基于可视化抓拍的船舶尾气在线监测方法

技术领域

本发明涉及船舶污染物监测技术领域，具体为基于可视化抓拍的船舶尾气在线监测方法。

背景技术

船舶各种船只的总称；船舶是能航行或停泊于水域进行运输或作业的交通工具，按不同的使用要求而具有不同的技术性能、装备和结构型式；

船舶是一种主要在地理水中运行的人造交通工具；另外，民用船一般称为船，军用船称为舰，小型船称为艇或舟，其总称为舰船或船艇；内部主要包括容纳空间、支撑结构和排水结构，具有利用外在或自带能源的推进系统；外型一般是利于克服流体阻力的流线性包络，材料随着科技进步不断更新，早期为木、竹、麻等自然材料，近代多是钢材以及铝、玻璃纤维、亚克力和各种复合材料。

水上运输的繁荣发展是推动经济发展的强大动力，但是与此同时，伴随而生的船舶大气污染排放给区域空气质量带来的压力和挑战也不容小觑；船舶引擎以柴油机为主，在航行和停泊过程中会持续排放硫氧化合物、氮氧化合物和含碳颗粒物等大气污染物；当这些污染物质随大气向内陆进行迁移，可能加重城市的空气污染状况，对人体健康和生态环境造成危害”；

船舶尾气主要污染物种类及危害船舶尾气主要污染物种类包括二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳、大气颗粒物和碳氢化合物等；二氧化硫船舶尾气排放的二氧化硫主要来源于燃料油中硫的氧化，其浓度水平和排放量除了与燃料油中硫含量有直接关系之外，船舶发动机供气量也会影响其浓度变化；有研究表明，全球每年远洋船舶排放的SO

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了基于可视化抓拍的船舶尾气在线监测方法，解决了上述背景技术中提出的问题。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：基于可视化抓拍的船舶尾气在线监测方法，包括尾气遥测仪、船舶抓拍系统以尾气在线监测系统；

所述尾气遥测仪与船舶抓拍系统之间采用无线信号传输；

所述船舶抓拍系统有船舶检测相机、抓拍相机、AIS接收机、黑烟智能分析仪以及网络传输单元组成，所述网络传输单元分别与船舶检测相机、抓拍相机、AIS接收机和黑烟智能分析仪之间电性串联连接；

所述船舶检测相机和抓拍相机是基于视频的机器视觉、深度学习和形态学分析技术在检测相机画面上检测船舶，检测到船舶后触发高清云台自动对焦变倍，实现高清抓拍，抓拍范围10米～1200米，能确保昼间、夜间均能清晰拍清船舶全貌和船舶细节，确保看清船名，且能测得船舶距离抓拍点的距离、船速和航向；

基于船舶高清照片，通过深度学习技术，分析船舶黑烟特征，选用CNN作为特征提取网络，得到黑烟识别判别模型；

所述黑烟识别过程分为两步：首先，生成黑烟候选框，通过颜色、轮廓等特征，将图像划分为成百上千个候选框，然后，利用CNN网络判断每个候选框是否是黑烟，最终得到船舶黑烟的准确位置；

其中黑烟识别的内容具体分为船舶尾气信号自动识别和燃油硫含量自动估算；

船舶尾气信号自动识别算法首先对遥测数据进行滤波并差分给出增量判别指标，再结合SO

燃油硫含量自动估算首先对遥测数据对给定的嫌疑时刻进行判别，结合时间序列的导数对峰值的起始和结束时刻进行精准识别并对嫌疑峰值的真假进行判定，最后结合嗅探法原理根据尾气硫碳比推算燃油硫含量。

可选的，所述尾气遥测仪由污染物监测系统、气象系统和数据采集处理系统组成；

所述污染物监测系统是以光谱分析技术为核心的在线自动监测系统，采用紫外荧光法测量SO

气象系统以超声波技术为核心气象监测系统，对风速、风向、大气压、温度、湿度参数进行监测；

数据采集处理系统对船舶尾气排放数据进行综合分析，用浓度变化信号反推燃油硫含量和单位燃油硫氧化物、氮氧化物的排放情况，监测船舶尾气排放的指标数据。

可选的，所述网络传输单元设为交换机。

可选的，所述船舶尾气信号自动识别的具体步骤如下：

步骤一：获取监测点位时间T内的SO

步骤二：确定时间尺度T

式中，m＝1，2，…，N为离散序列；

步骤三：按式(2)计算SO

当D

步骤四：按式(3)计算CO

式中，δ

步骤五：按式(4)计算综合判别指标I(t

步骤六：将综合判别指标I(t

可选的，所述燃油硫含量自动估算的具体步骤如下：

步骤一：获取监测点位时间T内的SO

步骤二：按式(1)和式(2)计算时间序列C

步骤三：计算嫌疑峰值的峰值时刻t

其中，δ

步骤四：计算嫌疑峰值的起点时刻t

其中，α为判别阈值，

步骤五：计算每个嫌疑峰值的结束时刻t

其中，α为判别阈值，

步骤六：进一步判别嫌疑峰值的真假；嫌疑峰值的有效峰值时段为t

SO

当SO

步骤七：计算每个真峰值的SO

步骤八：计算真峰值的硫碳比从而推算燃油硫含量S见式(12)；

若燃油硫含量超出预设阈值，对超出船舶进行记录保留抓拍证据，并上报给执法部门，由执法部门对超出船舶进行查处。

本发明提供了基于可视化抓拍的船舶尾气在线监测方法，具备以下有益

效果：

该基于可视化抓拍的船舶尾气在线监测方法，在尾气监测点安装尾气遥测仪，在其上游(相对于船舶航向)20m处，安装船舶抓拍系统，尾气遥测仪及船舶抓拍系统数据均通过网络传输至尾气在线监测系统主机。基于可视化抓拍的船舶尾气在线监测系统可查看经过监测点的每条船舶尾气含量，并可查看船舶的抓拍照片，对于排放异常的船舶自动报警。

附图说明

图1为该基于可视化抓拍的船舶尾气在线监测方法的控制系统示意图；

图2为该基于可视化抓拍的船舶尾气在线监测方法中的黑烟识别过程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参阅图1至图2，本发明提供一种技术方案：基于可视化抓拍的船舶尾气在线监测方法，包括尾气遥测仪、船舶抓拍系统以尾气在线监测系统；

尾气遥测仪与船舶抓拍系统之间采用无线信号传输；

尾气遥测仪由污染物监测系统、气象系统和数据采集处理系统组成；

污染物监测系统是以光谱分析技术为核心的在线自动监测系统，采用紫外荧光法测量SO

气象系统以超声波技术为核心气象监测系统，对风速、风向、大气压、温度、湿度参数进行监测；

数据采集处理系统对船舶尾气排放数据进行综合分析，用浓度变化信号反推燃油硫含量和单位燃油硫氧化物、氮氧化物的排放情况，监测船舶尾气排放的指标数据；

船舶抓拍系统有船舶检测相机、抓拍相机、AIS接收机、黑烟智能分析仪以及网络传输单元组成，网络传输单元分别与船舶检测相机、抓拍相机、AIS接收机和黑烟智能分析仪之间电性串联连接，网络传输单元设为交换机；

船舶检测相机和抓拍相机是基于视频的机器视觉、深度学习和形态学分析技术在检测相机画面上检测船舶，检测到船舶后触发高清云台自动对焦变倍，实现高清抓拍，抓拍范围10米～1200米，能确保昼间、夜间均能清晰拍清船舶全貌和船舶细节，确保看清船名，且能测得船舶距离抓拍点的距离、船速和航向；

基于船舶高清照片，通过深度学习技术，分析船舶黑烟特征，选用CNN作为特征提取网络，得到黑烟识别判别模型；

黑烟识别过程分为两步：首先，生成黑烟候选框，通过颜色、轮廓等特征，将图像划分为成百上千个候选框，然后，利用CNN网络判断每个候选框是否是黑烟，最终得到船舶黑烟的准确位置；

其中黑烟识别的内容具体分为船舶尾气信号自动识别和燃油硫含量自动估算；

船舶尾气信号自动识别算法首先对遥测数据进行滤波并差分给出增量判别指标，再结合SO

船舶尾气信号自动识别的具体步骤如下：

步骤一：获取监测点位时间T内的SO

步骤二：确定时间尺度T

式中，m＝1，2，…，N为离散序列；

步骤三：按式(2)计算SO

当D

步骤四：按式(3)计算CO

式中，δ

步骤五：按式(4)计算综合判别指标I(t

步骤六：将综合判别指标I(t

燃油硫含量自动估算首先对遥测数据对给定的嫌疑时刻进行判别，结合时间序列的导数对峰值的起始和结束时刻进行精准识别并对嫌疑峰值的真假进行判定，最后结合嗅探法原理根据尾气硫碳比推算燃油硫含量；

燃油硫含量自动估算的具体步骤如下：

步骤一：获取监测点位时间T内的SO

步骤二：按式(1)和式(2)计算时间序列C

步骤三：计算嫌疑峰值的峰值时刻t

其中，δ

步骤四：计算嫌疑峰值的起点时刻t

其中，α为判别阈值，

步骤五：计算每个嫌疑峰值的结束时刻t

其中，α为判别阈值，

步骤六：进一步判别嫌疑峰值的真假；嫌疑峰值的有效峰值时段为t

SO

当SO

步骤七：计算每个真峰值的SO

步骤八：计算真峰值的硫碳比从而推算燃油硫含量S见式(12)；

若燃油硫含量超出预设阈值，对超出船舶进行记录保留抓拍证据，并上报给执法部门，由执法部门对超出船舶进行查处。

以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。