船舶大氣污染物岸基嗅探式自動監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與驗證

楊甜甜， 文元橋， 黃 亮， 周春輝,c， 彭 鑫

(武漢理工大學(xué) a.航運學(xué)院；b.智能交通系統(tǒng)研究中心；c.內(nèi)河航運技術(shù)湖北省重點實驗室；d.國家水運安全工程技術(shù)研究中心， 武漢 430063)

在全球氣候變化背景下，船舶排放問題一直都是航運界高度關(guān)注的話題。船舶和港口的大氣污染主要包括硫氧化物、氮氧化物、溫室氣體及微粒等[1]，他們已成為港口城市的主要污染源，在部分地區(qū)，其對大氣污染的貢獻率甚至超過機動車和電廠。[2]2005年生效的國際防止船舶造成污染公約(The International Convention for the Prevention of Pollution From Ships,MARPOL公約)附則Ⅵ確定了在全球范圍內(nèi)船舶使用燃料油硫含量(Fuel Sulfur Content,FSC)的標(biāo)準(zhǔn)，并于2010年在波羅的海、北海、北美地區(qū)和加勒比海范圍內(nèi)設(shè)立硫排放控制區(qū)(Sulfur Emission Control Area,SECA)?！吨腥A人民共和國大氣污染防治法》對船舶燃油的使用和大氣污染物排放做了總綱性規(guī)定。交通運輸部在2015年發(fā)布了《珠三角、長三角、環(huán)渤海(京津冀)水域船舶排放控制區(qū)實施方案》[3]和《船舶與港口污染防治專項行動實施方案(2015—2020年)》[4]，更具體地從船舶燃料油硫含量的角度，控制并減輕因大量排放硫氧化物造成的大氣環(huán)境污染。

對于船舶大氣污染物排放進行有效的動態(tài)監(jiān)測是進一步實施排放控制措施、減少船舶大氣污染物排放的重要基礎(chǔ)，也是目前亟需解決的問題。特殊的水上環(huán)境使船舶尾氣監(jiān)測設(shè)備安裝的難度較大，加上船舶的分散和流動的特性使采集船舶參數(shù)和油耗信息等數(shù)據(jù)變得困難。目前,雖然國內(nèi)主要排放控制區(qū)的核心港口均已開展防治船舶大氣污染的相關(guān)檢查，但是海事監(jiān)管中常用的登船抽取燃油對船舶尾氣排放進行檢測的方法存在較大的盲目性和滯后性。因此，開展船舶尾氣遙測，特別是根據(jù)氣體污染物SO2濃度測算船舶燃料油硫含量，是測算排放控制區(qū)內(nèi)船舶使用燃料油合規(guī)性的重要方法。

船舶尾氣遙測方法根據(jù)不同原理分為光學(xué)法[5]和嗅探法兩種。光學(xué)法包括差分光學(xué)吸收光譜(Differential Optical Absorption Spectroscopy,DOAS)、激光雷達(Light Detection and Ranging,LIDAR)和紫外線相機(Ultraviolet Camera,UV-CAM)。嗅探法為通過遠程測量確定船舶FSC提供最便捷的方法,在使用不同的遙測技術(shù)時，可配合不同搭載平臺，例如固定岸基、橋梁、船舶和飛機，進行多種組合方式的氣體污染物監(jiān)測。

在船舶尾氣監(jiān)測方面，史華杰等[6]通過設(shè)計基于無人機的船舶尾氣檢測系統(tǒng)，快速檢測船舶尾氣中SO2的濃度和確定燃油中硫含量的范圍。汪佳瑤等[7]設(shè)計基于Android系統(tǒng)的船舶尾氣檢測系統(tǒng)，實時顯示無人機搭載的氣體檢測裝置的監(jiān)測數(shù)據(jù)。芬蘭的六所大學(xué)等在2010年和2011年的夏季和冬季使用嗅探設(shè)備，研究在波羅的海航行的11艘船舶的尾氣(CO、CO2、SO2、NO、NO2)和顆粒物的排放特征。[8]BEECKEN等[9]使用機載嗅探設(shè)備測量了2011—2012年北海和波羅的海158艘船舶在不同情形下的174個，計算得到85%監(jiān)測船舶使用符合標(biāo)準(zhǔn)的燃油。KATTNER等[10]測量漢堡港2014年的474艘和2015的374艘船舶尾氣排放，發(fā)現(xiàn)2015年95.4%的船舶燃油符合標(biāo)準(zhǔn)，但尾氣排放小于2014年的99%。BEECKEN等[11]通過對芬蘭灣和涅瓦灣2011年8—9月和2012年6—7月311艘船舶466組測量(434組岸基測量結(jié)果，32組直升機測量結(jié)果)，得到2011年90%和 2012年97%的船舶燃油符合規(guī)定。丹麥環(huán)境保護局使用機載嗅探設(shè)備測算2017年7—10月丹麥404艘船舶煙羽，發(fā)現(xiàn)22艘船舶5.4%的FSC水平超過排放控制區(qū)FSC不超過1%的標(biāo)準(zhǔn)。[12]

本文基于嗅探法的岸基自動監(jiān)測系統(tǒng)，通過集成氣體污染物濃度數(shù)據(jù)、船舶AIS數(shù)據(jù)以及氣象數(shù)據(jù)等信息，對數(shù)據(jù)進行重構(gòu)組織與計算,從而達到初篩超排嫌疑船舶的目的，并將超排嫌疑船舶實時信息動態(tài)展示在系統(tǒng)的軟件平臺，為及早發(fā)現(xiàn)和追蹤超排船舶以及采取針對性措施提供依據(jù)。

1 岸基自動監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)框架

船舶大氣污染物岸基嗅探式自動監(jiān)測系統(tǒng)包括船舶大氣污染物排放智能監(jiān)測儀(簡稱WUT-iTracer)以及配套的船舶大氣污染物排放智慧監(jiān)測平臺(簡稱智慧監(jiān)測平臺)。系統(tǒng)框架見圖1。

圖1 岸基自動監(jiān)測系統(tǒng)框架圖

1.2 硬件系統(tǒng)

WUT-iTracer作為船舶岸基嗅探式自動監(jiān)測系統(tǒng)的主要設(shè)備，是一種基于氣體分析儀的高精度嗅探器，能夠?qū)崿F(xiàn)對船舶尾氣成分CO2、SO2、NOx(NO/NO2)的高精度的在線監(jiān)測。WUT-iTracer設(shè)備實物見圖2。WUT-iTracer采用模塊化的結(jié)構(gòu)見圖3，其主要包括樣氣質(zhì)量控制模塊、氣體濃度測量模塊、船舶自動識別系統(tǒng)(Automatic Indentification System,AIS)模塊、微型氣象站模塊、通信模塊、零氣調(diào)校模塊、電源管理模塊等。

圖2 WUT-iTracer設(shè)備實物圖圖3 WUT-iTracer設(shè)備主要結(jié)構(gòu)

樣氣質(zhì)量控制模塊負責(zé)對進入監(jiān)測儀的氣體流量、溫度、濕度和鹽度的控制。

氣體濃度測量模塊由CO2分析儀、SO2分析儀和NOx分析儀實現(xiàn)對船舶尾氣的高精度在線監(jiān)測。其中:SO2分析儀采用脈沖熒光技術(shù)可測量高達0.001%的SO2;NO-NO2-NOx分析儀采用發(fā)光法對氮氧化物濃度進行分析，并對各種氣體進行獨立校準(zhǔn)。

AIS模塊通過AIS接收機能夠?qū)崟r獲得船舶速度、航向、經(jīng)緯度等信息；微型氣象站能夠?qū)崟r測量設(shè)備周圍的風(fēng)向、風(fēng)速、氣壓、氣溫、濕度等5種要素信息。

電源管理模塊在電網(wǎng)異常(如停電、欠壓、干擾或者涌浪)情況下不間斷地為設(shè)備提供后備交流電源，可保證監(jiān)測設(shè)備在多種環(huán)境條件下的連續(xù)在線工作。所有監(jiān)測數(shù)據(jù)最終通過通信模塊實現(xiàn)信息的遠程傳輸。

1.3 軟件系統(tǒng)

智慧監(jiān)測平臺是與船舶大氣污染物排放智能監(jiān)測儀配套的數(shù)據(jù)可視化Web平臺，通過智慧監(jiān)測平臺實時獲取設(shè)備的通信模塊所傳輸?shù)母黜棓?shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)分析計算和地理信息可視化顯示。

1.3.1系統(tǒng)數(shù)據(jù)預(yù)處理

在確定氣體污染物濃度之后，為粗篩超排嫌疑船舶，需先對遠程模塊傳輸?shù)南到y(tǒng)數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，以下為預(yù)處理步驟。

1.3.1.1 數(shù)據(jù)去噪、清洗

為保證用于統(tǒng)計和計算的數(shù)據(jù)質(zhì)量，需要對接收到的系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行去噪和清洗，主要包括對異常數(shù)據(jù)的剔除。例如由于AIS接收模塊的系統(tǒng)誤差和固有缺陷，AIS數(shù)據(jù)中存在一部分的異常數(shù)據(jù)。其中正常的船舶海上移動通信業(yè)務(wù)標(biāo)識(Maritime Mobile Service Identity,MMSI)是由9位阿拉伯?dāng)?shù)字組成的。國際海事組織(International Maritime Organization,IMO)號碼由7位數(shù)字組成，對于MMSI或IMO缺失、錯誤的AIS靜態(tài)信息進行剔除。

1.3.1.2 數(shù)據(jù)重構(gòu)

插值和多維數(shù)據(jù)融合。由于監(jiān)測設(shè)備得到的數(shù)據(jù)精度存在差異，為便于后續(xù)利用不同類型的數(shù)據(jù)進行交叉融合計算，需要對數(shù)據(jù)進行插值處理。氣體濃度數(shù)據(jù)，時間精度為5 s；AIS模塊每隔1 s更新一次AIS數(shù)據(jù)，對于特定船舶，AIS數(shù)據(jù)精度為8～30 s；環(huán)境氣象數(shù)據(jù)，時間精度為6 s。通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)插值，得到時間精度為1 s的地面監(jiān)測站數(shù)據(jù)，達到系統(tǒng)數(shù)據(jù)時序統(tǒng)一的目的;面向任務(wù)的數(shù)據(jù)組織。將岸基固定監(jiān)測站在監(jiān)測時間范圍內(nèi)的最大檢測值和監(jiān)測時間范圍內(nèi)的平均監(jiān)測濃度的差值與平均濃度的比值記為增量Δ，當(dāng)Δ大于30%時，氣體污染物濃度出現(xiàn)較大波動。結(jié)合此時的AIS數(shù)據(jù)、風(fēng)向數(shù)據(jù)，索引位于監(jiān)測設(shè)備上風(fēng)向區(qū)域且位于監(jiān)測和擴散范圍內(nèi)的船舶，根據(jù)船舶MMSI組織相關(guān)聯(lián)的信息。

(1)

1.3.2船舶尾氣的擴散濃度計算

針對氣體濃度的監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)波動時的所有船舶，采用文元橋等[13]的船舶廢氣排放量計算公式，通過船舶特征參數(shù)(航速、功率、載重、油耗等)可計算船舶在使用標(biāo)準(zhǔn)燃油條件下的污染物氣體排放值。

利用大氣污染物擴散模型CALPUFF，將計算得到的氣體污染物排放量作為源清單，計算船舶在此時的地理環(huán)境和在氣象條件下擴散到監(jiān)測站點的濃度值Cc。

1.3.3環(huán)境背景濃度識別

氣體污染物的環(huán)境背景濃度是指除船舶外其他所有污染源的濃度Cb。目前,國外學(xué)者使用遙測方法對船舶尾氣進行監(jiān)測時，基本都是選取單艘船舶作為研究對象。因為僅使用單個監(jiān)測站點時，為準(zhǔn)確測量船舶排放的氣體煙羽濃度，在監(jiān)測站點位于煙羽下風(fēng)區(qū)域范圍前提下，還必須滿足環(huán)境背景中污染物氣體濃度影響較小，進出港口和航道的船舶活動情況相對簡單的要求。此時背景濃度可根據(jù)氣體濃度測量結(jié)果，利用峰值濃度出現(xiàn)前固定時間段內(nèi)濃度結(jié)果穩(wěn)定的穩(wěn)定值與濃度峰值的差值作為此時的背景濃度。

當(dāng)有多個監(jiān)測站點時，在背景濃度識別通過CALPUFF模型后，計算出氣體濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大波動時所有船舶的污染物濃度擴散范圍。出現(xiàn)濃度波動的監(jiān)測站與不在船舶擴散范圍內(nèi)的監(jiān)測站氣體濃度的差值即為污染物背景濃度。

污染物濃度背景測算示意見圖4，假設(shè)在監(jiān)測水域有3個岸基污染物監(jiān)測站A、B、C和3艘活動船舶，根據(jù)當(dāng)前風(fēng)速、風(fēng)向和船舶污染物排放量，利用污染物擴散模型計算得出3艘船舶所排污染物的擴散范圍，得知觀測站B、C的觀測值會受船舶排放的影響，而觀測站A的觀測值視為環(huán)境背景污染物濃度值。

1.3.4疑似超排船舶的識別

為達到粗篩嫌疑船舶的目的，比較和判斷船舶是否超排，利用式(2)作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，其中監(jiān)測站測量數(shù)據(jù)的峰值濃度記為Co。比較船舶理論氣體污染物排放值與氣體實測濃度值，若不等式成立，則此船舶的實際排放濃度高于基于標(biāo)準(zhǔn)燃油計算出的氣體污染物理論排放濃度，判斷船舶存在違規(guī)排放的嫌疑。

Co≥Cc+Cb

(2)

1.3.5信息可視化顯示

將嫌疑船舶的信息展示在智慧監(jiān)測平臺，實現(xiàn)岸基監(jiān)測系統(tǒng)自動監(jiān)測超排大氣污染物船舶的功能。智慧監(jiān)測平臺的軟件界面見圖5，通過每10 s一次的更新頻率，平臺可切換展示各種氣體污染物在1 min和30 min時間尺度內(nèi)的觀測濃度值和濃度變化趨勢,嫌疑船舶的信息也會進行實時顯示。

圖4 污染物濃度背景測算示意圖5 智慧監(jiān)測平臺軟件界面圖

2 試驗驗證

2.1 試驗介紹

船舶大氣污染物排放岸基固定監(jiān)測系統(tǒng)試驗區(qū)域位于深圳市鹽田港碼頭(見圖6)。深圳市位于廣東省中南沿海地區(qū)，所處緯度較低，屬亞熱帶海洋性氣候。由于受夏季風(fēng)的影響，夏季盛行偏東南風(fēng)，其余季節(jié)盛行東北季風(fēng)。試驗時間為2018年6月2日—2018年8月1日，當(dāng)?shù)厥⑿邢募撅L(fēng)，主導(dǎo)風(fēng)向為偏東南風(fēng)。船舶大氣污染物排放岸基監(jiān)測系統(tǒng)部署于碼頭上風(fēng)向過往和進出港船舶航道網(wǎng)附近，經(jīng)緯度位置為(114.28°E,22.57°N)，試驗區(qū)域的范圍為(22.53°N,22.61°N)(114.24°E,114.33°E)。

圖6 深圳鹽田國際集裝箱碼頭區(qū)域示意

WUT-iTracer觀測點位在D點，設(shè)備附近場地開闊，無遮擋，能夠取電，滿足岸基觀測站架設(shè)需求。記錄試驗期間24 h地面固定監(jiān)測船舶煙羽試驗，地面監(jiān)測系統(tǒng)自動記錄并保存4類氣體(CO2、SO2、NO、NO2)24 h濃度變化數(shù)據(jù)以及過往船舶的AIS數(shù)據(jù)、氣象信息(風(fēng)速、風(fēng)向、氣壓、溫度等)。

2.2 試驗結(jié)果分析

通過深圳鹽田港船舶排放固定岸基監(jiān)測站，對鹽田港進出港以及過往船舶排放煙羽中的CO2、SO2、NO、NO2進行2個月全天候的實時監(jiān)測。結(jié)合現(xiàn)場人工觀察記錄(9:00—17:00)，此次試驗地面監(jiān)測站點共監(jiān)測船舶400余艘。根據(jù)地面監(jiān)測站監(jiān)測到的船舶大氣污染物排放濃度數(shù)據(jù)、船舶AIS數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)進行綜合分析得出超排嫌疑船舶39艘。

分析典型的39艘船舶進出試驗區(qū)域時，岸基觀測站氣體濃度監(jiān)測值有明顯上升趨勢的時間區(qū)間范圍(不完全包含所有濃度峰值時間)內(nèi)的氣體濃度觀測數(shù)據(jù)進行分析，首先根據(jù)可疑船舶的MMSI，利用小波閾值去噪法確定單船的實測氣體濃度，與CALPUFF模型計算出的同時刻該船舶理論氣體濃度值進行比較。

以2018年6月26日出港船舶MSC BETTINA和船舶MSC BERYL為例，對比船舶的SO2實時排放濃度與實時氣象條件模擬得到的氣體污染物理論濃度。兩艘樣本船舶的基本信息見表1。

表1 兩艘樣本船舶的基本信息

MSC BETTINA經(jīng)過觀測站點時，MSC BETTINA的岸基觀測濃度與模擬濃度對比見圖7。觀測濃度約從14:30開始升高，在14:30:36達到峰值約16.35 μg/ m3，并在約14:33回落至背景值水平，與模擬濃度反映的船舶尾氣污染物對岸邊觀測點影響特征一致。

圖7 BETTINA的岸基觀測濃度與模擬濃度對比

MSC BERYL的岸基觀測濃度與模擬濃度對比見圖8。由圖8可知:當(dāng)MSC BERYL經(jīng)過觀測站點時，觀測濃度約從15:06開始升高，在15:07:31達到峰值約14.30 μg/m3，并在約15:10回落至背景值水平。與模擬濃度反映的船舶大氣污染物對岸基觀測點影響特征相比，雖然濃度響應(yīng)的持續(xù)時間僅約3 min，小于模擬結(jié)果代表的理論持續(xù)時間，但是氣體濃度總的趨勢相同，觀測濃度峰值水平與模擬濃度有較好的可比性。

圖8 BERYL的岸基觀測濃度與模擬濃度對比

3 結(jié)束語

基于嗅探式傳感器的岸基監(jiān)測設(shè)備，利用內(nèi)置的高精度氣體檢測儀，能實現(xiàn)對SO2、CO2、NO、NO2的濃度監(jiān)測，通過配套軟件系統(tǒng)將監(jiān)測結(jié)果展示在網(wǎng)頁平臺上。利用小波閾值去噪法去除監(jiān)測數(shù)據(jù)中的背景濃度，得到單艘船舶的實測氣體排放量。通過與CALPUFF模型模擬得到的理論濃度的對比分析證明岸基自動監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測結(jié)果的可靠性。

由于基于嗅探法的岸基監(jiān)測屬于被動式遙測，風(fēng)是影響檢測結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵因素，監(jiān)測站點的選取需要充分考慮到風(fēng)向和風(fēng)速的影響。針對風(fēng)向的影響，監(jiān)測站點必須位于煙羽下風(fēng)向區(qū)域才可準(zhǔn)確捕捉到氣體污染物。嗅探法監(jiān)測需要一定的風(fēng)速將煙團輸送到監(jiān)測站點，但是風(fēng)速過大容易導(dǎo)致氣體污染物煙羽從船舶煙囪口排除后被快速稀釋，到達監(jiān)測站點時氣體濃度小于儀器最小測量精度而測量不到氣體濃度。另外受到設(shè)備本身的靈敏度的限制，監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性需要進一步精確和驗證。在測量得到船舶氣體污染物排放濃度的基礎(chǔ)上，基于燃料油碳守恒法，推算船舶燃料油硫含量，能為發(fā)現(xiàn)和懲治違規(guī)使用不合格燃料油的船舶提供依據(jù)，降低燃油抽檢的成本，確保執(zhí)法的精準(zhǔn)性。