本书是关于我国船舶尾气遥测与智慧监管研究方面的专著。全书共5章，作者针对履行国际海事组织（IMO）全球限硫令和实施我国船舶大气污染物排放控制区管控要求的迫切需求，分别开展了在航船舶尾气嗅探遥测技术及装备、无人机载船舶尾气智能监视监测技术及应用、船舶尾气排放“陆海空”立体监测技术与精准管控系统及应用三个方面系列研究。在技术装备研发方面，发明了在航船舶尾气嗅探遥测装备、无人机载微型船舶尾气嗅探传感器。在系统研发方面，研发了一体化的船舶尾气排放智能遥测、精准溯源与执法查证系统，以及基于图像跟踪识别算法和虚拟比色卡的船舶尾气视频测黑系统。相关案例研究表明，所研发的船舶尾气遥测技术装备及智慧监管系统具有广阔的应用前景。 本书适合从事航运大气污染控制领域研究的学者、相关专业的研究生及本科生阅读，也可供相关决策部门参考。

第1章绪论
　　1.1国际船舶排放控制区
　　随着经济全球化的快速发展、国际贸易及航运业的迅猛发展，船舶已成为港口城市大气污染物的重要来源。国际海事组织（IMO）资料表明，每年世界硫氧化物（SOx）排放总量的4%来自于船舶排放。美国国家海洋和大气管理局（NOAA）2009年发布的研究报告显示：每年全球仅海上船舶排放的颗粒污染物总量就占到全球汽车排放总量的一半，海上船舶排放的氮氧化物（NOx）气体约为全球年排放总量的1/3。因此，人们也越来越意识到船舶废气排放所带来的不利影响。特别是近些年，人们环保意识大幅提高，对于环境保护的呼声和重视越来越强烈，船舶废气排放控制也成为近几年航运界热议的话题之一。
　　船舶排放的大气污染物主要来源于船舶动力系统产生的废气、运输货物挥发、船上焚烧等，产生的大气污染物以SO2和NOx为主，同时含有一定量的可吸入颗粒物（PM10）、细颗粒物（PM2.5）、一氧化碳（CO）、挥发性有机化合物（VOCs）等大气污染物，以及二氧化碳（CO2）为主的温室气体等。目前，国内外对船舶大气污染防控的研究主要聚焦在SO2、NOx和PM。其中，SO2是由船舶燃料中的硫转化而来，因此SO2的排放量与燃料类型、燃油质量及消耗量等因素直接相关；NOx主要是空气中的N2在急剧燃烧和高压过程中发生氧化而产生，其排放量与发动机及其运行工况密切相关；PM10和PM2.5等颗粒态污染物包括直接排放的黑碳（BC）、重金属等一次PM，以及经过化学反应转化生成的硫酸盐、硝酸盐、二次有机物等二次PM，SOx和NOx等均会转化形成PM。
　　IMO是专注于航运安全和防止船舶污染海洋的联合国专门机构，通过《国际防止船舶造成污染公约》（以下简称MARPOL公约）制定与环境有关的法规，以防止船舶对海洋环境和空气造成的污染。MARPOL公约中包含六个附则，涉及船舶造成各种污染的规则，其附则VI为《防止船舶造成大气污染规则》，于2005年5月19日正式生效。我国作为公约缔约国之一，于2006年8月23日得到政府批准，对我国正式生效。附则VI专门针对防止船舶引起的大气污染，包括限制NOx、SOx和PM的排放。附则VI还允许缔约国向IMO申请设立排放控制区（emission control area，ECA），对国际船舶排放采取更为严格的控制。
　　1.1.1排放控制区介绍
　　ECA是为实现*大幅度地减少船舶大气污染物这一目标而实施比全球其他海域更加严格要求的特殊海域，具体来说，实施更加严格要求的SOx排放控制区要求的ECA称为SECA（SOx船舶排放控制区），NOx排放控制要求的ECA称为NECA（NOx船舶排放控制区）。早期IMO通过MARPOL公约设立了4个排放控制区，其中波罗的海排放控制区和北海排放控制区为SOx、PM排放控制，北美排放控制区和美国加勒比海排放控制区为SOx、NOx、PM排放控制区。但随着国际社会对船舶NOx污染控制的重视，国际上也逐渐将SECA和NECA结合起来，同时控制船舶SOx和NOx的排放。在2016年MEPC第70次会议上，通过了丹麦等国提交的MEPC 70/5/Rev.1号文件附件1和MEPC 70/5/1号文件附件1中的将北海和波罗的海划定为NOx第III级控制的排放控制区，并于2021年1月1日生效的提案及相关的防污公约附则VI建议修正案。因此自2021年1月1日后，国际四大排放控制区同时控制船舶SOx、NOx、PM的排放。与此同时，一些国家和地区也通过立法的形式设立了排放控制区，如欧盟排放控制区、美国加州排放控制区以及中国排放控制区等。
　　1.1.1.1MARPOL公约附则VI概述
　　MARPOL公约附则VI《防止船舶造成大气污染规则》，主要控制船舶臭氧消耗物质（ODS）、NOx、SOx、PM及VOC的排放。附则VI的主要技术要求如下。
　　①附则VI禁止故意排放ODS。ODS是指1987年《蒙特利尔议定书》所定义的受控物质，如氯代烃（Halon）、含氯氟烃（CFCs）等。附则VI生效后，在所有船上都应禁止使用含有ODS的新装备（包括新的便携式灭火装置、隔热物或其他材料，但不包括以前安装的系统、设备、隔热或其他材料的修理或充加，或对便携式灭火装置的充加），但允许含有氢化氯氟烃（HCFC）的新装置在2020年1月1日前使用。
　　②控制NOx。对NOx的控制适用于所有安装在2000年1月1日或以后建造（或经主要改装）的船上输出功率超过130kW的柴油机。2008年修订版规定了远洋船舶NOx的排放限值实施计划的TIER I、TIER II、TIER III三个阶段。2016年1月1日之后，在NECA外航行的船舶NOx排放需满足TIER II标准，在NECA区域内航行的船舶则需满足TIER III标准，其排放量相比TIER I降低了约80%。
　　③控制SOx。SOx的控制主要通过对船上使用的任何燃料油中的硫含量设定限值标准，并在世界范围内对供应船上使用的燃料的硫含量进行检查。附则VI第14条规定了船舶在排放控制区内外的SOx和PM排放要求。如自2020年1月1日后，船舶排放控制区外的船舶需使用硫含量不大于0.5%（质量分数）的燃油或等效替代措施。
　　④控制VOC。MARPOL公约缔约国管辖下的港口或装卸站对液货船产生的VOC的释放实施控制，应在加以控制至少6个月前书面通知IMO，说明将要受到控制的液货船的尺度，要求蒸汽释放控制系统的货物以及开始控制日期，IMO将把1997年议定书缔约国指定的港口和装卸站清单散发，上述港口、装卸站和其作为停靠的液货船均应按《蒸汽释放控制系统标准》（MSC/cire.585）的要求备有认可的蒸汽释放系统。
　　⑤燃油供应和质量。附则VI除具体规定了燃油的质量要求外，主要实施了“燃油供应通知单”（附则VI附件V）及代表样品的管理和对燃油供应商的管理。附则VI要求燃油供应商向主管机关登记，并如实向船方提供“燃油供应通知单”和样品。主管机关对船舶实施检查，对发现不如实填写“燃油供应通知单”的供应商采取适当措施。
　　⑥船上焚烧。附则VI主要包括对船用焚烧炉的类型认可和焚烧作业的限制两方面，船上焚烧除了在主、副发电机或锅炉内进行外，都应在船上的焚烧炉中进行。在船上除了焚烧船舶正常操作过程中产生的污泥和油渣外，禁止焚烧附则III中的货物残余物以及有关被污染的包装材料、多氯联苯（PCBs），附则V定义的含有超过微量重金属的垃圾、含有卤素化合物的精炼石油产品以及聚氯乙烯（PVCs）。但对于IMO认可的船上焚烧炉内焚烧聚氯乙烯除外。所有船舶（除只航行于其船旗国的领水或管辖水域）的焚烧炉都应由主管机关参照IMO制定的船用焚烧炉标准规格予以认可，并持有一本制造商的操作手册。附则VI第16条列明了禁止焚烧物质并在附件IV中规定了操作的限制条件。
　　⑦接受设施。1997年议定书缔约国在提供岸上接受设施方面主要有两方面义务，即在维修和拆船港接受ODS和在不允许将废气滤清系统（控制SOx）产生的残余物排入海洋时接受废液。
　　1.1.1.2排放控制区的设立背景及发展历程
　　1.设立背景
　　为防止、减少和控制船舶造成的大气污染，早在1973年，IMO在制定《MARPOL公约》时，就曾经讨论过船舶废气排放带来的空气污染问题，但当时并没有将防止船舶空气污染列入公约条款中。在1988年召开的海上环境保护委员会（MEPC）第26届会议上，挪威就船舶污染空气的规模向IMO提了一份提案，提出防止船舶排放污染大气问题作为MEPC的研究课题，MEPC第26届会议批准挪威的这一提案；在1990年召开的MEPC第30届会议上通过了减少船舶NOx、SOx排放的目标值和期限要求，提出2000年船舶NOx排放降低到基准值的70%，SOx排放降低到基准值的50%，并将《防止船舶造成大气污染规则》列为《MARPOL公约》的附则。随后，IMO将船舶污染空气问题列入其后续工作方案，并与1991年通过了一份防止船舶空气污染的决议［A.719(17)］，呼吁在MARPOL公约中增加一个防止空气污染的附则。1997年9月，IMO根据《环境和发展里约宣言》第15条原则，采取了防止和控制船舶造成大气污染的行动和措施，批准了《（73/78防污公约）1997年议定书》，并以附件形式新增MARPOL73/78公约附则VI《防止船舶造成大气污染规则》。由于1997年议定书的生效条件为不少于15个国家且其合计商船总吨位不少于世界商船总吨位的50％，签署后12个月生效。在2004年5月18日萨摩亚群岛（Samoa）批准加入MARPOL公约附则VI后，该附则达到生效标准。MARPOL公约附则VI正式生效后，要求船舶使用的任何燃油硫含量不超过4.5％（质量分数），同时设立波罗的海排放控制区，要求控制区内船舶使用燃油硫含量不超过1.5％（质量分数）。
　　2.发展历程
　　（1）排放控制区的设立
　　根据上述可知，IMO设立的第一个排放控制区是波罗的海排放控制区，它是和MARPOL公约附则VI同时生效。2005年7月22日，IMO海上环境保护委员会第53届会议（MEPC53）通过了对MARPOL公约附则VI和NOx技术规则的修订的决议［Resolution MPEC.132(53)］，设立了北海船舶排放控制区，并在2007年11月22日正式生效。2010年3月26日，IMO海上环境保护委员会第60次会议（MEPC60）讨论通过设立了北美排放控制区［Resolution MEPC.190(60)］（SOx、NOx和PM）。2011年7月15日，IMO海上环境保护委员会第62次会议（MEPC62）讨论通过设立了美国加勒比海排放控制区［Resolution MEPC.202(62)］（SOx、NOx和PM）。这四个排放控制区的设立及生效实施时间见表1-1。
　　表1-1MARPOL公约附则VI船舶排放控制区设立及生效时间表
　　（2）船舶SOx控制
　　IMO在MARPOL公约附则VI下制定了全球船用燃油硫含量限值标准。从附则VI生效之初到现在，关于船舶燃油硫含量限值标准也是根据MARPOL公约附则VI的修正而严格按照时间节点逐渐趋于严格。其具体演变过程如图1-1所示。
　　图1-1IMO船舶燃油硫含量限值（上线为全球标准，下线为排放控制区标准）
　　从图1-1可见，IMO对于船舶燃油硫含量限值的发展可分为三个阶段。
　　第一阶段：全球范围内4.5%（质量分数），排放控制区内1.5%（质量分数）。1997年9月，IMO批准了《（73/78防污公约）1997年议定书》，要求船舶使用的任何燃油硫含量不超过4.5％（质量分数），同时设立波罗的海排放控制区，要求控制区内船舶使用燃油硫含量不超过1.5％（质量分数）。该规则于2005年5月19日起生效，修正案生效具有1年的缓冲期，即上述第一阶段的燃油硫含量限值标准自2006年5月19日强制实施。
　　第二阶段：全球范围从4.5%（质量分数）降至3.5%（质量分数），硫排放控制区从1.5%降至0.1%（质量分数）。2008年3月IMO海上环境保护委员会第57届会议（MEPC57）决定将全球范围内船舶使用的燃油硫含量上限从当时的4.5%（质量分数）降至3.5%（质量分数）（2012年1月1日生效），对SECA内的船舶则是要求分步实施：2010年7月1日以前不超过1.5%（质量分数），2010年7月1日至2015年1月1日不超过1%（质量分数），2015年1月1日以后不超过0.1%（质量分数）。
　　第三阶段：全球范围0.5%（质量分数）。IMO海上环境保护委员会第70次会议（MEPC70）会议于2016年10月24～28日在伦敦召开。通过了MEPC.280(70)决议：实施MARPOL附则VI第14.1.3条燃油标准的有效日期。该决议审议了燃油可获得性指导委员会提交的研究报告以及相关国家和组织提交的研究结果，并综合考虑会上相关代表团和组织的意见，确认将2020年1月1日定为全球船舶燃油硫含量不应超过0.50%（质量分数）

目录
第1章绪论1
1.1国际船舶排放控制区1
1.1.1排放控制区介绍2
1.1.2国外船舶排放控制区实施经验6
1.2中国船舶排放控制区14
1.2.1中国船舶排放控制区政策演变过程14
1.2.2船舶排放控制区（2015）18
1.2.3船舶排放控制区（2018）26
参考文献32
第2章在航船舶尾气嗅探遥测技术及装备35
2.1在航船舶尾气嗅探遥测技术35
2.1.1技术简介35
2.1.2遥测精度测定与验证37
2.1.3遥测距离模拟与验证57
2.1.4小结99
2.2在航船舶尾气自动识别与溯源算法100
2.2.1基于增量相关阈值法的嗅探信号波峰自动识别算法100
2.2.2基于波峰数据的在航船舶燃油硫含量概率估计算法108
2.2.3基于路径积分的超标嫌疑船舶溯源锁定算法118
2.2.4小结124
2.3在航船舶尾气嗅探遥测装备及系统125
2.3.1装备小型化设计125
2.3.2多终端成套软件131
2.3.3小结134
第3章无人机载船舶尾气智能监视监测技术及应用136
3.1船舶尾气监视监测任务的无人机智能飞控技术136
3.1.1船舶视觉定位与尾气扩散模拟耦合诱导的无人机穿越
船舶尾气飞行控制技术136
3.1.2船舶相对静止与尾气摄影构图双重约束的无人机监视
船舶尾气飞行控制技术148
3.1.3小结156
3.2基于图像跟踪识别和虚拟比色卡的船舶尾气视频测黑技术156
3.2.1邻近刚性目标引导的船舶尾气图像跟踪识别算法157
3.2.2自适应环境光变化的船舶尾气黑度图像检测算法169
3.2.3小结179
3.3无人机载微型智能船舶尾气嗅探测硫传感器179
3.3.1关键问题识别180
3.3.2弥散式气体监测模块181
3.3.3适宜容量供电模块187
3.3.4实时显示手段188
3.3.5小结189
第4章船舶尾气排放“陆海空”立体监测技术与精准管控系统及应用191
4.1船舶尾气排放“陆海空”立体嗅探遥测技术191
4.1.1多平台遥测站点建设技术191
4.1.2多平台监测技术体系193
4.2船舶尾气排放智能遥测、精准溯源与执法查证系统203
4.2.1船舶尾气遥测分析与嫌疑船舶锁定子系统203
4.2.2执法检查任务分派、接收与执行子系统221
第5章应用案例224
5.1岸基案例224
5.1.1洋山港224
5.1.2坭洲航标楼226
5.1.3黄浦江口226
5.2桥基案例228
5.2.1苏通大桥228
5.2.2南沙大桥232
5.3船载案例234
5.3.1吴淞海巡艇实验234
5.3.2浦东海巡艇专项行动240
5.3.3洋山港海巡艇专项行动247
5.3.4吴淞海巡艇专项行动248
5.3.5宝山海巡艇专项行动249
5.4机载案例252
5.4.1东海救直升机专项行动252
5.4.2无人机载船舶尾气智能监视监测技术测硫应用案例253
5.4.3无人机载船舶尾气智能监视监测技术测黑案例267
5.5小结273