船舶大气污染物排放评估与预警技术
周丹 文捷 耿雄飞
摘 要：为对船舶污染物排放进行在线监控，以基于AIS数据的动力法为基础，利用AIS、BDS等船舶位置跟踪技术，开展单船数据、多船数据和区域数据的船舶污染物排放定量计算，以及船舶排放的空间分布状况计算。提出一套高效率、低成本、易操作的船舶排放控制区海事监管技术体系。满足对现代监管设备、快速反应设备、信息化建设设备以及船舶防污设备等的需求。
关键词：大气污染物评估；海事监管；动力法；AIS
中图分类号：U698.7 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2018）4-0053-04
近年来我国大气环境面临严峻考验，大气污染物排放总量居高不下，因此对船舶尾气监测方法的研究对海事监管部门具有重要意义。中远集运采用信息化及船岸通讯技术研发了船岸一体化燃油消耗监控平台。船舶油耗远程實时监控管理系统综合应用多项高新技术，可实时采集、运算并显示数据。文献基于内河船舶装载的AIS终端进行扩展开发，利用传感器、AIS/3G通信设备和软件监控平台设计一套污染物排放在线监控、报警系统。文献对国际海事组织推广的船舶能效设计指数和船舶能效营运指数进行了详细的分析，提出从船舶设计及营运管理的角度降低船舶碳排放。
本文以基于AIS的动力法为基础，利用AIS数据对系统设计、Demo开发等步骤，构建一套完整的船舶大气污染物排放定量计算系统。
1 基于AIS数据的动力法船舶污染排放清单计算
本研究采用基于AIS数据的动力法完成对中国海域的沿海和远洋船舶排放量计算。
基于功率计算船舶排放量的基本公式船舶主机、船舶辅机和锅炉输出功率的计算公式（1）。
其中：Ei为某种类型的污染物的排放量，单位为：g；Load 为船舶主机、船舶辅机或者锅炉在某种船舶运行状态下的负荷功率。具体计算中，当主机负荷小于20%时，需对主机负荷功率进行调整，将最大持续功率乘以其低负荷调整系数（LF），辅机功率依照不同船舶状态需进行调整，具体调整措施为辅机功率乘以船舶辅机负荷比例系数；锅炉的负荷则指其功率，kW；Act 为船舶航行的时间，单位为：h。EF为该种污染物的排放因子，单位为：g/kW·h；FCF为燃油修正系数，无量纲单位；CFi 为排放修正因子，无量纲单位。
公式（2）是船舶船舶主机低负荷调整系数公式。
其中：LF为船舶主机低负荷调整系数，无量纲单位。Speed Actual 为船舶航行的实际航速，单位：节；Speed Maximum 为船舶的最大设计航速，单位：节。参数的获取参考文献。
2 功能设计
系统功能设计如表1所示。
3 交互设计
交互设计包括区域实时船舶污染排放量查看、区域污染物排放查看、船舶信息查看、单船污染物排放、目标快速定位、地图操作6个功能的交互设计如表2所示。
4 系统应用
4.1 数据来源范围与数据说明
数据来源地理范围如图1，东经120度至东经122度、北纬30度40分至北纬32度。时间为2017年8月15日7时59分38秒至2017年8月16日7时59分59秒。动态数据包括：航行状态、转向率、速度、经度、纬度、对地航向、船首向、预计到达时间、目的港、目的港id、吃水深度；静态数据包括：MMSI 船名、建造年代、设计航速、船型、载重吨、主机转速、主机功率、燃油类型。
4.2 系统计算过程
4.2.1 单船污染物排放量计算
（1）基本信息。MMSI：413823691；船名：未知；IMO：未知。
（2）时间范围。2017年8月15日7时59分38秒至2017年8月15日24时59分59秒。
（3）排放量统计（单位：克）。目标一在监控时间范围内的污染物排放量统计结果如表3和图2所示。
4.2.2 区域污染物排放量计算
（1）区域范围。经度范围：E121032′02″-E122003′43″；纬度范围：N31036′06″-N31047′50″。
（2）时间范围。2017年8月15日7时59分38秒至2017年8月15日24时59分59秒。
（3）污染物统计（单位：克）。区域一在监控时间范围内的污染物排放量统计结果如表4、5和图3、4。
5 结语
（1）以船舶大气排放源清单计算方法为基础，提出高时间、高空间分辨率的实时动态船舶大气污染物排放清单建立技术。
（2）研发了船舶大气污染物排放定量计算系统及DEMO开发，可进行单船数据、多船数据和区域数据的定量计算，并具备在电子海图上模拟展示系统主要功能的能力。
参考文献：
[1]郑士君，黄爱平，岳跃申.中远集运能效管理信息系统与碳排放计算器[J].中国海事，2011，（1）：40-42.
[2]张海滨，胡永飞，张景奇等.二氧化碳排放量化方法探讨[J].中外能源，2013，18（3）：96-100.
[3]邓健，崔振威，杨献朝等.内河船舶污染物排放在线监控系统[J].中国航海，2014，37（2）：93-96.
[4]郑海林，王帅军，刘虎.基于数据的船舶碳排放量分析研究.中国水运，2014，14（3）：157-158
[5] 王征，张卫，耿雄飞，彭传圣，秦翠红. 典型航线船舶排放清单及排放特征研究. 交通运输部水运科学研究院，2015，（4）：44-49.
[6]Yang，D.Q，Kwan，S.H，Lu，Y. An emission inventory of marine vessels in Shanghai in 2003 . [J].Environmental Science& Technology，2007，41（15）.
[7]金陶胜，殷小鸽，许嘉，等.天津港运输船舶大气污染物排放清单[J].海洋环境科学，2009，28（06）：623-625.
[8]刘静，王静，宋传真.青岛市港口船舶大气污染排放清单的建立及应用[A].2011，27（3）：50-53 . [J].中国环境监测，2011，27（3）：50-53.
[9]伏晴艳，沈寅，张健. 上海港船舶大气污染物排放清单研究[J]. 安全与环境学报. 2012（5）：57-64.
基金项目：国家科技支撑计划（2015BAG20B00）
摘 要：为对船舶污染物排放进行在线监控，以基于AIS数据的动力法为基础，利用AIS、BDS等船舶位置跟踪技术，开展单船数据、多船数据和区域数据的船舶污染物排放定量计算，以及船舶排放的空间分布状况计算。提出一套高效率、低成本、易操作的船舶排放控制区海事监管技术体系。满足对现代监管设备、快速反应设备、信息化建设设备以及船舶防污设备等的需求。
关键词：大气污染物评估；海事监管；动力法；AIS
中图分类号：U698.7 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2018）4-0053-04
近年来我国大气环境面临严峻考验，大气污染物排放总量居高不下，因此对船舶尾气监测方法的研究对海事监管部门具有重要意义。中远集运采用信息化及船岸通讯技术研发了船岸一体化燃油消耗监控平台。船舶油耗远程實时监控管理系统综合应用多项高新技术，可实时采集、运算并显示数据。文献基于内河船舶装载的AIS终端进行扩展开发，利用传感器、AIS/3G通信设备和软件监控平台设计一套污染物排放在线监控、报警系统。文献对国际海事组织推广的船舶能效设计指数和船舶能效营运指数进行了详细的分析，提出从船舶设计及营运管理的角度降低船舶碳排放。
本文以基于AIS的动力法为基础，利用AIS数据对系统设计、Demo开发等步骤，构建一套完整的船舶大气污染物排放定量计算系统。
1 基于AIS数据的动力法船舶污染排放清单计算
本研究采用基于AIS数据的动力法完成对中国海域的沿海和远洋船舶排放量计算。
基于功率计算船舶排放量的基本公式船舶主机、船舶辅机和锅炉输出功率的计算公式（1）。
其中：Ei为某种类型的污染物的排放量，单位为：g；Load 为船舶主机、船舶辅机或者锅炉在某种船舶运行状态下的负荷功率。具体计算中，当主机负荷小于20%时，需对主机负荷功率进行调整，将最大持续功率乘以其低负荷调整系数（LF），辅机功率依照不同船舶状态需进行调整，具体调整措施为辅机功率乘以船舶辅机负荷比例系数；锅炉的负荷则指其功率，kW；Act 为船舶航行的时间，单位为：h。EF为该种污染物的排放因子，单位为：g/kW·h；FCF为燃油修正系数，无量纲单位；CFi 为排放修正因子，无量纲单位。
公式（2）是船舶船舶主机低负荷调整系数公式。
其中：LF为船舶主机低负荷调整系数，无量纲单位。Speed Actual 为船舶航行的实际航速，单位：节；Speed Maximum 为船舶的最大设计航速，单位：节。参数的获取参考文献。
2 功能设计
系统功能设计如表1所示。
3 交互设计
交互设计包括区域实时船舶污染排放量查看、区域污染物排放查看、船舶信息查看、单船污染物排放、目标快速定位、地图操作6个功能的交互设计如表2所示。
4 系统应用
4.1 数据来源范围与数据说明
数据来源地理范围如图1，东经120度至东经122度、北纬30度40分至北纬32度。时间为2017年8月15日7时59分38秒至2017年8月16日7时59分59秒。动态数据包括：航行状态、转向率、速度、经度、纬度、对地航向、船首向、预计到达时间、目的港、目的港id、吃水深度；静态数据包括：MMSI 船名、建造年代、设计航速、船型、载重吨、主机转速、主机功率、燃油类型。
4.2 系统计算过程
4.2.1 单船污染物排放量计算
（1）基本信息。MMSI：413823691；船名：未知；IMO：未知。
（2）时间范围。2017年8月15日7时59分38秒至2017年8月15日24时59分59秒。
（3）排放量统计（单位：克）。目标一在监控时间范围内的污染物排放量统计结果如表3和图2所示。
4.2.2 区域污染物排放量计算
（1）区域范围。经度范围：E121032′02″-E122003′43″；纬度范围：N31036′06″-N31047′50″。
（2）时间范围。2017年8月15日7时59分38秒至2017年8月15日24时59分59秒。
（3）污染物统计（单位：克）。区域一在监控时间范围内的污染物排放量统计结果如表4、5和图3、4。
5 结语
（1）以船舶大气排放源清单计算方法为基础，提出高时间、高空间分辨率的实时动态船舶大气污染物排放清单建立技术。
（2）研发了船舶大气污染物排放定量计算系统及DEMO开发，可进行单船数据、多船数据和区域数据的定量计算，并具备在电子海图上模拟展示系统主要功能的能力。
参考文献：
[1]郑士君，黄爱平，岳跃申.中远集运能效管理信息系统与碳排放计算器[J].中国海事，2011，（1）：40-42.
[2]张海滨，胡永飞，张景奇等.二氧化碳排放量化方法探讨[J].中外能源，2013，18（3）：96-100.
[3]邓健，崔振威，杨献朝等.内河船舶污染物排放在线监控系统[J].中国航海，2014，37（2）：93-96.
[4]郑海林，王帅军，刘虎.基于数据的船舶碳排放量分析研究.中国水运，2014，14（3）：157-158
[5] 王征，张卫，耿雄飞，彭传圣，秦翠红. 典型航线船舶排放清单及排放特征研究. 交通运输部水运科学研究院，2015，（4）：44-49.
[6]Yang，D.Q，Kwan，S.H，Lu，Y. An emission inventory of marine vessels in Shanghai in 2003 . [J].Environmental Science& Technology，2007，41（15）.
[7]金陶胜，殷小鸽，许嘉，等.天津港运输船舶大气污染物排放清单[J].海洋环境科学，2009，28（06）：623-625.
[8]刘静，王静，宋传真.青岛市港口船舶大气污染排放清单的建立及应用[A].2011，27（3）：50-53 . [J].中国环境监测，2011，27（3）：50-53.
[9]伏晴艳，沈寅，张健. 上海港船舶大气污染物排放清单研究[J]. 安全与环境学报. 2012（5）：57-64.
基金项目：国家科技支撑计划（2015BAG20B00）
