CN110146129A - 一种基于北斗短报文的船舶实时污染监测系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于污染监测技术领域,公开了一种北斗短报文的船舶实时污染监测系统及方法;包括船舶嵌入式污染数据处理集合系统模块、北斗卫星导航系统模块、岸基数据处理系统模块、基于北斗短报文的索引码表模式报文模块。本发明将船舶的各种污染检测数据,利用北斗卫星导航系统的报文功能,进行船岸双向数据传输,实现船岸一体化实时监测,满足岸基管理部门或公司对船舶各项污染气体或液体排放情况实时监测的需求,具有在船舶航行中减少污染水、有害气体直接排放同时减少海洋环境污染、大气环境污染的效果。本发明有效解决了船员或者船东不按国际海事组织(IMO)相关防污染公约(如MARPOL公约)规定排放使船舶污染更加严重的问题。

Description

一种基于北斗短报文的船舶实时污染监测系统及方法
技术领域
本发明属于污染监测技术领域,尤其涉及一种基于北斗短报文的船舶实时污染监测系统及方法。
背景技术
目前,业内常用的现有技术是这样的:
海运业被许多人认为是世界上环保功能最强的运输模式,但其带来的污染问题也是不容小觑。
船舶石油污染:英国伦敦2007年12月出版的“集装箱化国际”报道说,海洋环境污染中有35%的污染为船舶污染,其中最主要是油类物质。船舶污染已使海洋环境难以承受。频频发生的船舶污染事故、尤其是油轮、化学品船海上污染事故危害十分严重。据估计,每年由于石油运输活动,排放到海洋中的石油高达100多万吨,是人类其他活动泄入海洋石油量的10倍。这将导致了海洋水质腐败、水体和海生物体聚集致癌物质危及人体健康等问题。
船舶生物污染:海洋是生命的起源之地,是人类发展的资源宝藏。海洋环境指地球上广大连续的海洋的总水域,包括海水、溶解和悬浮于海水中的物质、海底沉积物和海洋生物。在发生船舶污染后,有些海洋生物丧失或改变其肢体器官功能和繁殖能力,还有些海洋生物数量锐减,面临灭绝的危险。由于海水一旦污染后很难恢复,海洋生物的生存环境也受到极大破坏。
船舶废气污染:船舶主要以重油为燃料,其硫、重金属等含量均较高,燃烧产生大量的硫氧化物SOx(其中SO2为95%,SO3为5%)、氮氧化物NOx(其中NO为95%)以及颗粒物PM,它们对环境造成不同程度的损害。加之船舶发动机功率大,燃油消耗量大,废气排放十分严重。
如若相关工作人员为贪图利益或工作上的便利而未经处理将船舶废料直接排放,将会导致以上问题更加恶化。
船舶在营运过程中,由于操作不当或或船员的故意操作会对海洋环境、大气环境造成极大的污染,为防止船舶造成的污染,加强海事主管人员和船舶公司对船舶防污染的管理,以及减轻管理负担,势在必行。
解决上述技术问题的难度和意义:
海事部门作为船舶危险品及防污染作业监管的主管机关,在污染防治工作上不断取得进步,但对船舶防污染管理工作还存在重审批、轻监管的现象,在一定程度上削弱了船舶防污染监管的力度。
海事局对防止船舶生活污水和生活垃圾污染的监管检查主要依靠对船舶实施不定期的安全检查,检查内容以查看防污染设备的运行情况和相关记录为主
在船舶防污染作业现场监管方面,目前行业内船舶检查内容很多是根据行业的推荐性标准,作为海事部门现场监管的依据效力不强。海事局一线执法人员以综合执法为主,在日常行政检查中身肩多项检查任务;再者,每名执法人员的理论和实际水平不一,对防污染作业的现场监管往往根据个人经验,对于监管的要求和发现问题后所采取的相关措施的执法标准不一致。因此,防污染作业的现场监管往往出现形式化和单一化,比如对残油排放接收作业、船舶洗舱作业等日常监管仅仅查看防污染器材和消防器材是否到位,对船岸检查制度的落实情况的检查却不够重视。
这种不定期的巡查难以对船舶排放污水及生活垃圾的情况进行实时监控,无法杜绝船员偷偷排放含油污水及生活垃圾于海中。因此常态化、制度化、系统化的综合性船舶防污染监测系统就势在必行。
发明内容
针对现有技术存在的问题,本发明提供了一种基于北斗短报文的船舶实时污染监测系统及方法。
本发明是这样实现的,一种北斗短报文的船舶实时污染监测系统,包括船舶嵌入式污染数据处理集合系统模块、北斗卫星导航系统模块、岸基数据处理系统模块、基于北斗短报文的索引码表模式报文模块。
船舶嵌入式污染数据集合系统模块主要用来收集船舶舱底水含油量、油水分离器运行情况、生活污水处理情况,船用焚烧炉运行情况,船舶排放废气硫氧化物(SOx)含量、废气氮氧化物(NOx)含量、有害固体颗粒(PM)含量和船舶舱底水生物识别;并且将收集到的数据进行数模转换,将其印制成北斗短报文的标准通信格式,并且通过基于北斗短报文的索引码表模式编码成高压缩的北斗短报文信息;
北斗卫星导航系统模块将收集到的船舶污染数据集合信息发送到北斗卫星通信系统中,获取船舶的位置,废气SOx、NOx和PM含量,生活污水BOD,油水分离器运行时间,船舶舱底水含油量和船舶舱底水有害病原体、漂浮生物;
岸基数据处理模块将接收到的短报文数据解码还原成原始的数据,与北斗卫星导航系统模块通信连接,具备船舶信息显示、信息处理、船舶各项检测数据实时监控、报警控制处理、船上工作人员违规行为识别功能,用于供岸基管理部门或公司的相关人员对船舶各项污染气体或液体排放情况实时监测。
当系统遇到较大的数据包时,将按照标准北斗通信4.0规约,单帧报文最长78B对大数据包进行拆分来发送数据,在接收端收到发送端的短报文之后,再按照标准北斗通信4.0规约解析分包数据,重新进行数据还原处理,确保通信顺畅。
进一步,船舶嵌入式污染数据处理集合系统模块,具体包括:
船舶嵌入式污染数据处理中心单元、船舶舱底水含油量传感器单元、油水分离器监控单元、船用焚烧炉监控单元、生活污水处理监控单元、船舶废气检测单元和船舶舱底水生物识别单元。
进一步,船舶嵌入式污染数据处理中心单元,放置在机舱,用于采集、处理和分析船舶各传感器和监控模块、识别模块实时运行状况及数据,并封装成北斗短报文,同终端号码一起发送至所述北斗卫星,并确认接收所述北斗短报文;
进一步,船舶舱底水含油量传感器单元,与船舶嵌入式污染数据处理中心单元通信连接,用于获取船舶舱底水的含油浓度,并上传数据到所述船上嵌入式污染数据处理中心单元进行数据比对。
进一步,油水分离器监控单元,与船舶嵌入式污染数据处理中心单元通信连接,用于监测船舶油水分离器是否正常开启,放置在机舱,用于采集、处理和分析船舶油水分离器实时运行状况及数据。
进一步,船用焚烧炉监控模块单元,与船舶嵌入式污染数据处理中心连接,包括流量传感器和重量传感器,用于探测船用焚烧炉炉膛是否有火焰,进而控制嵌入式控制器内船用焚烧炉工作时间计时器的计时开始或中断。
进一步,流量传感器,安装在船用焚烧炉炉膛前的管路上,用于检测送入船用焚烧炉处理的污染流量。
进一步,重量传感器,安装在船用焚烧炉炉膛的投料处,用于检测投入船用焚烧炉炉膛的固体垃圾重量。
进一步,生活污水处理监控模块单元,与所述船舶嵌入式污染数据处理中心(11)通信连接,用于检测船舶派出生活污水中BOD和SS的含量。
进一步,船舶废气检测模块单元,与所述船上嵌入式污染数据处理中心通信连接,用于检查排放气体中SOx、NOx和PM、的含量。
进一步,船舶舱底水生物识别单元,与所述船舶嵌入式污染数据处理中心通信连接,用于识别压载水中是否有有害病原体、漂浮生物等。
进一步,北斗卫星导航系统模块,具体包括:
北斗终端单元、北斗卫星单元、北斗卫星地面站单元和北斗运营服务站单元。
进一步,北斗终端单元与船舶嵌入式污染数据处理集合系统相连,北斗卫星单元分别与北斗终端单元、北斗卫星地面站相连,北斗卫星地面站通过北斗运营服务站与岸基数据处理系统相连。
进一步,船载北斗终端单元,具体包括:
北斗定位RNSS、信息处理子单元和北斗短报文通信子单元RDSS。
进一步,北斗定位子单元RNSS,用于获取船舶位置实时数据,包括经度和纬度信息,传输至信息处理模块。
进一步,信息处理子单元,用于采集、处理及存储;北斗定位子单元RNSS传输过来的船舶实时数据,将之与标准值比较,如有发现数据异常,则报告为异常情况,并封装成北斗短报文与终端号码一并传输至北斗短报文通信子单元RDSS。
进一步,北斗短报文通信子单元RDSS,接收信息处理子单元传输过来的北斗短报文和终端号码,转送至北斗卫星单元,并接收确认北斗短报文转送至所述信息处理子单元。
进一步,北斗卫星单元,与北斗终端单元通信连接,处理来自船舶实时情况信息,而后将信息传送至地面。
进一步,北斗地面站单元,与北斗卫星单元通信连接,用于接收及转发所述北斗短报文和终端号码至所述北斗通信管理服务器。
进一步,北斗运营服务站单元,与北斗地面站单元通信连接,接收并分析北斗短报文和终端号码,将分析结果转送至云服务器,井生成确认北斗短报文转发至并所述船载北斗航行跟踪终端。
进一步,岸基数据处理系统模块,与北斗卫星导航系统模块通信连接,具备船舶信息显示、信息处理、船舶各项检测数据实时监控、报警控制处理、船上工作人员违规行为识别功能,用于供岸基管理部门或公司的相关人员对船舶各项污染气体或液体排放情况实时监测。
进一步,岸基数据处理系统模块,主界面具体有七个子菜单分别为:
船舶信息查看子菜单、实时监控子菜单、运行时间核查子菜单、污染处理量核查子菜、实时监控数据核查子菜单、报警控制子菜单和岸基数据处理子菜单。
进一步,船舶信息查看子菜单,用于查看所监控船舶的船名、船公司、船龄及以往检查中的违规记录情况。
进一步,实时监控子菜单,用于显示船舶舱底水含油量传感器单元、油水分离器监控单元、船用焚烧炉监控单元、生活污水处理监控单元、船舶废气检测单元和船舶舱底水生物识别单元所上传的数据。
进一步,运行时间核查子菜单,用于显示传感器每日使用情况列表和历史数据曲线。
进一步,污染处理量核查子菜单,用于显示船用污水处理器以及油水分离器每日污染处理量列表和历史数据曲线。
进一步,实时监控数据核查子菜单,用于显示传感器的实时监控数据。
进一步,报警控制子菜单,用于查询历史报警情况及确认报警处理。
进一步,岸基数据处理子菜单,用于船载嵌入式监控系统发送信息。
进一步,基于北斗短报文的索引码表模式报文模块,北斗BDG-MF-05型船载终端的短报文通信为41个汉字/次;岸基接收系统把接收到的8个字节的索引码表数据组合为1个64位的整型数据;建立一个存放接收到的报文字节的数组,先接收到字节存放在索引号小的位置;跟污染量有关的数据是从索引号11开始,其中索引号11一18的元素为描述索引码表的数据,从索引号19开始的元素描述的是原始污染物数据中的非0字节;把Data[11]-Data[18]表示的索引码表数据组合为1个64位的整型数据code;
对观察对象B3形成的字节数据的首部依次添加数据包编号、机器类型、船舶油水分离器运行时间、生活污水BSD和SS含量、焚烧炉工作时间、终端号码和微生物含量等组成的描述字节,为观察对象B4。若整个字节长度为3的倍数,不需要扩充0值字节,否则根据情况,扩充1个0值字节或2个0值字节,目的是扩充后字节长度为3的倍数。
本发明的另一目的在于提供一种基于北斗短报文的船载嵌入式监控系统总成的运行状况鉴定方法,所述基于嵌入式监控系统总成系统实现方法,具体包括:
步骤一:通过基于北斗短报文的船舶实时污染监测系统总成采集运行中的参数和工作过程实时数据;
由于被测对象多为具有不同特征的非电量,首先将它们通过传感器转换成为电信号,经过A/D转换将现场参数变为可由微处理器处理的数字量。数字化后的电信号经过预处理,以滤除数据采集过程中现场环境下的干扰和噪声,经处理后的目标信号作特征提取,根据所提取的特征信号,进行数据融合,最终输出结果。
设n个传感器的方差分别为时时各传感器的测量值分别为X1、X2、…Xn,它们彼此相互独立,各传感器的加权因子分别为W1、W2…Wn那么加权因子引入后,系统的传感器数据融合值为:
其中
总均方差
因为X1、X2、…Xn彼此相互独立,并且是X的无偏估计;
所以E[(X-Xi)(X-Xj)]=0(i≠j i,j=1,2∧n);
故σ2可以改写成
上式中的σ2是个加权因子Wi多元二次函数,其最小值的求取就是加权因子W1、W2…Wn满足归一化约束条件的多元函数极值的求取。
根据多元函数求极值理论,当加权因子为:
则有
步骤二:北斗短报文的船载嵌入式监控系统采集的数据通过北斗卫星导航系统传送给岸基数据处理系统;
在现场北斗通信模块在采集终端控制下,遵守北斗通信规约,在原报文基础上增加北斗传输短报文信息,将采集数据拆解分段组包,发往北斗卫星,北斗卫星根据数据包内地址完成数据传输,主站北斗通信管理机接收卫星传输报文,按照其内置的信息,包括分包的序号、现场北斗卡卡号、北斗主站卡号等分段等信息进行复原拼接后(即解析)以无线公网的形式将数据转存至主站前置服务器,前置机不需要再对数据进行特别的解析。
步骤三:海事管理部门或船舶管理公司的相关人员通过岸基数据处理系统,对北斗短报文的船载嵌入式监控系统采集的数据进行监控、分析和判断,从而鉴别船员是否有违规行为产生。
岸基接收系统把接收到的8个字节的索引码表数据组合为1个64位的整型数据;建立一个存放接收到的报文字节的数组,先接收到字节存放在索引号小的位置;跟污染量有关的数据是从索引号11开始,其中索引号11一18的元素为描述索引码表的数据,从索引号19开始的元素描述的是原始运行状况数据数据中的非0字节;把Data[11]-Data[18]表示的索引码表数据组合为1个64位的整型数据code;
对观察对象B3形成的字节数据的首部依次添加数据包编号、机器类型、船舶油水分离器运行时间、生活污水处理器运行时间、焚烧炉工作时间、终端号码等组成的描述字节,为观察对象B4。若整个字节长度为3的倍数,不需要扩充0值字节,否则根据情况,扩充1个0值字节或2个0值字节,目的是扩充后字节长度为3的倍数。
进一步,步骤三中,采用船舶现场鉴定法、现场鉴定法、处理能力鉴定法、废气检测、工作时间鉴定法和生活污水检测方法,对北斗短报文的船载嵌入式监控系统采集的数据进行监控、分析和判断,从而鉴别船员是否有违规行为产生。
进一步,步骤三中,船舶现场鉴定法,具体为:
船舶所产生的污油量,如下式:
Q1=K1*A*B (1)
式(1)中:当主机使用需净化的重油时,K1=0.01;当主机使用柴油时K1=0.005;A为主机每日耗油量;B为主机运行天数;
依照上面的理论依据,推算出船舶航行期间产生的污油总量:
Q2=Q3+Q4 (2)
式(2)中:Q2为垃圾总量;Q3为已处理垃圾量;Q4为剩余垃圾量;
若式(2)不成立,表明船舶的废气排放不满足公约要求。
进一步,现场数据鉴定法,具体为:
根据监控系统采集的工作过程实时监控数据,监督船上工作人员是否按规定操作,核查船上工作人员是否向油水分离器投放污油,以及是否采用生活污水处理系统和是否排放了符合标准的气体。
进一步,处理能力鉴定法,具体为:
船用油水分离器处理污油量和运行时间成正比,如下式:
Q=T*C (3)
式(3)中:T为船用油水分离器运行时间;C为船用油水分离器处理能力;Q为船用油水分离器污油处理量;
进一步,步骤三中,船舶所产生的废气检测,如下式:
NOx比排放的计算公式如下:
式中:比排放,g/(kW·h)
体积分数,%
K—温湿修正系数;
P—单位功率排气流量,g/(kW·h)
b-油耗率g/(kW·h)
体积分数
燃料燃烧生成的氮氧化物量可用下式核算:
GNOx=1.63B(β·n+10-6Vy·CNOx
式中:GNOx~燃料燃烧生成的氮氧化物(以NO2计)量(kg);
B~煤或重油消耗量(kg);
β~燃烧氮向燃料型NO的转变率(%),与燃料含氮量N有关。
普通燃烧条件下,燃油锅炉为32~40%
n~燃料中氮的含量(%);
Vy~燃料生成的烟气量(Nm3/kg);
CNOx~温度型NO浓度(mg/Nm3),通常取93.8mg/Nm3。
PM2.5的浓度计算公式为:
式中:C——PM2.5的质量浓度,mg/m3;
W2——采样后滤膜质量,mg;
W1——采样前滤膜质量,mg;
F——换算成标准状况下的采样流量,L/min;
t——采样时间,min
如果式(3)、以及船舶气监控装置产生的气体超标,表明船舶的废气排放不满足公约要求。
进一步,步骤三中,工作时间鉴定法,具体为:
依统计规律,船用油水分离器的工作时间是在一定范围内波动,如下式:
式(4)中:为船用油水分离器航行中平均每天运行时间;
Tmax为航行时,一天中船用油水分离器运行时间最长的时间;
Tmin为航行时,船用油水分离器一天中运行时间最短的时间;
根据式(4),调取相关数据判断船员是否有违规行为产生。
进一步,步骤三中,船舶所产生的生活污水检测为:
通过传感器检测是否复合要求,其次,通过生活污水的滤净系统本方法能结合船舶舱底水生物识别单元判断是否有生物入侵。
综上所述,本发明的优点及积极效果为:
本发明利用北斗卫星导航系统的报文功能,实现对北斗短报文的船载嵌入式监控系统运行情况监控,突破了时间和空间的限制,对船用油水分离、焚烧炉、生活污水处理装置进行精准实时监控,将有效杜绝船员污染海洋环境违规行为的产生,创造了海洋环境保护的新模式;同时,利用北斗卫星导航系统对北斗短报文的船载嵌入式监控系统进行监测,将监控数据利用北斗卫星导航系统的报文功能进行船岸双向数据传输,实现船岸一体化监控,满足海事管理部门和船舶管理公司对船舶防污染的需求。
现有的信息传输系统来看,是采用AIS和3G两种信道进行传输,但所研发的基于AIS的船载终端的功能还需完善,能否替代现有AIS的功能或者是否会被更为智慧的船载终端所取代值得深入探讨,其替代和被替代的技术要求和法律要件也需深入研究。
部分船舶配备的油份报警记录仪的功能与监测子系统油份浓度监测设备的部分重叠,能否通过拓展该设备的功能,使其监测数据能够传至信息传输子系统,从而减少设备投入,仍需进一步探索。
本发明设计的北斗短报文的船载嵌入式监控系统运行状况鉴定方法有四种鉴定方式,便于检查人员从岸端和船舶监控界面上调取的各种传感器运行时间、污油处理量、船用油水分离器工作过程实时监控数据等数据和资料来判定分离器工作情况;同时,海事管理部门或船舶管理公司的相关工作人员能够根据油水分离监控系统,船用焚烧炉监控模块、生活污水处理监控模块、船舶废气检测模块和船舶舱底水生物识别模块来确保船员按照要求向海洋合法地排放含油污水以及废气。
本发明利用北斗卫星导航系统通信能力,将船用北斗短报文的船载嵌入式监控系统运行参数传输至岸端,实现船用系统的远程监控,设计相应的软件,通过北斗卫星导航系统的双向通信能力实现船岸通信,达到船岸一体化监控,对北斗短报文的船载嵌入式监控系统的工况采用新的鉴定方式,实现船舶与岸端的无缝对接。之前,海事局一线执法人员以综合执法为主,在日常行政检查中身肩多项检查任务;再者,每名执法人员的理论和实际水平不一,对防污染作业的现场监管往往根据个人经验,对于监管的要求和发现问题后所采取的相关措施的执法标准不一致。因此,防污染作业的现场监管往往出现形式化和单一化,比如对残油排放接收作业、船舶洗舱作业等日常监管仅仅查看防污染器材和消防器材是否到位,对船岸检查制度的落实情况的检查却不够重视。
对于PSC检查(Port State Control),港口国监督。通过对到达本国港口的外国籍船舶的技术状况和船员能力的(特别是有关船舶航行安全与防污染方面的)检查,以保证船舶在海上的:人命和财产安全;减小污染海洋环境。使用本装置能简化PSC检查检查流程,监控船员和船东的行为,确保PSC检查检查的顺利进行。港口国课通过调用嵌入式监控系统的数据对于船舶的排放和防污染状况一览无余。从而减少PSC检查流程,降低船舶运行成本,提高港口国检查效率,以及避免港口国检查腐败起到了重要作用。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于北斗短报文的实船舶时污染监测系统示意图;
图中:1、船舶嵌入式污染数据处理集合系统模块;2、北斗卫星导航系统模块;3、岸基数据处理系统模块;4、基于北斗短报文的索引码表模式报文模块。
图2是本发明实施例提供的基于北斗短报文的船舶实时污染监测方法流程图。
图3是本发明实施例提供的基于北斗短报文的实船舶时污染监测系统的实现原理框图。
图4是本发明实施例提供的船舶嵌入式污染数据处理集合系统的结构框图。
图5是本发明实施例提供的岸基数据处理系统的主菜单界面图。
图6是本发明实施例提供的数据融合流程图。
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仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明的应用原理进行进一步详细说明;
如图1所示,本发明实施例提供的北斗短报文的船舶实时污染监测系统,包括船舶嵌入式污染数据处理集合系统模块1、北斗卫星导航系统模块2、岸基数据处理系统模块3、基于北斗短报文的索引码表模式报文模块4。
船舶嵌入式污染数据集合系统模块1,用于收集船舶舱底水含油量、油水分离器运行情况、生活污水处理情况,船用焚烧炉运行情况,船舶排放废气硫氧化物(SOx)含量、废气氮氧化物(NOx)含量、有害固体颗粒(PM)含量和船舶舱底水生物识别;并且将收集到的数据进行数模转换,将其印制成北斗短报文的标准通信格式,并且通过基于北斗短报文的索引码表模式编码成高压缩的北斗短报文信息;
北斗卫星导航系统模块2,用于将收集到的船舶污染数据集合信息发送到北斗卫星通信系统中,获取船舶的位置,污染量,排气含硫量,生活污水BOD,油水分离器运行时间和船舶舱底水含油量;
岸基数据处理模块3,用于将接收到的短报文数据解码还原成原始的数据,与北斗卫星导航系统模块通信连接,具备船舶信息显示、信息处理、船舶各项检测数据实时监控、报警控制处理、船上工作人员违规行为识别功能,用于供岸基管理部门或公司的相关人员对船舶各项污染气体或液体排放情况实时监测;
基于北斗短报文的索引码表模式报文模块4,用于当系统遇到较大的数据包时,将按照标准北斗通信4.0规约,单帧报文最长78B对大数据包进行拆分来发送数据,在接收端收到发送端的短报文之后,再按照标准北斗通信4.0规约解析分包数据,重新进行数据还原处理,确保通信顺畅。
本发明实施例提供的船舶嵌入式污染数据处理集合系统模块1,具体包括:
船舶嵌入式污染数据处理中心单元11、船舶舱底水含油量传感器单元12、油水分离器监控单元13、船用焚烧炉监控单元14、生活污水处理监控单元15、船舶废气检测单元16和船舶舱底水生物识别单元17。
本发明实施例提供的船舶嵌入式污染数据处理中心单元11,放置在机舱,用于采集、处理和分析船舶各传感器和监控模块、识别模块实时运行状况及数据,并封装成北斗短报文,同终端号码一起发送至所述北斗卫星,并确认接收所述北斗短报文;
本发明实施例提供的船舶舱底水含油量传感器单元12,与船舶嵌入式污染数据处理中心单元通信连接,用于获取船舶舱底水的含油浓度,并上传数据到所述船上嵌入式污染数据处理中心单元进行数据比对。
本发明实施例提供的油水分离器监控单元13,与船舶嵌入式污染数据处理中心单元11通信连接,用于监测船舶油水分离器是否正常开启,放置在机舱,用于采集、处理和分析船舶油水分离器实时运行状况及数据。
本发明实施例提供的船用焚烧炉监控模块单元14,与船舶嵌入式污染数据处理中心单元11连接,包括流量传感器141和重量传感器142,用于探测船用焚烧炉炉膛是否有火焰,进而控制嵌入式控制器内船用焚烧炉工作时间计时器的计时开始或中断。
本发明实施例提供的流量传感器141,安装在船用焚烧炉炉膛前的管路上,用于检测送入船用焚烧炉处理的污染流量。
本发明实施例提供的重量传感器142,安装在船用焚烧炉炉膛的投料处,用于检测投入船用焚烧炉炉膛的固体垃圾重量。
本发明实施例提供的生活污水处理监控模块单元15,与所述船舶嵌入式污染数据处理中心11通信连接,用于检测船舶派出生活污水中BOD和SS的含量。
本发明实施例提供的船舶废气检测模块单元16,与所述船上嵌入式污染数据处理中心11通信连接,用于检查排放气体中SOx、NOx和PM的含量。
本发明实施例提供的船舶舱底水生物识别单元17,与所述船舶嵌入式污染数据处理中心单元11通信连接,用于识别压载水中是否有有害病原体、漂浮生物等。
本发明实施例提供的北斗卫星导航系统模块2,具体包括:
北斗终端单元21、北斗卫星单元22、北斗卫星地面站单元23和北斗运营服务站单元24。
本发明实施例提供的北斗终端单元21与船舶嵌入式污染数据处理集合系统模块1相连,北斗卫星单元22分别与北斗终端单元21、北斗卫星地面站单元23相连,北斗卫星地面站23通过北斗运营服务站单元24与岸基数据处理系统模块3相连。
本发明实施例提供的船载北斗终端单元21,具体包括:
北斗定位子单元RNSS211、信息处理子单元212和北斗短报文通信子单元RDSS213。
本发明实施例提供的北斗定位子单元RNSS211,用于获取船舶实时数据,传输至信息处理子单元212。
本发明实施例提供的信息处理子单元212,用于采集、处理及存储;北斗定位子单元RNS211S传输过来的船舶实时数据,将之与标准值比较,如有发现数据异常,则报告为异常情况,并封装成北斗短报文与终端号码一并传输至北斗短报文通信子单元RDSS213。
本发明实施例提供的北斗短报文通信子单元RDSS213,接收信息处理子单元212传输过来的北斗短报文和终端号码,转送至北斗卫星单元22,并接收确认北斗短报文转送至信息处理子单元212。
本发明实施例提供的北斗卫星单元22,与北斗终端单元21通信连接,处理来自船舶实时情况信息,而后将信息传送至地面。
本发明实施例提供的北斗地面站单元23,与北斗卫星单元22通信连接,用于接收及转发所述北斗短报文和终端号码至所述北斗通信管理服务器。
本发明实施例提供的北斗运营服务站单元24,与北斗地面站单元23通信连接,接收并分析北斗短报文和终端号码,将分析结果转送至云服务器,井生成确认北斗短报文转发至并所述船载北斗航行跟踪终端。
本发明实施例提供的岸基数据处理系统模块3,与北斗卫星导航系统模块2通信连接,具备船舶信息显示、信息处理、船舶各项检测数据实时监控、报警控制处理、船上工作人员违规行为识别功能,用于供岸基管理部门或公司的相关人员对船舶各项污染气体或液体排放情况实时监测。
本发明实施例提供的岸基数据处理系统模块3,主界面具体有七个子菜单分别为:
船舶信息查看子菜单31、实时监控子菜单32、运行时间核查子菜单33、污染处理量核查子菜34、实时监控数据核查子菜单35、报警控制子菜单36和岸基数据处理子菜单37。
本发明实施例提供的船舶信息查看子菜单37,用于查看所监控船舶的船名、船公司、船龄及以往检查中的违规记录情况。
本发明实施例提供的实时监控子菜单32,用于显示船舶舱底水含油量传感器单元12、油水分离器监控单元13、船用焚烧炉监控单元14、生活污水处理监控单元15、船舶废气检测单元16和船舶舱底水生物识别单元17所上传的数据。
本发明实施例提供的运行时间核查子菜单33,用于显示传感器每日使用情况列表和历史数据曲线。
本发明实施例提供的污染处理量核查子菜单34,用于显示船用污水处理器以及油水分离器每日污染处理量列表和历史数据曲线。
本发明实施例提供的实时监控数据核查子菜单35,用于显示传感器的实时监控数据。
本发明实施例提供的报警控制子菜单36,用于查询历史报警情况及确认报警处理。
本发明实施例提供的岸基数据处理子菜单37,用于船载嵌入式监控系统发送信息。
本发明实施例提供的基于北斗短报文的索引码表模式报文单元,北斗BDG-MF-05型船载终端的短报文通信为41个汉字/次;岸基接收系统把接收到的8个字节的索引码表数据组合为1个64位的整型数据;建立一个存放接收到的报文字节的数组,先接收到字节存放在索引号小的位置;跟污染量有关的数据是从索引号11开始,其中索引号11一18的元素为描述索引码表的数据,从索引号19开始的元素描述的是原始污染物数据中的非0字节;把Data[11]-Data[18]表示的索引码表数据组合为1个64位的整型数据code;
对观察对象B3形成的字节数据的首部依次添加数据包编号、机器类型、船舶油水分离器运行时间、生活污水BSD和SS含量、焚烧炉工作时间、终端号码和微生物含量等组成的描述字节,为观察对象B4。若整个字节长度为3的倍数,不需要扩充0值字节,否则根据情况,扩充1个0值字节或2个0值字节,目的是扩充后字节长度为3的倍数。
如图2所示,本发明实施例提供的基于北斗短报文的船舶实时污染监测方法,基于嵌入式监控系统总成系统实现方法,具体包括:
S101:通过船舶舱底水含油量传感器、油水分离器监控、船用焚烧炉监控、生活污水处理监控、船舶废气检测和船舶舱底水生物识别基于北斗短报文的船舶实时污染监测系统总成采集运行中的参数和工作过程实时数据;
设n个传感器的方差分别为时时各传感器的测量值分别为X1、X2、…Xn,它们彼此相互独立,各传感器的加权因子分别为W1、W2…Wn那么加权因子引入后,系统的传感器数据融合值为:
其中
总均方差
因为X1、X2、…Xn彼此相互独立,并且是X的无偏估计;
所以E[(X-Xi)(X-Xj)]=0(i≠j i,j=1,2∧n);
故σ2可以改写成
上式中的σ2是个加权因子Wi多元二次函数,其最小值的求取就是加权因子W1、W2…Wn满足归一化约束条件的多元函数极值的求取。
根据多元函数求极值理论,当加权因子为:
则有
S102:北斗短报文的船载嵌入式监控系统采集的数据通过北斗卫星导航系统传送给岸基数据处理系统;
S103:海事管理部门或船舶管理公司的相关人员通过岸基数据处理系统,对北斗短报文的船载嵌入式监控系统采集的数据进行监控、分析和判断,从而鉴别船员是否有违规行为产生。
步骤S103中,本发明实施例提供的采用船舶现场鉴定法、现场鉴定法、处理能力鉴定法、废气检测、工作时间鉴定法和生活污水检测方法,对北斗短报文的船载嵌入式监控系统采集的数据进行监控、分析和判断,从而鉴别船员是否有违规行为产生。
步骤S103中,本发明实施例提供的船舶现场鉴定法,具体为:
船舶所产生的污油量,如下式:
Q1=K1*A*B (1)
式(1)中:当主机使用需净化的重油时,K1=0.01;当主机使用柴油时K1=0.005;A为主机每日耗油量;B为主机运行天数;
依照上面的理论依据,推算出船舶航行期间产生的污油总量:
Q2=Q3+Q4 (2)
式(2)中:Q2为垃圾总量;Q3为已处理垃圾量;Q4为剩余垃圾量;
若式(2)不成立,表明船舶的废气排放不满足公约要求。
步骤S103中,本发明实施例提供的现场数据鉴定法,具体为:
根据监控系统采集的工作过程实时监控数据,监督船上工作人员是否按规定操作,核查船上工作人员是否向油水分离器投放污油,以及是否采用生活污水处理系统和是否排放了符合标准的气体。
步骤S103中,本发明实施例提供的处理能力鉴定法,具体为:
船用油水分离器处理污油量和运行时间成正比,如下式:
Q=T*C (3)
式(3)中:T为船用油水分离器运行时间;C为船用油水分离器处理能力;Q为船用油水分离器污油处理量;
步骤S103中,本发明实施例提供的船舶所产生的废气检测,如下式:
NOx比排放的计算公式如下:
式中:比排放,g/(kW·h)
体积分数,%
K—温湿修正系数;
P—单位功率排气流量,g/(kW·h)
b-油耗率g/(kW·h)
体积分数
燃料燃烧生成的氮氧化物量可用下式核算:
GNOx=1.63B(β·n+10-6Vy·CNOx
式中:GNOx~燃料燃烧生成的氮氧化物(以NO2计)量(kg);
B~煤或重油消耗量(kg);
β~燃烧氮向燃料型NO的转变率(%),与燃料含氮量N有关。
普通燃烧条件下,燃油锅炉为32~40%
n~燃料中氮的含量(%);
Vy~燃料生成的烟气量(Nm3/kg);
CNOx~温度型NO浓度(mg/Nm3),通常取93.8mg/Nm3。
PM2.5的浓度计算公式为:
式中:C——PM2.5的质量浓度,mg/m3;
W2——采样后滤膜质量,mg;
W1——采样前滤膜质量,mg;
F——换算成标准状况下的采样流量,L/min;
t——采样时间,min
如果式(3)、以及船舶气监控装置产生的气体超标,表明船舶的废气排放不满足公约要求。
步骤S103中,本发明实施例提供的工作时间鉴定法,具体为:
依统计规律,船用油水分离器的工作时间是在一定范围内波动,如下式:
式(4)中:为船用油水分离器航行中平均每天运行时间;
Tmax为航行时,一天中船用油水分离器运行时间最长的时间;
Tmin为航行时,船用油水分离器一天中运行时间最短的时间;
根据式(4),调取相关数据判断船员是否有违规。
步骤S103中,本发明实施例提供的船舶所产生的生活污水检测,为:
通过传感器检测是否复合要求,其次,通过生活污水的滤净系统本方法能结合船舶舱底水生物识别单元17判断是否有生物入侵。
如表1所示,船舶所产生的生活污水检测标准;
如图3所示,本发明实施例提供的基于北斗短报文的实船舶时污染监测的系统的实现原理框图。
如图4所示,本发明实施例提供的船舶嵌入式污染数据处理集合系统的结构框图。
如图5所示,本发明实施例提供的岸基数据处理系统的主菜单界面图。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种北斗短报文的船舶实时污染监测系统,其特征在于,所述北斗短报文的船舶实时污染监测系统包括:
船舶嵌入式污染数据集合系统模块,用于收集船舶舱底水含油量、油水分离器运行情况、生活污水处理情况,船用焚烧炉运行情况,船舶排放废气硫氧化物(SOx)含量、废气氮氧化物(NOx)含量、有害固体颗粒(PM)含量和船舶舱底水生物识别;并且将收集到的数据进行数模转换,将其印制成北斗短报文的标准通信格式,并且通过基于北斗短报文的索引码表模式编码成高压缩的北斗短报文信息;
北斗卫星导航系统模块,用于将收集到的船舶污染数据集合信息发送到北斗卫星通信系统中,获取船舶的位置,废气SOx、NOx和PM含量,生活污水BOD,油水分离器运行时间,船舶舱底水含油量和船舶舱底水有害病原体、漂浮生物;
岸基数据处理模块,用于将接收到的短报文数据解码还原成原始的数据,与北斗卫星导航系统模块通信连接,具备船舶信息显示、信息处理、船舶各项检测数据实时监控、报警控制处理、船上工作人员违规行为识别功能,用于供岸基管理部门或公司的相关人员对船舶各项污染气体或液体排放情况实时监测;
基于北斗短报文的索引码表模式报文模块,用于当系统遇到较大的数据包时,将按照标准北斗通信4.0规约,单帧报文最长78B对大数据包进行拆分来发送数据,在接收端收到发送端的短报文之后,再按照标准北斗通信4.0规约解析分包数据,重新进行数据还原处理,确保通信顺畅。
2.如权利要求1所述的北斗短报文的船舶实时污染监测系统,其特征在于,所述船舶嵌入式污染数据处理集合系统模块,具体包括:
船舶嵌入式污染数据处理中心单元、船舶舱底水含油量传感器单元、油水分离器监控单元、船用焚烧炉监控单元、生活污水处理监控单元、船舶废气检测单元和船舶舱底水生物识别单元。
3.如权利要求2所述的北斗短报文的船舶实时污染监测系统,其特征在于,所述船舶嵌入式污染数据处理中心单元,放置在机舱,用于采集、处理和分析船舶各传感器和监控模块、识别模块实时运行状况及数据,并封装成北斗短报文,同终端号码一起发送至所述北斗卫星,并确认接收所述北斗短报文。
4.如权利要求2所述的北斗短报文的船舶实时污染监测系统,其特征在于,所述船舶舱底水含油量传感器单元,与船舶嵌入式污染数据处理中心单元通信连接,用于获取船舶舱底水的含油浓度,并上传数据到所述船上嵌入式污染数据处理中心单元进行数据比对。
5.如权利要求2所述的北斗短报文的船舶实时污染监测系统,其特征在于,所述油水分离器监控单元,与船舶嵌入式污染数据处理中心单元通信连接,用于监测船舶油水分离器是否正常开启,放置在机舱,用于采集、处理和分析船舶油水分离器实时运行状况及数据;
所述船用焚烧炉监控模块单元,与船舶嵌入式污染数据处理中心连接,包括流量传感器和重量传感器,用于探测船用焚烧炉炉膛是否有火焰,进而控制嵌入式控制器内船用焚烧炉工作时间计时器的计时开始或中断;
所述流量传感器,安装在船用焚烧炉炉膛前的管路上,用于检测送入船用焚烧炉处理的污染流量;
所述重量传感器单元,安装在船用焚烧炉炉膛的投料处,用于检测投入船用焚烧炉炉膛的固体垃圾重量;
所述生活污水处理监控模块单元,与所述船舶嵌入式污染数据处理中心通信连接,用于检测船舶派出生活污水中BOD和SS的含量;
其特征在于,所述船舶废气检测单元,与所述船上嵌入式污染数据处理中心通信连接,用于检查排放气体中SOx、NOx和PM的含量;
所述船舶舱底水生物识别单元,与所述船舶嵌入式污染数据处理中心通信连接,用于识别压载水中是否有有害病原体、漂浮生物。
6.如权利要求1所述的北斗短报文的船舶实时污染监测系统,其特征在于,所述北斗卫星导航系统模块,具体包括:北斗终端单元、北斗卫星单元、北斗卫星地面站单元和北斗运营服务站单元;
所述的北斗终端单元与船舶嵌入式污染数据处理集合系统相连,北斗卫星单元分别与北斗终端单元、北斗卫星地面站相连,北斗卫星地面站通过北斗运营服务站与岸基数据处理系统相连;
所述船载北斗终端单元,具体包括:
北斗定位RNSS、信息处理子单元和北斗短报文通信子单元RDSS;
所述北斗定位子单元RNSS,用于获取船舶位置实时数据,包括经度和纬度信息,传输至信息处理模块;
所述信息处理子单元,用于采集、处理及存储;北斗定位子单元RNSS传输过来的船舶实时数据,将之与标准值比较,如有发现数据异常,则报告为异常情况,并封装成北斗短报文与终端号码一并传输至北斗短报文通信子单元RDSS;
所述北斗短报文通信子单元RDSS,接收信息处理子单元传输过来的北斗短报文和终端号码,转送至北斗卫星单元,并接收确认北斗短报文转送至所述信息处理子单元;
所述北斗卫星单元,与北斗终端单元通信连接,处理来自船舶实时情况信息,而后将信息传送至地面;
所述北斗地面站单元,与北斗卫星单元通信连接,用于接收及转发所述北斗短报文和终端号码至所述北斗通信管理服务器;
所述北斗运营服务站单元,与北斗地面站单元通信连接,接收并分析北斗短报文和终端号码,将分析结果转送至云服务器,井生成确认北斗短报文转发至并所述船载北斗航行跟踪终端;
所述岸基数据处理系统模块,与北斗卫星导航系统模块通信连接,具备船舶信息显示、信息处理、船舶各项检测数据实时监控、报警控制处理、船上工作人员违规行为识别功能,用于供岸基管理部门或公司的相关人员对船舶各项污染气体或液体排放情况实时监测;
所述岸基数据处理系统模块,主界面具体有七个子菜单分别为:
船舶信息查看子菜单、实时监控子菜单、运行时间核查子菜单、污染处理量核查子菜、实时监控数据核查子菜单、报警控制子菜单和岸基数据处理子菜单;
所述船舶信息查看子菜单,用于查看所监控船舶的船名、船公司、船龄及以往检查中的违规记录情况;
所述实时监控子菜单,用于显示船舶舱底水含油量传感器、油水分离器监控单元、船用焚烧炉监控、生活污水处理监控单元、船舶废气检测单元和船舶舱底水生物识别单元所上传的数据;
所述运行时间核查子菜单,用于显示传感器每日使用情况列表和历史数据曲线;
所述污染处理量核查子菜单,用于显示船用污水处理器以及油水分离器每日污染处理量列表和历史数据曲线;
所述实时监控数据核查子菜单,用于显示传感器的实时监控数据;
所述报警控制子菜单,用于查询历史报警情况及确认报警处理;
所述岸基数据处理子菜单,用于船载嵌入式监控系统发送信息;
所述基于北斗短报文的索引码表模式报文模块,北斗BDG-MF-05型船载终端的短报文通信为41个汉字/次;岸基接收系统把接收到的8个字节的索引码表数据组合为1个64位的整型数据;建立一个存放接收到的报文字节的数组,先接收到字节存放在索引号小的位置;跟污染量有关的数据是从索引号11开始,其中索引号11一18的元素为描述索引码表的数据,从索引号19开始的元素描述的是原始污染物数据中的非0字节;把Data[11]-Data[18]表示的索引码表数据组合为1个64位的整型数据code;
对观察对象B3形成的字节数据的首部依次添加数据包编号、机器类型、船舶油水分离器运行时间、生活污水BSD和SS含量、焚烧炉工作时间、终端号码和微生物含量等组成的描述字节,为观察对象B4;若整个字节长度为3的倍数,不需要扩充0值字节,否则根据情况,扩充1个0值字节或2个0值字节,目的是扩充后字节长度为3的倍数。
7.一种实施权利要求1所述北斗短报文的船舶实时污染监测系统的基于北斗短报文的船载嵌入式监控方法,其特征在于,所述北斗短报文的船舶实时污染监测包括:
步骤一:通过基于北斗短报文的船舶实时污染监测系统总成采集运行中的参数和工作过程实时数据;设n个传感器的方差分别为时
K—温湿修正系数;P-单位功率排气流量,时δ1 2各传感器的测量值分别为X1、X2、…Xn,彼此相互独立,各传感器的加权因子分别为W1、W2…Wn,那么加权因子引入后,系统的传感器数据融合值为:
其中
总均方差:
X1、X2、…Xn彼此相互独立,并且是X的无偏估计;
所以E[(X-Xi)(X-Xj)]=0(i≠j i,j=1,2∧n);
故σ2改写成
上式中的σ2是个加权因子Wi多元二次函数,其最小值的求取就是加权因子W1、W2…Wn满足归一化约束条件的多元函数极值的求取;
根据多元函数求极值理论,当加权因子为:
则有
步骤二:北斗短报文的船载嵌入式监控系统采集的数据通过北斗卫星导航系统传送给岸基数据处理系统;
步骤三:海事管理部门或船舶管理公司的相关人员通过岸基数据处理系统,对北斗短报文的船载嵌入式监控系统采集的数据进行监控、分析和判断,鉴别船舶污染排放是否满足公约要求。
8.如权利要求7所述的基于北斗短报文的船载嵌入式监控方法,其特征在于,所述步骤三中,采用船舶现场鉴定法、现场鉴定法、处理能力鉴定法、废气检测、工作时间鉴定法和生活污水检测方法,对北斗短报文的船载嵌入式监控系统采集的数据进行监控、分析和判断,鉴别船员是否有违规行为产生。
9.如权利要求7所述的基于北斗短报文的船载嵌入式监控方法,其特征在于,所述步骤三中,船舶现场鉴定法,具体为:
船舶所产生的污油量,如下式:
Q1=K1*A*B (1)
式(1)中:当主机使用需净化的重油时,K1=0.01;当主机使用柴油时K1=0.005;Tmin A为主机每日耗油量;B为主机运行天数;
依照上面的理论依据,推算出船舶航行期间产生的污油总量:
Q2=Q3+Q4 (2)
式(2)中:Q2为垃圾总量;Q3为已处理垃圾量;Q4为剩余垃圾量;
若式(2)不成立,表明船舶的废气排放不满足公约要求。
10.如权利要求7所述的基于北斗短报文的船载嵌入式监控方法,其特征在于,所述现场数据鉴定法,具体为:
根据监控系统采集的工作过程实时监控数据,监督船上工作人员是否按规定操作,核查船上工作人员是否向油水分离器投放污油,以及是否采用生活污水处理系统和是否排放了符合标准的气体;
所述处理能力鉴定法,具体为:
船用油水分离器处理污油量和运行时间成正比,如下式:
Q=T*C (3)
式(3)中:T为船用油水分离器运行时间;C为船用油水分离器处理能力;
Tmax为航行时,一天中船用油水分离器运行时间最长的时间;
Tmin为航行时,船用油水分离器一天中运行时间最短的时间;
Q为船用油水分离器污油处理量;
进一步,步骤三中,船舶所产生的废气检测,如下式:
NOx比排放的计算公式如下:
式中:-NOx比排放,g/(kW·h)
-NOx,体积分数,%
K—温湿修正系数;
P—单位功率排气流量,g/(kW·h)
b-油耗率g/(kW·h)
-O2体积分数
燃料燃烧生成的氮氧化物量可用下式核算:
GNOx=1.63B(β·n+10-6Vy·CNOx
式中:GNOx~燃料燃烧生成的氮氧化物(以NO2计)量(kg);
B~煤或重油消耗量(kg);
β~燃烧氮向燃料型NO的转变率(%),与燃料含氮量N有关;
普通燃烧条件下,燃油锅炉为32~40%;
n~燃料中氮的含量(%);
Vy~燃料生成的烟气量(Nm3/kg);
CNOx~温度型NO浓度(mg/Nm3),通常取93.8mg/Nm3。
PM2.5的浓度计算公式为:
式中:C——PM2.5的质量浓度,mg/m3;
W2——采样后滤膜质量,mg;
W1——采样前滤膜质量,mg;
F——换算成标准状况下的采样流量,L/min;
t——采样时间,min;
如果式(3)、以及船舶气监控装置产生的气体超标,则表明船舶的废气排放不满足公约要求;
所述步骤三中,工作时间鉴定法,具体为:
依统计规律,船用油水分离器的工作时间是在一定范围内波动,如下式:
式(4)中:为船用油水分离器航行中平均每天运行时间;
Tmax为航行时,一天中船用油水分离器运行时间最长的时间;
Tmin为航行时,船用油水分离器一天中运行时间最短的时间;
根据式(4),调取相关数据判断船员是否有违规行为产生;
所述步骤三中,船舶所产生的生活污水检测为:
通过传感器检测是否复合要求,其次,通过生活污水的滤净系统本方法能结合船舶舱底水生物识别单元判断是否有违规行为产生。
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