CN109978335A - 一种船舶燃油合规性判定与违规识别方法 - Google Patents
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Abstract
一种船舶燃油合规性判定与违规识别方法，包括以下步骤：构建船舶尾气排放监测平台；通过气态污染物浓度监测装置收集CO2和SO2的污染物浓度数据；通过气象观测装置收集观测站点风速、风向、温度、压强、湿度数据；通过船舶AIS信号接收装置接收船速、航向、经纬度的动态信息和船名、水上移动通信业务标识码MMSI的静态信息数据；通过GPS定位装置采集监测平台的经纬度；通过气态污染物浓度监测装置监测得到的CO2峰值和SO2峰值；利用监测平台和船舶的经纬度数据来计算两者间的距离和连线角度；利用船速航向、环境风速风向数据计算船舶所排放的废气的扩散风向角度；通过对比连线角度和废气扩散角度来进行识别船舶；计算燃油合规性与违规船舶判定的不确定性。
Description
技术领域
本发明涉及船舶污染物排放监测与监管技术领域，特别是涉及一种根据船舶尾气采样平 台数据判断船舶燃油是否符合要求及其该结果的不确定性，同时确定违规船舶及该判定结果 的不确定性。
背景技术
现阶段海事部门对燃油合规性的管理主要是采用加油文书检查和燃油柜采样抽检等方 式进行监管，但我国进出港船舶艘次约为1000万，单纯依靠现有技术方法，无法完成方案 的监管要求。船舶排放控制区作为一个新生的监管措施，国内船舶燃油合规性技术研究尚为 空白。因此，本发明基于遥测技术、数据分析技术和不确定性分析技术公开了一种船舶燃油 合规性判定与违规识别方法，可以极大的提高船舶排放监管覆盖率、时效性、准确率和违规 船舶的检出率，实现违规排放船舶的快速识别。
发明内容
为解决现实监管中所面临的技术难题，本发明要设计一种通过监测和不确定性分析就可 以达到燃油合规性监管要求、覆盖更多目标船舶、更高时效性和更好的筛查的检出效果的船 舶燃油合规性判定与违规船舶识别方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
1、一种船舶燃油合规性判定与违规识别方法，包括以下步骤：
S1：构建船舶尾气排放监测平台(后简称(监测平台))，该监测平台的形式可以为岸 基规定站点、船/车移动站点、无人机等。监测平台应搭载或安装气态污染物浓度监测装置、 气象观测装置、GPS定位装置、船舶AIS信号接收装置用来采集基本信息和数据，该四装置可采购成熟设备进行组建，在平台中相互独立；
S2：通过气态污染物浓度监测装置收集CO2和SO2的污染物浓度数据，要求气态污染物 浓度监测装置CO2测量精度为ppm级别，SO2测量精度为ppb级别；
S3、通过气象观测装置收集观测站点风速、风向、温度、压强、湿度等数据，气象观测 装置的风向和风速等测定频率应不小于5分钟；
S4、通过船舶AIS信号接收装置接收船速、航向、经纬度等动态信息和船名、水上移动 通信业务标识码(MMSI)等静态信息数据；
S5、通过GPS定位装置采集监测平台的经纬度，对于固定监测平台，监测时段为唯一值； 移动类监测平台为连续数据；
S6、通过污染物监测平台气态污染物浓度监测装置监测得到的CO2和SO2的污染浓度数 据，从中筛选出现的CO2峰值和SO2峰值来计算船舶燃油硫含量；故根据式1可以计算得到 燃油的硫含量。
其中，S％为燃油硫含量；C％为燃油中碳元素含量，为87％；为监测平台监测 到的某个SO2浓度峰值；为监测平台监测到的某个CO2浓度峰值；为 监测平台监测到的某个SO2浓度背景值；为监测平台监测到的CO2浓度背景值； MEs为硫元素摩尔质量；MEc为碳元素摩尔质量。
S7、利用监测平台和船舶的经纬度数据来计算两者间的距离和连线角度(以正北方向为 0度)。具体见式2；
其中，Apoints为船舶所排放废气扩散方向；Lonship为船的经度；Lonstation为监测平台的 经度；Latship为船的纬度；Latstation为监测平台的纬度。
S8、利用船速航向、环境风速风向数据计算船舶所排放的废气的扩散风向角度(以正北 方向为0度)；船舶废气扩散方向可利用环境风向与船舶航航向的负矢量进行加和计算。具 体公式如式3所示。
其中，Adiffusion为船舶所排放废气扩散方向；V为船速；W为风速；α为风向角度；H 为船舶航向角。
S9、通过对比连线角度和废气扩散角度来进行识别船舶，当Apoints＝Adiffusion时，气态污染物峰值出现时两角度相同的船舶则为违规嫌疑船舶，从Apoints中提取经纬度信息，确定船舶的MMSI等静态信息，确定嫌疑船舶。
S10、利用不确定性分析方法，计算燃油合规性与违规船舶判定的不确定性。具体公式 如式4所示。
其中，Us％(％)为判定结果的不确定性数值，越大不确定性越高；uc(SO2)、uc(CO2)、upeak(SO2)、upeak(CO2)均为该项的测试不确定性数值，利用式5进行计算。upres为气压的 观测设备标准差、utemp为温度设备标准差、uw为风速风向设备标准差、uH2O为湿度标准差； uect为其他设备标准差。
本发明的优点及有益效果在于：本发明实现了一种船舶燃油合规性判定与违规识别方法， 优点方面，首先是定量化的合规性判定与违规识别，不仅为监管结果提供筛查目标，同时还 可以提供该目标的不确定性数值，优化监管流程；其次是完全自动化的技术流程，该方法易 于用程序实现，方便海事监管。
附图说明
图1为本发明船舶燃油合规性判定与违规识别方法技术实施流程图。
具体实施方式
采用上述方法，对某水域的航行的船舶为目标开展检查，具体实施步骤如下：
1)在监测平台布设气态污染物监测装置、气象观测装置、AIS信息接收装置和GPS定 位装置。
2)假设一艘通过所布设的监测站点附近的船舶，通过S1.数据采集工作，S2采集到气 态污染物监测装置获取监测点位CO2、SO2等监测数据；S3获取监测点风速、风向、温度、湿度等气象信息；S4获取船名、MMSI号、船速、航向、经纬度信息；S5获得监测平台的 经纬度信息。可得到如表1、表2、表3所示采集的气态污染物监测数据、气象数据与AIS 数据。监测平台位于东经121.03775度和北纬38.473156度。
表1气态污染物监测数据例表
| 监测时间 | CO<sub>2</sub>(ppm) | SO<sub>2</sub>(ppb) |
| 23:59:00 | 310.0 | 3.1 |
| 23:58:00 | 310.0 | 3 |
| 23:57:00 | 310.1 | 2.8 |
| 23:56:00 | 310.2 | 3 |
| 23:55:00 | 311.0 | 3 |
| 23:54:00 | 310.2 | 3.2 |
| 23:53:00 | 310.0 | 3 |
| 23:52:00 | 310.4 | 4.5 |
| 23:51:00 | 311.0 | 6.9 |
| 23:50:00 | 311.6 | 8.1 |
| 23:49:00 | 311.0 | 6.6 |
| 23:48:00 | 310.5 | 4.9 |
| 23:47:00 | 310.1 | 2.9 |
| 23:46:00 | 310.1 | 3.1 |
| 23:45:00 | 310.1 | 3 |
| 23:44:00 | 310.1 | 3 |
| 23:43:00 | 310.1 | 3 |
| 23:42:00 | 310.1 | 3.1 |
| 23:41:00 | 310.1 | 3.1 |
表2气象数据例表
表3船舶AIS数据例表
| 船舶MMSI | AIS时间 | 速度(节) | 经度 | 纬度 | 航向(度) |
| 412XXXXXX | 23:59:00 | 11.5 | 121.03774 | 38.47316 | 115 |
| 412XXXXXX | 23:58:00 | 11.6 | 121.03774 | 38.473156 | 115 |
| 412XXXXXX | 23:57:00 | 11.7 | 121.03774 | 38.473159 | 115 |
| 412XXXXXX | 23:56:00 | 11.6 | 121.03774 | 38.473157 | 115 |
| 412XXXXXX | 23:55:00 | 11.6 | 121.03774 | 38.473156 | 115 |
| 412XXXXXX | 23:54:00 | 11.7 | 121.03774 | 38.473159 | 114 |
| 412XXXXXX | 23:53:00 | 11.7 | 121.03774 | 38.473159 | 114 |
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| 412XXXXXX | 23:51:00 | 11.7 | 121.03774 | 38.473158 | 114 |
| 412XXXXXX | 23:50:00 | 11.7 | 121.03774 | 38.473157 | 114 |
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S6、燃油硫含量计算与合规性判别，根据S2的输出数据，利用燃油硫含量合规性判别 单元计算SO2和CO2的浓度比例来计算船舶燃油硫含量，并通过与现行政策中硫含量要求不 能超过0.5％对比，判别合规性。根据物质守恒原理，假设船舶燃油中硫元素全部转化为二 氧化硫，尾气中的二氧化碳也来自于船舶燃油中的碳质组分燃烧。故，船舶中硫含量等于船 舶废气排放中SO2、CO2元素质量比等于燃油中硫碳比，文献显示燃油中碳元素含量约为87％， 故根据式6可以计算得到燃油的硫含量。
其中，S％为燃油硫含量；C％为燃油中碳元素含量，为87％；为监测平台监测 到的某个SO2浓度峰值；为监测平台监测到的某个CO2浓度峰值；为 监测平台监测到的某个SO2浓度背景值；为监测平台监测到的CO2浓度背景值； MEs为硫元素摩尔质量，32；MEc为碳元素摩尔质量，12。
在S2数据选取监测段内最大值与出现高值前均值的差值，为 5.1ppb，为1.58ppm。
将此数据带入式6，得到S％＝0.75％，计算结果大于0.5％，故燃油硫含量超标。
S7、利用监测平台和船舶的经纬度数据来计算两者间连线角度，利用S3和S5获取的数 据，通过式7计算监测平台和船舶的经纬度数据来计算两者间连线角度(以正北方向为0度)。
其中，Apoints为船舶所排放废气扩散方向；Lonship＝121.03774，Latship＝38.473157； Lonstation＝121.03775度，Latstation＝38.473156度。
得到Apoints＝262.7度.
S8、利用船速航向、环境风速风向数据计算船舶所排放的废气的扩散方向角度(以正北 方向为0度)；船舶废气扩散方向可利用环境风向与船舶航航向的负矢量进行加和计算。具 体公式如式8所示。
其中，Adiffusion为船舶所排放废气扩散方向；V为船速；W为风速；α为风向角度；H 为船舶航向角。由表1、表2、表3可得，V＝11.7节、W＝3.86节、航向114度、风向45度。
得到Adiffusion＝262.7度。
S9、通过对比连线角度和废气扩散角度来进行识别船舶，当Apoints＝Adiffusion时，气态污染物峰值出现时两角度相同的船舶则为违规嫌疑船舶。由S7和S8结果可知，二者相等，由此可以确定污染物的峰值为该船舶排放导致。由此确定船舶MMSI码，通知海事部门，开展后续监管工作。
S10、利用不确定性分析方法，计算燃油合规性与违规船舶判定的不确定性。具体公式 如式9所示。
其中，Us％(％)为判定结果的不确定性数值，越大不确定性越高；uc(SO2)＝0.04、uc(CO2)＝0.04、upeak(SO2)＝0.04、upeak(CO2)＝3，利用式10进行计算。upres＝0.03、utemp＝0.02、uw＝0.02、uH2O＝0.001；uect＝0。并由表得到分 别带入式9、式10，得到：Us％(％)＝6.36％。不确定性较小。
Claims (10)
1.一种船舶燃油合规性判定与违规识别方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：构建船舶尾气排放监测平台，监测平台应搭载或安装气态污染物浓度监测装置、气象观测装置、GPS定位装置、船舶AIS信号接收装置用来采集基本信息和数据；
S2：通过气态污染物浓度监测装置收集CO2和SO2的污染物浓度数据；
S3、通过气象观测装置收集观测站点风速、风向、温度、压强、湿度数据；
S4、通过船舶AIS信号接收装置接收船速、航向、经纬度的动态信息和船名、水上移动通信业务标识码MMSI的静态信息数据；
S5、通过GPS定位装置采集监测平台的经纬度，对于固定监测平台，监测时段为唯一值；移动类监测平台为连续数据；
S6、通过污染物监测平台气态污染物浓度监测装置监测得到的CO2和SO2的污染浓度数据，从中筛选出现的CO2峰值和SO2峰值来计算船舶燃油硫含量；
S7、利用监测平台和船舶的经纬度数据来计算两者间的距离和连线角度，以正北方向为0度；
S8、利用船速航向、环境风速风向数据计算船舶所排放的废气的扩散风向角度，以正北方向为0度；船舶废气扩散方向利用环境风向与船舶航航向的负矢量进行加和计算；
S9、通过对比连线角度和废气扩散角度来进行识别船舶；
S10、利用不确定性分析方法，计算燃油合规性与违规船舶判定的不确定性。
2.根据权利要求1所述的一种船舶燃油合规性判定与违规识别方法，其特征在于：该监测平台的形式为岸基规定站点、船/车移动站点、无人机。
3.根据权利要求1所述的一种船舶燃油合规性判定与违规识别方法，其特征在于：该气态污染物浓度监测装置、气象观测装置、GPS定位装置、船舶AIS信号接收装置均采购成熟设备进行组建，在平台中相互独立。
4.根据权利要求1所述的一种船舶燃油合规性判定与违规识别方法，其特征在于：要求气态污染物浓度监测装置CO2测量精度为ppm级别，SO2测量精度为ppb级别。
5.根据权利要求1所述的一种船舶燃油合规性判定与违规识别方法，其特征在于：气象观测装置的风向和风速测定频率应不小于5分钟。
6.根据权利要求1所述的一种船舶燃油合规性判定与违规识别方法，其特征在于：在S6中，根据式1计算得到燃油的硫含量；
其中，S％为燃油硫含量；C％为燃油中碳元素含量，为87％；为监测平台监测到的某个SO2浓度峰值；为监测平台监测到的某个CO2浓度峰值；为监测平台监测到的某个SO2浓度背景值；为监测平台监测到的CO2浓度背景值；MEs为硫元素摩尔质量；MEc为碳元素摩尔质量。
7.根据权利要求1所述的一种船舶燃油合规性判定与违规识别方法，其特征在于：在S7中，具体公式如式2所示；
其中，Apoints为船舶所排放废气扩散方向；Lonship为船的经度；Lonstation为监测平台的经度；Latship为船的纬度；Latstation为监测平台的纬度。
8.根据权利要求1所述的一种船舶燃油合规性判定与违规识别方法，其特征在于：在S8中，具体公式如式3所示；
其中，Adiffusion为船舶所排放废气扩散方向；V为船速；W为风速；α为风向角度；H为船舶航向角。
9.根据权利要求1所述的一种船舶燃油合规性判定与违规识别方法，其特征在于：在S9中，当Apoints＝Adiffusion时，气态污染物峰值出现时两角度相同的船舶则为违规嫌疑船舶，从Apoints中提取经纬度信息，确定船舶的MMSI的静态信息，确定嫌疑船舶。
10.根据权利要求1所述的一种船舶燃油合规性判定与违规识别方法，其特征在于：在S10中，具体公式如式4-5所示；
其中，Us％(％)为判定结果的不确定性数值，越大不确定性越高；uc(SO2)、uc(CO2)、upeak(SO2)、upeak(CO2)均为该项的测试不确定性数值，利用式5进行计算；upres为气压的观测设备标准差、utemp为温度设备标准差、uw为风速风向设备标准差、uH2O为湿度标准差；uect为其他设备标准差。
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2019
- 2019-02-26 CN CN201910141501.4A patent/CN109978335B/zh active Active
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