基于无人机的船舶尾气移动监测平台研究

徐舜吉 倪训鹏 张 剑 张亚朋

一、背景

航运尾气排放污染已成为继机动车尾气污染、工业企业排放之后第三大大气污染来源。我国港口多集中在长三角、珠三角、环渤海等人口稠密地区，致癌废气笼罩港口城市，给当地居民带来巨大危害，加大航运污染治理力度刻不容缓。来自深圳环境科学研究院的测算数据显示，一艘燃油硫含量3.5%的中大型集装箱船，以70%最大功率的负荷24小时航行，其一天排放的PM2.5相当于21万辆国四重货车。2010年至2017年间，上海港集装箱吞吐量逐年上升，稳居世界第一；货物吞吐量总体保持上升趋势，仅次于宁波-舟山港，居世界第二。船舶尾气排放的污染物对上海及长三角港口城市群的空气质量影响会越发显著。船舶排放的SOx、NOx和PM2.5密集区主要分布在长江口和杭州湾水域，洋山深水港、宁波北仑港和上海北部航道排放量较大。船舶及港口污染是影响城市及区域空气质量的“主要元凶”之一。主要排放物SOx易溶于水形成酸雨，加剧大气污染，严重危害人体健康。

设立排放控制区是控制船舶大气污染的一种重要手段，可以有效减少控制区内的污染物排放，减缓船舶排放对周边地区大气环境的影响。为贯彻实施《中华人民共和国大气污染防治法》（2015年8月29日修订通过，自2016年1月1日起实施），交通运输部印发了《珠三角、长三角、环渤海（京津冀）水域船舶排放控制区实施方案》，并于2016年1月1日起正式施行。该方案要求，自2016年1月1日起，排放控制区内有条件的港口，可以实施高于现行排放控制要求的措施，包括船舶靠岸停泊期间使用硫含量不高于0.5%的燃油。自2017年起，船舶在排放控制区内的核心港口区域靠岸停泊期间（靠港后的1小时和离港前的1小时除外），应使用硫含量不高于0.50%的燃油。2018年起，这一要求扩大至排放控制区内所有港口内靠岸停泊的船舶。2018年11月30日，交通运输部发布《船舶大气污染物排放控制区实施方案》，于2019年1月1日生效实施，排放控制区新政将排放控制区的范围扩展到全国沿海水域和长江、西江干线水域，同时对燃油硫含量的控制更加严格。

船舶排放控制区政策和效果的落地，需要强有力的监管手段作为保障。目前海事部门主要通过现场执法过程中的对燃油质量、供受油单证、记录文书等控制区相关要求内容的检查，并视情况进行燃油取样检测的方式实现对排放控制区船舶燃油硫含量的监管，存在检查目标比较随机、针对性不强、效率相对较低等缺点。如何充分利用最新的科技成果，自动识别使用硫含量超标燃油的嫌疑船舶，指导海事现场执法，急需进行相关研究。本文通过对基于无人机的移动监测平台的研究分析，尝试利用最新的科技成果推进船舶排放控制区各项政策的落实和船舶减排目标的实现。

二、无人机在行业应用中的现状分析

（一）无人机在环保领域的应用

无人机因其经济、便携和易操作等优势，目前在大气环境监测领域已经大量应用。在环保领域应用最多的是无人机搭载可见光相机，但可见光相机对大气污染物的观测仅停留在拍照、视频阶段，缺乏精准监测数据作为支撑，并受光照、雨雾、摄像头低分辨率等因素的影响，只能对污染浓度较大的可见性污染源（如黑烟囱、秸秆焚烧等）进行监控。

此外，在环保领域还有搭载红外热像仪的无人机，可使无人机在夜间条件下进行监测，热像仪的热分布可视化、测温等特性能够有效地发现夜间生产的排污企业，可作为遏制夜间偷排的一种手段。但热像仪受环境条件的影响过大，且不同种类企业的热分布形式不同，排放温度与排放量没有必然的关联，相关模型复杂，需较长时间比对和监测才能得出检测结论，难以满足环境监测的迫切需求。

（二）无人机在船舶尾气监测领域的应用

目前欧洲许多国家在排放控制区监管方面已经开始使用“固定翼飞机+气体传感器”的监测手段，即通过固定翼飞机搭载多种因子的高精度气体检测传感器或气体采集装置，在排放控制区内对船舶尾气进行监测。丹麦、比利时、德国等国家已经运用此种手段成功抓到多起使用燃油硫含量超标、违法排放尾气的船舶。目前，丹麦等国正在研究通过“无人机+气体传感器”对船舶尾气进行监测。

我国在利用“无人机+气体传感器”平台进行排放控制区尾气监测方面与欧洲基本处于同一起跑线，目前的研究已经取得了比较明显的成果。本文即是通过“无人机+气体传感器”模式，探索基于无人机的船舶尾气移动监测平台建设的可行性。

三、无人机移动监测平台的构建

（一）基本原理

无人机移动监测平台的构建主要是利用无人机搭载尾气监测吊舱。目前，常用的尾气监测装置有两种：一种是使用嗅探器技术的尾气监测吊舱，在船舶废气烟羽的下风向利用提取设备（嗅探器）测量SO2（ppb）和CO2（ppm）的比值，以此获得燃油硫含量（%）。嗅探器分为一般嗅探器和微型嗅探器两种，搭载平台可为桥梁等岸基和无人机、直升机、固定翼飞机等飞行设备（微型嗅探器搭载平台仅为旋翼机），对于0～0.2%燃油硫含量（FSC）的精确度为±0.1%（当NOx浓度不高于0.05%时）。另一种是光学传感尾气监测吊舱，通过测量SO2和NO2对光（如阳光）的吸收推算燃料硫含量（%），一般为岸基遥测，受船舶工况和环境能见度影响较大，可测燃油含硫量范围为0.1%～1%，目前德国在使用，与嗅探器技术形成互补。

使用嗅探技术的尾气监测吊舱具有体积小、便于无人搭载等特性，且光学传感技术需要当时大气的背景值，所以对周围空气环境有质量要求，在污染源较多的环境下测试结果的精度会大大降低。因此，无人机搭载使用嗅探器技术的尾气监测吊舱，在实际应用中更为可行。

尾气监测吊舱可以采集船舶尾气烟羽中的SO2和CO2。研究表明，在船用燃油或柴油中碳含量约为87%。在发动机理想的工况下，其中的碳和硫全部燃烧分别转化为CO2和SO2，则燃油中的硫含量可用式（1）计算：

其中：SFC为燃油中的硫含量，A（S）为硫的相对原子质量，A（C）为碳的相对原子质量。

通过式（1）计算得到燃油中硫含量的数据，即可以为执法人员执法提供依据，提高执法效率，解决在航船的燃油使用监管问题。

（二）系统组成（见图1）

图1 系统整体结构

1.无人机平台的选型

目前，结合外高桥港区的风速、无人机需要搭载的吊舱重量和无人机的续航能力，我们选取了大疆M600pro。该无人机平台是由主飞行器模块、云台相机模块、锂电池模块、地面遥控器模块、运输箱模块和软件系统组成。使用时可以将尾气检测设备挂载于无人机机架下，并在系统实际运行时通过无人机的遥控器控制无人机监测的位置，同时无人机的机载相机可以将拍摄到的现场画面传输至遥控器端地面监视器。

2.气体检测吊舱的配置

船舶尾气监测吊舱系统主要由尾气传感模组、供电系统、吊舱外壳、尾气数据控制、处理与传输系统、GPS模组、无人机控制端软件系统以及服务器端软件系统组成。使用时用户可以将船舶尾气监测吊舱系统挂载于无人机机架下，并在系统实际运行时在无人机的遥控器端通过GSM方式控制监测吊舱系统的部分工作状态，同时船舶尾气监测吊舱系统将监测所得的尾气监测数据以及GPS数据等通过GPRS传输至数据服务器端。

3.数据处理和展示

数据处理和展示系统整体分为两层结构：数据处理层和数据表示层。

数据处理层。数据处理层主要实现以下两个功能模块：（1）接收、解析并存储AIS和气体检测信息。（2）融合船舶和吊舱系统的GPS 信息，识别对应船舶的尾气浓度。

数据表示层。数据表示层利用WebGIS技术，将船舶与吊舱设备制作成地图符号，在地图界面上动态渲染检测信息。

（三）影响因素分析

1.如何准确识别烟羽

为准确测量尾气中SO2和CO2的数值，首先需要定位寻找烟羽位置。目前，欧洲常用的识别烟羽的方法是在尾气吊舱中加装NO传感器，由于空气中不含NO，如果传感器测得NO的数值，即表示进入船舶尾气烟羽中。但是，由于上海港辖区船舶流量大，相邻船舶较多，不能准确判断NO来自于哪一船舶。为此，需使用红外摄像机作为辅助设备，利用热成像原理，识别船舶尾气烟羽。

2.旋翼会扰动气流，对结果有影响

无人机在飞行过程中，旋翼旋转会对周围的气体产生影响，为了尽可能减少旋翼旋转对测试结果的影响，需要将尾气监测吊舱收集气体的管路延伸到距离无人机较远的位置，尽可能减少旋翼对尾气浓度分布的影响。

3.磁场对无人机的干扰，影响无人机的飞行安全

无人机在飞行过程中，主要依赖指南针进行定位分辨方向。但是，由于监测位置在码头前沿水域或航道中，且船舶本身有各类通信设备，无人机经常会受到各类磁场干扰，对无人机的飞行安全产生影响。因此，无人机需要加装防电磁干扰设备，保障其能够适应在复杂环境下的工作。

四、无人机移动监测平台应用效果分析

根据先易后难的顺序，先使用无人机移动监测平台对靠泊码头船舶进行了监测，同时配合执法人员登轮取样，所得数据如表1所示。

从表1中可以看出，使用无人机测量在码头靠泊船舶尾气中的SO2和CO2的浓度，测算船舶使用燃油硫含量数值和船舶实际使用燃油硫含量数值相比误差较小，基本在10%范围以内。

对靠泊船舶测试成功后，使用无人机在航道中对在航船舶进行多次监测，并对试验结果进行了分析。

表1 码头靠泊船舶硫含量检测对比表 ppm

图2和图3分别是对使用硫含量超标燃油的在航船舶“荣海98”轮和“锦昌茂”轮进行监测时，后台数据库中显示的SO2和CO2在空气中浓度的历史变化曲线图。从图中我们可以看出当无人机进入船舶烟羽时，SO2和CO2的浓度会有明显的升高趋势，选取有效数值和背景值进行计算，即可推算出燃油中的硫含量。

图2 “荣海98”轮尾气中SO2和CO2浓度

图3 “锦昌茂”轮尾气中SO2和CO2浓度

通过监测船舶尾气中的SO2和CO2的浓度，推算所用燃油中硫含量数据，并和实际燃油检测数据进行对比，数据如表2所示。

表2 在航船舶硫含量测试对比表 ppm

从表2中可以看出，使用无人机监测船舶尾气中SO2和CO2的浓度，经测算判定在航使用硫含量超标燃油的船舶，确实为超标船舶。但是，其所测算的燃油硫含量数值和检测油样所得数值差值较大。

对比表1和表2，无人机监测在航船舶使用燃油硫含量的数值与实际值有较大差距，而监测靠泊在码头的船舶误差较小。经调查和分析，发现使用无人机检测在航船舶尾气时，如果监测到燃油硫含量超标会通知船舶去锚地锚泊待检，船舶从被发现地到锚泊，需要航行一段时间，在这段时间船方为了逃避处罚会换油，甚至会想尽一切办法从供油管系中泄放高硫燃油，因此所取油样的硫含量会比无人机监测所得硫含量低很多。

五、无人机移动监测平台应用中存在的问题

（一）如何将测试结果与执法过程相结合

目前，各类大气监测传感器对气体浓度的检测已经十分成熟，尤其在实验室无干扰的情况下测试结果非常准。但是，由于海事监管船舶的特殊性，仅仅得到空气中的数据，对海事监管作用不大。监测船舶尾气中SO2和CO2的浓度，主要是为了推算燃油中的硫含量，为执法人员执法提供依据，监测尾气最终的落脚点是为了推算辖区船舶使用燃油硫含量的情况。因此，如何更准确地将空气中的SO2和燃油中的硫含量建立映射关系，针对映射后的计算结果设定报警阈值，保障既能够提高执法人员执法效率，又能尽量不影响船舶正常作业是目前需要着重攻克的难点。

（二）处理数据需考虑各类干扰因素

无人机在船舶上空飞行，监测到的气体数据不一定全部来自于该船舶。高空大气环流复杂，同时还存在无人机气流扰动等的影响，污染物扩散模型难以建立，要做到对船舶尾气浓度分布和区域污染物时空分布快速反演并非易事。因此想要排除各类干扰项，使测试数据更加精确，还需要做大量工作。

（三）使用无人机监测大气没有相关标准

国家对环保监测的方法和标准有严格的规定，与大气相关的技术规范已经很成熟，无人机属于新鲜事物，自身的标准仍未确定，使用无人机进行气体监测更没有标准。没有标准、规范，就没有依据，因此目前无人机监测所获得的数据只能够作为参考佐证或科研数据，并不能直接用于执法证据。

六、对策措施

（一）建立分级报警系统，实现分级目标管理

在现阶段数据量不够大、映射关系不完善的情况下，为了满足执法要求，根据已有数据和映射关系，可以建立分级报警系统，不同的报警级别表示船舶使用燃油硫含量超标的不同概率，执法人员可以根据报警级别不同，合理分配执法力量。“无人机+气体监测+分级报警系统”可部分实现实时监控区域内污染物动态变化，快速捕捉污染源的异常排放行为，助力执法人员实现差异化管理和分级目标管理。

（二）建立多平台数据比对系统，排除环境干扰

无人机监测的数据由于受到多种环境因素干扰，会产生不确定性。解决此类问题，需要与岸基监测点、遥感设备、大气环境等多平台数据比对、校准，并建立大数据平台和相关数据模型进行解析，排除干扰因素影响，测得较为准确的船舶尾气值。

（三）建议国家出台船舶尾气排放标准

现阶段对于船舶尾气的监测，只能作为执法参考，最终还是需要执法人员登船抽样检测，最后确定船舶使用燃油硫含量的数据。这一执法手段过于烦琐，同时此手段仅能从油品来控制尾气对大气的污染，缺少对于燃油使用过程的监管。我们的最终目的是减少尾气对大气的污染，因此，更为直接有效的做法是在国家标准层面出台直接对船舶尾气排放要求的相关标准。这样对源头和结果双管齐下，才能更好地监管船舶尾气排放。同时，无人机对船舶尾气的取样方法和测量计算按照国家标准进行，其所得结果就可直接作为执法证据。