)信息。

數(shù)據(jù)表示層對(duì)于無人機(jī)自動(dòng)巡航檢測到的各艘船舶排放SO2的濃度信息統(tǒng)計(jì)匯總?cè)鐖D13所示。 其中，SO2濃度/（mg·m-3）和燃油硫含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的映射關(guān)系，以實(shí)驗(yàn)室燃燒試驗(yàn)的結(jié)果作為標(biāo)準(zhǔn)。

圖12 GIS實(shí)時(shí)信息Fig.12 GIS real-time information

圖13 船舶尾氣排放實(shí)時(shí)顯示Fig.13 Real-time display of ship exhaust emission

經(jīng)過實(shí)際測試，根據(jù)檢測尾氣中SO2的濃度來間接測量燃油硫含量范圍的方法，具有一定的可行性。在港區(qū)的實(shí)際測試中，該系統(tǒng)可以自動(dòng)識(shí)別船舶，并確定尾氣中SO2的濃度以及燃油中硫含量的范圍。

4 結(jié)語

結(jié)合海事監(jiān)管的實(shí)際需求，設(shè)計(jì)了基于無人機(jī)的船舶尾氣檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)借助無人機(jī)靈活、方便裝載的優(yōu)點(diǎn)，能夠快速巡航并自動(dòng)檢測船舶的SO2濃度和燃油中的硫含量，與原來的檢測方式相對(duì)比，降低了人力、時(shí)間成本。目前實(shí)驗(yàn)室僅對(duì)2種不同硫含量的燃料油完成了燃燒對(duì)比測試，后續(xù)還將開展更多的燃燒測試，以測定不同燃料油的硫含量與尾氣中SO2定量關(guān)系。

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