CN111399082B - 一种适用于船舶尾气监测站的船舶尾气信号自动识别方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种适用于船舶尾气监测站的船舶尾气信号自动识别方法，包括：界定船舶尾气监测站的适宜气象条件；自动识别有效监测时段；自动计算有效监测时段中一氧化氮的背景浓度；自动识别一氧化氮浓度高于空气背景浓度的船舶尾气信号。本发明通过界定船舶尾气监测站的有效监测范围，进而对所测得的监测数据进行一系列的自动分析，可以实现对船舶尾气信号进行自动识别的目的，可以节省日常处理大量监测数据并识别船舶尾气信号所需的人力成本，提高了船舶尾气监测站运行的自动化程度，提高船舶排放控制区内船舶尾气监测监管的效率。
Description
技术领域
本发明涉及船舶尾气信号监测领域，特别是涉及一种适用于船舶尾气监测站的船舶尾气信号自动识别方法。
背景技术
船舶尾气监测站是建设在航道边或者上跨桥梁上的空气质量连续监测系统，随着我国船舶排放控制区政策和船舶尾气排放标准等的相继出台，各省市海事主管部门逐步开始在船舶航道边或者上跨桥梁上建设船舶尾气监测站，通过监测过往船舶的排放特征，从而识别违规使用高硫油行为、故意关闭尾气后处理设施行为、船舶发动机劣化现象等违规现象，为有针对性的监管提供监测数据支持。然而，船舶尾气监测站能否监测到船舶尾气受船舶吨位、距离、风速风向等影响，大多数时间监测到的大气污染物浓度是空气背景浓度，偶尔才能够监测到船舶尾气造成的大气污染物浓度先升后降的现象(此即为船舶尾气信号)。
目前，需要人工浏览日常监测数据并从中识别船舶尾气信号，人力成本较高且工作枯燥。为降低人力物力成本以及提高船舶尾气站运行的自动化程度，急需一种适用于船舶尾气监测的船舶尾气信号自动识别方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于船舶尾气监测站的船舶尾气信号自动识别方法，以解决上述现有技术存在的问题，通过编写算法，提高船舶尾气监测站运行的自动化程度，提高船舶排放控制区内船舶尾气监测监管的效率。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种适用于船舶尾气监测站的船舶尾气信号自动识别方法，包括如下内容：
S1.界定船舶尾气监测站的适宜气象条件；
S2.识别有效监测时段：将需要监测的总时长T划分为n个监测时段，每个监测时段独立测量船舶尾气信号中一氧化氮浓度数据；判断所有n个监测时段中每个监测时段的监测数据是否有效，监测数据有效的时间段判断为有效监测时段，监测数据无效的时间段判断为无效监测时段；
S3.计算有效监测时段空气中一氧化氮的背景浓度：对于步骤S2中判断为有效监测时段的监测时段，取此监测时段中监测的一氧化氮浓度数据c，将c进行中值滤波操作后得到的中值滤波结果c作为该有效监测时段内空气中一氧化氮的背景浓度；
S1.界定船舶尾气监测站的适宜气象条件；
S2.识别有效监测时段：将需要监测的总时长T划分为n个监测时段，每个监测时段独立测量船舶尾气信号中一氧化氮的浓度数据；判断所有n个监测时段中每个监测时段的监测数据是否有效，监测数据有效的时间段判断为有效监测时段，监测数据无效的时间段判断为无效监测时段；
S3.计算有效监测时段空气中一氧化氮的背景浓度：对于步骤S2中判断为有效监测时段的监测时段，取所述监测时段中监测的一氧化氮浓度数据c，将c进行中值滤波操作,得到结果c,将c作为所述有效监测时段内空气背景中一氧化氮的浓度；
S4.识别船舶尾气信号：当有效监测时段内的一氧化氮浓度高于空气背景中一氧化氮浓度时即为船舶尾气信号。
优选地,步骤S1的具体内容如下：利用定位设备定位尾气监测站的经纬度，确定所述船舶尾气监测站与其所属航道之间的相对位置关系；在特定的风向条件a下，计算所述船舶尾气监测站与其所属航道边界之间的距离d，其中0≤a≤360；利用公式v＝d/300计算待监测的船舶的尾气在5分钟内扩散d距离所需的风速，进而制定所述船舶尾气监测站特定风向a与最低风速要求va之间关系的适宜气象条件二维表。
优选地,步骤S2的具体内容如下：将需要监测的总时长T划分为n个等间隔的监测时段(t0,t1]，(t1,t2]，...,(tn-1,tn]的集合，对于监测时段(ti,ti+1],0≤i≤n-1，取所述监测时段(ti,ti+1]中任一时刻t的前5分钟内风速v的平均值
和特定风向a的平均值
根据
查询步骤S1中的适宜气象条件二维表，得到特定风向条件
对应的最低风速要求va，如果
则时刻t的监测数据有效且时刻t所属的监测时段(ti,ti+1]为有效监测时段，如果
则时刻t的监测数据无效且时刻t所属的监测时段(ti,ti+1]为无效监测时段，其中ti＜t≤ti+1。
优选地,步骤S3的具体内容如下：提取所述有效监测时段内任一时刻t1前后各10分钟内的所有一氧化氮浓度数据集合，将所述一氧化氮浓度数据集合内的所有数据按数值大小排序，将排序结果中处于中间的一氧化氮浓度作为所述t时刻的中值滤波结果c作为所述有效监测时段内船舶尾气监测站周边空气中一氧化氮的背景浓度。
优选地,步骤S4的具体内容如下：计算步骤S3中所述有效监测时段中一氧化氮浓度数据c和所述中值滤波结果c的差值Δc＝c-c；设定阈值Th，如果Δc小于Th，则判定所述某一时刻测得的一氧化氮浓度与背景浓度无明显变化；如果Δc大于Th，则判定所述有效监测时段测得的一氧化氮浓度与背景浓度变化明显，是船舶尾气信号；在Δc大于Th时，进一步提取所述有效监测时段前后各N个共计2N+1个监测时段的监测结果，如果所述2N+1个监测时段都判定为有效监测时段，则视为同一个船舶尾气信号，否则视为不同船舶的尾气信号。
优选地，所述N值的大小根据步骤S2中每个监测时段的时长而定，即所述N值大小根据t间隔＝t1-t0而定。
本发明公开了以下技术效果：本发明通过界定船舶尾气监测站的有效监测范围，进而对所测得的监测数据进行一系列的自动分析，可以实现对船舶尾气信号进行自动识别的目的，可以节省日常处理大量监测数据并识别船舶尾气信号所需的人力成本，提高了船舶尾气监测站运行的自动化程度，提高船舶排放控制区内船舶尾气监测监管的效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明适用于船舶尾气监测站的船舶尾气信号自动识别方法流程图；
图2为本发明实施例的船舶尾气监测站与航道间的位置关系示意图；
图3为本发明实施例在2019年11月30日的风玫瑰图和有效监测时段；
图4为本实施例的船舶尾气信号自动识别结果图。
其中，图1中，1为船舶尾气监测站，2为航道，3为浅滩。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
下面首先对为何以一氧化氮气体作为对船舶尾气信号进行监测的示踪物进行说明。
船舶尾气监测站是建设在航道边或者上跨桥梁上的空气质量连续监测系统，该空气质量连续监测系统是基于嗅探法的船舶大气排放遥测技术。当没有船舶经过时，监测结果代表其周边的大气污染物本底值，一旦当有船舶经过时，由于船舶尾气监测站距离船舶较近，船舶尾气会扩散至船舶尾气监测站，进而造成大气污染物浓度出现先升后降的波动，此即为船舶尾气信号。根据物料平衡原理(尾气中各污染物浓度的比值与燃油中对应各元素的比例一致)，可以用浓度变化信号反推燃油硫含量和单位燃油的硫氧化物、氮氧化物的排放情况，监测船舶尾气排放的指标数据，达到不登船监测的目的，提前筛选出嫌疑目标，让船舶大气污染防治检查更具针对性。
船舶尾气监测站监测指标至少应包括风速风向、大气污染物浓度(至少包括一氧化氮的浓度)。船舶排放的尾气5分钟后就会完全融入到空气背景中去，所以默认船舶尾气扩散时间最长不超过5分钟。因此，如果需要监测的船舶距离船舶尾气监测站很远，即便其位于上风向，船舶尾气监测站也无法感应到船舶尾气的存在，即监测到的大气污染物浓度未发生明显变化。本实施例选择一氧化氮作为船舶尾气示踪物，是因为大气污染物中一氧化氮十分活跃，基本上，燃烧产生一氧化氮后，其会一直和空气中的氧气发生化学反应，从而所产生的一氧化氮会很快消失。所以，除了距离较近的船舶外，远距离的其它燃烧污染源产生的一氧化氮不容易对船舶尾气监测结果产生干扰。所以本发明以一氧化氮气体作为对船舶尾气信号进行监测的示踪物。
本发明提供一种适用于船舶尾气监测站的船舶尾气信号自动识别方法，下面结合附图1-4并以重庆市江北区鱼嘴镇已经建成的船舶尾气监测站的船舶尾气信号监测为例进行说明。
S1.界定船舶尾气监测站的适宜气象条件，制定所述船舶尾气监测站特定风向a与对应的最低风速要求va之间关系的的适宜气象条件二维表，具体内容如下：
图1为本发明适用于船舶尾气监测站的船舶尾气信号自动识别方法流程图，首先需要界定船舶尾气监测站1的适宜气象条件，利用GP测量仪定位其经纬度，经过测量，其经纬度分别为29度36.548分和106度45.442分,3为航道2附近的浅滩。经过查阅该船舶尾气监测站1所属区域的电子航道图，可知该船舶尾气监测站1呈东西向，并且位于其所属航道2南侧的岸边，距离此航道2南侧边界最近距离为da为211米。船舶尾气监测站1在监测船舶尾气信号时，其距离需要监测的船舶越远，则需要越大的风才能将需要监测的船舶排放的尾气刮到该监测站，则该监测站在运行时需要一个最低风速，才能确保所监测的船舶排放的尾气扩散到该监测站处，根据经验，此最低风速规定为Vmin＝0.7米/秒，然而如果风速过大，会将需要监测的船舶尾气迅速稀释到空气背景中，即便有尾气扩散至该监测站处，此尾气信号也无意义，所以最大风速要求为Vmax＝10米/秒。在剔除了不满足风速要求的数据后，该船舶尾气监测站1的适宜风向为0～85度和275～359度，具体内容如下表1所示：
表1.本实施例的适宜气象条件二维表
步骤S2.识别有效监测时段
将需要监测的总时长T划分为n个等间隔的监测时段(t0,t1]，(t1,t2]，...,(tn-1,tn]的集合，对于监测时段(ti,ti+1],0≤i≤n-1，取所述监测时段(ti,ti+1]中任一时刻t的前5分钟内风速v的平均值
和特定风向a的平均值
根据
查询步骤S1中的适宜气象条件二维表，得到特定风向条件
对应的最低风速要求va，如果
则时刻t的监测数据有效且时刻t所属的监测时段(ti,ti+1]为有效监测时段，如果
则时刻t的监测数据无效且时刻t所属的监测时段(ti,ti+1]为无效监测时段，其中ti＜t≤ti+1。
船舶尾气监测站要对每天经过的船舶尾气信号进行监测，需要监测24小时内的数据，然后进行事后统计，本实施例中先将一天24小时的总时长离散化，每隔10秒钟测量一次数据，这样一天24小时的时间可以分成许多具体时间段的集合，即(0s,10s),(10s，20s],(20s，30s],…,(86380s，86390s],(86390s，86400s]共计8640个时间段的集合，每个时间段时间长度为10秒。然后由计算机分别判断每个监测时段是否为有效监测时段，由于此实施例要求计算监测时段(ti,ti+1]中任一时刻t的前5分钟内风速v的平均值
和特定风向a的平均值
而采样监测时长为10秒钟，所以存在部分采样监测时段不存在各监测时段前5分钟的监测数据，对于这些采样监测时段，本领域技术人员此时根据需要可做适应性处理，比如将5分钟的要求设定为10秒钟、20秒钟等数据，而且这些监测时段所占比例几乎可以忽略不计，不影响全局过程中的监测过程。
本实施例利用2019年11月30日的监测数据，制作了如图3所示的当天的风速风向图和风频图。根据自动识别结果，以及与适宜气象条件二维表对照，发现风向在10～50度之间的时段里风速满足最低风速的要求。有效监测时段的总时长为6小时52分05秒。
S3.计算有效监测时段空气中一氧化氮的背景浓度
提取所述有效监测时段内任一时刻前后各10分钟内的所有一氧化氮浓度数据集合，将所述一氧化氮浓度数据集合内的所有数据按数值大小排序，将排序结果中处于中间的一氧化氮浓度作为所述t时刻的中值滤波结果作为所述有效监测时段内船舶尾气监测站周边空气中一氧化氮的背景浓度。此步骤中同样存在有部分监测时段不存在前10分钟监测数据或后10分钟监测数据，对于这些监测时段本领域技术人员可将此处的10分钟要求做适应性处理，而且这些监测时段所占比例几乎可以忽略不计，不影响全局过程中的监测过程。
S4.自动识别一氧化氮浓度明显高于背景浓度的船舶尾气信号
计算步骤S3中所述有效监测时段中一氧化氮浓度数据c和所述中值滤波结果c的差值Δc＝c-c；设定阈值Th，如果Δc小于Th，则判定所述某一时刻测得的一氧化氮浓度与背景浓度无明显变化；如果Δc大于Th，则判定所述有效监测时段测得的一氧化氮浓度与背景浓度变化明显，是船舶尾气信号；在Δc大于Th时，进一步提取所述有效监测时段前后各N个共计2N+1个监测时段的监测结果，如果所述2N+1个监测时段都判定为有效监测时段，则视为同一个船舶尾气信号，否则视为不同船舶的尾气信号。
设定NO的变化阈值为5ppb，以2019年11月30日上午9时至11时的NO浓度曲线为例，如图4所示，自动识别到NO涨幅超过5ppb的波峰8个，代表了监测到8艘船舶的尾气。
本发明通过界定船舶尾气监测站的有效监测范围，进而对所测得的监测数据进行一系列的自动分析，可以实现对船舶尾气信号进行自动识别的目的，可以节省日常处理大量监测数据并识别船舶尾气信号所需的人力成本，提高了船舶尾气监测站运行的自动化程度，提高船舶排放控制区内船舶尾气监测监管的效率。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (6)
1.一种适用于船舶尾气监测站的船舶尾气信号自动识别方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.根据监测站和航道之间的相对位置关系、特定风向和最低风速界定船舶尾气监测站的适宜气象条件；
S2.识别有效监测时段：将需要监测的总时长T划分为n个监测时段，每个监测时段独立测量船舶尾气信号中一氧化氮的浓度数据；根据平均风速、特定风向平均值，得到特定风向条件对应的最低风速要求，判断所有n个监测时段中每个监测时段的监测数据是否有效，监测数据有效的时间段判断为有效监测时段，监测数据无效的时间段判断为无效监测时段；
S3.计算有效监测时段空气中一氧化氮的背景浓度：对于步骤S2中判断为有效监测时段的监测时段，取所述监测时段中监测的一氧化氮浓度数据c，将c进行中值滤波操作,得到结果c,将c作为所述有效监测时段内空气背景中一氧化氮的浓度；
S4.识别船舶尾气信号：当有效监测时段内的一氧化氮浓度高于空气背景中一氧化氮浓度时即为船舶尾气信号。
2.根据权利要求1所述的适用于船舶尾气监测站的船舶尾气信号自动识别方法，其特征在于，步骤S1的具体内容如下：
利用定位设备定位尾气监测站的经纬度，确定所述船舶尾气监测站与其所属航道之间的相对位置关系；在特定的风向条件a下，计算所述船舶尾气监测站与其所属航道边界之间的距离d，其中0≤a≤360；利用公式v＝d/300计算待监测的船舶的尾气在5分钟内扩散d距离所需的风速，进而制定所述船舶尾气监测站特定风向a与最低风速要求Va之间关系的适宜气象条件二维表。
3.根据权利要求2所述的适用于船舶尾气监测站的船舶尾气信号自动识别方法，其特征在于，步骤S2的具体内容如下：
将需要监测的总时长T划分为n个等间隔的监测时段(t0,t1]，(t1,t2]，...,(tn-1,tn]的集合，对于监测时段(ti,ti+1],0≤i≤n-1，取所述监测时段(ti,ti+1]中任一时刻t的前5分钟内风速v的平均值
和特定风向a的平均值
根据
查询步骤S1中的适宜气象条件二维表，得到特定风向条件
对应的最低风速要求Va，如果
则时刻t的监测数据有效且时刻t所属的监测时段(ti,ti+1]为有效监测时段，如果
则时刻t的监测数据无效且时刻t所属的监测时段(ti,ti+1]为无效监测时段，其中ti＜t≤ti+1。
4.根据权利要求1所述的适用于船舶尾气监测站的船舶尾气信号自动识别方法，其特征在于，步骤S3的具体内容如下：
提取所述有效监测时段内任一时刻t1前后各10分钟内的所有一氧化氮浓度数据集合，将所述一氧化氮浓度数据集合内的所有数据按数值大小排序，将排序结果中处于中间的一氧化氮浓度作为所述t1时刻的中值滤波结果c作为所述有效监测时段内船舶尾气监测站周边空气中一氧化氮的背景浓度。
5.根据权利要求1所述的适用于船舶尾气监测站的船舶尾气信号自动识别方法，其特征在于，步骤S4的具体内容如下：计算步骤S3中所述有效监测时段中一氧化氮浓度数据c和所述中值滤波结果c的差值Δc＝c-c；设定阈值Th，如果Δc小于Th，则判定所述有效监测时段测得的一氧化氮浓度与背景浓度无明显变化；如果Δc大于Th，则判定所述有效监测时段测得的一氧化氮浓度与背景浓度变化明显，是船舶尾气信号；在Δc大于Th时，进一步提取所述有效监测时段前后各N个共计2N+1个监测时段的监测结果，如果所述2N+1个监测时段都判定为有效监测时段，则视为同一个船舶尾气信号，否则视为不同船舶的尾气信号。
6.根据权利要求5所述的适用于船舶尾气监测站的船舶尾气信号自动识别方法，其特征在于，所述N值的大小根据步骤S2中每个监测时段的时长而定，即所述N值大小根据t间隔＝t1-t0而定。
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