技术领域
[0001] 本发明涉及一种船舶尾气检测并根据预警算法进行报警的系统及实现，属于大气污染防治及管理的信息化技术领域。
相关背景技术
[0002] 船舶，是水路运输的重要交通工具，有着比公路运输成本低廉、运力强大的众多优势。但由于船舶运营过程中，存在燃料品质不一，燃料含硫量高的现象，会排出大量的废气，废气中的主要污染物有硫氧化物、氮氧化物、颗粒物等，这些就是造成大气污染的根本原因，也是威胁人类健康的罪魁祸首。交通运输部，颁布《船舶大气污染物排放控制区实施方案》，自2022年1月1日起，船舶将使用含硫量不超过0.1％m/m(1000ppm)的更清洁船用燃料，并针对违规船舶制定更严格的控制措施。
[0003] 针对船舶污染防治，需要建立船舶污染尾气的长效监管机制，帮助行政执法单位快速分析尾气排放结果，准确定位嫌疑船舶，从根本上建立一体化的船舶尾气污染排放控制检测监管体系。
具体实施方式
[0042] 下面结合图1的船舶尾气检测预警系统实现的总体架构图、图2的船舶尾气检测预警系统实现的工作流程图以及图3的船舶尾气检测预警系统实现的功能结构图，对本发明的实施方式和实施步骤做进一步的详细说明。
[0043] 实施例1
[0044] 本发明提供船舶尾气检测预警系统，船舶尾气检测预警系统，所述系统包括网络中心、物联设备管理中心、数据中心、船舶尾气统一检测管理平台、指挥控制中心；其中，[0045] 所述网络中心，分为互联网和海事内网两个部分，所述互联网通过防火墙接入所述海事内网，主要提供系统升级、算法数据更新、船舶信息查询等功能，内外网隔离。通过防火墙设置内网数据信息不能通过防火墙穿透到互联网，保证海事内网的数据安全性，海事内网搭建无线热点，形成海事内网无线局域网络；
[0046] 所述物联设备管理中心，主要包括船舶尾气检测仪、动态升降滑轮组、船舶号识别摄像头等，所述船舶尾气检测仪，通过无线局域网络接入海事内网，所述动态升降滑轮组，搭载船舶尾气检测仪，通过升降，分别采集上开口排烟通道船舶和下开口排烟通道船舶的尾气，所述船舶号识别摄像头，通过无线局域网络接入海事内网；
[0047] 进一步的，所述船舶尾气检测仪，内置微型采样泵，通过泵吸式采集气体，内置GPRS和无线传输两种模式，实时远程传输数据，本发明中检测数据通过无线局域网络，上传3
至数据中心，气体浓度单位有ppm、mg/m 两种可以选择，量程为0～1157ppm，分辨率达到
0.1ppm；
[0048] 更进一步的，所述船舶号识别摄像头，自动识别船舶的IMO识别码(International Maritime Organization)，即国际海事组织识别码，船舶的IMO识别码一般在船尾或船体中部左舷和右舷的最深核定载重线以上，或上层建筑左舷或右舷或上层建筑正面的可见位置，在获取船舶的IMO识别号后，通过船舶信息查询接口查询到该船舶的详细登记信息，汇总后统一上传到数据中心；
[0049] 所述数据中心，安装部署在岸基控制中心，接入海事内网。数据中心从业务维度划分主要分为两类，一类是船舶基础信息，主要包括船舶的IMO、船主信息、船舶基本信息、航行信息等，一类是船舶尾气检测数据，主要包括船舶的IMO、检测时间、检测详细数据等。数据中心从数据频次维度划分主要分为两类，一类是实时数据，主要做船舶尾气超标预警使用，一类是历史数据，主要用做数据分析挖掘、行政决策等；
[0050] 进一步的，所述数据中心，提供数据存储组件，支持关系型数据库和非关系型数据库的存储，支持实时数据的快速入库以及历史海量数据的并发查询；
[0051] 更进一步的，所述数据中心，针对船舶尾气数据、船舶信息数据、预警算法、系统管理等源数据，通过数据中心提供的数据交换共享组件进行统一抽取、清洗，实现数据元定义、数据值转义、数据规则转换、数据安全加密等方式实现数据标准化，并将处理后的数据以接口、库表或者文件等形式进行共享；
[0052] 所述船舶尾气统一检测管理平台，安装部署在岸基控制中心的控制PC上，接入海事内网；
[0053] 进一步的，所述船舶尾气统一检测管理平台，包括船舶管理、船舶信息接入管理、检测数据接入管理、电子海图接入管理、预警算法管理等；
[0054] 更进一步的，所述船舶管理，主要实现嫌疑船舶管理、违规排放船舶管理，船舶列表及详细信息；
[0055] 更进一步的，所述船舶信息接入管理，主要调用船舶信息查询接口，通过船舶的IMO识别号，将查询到的船舶登记信息、船舶基础信息、船舶航行信息等做本地化存储，方便后续查询使用；
[0056] 更进一步的，所述检测数据接入管理，主要是对接船舶尾气检测仪设备，按照设备和数据接入规则，制定接入的数据格式和规范，存储前端设备采集和分析的实时检测数据，形成实时数据库；
[0057] 更进一步的，所述电子海图接入管理，实现海图的可视化，可对当前出入检测通道内的船舶信息、轨迹等进行展示。通过对超标船舶的历史信息进行查询，可查看该船舶经过本检测通道内的所有监测点位的监测记录，结合尾气检测数值、音视频图像、IMO船舶信息数据、尾气排放指标数据等证据链条，对结果进行回溯验证。
[0058] 更进一步的，所述预警算法管理，所述船舶尾气统一检测管理平台根据输入的实时检测出来的船舶尾气，计算出嫌疑船舶的尾气超标概率，并依据概率值对嫌疑船舶进行颜色标记，同时将船舶的信息数据和检测数据汇总后，展示在指挥控制中心的指挥大屏上；
[0059] 所述指挥控制中心，由控制PC和指挥大屏组成，所述控制PC，接入海事内网，所述指挥大屏与所述控制PC通过高清接口(HDMI)连接，实现控制PC对指挥大屏的控制和展示；
[0060] 进一步的，所述指挥控制中心，主要根据船舶尾气超标预警算法，展示船舶信息以及船舶实时检测数据信息，并对违规船舶信息生成违规船舶列表，在指挥大屏滚动轮播当日尾气超标船舶信息，点击某条违规船舶也可以展示该船舶的详细登记信息和实际排放数据。支持报警信息的语音播报及信息推送，违规船舶信息会推送给海事行政执法系统，做行政处罚的决策依据。
[0061] 基于上述系统，下文将详细介绍上述系统的具体实现过程：
[0062] 一、流程准备：
[0063] ①泵吸式尾气检测仪套装，内置采样容器、反应容器、比色容器、蒸馏水容量瓶、分光光度计等。
[0064] ㈠.采样容器内装7只盛有吸收液的多孔玻板吸收管，容量分别是50ml，每只多孔玻板吸收管配有保温装置，确保吸收液温度恒定在25℃。吸收液组成：36％‑38％的甲醛，5.5ml，环己二胺四乙酸二钠溶液ρ＝0.05mol/L，20ml，邻苯二甲酸氢钾，2.04g，三者合并，加水稀释至100ml，分别取25ml、20ml、15ml、10ml、8ml、6ml、25ml置于吸收液的多孔玻板吸收管中；ρ＝1ug/ml的二氧化硫标准溶液，分别取0ml、5ml、10ml、15ml、17ml、19ml、0ml置于吸收液的多孔玻板吸收管中，其中，第7只多孔玻板吸收管中不放置二氧化硫的标准溶液，将放置采集的船舶尾气样品。
[0065] ㈡.反应容器内装7只盛有反应溶液的容量瓶，容量分别是50ml，每只容量瓶与多孔玻板吸收管连接。反应溶液组成：氨磺酸，0.6g，氢氧化钠ρ＝1.5mol/L，4ml，加水稀释至100ml，分别取5ml置于反应溶液的容量瓶中，目的是除去氮氧化物，保证测量数据的准确性。
[0066] ㈢.比色容器内装7只盛有比色溶液的容量瓶，容量分别是50ml，每只容量瓶与反应容器的对应容量瓶连接。每只比色容量瓶配有保温装置，确保比色容液温度恒定在20℃。比色溶液组成：ρ＝0.2g/100ml的副玫瑰苯胺溶液，25ml，85％的浓磷酸，30ml，ρ＝1.2mol/L的浓盐酸，12ml，加水稀释至100ml，分别取5ml、5ml、5ml、5ml、5ml、5ml、5ml置于比色溶液的容量瓶中。
[0067] 上述㈠‑㈢的反应原理及物质配比依据：
[0068] Ⅰ.二氧化硫被甲醛溶液吸收，生成羟基甲基磺酸，化学反应式如下：
[0069] SO2+H2O+HCHO＝OHCH2SO3H，
[0070] 分子量比：3SO2:3H2O:3HCHO＝64*3:18*3:30*3＝192:54:90
[0071] Ⅱ.副玫瑰苯胺(红色)+盐酸＝盐酸副玫瑰苯胺(无色)
[0072] 分子量比：C19H18ClN3:3HCL＝323.5:109.5
[0073] Ⅲ.盐酸副玫瑰苯胺(无色)+羟基甲基磺酸＝聚玫瑰甲基磺酸(紫红色)+盐酸+水化学反应中所需的各物质的质量之比即是它们的物质的量之比，即分子量之比。
[0074] 综合上面的三个化学反应过程，配平后可以得出，它们反应式的分子量之比为：3SO2:3H2O:3HCHO:C19H18ClN3:3HCL＝64*3:18*3:30*3:323.5:109.5＝192:54:90:323.5:
109.5＝1:0.28:0.47:1.68:0.57。
[0075] ⅰ.二氧化硫含量计算：
[0076] 1ug/ml的二氧化硫标准溶液，二氧化硫的含量为5ug～19ug；
[0077] 待检测的二氧化硫气体最高浓度为3.3ug/ml(该数据由下文中根据最大吸光度测算得出)，二氧化硫含量为3.3ug/ml*25ml＝82.5ug
[0078] ⅱ.甲醛含量计算：
[0079] 37％的甲醛溶液，甲醛的密度为1.067mg/ml
[0080] 5.5ml*0.37*1.067mg/ml/100ml*25ml*1000ug/mg＝542.8ug
[0081] ⅲ.副玫瑰苯胺含量计算：
[0082] 0.2g/100ml的副玫瑰苯胺溶液
[0083] 25ml*0.2g/100ml/100ml*5ml*1000mg/g*1000ug/mg＝2500ug
[0084] ⅳ.盐酸含量计算：
[0085] 1.2mol/L浓盐酸溶液，
[0086] 12/1000L*1.2mol/L*36.5g/mol/100ml*5ml*1000mg/g*1000ug/mg＝26280ug[0087]
[0088]
[0089] 由上可以得出，配比的各个化学反应的物质的实际质量均大于物质的理论质量，满足反应要求。
[0090] ㈣.蒸馏水容量瓶，盛有25ml蒸馏水。
[0091] ㈤.分光光度计，波长调整到577nm处。
[0092] ②动态升降滑轮组，安装在检测通道两侧，搭载泵吸式尾气检测仪，调整升降高度，分别采集上开口排烟通道船舶和下开口排烟通道船舶的尾气。
[0093] ③船舶号识别摄像头，安装在检测通道两侧，用于拍摄和识别进入检测通道的船舶的IMO识别号。
[0094] ④数据中心，若干台数据库存储服务器，存储各类基础数据、业务数据，安装在岸基控制中心。
[0095] ⑤指挥大屏，用来展示船舶的数据信息，包括船舶的基础信息和检测数据，同时对超标的船舶进行预警信息提示，安装在岸基控制中心。
[0096] ⑥控制PC，主要安装和部署船舶尾气统一检测管理平台，向下连接数据中心进行数据通信，向上连接指挥大屏进行信息传输通信，安装在岸基控制中心。
[0097] 二、硬件装置及网络启动
[0098] 本发明中的网络，分为互联网和海事内网两个部分，互联网通过防火墙接入海事内网，内外网隔离，防止内网数据泄露。海事内网搭建无线热点，形成海事内网无线局域网络。打通网络，保证内外网的顺畅通信，启动船舶号识别摄像头、数据中心、指挥大屏、控制PC等硬件服务。
[0099] 三、软件系统启动
[0100] 船舶尾气统一检测管理平台，基于J2EE框架开发，前后端分离，分别部署在微服务Docker Web容器中，做初期化启动，加载平台必须依赖的组件和基础数据后，保证各服务状态正常，能提供船舶管理、船舶信息接入管理、检测数据接入管理、电子海图接入管理、预警算法管理等服务，相关外部服务可被调用。
[0101] 四、接收和处理船舶尾气检测数据
[0102] 船舶尾气统一检测管理平台获取泵吸式尾气检测仪的检测数据信息，存储在数据中心，并把检测数据导入预警算法，做分析处理。
[0103] 五、接收和处理船舶信息数据
[0104] 船舶尾气统一检测管理平台，会根据船舶号识别摄像头发送过来的船舶IMO识别号，调用船舶信息查询接口，将查询到的船舶信息和检测信息关联，方便在指挥大屏上展示完整信息。
[0105] 六、船舶尾气排放预警算法推演
[0106] 七、预警和指挥控制
[0107] 当预警算法计算的浓度值超过指标值(1000ppm)时，船舶尾气统一检测管理平台会将浓度数据传给数据中心，并对嫌疑船舶进行颜色标记，同时将船舶的信息数据和检测数据汇总后，展示在指挥控制中心的指挥大屏上。针对违规船舶信息生成违规船舶列表，在指挥大屏滚动轮播当日尾气超标船舶信息，点击某条违规船舶也可以展示该船舶的详细登记信息和实际排放数据，船舶尾气统一检测管理平台语音播报违规船舶的详细信息以及检测数据信息，违规船舶信息会推送给海事行政执法系统，做行政处罚的决策依据。
[0108] 八、流程结束
[0109] 当船舶进入检测通道后，每次检测都需要重复处理上述的①‑⑦部分的流程步骤。至此，一个完整的船舶尾气检测的闭环流程就结束了。
[0110] 实施例2：
[0111] 本申请还提供一种船舶尾气标准标定方法，该方法用于标定尾气超标的最高值，即用于对船舶尾气排放进行预警，推演过程为：
[0112] (1)船舶进入检测通道后，会根据船舶的排烟通道类型，用动态升降滑轮组调整泵吸式尾气检测仪的高度；
[0113] (2)泵吸式尾气检测仪中含有7套检测设备，每套检测设备分别含有1个多孔玻板吸收管、1个反应溶液容量瓶、1个比色溶液容量瓶，每套检测设备单独采集、反应、比色；
[0114] (3)泵吸式尾气检测仪中采样容器的第7只多孔玻板吸收管，通过采集泵以每分钟0.1L的流量采气15秒钟，采气容量为25ml，让尾气充分溶于吸收液5分钟。
[0115] (4)采样容器内的7只吸收管在充分吸收5分钟后，分别倒入对应相连接的7只反应容器中，再充分反应5分钟，除去氮氧化物、臭氧的干扰，分解二氧化硫；
[0116] (5)反应容器内的7只反应容量瓶充分反应5分钟后，再分别倒入对应相连接的7只比色容器中，恒温水浴，充分反应10分钟后，形成紫红色化合物，方便分光光度计在波长577nm处以蒸馏水为参量测定吸光度，入射光I0＝吸收光Ia+反射光Ir+分散光Id+透射光It；
[0117] (6)分光光度计在波长577nm处，用1cm比色皿，以蒸馏水做为参比溶液，调整仪器的额零吸收点，去校正反射(Ir)、分散(Id)等因素造成的入射光的损失，入射光I0＝吸收光Ia+透射光It；
[0118] (7)根据朗伯比尔(Lambert‑Beer)定律，溶液的吸光度A＝lgI0/It，其中，It/I0称为溶液的透射比，用T表示，即：A＝lgI0/It＝lg(1/T)，A的值越大，则表示溶液对光的吸收越强。T∈[10％,81％]的闭区间内，吸收光灵敏且有效，那么，当T＝81％时，A＝lg(1/0.81)＝0.091，当T＝10％时，A＝lg(1/0.1)＝1，所以吸光度的灵敏且有效的范围是：0.091～1；
[0119] (8)校正后，形成以各比色管的吸光度为纵坐标，二氧化硫质量为横坐标的标准曲线，查标准曲线得出二氧化硫质量；
[0120] 显色基本信息如下表格所示：
[0121] 显色温度 25℃显色时间 20min
稳定时间 20min
空白吸光度A0 0.028
大气压强 756mmHg
[0122] 标准溶液制作数据如下表格所示：
[0123]
[0124] 标准溶液下二氧化硫与吸光度数据如下表格所示：
[0125]
[0126]
[0127] 标准溶液下二氧化硫与吸光度标准曲线如4所示。
[0128] (9)线性回归方程推导过程f(x)＝ax+b：
[0129] 9.1.由检测数据的系列值分别计算两个变量的平均值
[0130] x平均＝(Σxi)/n＝(0+5+10+15+17+19)/6＝11
[0131] y平均＝(Σyi)/n＝(0+0.065+0.131+0.190+0.211+0.253)/6＝0.1417[0132] 9.2.计算检测数据的系列差值(即△)
[0133] △xi＝xi‑x平均
[0134] △x1＝0‑11＝‑11
[0135] △x2＝5‑11＝‑6
[0136] △x3＝10‑11＝‑1
[0137] △x4＝15‑11＝4
[0138] △x5＝17‑11＝6
[0139] △x6＝19‑11＝8
[0140] △yi＝yi‑y平均
[0141] △y1＝0‑0.1417＝‑0.1417
[0142] △y2＝0.065‑0.1417＝‑0.0767
[0143] △y3＝0.131‑0.1417＝‑0.0107
[0144] △y4＝0.190‑0.1417＝0.0483
[0145] △y5＝0.211‑0.1417＝0.0693
[0146] △y6＝0.253‑0.1417＝0.1113
[0147] 9.3.求出两个和值【A(x减去x的平均值)乘以(y减去y的平均值)，所有值相加求和；B(x减去x的平均值)的平方，求和】
[0148] A＝Σ△xi△yi＝△x1*△y1+…+△xn*△yn＝3.529
[0149] B＝Σ2(△xi)＝(△x1)2+…+(△xn)2＝274
[0150] 9.4.由公式计算出a＝Σ△xi△yi/Σ△2xi
[0151] 计算a的值，即等于第㈢步A步骤计算的值除以B步骤计算的值
[0152] a＝0.012879562
[0153] 9.5.由公式计算出b＝y平均‑a*x平均
[0154] 计算b的值，即等于y的平均值减去a乘以x的平均值
[0155] b＝‑0.000008516
[0156] 由以上步骤推导出：
[0157] f(x)＝0.012879562x‑0.000008516
[0158] 衡量线性回归模型拟合程度的指标，其值越接近1，则表示模型的拟合优度越高，2
用R表示，
[0159] R＝∑△xi△yi/根号[∑2(△xi)×∑2(△yi)]
[0160] ∑△xi△yi＝3.529
[0161] ∑2(△xi)＝274
[0162] ∑2(△yi)＝0.0456
[0163] R＝0.998382892
[0164] R2＝0.996768398
[0165] (10)比色容器中第7只比色管中测量数据如下：
[0166] 反应的是样品下二氧化硫与吸光度数据。
[0167]
[0168] 由线性回归方程可知，f(x)＝0.012879562x‑0.000008516，
[0169] x＝[0.734‑(‑0.000008516)]/0.012879562＝56.99017684ug
[0170] 采气温度(t)为25℃、大气压强(P)为756mmHg、体积容量(V)为25ml的条件下，换算成标准状态(1个标准大气压，即760mmHg)下的浓度：
[0171] C＝x÷[V*(273*P)/((273+t)*760)]＝56.99017684÷[25*(273*756)/((273+25)*760)]
[0172] ＝2.501528229ug/ml
[0173] 由质量浓度换算关系可知：
[0174] 1ppm＝2.86mg/m3，100ppm＝286mg/m3，1000ppm＝2860mg/m3
[0175] 2.501528229ug/ml＝2501.528229mg/m3＝874.6602199ppm≈874.7ppm[0176] 当透射率T＝10％时，A＝lg(1/0.1)＝1，吸光度达到理论的最大值：
[0177]
[0178]
[0179] Cmax＝(0.971‑(‑
[0180] 0.000008516))/0.012879562*(273+25)*760/273/756/25＝3.309233014ug/ml，3
即3309.233014mg/m，即3.309233014ug/ml，即1157.07448ppm。
[0181] 所以，本发明中测量的尾气范围是0ppm～1157ppm。
[0182] 交通运输部颁布的《船舶大气污染物排放控制区实施方案》中所述的“船舶将使用含硫量不超过0.1％m/m”，
[0183] 0.1％m/m＝0.1％＝0.1/100＝1/1000＝1/1000*1000000÷1000000＝1000*1/1000000＝1000p pm
[0184] 船舶尾气检测的浓度数据，通过无线局域网络，上传至数据中心。
[0185] 至此，预警算法推演计算全过程已描述完成。
[0186] 以上所述，仅是针对本发明的基本工作原理、工作流程以及较佳实现方式的概要描述而已，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本行业的技术人员以及业务人员，在不脱离本发明技术原理和实现方式的前提下，可能对本发明涉及的简单结构变换、各种变化和改进、以及本发明中实现优点的一个或者多个，均应视作本发明的保护范围内。
