基于AIS数据计算船舶大气污染物排放量及空间分布的方法与流程

本发明涉及船舶技术领域，尤其涉及一种基于ais数据计算船舶大气污染物排放量及空间分布的方法。

背景技术：

繁荣发展的海上贸易在推动港口地区经济发展的同时，也给港区空气质量带来了巨大危害。相对汽车而言，船舶多使用含硫率较高的柴油或重油作为主要燃料(平均含硫量约为2.6％～2.7％)，在航行过程中会排放大量的硫氧化物、氮氧化物和含碳颗粒物等空气污染物。受风力及扩散作用影响，这些污染物会对沿海及内河区域的空气质量和民众健康造成极大的影响。大气排放清单是指研究区域在一段时间内，不同的大气污染源(如工厂废气、汽车尾气、船舶废气和生活废气等)产生的常见大气污染物(pm、co和nox等)数量的列表。大气排放清单的建立对于分析研究区域的大气污染排放来源、利用空气质量模型研究污染物扩散情况以及制定大气污染管理措施具有重要作用。

目前，国际上常用的船舶排放清单计算方法主要有燃料消耗法和基于船舶功率法。相较于燃料消耗法，基于船舶功率的计算方法对于船舶静态数据及动态数据的要求更高，同时也考虑到船舶的实际航速、发动机功率和运行时间等因素对船舶排放量的影响。金陶胜等基于燃料消耗法估算了2006年的船舶污染物排放量，并预测了2010年和2020年的船舶污染物排放量。chen等采用基于船舶功率的计算方法，计算出2014年船舶排放清单，并对不同船舶类型、行驶模式及污染源的排放分担率进行了初步的分析。但是，目前尚未有学者对船舶大气污染物的空间分布规律进行深入研究，这将制约港口进一步制定有针对性的大气污染防治方案。目前，国内关于内陆城区或城市群的污染物空间分布研究已相对成熟，而关于港口周围船舶大气污染物空间分布研究则相对较少，研究手段并不成熟。

技术实现要素：

本发明的主要目的就是针对上述问题，提供一种基于ais数据计算船舶大气污染物排放量及空间分布的方法。

本发明为实现上述目的，采用以下技术方案：一种基于ais数据计算船舶大气污染物排放量及空间分布的方法，其特征在于：包括：

步骤一：ais报文信息解析和筛选；

步骤二：构建完整的船舶静态、动态数据库；

步骤三：船舶大气污染物排放量计算；

步骤四：污染物空间分布计算。

优选地，在步骤二中，解析后的ais报文信息根据属性可分为船舶动态信息、船舶静态信息和船舶航次相关信息，其中，船舶动态信息和船舶静态信息可用于船舶大气污染排放清单的计算，不同属性信息的播发周期存在一定的差异，船舶静态信息一般每6min播发一次，船舶动态信息则每3-10s播发一次，，利用动态数据和静态数据的播发频率存在差异的性质，将解析后的动态数据和静态数据分开存储，分别建立船舶动态数据库和船舶静态数据库。

优选地，在步骤二中，通过ais静态数据库提供的mmsi编码，结合在劳氏数据库中查找船舶发动机功率、船舶载重量、船舶转速等信息，完善船舶基本信息表，从而构建完整的静态数据库。

优选地，在步骤二中，每一条ais数据反应船舶在某一时刻的航行状态，同一艘船相邻时刻的两条ais数据可认为近似反映出船舶在这段时间的航行状态，同一艘船相邻两条ais数据航行速度取平均值，可认为代表这段时间的平均航行速度，将同一艘船相邻两条ais数据的时刻作差，可得到船舶在这段距离的航行时间。

优选地，根据船舶污染物排放量计算公式，计算船舶污染排放量：

ei＝pi×t×e×f×l(1)

式中:ei为船舶主机、船舶辅机和锅炉污染物的排放量，单位为g；pi为船舶主机、船舶辅机和锅炉的负荷功率，单位为kw；t为船舶航行时间，单位为h；e为污染物的排放因子，单位g/(kw·h)；f为燃油系数，无量纲单位；l为船舶主机低负荷修正系数，无量纲单位。

优选地，以0.5km*0.5km的空间分辨率对研究区域进行空间网格划分。利用ais数据提供的船舶经纬度信息，计算船舶在某一时段内污染物排放量的同时，判断该段轨迹是否完整的落在某一网格内，当一段轨迹处于多个网格时，则需根据各网格内轨迹的长度，对这段轨迹的污染物排放量在各网格内的排放占比进行分配。按照时间顺序，分别计算同一艘船舶不同段轨迹在各网格内的污染物排放量；按照mmsi顺序，分别计算不同船舶在各网格内的污染物排放总量；最后将同一网格内的污染物排放量进行叠加，得到各网格的污染物排放总量。

本发明的有益效果是:由该计算方法，可以更直观的反映主要污染物(so2和nox等)的排放量以及港口的空间分布范围，并可以计算出不同行驶状态下污染物排放量。由该计算结果，可以更有针对性的治理区域性污染问题。如果将将计算出的船舶排放量及空间分布结果与污染物扩散模型相结合，可以分析出船舶大气污染物的扩散情况，能为船舶排放监管和政策制定提供更有价值的参考。

附图说明

图1为本发明中ais报文信息解析流程图；

图2为本发明中污染物排放量计算流程图；

图3为本发明中污染物空间分布计算流程图。

具体实施方式

下面结合附图及较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。如图1所示，ais(automaticidentificationsystem)系统诞生于20世纪90年代，是一种新型的集通讯技术和电子信息显示技术为一体的数字化助航系统设备。该计算过程主要分为以下四个步骤：

步骤一：ais报文信息解析和筛选；

步骤二：构建完整的船舶静态、动态数据库；

步骤三：船舶大气污染物排放量计算；

步骤四：污染物空间分布计算。

所述步骤一是指由于海上通信环境复杂且ais内包含大量的信息，ais报文信息要采取特殊的方式进行传输，而原始的ais报文信息不能直接用于科学研究。在利用ais数据进行研究前，需结合ais报文所采用的编码机制，将ais报文解译成可直观阅读和使用的数据，具体的解析流程如图1所示。

步骤二中，解析后的ais报文信息根据属性可分为船舶动态信息、船舶静态信息和船舶航次相关信息。其中，船舶动态信息和船舶静态信息可用于船舶大气污染排放清单的计算。不同属性信息的播发周期存在一定的差异，船舶静态信息一般每6min播发一次；船舶动态信息则每3-10s播发一次。为了方便后续排放清单的计算，利用动态数据和静态数据的播发频率存在差异的性质，将解析后的动态数据和静态数据分开存储，分别建立船舶动态数据库和船舶静态数据库。

其中由于ais静态数据库中不包括船舶发动机功率、船舶载重量、船舶转速等船舶信息。通过ais静态数据库提供的mmsi编码，结合在劳氏数据库中查找船舶发动机功率、船舶载重量、船舶转速等信息，完善船舶基本信息表，从而构建完整的静态数据库。

每一条ais数据反应船舶在某一时刻的航行状态，同一艘船相邻时刻的两条ais数据可认为近似反映出船舶在这段时间的航行状态。同一艘船相邻两条ais数据航行速度取平均值，可认为代表这段时间的平均航行速度。将同一艘船相邻两条ais数据的时刻作差，可得到船舶在这段距离的航行时间。

步骤三是根据船舶污染物排放量计算公式，计算船舶污染排放量：

ei＝pi×t×e×f×l(1)

式中:ei为船舶主机、船舶辅机和锅炉污染物的排放量，单位为g；pi为船舶主机、船舶辅机和锅炉的负荷功率，单位为kw；t为船舶航行时间，单位为h；e为污染物的排放因子，单位g/(kw·h)；f为燃油系数，无量纲单位；l为船舶主机低负荷修正系数，无量纲单位。

步骤四中，以0.5km*0.5km的空间分辨率对研究区域进行空间网格划分。利用ais数据提供的船舶经纬度信息，计算船舶在某一时段内污染物排放量的同时，判断该段轨迹是否完整的落在某一网格内。当一段轨迹处于多个网格时，则需根据各网格内轨迹的长度，对这段轨迹的污染物排放量在各网格内的排放占比进行分配。按照时间顺序，分别计算同一艘船舶不同段轨迹在各网格内的污染物排放量；按照mmsi顺序，分别计算不同船舶在各网格内的污染物排放总量；最后将同一网格内的污染物排放量进行叠加，得到各网格的污染物排放总量。污染物空间分布计算流程图如图3所示。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。