基于無人機的近海區(qū)域船舶尾氣污染測試

青島銳帆電子材料科技有限公司 王聰

一、背景

航運業(yè)在現(xiàn)在全球貿(mào)易的大背景下，越來越發(fā)揮著重要的作用。但船舶尾氣排放所造成的污染，已經(jīng)和重工業(yè)企業(yè)排放污染、機動車尾氣排放污染一起，成為大氣污染的三大污染來源。船舶所產(chǎn)生的尾氣排放污染，主要包括含碳顆粒、含氮氧化物和含硫氧化物等已知的大氣污染物，危害人體健康、破壞地球大氣環(huán)境。船舶柴油發(fā)動機所產(chǎn)生的廢氣在國際上被列為第一類致癌物，船舶尾氣也是影響氣候變暖的重要因素之一。隨著人類對居住環(huán)境的要求日益提高，對船舶尾氣所排放的污染物的含量控制也早已提上日程，對船舶使用的燃油含硫量都有所要求，監(jiān)管力度也逐步加大。

在城市等人口密集處，人工判斷檢測是可行的，固定的監(jiān)測站可以用來追蹤空氣污染變化。但同樣的辦法無法運用于近海區(qū)域的船舶檢測，從便捷性、實時性等角度來衡量，已經(jīng)難以滿足時代的需求。所以針對這片區(qū)域，可移動的無人機搭載傳感器可以作為一種替代方案，這是出于以下幾點考慮：（1）近海區(qū)域的人口相對稀少，無法動用大規(guī)模人力去感應(yīng)或檢測；（2）地形對無人機的限制較少；（3）出于安全問題考慮，無人機替代操作人員可減少難以預(yù)料的危險。

在本文中，針對近海環(huán)境，以一組無人機配備現(xiàn)成設(shè)備和傳感器的方法來進行移動的船舶尾氣檢測服務(wù)，以仿生方法為其主要控制策略，從而自動覆蓋特定區(qū)域，檢測中心濃度。對于無人機的路徑控制，基于趨化性的方法可以更快更準(zhǔn)確地估計污染最嚴(yán)重的區(qū)域。在無人機配備傳感器的采樣操作中，基于不確定性的考慮也有被納入分析中。本實驗利用多軸旋翼無人機攜帶粒子數(shù)濃度和CO2測量儀器，測出數(shù)值以導(dǎo)出粒子數(shù)排放因子。

與其他方法相比，無人機系統(tǒng)用于快速測試船舶尾氣排放的粒子數(shù)排放因子，是一種成本相對較低并易于發(fā)揮優(yōu)勢的解決方案。無人機在海上和港口的部署能力，可以根據(jù)風(fēng)力條件的變化改變飛行路徑，使無人機方案具有高度的靈活性。此外，無人機系統(tǒng)的采樣比其他方案可以更靠近船舶排放源，從而可以為粒子數(shù)排放因子的計算提供濃度更高的測量數(shù)據(jù)。

二、總體設(shè)計

多軸旋翼無人機因其高機動性、緊實度和易用性，在應(yīng)急響應(yīng)、土木工程、巡邏監(jiān)視等多個領(lǐng)域得到應(yīng)用。在我們的案例中，無人機將對空氣采樣以測試船舶尾氣污染等級。我們將使用適用于生態(tài)領(lǐng)域的無人機，無人機在低空和低速飛行時，能以更精細的空間分辨率交付數(shù)據(jù)。無人機傳感器需要一種算法來覆蓋特定區(qū)域，它基于幾何考慮，驅(qū)動無人機選擇空間中的一個點沿著垂直線前往它的航向方向。

針對船舶尾氣排放污染的檢測方案，無人機有兩個主要方面需要考慮：（1）硬件配置；（2）控制系統(tǒng)行為的控制過程。同理，方案也可拆分成兩部分：（1）無人機的物理配置和環(huán)境傳感器；（2）控制無人機自動見識特定區(qū)域的算法。

（一）無人機配置

為了動態(tài)驅(qū)動無人機，采取的方案是將無人機控制模塊連接到樹莓派，并通過氣路模塊的形式將樹莓派和氣體傳感器成套模組連接，構(gòu)造方式如圖1所示。

圖1 配備船舶尾氣污染檢測傳感器的無人機

無人機所搭載氣路模塊的主要功能是對船舶排放尾氣粒子數(shù)和CO2濃度進行測量，配備有這兩個專門的傳感器。無人機使用Pixhawk驅(qū)動來控制無人機的身體機能，在無人機的底盤上安裝樹莓派并通過串行端口連接Pixhawk，傳感器則通過使用GrovePi與樹莓派連接。Pixhawk是高性能飛行控制模塊，適用于各種自動駕駛設(shè)施，其兩個重要的組成部分為能提供行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)自動駕駛模塊的硬件，與一個包括加載相應(yīng)風(fēng)格環(huán)境和實時操作系統(tǒng)的軟件。樹莓派是全球最受歡迎的單板計算機，它是一個低成本的小型硬件，并支持不同的操作系統(tǒng)且適用多種編程語言。此外，所有的樹莓派版本其輸入/輸出端口皆在5V，因此它是物聯(lián)網(wǎng)的理想選擇。GrovePi是允許多個模擬/數(shù)字 Grove 端口簡單連接到樹莓派的擴展板。

本文提出的閉環(huán)控制方案如圖2所示。Piwark是負責(zé)無人機下層物理控制系統(tǒng)，樹莓派則是上層負責(zé)確定前進方向的指導(dǎo)系統(tǒng)。

圖2 UAV控制回路

（二）測量儀器

（1）粒子數(shù)濃度測量儀器：測量粒子數(shù)濃度的儀器是一種微型擴散尺寸分類器，這種便攜式監(jiān)視器可以測量直徑為10-500 nm尺寸范圍內(nèi)的顆粒濃度。測量精度取決于顆粒形狀、尺寸分布和數(shù)量集中度。因為其尺寸小、重量輕、電池壽命長的原因，很容易被集成到無人機上使用。

（2）CO2濃度測量儀器：本實驗選擇TSI IAQ-CALC 7545空氣品質(zhì)測試儀來測試CO2濃度，它的傳感器基于雙波長 NDIR（非色散紅外線），靈敏度范圍在 0 到5000 ppm之間，讀數(shù)誤差為±3.0% 或 50 ppm （以較大者為準(zhǔn)）。

開始在海上進行測試前，粒子數(shù)濃度測量儀器和CO2濃度測量儀器都在實驗室中用環(huán)境氣溶膠測量來測試與校準(zhǔn)。所有數(shù)據(jù)都記錄在1秒的時間間隔內(nèi)，氣象數(shù)據(jù)也被納入?yún)⒖?，包括氣溫、相對濕度、大氣壓力和風(fēng)速風(fēng)向等。

（三）自動駕駛解決方案

考慮現(xiàn)存的不同可能性，為特定區(qū)域的自動檢測部署一套趨化性元啟發(fā)式算法，是本方案需要分析的。配備尾氣污染檢測傳感器的無人機負責(zé)調(diào)查特定區(qū)域，可遵循趨化性的遷移模式。

為了持續(xù)驅(qū)動無人機并達到預(yù)期的區(qū)域覆蓋目標(biāo)，以下被設(shè)計的污染驅(qū)動算法都有結(jié)合趨化性方法。在此背景下，基于趨化性元啟發(fā)式概念，該算法被開發(fā)用于搜索污染濃度最高的區(qū)域。該算法將由搜索階段和探索階段組成，搜索階段指無人機搜索最大污染值，探索階段指沿著螺旋運動探索周邊地區(qū)，直至它覆蓋了整片指定區(qū)域或允許的飛行時間結(jié)束。如果在探索階段發(fā)現(xiàn)了另一個檢測最大值區(qū)域，它將返回搜索階段。UAV運動軌跡示意圖如圖3所示。

圖3 UAV運動軌跡

本方法中最顯著的改進是無人機使用了一個相對較小的空速，因此測量橫斷面將容易采集到更多的數(shù)據(jù)點，并將儀器中潛在異常值的影響降到最小化。

三、實驗方法

為了確保無人機飛行的安全防范，無人機檢測過程中的每一次起飛和降落都是用手動飛行模式，無人機升空后切換至自主飛行模式，允許無人機沿著預(yù)先編程設(shè)定的路徑飛行測試。根據(jù)測量結(jié)果，根據(jù)船舶排放尾氣進行的粒子數(shù)排放因子可按下列等式進行計算：

尾氣排放因子為船舶關(guān)于二氧化碳的排放因子，已公布的數(shù)值為3.2(kgfuel)-1。Δ粒子數(shù)和Δ尾氣代表在粒子數(shù)測量和CO2濃度測量背景下的粒子濃度各自的最大變化。粒子數(shù)濃度的測量值和船舶發(fā)動機消耗的燃油有關(guān)，通過無人機同時對CO2濃度的測量來獲取。

本研究可以使用無人機系統(tǒng)成功測量來自在海上作業(yè)船舶尾氣排放的粒子數(shù)和CO2濃度，研究測試了幾種不同的無人機飛行路徑，并能確定無人機距離船舶的最佳位置以獲得最優(yōu)的垂直飛行橫斷面。計算后得到的粒子數(shù)排放因子為7.6±1.4*1015no/Kg，在整個過程中發(fā)動機以30%恒定負載運行。所得到的粒子數(shù)排放因子與文獻中報道的一致，表明這種基于無人機系統(tǒng)對粒子數(shù)排放因子的量化計算是一種潛在的選擇，未來有待于進一步評估。

（一）氣象調(diào)查數(shù)據(jù)

測試期間盡量選擇風(fēng)力條件穩(wěn)定的天氣，無人機的飛行模式也未受到太大干擾。風(fēng)速范圍在4到12ms-1之間，風(fēng)向變化少。

（二）儀器限制條件

相比于固定翼和有人駕駛的飛行器，輕量級無人機的運營成本顯著降低，因此它是可以完成空中測量要求的潛在選擇。輕量級無人機可以更快部署，且對起飛與著落區(qū)域的要求相對較低。然而它們的主要缺點則是其有效負荷量受到嚴(yán)重限制，因此在本實驗中粒子數(shù)濃度測量儀器和CO2濃度測量儀器也使用了便攜式輕量級。然而這些儀器具有較低的敏感度和較大的不確定性，這些因素可能會影響結(jié)果的測量值。

本研究中傳感器的校準(zhǔn)可以通過與海上環(huán)境測量的儀器比較來進行，理想情況下校準(zhǔn)應(yīng)該按照相同環(huán)境和范圍的實際測量值來執(zhí)行，但是用船舶甲板上的參考儀器進入煙羽，無人機幾天內(nèi)的多次飛行依然需要驗證研究。

更深度地優(yōu)化橫斷面方法將使無人機系統(tǒng)在測量航運船舶尾氣排放中獲得更大的范圍，更進一步的測量挑戰(zhàn)則可在不適宜的天氣條件下運作、測量無人機不是從船舶上起飛，或者該方法對全速前進的船舶尾氣排放的檢測等。

四、總結(jié)與結(jié)論

雖然還需要更進一步實驗驗證，但已提供的實驗結(jié)果表明基于無人機的船舶尾氣測量方案有潛力成為一個用于量化顆粒物排放因子的低成本工具。這有助于改進我們對航運的理解，主要在其對氣候和人類健康的影響。無人機系統(tǒng)的潛能應(yīng)當(dāng)遠遠超過了本文所描述的內(nèi)容，本文主要用于概念證明，并為相關(guān)項目的未來以及任何其他無人機采樣系統(tǒng)的發(fā)展提供有用信息。本方法也可以擴大到其他船舶排放因子的測量，例如含氮氧化物、含硫氧化物和揮發(fā)性的有機化合物。