摘 要

随着航运业的蓬勃发展，船舶数量和船舶尺寸不断增加，污水处理不达标、误操作和泄露等原因导致的船舶污水排放对海洋环境产生了严重的影响。

传统船舶污水监测依靠实地考察和人工取样，经过实验室化验分析获取污水成分浓度结果，这种方式费时费力，极可能影响船舶正常营运，而且由于取样、运送、化验等过程容易出现误差，导致实验室测量结果准确性不高。另一方面，由于船舶流动性强、活动范围广、污水排放随意性强，在目前缺乏有效监管手段和措施的背景下，加剧了船舶污水超标排放对海洋环境的污染。针对这一问题，本论文结合船舶污水排放特点建立了完整的船舶污水智能监测系统，包括岸基监管平台、船载监测系统等部分，实现了对船舶污水的智能监测。

通过前期广泛阅读相关文献并对船舶污水监测进行深入了解后，本论文从船舶水循环管路系统出发，重点研究污水排放管路系统和需要进行实时监测的各水舱、管路，利用传感器和无线射频识别技术对污水排放、水循环管路系统水位水量进行监测，实现数据监测、数据记录、违规报警等功能，并设计反馈调节控制，形成闭环监测，使其成为完整的一体化系统，通过建立相应的岸基监管平台和全球定位系统，对船舶进行综合管理，实现了船舶污水排放情况远程监控。论文研究成果对于港口监测沿海、内河船舶的污水排放具有现实意义，对港口及海洋生态环境保护具有重要意义。

关键词：船舶污水；反馈调节控制；智能监测；监管平台设计

Abstract

With the vigorous development of shipping industry, the number of ships and the size of ships are increasing. The sewage discharge caused by sewage treatment substandard, wrong operation and leakage has a serious impact on the marine environment.

The traditional ship sewage monitoring relies on inspection in the field and manual sampling and the results of sewage composition concentration are obtained by laboratory analysis. This method is time-consuming and laborious, and it is very likely to affect normal operation of the ship. In addition, because of errors in the process of sampling,transportation and analysis, the results are not always accurate. On the other hand, due to the strong mobility of ships, wide range of activities and strong randomness of sewage discharge, the pollution of marine environment caused by excessive discharge of ship sewage has been aggravated under the background of lack of effective regulatory means at present. Aiming at the problem, the paper establishes a integrated monitoring system on the basis of the characters of ship sewage discharge, including shore-based supervision,platform, ship-borne monitoring system and so on to actualize the intelligent monitoring of ship sewage.

After extensive reading of the relevant papers in the early stage and learning deeply about ship sewage monitoring, this paper focuses on the sewage discharge pipeline system, the water tanks and pipelines that need to be monitored in all time. Then, using sensors and radio frequency identification technologies to monitor water level, discharge of the sewage, water circulation pipeline system. The system actualize remote monitoring of ship sewage parameter, noting the parameter, sending the parameter and illegal alarm. And there is closed loop feedback control which makes the system a whole. At the same time, the corresponding shore-based supervision platform and global positioning system are set up to carry out comprehensive management of ships and remote monitoring of ship sewage discharge. It is of practical significance for every port to monitor the sewage discharge of all kinds of ocean-going and inland river vessels. Further it is of great significance to the protection of port and marine ecological environment.

Keywords：Ship sewage, feedback control, intelligent monitoring, regulatory platform design

目 录

第一章 绪论 1

1.1课题研究的背景及意义 1

1.2相关领域研究现状 2

1.2.1国内外船舶传统污水监测现状 2

1.2.2船舶污水智能监测现状 3

1.3本论文研究内容及技术路线 5

1.3.1研究内容 5

1.3.2本论文技术路线 6

第二章 船舶污水管路系统分析 7

2.1含油污水及其管系介绍 7

2.1.1压载水管系分析介绍 7

2.1.2洗舱水和舱底水管系分析介绍 9

2.2消防水管系分析介绍 9

2.3冷却水管系分析介绍 10

2.4生活污水管系介绍 10

2.5船舶污水排放标准简要介绍 11

第三章 船载智能终端设计研究 13

3.1传感器原理介绍 14

3.1.1COD传感器原理介绍 14

3.1.2压力传感器原理介绍 15

3.1.3悬浮物传感器 16

3.2船舶污水在线监管子系统介绍 17

3.2.1总监控数据箱介绍 17

3.2.2水位水量监测单元 18

3.2.3污水排放管路及水质监测单元 19

3.2.4反馈调节单元 20

3.3信息传输及违规报警船载子系统 22

3.3.1无线射频识别跟踪监测单元介绍 22

3.3.2报警单元介绍 23

第四章 岸基监管平台设计研究 25

4.1通信单元及定位单元介绍 25

4.1.1基于RFID和AIS的通信单元 25

4.1.2定位单元介绍 26

4.2船舶综合管理单元介绍 26

4.3信息处理单元介绍 27

第五章 总结与展望 28

5.1结语 28

5.2展望 28

1. 绪论

1.1课题研究的背景及意义

近年来，海洋成为了各个国家必争之地，我国提出海洋强国战略，旨在更好地开发海洋、利用海洋、保护海洋、管控海洋。而自2008全球金融危机以来，虽然航运业略显低迷，但各个国家建造船舶的吨位越发巨大，超大型船舶更为常见，如今，世界商船运量逐年稳步上升，据统计到2033年甚至可能比2019增长百分之五十^[1]。随之而来的问题是日排污量随之越来越大，对海洋环境的保护和港口的废水管理提出了巨大的挑战，以普通游轮为例，每天至少产生50吨黑水（污水），舱底水约是总吨位的10%，含油浓度可达到5000ppm。而在船舶废水中，生活污水未经处理排入水环境，会导致水域内大量的生化反应，如导致氧气在水中的溶解度降低，大量氧气无法进入水中，进而使水中鱼类动物及藻类大量减少，另外，船舶动力装置产生的含油污水的危害则更为巨大，含油污水会大大影响水域水质，对各种鱼类幼苗产生巨大威胁，甚至致其死亡，另外残存在水生物中的油污有毒物质会慢慢积累，最终危害人类。

近几年，国际海事组织对于各类型船舶的污水尤其是含油污水的排放进行严格控制，将排放标准大幅度减低，对于生活污水排放的限制也越来越严格，包括国际航行船舶以及国内航行船舶，其航行中的生活污水排放均要遵守MARPOL公约的附则Ⅳ规定^[2]。另外，港口国对船舶排污的监管技术也不断提高，机载遥感技术等已被应用于监测船舶的排放行为。如发现排放超标或违规，船舶将面临巨额罚款和法律制裁。

虽然如今关于污水处理的研究越来越多，但对于船舶污染物排放的监测方面却依然中存在着空白。一方面，污水处理装置虽然越来越先进，经处理后达到港口要求并不困难，但船舶依然存在船员误操作污水排放或蓄意违规排放污水等行为；另一方面，随着船舶向着大型化、高速化的方向发展以及航运网络和航线的愈加密集，船舶的流动性越来越大，有时一月之内航迹便可遍及多个港口，使得船舶污水排放的监控和管控更具有挑战性。本文分析了船舶各路污水排放管路及可能产生污水的船舶管系，梳理了污水排放相关要求，利用水位水量监测技术及反馈调节等方法，研究并建立了一种船舶污水智能监测系统，对于大部分营运船舶具有现实指导意义。

1.2相关领域研究现状

1.2.1国内外船舶传统污水监测现状

船舶污水是指由于被船舶上的油类物质、垃圾或其他物质污染而宝成水体及环境污染的一类水，除少数特殊船舶会产生部分有毒液体物质外，大多数船舶上的污水主要包括含油污水、生活污水。含油污水对海洋环境危害极大，主要来源为船舶压载水、洗舱水和舱底水。含油污水不仅会在水面形成薄膜使大量海洋生物缺氧死亡，还会累计在水产品中，对人类造成危害。生活污水主要有粪便池中的积水、洗菜用水及洗澡用水等，其中，粪便池、医务室中的用水被称为黑水；厨房用水及地板渗漏水等被称为灰水，黑水与灰水成分不同，危害不同，处理方法也不相同。

如今通常以直接监测和间接监测的方法来控制船舶舱底含油污水排放，间接检查通常是以主管机关、港口国对含油污水处理装置进行例行检查，核查油类记录簿，对船舶相关人员的操作进行检查以及对船员的相关法律法规知识进行考核等方法进行。但此类检查只能表明设备在接收检查时的好坏和船员的操作水平，而无法保证船方在排污时是否严格按照国家标准进行排放，事实证明，许多船舶污水处理装置使用较少而保养良好，往往能够通过检查，另外，油类记录簿等文件人为编造，也不能说明船舶真实排污情况，所以此类方法存在缺陷。

而直接方法通常采用实船取样后对样品成分进行分析，然后对比排放标准确认船舶排污是否超标，或者内河区域通过海警巡逻、巡查车巡逻（主要方法为目测及第三方举报）的手段进行，相关研究有：2017年4月，集美大学的林金表等人发表了关于船舶智能油分计的研究，基于浊度法，设计了相关油分计的硬件电及软件，并进行了双通道检测器的实验验证，满足了船舶监测实时性和可靠性的要求^[3]；2013年6月，大连海事大学的陈小涛发表了关于快速检测生活污水中大肠杆菌数量的研究，通过对FTC宽度进行FLUENT软件模拟，基于激光诱导荧光检测技术研究了相应的检测设备，同时设计电路部分，并分析其数据，提高了对于生活污水的检测速度^[4]；2012年6月，大连海事大学的黄文发表了关于生活污水检测的基础研究，提出了新的检测装置设计方案，对于大肠杆菌数定量测定，以判断排放的生活污水是否达标，同时设计制作了相关检测芯片，并进行了仿真实验，提高了检测能力^[5]。但这样的方法过程复杂、耗费人力，且取样人员在取样、运输的过程中极易产生误差，对最终的分析结果易产生影响，巡逻的方法覆盖面窄且监管能力有限，尤其在夜晚，基本无监测能力。因此，对船舶污水的智能监测就显得尤为重要，不仅节省时间与人员，不耽误船舶的航行，而且能够提高检测精度与灵活性，对于放治海洋环境污染具有重要意义。

目前国内外对船舶污水处理的研究较多，也取得了巨大的成果，如2019年12月，山东交通学院的石建强等人发表了关于使用生物技术处理含油污水的研究，通过菌株培养实验分析S₁₅的烃降解特征，证明了S₁₅对石油环境的修复能力，并探究了相关环境因素对于降解柴油性物质的影响^[6]；2018年7月，上海美伽水处理技术有限公司的魏云瀚等人发表了关于MBR处理技术的研究，使用MBR处理技术，对于船舶生活污水的处理工艺进行了改良，减小了处理装置的占地面积提高了生产效率^[7]；2018年5月，武汉大学的牛庆林等人发表了关于使用电絮凝法对船舶生活污水进行预处理的研究，通过进行实验分析，研究不同条件对电絮凝的影响，如电流密度、污水的PH等，找到了降低生活污水浑浊度的最佳工作条件以及影响电絮凝工作的因素，提高了生活污水预处理工艺^[8]。但对船舶污水智能监测方面的研究特别是智能调节污水排放并对于水循环进行智能监测的研究就相对较少，所以监测的不足导致大量船舶污水排放超标而难以进行监管，对海洋环境和沿海陆地产生了巨大的危害。