何騰蛟 馮雯雯 杜何陽

一、前言

2015年12月，中國海域船舶排放控制區(qū)實施方案正式出臺，該方案規(guī)定在珠三角、長三角、環(huán)渤海（京津冀）水域設立船舶排放控制區(qū)，控制船舶硫氧化物、氮氧化物和顆粒物排放，改善我國沿海和沿河區(qū)域特別是港口城市的環(huán)境空氣質量，并為控制船舶大氣污染奠定基礎。[1]2016年1月29日，中華人民共和國海事局印發(fā)《關于加強船舶排放控制區(qū)監(jiān)督管理工作的通知》，深圳市于2016年10月1日提前實施2017年的船舶排放控制區(qū)要求，是繼上海市之后第二個提前實施的核心港口城市。自2017年9月1日起，長三角船舶排放控制區(qū)全面提前實施交通運輸部船舶排放控制區(qū)方案，即所有船舶到港以后按要求換用低硫燃油或使用岸電、尾氣后處理等替代措施。[2]日前，交通運輸部等13個部門聯(lián)合印發(fā)《關于加強船用低硫燃油供應保障和聯(lián)合監(jiān)管的指導意見》（簡稱《指導意見》），提出通過政策引導、行業(yè)自律、強化監(jiān)管，維護公平、有序、健康的船用燃油流通市場秩序，提升我國船用低硫燃油供應能力和質量，促進綠色交通發(fā)展。

為有效提升海事主管機關對船舶排放控制區(qū)內船舶大氣污染防治監(jiān)督管理能力，監(jiān)控轄區(qū)船舶硫含量燃油的使用情況，貫徹落實交通運輸部船舶排放控制相關要求，筆者擬基于物聯(lián)網(wǎng)技術，提出對船舶排放控制區(qū)內船舶排放廢氣進行實時監(jiān)控的系統(tǒng)設想，以縮小船舶排放控制區(qū)監(jiān)控對象范圍，為主管機關查處不符合燃油硫含量標準的船舶提供參考，提高其監(jiān)管技術水平和效能。

二、船舶排放控制區(qū)監(jiān)管現(xiàn)狀與存在問題

現(xiàn)階段，海事主管機關對控制區(qū)內船舶大氣污染防治的監(jiān)管方式主要是利用船舶尾氣遙測感應技術、現(xiàn)場巡視、AIS（船舶自動識別系統(tǒng)）及CCTV視頻監(jiān)控等手段，并結合現(xiàn)場監(jiān)督和安全檢查工作，對船舶的輪機日志、燃油供受單證等材料進行核查。監(jiān)管手段單一、執(zhí)法力量不足及實施困難等問題已經(jīng)越來越對監(jiān)控工作產(chǎn)生掣肘，監(jiān)管效果難以得到保證。據(jù)筆者分析，現(xiàn)行的船舶廢氣監(jiān)控手段具體存在以下問題：

（1）實時性差，不利于掌握排放控制區(qū)邊界船舶廢氣排放情況。

（2）視頻覆蓋不夠廣，存在監(jiān)控盲點，不能及時發(fā)現(xiàn)船舶違法排放并處理。

（3）連續(xù)性差，不能夠長時間連續(xù)監(jiān)控船舶廢氣排放情況。

（4）數(shù)據(jù)零碎分散，不利于管理部門宏觀掌握轄區(qū)船舶廢氣排放情況。

三、船舶排放控制區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)可行性分析

1.環(huán)境治理

伴隨我國海運業(yè)的快速發(fā)展，港口吞吐量及船舶進出港艘次不斷增加，船舶及其相關作業(yè)活動對海洋環(huán)境造成的污染威脅也不斷加大，目前又由于霧霾天氣愈加頻繁地出現(xiàn)，船舶廢氣排放也引起了公眾的廣泛關注，香港環(huán)保署數(shù)據(jù)顯示，2012年，船舶排放的二氧化硫、氮氧化物排放分擔率分別達到50%和32%；中國環(huán)保部機動車排污監(jiān)控中心統(tǒng)計顯示，2013年全國船舶二氧化硫排放量約占全國排放總量的8.4%，氮氧化物排放量占11.3%，受船舶污染影響最大的是港口城市，其次是江河沿岸城市。[3]

2.政策推動

綜觀有關船舶排放控制區(qū)的政策文件，其主旨包含推動控制船舶大氣污染，改善港口城市環(huán)境空氣質量，大力發(fā)展智慧環(huán)保，完善污染物排放在線監(jiān)測系統(tǒng)，增加監(jiān)測污染物種類，擴大監(jiān)測范圍，推動我國船舶大氣污染防治工作，提高環(huán)境污染風險防范水平和應急處理能力等多方面。

3.技術支持

各級海事機構在之前的信息化管理方面已與通迅技術公司有成功的戰(zhàn)略合作基礎，諸如船位報告系統(tǒng)、遠程移動圖像傳輸系統(tǒng)、海事水上安保指揮GIS平臺、海事業(yè)務管理平臺以及CCTV電視監(jiān)控等系統(tǒng)的開發(fā)，因此，雙方在此基礎上可以將船舶排放控制區(qū)監(jiān)管工作加入到合作領域中，不斷深入推進信息化管理的途徑和方式。

4.“智慧海事”建設

在海事監(jiān)管模式由“汗水型”向“智慧型”快速轉變的大背景下，搭建“互聯(lián)網(wǎng)+海事監(jiān)管+大氣污染防治”的平臺，高效能發(fā)揮船舶動態(tài)監(jiān)控中心作用，完善中國海事云計算平臺，匯集、整合各類海事信息等多方面資源的功能，助力船舶排放控制區(qū)監(jiān)管工作。

四、船舶排放控制區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)設計原理

船舶排放控制區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)將物聯(lián)網(wǎng)技術和船舶排放控制區(qū)相結合，實現(xiàn)在船舶排放控制區(qū)對船舶廢氣排放情況進行實時監(jiān)控。該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集和視頻監(jiān)控兩部分組成，由于目前的視頻監(jiān)控技術較為成熟，本文只對系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集功能的實現(xiàn)進行詳細介紹。數(shù)據(jù)采集部分由傳感器、GPRS數(shù)據(jù)采集終端、GPRS無限通信網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)管理中心、客戶端監(jiān)控軟件組成，數(shù)據(jù)采集終端與客戶端采集平臺的通信協(xié)議為標準MODBUS TCP協(xié)議[4]（系統(tǒng)框圖如圖1所示）。

圖1 船舶排放控制區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)框

數(shù)據(jù)采集部分的核心環(huán)節(jié)是數(shù)據(jù)采集終端和客戶端監(jiān)控軟件的功能實現(xiàn)。GPRS 數(shù)據(jù)采集終端作為嵌入式PC與無線GPRS MODEM 的結合，具備了GPRS撥號上網(wǎng)和TCP/IP數(shù)據(jù)通信的功能，[4]通過向數(shù)據(jù)管理中心發(fā)起TCP或UDP通信請求，建立通信連接，進行數(shù)據(jù)雙向通信，接到串口數(shù)據(jù)時，DTU立即將串口數(shù)據(jù)封裝到TCP/UDP包里，發(fā)送到數(shù)據(jù)管理中心。每個數(shù)據(jù)采集終端都分配唯一的IP地址，以隊列形式排列，在正常通信鏈接情況下，對各數(shù)據(jù)采集終端進行掃描，成功采集完整的數(shù)據(jù)包。

客戶端監(jiān)控軟件為主管機關排放控制區(qū)大氣污染防治提供重要參考，通過云計算、高性能計算機硬件技術手段，整合數(shù)據(jù)庫資源，通過建立模型對存儲的排放數(shù)據(jù)進行實時處理、分析和挖掘，并結合CCTV電視監(jiān)控系統(tǒng)，使客觀數(shù)據(jù)與直觀監(jiān)控第一時間內進行結合，供執(zhí)法人員進行快速有效監(jiān)管。船舶廢氣排放實時數(shù)據(jù)信息主要采用網(wǎng)頁瀏覽模式獲得，通過經(jīng)過授權的計算機在互聯(lián)網(wǎng)直接登陸監(jiān)控界面，并可實現(xiàn)在CCTV電視監(jiān)控覆蓋范圍內對目標船舶進行同步視頻監(jiān)控，進而便于指揮中心及時發(fā)現(xiàn)違排船舶，快速啟動現(xiàn)場執(zhí)法及相關證據(jù)收集程序，為主管機關查處不符合燃油硫含量標準的船舶提供有力依據(jù)。

五、船舶排放控制區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集功能實現(xiàn)

1.傳感器硬件設計

根據(jù)現(xiàn)行船舶排放控制區(qū)第一階段對硫氧化物、氮氧化物和顆粒物的排放控制要求，船舶排放控制區(qū)內有條件的港口可以實施船舶靠岸停泊期間使用硫含量≤0.5% m/m的燃油等高于現(xiàn)行排放控制要求的措施，本系統(tǒng)主要對進入排放控制區(qū)的船舶煙囪排放廢氣進行持續(xù)監(jiān)測，船舶廢氣具體包括氣態(tài)污染物（包括硫氧化物、氮氧化物等）以及顆粒物（也稱煙塵）。其中，氣態(tài)污染物監(jiān)測采用PH傳感器HT61-P899，含塵（顆粒物）廢氣的監(jiān)測采用粉塵傳感器DSM501A，將傳感器設備安裝到船舶煙囪頂部排氣管的適當位置。為了適應燃燒過程后氣樣的連續(xù)采集，傳感器材料需具備較強的防爆能力，在高溫條件下抗腐蝕性能較強。

2.GPRS DTU

數(shù)據(jù)傳輸單元DTU （Data Transfer unit），通過無線通信網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸，可以進行串口數(shù)據(jù)與IP數(shù)據(jù)互轉。具有RS485/RS232接口，串口速率：110 bps～230 400 bps，采用MODBUS ASCⅡRTU工業(yè)通信協(xié)議，電源適應范圍為DC6 V～DC32 V，內置電源反向保護和過壓過流保護。

3.數(shù)據(jù)采集程序的實現(xiàn)

本程序單船數(shù)據(jù)采集的氣態(tài)污染物和顆粒物這兩路信號是以并聯(lián)形式與RS485總線連接，程序需對數(shù)據(jù)采集過程中出現(xiàn)的異常情況予以考慮處理，流程圖如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集程序流程

通過設置定時器對氣態(tài)污染物和顆粒物數(shù)據(jù)循環(huán)讀取，程序開始運行后，首先清空輸入輸出緩沖區(qū)，送出讀取目標數(shù)據(jù)的命令，同時內部定時器開始計時，定時間隔超過儀表回答延遲默認本次通訊失敗，程序自動讀取下一組數(shù)據(jù)。這里設定定時間隔為100 ms，在100 ms之內，若接收緩沖區(qū)收到大于等于9個字節(jié)，認為通訊成功，隨即存儲測量值，進行數(shù)據(jù)處理，顯示有價值的采集數(shù)據(jù)。充分考慮網(wǎng)絡覆蓋盲區(qū)，使用數(shù)據(jù)庫功能，可進一步實現(xiàn)對已采集數(shù)據(jù)實時進行存儲。[5]

4.數(shù)據(jù)采集終端供電方式

數(shù)據(jù)采集終端主要采用船電供電方式，但需要在終端機箱內安裝備用蓄電池。正常情況下，船舶電力系統(tǒng)為數(shù)據(jù)采集終端供電，當出現(xiàn)船舶電力系統(tǒng)供電異常的情況，通過電源管理模塊將供電模式切換到蓄電池供電。

5.數(shù)據(jù)采集終端的防爆要求

考慮到數(shù)據(jù)采集終端適用在不同船型上的防爆要求，數(shù)據(jù)采集終端機箱必須使用不銹鋼防爆機箱。

6.GPRS無限通信網(wǎng)絡

GPRS網(wǎng)絡是依托于手機模塊的功能實現(xiàn)的，只要是具有GPRS功能模塊的終端處于移動信號覆蓋的地方，無須用戶自己鋪設有形電纜或架設基站。[6]GPRS無限通信網(wǎng)絡包括GPRS模塊、GPRS/Internet網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)管理單元。GPRS無線通信系統(tǒng)由發(fā)射設備、傳輸介質、接收設備三大部分組成?？紤]到排放控制區(qū)內部分海域尚未覆蓋通信網(wǎng)絡的情況，應當增加數(shù)據(jù)儲存單元，一旦網(wǎng)絡連接成功，立即向數(shù)據(jù)管理中心發(fā)送斷網(wǎng)期間儲存的船舶煙囪排放廢氣情況的數(shù)據(jù)信息。GPRS數(shù)據(jù)采集終端聯(lián)網(wǎng)傳輸框圖如圖3所示。

圖3 GPRS數(shù)據(jù)采集終端聯(lián)網(wǎng)傳輸框圖

六、CCTV在船舶排放控制區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)中的重要運用

本系統(tǒng)通過將物聯(lián)網(wǎng)技術和船舶排放控制區(qū)監(jiān)管相結合，擬實現(xiàn)對排放控制區(qū)內目標船舶煙囪排放情況實行實時有效監(jiān)控的目的，但這種方式獲取的僅僅是原始數(shù)據(jù)信息，缺少直觀方式對排放情況進行觀察了解，并且如遇及系統(tǒng)配置的電器元件出現(xiàn)故障時，不能及時有效反饋現(xiàn)場信息，因此本系統(tǒng)還需要利用原有CCTV電視監(jiān)控系統(tǒng)作為必要完善和補充。CCTV系統(tǒng)中高清攝像頭的運用使得煙霧清晰可見，通過有針對性的視頻智能分析，可以做到煙體色彩識別（分析識別煙體的顏色）、煙體黑度分析（判斷煙體的黑度信息）和與船舶排放控制區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)所采集的原始數(shù)據(jù)相比對驗證。根據(jù)環(huán)保部門提供的數(shù)據(jù)監(jiān)測內容，設置種類不同、等級不同的報警閥值，當數(shù)據(jù)超過閥值時，聯(lián)動預案啟動，[7]通過OSD疊加和GIS地圖對接技術，直觀地將目標船舶視頻在指揮中心大屏彈出，在電子海圖上顯示其位置信息，并于第一時間通知基層海事執(zhí)法人員及時趕往現(xiàn)場進行船舶燃油硫含量查驗等相關工作。

七、結語

首先，船舶排放控制區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)技術對排放控制區(qū)內船舶排放廢氣進行實時可靠數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，不僅為主管機關提供一手數(shù)據(jù)，準確及時掌握行政處罰依據(jù)，更有效地提高了主管部門的管理效率，縮小船舶排放控制區(qū)監(jiān)控對象范圍，極大提高了查處燃油硫含量不符合現(xiàn)行標準的船舶的可能性，提升主管機關對船舶排放控制區(qū)的管控效果，解決執(zhí)法人員力量不足與監(jiān)管任務繁重之間的矛盾。其次，該系統(tǒng)反映的監(jiān)控數(shù)據(jù)可以使船公司及時了解本公司經(jīng)營船舶是否在排放控制區(qū)有違排現(xiàn)象，這樣可以盡量避免因船舶違排而面臨處罰和扣分的情況，也可以促使船公司督促所經(jīng)營船舶嚴格執(zhí)行排放控制區(qū)排放標準，承擔起相應的社會責任。同時，船舶排放控制區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)可以定期對收集數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，利用政務公開的方式，使公眾了解船舶排放控制區(qū)的環(huán)境狀況，參與到船舶大氣污染防治的社會治理工作中。因此，該監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展前景較為良好，具備研究開發(fā)的基礎動力。

1]李慧.我國首次設立船舶排放控制區(qū)[N].光明日報,2015-2-08(8).

2]魏敏.9月起長三角船舶排放控制區(qū)全面實施船舶靠岸換油(2017-09-05)[2017-10-15].[EB/OL].http://m.ce.n/bwzg/201709/05/t20170905_25749920.shtml.

3]王昆婷.《船舶發(fā)動機排氣污染物排放限值及測量方法(中國第一、二階段)》二次公開征求意見 促使在用船舶全面減排[N].中國環(huán)境報,2015-06-08(6).

[4]練操,范萌,陳長軍.基于測量機器人的遠程遙控技術開發(fā)[J].人民長江,2011(22):89-95.

[5]王平,張新東君.基于智能儀表的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計[J].自動化與儀表,2009(4):9-18.

[6]趙敏.基于GPRS網(wǎng)絡的無線通信系統(tǒng)的研究和實現(xiàn)[D].太原:太原理工大學,2008.

[7]蔣豐.視頻監(jiān)控在智慧環(huán)保中的應用與發(fā)展[J].中國安防,2014(5):21-25.