基于智能无人船载无人机的船舶排放遥测系统及方法

本发明涉及的是一种空气监测领域的技术，具体是一种基于智能无人船载无人机的船舶排放遥测系统。

背景技术：

无人机(uav)作为一种使用无线电遥控或以自身程序控制飞行的不载人飞行器，在航拍、监控等工作方面具有独特优势，其工作持久性、机动性、环境适应性都非常好，具备红外线夜景拍摄模式，保证全天候的实时检测任务。但受限于动力来源、信号传递距离等短板，仅依靠无人机难以深入控制区边缘对来往大型船舶进行排放监控。而随着人工智能技术的发展，无人驾驶汽车概念深入人心，而智能无人船也被提上研究计划。智能无人船可以实现自主巡航、自主选择检测目标、自主判断排放结果、自主决定是否申报有关部门等全流程智能化。因此智能无人船和无人机检测技术在船舶排放污染物检测方面具备优势互补、功能耦合的可能性，可以及时检测进入控制区的船舶排放情况，显著降低污染物排放。

技术实现要素：

本发明针对现有船舶污染物排放严重，但航行过程中检测困难、检查结果受人为影响、检测环境恶劣等问题，提出一种基于智能无人船载无人机的船舶排放遥测系统，其工作高度智能化、成本低、机动灵活、时效性好、安全可靠、环境适应性强且检测结果客观公正。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种基于智能无人船载无人机的船舶排放遥测系统，包括：无人船自动驾驶子系统、无人机控制子系统、中央数据处理子系统、全流程监控和故障诊断子系统以及具有测量船舶排放污染物功能的无人机测量系统，其中：无人船自动驾驶子系统根据目标船舶的航线信息检测任务主客体的精准定位以及追踪航线的规划，无人机控制子系统根据无人船定位信息以及跟踪目标船舶信息，启动其自动驾驶系统靠近目标船舶并保持跟踪，同时利用测量系统的测量结果优化飞行轨迹，中央数据处理子系统则接收海事局与智能无人船以及无人机之间信息接收、分析、处理反馈工作，全流程监控和故障诊断子系统根据智能无人船动力系统运行状态信息，进行人工智能故障监测与诊断算法处理并输出动力系统实时运行数据，保证无人船的正常工作，无人机测量系统测量目标船舶污染物排放数据，并将数据传输至中央数据处理子系统。

所述的自动驾驶子系统包括：导航模块、航线规划器模块和航行控制器模块，其中：导航模块通过卫星定位装置和通信卫星保持实时联系，确定智能无人船、无人机和目标船舶的大致经纬度位置信息，并在接近目标船舶后借助雷达和周布的摄像机来精确保持和目标船舶的相对位置；航线规划器模块基于多目标优化算法确定目标船舶、基于路径规划算法确定航行路线；航行控制器模块保障智能无人船安全可靠、及时高效地抵达目标水域。

所述的多目标优化算法对海域重要程度、是否有排放超标前科、船舶吨位信息设置不同的优先级，以特定海域出现排放超标船舶的可能性和可能实现的环境效益为优化函数，通过多目标优化算法确定目标海域和目标船舶，并基于路径规划算法确定最佳的航行路线。

所述的路径规划算法包括但不限于模拟退火算法、人工势场法、模糊逻辑算法、禁忌搜索算法、基于图算法、智能仿生算法如蚁群算法、神经网络算法、遗传算法。

所述的航行控制器模块包括：速度传感器、船舵转动组件。

所述的导航模块包括：设置于无人船顶部的卫星定位装置、雷达、惯性导航装置、无线通讯装置和存储设备以及设置于无人船周边的摄像机。

所述的无人机控制子系统包括：无人机信号收发模块、无人机飞行控制模块以及督促整改广播模块，其中：无人机信号收发模块作为无人机信息收发系统，连接无人机飞行控制模块、中央数据处理子系统、无人机测量系统，传递信号。无人机飞行控制模块根据来自信号收发模块的信息，例如无人机定位信息以及测量系统测得污染物数据信息，进而控制无人机起停与路径规划，督促整改广播模块则根据最终测得目标船舶污染物排放信息，判断污染物是否超标并将污染物排放情况进行广播通知相应船舶。

所述的中央数据处理子系统包括：中央处理器及不同船型排放标准数据库，其中：中央处理器根据来自海事局通过通信卫星发送的船舶信息作为输入参数导入中央数据处理子系统的不同船型排放标准数据库，即可获得目标船舶的排放限值，经与无人机返回的目标船舶排放信息进行对此，得到目标船舶排放是否超标的结果。

所述的船舶信息包括动力形式、吨位、船龄、船只航速、船舶历史排放数据和处罚情况。

所述的中央数据处理子系统在目标船舶排放污染物超标时，将超标结果记录在案，上报海事部门的同时控制无人机向目标船舶进行广播，督促整改；否则控制无人机返回降落至智能无人船，待执行下次监测任务；同时，通过智能无人船上装备的电池，可解决无人机续航问题。

所述的全流程监控和故障诊断子系统包括：海域水文信息监控模块、功率监控模块、无人机状态监控模块，其中：海域水文信息监控模块根据北斗导航系统对船舶航行区域海洋水文气象进行实时监测，并分析和评估此次检测任务的安全性和可行性，由此作出继续执行或终止执行的决策；功率监控模块则根据智能无人船载传感器测量信息，进行传感器数据融合处理，利用深度学习算法对无人船动力系统进行监测与诊断，保证无人船的良好工作状态，无人机状态监控模块监控无人机的电池余量以及无人机所处环境信息。

所述的决策在所述系统中具有最高优先级。

所述的状态包括：无人机所处环境的温度、湿度、风速信息。

所述的无人机测量系统包括：无人机信号收发子系统、污染源组分检测子系统，其中：无人机信号收发子系统保证无人机和智能无人船之间的双向交流，接收智能无人船发送的目标船舶位置信息后依托内置的无人机飞行控制子系统进行短距离飞行控制，待靠近目标船舶的排放口后，启动污染源组分检测子系统对目标船舶的排放气体成分进行检测，并将检测数据通过无人机信号收发子系统输送回智能无人船。经过智能无人船上中央数据处理系统判定结果后，当目标船舶排放超标，则借助督促整改广播子系统向目标船舶播报违规情况。

技术效果

本发明整体解决了船舶靠岸静态检测技术的数据失真、不及时缺陷；

和现有技术相比，本发明独有的效果包括：基于智能无人船载体，可以实现各种水域环境的检测任务，特别是解决了控制区内船舶检测困难的问题；同时不仅可以自主实现目标海域、目标船舶的选择，还可以自主评估目标船舶的排放情况，极大地减少了海事部门有关部门的工作量，还能保住检测数据真实、客观、可靠。

附图说明

图1为实施例中搭载无人机的无人船装置的示意图；

图2为实施例中智能无人船装置的示意图；

图3为实施例中无人机装置的示意图；

图4为实施例中智能无人船搭载无人机检测远洋中大型船舶污染物排放系统流程图；

图5为本发明中系统运行过程模型图；

图6为本发明中无人船控制逻辑图；

图7为本发明中无人机控制逻辑图；

图中：1智能无人船主体、2gps定位系统、3雷达和惯性导航系统、4无线通讯系统和存储设备、5摄像机、6无人机续航充电电池、7无人机停放装置、8无人机主体、9螺旋桨、10无人机飞行控制系统、11污染源组分检测系统、12无人机信号收发系统、13无人机机翼。

具体实施方式

如图1所示，为本实施例涉及一种基于智能无人船载无人机的船舶排放遥测系统，包括：无人机载体的智能无人船舶1和具有测量船舶排放污染物功能的无人机8。

所述的智能无人船舶1包括：自动驾驶子系统、无人机控制子系统、中央数据处理子系统、全流程监控和故障诊断子系统。

所述的自动驾驶子系统包括：gps定位系统2、雷达和惯性导航系统3、无线通讯系统和存储设备4和摄像机5，其中：gps定位系统2、雷达和惯性导航系统3、无线通讯系统和存储设备4设置于无人船顶部，航线规划器和无人船控制器则设置于无人船驾驶舱内，摄像机设置于无人船头部。

一方面通过卫星定位装置和通信卫星保持实时联系，确定智能无人船1、无人机8和目标船舶的大致经纬度位置信息。智能无人船根据海事部门所发送的目标船舶的信息以及航行路线信号，通过gps定位系统2、雷达和惯性导航系统3自动航行至目标船舶周围。在智能无人船1接近目标船舶之后，需要借助雷达3和摄像机5来精确保持和目标船舶的相对位置。航线规划器模块基于多目标优化算法确定目标船舶、基于路径规划算法确定航行路线。具体地，对海域重要程度、是否有排放超标前科、船舶吨位信息设置不同的优先级，以特定海域出现排放超标船舶的可能性和可能实现的环境效益为优化函数，通过多目标优化算法确定目标海域和目标船舶。

所述的无人机8包括：无人机飞行控制系统10、污染源组分检测系统11、无人机信号收发系统12、无人机机翼13。

所述的无人机飞行控制系统10包括：无人机位置信息跟踪模块和无人机指令决策模块，当自动驾驶子系统确定并靠近目标船舶位置后，无人机指令决策模块通过程序控制无人机起飞去检测目标船舶的排放信息，借助无人机位置跟踪模块可实时获得无人机相对于无人船的精确位置，待检测完毕后，视水域周围是否还有待检测的目标船舶，无人机指令决策模块决定是继续执行下一次检测任务，还是遥控无人机降落回智能无人船上进行充电，待下次检测任务。

如图4、图5所示，海事部门作为管理部门，掌握了各自领海船舶航行信息，可将正航行于远洋中的船舶信息，包括船舶航线、定位、吨位信息通过卫星发送至该船舶附近的智能无人船，智能无人船通过无线通讯系统4接收相关信息，然后根据gps定位系统2确定相对位置，在智能无人船确定目标之后再结合自身航线规划器模块规划路径，航行至目标船舶附近，启动无人机监测目标船舶排放信息。

具体地，智能无人船航线规划器模块规划路径过程为：首先根据海事部门所发送有关目标船舶定位、航线、吨位信息，判断该目标船舶所处海域重要程度、是否有排放超标前科、船舶吨位信息设置不同的优先级，以特定海域出现排放超标船舶的可能性和可能实现的环境效益为优化函数，通过多目标优化算法确定目标海域和目标船舶。在此基础上，基于路径规划算法如模拟退火算法、人工势场法、模糊逻辑算法、禁忌搜索算法，或基于图算法，或智能仿生算法如蚁群算法、神经网络算法、遗传算法，可确定最佳的航行路线。航行控制器模块是由速度传感器、船舵转动组件组成的闭环控制系统，保障智能无人船安全可靠、及时高效地抵达目标水域。

当智能无人船确定目标船舶，并航行至该船舶附近后，无人船摄像头5视野范围内出现该目标船舶时，拍摄相关照片，传送至海事部门控制中心，海事部门工作人员确认无误后，下达检测命令。此时，智能无人船将结合雷达和惯性导航系统3对该目标船舶进行跟踪定位，同时启动具备检测污染物功能的无人机8检测该目标船舶的排放情况。

具体地，具有测量船舶排放污染物功能的无人机包括：无人机信号收发模块、污染源组分检测模块、无人机飞行控制模块以及设置于地面中央控制室的数据处理分析模块，其中：无人机信号收发模块、污染源组分检测模块和无人机飞行控制模块设置于无人机内，污染源组分检测模块检测污染源组分的排放浓度并通过无人机信号收发模块发送至数据处理分析模块，无人机飞行控制模块通过无人机信号收发模块接收中央控制室发出的控制信息。当无人船跟踪到目标船舶周围时，发射无人机，无人机则对目标船舶排放进行检测，并将测得数据发送至海事部门和环保部门进行备案。

具体地，如图7所示。无人机起飞后，通过无人机飞行控制系统10自动驾驶靠近目标船舶，并保持跟踪。当无人机和目标船舶保持一定距离后，启动排放检测系统，开始检测目标船舶排放污染物情况。所述的污染源组分检测模块11用以检测污染源中的污染源组分。该污染源组分包括：co、co2、碳氢化合物、nox、sox、nh3、o3、甲醛以及颗粒物。

进一步，为了更好地测量污染物浓度，使测量值更接近真实排放值，当无人机检测到污染物时，无人机飞行控制模块将控制无人机进行盘旋飞行，同时将污染物浓度值作为优化指标，通过动态优化算法逐渐优化盘旋路径，使得测得的污染物浓度最高，最能反映真实排放情况，当测得的污染物浓度稳定在1％以内时，通过无人机信号收发系统12记录污染物数据，并将数据发送至智能无人船控制中心，控制中心将根据目标船舶所处海域中规定的排放限值，判断该船舶排放是否超标。当目标船舶排放污染物超标，中央数据处理系统一方面将实际结果记录在案，上报海事部门、环保部门，另一方面命令无人机向目标船舶进行广播，督促整改。当目标船舶排放污染物未超标，则命令无人机返回降落至智能无人船，待执行下次监测任务；同时，通过智能无人船上装备的电池，可解决无人机续航问题。

和现有技术相比，本发明基于智能无人船载体，可以实现各种水域环境的检测任务，特别是解决了控制区内船舶检测困难的问题；同时不仅可以自主实现目标海域、目标船舶的选择，还可以自主评估目标船舶的排放情况，极大地减少了海事部门有关部门的工作量，还能保住检测数据真实、客观、可靠。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。