无人机搭载嗅探设备监测船舶尾气研究

李亚军（盐田海事局，广东 深圳 518081）

一、引言

近年来，无人机因灵活性高、可操作性强等优点已广泛应用于陆地工业园区环境质量、交通运输及道路周边污染扩散监测、城市低空空气质量监测等环保领域。目前，无人机已逐步应用于船舶大气污染监测方面，在船舶污染排放监测中，无人机可以弥补定点监测机动性不足的问题，突破水上作业的客观条件限制，对在航船舶尾气进行有效监测。2017—2018年，长江沿岸地方海事部门已经在基于无人机的智能化水上作业领域做出尝试并取得初步成效，2020年3月至5月，海事部门在长江、天津港等区域开展无人机监测船舶尾气应用探索，取得较好成效。2020年7月至12月，盐田海事局联合第三方开展无人机搭载嗅探设备监测船舶尾气项目（以下简称“项目”），项目采用了多旋翼式无人机搭载Sirius-E2专业型空气质量及污染排放监测传感器，数据处理依托船舶排放快速筛查系统可实时反算燃油硫含量。项目使用的无人机搭载嗅探设备监测系统主要由旋翼式无人机、嗅探传感器模块、飞行控制器、船舶排放快速筛查系统等组成，可通过4G网络进行数据传输，并通过云平台进行实时数据监控。执行监测任务前先选取目标船，根据目标船的速度、航行方向和船舶羽流（船舶内燃机排气差生的气流）等信息，对无人机的飞行轨迹进行估计，对获得的信息进行处理，确定无人机飞行计划，进行羽流测量。同时，将监测数据传到船舶排放快速筛查系统进一步处理，处理的数据包括：根据燃料碳平衡原理计算特定气体的排放系数、测量时间、传感器的测量数据、燃油硫含量值（FSC）和全球定位系统（GPS）信息。通过无人机搭载嗅探设备监测船舶尾气可快速获取燃油硫含量及相关排放因子。本文在对无人机监测船舶尾气项目大量数据分析的基础上，研究无人机监测船舶尾气的应用，尝试提出建立陆海空一体化的船舶大气污染排放控制监测监管体系。

二、无人机搭载嗅探设备监测船舶尾气的应用分析

（一）提高执法效率，落实船舶排放控制政策

无人机监测船舶尾气可以极大提高监管效率，根据项目实施情况来看，2名执法人员使用无人机监测一艘船仅需要10~15分钟，每天可监测10~20艘次。相较以往执法人员登轮、文书检查、燃油取样检测等繁琐流程，无人机监测大大提高了监管效率，同时可实现无接触监管。另外，无人机可实现对在航船舶进行尾气监测，对在港池航行船舶可以从岸基起飞监测，对排放控制区内在航船舶可以通过海巡执法船携带无人机完成尾气监测。因此，无人机监测船舶尾气可以提高执法效率，又可以监测在我国管辖水域内航行船舶使用燃油硫含量是否超过0.5%的排放控制标准。

（二）精准监测船舶尾气污染物浓度，建立船舶大气污染物排放数据库

建立船舶大气污染物排放数据库是一项基础工作，可为海事中心业务开展提供重要数据支撑。目前，大气污染监测分析技术已较成熟，但是，采用嗅探监测、光学遥感监测等技术的岸基固定监测点位受风速、风向的影响及距离限制，很难精准监测，而无人机搭载嗅探设备进入烟羽监测距离近、干扰小，具有较高的精准度。项目通过无人机监测船舶尾气反算燃油硫含量和调研获取的燃油硫含量两种方式获取船舶燃油硫含量情况并绘制成分布直方图（见图1）。

图1 不同区间硫含量船舶数量分布直方图

可以看出船舶均呈现出以硫含量0.1%至0.5%区间为众数的分布趋势，验证了无人机搭载嗅探设备监测尾气数据具有较高精准度。因此，通过无人机搭载嗅探设备监测积累大量多种类污染物监测数据，建立船舶大气污染物排放数据库，可以与岸基固定嗅探或光学遥感监测技术互补，逐步完善岸基监测技术模型，提高岸基固定监测精准度，实现船舶硫氧化物排放精准监测。同时，可以针对氮氧化物、碳氧化物、颗粒物、黑碳等污染物监测需求搭载不同类型的嗅探设备，从而为未来制定此类污染物排放控制决策提供数据支撑。

（三）拓展船舶大气立体监测监管网络系统，构建陆海空一体化船舶大气污染监测监管体系

目前依托“大鹏湾船舶大气污染物排放控制监测监管试验区”（以下简称“试验区”）建设平台，经过长期试验选定以嗅探监测技术为基础的监测方案，通过不断优化监测技术模型，初步建成“船舶排放监测监管信息平台”（以下简称“信息平台”，信息平台监测界面如图2所示）。目前信息平台主要布设4个岸基固定监测点位、1个航标固定监测点位和1个船基移动监测点位。同时，通过理论计算船舶污染物排放数据，建立基于地理信息系统的可视化的船舶大气污染预警分布图。未来无人机搭载嗅探设备监测尾气作为移动监测的重要手段接入信息平台，将进一步丰富信息平台的监测手段。通过岸基、船基和无人机监测模式深度融合，充分发挥各方优势，形成岸基和航标固定监测大数据初筛、船基和无人机移动监测精筛的监测层级，逐步构建陆海空一体化的船舶大气污染监测监管体系。

图2 船舶排放监测监管信息平台界面

三、无人机搭载嗅探设备监测船舶尾气存在的问题

（一）项目监测数据整体精度不高，单船监测数据不稳定

项目利用无人机对300艘船舶进行监测，共获取554条有效排放数据，其中硫含量最大值为0.9351%，最小值为0.013 1%，平均值为0.270 9%，超标船舶（硫含量＞0.5%）7艘次。同时，通过调研问卷形式收集了306份船舶靠泊盐田港期间使用燃油信息，其中使用硫含量超标燃油船舶2艘（依据行政处罚结果）。2种获取燃油硫含量信息方式的船舶分布见表1。

表1 无人机监测船舶尾气计算燃油硫含量和调研问卷形式获取靠港船舶使用燃油硫含量分布情况表

通过对项目监测数据分析发现：同一艘船舶工况下不同时间监测数据差异较大，单船监测数据有一定的不确定性；而且整体监测数据呈现出使用超低硫燃油（硫含量≤0.1%）船舶尾气监测数据偏大，使用低硫燃油（0.1%＜硫含量≤0.5%）船舶尾气监测数据偏小的趋势，可以看出监测传感器元件的实验室质控维护不充分。

（二）无人机监测使用超低硫燃油船舶尾气数据误差相对较大

无人机监测船舶尾气项目实施过程中，共采集了被监测船舶供受油单证（BDN）硫含量信息85份。其中靠泊期间使用硫含量0.1%燃油船舶24艘，BDN平均硫含量按0.095%计算，靠泊期间使用硫含量0.5%燃油船舶61艘次，BND平均硫含量按0.475%计算。其监测硫含量结果与BND平均硫含量对比分布图表如下图3、表2所示。

图3 无人机监测硫含量分布图

表2 船舶使用不同等级硫含量燃油无人机监测结果与BDN平均硫含量对比表

从无人机监测硫含量分布图、表可以得出，对不同硫含量等级燃油船舶的监测结果集中区间不同，对使用硫含量0.1%的船舶监测结果集中在0.1%~0.15%之间，对使用硫含量0.5%燃油的船舶监测结果集中在0.25%~0.4%之间。通过监测数据与收集的BDN数据对比，对使用不同硫含量等级燃油船舶，无人机监测结果的偏差及趋势变化是不同的。对使用硫含量0.1%燃油船舶的监测值相对BDN硫含量平均值偏大42.63%，且相对离散；对使用硫含量0.5%燃油船舶的监测值相对BDN硫含量平均值偏小34.73%，监测值相对集中。由此可以得出，无人机监测使用低硫燃油船舶尾气的监测值更加稳定准确，但是对使用超低硫燃油船舶监测误差相对大。

（三）无人机无法监测使用脱硫塔船舶尾气数据

目前，各国对脱硫塔排放要求日益严格，船舶靠泊期间使用脱硫塔的比例并不高。通过对323艘国际航行集装箱船舶进行统计，靠泊期间实际使用脱硫塔船舶占所有统计船舶的6.5%，占安装闭式或混合式脱硫塔船舶的56.7%。项目监测了部分靠泊期间使用脱硫塔处理后的尾气，监测情况如图4所示。

图4 无人机监测经脱硫处理后船舶尾气现场图

监测结果显示，使用脱硫塔处理后的尾气二氧化碳浓度结果正常，但无法监测到二氧化硫浓度值。经核查船舶靠泊期间使用脱硫塔处理后的尾气排放报告，监测期间船舶尾气排放硫碳比约0.5~0.6，相当于燃油硫含量为0.011 5%~0.013 8%，尾气脱硫效果明显。可以认为是经过脱硫塔洗涤脱硫后尾气中二氧化硫浓度过低，导致无人机无法捕捉到尾气中的二氧化硫。因此，无人机监测洗涤后船舶尾气中低浓度气体具有较大不稳定性。

（四）干扰无人机监测的因素较多

影响无人机监测的影响因素一般分为外界因素和内部因素，外界因素包括：气象环境、船舶负荷、航速、港区电磁干扰等，一般情况下风速船速较大、风向变化较快及船舶低负荷下会严重影响监测稳定性，船舶航行设备及港作机械有强烈的电磁干扰，也会影响无人机飞行作业安全；内部因素包括旋翼式无人机产生飞行气流、不同污染物监测传感器间交叉干扰、监测量程小等影响因素。船舶大气监测一般采用旋翼式无人机，旋翼式无人机悬停监测时产生的气流会影响船舶烟羽分布。通过实验室对传感器测试标定显示，二氧化硫传感器与二氧化氮传感器工作时会产生交叉影响，影响监测精度。同时，传感器监测量程小不能满足较低浓度污染物的监测要求。

（五）缺少无人机监测船舶大气污染物执法工作制度规范

无人机监测船舶大气环境执法工作是新型执法模式，目前仍缺少相关制度规范，没有制定船舶尾气污染物限值标准，无人机在海事执法中应用也没有相应的操作规范，这将严重制约无人机搭载嗅探监测技术在船舶大气污染防治方面的应用。

四、相关建议及对策

（一）对关键监测元件进行良好的实验室质控维护，提高单船尾气监测稳定性

尾气监测传感器元件是精密器件，对尾气污染物尤其是颗粒物具有较高敏感性，正常烟羽浓度下需定期更换烟气抽吸滤器，一旦抽吸到黑度较大或者含大量颗粒物烟气时会立即影响监测精度和稳定性。因此，需要操纵人员尽量避开短时高浓度烟羽，及时观察监测数据变化情况，根据收集的被监测船舶使用燃油BDN信息定期对监测传感器元件进行实验室质控维护。

（二）采取防干扰措施，开发信息平台验证系统，提高监测精准度

在实际操纵中，影响无人机监测因素较多，因此，一方面需要不断改进无人机监测设备，例如提升无人机飞行稳定性、延长嗅探器取样管路、减少飞行气流对烟羽的干扰、采用防电磁干扰材料或加装机载防电磁干扰仪器减少外部电磁影响、改进传感器扩大监测量程、提高临界浓度监测稳定性等；另一方面依托信息平台建立船舶大气污染监测数据验证系统，将环境影响降至最低。信息平台集成岸基固定、船基和无人机移动监测等模式，通过获取被监测船舶BND硫含量信息和燃油样品，将样品快检或送实验室检测获取精确硫含量等数据录入验证系统，以此比对验证监测模式结果，通过大量数据比对验证逐步完善不同监测模式计算模型，排除干扰因素影响，提高监测精度。

（三）制定无人机监测船舶大气污染物执法工作制度规范

基于无人机在船舶大气监测应用的实际，应加快制定无人机监测船舶尾气执法制度流程，建立执法指南，规范现场执法工作。制定无人机监测船舶尾气技术标准，应依托试验区建设平台，针对当前先进的大气环境监测技术开展实船试验研究，根据船舶大气监测场景，明确技术规范要求，筛选适合船舶大气监测的技术并制定无人机监测船舶尾气技术要求，推动形成行业或国家标准。

五、结语

在当前船舶大气污染监测监管工作中，构建智慧管理体系，实现远程、在线、实时监控是大势所趋。无人机监测作为一种可行、可靠的环境监测手段，将完善陆海空一体化船舶大气污染排放监测监管体系，成为船舶污染物排放控制智能管理的又一利器。