CN109855688A - 一种内河港口船舶废气排放测度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内河港口船舶废气排放测度方法，该方法包括以下步骤：步骤一、通过水流观测系统、水位观测系统、气象观测系统、AIS数据系统及后台数据库组成数据采集系统，对内河港口船舶活动水平数据和内河港口环境数据进行采集；步骤二、根据内河港口环境数据进行基于电子航道图的流场数据反演，并通过水文实测数据对生成的模型进行率定；步骤三、在进行反演估计船舶主机工作负荷后，进行内河港口船舶废气排放测度。本发明加入流场和水位观测系统，使得到的数据更多、更准确；能够考虑到内河流场对船舶航行的影响，主要作用体现在船舶排放计算中对船速的修正；在原有的船舶排放测度的计算方法中加入流场数据反演，使得到的结果更准确。

Description

一种内河港口船舶废气排放测度方法

技术领域

本发明涉及船舶技术领域，尤其涉及一种内河港口船舶废气排放测度方法。

背景技术

船舶运输在为世界经济贸易做出重要贡献的同时，也带来了较为严重的大气污染。如何有效管理和控制船舶废气排放，从而减小其对环境和人类健康造成的不利影响，已成为当前航运业面临的一大问题。随着长江干线港口的转型和升级以及建设“依托黄金水道，建设长江经济带”的要求，船舶排放控制将是长江经济带可持续发展的内在要求。

针对船舶排放这一问题，我国已经加快了相关控制措施的出台。2015年12月，我国正式将珠三角、长三角、环渤海(京津冀)区域作为船舶排放控制区。2018年12月，交通运输部进一步强化排放要求，将排放控制区范围扩大为沿海和内河两部分，内河控制区包括长江干线和西江干线；通过控制船舶的硫氧化物、氮氧化物和颗粒物排放，从而改善国内沿海、沿江区域尤其是港口城市的环境空气质量。

为实现对船舶排放控制的精细化管理，评估控制措施的实施效果，需从源头上识别各种废气的排放源，更加准确地估算船舶废气排放量。针对不同区域的水域环境和船舶特点，建立一套可靠性和精度均较高的船舶废气排放清单，是定量评估区域船舶废气排放及其影响的基础。但目前的船舶废气排放测度基本是以AIS信息为基础的静态信息进行测度的，测度的准确定不足，其结果易受水文以及气象条件的影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种内河港口船舶废气排放测度方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种内河港口船舶废气排放测度方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、通过内河港口中的水流观测系统、水位观测系统、气象观测系统、AIS数据系统及后台数据库组成数据采集系统，对船舶活动水平数据和内河港口环境数据进行采集；

步骤二、根据内河港口环境数据进行基于电子航道图的流场数据反演：从电子航道图中导出水深点以及水流岸线数据，并对其进行预处理生成边界文件和地形文件，用生成的边界文件和地形文件进行流场数值模拟模型的构建，并通过水文实测数据对生成的模型进行率定；

步骤三、基于内河港口船舶活动水平数据，估计船舶主机工作负荷，再根据内河港口流场反演结果，结合AIS信息中的航速信息，计算后得到准确的船速，从而进行内河港口船舶废气排放测度。

进一步地，本发明的步骤一中采集船舶活动水平数据的方法具体为：

船舶活动水平数据包括：船舶引擎功率、主辅机负荷因子、船舶航速、船舶工况；首先获取AIS文本数据，并对AIS文本数据进行解码得到静态信息，静态信息包括船名、MMSI编号、IMO编号、船长、船宽、种类、吃水信息；利用船名、IMO编号信息，从船舶资料数据库中获取船舶主机、辅机、锅炉功率以及最大服务航速信息；接下来通过解码AIS文本数据解码得到船舶动态信息，包括MMSI编号，时间，GPS船位、航速、航行状态信息；通过水流观测系统、水位观测系统、气象观测系统的信息补充系统中缺少的环境动态信息。

进一步地，本发明的步骤二中进行数据预处理的方法具体为：

对水深数据进行预处理，首先把其他无用信息删去，仅保留坐标值和水深值，并将水深值转换成基于85高程基面下的高程值，将数据保存为.xyz格式的文件，即生成地形文件；对岸线数据进行预处理，首先删除除了坐标值及水深值之外的其他数据信息，仅保留两列坐标值，另加一列连接属性值，将数据保存为.xyz格式的文件，即生成边界文件。

进一步地，本发明的步骤二中进行流场数值模拟模型构建的方法具体为：

首先将边界文件导入MIKE软件，对其进行三角网格划分，对网格进行平滑处理后，将地形文件导入并进行插值，生成地形网格文件；随后将生成的地形网格文件导入水动力模型中，并设置模型参数，点击运行模型，最后输出流场结果。

进一步地，本发明的步骤二中的流场数值模拟模型为平面二维水动力模型，根据水流运动的数学方程及其相应的定解条件建立数学模型，通过数值计算的方法对水流的运动进行描述，再通过图像显示的方法将水流的运动显示出来；最后输出的流场结果包括点、线和面序列文件，其中点序列用于模型的率定；输出的流场模型的数据包括水位、水深、流速、流向、流速的分速度。

进一步地，本发明的步骤二中通过水文实测数据对生成的模型进行率定的方法具体为：

根据水文站提供的实测水位资料，实测水位资料包括实测水位与实测流速，使用时间序列编辑器导入实测水位资料文件，制作时间序列文件；采用作图编辑器对模拟结果与实测结果进行比较，根据对比情况，通过改变模型参数进一步率定模型，直到结果符合要求，最后输出最终流场结果，完成基于电子航道图的流场数据反演；

进一步地，本发明的步骤二中通过改变模型参数进一步率定模型的方法具体为，通过改变糙率和涡粘性系数的模型参数，每次率定后比较模拟与实测结果，每次仅改变一个参数，同时确保参数在取值范围内赋值。

进一步地，本发明的步骤三中进行内河港口船舶废气排放测度的方法包括：

(1)采用未考虑内河港口流场影响的废气排放测度模型；

当船舶处于不同的行驶模式时，其动力设备，包含船舶主机、辅机、锅炉的工况有所不同，排放水平的差别也相对较大；船舶废气排放测度模型采用基于AIS的动力法，该方法基于船舶动力设备的输出能量，与相应的排放因子和负荷因子相乘，计算得出不同航行状态下的船舶废气排放量；

(2)采用考虑内河港口流场影响的废气排放测度模型；

船舶AIS信息提供的速度为航速，即对地速度；而在船舶废气排放计算模型中的船舶速度为船速，即船舶主机本身提供的速度；而在内河环境中，综合考虑AIS信息中的船位航速和内河港口流场的分布，修正后得到排放计算需要的船速，进而进行船舶废气排放的计算。

本发明产生的有益效果是：本发明的内河港口船舶废气排放测度方法，加入流场和水位观测系统的数据采集系统数据收集更多种类数据，用来修正船舶废气排放测度方法，因此精度更高；依据观测数据对流场进行反演，计算水流对内河船舶航行状态的影响，能够更加精确的估计船舶主机工作负荷；加入了流场后的内河港口船舶废气排放测度方法更准确。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明具体实施方式流程图

图2是本发明实施例的流对船舶运动的影响示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1和2所示，本发明实施例的内河港口船舶废气排放测度方法，在船舶废气排放进行测度之前，需对船舶引擎功率、、主辅机负荷因子、船舶航速、船舶工况等船舶活动水平数据进行收集。数据主要来源于AIS，并结合其它船舶数据库等进行补充。首先获取AIS文本数据，并对AIS文本数据进行解码得到静态信息，静态信息包括船名、MMSI编号、IMO编号、船长、船宽、种类、吃水等信息；利用船名、IMO编号信息，从船舶资料数据库中获取船舶主机、辅机、锅炉功率以及最大服务航速信息；接下来通过解码AIS文本数据解码得到船舶动态信息，包括MMSI编号，时间，GPS船位、航速、航行状态信息；通过水流观测系统、水位观测系统、气象观测系统的信息补充系统中缺少的环境动态信息。

在进行相关的数据采集后，开始进行基于电子航道图的流场数据反演。反演的具体方法如下步骤：

从CAD电子航道图中导出水深点及水流岸线数据，具体为：打开CAD图，分别选中水深点和岸线，输入“list”命令，得到详细坐标点，将坐标点复制粘贴到excel中，选择数据-分列功能得到分列后的数据，得到原始的水深点坐标和河流岸线坐标数据。

此方式提取出来的原始数据既包括了坐标数据，同时也包含了其他无用信息。

对导出的数据进行预处理，生成边界文件和地形文件，具体为：对水深数据进行预处理，首先把其他无用信息删去，仅保留坐标值和水深值，并将水深值转换成基于85高程基面下的高程值，将数据另保存为.xyz格式的文件，即生成地形文件。对岸线数据进行预处理，首先把其他无用信息删除，仅保留两列坐标值，另加一列连接属性值，复制粘贴到新建的txt文档中，另保存为.xyz格式的文件，即生成边界文件。

所述地形文件(.xyz)的格式，第一列为x坐标，第二列为y坐标，第三列为z坐标，即高程；

所述边界文件(.xyz)的格式，第一列为x坐标，第二列为y坐标，第三列为z坐标，即连接属性，一般为1，在连接处为0。

将水深值转换成基于85高程基面下的高程值，根据电子航道图的绘图基面及当时的水位进行转换。

所述其他无用信息指除了坐标值及水深值之外的其他数据信息。

用生成的数据文件进行流场数值模拟模型的构建，具体为：首先将边界文件导入MIKE软件，对其进行三角网格划分，对网格进行平滑处理后，将地形文件导入并进行插值，生成地形网格文件。随后将生成的地形网格文件导入水动力模型中，并设置模型参数，点击运行模型，最后输出流场结果。

所述的MIKE软件是一款专业的工程软件包，用于模拟河流、湖泊、海湾、海岸及海洋的水流、波浪、泥沙及环境。

所述流场数值模拟模型的构建，是指平面二维水动力模型，根据水流运动的数学方程及其相应的定解条件建立数学模型，通过数值计算的方法对水流的运动进行描述，再通过图像显示的方法将水流的运动显示出来。

最后输出的流场结果包括点、线和面序列文件，其中点序列用于模型的率定。输出的流场模型的数据有水位、水深、流速、流向、流速的分速度等。

用实测水位资料对生成模型进行率定。具体为：根据水文站提供的实测水位资料，使用时间序列编辑器导入这些文件，制作时间序列文件。采用MIKE软件自带的作图编辑器对模拟结果与实测结果进行比较，根据对比情况，通过改变模型参数进一步率定模型，直到结果与实测结果相近。最后输出最终流场结果，完成基于电子航道图的流场数据反演。

水文站提供的实测水位资料包括实测水位与实测流速；

所述通过改变模型参数进一步率定模型，是指通过改变糙率和涡粘性系数等模型参数，每次率定后比较模拟与实测结果，每次仅仅改变一个参数，同时确保参数要在一定范围内赋值。

在进行反演估计船舶主机工作负荷后，进行内河港口船舶废气排放测度。测度方法具体如下步骤；

(1)首先进行未考虑流影响的废气排放测度模型；

当船舶处于不同的行驶模式时，其动力设备(包含船舶主机、辅机、锅炉等)的工况有所不同，排放水平的差别也相对较大。本文的船舶废气排放测度模型采用基于AIS的动力法，该方法基于船舶动力设备的输出能量，与相应的排放因子和负荷因子相乘，计算得出不同航行状态下的船舶废气排放量。

动力法计算公式如下：

式(1)中，E_i为第i种类型废气的排放量，g；P为船舶动力设备在某种运行状态下的负荷功率，kW；j为动力设备的类型；LF为动力设备的负荷因子，T为动力设备的运行时间，h；EF_i,j为该种废气的排放因子，g/kW·h。

船舶的航行状态可分为以下3种：

(1)在航状态：主机和辅机均在工作；

(2)锚泊状态：主机不工作，辅机和锅炉在工作；

(3)靠泊状态：主机不工作，辅机、锅炉和装卸设备在工作。

不同的船舶航行状态对应的船舶废气排放量计算方法如下：

式(2)中，S为船舶航行状态，0、1和2分别表示在航、锚泊和靠泊状态。下标m、a、b、c分别表示主机、辅机、锅炉和装卸货设备，其余含义同式(1)。

(2)接下来进行考虑流影响的废气排放测度模型

船舶AIS信息提供的速度为航速(speed over ground)，即对地速度；而在船舶废气排放计算模型中的船舶速度应为船速(ship speed)，即船舶主机本身提供的速度。而在内河环境中，流对船舶速度的影响较大，因此需要综合考虑AIS信息中的航速和环境场中的流速，修正后得到排放计算需要的船速。流对船舶运动影响的示意图如图1：

图2中，OX₀Y₀为惯性坐标系，Gxy为随船坐标系；V为船速，V_speed为AIS信息中的航速；u、v分别为V_speed在船首方向和垂直于船首方向上的分量；V_C为模拟预报的流速；u_C、v_C分别为V_C在船首方向和垂直于船首方向上的分量；θ_C为流舷角。

考虑环境场中的流对船舶速度的影响，假设为流因素影响前的速度，根据流速、船速和航速三者的矢量关系，则有：

整理可得：

式(5)即考虑流影响后的船舶速度修正公式。根据AIS信息中的航速和模拟得到的流速数据，利用式(5)即可推算出流影响之前的对水速度，将负荷因子LF_m＝(V/V_max)³中的V替换为V₁，进而用于船舶废气排放的计算。

其中，计算中所用到的船舶排放因子受诸多因素的影响，最主要的有燃料含硫率、引擎类型、引擎转速等。目前我国对本地化的船舶排放因子实测研究方面比较少，在本发明中，船舶排放因子主要参考国内外排放清单计算的经验值。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种内河港口船舶废气排放测度方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、通过内河港口中的水流观测系统、水位观测系统、气象观测系统、AIS数据系统及后台数据库组成数据采集系统，对内河港口船舶活动水平数据和内河港口环境数据进行采集；

步骤二、根据内河港口环境数据进行基于电子航道图的流场数据反演：从电子航道图中导出水深点以及水流岸线数据，并对其进行预处理生成边界文件和地形文件，用生成的边界文件和地形文件进行流场数值模拟模型的构建，并通过水文实测数据对生成的模型进行率定；

步骤三、基于内河港口船舶活动水平数据，估计船舶主机工作负荷，再根据内河港口流场反演结果，结合AIS信息中的航速信息，计算后得到准确的船速，从而进行内河港口船舶废气排放测度。

2.根据权利要求1所述的内河港口船舶废气排放测度方法，其特征在于，步骤一中采集船舶活动水平数据的方法具体为：

船舶活动水平数据包括：船舶引擎功率、主辅机负荷因子、船舶航速、船舶工况；首先获取AIS文本数据，并对AIS文本数据进行解码得到静态信息，静态信息包括船名、MMSI编号、IMO编号、船长、船宽、种类、吃水信息；利用船名、IMO编号信息，从船舶资料数据库中获取船舶主机、辅机、锅炉功率以及最大服务航速信息；接下来通过解码AIS文本数据解码得到船舶动态信息，包括MMSI编号，时间，GPS船位、航速、航行状态信息；通过水流观测系统、水位观测系统、气象观测系统的信息补充系统中缺少的环境动态信息。

3.根据权利要求1所述的内河港口船舶废气排放测度方法，其特征在于，步骤二中进行数据预处理的方法具体为：

对水深数据进行预处理，首先把其他无用信息删去，仅保留坐标值和水深值，并将水深值转换成基于85高程基面下的高程值，将数据保存为.xyz格式的文件，即生成地形文件；对岸线数据进行预处理，首先删除坐标值及水深值之外的其他数据信息，仅保留两列坐标值，另加一列连接属性值，将数据保存为.xyz格式的文件，即生成边界文件。

4.根据权利要求1所述的内河港口船舶废气排放测度方法，其特征在于，步骤二中进行流场数值模拟模型构建的方法具体为：

首先将边界文件导入MIKE软件，对其进行三角网格划分，对网格进行平滑处理后，将地形文件导入并进行插值，生成地形网格文件；随后将生成的地形网格文件导入水动力模型中，并设置模型参数，点击运行模型，最后输出流场结果。

5.根据权利要求4所述的内河港口船舶废气排放测度方法，其特征在于，步骤二中的流场数值模拟模型为平面二维水动力模型，根据水流运动的数学方程及其相应的定解条件建立数学模型，通过数值计算的方法对水流的运动进行描述，再通过图像显示的方法将水流的运动显示出来；最后输出的流场结果包括点、线和面序列文件，其中点序列用于模型的率定；输出的流场模型的数据包括水位、水深、流速、流向、流速的分速度。

6.根据权利要求1所述的内河港口船舶废气排放测度方法，其特征在于，步骤二中通过水文实测数据对生成的模型进行率定的方法具体为：

根据水文站提供的实测水位资料，实测水位资料包括实测水位与实测流速，使用时间序列编辑器导入实测水位资料文件，制作时间序列文件；采用作图编辑器对模拟结果与实测结果进行比较，根据对比情况，通过改变模型参数进一步率定模型，直到模拟结果与实际情况基本吻合，最后输出流场结果，完成基于电子航道图的流场数据反演；

7.根据权利要求6所述的内河港口船舶废气排放测度方法，其特征在于，步骤二中通过改变模型参数进一步率定模型的方法具体为，通过改变糙率和涡粘性系数模型参数，每次率定后比较模拟与实测结果，每次仅改变一个参数，同时确保参数在取值范围内赋值。

8.根据权利要求1所述的内河港口船舶废气排放测度方法，其特征在于，步骤三中进行内河港口船舶废气排放测度的方法包括：

(1)采用未考虑内河港口流场影响的废气排放测度模型；

当船舶处于不同的行驶模式时，其动力设备，包含船舶主机、辅机、锅炉的工况有所不同，排放水平的差别也相对较大；船舶废气排放测度模型采用基于AIS的动力法，该方法基于船舶动力设备的输出能量，与相应的排放因子和负荷因子相乘，计算得出不同航行状态下的船舶废气排放量；

(2)采用考虑内河港口流场影响的废气排放测度模型；

船舶AIS信息提供的速度为航速，即对地速度；而在船舶废气排放计算模型中的船舶速度为船速，即船舶主机本身提供的速度；而在内河环境中，综合考虑AIS信息中的船位航速和内河港口流场的分布，修正后得到排放计算需要的船速，进而进行船舶废气排放的计算。