CN107589220B - 一种适用于狭长航道的船舶尾气监测站选址方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于狭长航道的船舶尾气监测站选址方法，首先通过根据电子地图或者卫星地图确定航道走向和航道的上跨桥梁位置选择“桥面”监测站预选点位和“岸边”监测站预选点位，然后根据该航道所在区域的风向玫瑰图和风速玫瑰图获得各个风向的概率和风速情况，分别对选取的监测站的预选点位采集尾气的概率进行计算：接着分别根据“桥面”和“岸边”监测站预选点位中概率值进行筛选和优化，并结合经济预算最终确定监测站建设点位；该方法能够在当地既定气象条件和船舶航行特征的情况下，提高一年中船舶尾气监测站能够监测到尾气的天数和船舶数量，最大化船舶尾气监测站投入所能发挥的效益，同时加强针对尾气超标船舶的监管能力。

Description

一种适用于狭长航道的船舶尾气监测站选址方法

技术领域

本发明涉及船舶尾气监测技术领域，特别涉及一种适用于狭长航道的船舶尾气监测站选址方法。

背景技术

随着我国对船舶尾气污染控制的逐渐重视，对船舶尾气监测的需求也逐渐浮出水面。传统的船舶尾气监测往往发生在造船之前，即在轮机厂商进行台架测试，使用的是标准化的方法且只适用于新船，无法用于现场监测。然而，随着船舶的老化程度以及使用油品的不同，不同船舶的尾气排放特征迥然不同，有必要在船舶航行的必经的桥梁和岸边建设船舶尾气监测站，对在航船舶进行实时船舶尾气监测。船舶尾气监测站的仪器可以继续采用环境监测站大量使用的成熟的空气质量自动监测系统(监测空气背景)，但是建站的选址方法不能沿用，必须针对船舶尾气监测的需求科学选址，以充分发挥监测系统的效用。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于狭长航道的船舶尾气监测站的选址方法。

为此，本发明技术方案如下：

一种适用于狭长航道的船舶尾气监测站选址方法，包括如下步骤：

S1、根据电子地图或者卫星地图确定航道的上跨桥梁位置，将位于航道的每座上跨桥梁设定为“桥面”监测站预选点位；根据电子航道图或者电子海图确定航道走向，并在上行船舶航线邻近一侧的岸边或每座上跨桥梁的桥墩上设定多个“岸边”监测站预选点位，且保证每个“岸边”监测站预选点位距离航道中心线不超过500m。

由于船舶尾气监测设备的精度和船舶尾气水平扩散中浓度不断下降的速度，实际监测经验表明，500米是能够有效监测到船舶尾气的最大水平距离；在实际操作时，可以利用ArcGIS等地理信息系统软件，以航道中心线为准生成两侧500米范围的缓冲区，结合Google Earth上的高分辨率卫星影像，筛选出落在该缓冲区内的岸段，每个岸段设定一处“岸边”监测站预选点位。

进一步地，将步骤S1中设定的多个监测站预选点位中1km半径范围内存在污染气体排放烟囱的预选点位剔除。此外，还可以通过供电和供网的便利程度进行筛选，剔除电力供应不便利的监测站预选点位，以确保监测站的连续运行、无人值守、远程数据传输能力。

S2、根据该航道所在区域的风向玫瑰图和风速玫瑰图获得各个风向的概率和风速情况，分别对步骤S1筛选出的监测站的预选点位能够采集到上行船舶航尾气的概率进行计算：

1)在无风或者微风条件下，船舶尾气缓慢上飘，能够在桥梁上监测到尾气，尾气监测站可设定在航道正上方的桥梁处，能够监测到尾气的概率等于当地无风或者微风天出现的概率，因此：

在“桥面”监测站预选点位采集到上行船舶航尾气的概率P₁的计算公式为P₁＝D₁/D×100％；其中，D₁为监测站预选点位所在位置一年内平均出现无风或微风的天数，D为365天；

2)在有风条件下，尾气顺风扩散，能够在下风向的岸边监测到尾气；但是，对于每一段航道来说，最佳风向是该航段的垂直方向，能够确保前后两艘船舶的尾气之间的重叠程度最低，有利于在监测到船舶尾气后辨识其来源，即岸边监测到船舶尾气的概率等于垂直于航道风向出现的概率，因此：

在“岸边”监测站预选点位采集到上行船舶航尾气的概率P₂的计算公式为P₂＝D₂/D×100％；其中，D₂为监测站预选点位所在位置一年内平均出现与航道垂直和接近垂直，即偏转角度不超过22.5°，且满足风向为吹向监测站预选点位的有风天数，D为365天

其中，无风指风力为0级，微风指风力为1～2级的风；有风指风力≥3级的风。

S3、根据步骤S2的计算结果，分别筛选出“桥面”监测站预选点位和“岸边”监测站预选点位中概率计算结果最大值对应的监测站预选点位作为最终的监测站建设点位。

由于在实际监测站选址过程中，遇到的情况会比较复杂，因此需要进一步根据情况进行优化；具体地，

1)上跨桥梁的监测站选址优化：

在步骤S3中，当“桥面”监测站预选点位的概率最大值存在与其它部分“桥面”监测站预选点位的概率值的概率差≤3％的情况时，选择该多个监测站预选点位中位于下游的上跨桥梁作为最终的监测站建设点位；

其中，位于上跨桥梁的监测站的具体设置位置设置在大多数船舶航线的正上方；该位置的确定方法为：根据船舶Automatic Identification System(简称为AIS)数据共享平台中的海量船舶航行轨迹数据，在行驶在上行航线上的多艘大型船舶中任选数量超过100艘的大型船舶并提取每一艘船舶航行轨迹与桥梁所成交点(即经纬度坐标)，并将多个所得交点取平均值，即为监测站的设置位置；其中，大型船舶为船长≥120m的船舶。只选取大型船舶的轨迹是因为小船的航行有较大的随意性，而且其尾气排放量小。

2)岸边或上跨桥梁的桥墩的监测站选址优化：

当“岸边”监测站预选点位中概率计算结果最大值存在与其它部分“岸边”监测站预选点位的概率值的概率差≤3％的情况时，选择该多个监测站预选点位中与上行航线距离最近的一个监测站预选点位作为最终的监测站建设点位；

若依然存在多个可选的监测站预选点位，则进一步选择位于下游的监测站预选点位作为最终的监测站建设点位。

优选，设置在岸上的监测站的高度优选为30～50m，其可以采用新建站杆，也可以依据地势和周边设施选择高度为30～50m的灯塔、高楼、山包等。

S4、根据监测站建设的经济预算，对经步骤S3筛选出的“桥面”监测站和“岸边”监测站进行择一选择或共同选择；当进行择一选择时，比较“桥面”监测站采集到上行船舶航尾气的概率P₁和“岸边”监测站采集到上行船舶航尾气的概率P₂，选择概率值大的一方作为最终监测站建设点位。

该船舶尾气监测站选址方法在当地既定气象条件和船舶航行特征的情况下，提高一年中船舶尾气监测站能够监测到尾气的天数和船舶数量，最大化船舶尾气监测站投入所能发挥的效益，同时加强针对尾气超标船舶的监管能力。

附图说明

图1为本发明的船舶尾气监测站选址方法的流程示意图；

图2(a)为本发明实施例中的南通市的风向玫瑰图；

图2(b)为本发明实施例中的南通市的风速玫瑰图；

图3为本发明实施例中的长江航道南通段航道图；

图4为本发明实施例中通过船舶AIS数据确定经过苏通大桥位置示意图。

具体实施方式

下面结合附图及以长江航道南通段的船舶尾气监测站选址为实施例对本发明的船舶尾气监测站选址方法做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。

如图1所示为该船舶尾气监测站选址方法，具体步骤如下：

步骤一、航道条件和常见风向分析：

长江航道南通段位于南通市南部，根据当地的风向玫瑰图和风速玫瑰图，如图2(a)和图2(b)所示可知，当地常见风向是东北、东、东南(概率约为23～26％)，其次是南、北、西北(概率约为16～19％)，最不常见风向是西南风(概率约为10％),其中无风或者微风天气的出现概率约20％。航道最下游有一座苏通大桥，大致南北走向(北偏东约10度)，可通航的斜拉桥段的两个桥墩之间距离约1088米，桥梁净空高度62米，桥面距离水面约80米。

如图3所示，该段航道走向比较弯曲，西段和东段呈东西走向，最佳风向是南风和北风；中段江面较宽，航道贴近北岸，最佳风向是西南风。由于该航段的船舶尾气监测站旨在监测长江口到江苏省内港口靠泊的上行船舶，故而可选的位置是苏通大桥桥面和北岸。

步骤二、分别对“桥面”监测站预选点位和“岸边”监测站预选点位进行概率计算和筛选：

1)“桥面”监测站预选点位的选择：

由于该航段的上跨桥梁仅包括一座苏通大桥，因此，“桥面”监测站预选点位即位于苏通大桥上；具体地，根据船讯网免费共享所有船舶的30天内的AIS数据，从中可以显示任何一艘船舶的航行轨迹。图4是船讯网上的某一艘船长147米的名为长新江的货船的轨迹，该船在上行时通过苏通大桥的位置坐标为北纬31°46.762'、东经120°59.716'。据统计，每天经过苏通大桥上行的船长超过120米的船舶数量是30-50艘。经过一周超过200艘船舶与苏通大桥的交点坐标的北纬平均值是31°46.742′，由于苏通大桥是南北向，因此不需要经度坐标，仅靠纬度坐标就能确定精准的船舶过桥中心位置，该处位置距离北桥墩约350米。

2)“岸边”监测站预选点位的选择：

首先以航道中心线为基准生成两侧500米范围的缓冲区。

然后，如图3所示，根据该设定的缓冲区的范围内，本航道可可以作为“岸边”监测站预选点位的共计有三处，分别是西段的开沙岛最南侧的码头上，中段的黄泥山突堤上的长江第一灯塔，和苏通大桥的北桥墩。

进一步分析其采集到船舶尾气的概率：开沙岛最南侧的码头处有16％左右的南风出现概率，满足将上行船舶尾气吹向监测点位的要求；黄泥山的长江第一灯塔处有10％左右的西南风出现概率，满足将上行船舶尾气吹向监测点位的要求；苏通大桥的北桥墩处有16％左右的南风出现概率，满足将上行船舶尾气吹向监测点位的要求。

步骤三、监测站建设点位的最终确定：

由于该航道的上跨桥梁仅包括一座苏通大桥，因此，最终的“桥面”监测站预选点位确定为苏通大桥。

由于根据步骤二判断出的监测概率为：苏通大桥的北桥墩＝开沙岛最南侧的码头>黄泥山的长江第一灯塔，因此剔除黄泥山的长江第一灯塔处的监测预选点位，对苏通大桥的北桥墩和开沙岛最南侧的码头两个监测预选点位进行进一步筛选。

其中，由于开沙岛对面(距离约1km)是沙钢集团而且还有火力发电厂，南风时监测到的尾气浓度容易受到干扰源影响，因此可以在起初的“岸边”监测站预选点位的选择时将该预选点位剔除。另外，由于开沙岛位于苏通大桥上游，因此该处设站无法监测到靠泊于两者之间的常熟港和南通港的船舶。

因此，最终的“岸边”监测站预选点位确定为苏通大桥的北桥墩。

步骤四、结合资金预算的实际建站考虑：

如果资金预算只满足建设一座尾气监测站，则选择在苏通大桥桥梁上安装，能够保证在无风或者微风天气条件下发挥监测作用，检测到的概率为20％；如果资金充裕，则建议同时再在苏通大桥的北桥墩约30～50米高处安装，能够在刮南风时发挥监测作用，使船舶尾气检测到的概率提升至36％。

Claims (7)

1.一种适用于狭长航道的船舶尾气监测站选址方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、根据电子地图或者卫星地图确定航道的上跨桥梁位置，将位于航道的每座上跨桥梁设定为“桥面”监测站预选点位；根据电子航道图或者电子海图确定航道走向，并在上行船舶航线邻近一侧的岸边或在每座上跨桥梁的桥墩上设定多个“岸边”监测站预选点位，且保证每个“岸边”监测站预选点位距离航道中心线不超过500m；

S2、根据该航道所在区域的风向玫瑰图和风速玫瑰图获得各个风向的概率和风速情况，分别对步骤S1筛选出的监测站的预选点位能够采集到上行船舶航尾气的概率进行计算：

1)在“桥面”监测站预选点位采集到上行船舶航尾气的概率P₁的计算公式为P₁＝D₁/D×100％；其中，D₁为监测站预选点位所在位置一年内平均出现无风或微风的天数，D为365天；

2)在“岸边”监测站预选点位采集到上行船舶航尾气的概率P₂的计算公式为P₂＝D₂/D×100％；其中，D₂为监测站预选点位所在位置一年内平均出现与航道垂直风向和相对于垂直风向的偏转角度不超过22.5°的斜向风向，且风向满足吹向监测站预选点位的有风天数，D为365天；

S3、根据步骤S2的计算结果，分别筛选出“桥面”监测站预选点位和“岸边”监测站预选点位中概率计算结果最大值对应的监测站预选点位作为最终的监测站建设点位；

S4、根据监测站建设的经济预算，对经步骤S3筛选出的“桥面”监测站和“岸边”监测站进行择一选择或共同选择；当进行择一选择时，比较“桥面”监测站采集到上行船舶航尾气的概率P₁和“岸边”监测站采集到上行船舶航尾气的概率P₂，选择概率值大的一方作为最终监测站建设点位。

2.根据权利要求1所述的适用于狭长航道的船舶尾气监测站选址方法，其特征在于，将步骤S1中设定的多个监测站预选点位中1km半径范围内存在污染气体排放烟囱的预选点位剔除。

3.根据权利要求1所述的适用于狭长航道的船舶尾气监测站选址方法，其特征在于，步骤S2中，微风指风力为1～2级的风；有风指风力≥3级的风。

4.根据权利要求1所述的适用于狭长航道的船舶尾气监测站选址方法，其特征在于，在步骤S3中，当“桥面”监测站预选点位的概率最大值存在与其它部分“桥面”监测站预选点位的概率值的概率差≤3％的情况时，选择该多个监测站预选点位中位于下游的上跨桥梁作为最终的监测站建设点位。

5.根据权利要求1所述的适用于狭长航道的船舶尾气监测站选址方法，其特征在于，在步骤S3中，当“岸边”监测站预选点位中概率计算结果最大值存在与其它部分“岸边”监测站预选点位的概率值的概率差≤3％的情况时，选择该多个监测站预选点位中与上行航线距离最近的一个监测站预选点位作为最终的监测站建设点位；若依然存在多个可选的监测站预选点位，则进一步选择位于下游的监测站预选点位作为最终的监测站建设点位。

6.根据权利要求1所述的适用于狭长航道的船舶尾气监测站选址方法，其特征在于，在步骤S3中，“桥面”监测站的具体设置位置设置在大多数船舶航线的正上方；该位置的确定方法为：根据船舶Automatic Identification System数据共享平台中的海量船舶航行轨迹数据，在行驶在上行航线上的多艘大型船舶中任选数量超过100艘的大型船舶并提取每一艘船舶航行轨迹与桥梁所成交点，并将多个所得交点取平均值，即为监测站的设置位置；其中，大型船舶为船长≥120m的船舶。

7.根据权利要求1所述的适用于狭长航道的船舶尾气监测站选址方法，其特征在于，步骤S3中，设置在岸上的监测站的高度为30～50m。