無人機(jī)在船艙有毒有害氣體檢測(cè)中的應(yīng)用

唐國(guó)進(jìn) 吳魏成

（中國(guó)檢驗(yàn)認(rèn)證集團(tuán)廣西有限公司防城港分公司 廣西防城港 538011）

有限空間作業(yè)場(chǎng)所一般多含有H2S、CO、CO2、氨氣、H2S等氣體［1］。船舶貨艙同樣屬于有限空間范疇，航行過程中，為了保護(hù)貨物不受外界因素的影響，貨艙通常處于通風(fēng)不足或關(guān)閉的狀態(tài)，使得內(nèi)部空氣質(zhì)量急劇下降，存在巨大的安全隱患，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引發(fā)安全事故。同時(shí)，因?yàn)槲覈?guó)進(jìn)出口常用的隨航熏蒸最常用的熏蒸劑就是磷化鋁，利用磷化氫氣體在密閉的船艙中進(jìn)行熏蒸消殺［2］。磷化氫氣體屬于劇毒氣體，人員不慎進(jìn)入通風(fēng)不足或是磷化氫殘留濃度過高的船艙內(nèi)進(jìn)行作業(yè)時(shí)，很有可能發(fā)生中毒，甚至危及生命。

目前，無人機(jī)技術(shù)在環(huán)保、搜救等方面得到應(yīng)用，有學(xué)者基于Arduino的無人機(jī)空氣質(zhì)量檢測(cè)裝置，通過無人機(jī)檢測(cè)在高空煙囪、管道等的有害氣體濃度，檢測(cè)并收集數(shù)據(jù)得知該區(qū)域的空氣質(zhì)量，從而采取措施改善空氣質(zhì)量［3］。隨著天然氣在我國(guó)能源比重中占比越來越大，天然氣的配套設(shè)施也隨之增加，有學(xué)者利用無人機(jī)的優(yōu)勢(shì)來彌補(bǔ)傳統(tǒng)檢測(cè)方法的安全性差和時(shí)效性差的缺陷，通過自主飛行算法，控制無人機(jī)沿危險(xiǎn)濃度面進(jìn)行飛行，完成濃度測(cè)繪［4］。我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，而農(nóng)業(yè)生產(chǎn)必將產(chǎn)生大量的CO2氣體影響大氣質(zhì)量，為能更加科學(xué)地進(jìn)行排放監(jiān)測(cè)和管理，有學(xué)者使用無人機(jī)、傳感器和模擬仿真技術(shù)，研發(fā)了一套無人機(jī)CO2濃度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［5］。然而很少有研究無人機(jī)技術(shù)在船艙有毒有害氣體檢測(cè)上的應(yīng)用。傳統(tǒng)的檢測(cè)方法是在船舶人孔和艙內(nèi)四周放置手持泵吸式氣體檢測(cè)儀進(jìn)行分點(diǎn)檢測(cè)，工作量大且繁瑣，檢測(cè)人員不得不直接接觸到有毒有害氣體，存在較高的風(fēng)險(xiǎn)。本文采用無人機(jī)通過特制卡扣搭載氣體檢測(cè)傳感器，使用可伸縮投擲器以及無線控制和數(shù)據(jù)傳輸軟件，通過數(shù)據(jù)處理器建立模型遠(yuǎn)距離檢測(cè)，大大降低了檢測(cè)人員及下艙作業(yè)人員面臨的安全風(fēng)險(xiǎn)。

1 檢測(cè)裝置整體結(jié)構(gòu)

1.1 總體研制方案

無人機(jī)有毒有害氣體檢測(cè)裝置其特征在于該裝置包括無人機(jī)、地面控制站，所述地面控制站設(shè)置有信號(hào)接收器、氣體監(jiān)測(cè)器及數(shù)據(jù)處理器。無人機(jī)上安裝有氣體檢測(cè)傳感器，氣體檢測(cè)傳感器采集氣體數(shù)據(jù)后發(fā)送至地面控制站的信號(hào)接收器，信號(hào)接收器再將信號(hào)輸送至數(shù)據(jù)處理器及氣體監(jiān)測(cè)器，通過數(shù)據(jù)處理器建立模型，若濃度超標(biāo)預(yù)警，可及時(shí)作出應(yīng)急防范部署。

1.2 氣體傳感器的選擇

此前，筆者針對(duì)船舶貨艙及艙梯進(jìn)行了大量的數(shù)據(jù)采集，通過分析船艙內(nèi)有毒有害氣體的濃度與貨物自身的理化特性、天氣、貨艙及艙梯結(jié)構(gòu)、通風(fēng)時(shí)間的相關(guān)關(guān)系［6］，研究得知，船艙內(nèi)有毒有害氣體受天氣、人孔結(jié)構(gòu)、所載貨物性質(zhì)、通風(fēng)時(shí)長(zhǎng)原因影響，致使CO、H2S、O2、可燃性氣體的濃度異常率較高。故本文主要針對(duì)上述4種氣體進(jìn)行了測(cè)試和實(shí)驗(yàn)，但實(shí)際工作運(yùn)用不僅僅限于這4種氣體。

1.2.1 硫化氫傳感器

SPEC Sensors硫化氫傳感器（H2S傳感器）-3SPH2S-50具有尺寸小、低剖面（Φ20mm×20mm×3.0mm）、長(zhǎng)壽命且電流的靈敏度比較高、響應(yīng)時(shí)間極短、穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)。

1.2.2 氧氣傳感器

ES1-O2-25%-HH氧氣傳感器是使用德國(guó)ECSense固態(tài)聚合物電化學(xué)檢測(cè)技術(shù)，尺寸僅為Φ11.5mm×12.5mm×3.0mm，它靈敏度高達(dá)（0.2±0.03）nA/（μg/mL），檢測(cè)范圍0~25%vol，低功耗且無電解液滲漏，快速響應(yīng)。

1.2.3 一氧化碳傳感器

一氧化碳傳感器選用alphasense電化學(xué)式一氧化碳傳感器CO-D4，它尺寸小，僅為Φ20.2mm×16.5mm×2.5mm，測(cè)量范圍達(dá)到1000μg/mL，靈敏度高，響應(yīng)時(shí)間快，數(shù)據(jù)精確且傳輸快，性能穩(wěn)定。

1.2.4 可燃性氣體傳感器

可燃性氣體傳感器選用的是MQ-6可燃?xì)怏w傳感器，其檢測(cè)范圍為300～10 000μg/mL（甲烷、丙烷），尺寸Φ20.2mm×16.5mm×2.5mm，通過簡(jiǎn)單的電路就能將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。還具有壽命長(zhǎng)、成本低且對(duì)可燃?xì)怏w有良好靈敏度的特點(diǎn)，特別是對(duì)丙烷、丁烷的靈敏度較高。

1.3 無人機(jī)的選擇

無人機(jī)選擇大疆經(jīng)緯M300 RTK型號(hào)，它最大可承受15m/s（7級(jí)風(fēng)），續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)達(dá)55min，可載重2.7kg，能實(shí)現(xiàn)15km圖像數(shù)據(jù)傳輸，滿足改裝的要求。

1.4 無人機(jī)與氣體傳感器裝置的連接

無人機(jī)與氣體檢測(cè)傳感器組合模塊的連接方式一方面需要考慮到拆卸的方便性，另一方面還需要考慮到如果無人機(jī)與檢測(cè)裝置的距離問題，因?yàn)闊o人機(jī)的風(fēng)葉轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的風(fēng)力會(huì)影響采集的氣體的濃度，影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和檢測(cè)的效果。因此，采用的連接方案是在無人機(jī)下部與降落支架中間安裝一個(gè)特制支架，無人機(jī)的機(jī)殼上通過綁帶設(shè)有搭載平臺(tái)，搭載平臺(tái)上安裝有可放線投擲器與氣體檢測(cè)傳感器相連接（氣體檢測(cè)傳感器置于卡槽中成為一個(gè)模塊組合）。

1.5 檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)架與控制軟件開發(fā)

氣體檢測(cè)裝置即氣體傳感器卡槽組合內(nèi)部集成無線模組，先與無線模塊建立連接，再使無線模塊與藍(lán)牙模塊建立連接，藍(lán)牙模塊與移動(dòng)終端連接，從而在移動(dòng)終端與檢測(cè)裝置之間建立無線數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)了手機(jī)對(duì)遠(yuǎn)端檢測(cè)裝置的監(jiān)控操作。移動(dòng)終端控制軟件可對(duì)檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程管理，如設(shè)置報(bào)警值、濃度分析、數(shù)值匯總、查詢?cè)O(shè)備當(dāng)前狀態(tài)等。

2 檢測(cè)的方法和步驟

檢測(cè)需在艙內(nèi)貨物上方1.5m處繞圈飛行，傳感器模組會(huì)對(duì)船艙中的各氣體濃度進(jìn)行采集記錄，無線傳輸至地面控制站，及時(shí)匯總分析相關(guān)數(shù)值，具體流程如下。

（1）在檢測(cè)開始之前，綜合分析現(xiàn)場(chǎng)飛行條件情況，進(jìn)行無人機(jī)、信號(hào)接收器、氣體監(jiān)測(cè)器、數(shù)據(jù)處理器的連接自檢。

（2）控制無人機(jī)飛行至貨艙上方10~20m高空區(qū)域，通過無人機(jī)圖像傳輸，觀察艙內(nèi)結(jié)構(gòu)和船艙內(nèi)貨物情況。

（3）控制無人機(jī)飛至距貨物1.5~2.0m上方區(qū)域，在艙內(nèi)繞圈飛行1min進(jìn)行濃度測(cè)定，所測(cè)得的數(shù)據(jù)自動(dòng)無線傳輸至地面控制站進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

（4）逐艙檢測(cè)完成后，原路返回，結(jié)束檢測(cè)。

3 實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

3.1 準(zhǔn)確度試驗(yàn)

2021年11月至2022年1月期間，使用傳統(tǒng)手持式檢測(cè)儀與無人機(jī)檢測(cè)對(duì)多艘靠港船舶進(jìn)行對(duì)比檢測(cè)，總共收集到50組有效的比較數(shù)據(jù)樣本，部分?jǐn)?shù)據(jù)如表1至表4所示。

表1 一氧化碳濃度對(duì)比檢測(cè)結(jié)果

表2 硫化氫濃度對(duì)比檢測(cè)結(jié)果

表3 氧氣濃度對(duì)比檢測(cè)結(jié)果

表4 可燃性氣體濃度對(duì)比檢測(cè)結(jié)果

通過對(duì)比測(cè)試數(shù)據(jù)得知，無人機(jī)檢測(cè)與傳統(tǒng)手持式有毒有害氣體檢測(cè)結(jié)果相近，實(shí)驗(yàn)檢測(cè)的氣體濃度相對(duì)偏差均在±2%范圍，結(jié)果較準(zhǔn)確，符合預(yù)期。

3.2 精密度試驗(yàn)

為了測(cè)試無人機(jī)檢測(cè)裝置的精準(zhǔn)度，分別隨機(jī)對(duì)4艘出現(xiàn)CO、O2、H2S、可燃性氣體濃度異常的船舶進(jìn)行了獨(dú)立的11次檢測(cè)，其檢測(cè)結(jié)果見表5，檢測(cè)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差在0.3%~0.9%。

表5 4種氣體對(duì)比檢測(cè)結(jié)果

4 討論

多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法具備可行性，與傳統(tǒng)的手持式氣體檢測(cè)方式相比，使用無人機(jī)檢測(cè)實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)過程及結(jié)果的全方位記錄，且能實(shí)時(shí)觀察所檢測(cè)氣體的濃度變化，不僅大大縮短了檢測(cè)時(shí)間，提高了工作效率，而且因其靈敏度高使得在出現(xiàn)有毒有害氣體濃度異常時(shí)能作出最快速的應(yīng)急措施反應(yīng)和防范。此方法還可避免檢測(cè)人員近距離接觸有毒有害氣體，有利于保護(hù)檢測(cè)人員的身體健康，同時(shí)，還可避免與外國(guó)船員接觸，降低新型冠狀病毒、黃熱病等高風(fēng)險(xiǎn)傳染病的感染風(fēng)險(xiǎn)。