在航船舶尾氣無人機(jī)遙測技術(shù)研究與應(yīng)用

鄧孟濤，謝 昕，蔣 智，胡健波，彭士濤，段鑫越

（1.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院，天津 300456；2.上海海事局，上海 200086；3.寶山海事局，上海 201999）

一、引言

船舶尾氣排放污染已成為大氣污染的重要來源之一，嚴(yán)重影響沿海沿江居民的身體健康，因此，對于船舶尾氣排放的監(jiān)管已經(jīng)刻不容緩。2019年10月，《2020年全球船用燃油限硫令實(shí)施方案》正式發(fā)布，決定自2020年1月1日起在全球范圍內(nèi)實(shí)施船用燃油硫含量不超過0．5% m/m的規(guī)定。歐美發(fā)達(dá)國家率先設(shè)置執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)更嚴(yán)格的大氣污染物船舶排放控制區(qū)（ECA），自2015年開始，要求進(jìn)入排放控制區(qū)的船舶使用硫含量不超過0．1%的燃油或者采取其他等同效果的措施。

相比歐美發(fā)達(dá)國家，2018年11月30日，我國交通運(yùn)輸部發(fā)布了《關(guān)于印發(fā)船舶大氣污染物排放控制區(qū)實(shí)施方案的通知》（交海發(fā)〔2018〕168號)，在船舶尾氣硫氧化物排放管控方面，提出“2019年1月1日起，海船進(jìn)入排放控制區(qū)，應(yīng)使用硫含量不大于0．5% m/m 的船用燃油”。然而，針對水上航行船舶這一移動空氣污染源，傳統(tǒng)的直接登船檢查方式存在登船難度大、監(jiān)測效率低、抽檢比例低三大問題。僅通過少量隨機(jī)抽查的方式無法滿足監(jiān)管需要，且成本投入巨大，不利于船舶大氣污染物減排目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。為助力船舶大氣污染物排放控制區(qū)有效實(shí)施，有必要開展在航船舶尾氣超標(biāo)排放監(jiān)測監(jiān)管裝備及系統(tǒng)研發(fā)，提出不登船、高效的船舶尾氣排放檢查新模式和新手段。

針對我國排放控制區(qū)的要求以及目前監(jiān)管手段方面存在的問題，本文對在航船舶尾氣無人機(jī)遙測技術(shù)進(jìn)行研究與應(yīng)用分析，研究了小型無人機(jī)機(jī)載平臺的船舶尾氣嗅探傳感器，并在排放控制區(qū)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試，證明該技術(shù)是一種成本低、響應(yīng)速度快、覆蓋范圍廣的船舶燃油硫含量監(jiān)管手段，充分驗(yàn)證了基于嗅探法的船舶尾氣遙測無人機(jī)技術(shù)的可靠性，為未來海事執(zhí)法提供了新的思路。另外，船舶尾氣遙測無人機(jī)系統(tǒng)可以與既有的陸海監(jiān)測體系形成合力，打造船舶尾氣陸?？樟Ⅲw監(jiān)視監(jiān)測體系，全面提升船舶尾氣監(jiān)測水平。

二、船舶尾氣遙測無人機(jī)系統(tǒng)

船舶尾氣遙測無人機(jī)系統(tǒng)是一套用于監(jiān)測在航船舶尾氣的系統(tǒng)。系統(tǒng)主要應(yīng)用于我國排放控制區(qū)內(nèi)海船尾氣硫含量的監(jiān)測，可以為海事執(zhí)法人員篩查燃油硫含量超過0．5% m/m的海船，從而為登船檢查鎖定目標(biāo)。船舶尾氣遙測無人機(jī)系統(tǒng)組成如圖1所示，由作為載體的無人機(jī)、尾氣檢測吊艙和地面數(shù)據(jù)服務(wù)端組成。系統(tǒng)正常運(yùn)行時，遙控?zé)o人機(jī)搭載尾氣嗅探傳感器飛行至船舶的尾氣煙羽中，采集SO2、CO2等氣體的濃度數(shù)據(jù)，記錄時間信息并進(jìn)行船舶燃油硫含量計(jì)算，同時完成數(shù)據(jù)整合打包過程。

圖 1 船舶尾氣遙測無人機(jī)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖

技術(shù)原理：采用國際主流的船舶尾氣遙測技術(shù)——嗅探法：船用燃油的碳和氫的摩爾比值在1∶2左右，經(jīng)計(jì)算碳含量約為 87%；根據(jù)物料守恒原理，可以通過監(jiān)測擴(kuò)散稀釋后的船舶尾氣中的SO2和CO2比值（簡稱硫碳比），反推燃料油中的硫含量。

目前，國內(nèi)使用的無人機(jī)載船舶尾氣監(jiān)測設(shè)備可搭載無人機(jī)設(shè)備型號固定，且成本高，需與地面端軟件配合實(shí)時顯示該船舶燃油硫含量推測值，增加了操控復(fù)雜度，飛控端軟件實(shí)時顯示船舶燃油硫含量需進(jìn)行二次開發(fā)增加成本，無法滿足基于海事系統(tǒng)現(xiàn)有無人機(jī)改裝搭載船舶尾氣嗅探傳感器的需求。同時，無人機(jī)載嗅探傳感器成本較高，海事現(xiàn)場執(zhí)法人員在應(yīng)用中存在“不敢飛、摔不起”的顧慮。

鑒于此，筆者自主研發(fā)了一種無人機(jī)載微型船舶尾氣嗅探傳感器系統(tǒng)，可以用于海事識別違規(guī)使用高硫油船舶，并提供一種低成本、輕量化、適配性強(qiáng)的船舶尾氣遙測無人機(jī)。

該船舶尾氣遙測無人機(jī)系統(tǒng)主要包括無人機(jī)、嗅探傳感器和數(shù)據(jù)監(jiān)控地面站軟件，如圖2所示。

圖 2 船舶尾氣遙測無人機(jī)系統(tǒng)組成

無人機(jī)：采用大疆精靈4無人機(jī)，該無人機(jī)是目前國際上最熱銷的消費(fèi)級微型無人機(jī)，成本低、操作簡單，且可以搭載嗅探傳感器；

嗅探傳感器：本系統(tǒng)采用的是一種自主研發(fā)的小型化的嗅探傳感器，體積小、重量輕（不足300 g）、便攜帶；

數(shù)據(jù)監(jiān)控地面站軟件：采用自主開發(fā)數(shù)據(jù)監(jiān)控軟件，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸，桌面端、免安裝、可視化。

三、實(shí)驗(yàn)測試

本次實(shí)驗(yàn)測試地點(diǎn)選擇在上海（排放控制區(qū)）的長江和黃浦江水域，共5個遙測位置分別為：長江水域的浦東轄區(qū)、寶山轄區(qū)和崇明轄區(qū)，黃浦江水域的楊浦轄區(qū)和黃浦轄區(qū)，無人機(jī)起降位置按現(xiàn)場實(shí)際環(huán)境選擇，多為岸邊起降。實(shí)驗(yàn)周期30天，實(shí)驗(yàn)條件：風(fēng)速小于5級，風(fēng)向不同時，無人機(jī)相對煙囪位置有所不同，要始終保持在下風(fēng)向近距離處，雖然與船舶煙囪的距離不同，尾氣組分成分濃度不同，但是CO2和SO2隨風(fēng)擴(kuò)散稀釋但比例不變，分子量差異產(chǎn)生的沉降速率差異在隨風(fēng)擴(kuò)散過程中可以忽略不計(jì)。所以只要能監(jiān)測到尾氣，就可以反推燃料油中的硫含量。船舶尾氣遙測無人機(jī)需要與船舶煙囪保持的安全距離為10～15 m，高度等于或略高于煙囪高度的1～2 m，尾隨跟測1～2分鐘左右。

遙測具體情況信息如表1所示，共監(jiān)測船舶679艘次（所有被測船舶皆是隨機(jī)監(jiān)測，沒有特意針對船長、國籍等進(jìn)行篩選），其中船舶尾氣遙測無人機(jī)監(jiān)測到硫含量疑似超標(biāo)船舶13艘次，除5艘次船舶因防疫管控要求或嫌疑船舶已出轄區(qū)外，海事執(zhí)法人員登輪抽檢8艘次，經(jīng)檢測查實(shí)8艘次，船舶尾氣遙測無人機(jī)監(jiān)測精度達(dá)到100%。

表 1 遙測具體情況信息

圖3是無人機(jī)對在航船舶尾氣的遙測結(jié)果，監(jiān)測曲線中顯示了NO2、SO2和CO2在空氣中濃度的變化情況，圖3（a）～（d）依次表示柴油船舶、合規(guī)重油船舶、硫含量超標(biāo)重油（低濃度）、硫含量超標(biāo)重油（高濃度）的濃度曲線。其中綠色曲線表示NO2濃度、紅色曲線表示SO2濃度、藍(lán)色曲線表示CO2濃度。

圖3 不同船舶燃油硫含量的監(jiān)測曲線

從圖3可以看出，當(dāng)無人機(jī)遙測燃油含硫的船舶尾氣時，可以觀測到SO2和CO2的濃度會有升高的趨勢。根據(jù)遙測曲線中的SO2和CO2的濃度變化，反推船舶燃油中的硫含量，并與實(shí)際燃油快速測硫儀測量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，具體情況如表2所示。

表2 在航船舶的燃油硫含量測試對比表（ppm）

從表2可以看出，根據(jù)遙測無人機(jī)監(jiān)測的船舶尾氣中SO2和CO2的濃度，經(jīng)推算鎖定的嫌疑船舶，雖然所測算的燃油硫含量與測硫儀所測的油樣硫含量存在一定的誤差，但基本在允許的誤差范圍內(nèi)，且無人機(jī)鎖定的嫌疑船舶確為燃油硫含量超標(biāo)船舶，驗(yàn)證了基于嗅探法的船舶尾氣遙測無人機(jī)技術(shù)的可靠性，可以為海事系統(tǒng)建立“先尾氣遙測、后登船檢查”的監(jiān)管新模式提供技術(shù)支撐。

四、遙測結(jié)果分析

（一）不同船長遙測結(jié)果分析

所有被測船舶長度分為8個區(qū)間：80～120 m、120～160 m、160～200 m、200～240 m、240～280 m、280～320 m、320～360 m、360～400 m。如圖4所示。

圖4 所有監(jiān)測船舶、燃油硫含量超標(biāo)船舶的船長分布

從圖4中可以看出，在所監(jiān)測船舶中，占比最大的是船長區(qū)間為80～120 m的船舶，第二是120～160 m的船舶，這兩個船長區(qū)間的船舶共555艘次，占總數(shù)的82%。如圖4所示，監(jiān)測中發(fā)現(xiàn)燃油硫含量涉嫌超標(biāo)的13艘船舶，其船長全部分布在80～120 m、120～160 m兩個區(qū)間。而且實(shí)驗(yàn)測試發(fā)現(xiàn)，燃油硫含量超標(biāo)船舶多為老舊小的散貨船舶，因此可以初步得出上海轄區(qū)內(nèi)的小海船違規(guī)率較高，大多數(shù)違規(guī)船船長約為80～160 m，這為海事未來執(zhí)法提供了大致方向。

（二）不同水域監(jiān)測結(jié)果分析

本次監(jiān)測的船舶，按監(jiān)測地理位置可以劃分為長江水域和黃浦江水域：其中長江水域共319艘次，含硫船舶71艘次，超標(biāo)船舶8艘次；黃浦江水域共360艘次，含硫船舶28艘次，超標(biāo)船舶5艘次。從圖5可以看出，所有被測的長江水域船舶含硫船舶占比為22%，船舶燃油含硫超標(biāo)率為25‰；黃浦江水域船舶中含硫船舶占比為8%，船舶燃油含硫超標(biāo)率為14‰。綜上，可以初步得出上海轄區(qū)長江水域內(nèi)在航船舶燃油含硫比率較高且燃油含硫超標(biāo)率較高、黃浦江水域內(nèi)在航船舶燃油含硫比率較低且燃油含硫超標(biāo)率較低的結(jié)論，為未來海事執(zhí)法提供了重要監(jiān)管方向。

圖5 不同水域的監(jiān)測船舶含硫率、燃油硫含量超標(biāo)率

究其原因，長江水域在航船舶多為過路船舶，考慮到海事執(zhí)法需要聯(lián)系船舶拋錨然后登輪檢查，存在隨機(jī)性、時效低、成本高、監(jiān)管不完善等問題，且無法遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)測在航船舶尾氣，船東可能存在僥幸心理，不按照規(guī)定更換合規(guī)燃油；而黃浦江水域的船舶多為即將到港船舶，且黃浦江的管控極為嚴(yán)格，雖然海事執(zhí)法仍需要隨機(jī)抽檢船舶，但執(zhí)法人員可隨時對到港靠泊的船舶進(jìn)行登輪檢查，較比在航船舶檢查更為便捷，起到了威懾作用。

（三）系統(tǒng)應(yīng)用效果分析

船舶尾氣遙測無人機(jī)系統(tǒng)于2021年9月完成，并在上海海事局正式投入使用，在新冠肺炎疫情防控期間，海事執(zhí)法人員通過本系統(tǒng)可以遠(yuǎn)程監(jiān)測在航船舶的尾氣，高效篩查燃油硫含量超過0．5% m/m的海船，為登輪檢查鎖定嫌疑目標(biāo)。在上海排放控制區(qū)指定的關(guān)鍵水域船舶尾氣整治專項(xiàng)行動中，通過本系統(tǒng)成功檢測并處理多艘燃油硫含量超標(biāo)船舶。此外，船舶尾氣遙測無人機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用不僅提高了海事部門監(jiān)管效率，也節(jié)省了大量成本。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在上海海事局轄區(qū)內(nèi)利用船舶尾氣遙測無人機(jī)篩選高硫油船比傳統(tǒng)隨機(jī)登輪檢查每年至少節(jié)省100萬元。

五、結(jié)論

本文對在航船舶尾氣無人機(jī)遙測技術(shù)進(jìn)行了研究和應(yīng)用分析，經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)測試，充分驗(yàn)證了基于嗅探法的船舶尾氣遙測無人機(jī)技術(shù)的可靠性，可以建立“先尾氣遙測、后登船檢查”的監(jiān)管新模式，顯著提高抽檢效率、降低監(jiān)管成本。船舶尾氣遙測無人機(jī)技術(shù)不僅可以解決船舶在航狀態(tài)、洗滌塔建而不用等監(jiān)管盲點(diǎn)，且在疫情防控常態(tài)化形勢下，為海事部門提供非接觸式的監(jiān)管手段。通過船舶尾氣遙測無人機(jī)監(jiān)測模式，可以與已有的岸基和艇載船舶尾氣遙測技術(shù)形成互補(bǔ)，提高“陸?？仗臁币惑w化的船舶尾氣遙測監(jiān)管能力，進(jìn)一步加強(qiáng)船舶排放控制區(qū)的海事監(jiān)管力量，為我國船舶大氣污染物排放控制區(qū)高效及精準(zhǔn)監(jiān)管樹立樣板。本文提出的船舶尾氣遙測無人機(jī)系統(tǒng)使用的無人機(jī)安全抗風(fēng)等級不超過5級，且不適用于雨天、霧天等復(fù)雜天氣。由于系統(tǒng)受抗風(fēng)等級的限制，本系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用于港區(qū)、內(nèi)河等排放控制區(qū)關(guān)鍵水域的尾氣監(jiān)測，但本系統(tǒng)在海域船舶的尾氣監(jiān)測方面還不成熟，仍需進(jìn)一步研究。