[发明专利]一种船舶废气排放合规性判定与违规船舶识别方法

权利要求书

1.一种船舶废气排放合规性判定与违规船舶识别系统的识别方法，该识别方法是利用船舶废气排放合规性判定与违规船舶识别系统，该识别系统包括气态污染物监测装置(31)、气象观测装置(32)、船舶AIS信息接收装置(33)和数据处理装置(34)；

所述的数据处理装置(34)分别与气态污染物监测装置(31)、气象观测装置(32)和船舶AIS信息接收装置(33)连接；

所述的数据处理装置(34)包括数据预处理单元(341)、船舶废气相对风向风速计算单元(342)、船舶气态污染物排放强度计算单元(343)、气态污染物正向扩散单元(344)、燃油硫含量合规性判别单元(345)、氮氧化物排放合规性判断单元(346)和违规排放源反向识别单元(347)；

所述的数据预处理单元(341)分别与船舶废气相对风向风速计算单元(342)、船舶气态污染物排放强度计算单元(343)、气态污染物正向扩散单元(344)连接；船舶废气相对风向风速计算单元(342)、船舶气态污染物排放强度计算单元(343)、气态污染物正向扩散单元(344)分别与燃油硫含量合规性判别单元(345)、氮氧化物排放合规性判断单元(346)连接；燃油硫含量合规性判别单元(345)、氮氧化物排放合规性判断单元(346)分别和违规排放源反向识别单元(347)连接；

其特征在于：该识别方法包括以下步骤：

S1.数据采集：通过气态污染物监测装置获取监测点位CO₂、SO₂、NO_x的监测数据；通过气象观测装置获取监测点风速、风向、温度、湿度的气象信息；通过船舶AIS信息接收装置获取船舶的船名、呼号、MMSI号、IMO号、船速、航向、经纬度、建造年份的信息；

S2.数据预处理：将S1采集得到的CO₂、SO₂、NO_x的污染物监测数据；风速、风向、温度、湿度的气象数据和船舶AIS数据输入数据处理装置，利用数据预处理单元对所采集的数据进行预处理；

S3.船舶废气相对风向计算：利用船舶废气相对风向计算单元计算船舶排放废气在风向和船舶航向共同作用下的船舶废气扩散相对风向；船舶废气扩散相对风向为监测点风向风速与船舶航速反航向的矢量叠加值；具体公式如式1和式2所示；

其中，A为船舶废气扩散相对风速，β为船舶废气扩散相对风向；V为船速；W为风速；α为船舶航向与风向的夹角；

S4.船舶气态污染物排放强度计算：利用船舶气态污染物排放强度计算单元计算船舶排放强度；具体计算公式见式3、式4所示；

Q_t＝P×LF×EF×T 式3

其中，Q_t为船舶废气中污染物理论排放强度；P为主机船舶功率；LF为主机输出负荷，根据式4计算得到；EF为船舶废气中不同污染物的排放因子；S_real为实时船速；S_max为船舶最大船速；T为AIS数据时间间隔；

S5.气态污染物正向扩散浓度计算：结合S3输出的船舶废气扩散相对风速数据、S4输出的船舶废气中污染物理论排放强度数据，利用气态污染物正向扩散单元计算船舶废气中CO₂、NO_x和SO₂在目标点的最大落地浓度；采用高斯扩散模型计算下风向扩散浓度分布情况，具体见公式5；

其中，q为船舶废气中CO₂、NO_x和SO₂理论排放强度，为S4中Qt计算结果；u为船舶废气扩散相对风速，为S3计算结果；δ_y和δ_z为横向和纵向扩散系数；ze为废气排放有效高度；y为中心轴下方目标点的距离；z为目标点的高度；

S6.燃油硫含量合规性判别：根据S1和S2输出的CO₂、SO₂污染物监测数据、S5输出的CO₂计算数据，利用燃油硫含量合规性判别单元计算SO₂和CO₂的浓度比例来计算船舶燃油硫含量，并通过与国际海事组织和交通运输部所制定的船舶排放控制区内船舶燃油硫含量不应超过0.5％m/m的要求进行对比，进行合规性判别，结果超过此标准则视为超标；根据式6以计算得到燃油的硫含量；

其中，S％为燃油硫含量；C％为燃油中碳元素含量；ΔC_so2为SO₂的监测浓度与监测站背景值的差值；ΔC_co2为CO₂的监测浓度与监测站背景值的差值或计算浓度与监测站背景值的差值；ME_s为硫元素摩尔质量；ME_c为碳元素摩尔质量；

S7.氮氧化物排放合规性判断单元：根据S1和S2输出的NOx、SO₂污染物监测数据、S5输出的NOx计算数据，利用氮氧化物排放合规性判断单元通过对比监测数据与计算数据的差异来判断氮氧化物排放的合规性；

S8.综合判定：根据S6和S7的判定结果，凡是输出中存在不合规的则认定为不合规，只有当S6和S7判定均为合规时认定为合规；

S9.排放源反向识别：将S1和S2输出的CO₂、SO₂、NO_x的污染物监测数据、船舶AIS位置数据、S4输出的船舶气态污染物排放强度计算，带入排放源反向识别单元通过求解优化方程式7，得到疑似违规船舶的位置、船名的特征信息；反向优化求解中，利用S1的AIS数据中经纬度和S4中排放强度来划定求解范围；

minf(x，y，Q_t)＝∑(D_measure-D_theory) 式7

其中，目标方程求两个数据的最小值；x,y为待确定目标的坐标；Q_t为船舶废气中污染物理论排放强度；D_measure为监测点位污染物浓度监测值；D_theory为排放源在监测点位的理论浓度值，为S5中式5计算得到。