基于油耗数据的船舶排放监测系统的设计与实现

文献标志码:粤文章编号：员园园圆原圆猿猿猿（圆园员9）12原园076原园3DesignandRealizationofShipEmissionMonitoringSystemBasedonRecordingofOilConsumptionLIXiaosheng,DONGLiangxiong,ZHOUWenqiang,MAJun(SchoolofPortandTransportationEngineering,ZhejiangOceanUniversity,Zhoushan316022,China)Abstract:Areal-timemonitoringsystemfordatacollection,dataanalysisanddatapredictionofshipemissionsinthecontrolareaisdesignedaccordingtotheimplementationplanoftherelevantshipemissioncontrolarea.Firstly,accordingtotheIPCCcalculationmethodofshipexhaustemission,basedontheexistingshipparametercollectionnetwork,theemissionmonitoringdataacquisition,databaseestablishment,datapacketdesignanddatatransmissionarerealized.Basedonthesingleshipemissiondatacollectionnetworkandtheprincipleofweightinfluence,anavigationalemissionmonitoringnetworkisestablishedtocalculatetheemissionlevelofthenavigationarea.Theinformationonthespatio-temporaldistributionofshipemissionsisprovidedthroughtheWEBplatform,whichprovidesthebasisforthemanagementdepartmenttoimplementtheimplementationplanoftheshipemissioncontrolzonescientificallyandeffectively.Keywords:shipdischarge;emissioncontrolarea;bigdata

0引言

目前，随着相关环境保护法规的实施，对船舶排放的

前很多船舶管理企业都开始实现了数据化管理，建立了自身的数据库进行船舶的精细管理，但是数据挖掘技术水平低，仍难以获取有价值的排放数据信息。因此，船舶排放监测一直是困扰管理人员的难题。但也应该看到，船舶的数据化管理及大数据技术发展也为船舶排放监测提供了有利的基础条件，无论是从船舶管理的角度，还是从海事监管的角度，都可以基于现有船舶数据收集网络，利用大数据技术实现船舶排放的监测与分析，进而对船舶及航区的排放做出评估和预测。1船舶及航区的排放测算方法

Change)对于船舶废气排放量的计算主要有以下2种方法。将平均排放因子乘以燃料消耗量，以此算出船舶排放总量，该方法也称自上而下方法。

2)基于船舶的活动情况进行统计。该方法根据船舶的1)基于船舶的燃料消耗进行相关统计。该方法直接目前IPCC(IntergovernmentalPanelonClimate

监测提出了越来越高的要求。2015年12月，国家就制定了《珠三角、长三角、环渤海(京津冀)水域船舶排放控制区实施方案》，旨在设置和调整船舶排放控制区，该实施方案建议在珠三角、长三角、环渤海水域设立船舶大气污染物排放控制区，以控制对于我国船舶硫氧化物、氮氧化物和颗粒物的排放，改善中国沿海、滨海地区，尤其是港口城市的空气质量及环境情况。2018年7月，交通运输部官方网站又发布《交通运输部办公厅关于征求〈船舶排放控制区调整方案（征求意见稿）》意见的函。根据方案，海事监管部门需要掌握不同航区内的船舶排放的程度，进而对数据进行分析比较，进而科学设定船舶排放控制区，对重点保护区域禁止排放超标的船舶驶入。然而，目前船舶排放及特定海域的船舶排放总量都难于测量。一方面，由于船舶性能参数是一个复杂的综合系统，船舶营运过程中动力设备工况与排放模式复杂，加上受海上环境变化莫测的影响，船舶排放是难以准确测量的；另一方面，船舶排放问题所用到的数据量巨大，来源、类型多样，虽然目基金项目：国家级大学生创新创业训练计划项目（201910340036）；浙江海洋大学学生创新创业项目（xj2019042）；舟山市科技计划项目（2018C21018）活动性，将船舶类型划分为若干子类。根据发动机功率和燃料消耗系数计算出各子类的油耗，再乘以相应的排放因子，以此算得船舶排放总量，该方法也称自下而上方法。

基于“自上而下”和“自下而上”的两种船舶废气排放量计算方法大致相似，均需要首先获得相关船舶的燃料消耗量数据，然后根据转化关系进行估算。转化关系是针

76圆园员9年第12期网址：www.jxgcs.com电邮：hrbengineer@163.com机械工程师MECHANICALENGINEER对地球温暖化物质确定的，在计算手册中没有考虑燃料的燃烧状态，只是使用了基于燃料种类的平均排出系数，IPCC规定的计算方法中的系数如表1[1]所示。

根据IPCC的计算方法，由船舶使用的燃油性质、消耗

有各种船舶通讯网络有效融合，实现物联网与海事通讯网络联合数据传输，完成排放数据的转发与实时显示功能。由于监测节点收到各终端发来的数据是异步的，还需要同步数据，并在设定的时间间隔内打包每一组数据，便于船舶排放的实时显示，打包格式和实时显示界面如图2所示。

表1IPCC手册中在使量和推荐系数就可以得出船舶排用MFO时每单位燃料放量，而在船舶油耗消耗量的排出系数燃料类型CH4N2OCONOx

系数0.0070.0020.181.8信息方面，IMO海环委（MEPC）第69次会议已经提出，5000总吨及以上的船舶将被要求收集其所用每种类型燃料的消耗数据及其他附加的指定数据[2],3NMVOC0.052该机制的强制实施促进了船舶大数据技术的图2数据包格式及实时监控显示界面迅速发展，本团队前期基于物联网技术开发了船舶油耗远程监控系统，并不断扩展各种增值数据服务[3]。因此，利用该系统所涉及的大数据集、大数据技术与大数据应用，就能够将采集的油耗信息和环境信息经过转换和计算得到相对准确的排放值。毫无疑问，船舶排放在线监测可组成船舶数据远程监控系统的一个重要分支。2

单船排放数据收集网络

基于船舶参数大数据集的排放监测系统包括数据监测网络及数据传送网络，由数据采集终端、船舶中控端、服务器端、用户端组成。系统拓扑的整体情况如图1所示。

航区排放监测网络根据交通运输部发布的《船舶排放控制区调整方案

（征求意见稿）》,为掌握不同航区内的船舶排放的程度，在单船排放监测的基础上，可建立航区排放监测与评估网络，便于管理部门对船舶排放整体监测。

为了有效评估一定航区内所有船舶的排放值，需要建立航区排放数据收集网络。不同节点的单船排放数据采样精度与采样频率是不相同的，船舶进入航区的航速也是不相同的，单船排放值对航区排放值的影响权重也不相同，因此可根据该影响权重来调整监测子网络[4]，网络调整时以船舶排放计算方差值最小为原则。调整时，首对应的各权值为棕1，棕2，…棕n,测量方差为滓12，滓22，…滓n2，采用节点加权融合算法计算的总排放值及均方误差值可表示为：

赞=移棕iXi;x

i=1

ni=1n

先设定某区域内各船舶节点得到的排放值为X1，X2，…Xn,

（1）（2）

图1船舶(航区)排放数据收集网络拓扑图号传入传输端，该系统采用基于物联网的ZigBee模块组

2）船舶中控端。把各传感器传来的数据实时显示并

1）数据采集终端。检测各类船舶参数并转为数字信航区排放值计算时，一方面收集单船排放并采用加

权融合算法计算，另一方面以排放值的均方误差值最小为优化目的，调整单船排放值的权重，从而减少排放计算的误差。在此基础上建立的船舶排放监测系统除了能让船舶管理人员实时查看船舶排放数据、掌握船舶技术状况外，还具有排放数据预测、数据分析等各种增值服务功能。系统主界面如图3所示，实现了船舶排放监测的大数

赞)2)=移棕i2滓i2。滓=E((x-x

2

网，各终端（发送模块）把数据发送给协调器（接收模块）。同步打包发往网络中心服务器。

库，接收来自开放平台和管理平台的HTTP请求并响应。

3）服务器端。接收来自船舶中控端的数据并写入数据4）用户端。开放平台的用户只能查看所属船舶的实

图3船况数据界面时排放数据、历史排放数据和排放预测，管理平台可查看所有数据并管理。

兼顾现有船舶通讯协议的多样性，排放数据必须与现

网址：www.jxgcs.com电邮：hrbengineer@163.com圆园员9年第12期77机械工程师MECHANICALENGINEER据分析服务功能，能实时计算瞬时排放和平均排放等数据，包括每小时排放、每海里排放、每天平均排放等。根据平均排放可获取排放与其他数据之间的关联，进而预测不同航区、季节、装载下的船舶排放与营运效率。为船舶经营管理决策提供依据，对船舶动力装置的安全性和经济性做出评估，从而为船舶管理公司实现船岸一体化的船舶能耗管理提供基础[5]。

在上述WEB平台功能的基础上，系统数据服务功能还可以进一步扩展。根据船舶的GPS位置信息及船舶废气的排放量，进一步利用AIS信息，就能够计算、绘制船舶废气排放时空分布图，便于船舶监管部门查看特定航区内船舶排放所有数据，既能实时显示废气排放时空分布图上的船舶信息，又有利于船舶排放控制区的制定、修改与管理。根据对某航区船舶排放特征，显示的时空分布图如图4所示，船舶光点的颜色深浅代表了船舶排放大小，从图4可以看出船舶经过该航区的排放变化情况及航区排放总体情况。在管理流程中，一旦船舶排放超标，船舶将显示为红色并发出相应的警告；根据加权融合算法计算的航区排放值超标时，也会发出相应的警告提醒船舶监管部门。[1][2][3][4][5][6][7][8][9]内船舶排放监测方法，使特定航行区域内的多个船舶形成区域监测网络，并自动随船舶对航区的排放影响权重进行调整，提高了监测的准确性，有助于海事局等监管部门更直观地掌握船舶和航区实时动态排放数据，方便船舶调度与管理。

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完善的船舶参数综合信息服务平台为船舶的排放监测奠定了基础，根据IPCC相关规范，借助大数据技术来实现船舶和航区的排放监测具有重大意义。本文利用现有的船舶数据收集网络，详细地研究和设计了船舶排放在线监测系统，不仅排放监测数据获取、数据库建立、数据包设计及数据传送得到了实现；而且还提供了一种特定航区(上接第75页)

基础，具有一定的社会效益。在未来的研究中，可将现代信息技术与焊接过程（下料、焊接、防腐处理）深度融合，实现对焊接前端工序、焊接过程和后端处理的智能化协调管控。

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