基于物联网的船舶排放控制区监控系统设计

何腾蛟 冯雯雯 杜何阳

一、前言

2015年12月，中国海域船舶排放控制区实施方案正式出台，该方案规定在珠三角、长三角、环渤海（京津冀）水域设立船舶排放控制区，控制船舶硫氧化物、氮氧化物和颗粒物排放，改善我国沿海和沿河区域特别是港口城市的环境空气质量，并为控制船舶大气污染奠定基础。[1]2016年1月29日，中华人民共和国海事局印发《关于加强船舶排放控制区监督管理工作的通知》，深圳市于2016年10月1日提前实施2017年的船舶排放控制区要求，是继上海市之后第二个提前实施的核心港口城市。自2017年9月1日起，长三角船舶排放控制区全面提前实施交通运输部船舶排放控制区方案，即所有船舶到港以后按要求换用低硫燃油或使用岸电、尾气后处理等替代措施。[2]日前，交通运输部等13个部门联合印发《关于加强船用低硫燃油供应保障和联合监管的指导意见》（简称《指导意见》），提出通过政策引导、行业自律、强化监管，维护公平、有序、健康的船用燃油流通市场秩序，提升我国船用低硫燃油供应能力和质量，促进绿色交通发展。

为有效提升海事主管机关对船舶排放控制区内船舶大气污染防治监督管理能力，监控辖区船舶硫含量燃油的使用情况，贯彻落实交通运输部船舶排放控制相关要求，笔者拟基于物联网技术，提出对船舶排放控制区内船舶排放废气进行实时监控的系统设想，以缩小船舶排放控制区监控对象范围，为主管机关查处不符合燃油硫含量标准的船舶提供参考，提高其监管技术水平和效能。

二、船舶排放控制区监管现状与存在问题

现阶段，海事主管机关对控制区内船舶大气污染防治的监管方式主要是利用船舶尾气遥测感应技术、现场巡视、AIS（船舶自动识别系统）及CCTV视频监控等手段，并结合现场监督和安全检查工作，对船舶的轮机日志、燃油供受单证等材料进行核查。监管手段单一、执法力量不足及实施困难等问题已经越来越对监控工作产生掣肘，监管效果难以得到保证。据笔者分析，现行的船舶废气监控手段具体存在以下问题：

（1）实时性差，不利于掌握排放控制区边界船舶废气排放情况。

（2）视频覆盖不够广，存在监控盲点，不能及时发现船舶违法排放并处理。

（3）连续性差，不能够长时间连续监控船舶废气排放情况。

（4）数据零碎分散，不利于管理部门宏观掌握辖区船舶废气排放情况。

三、船舶排放控制区监控系统可行性分析

1.环境治理

伴随我国海运业的快速发展，港口吞吐量及船舶进出港艘次不断增加，船舶及其相关作业活动对海洋环境造成的污染威胁也不断加大，目前又由于雾霾天气愈加频繁地出现，船舶废气排放也引起了公众的广泛关注，香港环保署数据显示，2012年，船舶排放的二氧化硫、氮氧化物排放分担率分别达到50%和32%；中国环保部机动车排污监控中心统计显示，2013年全国船舶二氧化硫排放量约占全国排放总量的8.4%，氮氧化物排放量占11.3%，受船舶污染影响最大的是港口城市，其次是江河沿岸城市。[3]

2.政策推动

综观有关船舶排放控制区的政策文件，其主旨包含推动控制船舶大气污染，改善港口城市环境空气质量，大力发展智慧环保，完善污染物排放在线监测系统，增加监测污染物种类，扩大监测范围，推动我国船舶大气污染防治工作，提高环境污染风险防范水平和应急处理能力等多方面。

3.技术支持

各级海事机构在之前的信息化管理方面已与通迅技术公司有成功的战略合作基础，诸如船位报告系统、远程移动图像传输系统、海事水上安保指挥GIS平台、海事业务管理平台以及CCTV电视监控等系统的开发，因此，双方在此基础上可以将船舶排放控制区监管工作加入到合作领域中，不断深入推进信息化管理的途径和方式。

4.“智慧海事”建设

在海事监管模式由“汗水型”向“智慧型”快速转变的大背景下，搭建“互联网+海事监管+大气污染防治”的平台，高效能发挥船舶动态监控中心作用，完善中国海事云计算平台，汇集、整合各类海事信息等多方面资源的功能，助力船舶排放控制区监管工作。

四、船舶排放控制区监控系统设计原理

船舶排放控制区监控系统将物联网技术和船舶排放控制区相结合，实现在船舶排放控制区对船舶废气排放情况进行实时监控。该系统由数据采集和视频监控两部分组成，由于目前的视频监控技术较为成熟，本文只对系统数据采集功能的实现进行详细介绍。数据采集部分由传感器、GPRS数据采集终端、GPRS无限通信网络、数据管理中心、客户端监控软件组成，数据采集终端与客户端采集平台的通信协议为标准MODBUS TCP协议[4]（系统框图如图1所示）。

图1 船舶排放控制区监控系统框

数据采集部分的核心环节是数据采集终端和客户端监控软件的功能实现。GPRS 数据采集终端作为嵌入式PC与无线GPRS MODEM 的结合，具备了GPRS拨号上网和TCP/IP数据通信的功能，[4]通过向数据管理中心发起TCP或UDP通信请求，建立通信连接，进行数据双向通信，接到串口数据时，DTU立即将串口数据封装到TCP/UDP包里，发送到数据管理中心。每个数据采集终端都分配唯一的IP地址，以队列形式排列，在正常通信链接情况下，对各数据采集终端进行扫描，成功采集完整的数据包。

客户端监控软件为主管机关排放控制区大气污染防治提供重要参考，通过云计算、高性能计算机硬件技术手段，整合数据库资源，通过建立模型对存储的排放数据进行实时处理、分析和挖掘，并结合CCTV电视监控系统，使客观数据与直观监控第一时间内进行结合，供执法人员进行快速有效监管。船舶废气排放实时数据信息主要采用网页浏览模式获得，通过经过授权的计算机在互联网直接登陆监控界面，并可实现在CCTV电视监控覆盖范围内对目标船舶进行同步视频监控，进而便于指挥中心及时发现违排船舶，快速启动现场执法及相关证据收集程序，为主管机关查处不符合燃油硫含量标准的船舶提供有力依据。

五、船舶排放控制区监控系统数据采集功能实现

1.传感器硬件设计

根据现行船舶排放控制区第一阶段对硫氧化物、氮氧化物和颗粒物的排放控制要求，船舶排放控制区内有条件的港口可以实施船舶靠岸停泊期间使用硫含量≤0.5% m/m的燃油等高于现行排放控制要求的措施，本系统主要对进入排放控制区的船舶烟囱排放废气进行持续监测，船舶废气具体包括气态污染物（包括硫氧化物、氮氧化物等）以及颗粒物（也称烟尘）。其中，气态污染物监测采用PH传感器HT61-P899，含尘（颗粒物）废气的监测采用粉尘传感器DSM501A，将传感器设备安装到船舶烟囱顶部排气管的适当位置。为了适应燃烧过程后气样的连续采集，传感器材料需具备较强的防爆能力，在高温条件下抗腐蚀性能较强。

2.GPRS DTU

数据传输单元DTU （Data Transfer unit），通过无线通信网络进行数据传输，可以进行串口数据与IP数据互转。具有RS485/RS232接口，串口速率：110 bps～230 400 bps，采用MODBUS ASCⅡRTU工业通信协议，电源适应范围为DC6 V～DC32 V，内置电源反向保护和过压过流保护。

3.数据采集程序的实现

本程序单船数据采集的气态污染物和颗粒物这两路信号是以并联形式与RS485总线连接，程序需对数据采集过程中出现的异常情况予以考虑处理，流程图如图2所示。

图2 数据采集程序流程

通过设置定时器对气态污染物和颗粒物数据循环读取，程序开始运行后，首先清空输入输出缓冲区，送出读取目标数据的命令，同时内部定时器开始计时，定时间隔超过仪表回答延迟默认本次通讯失败，程序自动读取下一组数据。这里设定定时间隔为100 ms，在100 ms之内，若接收缓冲区收到大于等于9个字节，认为通讯成功，随即存储测量值，进行数据处理，显示有价值的采集数据。充分考虑网络覆盖盲区，使用数据库功能，可进一步实现对已采集数据实时进行存储。[5]

4.数据采集终端供电方式

数据采集终端主要采用船电供电方式，但需要在终端机箱内安装备用蓄电池。正常情况下，船舶电力系统为数据采集终端供电，当出现船舶电力系统供电异常的情况，通过电源管理模块将供电模式切换到蓄电池供电。

5.数据采集终端的防爆要求

考虑到数据采集终端适用在不同船型上的防爆要求，数据采集终端机箱必须使用不锈钢防爆机箱。

6.GPRS无限通信网络

GPRS网络是依托于手机模块的功能实现的，只要是具有GPRS功能模块的终端处于移动信号覆盖的地方，无须用户自己铺设有形电缆或架设基站。[6]GPRS无限通信网络包括GPRS模块、GPRS/Internet网络、数据中心数据管理单元。GPRS无线通信系统由发射设备、传输介质、接收设备三大部分组成。考虑到排放控制区内部分海域尚未覆盖通信网络的情况，应当增加数据储存单元，一旦网络连接成功，立即向数据管理中心发送断网期间储存的船舶烟囱排放废气情况的数据信息。GPRS数据采集终端联网传输框图如图3所示。

图3 GPRS数据采集终端联网传输框图

六、CCTV在船舶排放控制区监控系统中的重要运用

本系统通过将物联网技术和船舶排放控制区监管相结合，拟实现对排放控制区内目标船舶烟囱排放情况实行实时有效监控的目的，但这种方式获取的仅仅是原始数据信息，缺少直观方式对排放情况进行观察了解，并且如遇及系统配置的电器元件出现故障时，不能及时有效反馈现场信息，因此本系统还需要利用原有CCTV电视监控系统作为必要完善和补充。CCTV系统中高清摄像头的运用使得烟雾清晰可见，通过有针对性的视频智能分析，可以做到烟体色彩识别（分析识别烟体的颜色）、烟体黑度分析（判断烟体的黑度信息）和与船舶排放控制区监控系统所采集的原始数据相比对验证。根据环保部门提供的数据监测内容，设置种类不同、等级不同的报警阀值，当数据超过阀值时，联动预案启动，[7]通过OSD叠加和GIS地图对接技术，直观地将目标船舶视频在指挥中心大屏弹出，在电子海图上显示其位置信息，并于第一时间通知基层海事执法人员及时赶往现场进行船舶燃油硫含量查验等相关工作。

七、结语

首先，船舶排放控制区监控系统基于物联网技术对排放控制区内船舶排放废气进行实时可靠数据采集和监控，不仅为主管机关提供一手数据，准确及时掌握行政处罚依据，更有效地提高了主管部门的管理效率，缩小船舶排放控制区监控对象范围，极大提高了查处燃油硫含量不符合现行标准的船舶的可能性，提升主管机关对船舶排放控制区的管控效果，解决执法人员力量不足与监管任务繁重之间的矛盾。其次，该系统反映的监控数据可以使船公司及时了解本公司经营船舶是否在排放控制区有违排现象，这样可以尽量避免因船舶违排而面临处罚和扣分的情况，也可以促使船公司督促所经营船舶严格执行排放控制区排放标准，承担起相应的社会责任。同时，船舶排放控制区监控系统可以定期对收集数据进行统计分析，利用政务公开的方式，使公众了解船舶排放控制区的环境状况，参与到船舶大气污染防治的社会治理工作中。因此，该监控系统的发展前景较为良好，具备研究开发的基础动力。

1]李慧.我国首次设立船舶排放控制区[N].光明日报,2015-2-08(8).

2]魏敏.9月起长三角船舶排放控制区全面实施船舶靠岸换油(2017-09-05)[2017-10-15].[EB/OL].http://m.ce.n/bwzg/201709/05/t20170905_25749920.shtml.

3]王昆婷.《船舶发动机排气污染物排放限值及测量方法(中国第一、二阶段)》二次公开征求意见 促使在用船舶全面减排[N].中国环境报,2015-06-08(6).

[4]练操,范萌,陈长军.基于测量机器人的远程遥控技术开发[J].人民长江,2011(22):89-95.

[5]王平,张新东君.基于智能仪表的数据采集系统设计[J].自动化与仪表,2009(4):9-18.

[6]赵敏.基于GPRS网络的无线通信系统的研究和实现[D].太原:太原理工大学,2008.

[7]蒋丰.视频监控在智慧环保中的应用与发展[J].中国安防,2014(5):21-25.