基于無(wú)人機(jī)的船舶尾氣智能檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

卓宏明 苗炳迪 徐鵬

摘 要：針對(duì)目前船舶尾氣檢測(cè)周期長(zhǎng)、時(shí)效性差且效率低的問(wèn)題，文章設(shè)計(jì)了一種采用船舶尾氣遙感檢測(cè)技術(shù)，利用無(wú)人機(jī)掛載氣體檢測(cè)設(shè)備，進(jìn)行船舶尾氣快速智能檢測(cè)的系統(tǒng)。通過(guò)尾氣中硫化物的含量，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)修正的反演算法間接檢測(cè)出燃料油中的硫含量范圍，從而提高了海事監(jiān)管部門(mén)在船舶排放控制區(qū)監(jiān)管的針對(duì)性和有效性，具有很好的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī);船舶尾氣;檢測(cè)系統(tǒng);神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);物聯(lián)網(wǎng)

0 引言

隨著全球航運(yùn)市場(chǎng)高速發(fā)展，以及全球?qū)τ诃h(huán)保的重視，船舶柴油機(jī)尾氣對(duì)大氣的污染問(wèn)題也越來(lái)越引起關(guān)注，各國(guó)都開(kāi)展了船舶大氣污染控制和監(jiān)管。我國(guó)也出臺(tái)了相應(yīng)的相關(guān)文件法規(guī)，如《中華人民共和國(guó)大氣污染防治法》《船舶大氣污染物排放控制區(qū)實(shí)施方案》等，以降低船舶尾氣大氣污染，保衛(wèi)藍(lán)天;另外國(guó)際海事組織出臺(tái)《國(guó)際防止船舶造成污染公約》，規(guī)定2020年1月1日起將實(shí)施0.5%的全球限硫令[1]。

目前，各船東采用換低硫油以及使用清潔能源、尾氣后處理等替代措施來(lái)滿(mǎn)足要求，相應(yīng)海事監(jiān)管部門(mén)對(duì)于船舶尾氣排放的監(jiān)管執(zhí)法檢查要求也越來(lái)越高。目前海事監(jiān)管對(duì)船舶尾氣的監(jiān)管主要采用隨機(jī)抽查或者人為觀察船舶尾氣排放是否有黑煙，然后登船查驗(yàn)證書(shū)，再進(jìn)行燃油抽樣送第三方檢驗(yàn)，一般需要3天以上，周期長(zhǎng)、時(shí)效性差，且該方法隨機(jī)檢查存在一定盲目性，并且針對(duì)性、效率相對(duì)較低[2-4]。

1? ? 船舶尾氣檢測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體方案

無(wú)人機(jī)的船舶尾氣智能檢測(cè)系統(tǒng)是利用無(wú)人機(jī)裝載氣體檢測(cè)設(shè)備，多角度實(shí)時(shí)采集船舶尾氣各污染物氣體濃度值，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)云端，各移動(dòng)終端可實(shí)時(shí)顯示尾氣濃度，并通過(guò)物料平衡原理反演算法間接檢測(cè)出燃料油中的硫含量范圍。另外也可用于大氣環(huán)境質(zhì)量檢測(cè)。污染物氣體檢測(cè)部分模塊化設(shè)計(jì)，同時(shí)安裝有多個(gè)氣體傳感器，還可根據(jù)用戶(hù)需要更換氣體傳感器檢測(cè)不同的氣體濃度。無(wú)人機(jī)船舶尾氣智能檢測(cè)系統(tǒng)主要由船舶尾氣智能檢測(cè)無(wú)人機(jī)、MQTT云平臺(tái)、AIS基站、地面站、移動(dòng)終端、遠(yuǎn)程監(jiān)控中心等組成，如圖1—2所示。

船舶尾氣智能檢測(cè)無(wú)人機(jī)根據(jù)MQTT物聯(lián)網(wǎng)云端獲得由AIS基站發(fā)送的船舶信息，飛到待檢測(cè)船舶后方，衛(wèi)星定位模塊可以了解無(wú)人機(jī)的位置，通過(guò)無(wú)人機(jī)掛載的熱成像模塊搜索確定船舶煙囪位置，風(fēng)速風(fēng)向檢測(cè)模塊和激光測(cè)距模塊使無(wú)人機(jī)處于船舶尾氣下風(fēng)區(qū)煙云中并且保持相對(duì)固定的距離，氣泵工作，使集氣管產(chǎn)生負(fù)壓將船舶尾氣吸入，尾氣通過(guò)氣體采樣接口經(jīng)除濕過(guò)濾處理后，進(jìn)入氣體傳感器組進(jìn)行濃度檢測(cè)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)云端，各移動(dòng)終端可實(shí)時(shí)顯示尾氣濃度，并通過(guò)物料平衡原理反演算法間接檢測(cè)出燃料油中的硫含量范圍，從而幫助監(jiān)管機(jī)構(gòu)完成遠(yuǎn)程、快速、準(zhǔn)確的初步篩查工作。

1.2 船舶尾氣智能檢測(cè)無(wú)人機(jī)

船舶尾氣智能檢測(cè)無(wú)人機(jī)主要由六軸無(wú)人機(jī)平臺(tái)，槳葉防護(hù)罩、風(fēng)速風(fēng)向檢測(cè)模塊、熱成像模塊、激光測(cè)距模塊、氣體傳感器組、氣體采集模塊（尾氣冷卻采集管、除濕過(guò)濾模塊、氣泵）等組成，具體船舶尾氣智能檢測(cè)無(wú)人機(jī)如圖3所示。

在通用的工業(yè)六軸無(wú)人機(jī)平臺(tái)上加裝紅外熱成像相機(jī)模塊可確定船舶尾氣煙囪排放口位置，激光測(cè)距模塊可獲得當(dāng)前無(wú)人機(jī)與船舶的相對(duì)距離，風(fēng)速風(fēng)向檢測(cè)模塊可以獲得當(dāng)前的風(fēng)速風(fēng)向從而獲得船舶尾氣的下風(fēng)區(qū)，通過(guò)熱成像及激光測(cè)距模塊和風(fēng)速風(fēng)向檢測(cè)模塊等共同作用、采用多傳感器融合技術(shù)，就可以使得檢測(cè)無(wú)人機(jī)處于船舶尾氣下風(fēng)區(qū)煙云中，并且保持固定的相對(duì)距離，主動(dòng)追蹤和近距離接觸船舶尾氣，提高船舶尾氣檢測(cè)精度。

1.3 傳感器采集組模塊設(shè)計(jì)

傳感器采集組模塊主要由電源模塊、MCU主控、氣泵、各種傳感器、數(shù)傳電臺(tái)、GPRS或4G通訊模塊、GPS定位模塊組成如圖4所示。

1.4 傳感器采集組模塊設(shè)計(jì)

為了提高氣體污染物檢測(cè)的精度，降低船舶尾氣高溫及濕度造成的影響，設(shè)計(jì)了如下圖5所示的氣路結(jié)構(gòu)。氣體通過(guò)氣泵產(chǎn)生的負(fù)壓，吸入船舶尾氣，經(jīng)過(guò)冷卻管冷卻后再通過(guò)氣體采樣接口，經(jīng)除濕過(guò)濾處理后，進(jìn)入各氣體傳感器進(jìn)行濃度檢測(cè)，氣體再通過(guò)出氣口，排出氣體。

2? ? 船舶尾氣檢測(cè)反演算法

2.1 反演算法設(shè)計(jì)

船舶尾氣檢測(cè)可獲得各種污染物的數(shù)據(jù)指標(biāo)，但目前海事部門(mén)執(zhí)法依據(jù)文件采用的是燃油含硫量指標(biāo)，控制區(qū)含硫量≤0.5%，（m/m），因此還需要將船舶尾氣氣體污染物數(shù)據(jù)根據(jù)物料平衡原理，反推燃油中含硫量指標(biāo)范圍的船舶尾氣檢測(cè)反演算法。首先，根據(jù)國(guó)際海事組織海洋環(huán)境保護(hù)委員會(huì)MEPC.259（68）通則“船舶尾氣凈化系統(tǒng)指導(dǎo)手冊(cè)”，尾氣中SO2（ppm）和CO2（% v/v）的比率，可以等效為燃油的含硫量[5]，如表1所示。

比例越高燃油含硫量就越高。對(duì)含硫量指標(biāo)范圍進(jìn)行初步確定。然后，根據(jù)物料平衡原理（尾氣中各污染物濃度的比值與燃油中對(duì)應(yīng)各元素的比例一致），可以根據(jù)濃度變化信號(hào)反推燃油硫含量和單位燃油的硫氧化物、氮氧化物的排放情況。再結(jié)合實(shí)船燃燒試驗(yàn)建立樣本數(shù)據(jù)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行擬合修正。實(shí)船燃燒試驗(yàn)，檢測(cè)尾氣污染物及對(duì)應(yīng)燃油含硫量指標(biāo)建立樣本數(shù)據(jù)，用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)修正，輸入層為船舶尾氣中主要的氣體污染物和顆粒物濃度，輸出層為燃油含硫量指標(biāo)，中間為多個(gè)隱含層，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖6所示。最后，海事監(jiān)管部門(mén)每次含硫量抽檢后將不斷擴(kuò)大樣本數(shù)據(jù)，從而使得預(yù)測(cè)精度即根據(jù)船舶尾氣推測(cè)燃油含硫量指標(biāo)的反演算法更加精確。

3? ? 基于MQTT協(xié)議的船舶尾氣檢測(cè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)搭建

整個(gè)物聯(lián)系統(tǒng)共由4部分組成：物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備端、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備云平臺(tái)端、物聯(lián)網(wǎng)后臺(tái)服務(wù)器和用戶(hù)端。整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)如圖7所示。功能主要包括數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)的上傳、云命令的接收與處理。傳感器模塊實(shí)時(shí)采集各種氣體傳感數(shù)據(jù)，采用具有穩(wěn)定、高效、節(jié)省流量等優(yōu)勢(shì)的MQTT協(xié)議[6]，實(shí)時(shí)將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS或4G模塊上報(bào)給物聯(lián)網(wǎng)云端，另外還可以實(shí)時(shí)接收云端下達(dá)的命令并處理，硬件平臺(tái)采用Arduino。

基于MQTT協(xié)議的服務(wù)器，MQTT非常適合用于物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境，客戶(hù)端非常簡(jiǎn)單，幾乎在所有平臺(tái)均有可用的代碼，并且數(shù)據(jù)通過(guò)MQTT服務(wù)器實(shí)現(xiàn)M2M消息傳遞。服務(wù)端基于spring-cloud微服務(wù)框架，主要提供服務(wù)發(fā)現(xiàn)，用戶(hù)管理，權(quán)限管理，設(shè)備管理，MQTT節(jié)點(diǎn)管理等管理功能。擬采用國(guó)產(chǎn)開(kāi)源MQTT服務(wù)器軟件EMQTT來(lái)搭建高性能的MQTT服務(wù)器云平臺(tái)。主要功能模塊包括：數(shù)據(jù)接收處理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、警報(bào)管理、觸發(fā)器管理、設(shè)備管理、遠(yuǎn)程下發(fā)命令、用戶(hù)管理等。通信系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)尾氣遙感檢測(cè)模塊與云端，云端與地面站、各移動(dòng)終端、監(jiān)控中心的通訊連接。

4 ? 結(jié)語(yǔ)

無(wú)人機(jī)的船舶尾氣檢測(cè)系統(tǒng)，解決了目前對(duì)船舶尾氣檢測(cè)周期長(zhǎng)、時(shí)效性差且效率低的問(wèn)題。設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程控制裝置，機(jī)身上安裝有用于收集船舶尾氣的集氣管，集氣管依次連接除濕器、氣體傳感器組以及氣泵，機(jī)身上安裝有定位模塊以及熱成像模塊。無(wú)人機(jī)飛到待檢測(cè)船舶后方，定位模塊可以了解無(wú)人機(jī)的位置，通過(guò)熱成像模塊搜索確定船舶煙囪位置，氣泵工作，使集氣管產(chǎn)生負(fù)壓將船舶尾氣吸入，尾氣經(jīng)除濕過(guò)濾處理后，進(jìn)入氣體傳感器組進(jìn)行濃度檢測(cè)，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)云端，各移動(dòng)終端可實(shí)時(shí)顯示尾氣濃度，并通過(guò)物料平衡原理反演算法間接檢測(cè)出燃料油中的硫含量范圍;從而幫助監(jiān)管機(jī)構(gòu)遠(yuǎn)程、快速、準(zhǔn)確地完成初步篩查工作。

[參考文獻(xiàn)]

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（編輯 姚 鑫）