李亞軍（鹽田海事局，廣東 深圳 518081）

一、引言

近年來(lái)，無(wú)人機(jī)因靈活性高、可操作性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)已廣泛應(yīng)用于陸地工業(yè)園區(qū)環(huán)境質(zhì)量、交通運(yùn)輸及道路周邊污染擴(kuò)散監(jiān)測(cè)、城市低空空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)等環(huán)保領(lǐng)域。目前，無(wú)人機(jī)已逐步應(yīng)用于船舶大氣污染監(jiān)測(cè)方面，在船舶污染排放監(jiān)測(cè)中，無(wú)人機(jī)可以彌補(bǔ)定點(diǎn)監(jiān)測(cè)機(jī)動(dòng)性不足的問(wèn)題，突破水上作業(yè)的客觀條件限制，對(duì)在航船舶尾氣進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)。2017—2018年，長(zhǎng)江沿岸地方海事部門已經(jīng)在基于無(wú)人機(jī)的智能化水上作業(yè)領(lǐng)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(zhǎng)江、天津港等區(qū)域開展無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)船舶尾氣應(yīng)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(wú)人機(jī)搭載嗅探設(shè)備監(jiān)測(cè)船舶尾氣項(xiàng)目（以下簡(jiǎn)稱“項(xiàng)目”），項(xiàng)目采用了多旋翼式無(wú)人機(jī)搭載Sirius-E2專業(yè)型空氣質(zhì)量及污染排放監(jiān)測(cè)傳感器，數(shù)據(jù)處理依托船舶排放快速篩查系統(tǒng)可實(shí)時(shí)反算燃油硫含量。項(xiàng)目使用的無(wú)人機(jī)搭載嗅探設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由旋翼式無(wú)人機(jī)、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(guò)4G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并通過(guò)云平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控。執(zhí)行監(jiān)測(cè)任務(wù)前先選取目標(biāo)船，根據(jù)目標(biāo)船的速度、航行方向和船舶羽流（船舶內(nèi)燃機(jī)排氣差生的氣流）等信息，對(duì)無(wú)人機(jī)的飛行軌跡進(jìn)行估計(jì)，對(duì)獲得的信息進(jìn)行處理，確定無(wú)人機(jī)飛行計(jì)劃，進(jìn)行羽流測(cè)量。同時(shí)，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳到船舶排放快速篩查系統(tǒng)進(jìn)一步處理，處理的數(shù)據(jù)包括：根據(jù)燃料碳平衡原理計(jì)算特定氣體的排放系數(shù)、測(cè)量時(shí)間、傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)、燃油硫含量值（FSC）和全球定位系統(tǒng)（GPS）信息。通過(guò)無(wú)人機(jī)搭載嗅探設(shè)備監(jiān)測(cè)船舶尾氣可快速獲取燃油硫含量及相關(guān)排放因子。本文在對(duì)無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)船舶尾氣項(xiàng)目大量數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，研究無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)船舶尾氣的應(yīng)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(cè)監(jiān)管體系。

二、無(wú)人機(jī)搭載嗅探設(shè)備監(jiān)測(cè)船舶尾氣的應(yīng)用分析

（一）提高執(zhí)法效率，落實(shí)船舶排放控制政策

無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)船舶尾氣可以極大提高監(jiān)管效率，根據(jù)項(xiàng)目實(shí)施情況來(lái)看，2名執(zhí)法人員使用無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)一艘船僅需要10~15分鐘，每天可監(jiān)測(cè)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(cè)等繁瑣流程，無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)大大提高了監(jiān)管效率，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸監(jiān)管。另外，無(wú)人機(jī)可實(shí)現(xiàn)對(duì)在航船舶進(jìn)行尾氣監(jiān)測(cè)，對(duì)在港池航行船舶可以從岸基起飛監(jiān)測(cè)，對(duì)排放控制區(qū)內(nèi)在航船舶可以通過(guò)海巡執(zhí)法船攜帶無(wú)人機(jī)完成尾氣監(jiān)測(cè)。因此，無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)船舶尾氣可以提高執(zhí)法效率，又可以監(jiān)測(cè)在我國(guó)管轄水域內(nèi)航行船舶使用燃油硫含量是否超過(guò)0.5%的排放控制標(biāo)準(zhǔn)。

（二）精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)船舶尾氣污染物濃度，建立船舶大氣污染物排放數(shù)據(jù)庫(kù)

建立船舶大氣污染物排放數(shù)據(jù)庫(kù)是一項(xiàng)基礎(chǔ)工作，可為海事中心業(yè)務(wù)開展提供重要數(shù)據(jù)支撐。目前，大氣污染監(jiān)測(cè)分析技術(shù)已較成熟，但是，采用嗅探監(jiān)測(cè)、光學(xué)遙感監(jiān)測(cè)等技術(shù)的岸基固定監(jiān)測(cè)點(diǎn)位受風(fēng)速、風(fēng)向的影響及距離限制，很難精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)，而無(wú)人機(jī)搭載嗅探設(shè)備進(jìn)入煙羽監(jiān)測(cè)距離近、干擾小，具有較高的精準(zhǔn)度。項(xiàng)目通過(guò)無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)船舶尾氣反算燃油硫含量和調(diào)研獲取的燃油硫含量?jī)煞N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(shù)量分布直方圖

可以看出船舶均呈現(xiàn)出以硫含量0.1%至0.5%區(qū)間為眾數(shù)的分布趨勢(shì)，驗(yàn)證了無(wú)人機(jī)搭載嗅探設(shè)備監(jiān)測(cè)尾氣數(shù)據(jù)具有較高精準(zhǔn)度。因此，通過(guò)無(wú)人機(jī)搭載嗅探設(shè)備監(jiān)測(cè)積累大量多種類污染物監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，建立船舶大氣污染物排放數(shù)據(jù)庫(kù)，可以與岸基固定嗅探或光學(xué)遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)互補(bǔ)，逐步完善岸基監(jiān)測(cè)技術(shù)模型，提高岸基固定監(jiān)測(cè)精準(zhǔn)度，實(shí)現(xiàn)船舶硫氧化物排放精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)。同時(shí)，可以針對(duì)氮氧化物、碳氧化物、顆粒物、黑碳等污染物監(jiān)測(cè)需求搭載不同類型的嗅探設(shè)備，從而為未來(lái)制定此類污染物排放控制決策提供數(shù)據(jù)支撐。

（三）拓展船舶大氣立體監(jiān)測(cè)監(jiān)管網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，構(gòu)建陸?？找惑w化船舶大氣污染監(jiān)測(cè)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(cè)監(jiān)管試驗(yàn)區(qū)”（以下簡(jiǎn)稱“試驗(yàn)區(qū)”）建設(shè)平臺(tái)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期試驗(yàn)選定以嗅探監(jiān)測(cè)技術(shù)為基礎(chǔ)的監(jiān)測(cè)方案，通過(guò)不斷優(yōu)化監(jiān)測(cè)技術(shù)模型，初步建成“船舶排放監(jiān)測(cè)監(jiān)管信息平臺(tái)”（以下簡(jiǎn)稱“信息平臺(tái)”，信息平臺(tái)監(jiān)測(cè)界面如圖2所示）。目前信息平臺(tái)主要布設(shè)4個(gè)岸基固定監(jiān)測(cè)點(diǎn)位、1個(gè)航標(biāo)固定監(jiān)測(cè)點(diǎn)位和1個(gè)船基移動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位。同時(shí)，通過(guò)理論計(jì)算船舶污染物排放數(shù)據(jù)，建立基于地理信息系統(tǒng)的可視化的船舶大氣污染預(yù)警分布圖。未來(lái)無(wú)人機(jī)搭載嗅探設(shè)備監(jiān)測(cè)尾氣作為移動(dòng)監(jiān)測(cè)的重要手段接入信息平臺(tái)，將進(jìn)一步豐富信息平臺(tái)的監(jiān)測(cè)手段。通過(guò)岸基、船基和無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)模式深度融合，充分發(fā)揮各方優(yōu)勢(shì)，形成岸基和航標(biāo)固定監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)初篩、船基和無(wú)人機(jī)移動(dòng)監(jiān)測(cè)精篩的監(jiān)測(cè)層級(jí)，逐步構(gòu)建陸海空一體化的船舶大氣污染監(jiān)測(cè)監(jiān)管體系。

圖2 船舶排放監(jiān)測(cè)監(jiān)管信息平臺(tái)界面

三、無(wú)人機(jī)搭載嗅探設(shè)備監(jiān)測(cè)船舶尾氣存在的問(wèn)題

（一）項(xiàng)目監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)整體精度不高，單船監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不穩(wěn)定

項(xiàng)目利用無(wú)人機(jī)對(duì)300艘船舶進(jìn)行監(jiān)測(cè)，共獲取554條有效排放數(shù)據(jù)，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(biāo)船舶（硫含量＞0.5%）7艘次。同時(shí)，通過(guò)調(diào)研問(wèn)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(biāo)燃油船舶2艘（依據(jù)行政處罰結(jié)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(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)船舶尾氣計(jì)算燃油硫含量和調(diào)研問(wèn)卷形式獲取靠港船舶使用燃油硫含量分布情況表

通過(guò)對(duì)項(xiàng)目監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)：同一艘船舶工況下不同時(shí)間監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)差異較大，單船監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)有一定的不確定性；而且整體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出使用超低硫燃油（硫含量≤0.1%）船舶尾氣監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)偏大，使用低硫燃油（0.1%＜硫含量≤0.5%）船舶尾氣監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)偏小的趨勢(shì)，可以看出監(jiān)測(cè)傳感器元件的實(shí)驗(yàn)室質(zhì)控維護(hù)不充分。

（二）無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)使用超低硫燃油船舶尾氣數(shù)據(jù)誤差相對(duì)較大

無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)船舶尾氣項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，共采集了被監(jiān)測(cè)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(jì)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(jì)算。其監(jiān)測(cè)硫含量結(jié)果與BND平均硫含量對(duì)比分布圖表如下圖3、表2所示。

圖3 無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)硫含量分布圖

表2 船舶使用不同等級(jí)硫含量燃油無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)結(jié)果與BDN平均硫含量對(duì)比表

從無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)硫含量分布圖、表可以得出，對(duì)不同硫含量等級(jí)燃油船舶的監(jiān)測(cè)結(jié)果集中區(qū)間不同，對(duì)使用硫含量0.1%的船舶監(jiān)測(cè)結(jié)果集中在0.1%~0.15%之間，對(duì)使用硫含量0.5%燃油的船舶監(jiān)測(cè)結(jié)果集中在0.25%~0.4%之間。通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與收集的BDN數(shù)據(jù)對(duì)比，對(duì)使用不同硫含量等級(jí)燃油船舶，無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)結(jié)果的偏差及趨勢(shì)變化是不同的。對(duì)使用硫含量0.1%燃油船舶的監(jiān)測(cè)值相對(duì)BDN硫含量平均值偏大42.63%，且相對(duì)離散；對(duì)使用硫含量0.5%燃油船舶的監(jiān)測(cè)值相對(duì)BDN硫含量平均值偏小34.73%，監(jiān)測(cè)值相對(duì)集中。由此可以得出，無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)使用低硫燃油船舶尾氣的監(jiān)測(cè)值更加穩(wěn)定準(zhǔn)確，但是對(duì)使用超低硫燃油船舶監(jiān)測(cè)誤差相對(duì)大。

（三）無(wú)人機(jī)無(wú)法監(jiān)測(cè)使用脫硫塔船舶尾氣數(shù)據(jù)

目前，各國(guó)對(duì)脫硫塔排放要求日益嚴(yán)格，船舶靠泊期間使用脫硫塔的比例并不高。通過(guò)對(duì)323艘國(guó)際航行集裝箱船舶進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，靠泊期間實(shí)際使用脫硫塔船舶占所有統(tǒng)計(jì)船舶的6.5%，占安裝閉式或混合式脫硫塔船舶的56.7%。項(xiàng)目監(jiān)測(cè)了部分靠泊期間使用脫硫塔處理后的尾氣，監(jiān)測(cè)情況如圖4所示。

圖4 無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)經(jīng)脫硫處理后船舶尾氣現(xiàn)場(chǎng)圖

監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，使用脫硫塔處理后的尾氣二氧化碳濃度結(jié)果正常，但無(wú)法監(jiān)測(cè)到二氧化硫濃度值。經(jīng)核查船舶靠泊期間使用脫硫塔處理后的尾氣排放報(bào)告，監(jiān)測(cè)期間船舶尾氣排放硫碳比約0.5~0.6，相當(dāng)于燃油硫含量為0.011 5%~0.013 8%，尾氣脫硫效果明顯。可以認(rèn)為是經(jīng)過(guò)脫硫塔洗滌脫硫后尾氣中二氧化硫濃度過(guò)低，導(dǎo)致無(wú)人機(jī)無(wú)法捕捉到尾氣中的二氧化硫。因此，無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)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(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)的因素較多

影響無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)的影響因素一般分為外界因素和內(nèi)部因素，外界因素包括：氣象環(huán)境、船舶負(fù)荷、航速、港區(qū)電磁干擾等，一般情況下風(fēng)速船速較大、風(fēng)向變化較快及船舶低負(fù)荷下會(huì)嚴(yán)重影響監(jiān)測(cè)穩(wěn)定性，船舶航行設(shè)備及港作機(jī)械有強(qiáng)烈的電磁干擾，也會(huì)影響無(wú)人機(jī)飛行作業(yè)安全；內(nèi)部因素包括旋翼式無(wú)人機(jī)產(chǎn)生飛行氣流、不同污染物監(jiān)測(cè)傳感器間交叉干擾、監(jiān)測(cè)量程小等影響因素。船舶大氣監(jiān)測(cè)一般采用旋翼式無(wú)人機(jī)，旋翼式無(wú)人機(jī)懸停監(jiān)測(cè)時(shí)產(chǎn)生的氣流會(huì)影響船舶煙羽分布。通過(guò)實(shí)驗(yàn)室對(duì)傳感器測(cè)試標(biāo)定顯示，二氧化硫傳感器與二氧化氮傳感器工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生交叉影響，影響監(jiān)測(cè)精度。同時(shí)，傳感器監(jiān)測(cè)量程小不能滿足較低濃度污染物的監(jiān)測(cè)要求。

（五）缺少無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)船舶大氣污染物執(zhí)法工作制度規(guī)范

無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)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(guān)制度規(guī)范，沒有制定船舶尾氣污染物限值標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)人機(jī)在海事執(zhí)法中應(yīng)用也沒有相應(yīng)的操作規(guī)范，這將嚴(yán)重制約無(wú)人機(jī)搭載嗅探監(jiān)測(cè)技術(shù)在船舶大氣污染防治方面的應(yīng)用。

四、相關(guān)建議及對(duì)策

（一）對(duì)關(guān)鍵監(jiān)測(cè)元件進(jìn)行良好的實(shí)驗(yàn)室質(zhì)控維護(hù)，提高單船尾氣監(jiān)測(cè)穩(wěn)定性

尾氣監(jiān)測(cè)傳感器元件是精密器件，對(duì)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(shí)會(huì)立即影響監(jiān)測(cè)精度和穩(wěn)定性。因此，需要操縱人員盡量避開短時(shí)高濃度煙羽，及時(shí)觀察監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化情況，根據(jù)收集的被監(jiān)測(cè)船舶使用燃油BDN信息定期對(duì)監(jiān)測(cè)傳感器元件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室質(zhì)控維護(hù)。

（二）采取防干擾措施，開發(fā)信息平臺(tái)驗(yàn)證系統(tǒng)，提高監(jiān)測(cè)精準(zhǔn)度

在實(shí)際操縱中，影響無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)因素較多，因此，一方面需要不斷改進(jìn)無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)設(shè)備，例如提升無(wú)人機(jī)飛行穩(wěn)定性、延長(zhǎng)嗅探器取樣管路、減少飛行氣流對(duì)煙羽的干擾、采用防電磁干擾材料或加裝機(jī)載防電磁干擾儀器減少外部電磁影響、改進(jìn)傳感器擴(kuò)大監(jiān)測(cè)量程、提高臨界濃度監(jiān)測(cè)穩(wěn)定性等；另一方面依托信息平臺(tái)建立船舶大氣污染監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證系統(tǒng)，將環(huán)境影響降至最低。信息平臺(tái)集成岸基固定、船基和無(wú)人機(jī)移動(dòng)監(jiān)測(cè)等模式，通過(guò)獲取被監(jiān)測(cè)船舶BND硫含量信息和燃油樣品，將樣品快檢或送實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)獲取精確硫含量等數(shù)據(jù)錄入驗(yàn)證系統(tǒng)，以此比對(duì)驗(yàn)證監(jiān)測(cè)模式結(jié)果，通過(guò)大量數(shù)據(jù)比對(duì)驗(yàn)證逐步完善不同監(jiān)測(cè)模式計(jì)算模型，排除干擾因素影響，提高監(jiān)測(cè)精度。

（三）制定無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)船舶大氣污染物執(zhí)法工作制度規(guī)范

基于無(wú)人機(jī)在船舶大氣監(jiān)測(cè)應(yīng)用的實(shí)際，應(yīng)加快制定無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)船舶尾氣執(zhí)法制度流程，建立執(zhí)法指南，規(guī)范現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)法工作。制定無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)船舶尾氣技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)依托試驗(yàn)區(qū)建設(shè)平臺(tái)，針對(duì)當(dāng)前先進(jìn)的大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)開展實(shí)船試驗(yàn)研究，根據(jù)船舶大氣監(jiān)測(cè)場(chǎng)景，明確技術(shù)規(guī)范要求，篩選適合船舶大氣監(jiān)測(cè)的技術(shù)并制定無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)船舶尾氣技術(shù)要求，推動(dòng)形成行業(yè)或國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

五、結(jié)語(yǔ)

在當(dāng)前船舶大氣污染監(jiān)測(cè)監(jiān)管工作中，構(gòu)建智慧管理體系，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程、在線、實(shí)時(shí)監(jiān)控是大勢(shì)所趨。無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)作為一種可行、可靠的環(huán)境監(jiān)測(cè)手段，將完善陸?？找惑w化船舶大氣污染排放監(jiān)測(cè)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。