在航船舶尾气无人机遥测技术研究与应用

邓孟涛，谢 昕，蒋 智，胡健波，彭士涛，段鑫越

（1.交通运输部天津水运工程科学研究院，天津 300456；2.上海海事局，上海 200086；3.宝山海事局，上海 201999）

一、引言

船舶尾气排放污染已成为大气污染的重要来源之一，严重影响沿海沿江居民的身体健康，因此，对于船舶尾气排放的监管已经刻不容缓。2019年10月，《2020年全球船用燃油限硫令实施方案》正式发布，决定自2020年1月1日起在全球范围内实施船用燃油硫含量不超过0．5% m/m的规定。欧美发达国家率先设置执行标准更严格的大气污染物船舶排放控制区（ECA），自2015年开始，要求进入排放控制区的船舶使用硫含量不超过0．1%的燃油或者采取其他等同效果的措施。

相比欧美发达国家，2018年11月30日，我国交通运输部发布了《关于印发船舶大气污染物排放控制区实施方案的通知》（交海发〔2018〕168号)，在船舶尾气硫氧化物排放管控方面，提出“2019年1月1日起，海船进入排放控制区，应使用硫含量不大于0．5% m/m 的船用燃油”。然而，针对水上航行船舶这一移动空气污染源，传统的直接登船检查方式存在登船难度大、监测效率低、抽检比例低三大问题。仅通过少量随机抽查的方式无法满足监管需要，且成本投入巨大，不利于船舶大气污染物减排目标的实现。为助力船舶大气污染物排放控制区有效实施，有必要开展在航船舶尾气超标排放监测监管装备及系统研发，提出不登船、高效的船舶尾气排放检查新模式和新手段。

针对我国排放控制区的要求以及目前监管手段方面存在的问题，本文对在航船舶尾气无人机遥测技术进行研究与应用分析，研究了小型无人机机载平台的船舶尾气嗅探传感器，并在排放控制区进行了实验测试，证明该技术是一种成本低、响应速度快、覆盖范围广的船舶燃油硫含量监管手段，充分验证了基于嗅探法的船舶尾气遥测无人机技术的可靠性，为未来海事执法提供了新的思路。另外，船舶尾气遥测无人机系统可以与既有的陆海监测体系形成合力，打造船舶尾气陆海空立体监视监测体系，全面提升船舶尾气监测水平。

二、船舶尾气遥测无人机系统

船舶尾气遥测无人机系统是一套用于监测在航船舶尾气的系统。系统主要应用于我国排放控制区内海船尾气硫含量的监测，可以为海事执法人员筛查燃油硫含量超过0．5% m/m的海船，从而为登船检查锁定目标。船舶尾气遥测无人机系统组成如图1所示，由作为载体的无人机、尾气检测吊舱和地面数据服务端组成。系统正常运行时，遥控无人机搭载尾气嗅探传感器飞行至船舶的尾气烟羽中，采集SO2、CO2等气体的浓度数据，记录时间信息并进行船舶燃油硫含量计算，同时完成数据整合打包过程。

图 1 船舶尾气遥测无人机系统总体设计图

技术原理：采用国际主流的船舶尾气遥测技术——嗅探法：船用燃油的碳和氢的摩尔比值在1∶2左右，经计算碳含量约为 87%；根据物料守恒原理，可以通过监测扩散稀释后的船舶尾气中的SO2和CO2比值（简称硫碳比），反推燃料油中的硫含量。

目前，国内使用的无人机载船舶尾气监测设备可搭载无人机设备型号固定，且成本高，需与地面端软件配合实时显示该船舶燃油硫含量推测值，增加了操控复杂度，飞控端软件实时显示船舶燃油硫含量需进行二次开发增加成本，无法满足基于海事系统现有无人机改装搭载船舶尾气嗅探传感器的需求。同时，无人机载嗅探传感器成本较高，海事现场执法人员在应用中存在“不敢飞、摔不起”的顾虑。

鉴于此，笔者自主研发了一种无人机载微型船舶尾气嗅探传感器系统，可以用于海事识别违规使用高硫油船舶，并提供一种低成本、轻量化、适配性强的船舶尾气遥测无人机。

该船舶尾气遥测无人机系统主要包括无人机、嗅探传感器和数据监控地面站软件，如图2所示。

图 2 船舶尾气遥测无人机系统组成

无人机：采用大疆精灵4无人机，该无人机是目前国际上最热销的消费级微型无人机，成本低、操作简单，且可以搭载嗅探传感器；

嗅探传感器：本系统采用的是一种自主研发的小型化的嗅探传感器，体积小、重量轻（不足300 g）、便携带；

数据监控地面站软件：采用自主开发数据监控软件，实现监测数据实时传输，桌面端、免安装、可视化。

三、实验测试

本次实验测试地点选择在上海（排放控制区）的长江和黄浦江水域，共5个遥测位置分别为：长江水域的浦东辖区、宝山辖区和崇明辖区，黄浦江水域的杨浦辖区和黄浦辖区，无人机起降位置按现场实际环境选择，多为岸边起降。实验周期30天，实验条件：风速小于5级，风向不同时，无人机相对烟囱位置有所不同，要始终保持在下风向近距离处，虽然与船舶烟囱的距离不同，尾气组分成分浓度不同，但是CO2和SO2随风扩散稀释但比例不变，分子量差异产生的沉降速率差异在随风扩散过程中可以忽略不计。所以只要能监测到尾气，就可以反推燃料油中的硫含量。船舶尾气遥测无人机需要与船舶烟囱保持的安全距离为10～15 m，高度等于或略高于烟囱高度的1～2 m，尾随跟测1～2分钟左右。

遥测具体情况信息如表1所示，共监测船舶679艘次（所有被测船舶皆是随机监测，没有特意针对船长、国籍等进行筛选），其中船舶尾气遥测无人机监测到硫含量疑似超标船舶13艘次，除5艘次船舶因防疫管控要求或嫌疑船舶已出辖区外，海事执法人员登轮抽检8艘次，经检测查实8艘次，船舶尾气遥测无人机监测精度达到100%。

表 1 遥测具体情况信息

图3是无人机对在航船舶尾气的遥测结果，监测曲线中显示了NO2、SO2和CO2在空气中浓度的变化情况，图3（a）～（d）依次表示柴油船舶、合规重油船舶、硫含量超标重油（低浓度）、硫含量超标重油（高浓度）的浓度曲线。其中绿色曲线表示NO2浓度、红色曲线表示SO2浓度、蓝色曲线表示CO2浓度。

图3 不同船舶燃油硫含量的监测曲线

从图3可以看出，当无人机遥测燃油含硫的船舶尾气时，可以观测到SO2和CO2的浓度会有升高的趋势。根据遥测曲线中的SO2和CO2的浓度变化，反推船舶燃油中的硫含量，并与实际燃油快速测硫仪测量数据进行对比，具体情况如表2所示。

表2 在航船舶的燃油硫含量测试对比表（ppm）

从表2可以看出，根据遥测无人机监测的船舶尾气中SO2和CO2的浓度，经推算锁定的嫌疑船舶，虽然所测算的燃油硫含量与测硫仪所测的油样硫含量存在一定的误差，但基本在允许的误差范围内，且无人机锁定的嫌疑船舶确为燃油硫含量超标船舶，验证了基于嗅探法的船舶尾气遥测无人机技术的可靠性，可以为海事系统建立“先尾气遥测、后登船检查”的监管新模式提供技术支撑。

四、遥测结果分析

（一）不同船长遥测结果分析

所有被测船舶长度分为8个区间：80～120 m、120～160 m、160～200 m、200～240 m、240～280 m、280～320 m、320～360 m、360～400 m。如图4所示。

图4 所有监测船舶、燃油硫含量超标船舶的船长分布

从图4中可以看出，在所监测船舶中，占比最大的是船长区间为80～120 m的船舶，第二是120～160 m的船舶，这两个船长区间的船舶共555艘次，占总数的82%。如图4所示，监测中发现燃油硫含量涉嫌超标的13艘船舶，其船长全部分布在80～120 m、120～160 m两个区间。而且实验测试发现，燃油硫含量超标船舶多为老旧小的散货船舶，因此可以初步得出上海辖区内的小海船违规率较高，大多数违规船船长约为80～160 m，这为海事未来执法提供了大致方向。

（二）不同水域监测结果分析

本次监测的船舶，按监测地理位置可以划分为长江水域和黄浦江水域：其中长江水域共319艘次，含硫船舶71艘次，超标船舶8艘次；黄浦江水域共360艘次，含硫船舶28艘次，超标船舶5艘次。从图5可以看出，所有被测的长江水域船舶含硫船舶占比为22%，船舶燃油含硫超标率为25‰；黄浦江水域船舶中含硫船舶占比为8%，船舶燃油含硫超标率为14‰。综上，可以初步得出上海辖区长江水域内在航船舶燃油含硫比率较高且燃油含硫超标率较高、黄浦江水域内在航船舶燃油含硫比率较低且燃油含硫超标率较低的结论，为未来海事执法提供了重要监管方向。

图5 不同水域的监测船舶含硫率、燃油硫含量超标率

究其原因，长江水域在航船舶多为过路船舶，考虑到海事执法需要联系船舶抛锚然后登轮检查，存在随机性、时效低、成本高、监管不完善等问题，且无法远程实时监测在航船舶尾气，船东可能存在侥幸心理，不按照规定更换合规燃油；而黄浦江水域的船舶多为即将到港船舶，且黄浦江的管控极为严格，虽然海事执法仍需要随机抽检船舶，但执法人员可随时对到港靠泊的船舶进行登轮检查，较比在航船舶检查更为便捷，起到了威慑作用。

（三）系统应用效果分析

船舶尾气遥测无人机系统于2021年9月完成，并在上海海事局正式投入使用，在新冠肺炎疫情防控期间，海事执法人员通过本系统可以远程监测在航船舶的尾气，高效筛查燃油硫含量超过0．5% m/m的海船，为登轮检查锁定嫌疑目标。在上海排放控制区指定的关键水域船舶尾气整治专项行动中，通过本系统成功检测并处理多艘燃油硫含量超标船舶。此外，船舶尾气遥测无人机系统的应用不仅提高了海事部门监管效率，也节省了大量成本。据不完全统计，在上海海事局辖区内利用船舶尾气遥测无人机筛选高硫油船比传统随机登轮检查每年至少节省100万元。

五、结论

本文对在航船舶尾气无人机遥测技术进行了研究和应用分析，经过大量实验测试，充分验证了基于嗅探法的船舶尾气遥测无人机技术的可靠性，可以建立“先尾气遥测、后登船检查”的监管新模式，显著提高抽检效率、降低监管成本。船舶尾气遥测无人机技术不仅可以解决船舶在航状态、洗涤塔建而不用等监管盲点，且在疫情防控常态化形势下，为海事部门提供非接触式的监管手段。通过船舶尾气遥测无人机监测模式，可以与已有的岸基和艇载船舶尾气遥测技术形成互补，提高“陆海空天”一体化的船舶尾气遥测监管能力，进一步加强船舶排放控制区的海事监管力量，为我国船舶大气污染物排放控制区高效及精准监管树立样板。本文提出的船舶尾气遥测无人机系统使用的无人机安全抗风等级不超过5级，且不适用于雨天、雾天等复杂天气。由于系统受抗风等级的限制，本系统可以广泛应用于港区、内河等排放控制区关键水域的尾气监测，但本系统在海域船舶的尾气监测方面还不成熟，仍需进一步研究。