無人機搭載嗅探設備監(jiān)測船舶尾氣研究

李亞軍（鹽田海事局，廣東 深圳 518081）

一、引言

近年來，無人機因靈活性高、可操作性強等優(yōu)點已廣泛應用于陸地工業(yè)園區(qū)環(huán)境質量、交通運輸及道路周邊污染擴散監(jiān)測、城市低空空氣質量監(jiān)測等環(huán)保領域。目前，無人機已逐步應用于船舶大氣污染監(jiān)測方面，在船舶污染排放監(jiān)測中，無人機可以彌補定點監(jiān)測機動性不足的問題，突破水上作業(yè)的客觀條件限制，對在航船舶尾氣進行有效監(jiān)測。2017—2018年，長江沿岸地方海事部門已經在基于無人機的智能化水上作業(yè)領域做出嘗試并取得初步成效，2020年3月至5月，海事部門在長江、天津港等區(qū)域開展無人機監(jiān)測船舶尾氣應用探索，取得較好成效。2020年7月至12月，鹽田海事局聯(lián)合第三方開展無人機搭載嗅探設備監(jiān)測船舶尾氣項目（以下簡稱“項目”），項目采用了多旋翼式無人機搭載Sirius-E2專業(yè)型空氣質量及污染排放監(jiān)測傳感器，數據處理依托船舶排放快速篩查系統(tǒng)可實時反算燃油硫含量。項目使用的無人機搭載嗅探設備監(jiān)測系統(tǒng)主要由旋翼式無人機、嗅探傳感器模塊、飛行控制器、船舶排放快速篩查系統(tǒng)等組成，可通過4G網絡進行數據傳輸，并通過云平臺進行實時數據監(jiān)控。執(zhí)行監(jiān)測任務前先選取目標船，根據目標船的速度、航行方向和船舶羽流（船舶內燃機排氣差生的氣流）等信息，對無人機的飛行軌跡進行估計，對獲得的信息進行處理，確定無人機飛行計劃，進行羽流測量。同時，將監(jiān)測數據傳到船舶排放快速篩查系統(tǒng)進一步處理，處理的數據包括：根據燃料碳平衡原理計算特定氣體的排放系數、測量時間、傳感器的測量數據、燃油硫含量值（FSC）和全球定位系統(tǒng)（GPS）信息。通過無人機搭載嗅探設備監(jiān)測船舶尾氣可快速獲取燃油硫含量及相關排放因子。本文在對無人機監(jiān)測船舶尾氣項目大量數據分析的基礎上，研究無人機監(jiān)測船舶尾氣的應用，嘗試提出建立陸?？找惑w化的船舶大氣污染排放控制監(jiān)測監(jiān)管體系。

二、無人機搭載嗅探設備監(jiān)測船舶尾氣的應用分析

（一）提高執(zhí)法效率，落實船舶排放控制政策

無人機監(jiān)測船舶尾氣可以極大提高監(jiān)管效率，根據項目實施情況來看，2名執(zhí)法人員使用無人機監(jiān)測一艘船僅需要10~15分鐘，每天可監(jiān)測10~20艘次。相較以往執(zhí)法人員登輪、文書檢查、燃油取樣檢測等繁瑣流程，無人機監(jiān)測大大提高了監(jiān)管效率，同時可實現無接觸監(jiān)管。另外，無人機可實現對在航船舶進行尾氣監(jiān)測，對在港池航行船舶可以從岸基起飛監(jiān)測，對排放控制區(qū)內在航船舶可以通過海巡執(zhí)法船攜帶無人機完成尾氣監(jiān)測。因此，無人機監(jiān)測船舶尾氣可以提高執(zhí)法效率，又可以監(jiān)測在我國管轄水域內航行船舶使用燃油硫含量是否超過0.5%的排放控制標準。

（二）精準監(jiān)測船舶尾氣污染物濃度，建立船舶大氣污染物排放數據庫

建立船舶大氣污染物排放數據庫是一項基礎工作，可為海事中心業(yè)務開展提供重要數據支撐。目前，大氣污染監(jiān)測分析技術已較成熟，但是，采用嗅探監(jiān)測、光學遙感監(jiān)測等技術的岸基固定監(jiān)測點位受風速、風向的影響及距離限制，很難精準監(jiān)測，而無人機搭載嗅探設備進入煙羽監(jiān)測距離近、干擾小，具有較高的精準度。項目通過無人機監(jiān)測船舶尾氣反算燃油硫含量和調研獲取的燃油硫含量兩種方式獲取船舶燃油硫含量情況并繪制成分布直方圖（見圖1）。

圖1 不同區(qū)間硫含量船舶數量分布直方圖

可以看出船舶均呈現出以硫含量0.1%至0.5%區(qū)間為眾數的分布趨勢，驗證了無人機搭載嗅探設備監(jiān)測尾氣數據具有較高精準度。因此，通過無人機搭載嗅探設備監(jiān)測積累大量多種類污染物監(jiān)測數據，建立船舶大氣污染物排放數據庫，可以與岸基固定嗅探或光學遙感監(jiān)測技術互補，逐步完善岸基監(jiān)測技術模型，提高岸基固定監(jiān)測精準度，實現船舶硫氧化物排放精準監(jiān)測。同時，可以針對氮氧化物、碳氧化物、顆粒物、黑碳等污染物監(jiān)測需求搭載不同類型的嗅探設備，從而為未來制定此類污染物排放控制決策提供數據支撐。

（三）拓展船舶大氣立體監(jiān)測監(jiān)管網絡系統(tǒng)，構建陸海空一體化船舶大氣污染監(jiān)測監(jiān)管體系

目前依托“大鵬灣船舶大氣污染物排放控制監(jiān)測監(jiān)管試驗區(qū)”（以下簡稱“試驗區(qū)”）建設平臺，經過長期試驗選定以嗅探監(jiān)測技術為基礎的監(jiān)測方案，通過不斷優(yōu)化監(jiān)測技術模型，初步建成“船舶排放監(jiān)測監(jiān)管信息平臺”（以下簡稱“信息平臺”，信息平臺監(jiān)測界面如圖2所示）。目前信息平臺主要布設4個岸基固定監(jiān)測點位、1個航標固定監(jiān)測點位和1個船基移動監(jiān)測點位。同時，通過理論計算船舶污染物排放數據，建立基于地理信息系統(tǒng)的可視化的船舶大氣污染預警分布圖。未來無人機搭載嗅探設備監(jiān)測尾氣作為移動監(jiān)測的重要手段接入信息平臺，將進一步豐富信息平臺的監(jiān)測手段。通過岸基、船基和無人機監(jiān)測模式深度融合，充分發(fā)揮各方優(yōu)勢，形成岸基和航標固定監(jiān)測大數據初篩、船基和無人機移動監(jiān)測精篩的監(jiān)測層級，逐步構建陸?？找惑w化的船舶大氣污染監(jiān)測監(jiān)管體系。

圖2 船舶排放監(jiān)測監(jiān)管信息平臺界面

三、無人機搭載嗅探設備監(jiān)測船舶尾氣存在的問題

（一）項目監(jiān)測數據整體精度不高，單船監(jiān)測數據不穩(wěn)定

項目利用無人機對300艘船舶進行監(jiān)測，共獲取554條有效排放數據，其中硫含量最大值為0.9351%，最小值為0.013 1%，平均值為0.270 9%，超標船舶（硫含量＞0.5%）7艘次。同時，通過調研問卷形式收集了306份船舶靠泊鹽田港期間使用燃油信息，其中使用硫含量超標燃油船舶2艘（依據行政處罰結果）。2種獲取燃油硫含量信息方式的船舶分布見表1。

表1 無人機監(jiān)測船舶尾氣計算燃油硫含量和調研問卷形式獲取靠港船舶使用燃油硫含量分布情況表

通過對項目監(jiān)測數據分析發(fā)現：同一艘船舶工況下不同時間監(jiān)測數據差異較大，單船監(jiān)測數據有一定的不確定性；而且整體監(jiān)測數據呈現出使用超低硫燃油（硫含量≤0.1%）船舶尾氣監(jiān)測數據偏大，使用低硫燃油（0.1%＜硫含量≤0.5%）船舶尾氣監(jiān)測數據偏小的趨勢，可以看出監(jiān)測傳感器元件的實驗室質控維護不充分。

（二）無人機監(jiān)測使用超低硫燃油船舶尾氣數據誤差相對較大

無人機監(jiān)測船舶尾氣項目實施過程中，共采集了被監(jiān)測船舶供受油單證（BDN）硫含量信息85份。其中靠泊期間使用硫含量0.1%燃油船舶24艘，BDN平均硫含量按0.095%計算，靠泊期間使用硫含量0.5%燃油船舶61艘次，BND平均硫含量按0.475%計算。其監(jiān)測硫含量結果與BND平均硫含量對比分布圖表如下圖3、表2所示。

圖3 無人機監(jiān)測硫含量分布圖

表2 船舶使用不同等級硫含量燃油無人機監(jiān)測結果與BDN平均硫含量對比表

從無人機監(jiān)測硫含量分布圖、表可以得出，對不同硫含量等級燃油船舶的監(jiān)測結果集中區(qū)間不同，對使用硫含量0.1%的船舶監(jiān)測結果集中在0.1%~0.15%之間，對使用硫含量0.5%燃油的船舶監(jiān)測結果集中在0.25%~0.4%之間。通過監(jiān)測數據與收集的BDN數據對比，對使用不同硫含量等級燃油船舶，無人機監(jiān)測結果的偏差及趨勢變化是不同的。對使用硫含量0.1%燃油船舶的監(jiān)測值相對BDN硫含量平均值偏大42.63%，且相對離散；對使用硫含量0.5%燃油船舶的監(jiān)測值相對BDN硫含量平均值偏小34.73%，監(jiān)測值相對集中。由此可以得出，無人機監(jiān)測使用低硫燃油船舶尾氣的監(jiān)測值更加穩(wěn)定準確，但是對使用超低硫燃油船舶監(jiān)測誤差相對大。

（三）無人機無法監(jiān)測使用脫硫塔船舶尾氣數據

目前，各國對脫硫塔排放要求日益嚴格，船舶靠泊期間使用脫硫塔的比例并不高。通過對323艘國際航行集裝箱船舶進行統(tǒng)計，靠泊期間實際使用脫硫塔船舶占所有統(tǒng)計船舶的6.5%，占安裝閉式或混合式脫硫塔船舶的56.7%。項目監(jiān)測了部分靠泊期間使用脫硫塔處理后的尾氣，監(jiān)測情況如圖4所示。

圖4 無人機監(jiān)測經脫硫處理后船舶尾氣現場圖

監(jiān)測結果顯示，使用脫硫塔處理后的尾氣二氧化碳濃度結果正常，但無法監(jiān)測到二氧化硫濃度值。經核查船舶靠泊期間使用脫硫塔處理后的尾氣排放報告，監(jiān)測期間船舶尾氣排放硫碳比約0.5~0.6，相當于燃油硫含量為0.011 5%~0.013 8%，尾氣脫硫效果明顯?？梢哉J為是經過脫硫塔洗滌脫硫后尾氣中二氧化硫濃度過低，導致無人機無法捕捉到尾氣中的二氧化硫。因此，無人機監(jiān)測洗滌后船舶尾氣中低濃度氣體具有較大不穩(wěn)定性。

（四）干擾無人機監(jiān)測的因素較多

影響無人機監(jiān)測的影響因素一般分為外界因素和內部因素，外界因素包括：氣象環(huán)境、船舶負荷、航速、港區(qū)電磁干擾等，一般情況下風速船速較大、風向變化較快及船舶低負荷下會嚴重影響監(jiān)測穩(wěn)定性，船舶航行設備及港作機械有強烈的電磁干擾，也會影響無人機飛行作業(yè)安全；內部因素包括旋翼式無人機產生飛行氣流、不同污染物監(jiān)測傳感器間交叉干擾、監(jiān)測量程小等影響因素。船舶大氣監(jiān)測一般采用旋翼式無人機，旋翼式無人機懸停監(jiān)測時產生的氣流會影響船舶煙羽分布。通過實驗室對傳感器測試標定顯示，二氧化硫傳感器與二氧化氮傳感器工作時會產生交叉影響，影響監(jiān)測精度。同時，傳感器監(jiān)測量程小不能滿足較低濃度污染物的監(jiān)測要求。

（五）缺少無人機監(jiān)測船舶大氣污染物執(zhí)法工作制度規(guī)范

無人機監(jiān)測船舶大氣環(huán)境執(zhí)法工作是新型執(zhí)法模式，目前仍缺少相關制度規(guī)范，沒有制定船舶尾氣污染物限值標準，無人機在海事執(zhí)法中應用也沒有相應的操作規(guī)范，這將嚴重制約無人機搭載嗅探監(jiān)測技術在船舶大氣污染防治方面的應用。

四、相關建議及對策

（一）對關鍵監(jiān)測元件進行良好的實驗室質控維護，提高單船尾氣監(jiān)測穩(wěn)定性

尾氣監(jiān)測傳感器元件是精密器件，對尾氣污染物尤其是顆粒物具有較高敏感性，正常煙羽濃度下需定期更換煙氣抽吸濾器，一旦抽吸到黑度較大或者含大量顆粒物煙氣時會立即影響監(jiān)測精度和穩(wěn)定性。因此，需要操縱人員盡量避開短時高濃度煙羽，及時觀察監(jiān)測數據變化情況，根據收集的被監(jiān)測船舶使用燃油BDN信息定期對監(jiān)測傳感器元件進行實驗室質控維護。

（二）采取防干擾措施，開發(fā)信息平臺驗證系統(tǒng)，提高監(jiān)測精準度

在實際操縱中，影響無人機監(jiān)測因素較多，因此，一方面需要不斷改進無人機監(jiān)測設備，例如提升無人機飛行穩(wěn)定性、延長嗅探器取樣管路、減少飛行氣流對煙羽的干擾、采用防電磁干擾材料或加裝機載防電磁干擾儀器減少外部電磁影響、改進傳感器擴大監(jiān)測量程、提高臨界濃度監(jiān)測穩(wěn)定性等；另一方面依托信息平臺建立船舶大氣污染監(jiān)測數據驗證系統(tǒng)，將環(huán)境影響降至最低。信息平臺集成岸基固定、船基和無人機移動監(jiān)測等模式，通過獲取被監(jiān)測船舶BND硫含量信息和燃油樣品，將樣品快檢或送實驗室檢測獲取精確硫含量等數據錄入驗證系統(tǒng)，以此比對驗證監(jiān)測模式結果，通過大量數據比對驗證逐步完善不同監(jiān)測模式計算模型，排除干擾因素影響，提高監(jiān)測精度。

（三）制定無人機監(jiān)測船舶大氣污染物執(zhí)法工作制度規(guī)范

基于無人機在船舶大氣監(jiān)測應用的實際，應加快制定無人機監(jiān)測船舶尾氣執(zhí)法制度流程，建立執(zhí)法指南，規(guī)范現場執(zhí)法工作。制定無人機監(jiān)測船舶尾氣技術標準，應依托試驗區(qū)建設平臺，針對當前先進的大氣環(huán)境監(jiān)測技術開展實船試驗研究，根據船舶大氣監(jiān)測場景，明確技術規(guī)范要求，篩選適合船舶大氣監(jiān)測的技術并制定無人機監(jiān)測船舶尾氣技術要求，推動形成行業(yè)或國家標準。

五、結語

在當前船舶大氣污染監(jiān)測監(jiān)管工作中，構建智慧管理體系，實現遠程、在線、實時監(jiān)控是大勢所趨。無人機監(jiān)測作為一種可行、可靠的環(huán)境監(jiān)測手段，將完善陸海空一體化船舶大氣污染排放監(jiān)測監(jiān)管體系，成為船舶污染物排放控制智能管理的又一利器。