CN113804680A - 用于船闸的船舶尾气监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于船舶尾气监测技术领域，具体涉及用于船闸的船舶尾气监测方法。包括如下步骤：S1，判断船闸内的船舶是否处于静止状态，若是，则识别出船舶烟囱排气口；S2，结合船舶当前所处环境的空气流动参数确定尾气排放扩散烟羽渐变区；S3，控制尾气检测仪活动至尾气排放扩散烟羽渐变区的几何中心，以实时检测尾气烟羽浓度，并根据尾气烟羽浓度计算得到船舶的当前燃油含硫量。本发明具有能够对内河船舶的当前燃油含硫量进行有效的、全面的、自动监测的特点。
Description
技术领域
本发明属于船舶尾气监测技术领域，具体涉及用于船闸的船舶尾气监测方法。
背景技术
目前，内河船舶用燃油含硫量限制为10mg/kg，排放的SO2含量极低，仅仅为0.1-0.2ppm。现有的几种监测手段存在精度低或者操作性较差的情况，具体如下：
1.遥感监测法(包括开路式光学遥测和嗅探式)，是一种全自动远距离监测方式，基于SO2、CO2等比例扩散的模型，检测船舶尾气扩散到监测点的SO2浓度、CO2浓度并通过△SO2/△CO2比值换算得出燃油含硫量。目前该方法需要架设到桥梁上或者岸边，距离船舶排气口较远，船舶尾气浓度经过扩散稀释后，浓度低于目前的监测技术手段的检出限，无法起到有效的监测效果；
2.便携式尾气分析仪可以将取样探枪直接伸到船舶排气口测试，但是需要人工操作，耗费人力物力，效率低，做不到100％全检，仅可作为威慑手段；
3.手持式XRF测硫仪，需要人工进入船舶船舱内部的油箱取油样，然后进行检测，操作很不方便，同便携式尾气分析仪存在同样的局限性。
所以，目前缺乏对内河船舶尾气微量SO2浓度有效的、全面的、自动的监测技术手段。
因此，设计一种能够对内河船舶尾气微量SO2浓度进行有效的、全面的、自动监测的用于船闸的船舶尾气监测方法，就显得十分必要。
例如，申请号为CN202110214713.8的中国专利文献公开的一种基于船舶尾气烟羽SO2监测的前处理装置，包括：第一船舶尾气烟羽进气管路、反应前NO监测传感器、高压放电式臭氧发生器、NO与O3反应室、自适应变压控制器、反应后NO监测传感器、第二船舶尾气烟羽进气管路；虽然解决了船舶尾气烟羽SO2监测设备因船舶尾气烟羽中高浓度NO的存在导致SO2浓度测不准的难题，为基于嗅探法的内河船违规使用硫含量超过10ppm的高硫柴油的监管提供技术支撑，但上述方法的不足之处在于，由于上述方法仍基于遥感监测法中的嗅探法，因此存在距离船舶排气口较远，船舶尾气浓度经过扩散稀释后，浓度低于目前的监测技术手段的检出限，无法起到有效的监测效果的问题。
发明内容
本发明是为了克服现有技术中，目前缺乏对内河船舶尾气微量SO2浓度有效的、全面的、自动的监测技术手段的问题，提供了一种能够对内河船舶当前燃油含硫量进行有效的、全面的、自动监测的用于船闸的船舶尾气监测方法。
为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
用于船闸的船舶尾气监测方法，包括如下步骤：
S1，判断船闸内的船舶是否处于静止状态，若是，则识别出船舶烟囱排气口；
S2，结合船舶当前所处环境的空气流动参数确定尾气排放扩散烟羽渐变区；
S3，控制尾气检测仪活动至尾气排放扩散烟羽渐变区的几何中心，以实时检测尾气烟羽浓度，并根据尾气烟羽浓度计算得到船舶的当前燃油含硫量。
作为优选，步骤S2包括如下步骤：
S21，设立坐标系，计算出烟羽扩散速度的角度β：
其中，V实X为烟羽实际在X方向上的扩散速度，V实Y为烟羽实际在Y方向上的扩散速度，V排X为烟囱排放烟羽在X方向上的排放速度，V排Y为烟囱排放烟羽在Y方向上的排放速度，V风X为X方向上的风速，V风Y为Y方向上的风速；
S22，计算出待检测尾气排放扩散烟羽渐变区的几何中心坐标(X，Y)：
其中，L为检测尾气排放扩散烟羽渐变区的中心点到烟囱排气口的距离。
作为优选，设置L为不同的数值至少三次，并重复步骤S22，获得不同L值下的各个尾气排放扩散烟羽渐变区的几何中心坐标(X，Y)。
作为优选，步骤S3包括如下步骤：
S33，分别控制尾气检测仪到达获得的各个尾气排放扩散烟羽渐变区的几何中心坐标(X，Y)，在每个几何中心坐标(X，Y)下，根据尾气检测仪实时检测连续获取的多组SO2、CO2的浓度数据，以测量时间为横坐标、浓度值为纵坐标绘制SO2、CO2浓度监测曲线；
S34，将SO2、CO2浓度监测曲线的波峰、波谷相减，获得△SO2、△CO2，为船舶尾气扩散后引起的浓度变化量；然后通过公式：含硫量(％)＝△SO2÷△CO2×0.232×100％，得到每个几何中心坐标(X，Y)下船舶的燃油含硫量，并取每个几何中心坐标(X，Y)下船舶的燃油含硫量的中间值为船舶的当前燃油含硫量。
作为优选，步骤S3还包括如下步骤：
S33，根据尾气检测仪实时检测连续获取的多组SO2、CO2的浓度数据，以测量时间为横坐标、浓度值为纵坐标绘制SO2、CO2浓度监测曲线；
S34，将SO2、CO2浓度监测曲线的波峰、波谷相减，获得△SO2、△CO2，为船舶尾气扩散后引起的浓度变化量；然后通过公式：含硫量(％)＝△SO2÷△CO2×0.232×100％，得到船舶的当前燃油含硫量。
作为优选，所述步骤S1包括如下步骤：
S11，通过摄像头，实时连续拍摄停靠在船闸内的船舶的热成像和/或可见光图片；
S12，通过步骤S11中获得的实时连续的热成像和/或可见光图片，识别船舶是否处于静止状态并静止保持预设时长；
S13，若船舶处于静止状态并静止保持预设时长，则通过热成像和/或可见光图片识别出船舶烟囱排气口。
作为优选，所述尾气检测仪安装在升降杆上，所述升降杆安装在立柱上，步骤S3还包括如下步骤：
步骤S31，根据升降杆的立柱与尾气排放扩散烟羽渐变区的相对位置，计算出升降杆需要调整的近似角度α，随后控制升降杆以预设的步进速度进行下降调整。
作为优选，所述步骤S31过程中，每隔预设时长更新一次升降杆与尾气排放扩散烟羽渐变区的相对位置，并重新计算需要调整的角度α1，随后继续控制升降杆以预设的步进速度下降调整。
作为优选，步骤S3还包括以下步骤：
步骤S32，完成步骤S31后，根据最新识别的图片中尾气检测仪与尾气排放扩散烟羽渐变区几何中心的位置距离h，控制尾气检测仪向尾气排放扩散烟羽渐变区几何中心平移，所述平移采用步进式移动，每秒移动预设距离。
作为优选，所述步骤S32过程中，每隔预设时长更新一次尾气检测仪与尾气排放扩散烟羽渐变区几何中心的相对位置，重新计算需要调整的距离h1，随后继续控制尾气检测仪以每秒预设距离的步进速度移动调整。
本发明与现有技术相比，有益效果是：(1)本发明过程全自动化，无需人工干预；(2)本发明中的尾气检测仪离排气口近，能够有效避免因尾气的稀释而导致无法起到有效监测效果的问题；(3)本发明能够通过可见光及红外热成像识别技术锁定船舶排气口位置；(4)本发明配置有风速风向模块，能够实时检测当前的风速、风向并智能构建扩散模型，判断从排气口排出的尾气扩散烟羽形态；(5)本发明中通过调整升降杆高度及尾气检测仪在升降杆的位置，实现尾气检测仪纵向、横向两个维度的变化，控制尾气检测仪到达排气口最近的位置；(6)本发明采用开放式长光程测量池，无需抽气泵即可实现对尾气的检测。
附图说明
图1为本发明用于船闸的船舶尾气监测方法的一种示意图；
图2为本发明中热成像和可见光图片识别出船舶烟囱排气口的一种示意图；
图3为本发明中尾气排放扩散烟羽渐变区的一种区域示意图；
图4为本发明中升降杆下降到尾气排放扩散烟羽渐变区过程的一种结构示意图；
图5为本发明中调整尾气检测仪在升降杆上的横向位置过程的一种结构示意图；
图6为本发明中计算尾气排放扩散烟羽渐变区过程的一种示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
实施例1：
本发明提供了用于船闸的船舶尾气监测方法，包括如下步骤：
S1，判断船闸内的船舶是否处于静止状态，若是，则识别出船舶烟囱排气口；
S2，结合船舶当前所处环境的空气流动参数确定尾气排放扩散烟羽渐变区；
S3，控制尾气检测仪活动至尾气排放扩散烟羽渐变区的几何中心，以实时检测尾气烟羽浓度，并根据尾气烟羽浓度计算得到船舶的当前燃油含硫量。
具体的，如图1至图3所示，本发明方法在船闸航道岸边安装有一个立柱，立柱上有一个升降杆，升降杆升至最高点时，立在岸边，降至最低点时，升降杆水平伸入航道中；升降高度可由控制中心自动控制，升降杆上安装有尾气检测仪，尾气检测仪在升降杆上的位置可以移动，由船舶尾气监测系统主机柜控制；在岸边安装有摄像头识别设备，所述摄像头采用可见光及红外光复合摄像头，可以对船闸内处于静止状态的船舶进行图像/热斑识别，识别出排气口的位置，拍摄的船闸内处于静止状态的船舶的热成像或可见光图片，实时传输至系船舶尾气监测系统主机柜中的智能控制系统计算机，通过计算机分析收到的热成像或图片；系统配置有风速风向模块，实时检测当前的空气流动参数包括风速、风向，并智能构建扩散模型，判断从排气口排出的尾气扩散烟羽形态；然后船舶尾气监测系统主机柜控制自动控制升降杆、尾气检测仪位置，使尾气检测仪到达从排气口排放尾气稀释最小的烟羽位置(一般控制检测模块距离排气口2米以内)，进行采样检测SO2、CO2浓度并计算得到燃油含硫量；一旦检测到嫌疑超标，控制系统自动拍照留取证据并第一时间推送信息给现场执法人员。
进一步的，步骤S1包括如下步骤：
S11，通过摄像头，实时连续拍摄停靠在船闸内的船舶的热成像和/或可见光图片；
S12，通过步骤S11中获得的实时连续的热成像和/或可见光图片，识别船舶是否处于静止状态并静止保持预设时长；
S13，若船舶处于静止状态并静止保持预设时长，则通过热成像和/或可见光图片识别出船舶烟囱排气口。
步骤S1的过程中，自动控制系统以1Hz的频率持续通过热成像/可见光图片监测是否有船舶进入识别区需要检测尾气浓度；当下游区船舶驶入船闸后从低水位上升到高水位后处于静止怠速运行或者上游区船舶驶入船闸后停稳处于静止怠速运行保持5s以上时(自动控制系统通过热成像/可见光图片识别船舶是否处于静止状态)，自动控制系统启动控制检测尾气流程。
船舶停在船闸内至少5s以上，则启动尾气监测流程，但是预设时长并不局限于5s。
进一步的，如图6所示，所述尾气排放扩散烟羽渐变区的计算过程如下：
S21，设立坐标系，计算出烟羽扩散速度的角度β：
其中，V实X为烟羽实际在X方向上的扩散速度，V实Y为烟羽实际在Y方向上的扩散速度，V排X为烟囱排放烟羽在X方向上的排放速度，V排Y为烟囱排放烟羽在Y方向上的排放速度，V风X为X方向上的风速，V风Y为Y方向上的风速；
S22，计算出待检测尾气排放扩散烟羽渐变区的几何中心坐标(X，Y)：
其中，L为检测尾气排放扩散烟羽渐变区的中心点到烟囱排气口的距离。
进一步的，如图4所示，步骤S3包括如下步骤：
步骤S31，根据升降杆的立柱与尾气排放扩散烟羽渐变区的相对位置，计算出升降杆需要调整的近似角度α，随后控制升降杆以每秒5°的步进速度进行下降调整；
进一步的，为了使步骤S31的调整过程更加精确，所述步骤S31过程中，每秒更新一次升降杆与尾气排放扩散烟羽渐变区的相对位置，并重新计算需要调整的角度α1，随后继续控制升降杆以每秒5°的步进速度下降调整。
重复步骤S31过程，直至最新识别的图片中升降杆穿过尾气排放扩散烟羽渐变区的几何中心。
上述过程实现了尾气检测仪在纵向维度位置上的变化。
进一步的，如图5所示，步骤S3还包括以下步骤：
步骤S32，完成步骤S31后，根据最新识别的图片中尾气检测仪与尾气排放扩散烟羽渐变区几何中心的位置距离h，控制尾气检测仪向尾气排放扩散烟羽渐变区几何中心平移，所述平移采用步进式移动，每秒移动0.5m；
进一步的，为了使步骤S32的调整过程更加精确，所述步骤S32过程中，每秒更新一次尾气检测仪与尾气排放扩散烟羽渐变区几何中心的相对位置，重新计算需要调整的距离h1，随后继续控制尾气检测仪以每秒0.5m的步进速度移动调整。
重复步骤S32过程，直至最新识别的图片中尾气检测仪位于尾气排放扩散烟羽渐变区的几何中心。
上述过程实现了尾气检测仪在横向维度位置上的变化。
进一步的，步骤S3还包括如下步骤：
S33，根据尾气检测仪实时检测连续获取的多组SO2、CO2的浓度数据，以测量时间为横坐标、浓度值为纵坐标绘制SO2、CO2浓度监测曲线；
S34，将SO2、CO2浓度监测曲线的波峰、波谷相减，获得△SO2、△CO2，为船舶尾气扩散后引起的浓度变化量；然后通过公式：含硫量(％)＝△SO2(ppb)÷△CO2(ppm)×0.232×100％，得到船舶的当前燃油含硫量。
实施例2：
与实施例1不同之处在于，设置L为不同的数值三次，L的数值分别为1.5m、1.0m和2.0m，并重复步骤S22，获得不同L值下的各个尾气排放扩散烟羽渐变区的几何中心坐标(X，Y)。
步骤S3包括如下步骤：
S33，分别控制尾气检测仪到达获得的各个尾气排放扩散烟羽渐变区的几何中心坐标(X，Y)，在每个几何中心坐标(X，Y)下，根据尾气检测仪实时检测连续获取的多组SO2、CO2的浓度数据，以测量时间为横坐标、浓度值为纵坐标绘制SO2、CO2浓度监测曲线；
S34，将SO2、CO2浓度监测曲线的波峰、波谷相减，获得△SO2、△CO2，为船舶尾气扩散后引起的浓度变化量；然后通过公式：含硫量(％)＝△SO2(ppb)÷△CO2(ppm)×0.232×100％，得到每个几何中心坐标(X，Y)下船舶的燃油含硫量，并取每个几何中心坐标(X，Y)下船舶的燃油含硫量的中间值为船舶的当前燃油含硫量。
本实施例通过多次重复测量的方式，能够使得检测结果更加的精确。
另外，L的取值可根据实际情况进行设定，例如使不同L值下的各个尾气排放扩散烟羽渐变区的几何中心坐标(X，Y)构成三角形，再进行燃油含硫量计算，取各个坐标点下结果的平均值，获得不同检测精确的结果。
本发明过程全自动化，无需人工干预；本发明中的尾气检测仪离排气口近，能够有效避免因尾气的稀释而导致无法起到有效监测效果的问题；本发明能够通过可见光及红外热成像识别技术锁定船舶排气口位置；本发明配置有风速风向模块，能够实时检测当前的风速、风向并智能构建扩散模型，判断从排气口排出的尾气扩散烟羽形态；本发明中通过调整升降杆高度及尾气检测仪在升降杆的位置，实现尾气检测仪纵向、横向两个维度的变化，控制尾气检测仪到达排气口最近的位置；本发明采用开放式长光程测量池，无需抽气泵即可实现对尾气的检测。
以上所述仅是对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.用于船闸的船舶尾气监测方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，判断船闸内的船舶是否处于静止状态，若是，则识别出船舶烟囱排气口；
S2，结合船舶当前所处环境的空气流动参数确定尾气排放扩散烟羽渐变区；
S3，控制尾气检测仪活动至尾气排放扩散烟羽渐变区的几何中心，以实时检测尾气烟羽浓度，并根据尾气烟羽浓度计算得到船舶的当前燃油含硫量。
2.根据权利要求1所述的用于船闸的船舶尾气监测方法，其特征在于，步骤S2包括如下步骤：
S21，设立坐标系，计算出烟羽扩散速度的角度β：
其中，V实X为烟羽实际在X方向上的扩散速度，V实Y为烟羽实际在Y方向上的扩散速度，V排X为烟囱排放烟羽在X方向上的排放速度，V排Y为烟囱排放烟羽在Y方向上的排放速度，V风X为X方向上的风速，V风Y为Y方向上的风速；
S22，计算出待检测尾气排放扩散烟羽渐变区的几何中心坐标(X，Y)：
其中，L为检测尾气排放扩散烟羽渐变区的中心点到烟囱排气口的距离。
3.根据权利要求2所述的用于船闸的船舶尾气监测方法，其特征在于，设置L为不同的数值至少三次，并重复步骤S22，获得不同L值下的各个尾气排放扩散烟羽渐变区的几何中心坐标(X，Y)。
4.根据权利要求3所述的用于船闸的船舶尾气监测方法，其特征在于，步骤S3包括如下步骤：
S33，分别控制尾气检测仪到达获得的各个尾气排放扩散烟羽渐变区的几何中心坐标(X，Y)，在每个几何中心坐标(X，Y)下，根据尾气检测仪实时检测连续获取的多组SO2、CO2的浓度数据，以测量时间为横坐标、浓度值为纵坐标绘制SO2、CO2浓度监测曲线；
S34，将SO2、CO2浓度监测曲线的波峰、波谷相减，获得△SO2、△CO2，为船舶尾气扩散后引起的浓度变化量；然后通过公式：含硫量(％)＝△SO2÷△CO2×0.232×100％，得到每个几何中心坐标(X，Y)下船舶的燃油含硫量，并取每个几何中心坐标(X，Y)下船舶的燃油含硫量的中间值为船舶的当前燃油含硫量。
5.根据权利要求1所述的用于船闸的船舶尾气监测方法，其特征在于，步骤S3还包括如下步骤：
S33，根据尾气检测仪实时检测连续获取的多组SO2、CO2的浓度数据，以测量时间为横坐标、浓度值为纵坐标绘制SO2、CO2浓度监测曲线；
S34，将SO2、CO2浓度监测曲线的波峰、波谷相减，获得△SO2、△CO2，为船舶尾气扩散后引起的浓度变化量；然后通过公式：含硫量(％)＝△SO2÷△CO2×0.232×100％，得到船舶的当前燃油含硫量。
6.根据权利要求1所述的用于船闸的船舶尾气监测方法，其特征在于，所述步骤S1包括如下步骤：
S11，通过摄像头，实时连续拍摄停靠在船闸内的船舶的热成像和/或可见光图片；
S12，通过步骤S11中获得的实时连续的热成像和/或可见光图片，识别船舶是否处于静止状态并静止保持预设时长；
S13，若船舶处于静止状态并静止保持预设时长，则通过热成像和/或可见光图片识别出船舶烟囱排气口。
7.根据权利要求1或4所述的用于船闸的船舶尾气监测方法，其特征在于，所述尾气检测仪安装在升降杆上，所述升降杆安装在立柱上，步骤S3还包括如下步骤：
步骤S31，根据升降杆的立柱与尾气排放扩散烟羽渐变区的相对位置，计算出升降杆需要调整的近似角度α，随后控制升降杆以预设的步进速度进行下降调整。
8.根据权利要求7所述的用于船闸的船舶尾气监测方法，其特征在于，所述步骤S31过程中，每隔预设时长更新一次升降杆与尾气排放扩散烟羽渐变区的相对位置，并重新计算需要调整的角度α1，随后继续控制升降杆以预设的步进速度下降调整。
9.根据权利要求7所述的用于船闸的船舶尾气监测方法，其特征在于，步骤S3还包括以下步骤：
步骤S32，完成步骤S31后，根据最新识别的图片中尾气检测仪与尾气排放扩散烟羽渐变区几何中心的位置距离h，控制尾气检测仪向尾气排放扩散烟羽渐变区几何中心平移，所述平移采用步进式移动，每秒移动预设距离。
10.根据权利要求9所述的用于船闸的船舶尾气监测方法，其特征在于，所述步骤S32过程中，每隔预设时长更新一次尾气检测仪与尾气排放扩散烟羽渐变区几何中心的相对位置，重新计算需要调整的距离h1，随后继续控制尾气检测仪以每秒预设距离的步进速度移动调整。
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