无人机在船舱有毒有害气体检测中的应用

唐国进 吴魏成

（中国检验认证集团广西有限公司防城港分公司 广西防城港 538011）

有限空间作业场所一般多含有H2S、CO、CO2、氨气、H2S等气体［1］。船舶货舱同样属于有限空间范畴，航行过程中，为了保护货物不受外界因素的影响，货舱通常处于通风不足或关闭的状态，使得内部空气质量急剧下降，存在巨大的安全隐患，严重时会引发安全事故。同时，因为我国进出口常用的随航熏蒸最常用的熏蒸剂就是磷化铝，利用磷化氢气体在密闭的船舱中进行熏蒸消杀［2］。磷化氢气体属于剧毒气体，人员不慎进入通风不足或是磷化氢残留浓度过高的船舱内进行作业时，很有可能发生中毒，甚至危及生命。

目前，无人机技术在环保、搜救等方面得到应用，有学者基于Arduino的无人机空气质量检测装置，通过无人机检测在高空烟囱、管道等的有害气体浓度，检测并收集数据得知该区域的空气质量，从而采取措施改善空气质量［3］。随着天然气在我国能源比重中占比越来越大，天然气的配套设施也随之增加，有学者利用无人机的优势来弥补传统检测方法的安全性差和时效性差的缺陷，通过自主飞行算法，控制无人机沿危险浓度面进行飞行，完成浓度测绘［4］。我国是一个农业大国，而农业生产必将产生大量的CO2气体影响大气质量，为能更加科学地进行排放监测和管理，有学者使用无人机、传感器和模拟仿真技术，研发了一套无人机CO2浓度实时监测系统［5］。然而很少有研究无人机技术在船舱有毒有害气体检测上的应用。传统的检测方法是在船舶人孔和舱内四周放置手持泵吸式气体检测仪进行分点检测，工作量大且繁琐，检测人员不得不直接接触到有毒有害气体，存在较高的风险。本文采用无人机通过特制卡扣搭载气体检测传感器，使用可伸缩投掷器以及无线控制和数据传输软件，通过数据处理器建立模型远距离检测，大大降低了检测人员及下舱作业人员面临的安全风险。

1 检测装置整体结构

1.1 总体研制方案

无人机有毒有害气体检测装置其特征在于该装置包括无人机、地面控制站，所述地面控制站设置有信号接收器、气体监测器及数据处理器。无人机上安装有气体检测传感器，气体检测传感器采集气体数据后发送至地面控制站的信号接收器，信号接收器再将信号输送至数据处理器及气体监测器，通过数据处理器建立模型，若浓度超标预警，可及时作出应急防范部署。

1.2 气体传感器的选择

此前，笔者针对船舶货舱及舱梯进行了大量的数据采集，通过分析船舱内有毒有害气体的浓度与货物自身的理化特性、天气、货舱及舱梯结构、通风时间的相关关系［6］，研究得知，船舱内有毒有害气体受天气、人孔结构、所载货物性质、通风时长原因影响，致使CO、H2S、O2、可燃性气体的浓度异常率较高。故本文主要针对上述4种气体进行了测试和实验，但实际工作运用不仅仅限于这4种气体。

1.2.1 硫化氢传感器

SPEC Sensors硫化氢传感器（H2S传感器）-3SPH2S-50具有尺寸小、低剖面（Φ20mm×20mm×3.0mm）、长寿命且电流的灵敏度比较高、响应时间极短、稳定性强等特点。

1.2.2 氧气传感器

ES1-O2-25%-HH氧气传感器是使用德国ECSense固态聚合物电化学检测技术，尺寸仅为Φ11.5mm×12.5mm×3.0mm，它灵敏度高达（0.2±0.03）nA/（μg/mL），检测范围0~25%vol，低功耗且无电解液渗漏，快速响应。

1.2.3 一氧化碳传感器

一氧化碳传感器选用alphasense电化学式一氧化碳传感器CO-D4，它尺寸小，仅为Φ20.2mm×16.5mm×2.5mm，测量范围达到1000μg/mL，灵敏度高，响应时间快，数据精确且传输快，性能稳定。

1.2.4 可燃性气体传感器

可燃性气体传感器选用的是MQ-6可燃气体传感器，其检测范围为300～10 000μg/mL（甲烷、丙烷），尺寸Φ20.2mm×16.5mm×2.5mm，通过简单的电路就能将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。还具有寿命长、成本低且对可燃气体有良好灵敏度的特点，特别是对丙烷、丁烷的灵敏度较高。

1.3 无人机的选择

无人机选择大疆经纬M300 RTK型号，它最大可承受15m/s（7级风），续航时间长达55min，可载重2.7kg，能实现15km图像数据传输，满足改装的要求。

1.4 无人机与气体传感器装置的连接

无人机与气体检测传感器组合模块的连接方式一方面需要考虑到拆卸的方便性，另一方面还需要考虑到如果无人机与检测装置的距离问题，因为无人机的风叶转动时产生的风力会影响采集的气体的浓度，影响数据的准确性和检测的效果。因此，采用的连接方案是在无人机下部与降落支架中间安装一个特制支架，无人机的机壳上通过绑带设有搭载平台，搭载平台上安装有可放线投掷器与气体检测传感器相连接（气体检测传感器置于卡槽中成为一个模块组合）。

1.5 检测系统构架与控制软件开发

气体检测装置即气体传感器卡槽组合内部集成无线模组，先与无线模块建立连接，再使无线模块与蓝牙模块建立连接，蓝牙模块与移动终端连接，从而在移动终端与检测装置之间建立无线数据通信，实现了手机对远端检测装置的监控操作。移动终端控制软件可对检测设备进行远程管理，如设置报警值、浓度分析、数值汇总、查询设备当前状态等。

2 检测的方法和步骤

检测需在舱内货物上方1.5m处绕圈飞行，传感器模组会对船舱中的各气体浓度进行采集记录，无线传输至地面控制站，及时汇总分析相关数值，具体流程如下。

（1）在检测开始之前，综合分析现场飞行条件情况，进行无人机、信号接收器、气体监测器、数据处理器的连接自检。

（2）控制无人机飞行至货舱上方10~20m高空区域，通过无人机图像传输，观察舱内结构和船舱内货物情况。

（3）控制无人机飞至距货物1.5~2.0m上方区域，在舱内绕圈飞行1min进行浓度测定，所测得的数据自动无线传输至地面控制站进行数据处理。

（4）逐舱检测完成后，原路返回，结束检测。

3 实验及数据分析

3.1 准确度试验

2021年11月至2022年1月期间，使用传统手持式检测仪与无人机检测对多艘靠港船舶进行对比检测，总共收集到50组有效的比较数据样本，部分数据如表1至表4所示。

表1 一氧化碳浓度对比检测结果

表2 硫化氢浓度对比检测结果

表3 氧气浓度对比检测结果

表4 可燃性气体浓度对比检测结果

通过对比测试数据得知，无人机检测与传统手持式有毒有害气体检测结果相近，实验检测的气体浓度相对偏差均在±2%范围，结果较准确，符合预期。

3.2 精密度试验

为了测试无人机检测装置的精准度，分别随机对4艘出现CO、O2、H2S、可燃性气体浓度异常的船舶进行了独立的11次检测，其检测结果见表5，检测的相对标准偏差在0.3%~0.9%。

表5 4种气体对比检测结果

4 讨论

多次实验结果表明该方法具备可行性，与传统的手持式气体检测方式相比，使用无人机检测实现了检测过程及结果的全方位记录，且能实时观察所检测气体的浓度变化，不仅大大缩短了检测时间，提高了工作效率，而且因其灵敏度高使得在出现有毒有害气体浓度异常时能作出最快速的应急措施反应和防范。此方法还可避免检测人员近距离接触有毒有害气体，有利于保护检测人员的身体健康，同时，还可避免与外国船员接触，降低新型冠状病毒、黄热病等高风险传染病的感染风险。