本发明涉及一种船舶尾气在线监测系统。
背景技术：
2015年12月交通运输部印发了《珠三角、长三角、环渤海(京津冀)水域船舶排放控制区实施方案》，通过设立船舶大气污染物排放控制区，控制我国船舶硫氧化物、氮氧化物和颗粒物排放，改善我国沿海和沿河区域特别是港口城市的环境空气质量，为全面控制船舶大气污染奠定基础。
该方案中设立珠三角、长三角、环渤海(京津冀)水域船舶排放控制区，确定排放控制区内的核心港口区域，自2017年1月1日起，船舶在排放控制区内的核心港口区域靠岸停泊期间(靠港后的一小时和离港前的一小时除外)应使用硫含量≤0.5％m/m的燃油；自2018年1月1日起，船舶在排放控制区内所有港口靠岸停泊期间应使用硫含量≤0.5％m/m的燃油；自2019年1月1日起，船舶进入排放控制区应使用硫含量≤0.5％m/m的燃油；2019年12月31日前，我国将在评估实施效果的基础上控制措施实施效果，进一步确定更为严格的控制措施，包括船舶进入排放控制区使用硫含量不高于0.1％m/m的燃油、扩大排放控制区地理范围等。
为了确保船舶排放控制区内船舶燃油含硫量满足要求，需要对船舶燃油进行检验，目前常用的检验方法包括：
方法一、使用燃油硫含量检测设备。此方法是海事执法人员登船对燃油进行取样，然后用燃油硫含量检测设备进行现场分析或到实验室分析燃油硫含量。
方法二、使用手持式船舶尾气探测设备。此方法是海事执法人员登船将尾气检测设备放入船舶尾气排放口中，通过检测船舶尾气中的硫含量判断船舶燃油硫含量。
方法三、无人机遥感检测。此方法是使用无人机搭载船舶尾气遥测感应设备，控制无人机跟随船舶排气口，对船舶尾气排放污染物进行实时监测。
方法一和二的缺点是需要船舶停靠港或抛锚时海事执法人员登船进行抽样检测，检测效率低、影响船舶的正常运营，并且不能覆盖碳排放控制区内所有船舶。方法三受到大风等因素的影响，无人机搭载遥测感应设备测量的精度偏差较大，另外无人机滞空时间短、遥控距离有限，也只能用于抽查并不能覆盖碳排放控制区内所有船舶。因为目前为止还没有能够探测船舶大气污染控制区内所有船舶尾气的有效手段，造成绝大多数船舶不按要求使用低硫燃油而没有被及时有效监测到，影响到了船舶大气污染控制区方案实施的效果。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种船舶尾气在线监测系统。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：
一种船舶尾气在线监测系统，其包括设于船舶上的尾气分析设备和设于岸上的尾气监测设备；尾气分析设备包括尾气采集分析仪、光线发射器、光线接收器、温度补偿装置和第一通信装置；光线发射器和光线接收器分别固设于船舶烟囱内腔的两侧；尾气采集分析仪包括中央处理器、光谱仪和信号转换模块，光谱仪和信号转换模块均连接于中央处理器；光线发射器和光线接收器分别与光谱仪连接；温度补偿装置连接于信号转换模块；尾气监测设备包括信息显示及报警装置、电子海图系统和第二通信装置；电子海图系统和第二通信装置分别连接于信息显示及报警装置；第一通信装置和第二通信装置通过无线通信方式进行数据通信。
第一通信装置和第二通信装置通过北斗卫星通信系统进行数据通信。以北斗卫星通信系统作为第一通信装置和第二通信装置之间的通信方式，其具有覆盖范围广、没有通信盲区、信息加密传输安全的优点。
第一通信装置包括北斗终端控制单元和北斗天线；北斗天线连接于北斗终端控制单元连接；北斗终端控制单元连接于中央处理器；第二通信装置包括北斗通信控制单元和北斗指挥机；北斗指挥机连接于北斗通信控制单元；北斗通信控制单元连接于信息显示及报警装置；北斗天线与北斗指挥机通过北斗卫星通信系统进行数据通信。
北斗终端控制单元有两个作用，一是在中央处理器控制下按照设定频率通过北斗卫星向岸上尾气监测设备发送尾气浓度数据，或浓度超过设定值时自动向岸上尾气监测设备发送尾气浓度数据，二是接收到北斗指挥机的指令后执行浓度测量并向岸上尾气监测设备发送尾气浓度数据。
第一通信装置和第二通信装置之间数据通信方式为3G通信，或为4G通信，或为5G通信，或为VSAT卫星通信。
3G通信、4G通信和5G通信为现有的移动电话通信方式，在移动基站覆盖范围内，具有通信方便、信号传输快、通信成本低的优点。
VSAT是Very Small Aperture Terminal的缩字，名为甚小口径卫星终端站。采用VSAT卫星通信系统进行通信，具有灵活性强、可靠性高、使用方便等优点，利用VSAT用户数据终端可直接和计算机联网，完成数据传递、文件交换、图像传输等通信任务，从而摆脱了远距离通信地面中断站的问题。
光线发射器为红外线发射器，光线接收器为红外线接收器。通过红外线光学处理分析气体浓度，其结构更简单、成本更低、灵敏度更高。
光线发射器为紫外线发射器，光线接收器为紫外线接收器。通过紫外线光学处理分析气体浓度，其结构更简单、成本更低、灵敏度更高。
光线发射器和光线接收器分别通过光纤与光谱仪连接。与泵吸式气体分析装置相比，通过紫外线或红外线光学处理分析气体浓度结构更简单、成本更低、灵敏度更高。
中央处理器为可编程逻辑控制器，或为数字处理器。可编程逻辑控制器和数字处理器均具有良好的数据处理功能，可以快速且准确地对数据进行处理。
尾气采集分析仪具有RS485接口、PROFIBUS-DP接口以及TCP/IP协议通讯协议接口。RS485接口、PROFIBUS-DP接口以及TCP/IP协议通讯协议接口均为现有常见的接口，在此就不再赘述。通过设置多种接口，使尾气采集分析仪可以快速地实现数据的传输，扩大其使用范围。
温度补偿装置具有热电偶型温度传感器，或温度补偿装置具有热电阻型温度传感器。温度补偿装置用于测量大气温度，用于补偿光谱仪受外界温度的变化引起的偏差而带来的尾气浓度测量误差。
本发明的积极进步效果在于：本发明有效解决登船检测效率低、影响船舶正常航行和工作的缺陷，提高船舶尾气监测效率和监测精度，大大方便海事执法部门对船舶污染排放控制区内船舶尾气排放进行在线监测，达到了有效监测、实时监测、全部监测的目的。
附图说明
图1为本发明的实施例1的结构示意图。
具体实施方式
下面举个两个较佳实施例，并结合附图来更清楚完整地说明本发明。
实施例1
如图1所示，一种船舶尾气在线监测系统，其包括设于船舶上的尾气分析设备100和设于岸上的尾气监测设备200。
尾气分析设备100包括尾气采集分析仪101、光线发射器102、光线接收器103、温度补偿装置104和第一通信装置111，第一通信装置111包括北斗终端控制单元105和北斗天线106。
光线发射器102和光线接收器103分别固设于船舶烟囱107内腔的两侧。光线发射器为红外线发射器，光线接收器为红外线接收器；或者，光线发射器为紫外线发射器，光线接收器为紫外线接收器。
尾气采集分析仪101包括中央处理器108、光谱仪109和信号转换模块110。
光谱仪109和信号转换模块110均连接于中央处理器108；光线发射器102和光线接收器103分别通过光纤与光谱仪109连接。
温度补偿装置104连接于信号转换模块110。温度补偿装置通过信号电缆与信号转换模块连接。温度补偿装置具有热电偶型温度传感器，或温度补偿装置具有热电阻型温度传感器；即温度补偿装置可以采用热电偶型温度传感器，或采用热电阻型温度传感器。温度补偿装置用于测量大气温度，用于补偿光谱仪受外界温度的变化引起的偏差而带来的尾气浓度测量误差。
北斗终端控制单元105连接于中央处理器108，北斗天线106与北斗终端控制单元105连接。北斗终端控制单元通过通信电缆与中央处理器连接；北斗终端控制单元通过通信电缆与北斗天线连接。
北斗终端控制单元有两个作用，一是在中央处理器控制下按照设定频率通过北斗卫星向岸上尾气监测设备发送尾气浓度数据或浓度超过设定值时自动向岸上尾气监测设备发送尾气浓度数据，二是接收到北斗指挥机的指令后执行浓度测量并向岸上尾气监测设备发送尾气浓度数据。
尾气采集分析仪中，中央处理器为可编程逻辑控制器，或为数字处理器。尾气采集分析仪具有RS485、PROFIBUS-DP以及TCP/IP协议通讯协议接口。RS485接口、PROFIBUS-DP接口以及TCP/IP协议通讯协议接口均为现有常见的接口，在此就不再赘述。通过设置多种接口，使尾气采集分析仪可以快速地实现数据的传输，扩大其使用范围。
尾气采集分析仪是船舶尾气在线监测系统位于船上部分的核心，负责紫外线或红外线的发射与接收控制、光谱的分析、温度补偿控制、信号传输控制等。
尾气监测设备200包括信息显示及报警装置201、电子海图系统204和第二通信装置205；第二通信装置205包括北斗通信控制单元202和北斗指挥机203。
电子海图系统和北斗通信控制单元分别连接于信息显示及报警装置，北斗指挥机连接于北斗通信控制单元。信息显示及报警装置采用网线与电子海图系统相连，采用通信电缆与北斗通信控制单元相连。北斗通信控制单元采用通信电缆与北斗指挥机相连。
北斗天线与北斗指挥机通过北斗卫星通信系统进行数据通信。以北斗卫星通信系统作为第一通信装置和第二通信装置之间的通信方式，其具有覆盖范围广、没有通信盲区、信息加密传输安全的优点。
与采用3G/4G通信方式相比，采用北斗通信方式，北斗卫星的覆盖范围更广，不受3G/4G基站覆盖范围的影响，同时能够实现船舶位置的监控。与VSAT卫星通信相比，采用北斗通信方式成本更低，同时能够实现船舶位置的监控。
尾气分析设备中，光线发射器、光线接收器、温度补偿装置、尾气采集分析仪、北斗终端控制单元和北斗天线均为现有部件，在此就不再赘述。
尾气监测设备中，信息显示及报警装置、电子海图系统、北斗指挥机、北斗通信控制单元均为现有常用部件，在此就不再赘述。
本发明的船舶尾气在线监测系统，其运行原理为：
1、船舶烟囱里的船舶尾气，往外排放时，在光线发射器和光线接收器之间通过。尾气采集分析仪通过中央处理器控制光谱仪向光线发射器发指令。光线发射器收到指令后向光线接收器发出红外线或紫外线。光线接收器接收光线发射器发来红外线或紫外线。光谱仪通过对发射和接收的紫外线或红外线进行分析并把分析结果送到中央处理器，中央处理器接收来自光谱仪的分析结果和温度补偿装置采集的温度信号后，进行计算和分析，得到船舶尾气中SO2、NO、NO2、CO2等浓度信息。
2、当船舶尾气中SO2、NO、NO2、CO2浓度超过设定值时，中央处理器通过北斗终端控制单元并经北斗天线向位于岸上的尾气监测设备发送报警信号和气体浓度信号。具体为：北斗天线通过北斗卫星通信系统向北斗指挥机传输数据。
3、北斗指挥机收到北斗天线发来的数据后，将该数据经北斗通信控制单元传输到信息显示及报警装置。信息显示及报警装置通过结合电子海图系统和船舶北斗定位信息，可以显示被监测船舶的经度、纬度、所在海图的位置、尾气浓度等信息。
信息显示及报警装置是船舶尾气在线监测系统位于岸上部分的核心，信息显示及报警装置可以通过北斗通信控制单元和北斗指挥机接收船上北斗终端控制单元和北斗天线按照设定周期发送过来的船舶尾气报警和气体浓度信息，也可以根据需要通过北斗指挥机、北斗终端控制单元、北斗天线向尾气采集分析仪发送实时指令信号，采集实时的船舶尾气浓度。
本发明针对现有对船舶尾气监测方法的不足，提供了一种船舶尾气在线监测系统。本发明有效解决登船检测效率低、影响船舶正常影响的缺陷，提高船舶尾气监测效率和监测精度，大大方便海事执法部门对船舶污染排放控制区内船舶尾气排放进行在线监测，达到了有效监测、实时监测、全部监测的目的。
实施例2
本实施例与实施例1相比，区别仅在于：第一通信装置和第二通信装置之间数据通信的方式采用3G通信，或为4G通信，或为5G通信，或为VSAT卫星通信。
当第一通信装置和第二通信装置采用3G通信、4G通信或5G通信时，第一通信装置中分别包含3G通信模块、4G通信模块或5G通信模块，第二通信装置中包含相应的3G通信模块、4G通信模块或5G通信模块。
在移动基站的覆盖范围内，采用3G通信、4G通信或5G通信，具有通信方便、信号传输快、通信成本低的优点。
当第一通信装置和第二通信装置采用VSAT卫星通信时，第一通信装置和第二通信装置分别包含VSAT卫星通信模块。VSAT卫星通信模块为现有常用的部件，在此就不再赘述。
采用VSAT卫星通信系统进行通信，具有灵活性强、可靠性高、使用方便等优点，利用VSAT用户数据终端可直接和计算机联网，完成数据传递、文件交换、图像传输等通信任务，从而摆脱了远距离通信地面中断站的问题。
由于本实施例的其它部分与实施例1相同，本实施例的其它有益效果与实施例相同，在此就不在赘述。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。