CN113125682A - 浮标式区域多船船用燃料油含硫量监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种浮标式区域多船船用燃料油含硫量监测装置及方法，该装置包括：船舶废气排放浓度分析机构，用于监测区域内过往船舶排放的SO₂和CO₂的气体浓度；气象信息收集机构；船舶自动识别跟踪机构，用于收集被监测船舶的静态信息和动态信息；浮标式搭载机构，用于搭载上述检测设备。该装置和方法操作简单，仅能利用单个浮标式船舶排放监测站点，对船舶排放的SO₂和CO₂的浓度进行实时在线监测，再利用区域多船大气污染物排放监测浓度分离方法，估算区域内每条船舶的SO₂和CO₂的监测浓度，实现区域内任意船舶船用燃料油含硫量的在线估算和实时监测，为海事监管部门智能化识别区域高硫油船舶提供了一种简单、快速、高效的装置及方法。

Description

浮标式区域多船船用燃料油含硫量监测装置及方法

技术领域

本发明属于船舶领域，具体涉及一种浮标式区域多船船用燃料油含硫量监测装置及方法。

背景技术

船舶排放的大气污染物对居民身体健康和沿岸环境会造成一系列不良影响，交通运输部制定了一系列船舶大气污染物排放控制措施及政策，以控制和减少船舶排放。船舶大气污染物排放监测是保障船舶排放控制政策实施的基础，目前，主要是通过限制船用燃料油质量来控制船舶硫氧化物的排放。

公开号为CN109060014A的专利公开了一种船舶废气排放合规性判定与违规船舶识别方法及系统，该专利利用SO₂和CO₂的监测浓度和正向扩散模拟浓度，计算和对比监测的船用燃料油硫含量和模拟的理论船用燃料油硫含量，以实现船用燃料油合规性判定。但该专利仅适用于单船硫含量的监测，无法实现多船同时排放的船用燃料油含硫量监测。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种浮标式区域多船船用燃料油含硫量监测装置及方法，实现区域内任意船舶船用燃料油含硫量的在线估算和实时监测。

本发明所采用的技术方案如下：

一种浮标式区域多船船用燃料油含硫量监测装置，包括：

船舶废气排放浓度分析机构，用于收集船舶排放的大气污染物，监测区域内过往船舶排放的SO₂和CO₂的气体浓度；

气象信息收集机构，用于收集被监测船舶的气象环境数据；

船舶自动识别跟踪机构，用于收集被监测船舶的静态信息和动态信息；

浮标式搭载机构，用于搭载船舶废气排放浓度分析机构、气象信息收集机构和船舶自动识别跟踪机构。

优选地，船舶废气排放浓度分析机构包括：样气收集控制器、SO₂气体浓度监测仪和CO₂气体浓度监测仪；样气收集控制器用于收集船舶排放的大气污染物，并传输给SO₂气体浓度监测仪和CO₂气体浓度监测仪。

优选地，船舶废气排放浓度分析机构还包括气体监测传感器保护箱；SO₂气体浓度监测仪和CO₂气体浓度监测仪位于气体监测传感器保护箱内。

优选地，样气收集控制器还用于将收集的大气污染物除盐除湿。

优选地，气象环境数据包括风向、风速、温度、湿度、气压；船舶的静态信息包括船名、船舶呼号、船舶动力设备信息、船舶吨位、船长、船宽、吃水信息；船舶航行的动态信息包括航速、航向、船位信息。

优选地，浮标式搭载机构包括水上监测浮标和监测设备固定架。

一种利用上述的浮标式区域多船船用燃料油含硫量监测装置实现浮标式区域多船船用燃料油含硫量监测的方法，包括以下步骤：

S1、数据采集与预处理：

将浮标式区域多船船用燃料油含硫量监测装置布设于下风向的位置；

利用船舶废气排放浓度分析机构监测区域内过往船舶排放的SO₂和CO₂的气体浓度，利用气象信息收集机构收集被监测船舶的气象环境数据，利用船舶自动识别跟踪机构收集被监测船舶的静态信息和动态信息；

对于SO₂和CO₂的气体浓度监测数据，利用Mann-Kendall方法识别出SO₂和CO₂监测浓度的峰值时间区间，并求得SO₂和CO₂的背景浓度值；

S2、确定区域内各船舶的距离评价系数、风向与船舶和监测点形成的方位夹角评价系数及排放源强评价系数，以确定各船舶对于区域SO₂和CO₂监测浓度增量的贡献率，进而计算区域各个船舶的SO₂和CO₂的监测浓度值；

S3、基于各个船舶的SO₂和CO₂的监测浓度值，计算区域各船舶船用燃料油含硫量。

优选地，气象环境监测信息包括风向，动态信息包括区域内活动船舶的MMSI、航行时间、航行速度、船首向和船舶航行经纬度位置，静态信息包括船舶主机功率信息；并采用三次样条插值的方法使各类监测数据的时间窗口对齐。

优选地，利用峰值时间区间外的浓度监测数据求取平均值，作为SO₂和CO₂的背景浓度值。

优选地，基于船舶和监测点的距离确定船舶的距离评价系数

基于风向与船舶和监测点形成的方位夹角确定风向与船舶和监测点形成的方位夹角评价系数

基于主机功率值确定排放源强评价系数Q_n；

各个船舶的SO₂的监测浓度值计算公式如下：

式中，M_so2，n为船舶n的SO₂监测浓度，M_so2,n,ti为船舶n在ti时刻的SO₂监测浓度，其计算公式如下：

M_so2,n,ti＝M_SO2,ti×(D_ti,n×A_ti,n×Q_n)

式中，M_SO2，ti为监测装置在ti时刻的SO₂监测浓度剔除背景浓度值后的监测数据；

同理可得各个船舶的CO₂的监测浓度值M_CO2,n，区域各船舶船用燃料油含硫量计算公式如下：

式中，SFCn为船舶n的船用燃料油含硫量。

本发明的有益效果为：

1、本发明利用浮标式搭载机构搭载各个监测设备，较岸基式监测装置而言，更能近距离采集船舶排放的大气污染物样气，可有效提高气体监测精度。同时，用浮标搭载的监测设备可依据监测环境的变化方便及时的调整监测位置。

2、本发明利用区域监测装置的监测浓度，可计算区域监测范围内任意船舶的各类气体的监测浓度，并智能实时估算区域内各个船舶船用燃料油含硫量，为海事监管部门智能化遥测船用燃料油含硫量提供了一套有效的监测装置和方法，有利于船舶排放控制区政策的实施。

附图说明

图1是本发明实施例的浮标式区域多船船用燃料油含硫量监测方法示意图。

图2是本发明实施例的浮标式区域多船船用燃料油含硫量监测装置示意图。

图中：1-水上监测浮标；2-监测设备固定架；3-气体监测传感器保护箱；4-样气收集控制器；5-SO₂气体浓度监测仪；6-CO₂气体浓度监测仪；7-微型气象监测仪；8-船舶自动识别模块。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的说明：

本发明的目的在于提供一种浮标式区域多船船用燃料油含硫量监测装置及方法，该装置和方法操作简单，仅能利用单个浮标式船舶排放监测站点，对船舶排放的SO₂和CO₂的浓度进行实时在线监测，再利用区域多船大气污染物排放监测浓度分离方法，估算区域内每条船舶的SO₂和CO₂的监测浓度，实现区域内任意船舶船用燃料油含硫量的在线估算和实时监测，为海事监管部门智能化识别区域高硫油船舶提供了一种简单、快速、高效的装置及方法。

本发明实施例的船用燃料油含硫量移动监测装置，如图2所示，包括：

船舶废气排放浓度分析机构，用于远距离收集、处理、分析船舶排放的大气污染物，从而实现实时监测和分析区域内过往船舶排放的SO₂和CO₂的气体浓度；

微型气象信息收集机构，用于收集被监测船舶附近的气象环境数据，气象环境数据包括风向、风速、温度、湿度、气压；

船舶自动识别跟踪机构，用于收集周围水域的船舶静态信息和动态信息。

浮标式搭载机构，用于搭载上述监测设备，实现过往船舶排放的废气的远距离在线监测。

在本实施例中，浮标式搭载机构至少包括水上监测浮标1和各个监测设备固定架2。采用直径为10m的大型海洋监测浮标，安全性好、稳定性高、机械强度大、随波性优。

在本实施例中，船舶废气排放浓度分析机构至少包括气体监测传感器保护箱3、SO₂气体浓度监测仪5、CO₂气体浓度监测仪6、样气收集控制器4。位于监测设备固定架2内部的监测设备保护箱3，主要用来克服高湿、高温、高盐的海洋环境或克服高湿、高温的内河水域环境。位于箱体上部的样气收集控制器4用来收集和处理大气样本，通过管道将经过除盐除湿后的大气样本传输至气体浓度监测仪。位于监测设备保护箱内部的SO₂气体浓度监测仪5和CO₂气体浓度监测仪6用来分析船舶排放的SO₂和CO₂大气污染物浓度；二氧化硫检测模块采用450i型二氧化硫分析仪，量程范围为0-2000ppm，精密度为1ppb；二氧化碳检测模块采用410i型二氧化碳气体分析仪，量程范围为0-20ppm，精密度为1ppb。

在本实施例中，微型气象信息收集机构至少包括位于监测设备固定架2上部的微型气象监测仪7，在本方案中用的型号是HY-WDS5，气象信息收集机构用来收集周围的气象环境信息，包括风向、风速、温度、湿度、压强。

在本实施例中，船舶自动识别跟踪机构至少包括位于监测设备固定架内部2的船舶自动识别模块8。船舶自动识别模块8采用型号为RS35-VHF船用AIS接收机，用于实时收集周围船舶的静态信息和航行动态信息，船舶的静态信息包括船名、船舶呼号、船舶动力设备信息、船舶吨位、船长、船宽、吃水信息；船舶航行的动态信息包括航速、航向、船位信息。

本发明还提供一种采用上述浮标式区域多船船用燃料油含硫量监测装置进行区域多船船用燃料油硫含量估计方法，如图1所示，包括如下步骤：

S1、采集和处理方法所需参数。

将浮标式区域多船船用燃料油含硫量监测装置布设于靠近主航道常下风向的位置，每时刻采集一次各类基础数据信息，包括装置周围的气象环境监测信息、区域大气污染物浓度监测信息，区域船舶动态活动信息以及船舶主机功率信息。

S11、气象环境监测信息包括风向、风速、环境温度、湿度和气压，区域大气污染物浓度监测信息包括大气中二氧化硫监测浓度和大气中二氧化碳监测浓度，区域船舶动态活动信息包括区域内所有活动船舶的MMSI、航行时间、航行速度、船首向和船舶航行经纬度位置；

S12、由于各类型监测数据的数据频率不一致，为保证方法的准确性，采用三次样条插值的方法，对装置监测的气象环境监测数据、气体浓度监测数据和船舶活动数据按1s一条记录的频率进行插值处理，使各类监测数据的时间窗口对齐；

S13、对插值后的SO₂和CO₂气体浓度监测数据，采用Mann-Kendall方法，识别小时内SO₂和CO₂监测浓度的峰值时间区间，峰值范围内的时间区间监测装置受船舶排放影响显著的时间区间；

S14、为求得因为区域船舶排放导致的SO₂和CO₂的浓度增量，需要剔除区域背景浓度值，即剔除步骤S13中求得的受船舶排放影响显著的时间区间内的气体浓度监测数据，对小时内保留的其他浓度监测数据求取平均值，即为小时内SO₂和CO₂的背景浓度值。

S2、区域船舶大气污染物排放监测浓度值分配。确定区域内各船舶的距离评价系数、船舶与风向夹角评价系数及排放源强评价系数，以确定各船舶对于区域SO₂和CO₂监测浓度增量的贡献率，计算区域各个船舶的SO₂和CO₂的监测浓度值。

S21、船舶距离评价系数(

即船舶n在ti时刻的距离评价系数)的计算方法为：

首先依据船舶大气污染物排放浓度监测设备的有效监测距离，确定搜索监测装置附近的船舶，如果监测装置有效监测范围为3km，则搜索装置周围3km范围内的船舶航行数据。基于插值后的船舶动态航行数据，计算每秒船舶航行的位置与监测装置的距离，确定距离评价系数，距离计算公式如下：

其中，dt_i，n为船舶n在t_i与监测装置的距离，m；(device_lng，device_lat)为监测装置的坐标位置点，m；

为船舶n在t_i时刻所在的坐标位置，m。

依据船舶与监测装置位置的距离，可确定船舶n在t_i时刻的距离评价系数，参阅表1。

表1距离评价系数参考表

具体说明：船舶排放的废气监测浓度会受到船舶与监测装置距离的影响，因此，需要计算船舶与监测装置的实时距离

(

第n艘船舶在t_i时刻与监测站的距离)。其中，

越小，则表示第n艘船舶在t_i时刻排放的废气对于监测站点的影响越大，

越大，则表示第n艘船舶在t_i时刻排放的废气对于监测站点的影响越小。由于假设的的监测装置的气体浓度有效监测半径为0-3km，因此，当

大于3km，则第n艘船舶在t_i时刻排放的大气污染物将不会对监测装置的气体监测浓度造成影响。

S22、船舶与风向夹角评价系数

计算方法为：

以风向与船舶和监测站形成的方位夹角

作为评价影响因素。其中，当监测站位于船舶的下风向时(即

时)，船舶n在t_i时刻排放的废气会对监测装置的监测气体监测浓度产生影响；当

或

时，船舶排放的废气将不会对监测站的气体监测浓度值产生影响。

依据求得的

参考表2获取具体的船舶与风向夹角评价系数。

表2船舶与风向夹角评价系数参考表

表中，[0,1,90]表示范围为0-90度，间隔为1。

S23、排放源强评价系数(Q_n)即为对应船舶n的主机功率值，主机功率越大，则排放源强评价系数越大。

S24、依据求得的每艘船的评价系数，即可求得每艘船的气体监测浓度，计算方法为：

其中，M_so2，n为船舶n的SO₂监测浓度；M_so2,n,ti为船舶n在ti时刻的SO₂监测浓度值，具体计算方法如下式所示：

M_so2,n,ti＝M_SO2,ti×(D_ti,n×A_ti,n×Q_n)

其中，M_SO2，ti为监测装置在ti时刻的SO₂剔除背景浓度值后的监测值，即区域多船SO2排放监测浓度之和。

S25、每艘船舶CO2的监测浓度计算方法与SO₂一致。

S3、区域各船舶船用燃料油含硫量估算。即基于计算的各船舶的SO₂和CO₂的监测浓度值的比值，计算各船舶燃料油含硫量，计算方法为：

其中，SFCn为估算的船舶n的船用燃料油含硫量，％；M_SO2,n为船舶n的SO₂监测浓度值，ppb；M_CO2,n为船舶n的CO₂监测浓度值，ppm。

S4、区域使用违规燃料油船舶识别。将估算的区域内各船舶燃料油的硫含量与实际船舶燃料油硫含量限定值相比较，硫含量大于限定值的船舶即为违规高硫油船舶。

本领域的技术人员容易理解，以上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)

1.一种浮标式区域多船船用燃料油含硫量监测装置，其特征在于，包括：

船舶废气排放浓度分析机构，用于收集船舶排放的大气污染物，监测区域内过往船舶排放的SO₂和CO₂的气体浓度；

气象信息收集机构，用于收集被监测船舶的气象环境数据；

船舶自动识别跟踪机构，用于收集被监测船舶的静态信息和动态信息；

浮标式搭载机构，用于搭载船舶废气排放浓度分析机构、气象信息收集机构和船舶自动识别跟踪机构。

2.根据权利要求1所述的浮标式区域多船船用燃料油含硫量监测装置，其特征在于，船舶废气排放浓度分析机构包括：样气收集控制器、SO₂气体浓度监测仪和CO₂气体浓度监测仪；样气收集控制器用于收集船舶排放的大气污染物，并传输给SO₂气体浓度监测仪和CO₂气体浓度监测仪。

3.根据权利要求2所述的浮标式区域多船船用燃料油含硫量监测装置，其特征在于，船舶废气排放浓度分析机构还包括气体监测传感器保护箱；SO₂气体浓度监测仪和CO₂气体浓度监测仪位于气体监测传感器保护箱内。

4.根据权利要求2所述的浮标式区域多船船用燃料油含硫量监测装置，其特征在于，样气收集控制器还用于将收集的大气污染物除盐除湿。

5.根据权利要求1所述的浮标式区域多船船用燃料油含硫量监测装置，其特征在于，气象环境数据包括风向、风速、温度、湿度、气压；船舶的静态信息包括船名、船舶呼号、船舶动力设备信息、船舶吨位、船长、船宽、吃水信息；船舶航行的动态信息包括航速、航向、船位信息。

6.根据权利要求1所述的浮标式区域多船船用燃料油含硫量监测装置，其特征在于，浮标式搭载机构包括水上监测浮标和监测设备固定架。

7.一种利用权利要求1-6中任意一项所述的浮标式区域多船船用燃料油含硫量监测装置实现浮标式区域多船船用燃料油含硫量监测的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、数据采集与预处理：

将浮标式区域多船船用燃料油含硫量监测装置布设于下风向的位置；

利用船舶废气排放浓度分析机构监测区域内过往船舶排放的SO₂和CO₂的气体浓度，利用气象信息收集机构收集被监测船舶的气象环境数据，利用船舶自动识别跟踪机构收集被监测船舶的静态信息和动态信息；

对于SO₂和CO₂的气体浓度监测数据，利用Mann-Kendall方法识别出SO₂和CO₂监测浓度的峰值时间区间，并求得SO₂和CO₂的背景浓度值；

S2、确定区域内各船舶的距离评价系数、风向与船舶和监测点形成的方位夹角评价系数及排放源强评价系数，以确定各船舶对于区域SO₂和CO₂监测浓度增量的贡献率，进而计算区域各个船舶的SO₂和CO₂的监测浓度值；

S3、基于各个船舶的SO₂和CO₂的监测浓度值，计算区域各船舶船用燃料油含硫量。

8.根据权利要求7所述的浮标式区域多船船用燃料油含硫量监测方法，其特征在于，气象环境监测信息包括风向，动态信息包括区域内活动船舶的MMSI、航行时间、航行速度、船首向和船舶航行经纬度位置，静态信息包括船舶主机功率信息；并采用三次样条插值的方法使各类监测数据的时间窗口对齐。

9.根据权利要求7所述的浮标式区域多船船用燃料油含硫量监测方法，其特征在于，利用峰值时间区间外的浓度监测数据求取平均值，作为SO₂和CO₂的背景浓度值。

10.根据权利要求7所述的浮标式区域多船船用燃料油含硫量监测方法，其特征在于，基于船舶和监测点的距离确定船舶的距离评价系数

基于风向与船舶和监测点形成的方位夹角确定风向与船舶和监测点形成的方位夹角评价系数

基于主机功率值确定排放源强评价系数Q_n；

各个船舶的SO₂的监测浓度值计算公式如下：

式中，M_so2，n为船舶n的SO₂监测浓度，M_so2,n,ti为船舶n在ti时刻的SO₂监测浓度，其计算公式如下：

M_so2,n,ti＝M_SO2,ti×(D_ti,n×A_ti,n×Q_n)

式中，M_SO2，ti为监测装置在ti时刻的SO₂监测浓度剔除背景浓度值后的监测数据；

同理可得各个船舶的CO₂的监测浓度值M_CO2,n，区域各船舶船用燃料油含硫量计算公式如下：

式中，SFCn为船舶n的船用燃料油含硫量。

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