船舶柴油机排放在线监测系统设计

赵海鸥，陈智君，魏柳新，杨　伟，吴　锐，金华标

(武汉理工大学 能源与动力工程学院，武汉 430063)

船舶柴油机排放在线监测系统设计

赵海鸥，陈智君，魏柳新，杨伟，吴锐，金华标

(武汉理工大学 能源与动力工程学院，武汉 430063)

摘要：针对目前船舶柴油机废气排放暂无实时监督手段的现状，通过结合AIS/3G无线通信技术、GPS技术、嵌入式系统技术及计算机软件技术，设计基于船载在线监测仪、AIS/3G船岸数据通信模块和岸基数据管理系统的船舶柴油机排放在线监测系统，实现船舶柴油机排放信息实时采集、显示、记录，以及与获得访问权限的外部用户进行信息互通等功能，可为有效提高船舶柴油机废气排放的监督力度提供技术手段。

关键词：船舶柴油机排放；AIS/3G；在线监测

2000年以来，世界经济和航运业的迅速发展，运营船舶的数量急剧增加，与此同时造成的污染问题也日趋严重[1]。航运污染已成为继机动车尾气污染、工业企业排放之后第3大大气污染源。现阶段海事管理机构通常采取源头控制[2]和检验过程控制，这2种监督管理方式完全依靠传统的人工实地检验完成，需要投入大量的时间和人力，并且存在不客观性；随着航运业的快速发展以及船舶废气排放控制更加严格，这种传统的监管方式其弊端更加凸显。因此，探索一种便捷、高效的监管措施迫在眉捷。国际海事组织(IMO)规定，大中型船舶(总吨位300以上)必须安装AIS A类船台，中小型船舶安装AIS B类船台[3]。AIS(船舶自动识别系统)在保障船舶航行安全、保护人身安全等海事管理领域中发挥着重要作用[4]，其本身特性为其应用开发提供了良好的可扩充性。因此，针对船舶柴油机排放情况，设计以数据采集、GPS定位、AIS/3G无线传输为基础的船载硬件系统，以船舶排放信息显示、记录、存储、各港口各部门信息互通为基础的岸基数据管理软件系统。

1系统总体框架

系统由3部分构成，分别为船载在线监测仪、船岸数据通信模块、岸基数据管理系统；通过船载排放监测仪采集船舶柴油机排放相关信息，利用船岸数据通信模块将采集的数据传送至岸基数据管理系统，再依靠岸基数据管理系统将接收到的信息进行相关处理。

安装于船舶机舱的船载在线监测仪主要将排气温度、中冷器前后温度、排气压力、SOx、NOx、CH4、O2、柴油机转速及油耗等传感器安装在进排气管路、主轴或进回油管路，用于采集与废气排放相关的信息。其中SOx、NOx、CH4及O2传感器用于监测柴油机进排气中各自的含量；排气温度、中冷器前后温度、排气压力、柴油机转速及油耗传感器用于辅助测量排放信息。

安装于驾驶台的船岸数据通信模块提供2种可供选择的方案，利用现有船载AIS设备(B级船载终端)或者3G通信模块进行拓展应用，接收来自船载在线监测仪采集的排放数据以及GPS模块采集的时间、经纬度等信息；利用AIS VHF信道或3G网络将所需信息传至岸基数据管理系统。

岸基数据管理系统是在海事监管机构设置的后台监控软件，通过接收、解码船舶发送的AIS信息或3G网络信息获得参数，在上位软件上直观显示出船舶排放等相关信息，并利用数据库记录船舶排放数据，可实现对船舶排放历史数据的查询、分析和输出等功能，并预留其他信息显示端口。同时通过搭建基于Web的应用平台，可以实现主管机关与企业终端用户、个人用户和其他相关部门等彼此之间的连接，并且也可为主管机关提供集中的信息整合呈现平台。

2系统硬件设计

2.1信息采集

信息采集通过船载在线监测仪实现，选用O2传感器、NOx传感器及SOx传感器等对船舶柴油机废气排放相关信息进行采集，见图1。

图1　信息采集部分系统组成

O2传感器选用英国SST公司产品，量程：0%～100%，压力范围：2×10-4～0.3 MPa ，工作温度：-100～250 ℃，具有较好线性度和较高精度。

NOx传感器选用5WK96614I，量程：0～1.5×10-3(体积分数，%，下同)，精度：±5×10-5，适用排气温度：200～800 ℃。

SOx和CH4采用FIX3200，工作温度: -20～+500 ℃，SOx检测量程：0～1×10-3，分辨率：1×10-6，精度：≤±2%；CH4检测量程：0%～5%，分辨率：0.01% VOL精度：≤±2%。值得注意的是，安装SOx与CH4传感器前需安装气体前置处理系统(排气分析管路)，用于排放废气的降温、除湿和除尘。

NOx比排放的计算公式如下。

(1)

式中：mNOx——NOx比排放，g/(kW·h)；

φNOx——NOx体积分数，%；

K——温湿修正系数；

Q——单位功率排气流量，g/(kW·h)，

(2)

其中：b——油耗率，g/(kW·h)；

φO2——O2体积分数，% 。

由信号处理单元对传感器采集的信号进行上述计算，从而得出具体NOx比排放；SOx与CH4计算原理相同。

2.2排放信息传输

船岸数据通信模块主要由6部分构成：AIS终端、3G通讯模块、信号处理单元、GPS模块、RS232和RSS422接口。

信号处理单元接收来自船载在线监测仪采集的相关信息，比如，排气温度、中冷器前后温度、SOx、NOx、CH4、O2、柴油机转速及油耗等；同时接收来自GPS模块的时间、经度及纬度信息。

信号处理单元将接收到的全部数据打包成符合IEC61162和IEC62287协议的标准语句，通过RS422串行数据接口传送至指定的AIS设备，再由其封装成标准VDO语句经2个不同的VHF频道(频道1，161.975 MHz)；频道2，162.025 MHz)广播至AIS基站和周围船舶，AIS基站利用RS422将数据传输至岸基数据管理系统服务器。同时，信号处理单元也将数据按自定义要求封装，通过RS232串行数据接口传送至3G模块，再由其通过互联网将接收的数据传输至岸基数据管理系统服务器。

2.3监测信息管理

在岸基管理系统中可以方便地记录、查询和存储通过AIS/3G传输的实时废气排放相关信息。当废气排放出现超标时，可以将油类记录簿和(engine international air pollution prevention certificate， EIAPP)证书记录的信息与AIS/3G系统自动存储的船舶废气排放历史信息相对照，同时也可对废气排放可疑船舶随时进行回放调查，为海事监管提供可靠的证据。

3系统软件设计

3.1AIS/3G报文设计

船岸数据通讯模块通过CAN总线与安置于机舱中的船载在线监测仪相连接，通讯模块中的信号处理单元将废弃排放信息封装成符合IEC61162、IEC62287以及ITU-R M.1371-1标准语句，通过串口输至AIS船载终端或3G模块。

由于AIS标准报文格式中没有专门的船舶废气排放信息，因此选择了AIS标准报文——消息6中“特定应用数据”进行传输，由于传送数据量较大(大于82 bit)，需要将数据进行分段传输。3G传送数据并无相关限制，可按自定义的数据格式直接进行传输。

3.2岸基数据管理系统

自主设计研发岸基数据管理系统(数据采集)软件，采用VC++6.0集成开发环境进行可视化软件设计，利用计算机图形技术和方法建立友好的人机交互界面，见图2。

图2　岸基数据管理系统(数据采集)示意

同时，在岸基数据管理系统中引入Web技术，以此将所有港口码头附近的船舶的柴油机废气排放信息进行公开和交互，从而有效监督与控制船舶的废气排放。

所有港口接收到的船舶柴油机废气排放相关信息将传送至数据管理服务器，外部用户(比如：个人手机用户、企业终端用户和其他线相关部门等)在获得访问权限前提下，可通过Web服务器访问所有船舶排放相关信息，见图3。

4结论

船舶柴油机排放在线监测系统，可将柴油机废气排放信息实时传输至岸基数据管理系统，本系统的设计可为提高船舶柴油机废气排放的监管力度和海事监管能力提供技术手段。但由于目前船舶并未被要求安装该系统，因此其推广应用还有很多工作要做。

图3　岸基数据管理系统网络拓扑结构

参考文献

[1] 宋亚楠.内河和近海船舶排放特性及排放清单研究[D].北京:北京理工大学， 2015.

[2] 中国船级社.船用柴油机氮氧化物排放试验及检验指南[S].北京:人民交通出版社,2011.

[3] 袁安存,张淑芳.通用船载自动识别系统国际标准汇编[M].大连:大连海事大学出版社,2005.

[4] 万恒奕.舰船CODOG动力装置控制[M].武汉:海军工程学院,1994.

Design of the On-line Monitoring System of Marine Diesel Emission

ZHAO Hai-ou, CHEN Zhi-jun, WEI Liu-xin, YANG Wei, WU Rui, JIN Hua-biao

(School of Energy and Power Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)

Abstract:In view of the on-line monitoring system on marine diesel emission, an on-line monitoring system is designed based on the technologies of AIS/3G communication, GPS, embedded and data management system. The system performs real-time monitoring of marine diesel emission, data recording, the information exchanging among the related department. On the other hand, it will improve the supervision on the marine diesel emission effectively.

Key words:marine diesel emission; AIS/3G; on-line monitoring

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.03.017

收稿日期：2015-12-04

第一作者简介：赵海鸥(1991—)，男，硕士生 E-mail:haiouzhaowh@163.com

中图分类号：U664.121

文献标志码：A

文章编号：1671-7953(2016)03-0073-03

修回日期：2015-12-25

研究方向:轮机自动化，废气排放