CN113125683B - 一种船用燃料油含硫量移动监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种船用燃料油含硫量移动监测装置及方法，该装置和方法操作简单，能仅利用多源传感器移动搭载平台监测的SO₂气体浓度，利用建立的船舶大气污染物排放扩散模型，对船用燃料油含硫量估计，极大程度上降低了CO₂监测浓度信息对于船用燃料油含硫量估算值精度的影响，提高了船用燃料油含硫量的估算结果的可信度；同时极大程度上节约了监测设备的投资成本，降低了技术人员的操作技能要求，可操作性强，船用燃料油含硫量估算方法自动化程度高，易于实现，为海事监管部门识别违规高硫油船舶，提供了一种智能化、高效的装置和方法。

Description

一种船用燃料油含硫量移动监测装置及方法

技术领域

本发明属于船舶领域，具体涉及一种船用燃料油含硫量移动监测装置及方法。

背景技术

船舶排放控制政策规定，进入国内排放控制区应使用硫含量不超过0.5％m/m的燃料油。因此，需要对船用燃料油硫含量进行监测，以保证船舶排放控制政策的实施。目前，已有的成果是基于SO₂和CO₂的监测浓度比值计算船用燃料油含硫量。

公开号为CN109901615A的专利公开了一种基于飞行平台的船舶排放检测方法及系统，利用无人机搭载的气体监测传感器实现船舶排放尾气浓度的采集，并计算烟羽中心的排放因子，以判断船舶排放是否合格。但是该专利并没有实现船舶燃料油的实时监测，且船舶排放烟羽的浓度具有明显的扩散性，难以与背景浓度进行分离，故该专利提出的方法难以用于实际船舶排放监测。

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。该专利利用的是SO₂和CO₂的比值进行船用燃料油含硫量的估算的，但两种气体分子质量和扩散速度具有明显的差异性，因此，该专利提出的方法还有待进一步改进。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种船用燃料油含硫量移动监测装置及方法，对船用燃料油硫含量进行监测。

本发明所采用的技术方案如下：

一种船用燃料油含硫量移动监测装置，包括：

多源传感器移动搭载平台，其上搭载有SO₂浓度分析机构、气象环境监测机构、红外测温机构；SO₂浓度分析机构用于采集SO₂的浓度信息，气象环境监测机构用于采集气象环境信息，红外测温机构用于监测船舶烟囱排放温度；

船舶信息收集机构，用于收集被监测船舶的静态信息和航行动态信息；

地面控制机构，用于操控多源传感器移动搭载平台，并接收多源传感器移动搭载平台的航行数据和多源传感器移动搭载平台采集的数据。

优选地，多源传感器移动搭载平台为无人机，无人机下部设有吊舱，SO₂浓度分析机构、气象环境监测机构和红外测温机构均设置在吊舱内。

优选地，气象环境信息包括风向、风速、温度、湿度、气压。

优选地，多源传感器移动搭载平台的航行数据包括经度、纬度、高度。

优选地，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、船舶烟囱高度、烟囱半径、烟囱数量；船舶航行动态信息包括航速、航向、船位信息。

优选地，SO₂浓度分析机构为SO₂气体浓度分析仪，气象环境监测机构为气象环境监测仪，红外测温机构为红外温度探测仪，船舶信息收集机构包括船用AIS接收机。

一种利用上述的船用燃料油含硫量移动监测装置实现船用燃料油含硫量移动监测的方法，包括以下步骤：

S1、数据采集：

船舶信息收集机构收集被监测船舶的静态信息和航行动态信息；

先利用SO₂浓度分析机构采集SO₂的背景浓度然后跟踪监测船舶烟囱排放气体，实时获取SO₂监测浓度，并确定船舶排放的有效监测时间，有效监测时间记为[t₁，t_n],t₁为SO₂监测浓度开始大于背景浓度的时间，t_n为SO₂监测浓度回落至背景浓度的时间；

至少在有效监测时间内，利用气象环境监测机构采集气象环境信息，利用红外测温机构监测船舶烟囱排放温度，同时采集多源传感器移动搭载平台的航行数据；

S2、基于船舶信息收集机构收集的信息，计算船舶在使用合规燃料油情况下的SO₂排放量理论值；

S3、基于高斯烟团扩散模型，建立移动船舶排放SO₂扩散模型；并结合SO₂排放量理论值、气象环境信息、船舶烟囱排放温度、航行数据，计算船舶在使用合规燃料油情况下，排放的SO₂扩散至多源传感器移动搭载平台航行位置的理论浓度值t_SO2；

S4、利用实时获取的SO₂监测浓度减去SO₂的背景浓度得到船舶排放的SO₂扩散至多源传感器移动搭载平台航行位置的浓度m_SO2；

S5、估算被监测船舶的船用燃料油含硫量E_FSC：

式中，t_FSC表示船用燃料油含硫量限制值。

优选地，将SO₂浓度分析机构在岸基采集到的SO₂监测浓度的平均值视为SO₂的背景浓度。

优选地，船舶在使用合规燃料油情况下的SO₂排放量理论值计算公式如下：

式中，E为船舶在使用合规燃料油情况下的SO₂排放量，P为船舶动力设备功率，j为船舶动力设备类型，m、a、b为船舶三大动力设备，分别是船舶主机、辅机和锅炉；L为船舶负荷因子，T为运行时间，F为船舶使用合规燃料油的SO₂的排放因子。

优选地，步骤S3包括：

S31、对移动船舶排放SO₂扩散模型的船舶排放特性和扩散环境场进行假设和约束；

S32、建立风向坐标系，构建以船舶航行轨迹点为坐标原点、以下风向为x轴，以横风向为y轴的风向坐标系，将多源传感器移动搭载平台的坐标从大地坐标系转换至风向坐标系；

S33、建立移动船舶排放SO₂扩散模型：

C_i(x',y',z',t_n)＝f(x',y',z',Q,u,d_w,t_i,t_n,H_s,T_s,R_s,V_s)

式中，C_i(x',y',z',t_n)是船舶在t_i时刻排放的SO₂扩散至多源传感器移动搭载平台处，在t_n时刻的质量浓度；(x',y',z')为多源传感器移动搭载平台的风向坐标，Q为船舶在使用合规燃料油情况下的SO₂排放量；u为风速；d_w为上风向；H_s为船舶烟囱高度；T_s为船舶烟囱口排放温度；R_s为船舶烟囱的直径；V_s为船舶烟囱口废气排放速率；

S34、求解船舶在有效检测时间内航行轨迹范围排放的SO₂，在t₁,t₂,t₃......t_n多个时刻，扩散至多源传感器移动搭载平台位置(x,y,z)的多组浓度值，方法如下：

多源传感器移动搭载平台所处位置(x,y,z)受船舶排放SO₂气体扩散的影响，该点在t_n时刻的SO₂质量浓度可表示为C(x,y,z,t_n)，该浓度为船舶在t₁,t₂,t₃......t_n时刻产生的n个气团对于监测点位置(x,y,z)SO₂浓度贡献的叠加。

本发明的有益效果为：本发明的船用燃料油含硫量移动监测装置及方法，仅需利用SO₂浓度监测信息，实现被监测船舶的船用燃料油含硫量估算，极大程度上降低了CO₂监测浓度信息对于船用燃料油含硫量估算值精度的影响，提高了船用燃料油含硫量的估算结果的可信度；同时极大程度上节约了监测设备的投资成本，降低了技术人员的操作技能要求，可操作性强，船用燃料油含硫量估算方法自动化程度高，易于实现。

附图说明

图1是本发明实施例的船用燃料油含硫量移动监测方法示意图。

图2是本发明实施例的无人驾驶飞机示意图。

图3是本发明实施例的岸基地面控制系统示意图。

图中：1-无人驾驶飞机，2-吊舱，3-SO₂浓度分析仪，4-微型气象环境监测仪，5-红外测温仪，6-太阳能电池板，7-岸基地面控制系统，8-船舶自动识别系统，9-手脚支架。

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船用燃料油含硫量移动监测装置及方法，该装置和方法操作简单，能仅利用移动监测平台搭载的SO₂气体监测传感器监测船舶排放的SO₂监测浓度，利用船舶大气污染物排放扩散模型，对船用燃料油含硫量估计，为海事监管部门识别违规高硫油船舶，提供了一种智能化、高效的装置和方法。

本发明实施例的船用燃料油含硫量移动监测装置，如图2和图3所示，至少包括：

多源传感器移动搭载机构，用于搭载SO₂浓度分析机构、微型气象环境信息监测机构、红外温度探测仪，从而实现移动实时跟踪监测船舶大气污染物排放。其中，SO₂浓度分析机构，用于采集、分析、处理多源传感器移动搭载平台所处大气环境的SO₂的浓度信息；微型气象环境信息监测机构，用于收集多源传感器移动搭载平台周围的气象环境信息，气象环境信息包括风向、风速、温度、湿度、气压；红外温度探测仪，用于监测船舶烟囱排放温度。

船舶信息收集机构，用于收集被监测船舶的动态航行信息、静态信息和烟囱排放温度信息。

地面控制机构，用于监控和操纵移动搭载平台，实现多源数据的管理，为地面监控和操纵平台提供太阳能电源。

在本实施例中，多源传感器移动搭载机构至少包括无人驾驶飞机1。无人驾驶飞机1用的型号是KWT-X6L-15；位于无人机下部的吊舱2，用来装载SO₂浓度分析仪3、微型气象环境监测仪4、红外测温仪5，以此保护各监测设备的安全和稳定性。SO₂浓度分析仪3、微型气象环境监测仪4、红外测温仪5也可以设置于吊舱外。

在本实施例中，SO₂浓度分析机构至少包括位于吊舱2内部的SO₂浓度分析仪3，型号是TC-8-AB型号的SO₂气体浓度分析仪，测量范围为0-200ppm，分辨率为1ppm，SO₂浓度分析机构用来实时收集周围的SO₂气体浓度信息。

在本实施例中，微型气象环境信息监测机构至少包括位于吊舱内部的微型气象环境监测仪4，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，船舶信息收集机构至少包括位于地面岸基的船舶自动识别系统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、船舶烟囱高度、烟囱半径、烟囱数量；船舶航行的动态信息包括航速、航向、船位信息。船舶自动识别系统8通过手脚支架9设置于地面岸基上。

船舶信息收集机构还用于收集吊舱内部的红外测温仪的测温数据。在本方案中，红外测温仪包括位于吊舱内部的四个方向上的红外测温仪，采用RS30-MAG32HT无线红外测温系统，测温范围为20-500℃，可探测船舶的距离范围为0-4400m，实时测量周围环境温度，并监测船舶烟囱口的排放温度。

在本实施例中，地面控制机构至少包括位于岸基的岸基地面控制系统7，用来控制无人驾驶飞机的航行轨迹及航行状态，用来接收无人驾驶飞机的航行数据，包括无人航行飞机实时的经度、纬度、高度，用来接收位于吊舱内部的SO₂浓度分析仪传输的SO₂浓度监测数据，用来接收位于吊舱内部的微型气象环境监测仪提供的无人驾驶飞机周围环境的风向、风速、温度、湿度、压强的实时监测信息，还可以用来接收位于吊舱内部的红外测温仪提供的船舶烟囱排放温度信息。太阳能电池板6为整个装置供电。

本发明还提供一种采用上述船用燃料油硫含量移动监测装置进行船用燃料油硫含量估计方法，包括如下步骤：

S1、采集参数，所述参数包括SO₂监测浓度；无人驾驶飞机的经度、纬度和高度；气象监测信息，包括风向、风速、温度、湿度、压强；被监测船舶信息，包括航速、航向、船位信息、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、船舶烟囱高度、烟囱半径、烟囱数量、烟囱口温度。

对于SO₂监测浓度信息采集，首先将无人驾驶飞机在岸基的地面控制系统的正上方100m处，悬停30s，采集的SO₂监测浓度的平均值视为SO₂的背景浓度，记为b_SO2，再基于安装在吊舱内的红外测温仪，无人机将朝着温度高的方向进行搜索飞行，由于船舶烟囱口的温度是最高的，且排放气体浓度是最大的，因此，无人机搜索温度高的区域，即可实现船舶烟囱口排放气体的跟踪监测，并可实时获取SO₂监测浓度。

根据获取的SO₂实时监测浓度，确定船舶排放的有效监测时间，有效监测时间记为[t₁，t_n],t₁为SO₂监测浓度开始大于背景浓度的时间，t_n为SO₂监测浓度回落至背景浓度的时间。

S2、基于船舶活动数据，计算船舶在使用合规燃料油情况下的SO₂排放量，即船舶使用的燃料油含硫量为政策规定的限定值。船舶SO₂排放量计算方法如下：

船舶SO₂的排放是由船舶主机、船舶辅机、船舶锅炉在运行过程中产生的SO₂排放量之和，具体如下：

其中，E为船舶在使用合规燃料油情况下的SO₂排放量，单位为g；P为船舶动力设备功率，单位为kW；j为船舶动力设备类型，m、a、b为船舶三大动力设备，分别是船舶主机、辅机和锅炉；L为船舶负荷因子，T为运行时间，单位为h；F_j为船舶使用合规燃料油的SO₂的排放因子，单位为g/(kW·h)；因此，P_m、P_a、P_b分别为主机功率、辅机功率和锅炉功率，kW；L_m、L_a、L_b分别为船舶主机、辅机和锅炉的负荷因子；T_m、T_a、T_b分别为主机、辅机和锅炉的运行时间；F_m、F_a、F_b分别为SO₂的主机排放因子、辅机排放因子和锅炉排放因子。

S3、基于高斯烟团扩散模型，建立移动船舶排放SO₂扩散模型，计算船舶在使用合规燃料油情况下，排放的SO₂扩散至无人机航行位置的理论浓度值。移动船舶排放SO₂扩散模型的构建方式如下：

S31、对移动船舶排放SO₂扩散模型中的船舶排放特性和扩散环境场进行假设和约束；

S32、建立风向坐标系，构建以船舶航行轨迹点为坐标原点、以下风向为x轴，以横风向为y轴的风向坐标系，将无人机的坐标从大地坐标系转换至风向坐标系；

S33、建立移动船舶排放SO₂扩散浓度与步骤S1采集到的参数间的函数关系，具体如下：

C_i(x',y',z',t_n)＝f(x',y',z',Q,u,d_w,T,t_i,t_n,H_s,T_s,R_s,V_s)

其中，C_i(x',y',z',t_n)是船舶在t_i时刻排放的废气，扩散至无人机(x,y,z)处的质量浓度，(x',y',z')为无人机航行坐标(x,y,z)转换为风向坐标系下的坐标，Q为船舶在使用合规燃料油情况下的SO₂排放量，g；u为风速，m；d_w为上风向；H_s为船舶烟囱高度，m；T_s为船舶烟囱口排放温度；R_s为船舶烟囱的直径，m；V_s为船舶烟囱口废气排放速率，m/s。

S34、求解船舶在有效航行轨迹范围排放的大气污染物，在t₁,t₂,t₃......t_n多个时刻，扩散至无人机位置(x,y,z)的多组浓度值，方法如下：

无人机所处位置(x,y,z)受船舶排放SO₂气体扩散的影响，该点在t_n时刻的SO₂质量浓度可表示为C(x,y,z,t_n)，该浓度为船舶在t₁,t₂,t₃......t_n时刻产生的n个气团对于监测站点位置(x,y,z)SO₂浓度贡献的叠加。

S4、船舶排放的SO₂监测浓度m_SO2计算，SO₂气体分析仪提供的SO₂气体浓度监测数据M_SO2为SO₂背景监测浓度b_SO2和船舶排放的SO₂扩散至无人机位置的浓度m_SO2之和，因此，船舶排放的SO₂监测浓度计算方法具体如下：

m_SO2＝M_SO2-b_SO2

S5、利用计算的假设船舶在使用合规含硫量燃料油情况下，排放的SO₂扩散至无人机的理论浓度值t_SO2，并基于船舶排放的SO₂监测浓度，估算被监测船舶的船用燃料油含硫量，具体如下：

其中，E_FSC为估算的被监测船舶的船用燃料油含硫量，t_FSC为政府部门规定的船用燃料油含硫量限制值。

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 (9)

1.一种利用船用燃料油含硫量移动监测装置实现的船用燃料油含硫量移动监测方法，其特征在于，所述船用燃料油含硫量移动监测装置包括：

多源传感器移动搭载平台，其上搭载有SO₂浓度分析机构、气象环境监测机构、红外测温机构；SO₂浓度分析机构用于采集SO₂的浓度信息，气象环境监测机构用于采集气象环境信息，红外测温机构用于监测船舶烟囱排放温度；

船舶信息收集机构，用于收集被监测船舶的静态信息和航行动态信息；

地面控制机构，用于操控多源传感器移动搭载平台，并接收多源传感器移动搭载平台的航行数据和多源传感器移动搭载平台采集的数据；

所述船用燃料油含硫量移动监测方法，包括以下步骤：

S1、数据采集：

船舶信息收集机构收集被监测船舶的静态信息和航行动态信息；

先利用SO₂浓度分析机构采集SO₂的背景浓度然后跟踪监测船舶烟囱排放气体，实时获取SO₂监测浓度，并确定船舶排放的有效监测时间，有效监测时间记为[t₁,t_n],t₁为SO₂监测浓度开始大于背景浓度的时间，t_n为SO₂监测浓度回落至背景浓度的时间；

至少在有效监测时间内，利用气象环境监测机构采集气象环境信息，利用红外测温机构监测船舶烟囱排放温度，同时采集多源传感器移动搭载平台的航行数据；

S2、基于船舶信息收集机构收集的信息，计算船舶在使用合规燃料油情况下的SO₂排放量理论值；

S3、基于高斯烟团扩散模型，建立移动船舶排放SO₂扩散模型；并结合SO₂排放量理论值、气象环境信息、船舶烟囱排放温度、航行数据，计算船舶在使用合规燃料油情况下，排放的SO₂扩散至多源传感器移动搭载平台航行位置的理论浓度值t_SO2；

S4、利用实时获取的SO₂监测浓度减去SO₂的背景浓度得到船舶排放的SO₂扩散至多源传感器移动搭载平台航行位置的浓度m_SO2；

S5、估算被监测船舶的船用燃料油含硫量E_FSC：

式中，t_FSC表示船用燃料油含硫量限制值。

2.根据权利要求1所述的船用燃料油含硫量移动监测方法，其特征在于，多源传感器移动搭载平台为无人机，无人机下部设有吊舱，SO₂浓度分析机构、气象环境监测机构和红外测温机构均设置在吊舱内。

3.根据权利要求1所述的船用燃料油含硫量移动监测方法，其特征在于，气象环境信息包括风向、风速、温度、湿度、气压。

4.根据权利要求1所述的船用燃料油含硫量移动监测方法，其特征在于，多源传感器移动搭载平台的航行数据包括经度、纬度、高度。

5.根据权利要求1所述的船用燃料油含硫量移动监测方法，其特征在于，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、船舶烟囱高度、烟囱半径、烟囱数量；船舶航行动态信息包括航速、航向、船位信息。

6.根据权利要求1所述的船用燃料油含硫量移动监测方法，其特征在于，SO₂浓度分析机构为SO₂气体浓度分析仪，气象环境监测机构为气象环境监测仪，红外测温机构为红外温度探测仪，船舶信息收集机构包括船用AIS接收机。

7.根据权利要求1所述的船用燃料油含硫量移动监测方法，其特征在于，将SO₂浓度分析机构在岸基采集到的SO₂监测浓度的平均值视为SO₂的背景浓度。

8.根据权利要求1所述的船用燃料油含硫量移动监测方法，其特征在于，船舶在使用合规燃料油情况下的SO₂排放量理论值计算公式如下：

式中，E为船舶在使用合规燃料油情况下的SO₂排放量，P为船舶动力设备功率，j为船舶动力设备类型，m、a、b为船舶三大动力设备，分别是船舶主机、辅机和锅炉；L为船舶负荷因子，T为运行时间，F为船舶使用合规燃料油的SO₂的排放因子。

9.根据权利要求1所述的船用燃料油含硫量移动监测方法，其特征在于，步骤S3包括：

S31、对移动船舶排放SO₂扩散模型的船舶排放特性和扩散环境场进行假设和约束；

S32、建立风向坐标系，构建以船舶航行轨迹点为坐标原点、以下风向为x轴，以横风向为y轴的风向坐标系，将多源传感器移动搭载平台的坐标从大地坐标系转换至风向坐标系；

S33、建立移动船舶排放SO₂扩散模型：

C_i(x',y',z',t_n)＝f(x',y',z',Q,u,d_w,t_i,t_n,H_s,T_s,R_s,V_s)

式中，C_i(x',y',z',t_n)是船舶在t_i时刻排放的SO₂扩散至多源传感器移动搭载平台处，在t_n时刻的质量浓度；(x',y',z')为多源传感器移动搭载平台的风向坐标，Q为船舶在使用合规燃料油情况下的SO₂排放量；u为风速；d_w为上风向；H_s为船舶烟囱高度；T_s为船舶烟囱口排放温度；R_s为船舶烟囱的直径；V_s为船舶烟囱口废气排放速率；

S34、求解船舶在有效检测时间内航行轨迹范围排放的SO₂，在t₁,t₂,t₃......t_n多个时刻，扩散至多源传感器移动搭载平台位置(x,y,z)的多组浓度值，方法如下：

多源传感器移动搭载平台所处位置(x,y,z)受船舶排放SO₂气体扩散的影响，该点在t_n时刻的SO₂质量浓度可表示为C(x,y,z,t_n)，该浓度为船舶在t₁,t₂,t₃......t_n时刻产生的n个气团对于监测点位置(x,y,z)SO₂浓度贡献的叠加。