摘 要

本研究以AIS船舶自动识别系统为基础，收集整理深圳港区内船舶静态数据、动态数据，再结合船舶在巡航、减速、机动和停泊这4种工况下在一定的时间内实际航行过程，采用“自下而上”的动力法估算得出深圳港的船舶排放清单，本文的船舶排放量计算模型来自于国内外现有主流的计算模型，此外，在计算未知主机功率的船舶的主机功率时通过对大量样本拟合得出的公式得出的估算数据，经过已有文献论证，误差在合理的范围之内，而辅机和锅炉的功率的得出是通过普遍适用的经验公式得出，其余的数的选定参照国内外文献中出现的适合于深圳港本地化的。通过对深圳港的船舶排放特征的分析研究，依据研究得出的结论提出对控制治理深圳港区的船舶排放问题行之有效的措施。

关键词：AIS；排放清单；排放特征

Abstract

Based on the AIS ship automatic identification system, this study collects and collects static data and dynamic data of ships in Shenzhen port area, and combines the actual navigation process of the ship in a certain period time under the four conditions of cruise, deceleration, maneuvering and mooring. Using the 'bottom-up' dynamic method to estimate the ship discharge list of Shenzhen Port, the ship emission calculation model of this paper comes from the existing mainstream calculation models at home and abroad, in addition, the host power of the ship in calculating the unknown host power. The estimated data obtained by the formula obtained by fitting a lot of samples has been proved by the existing literature, and the error is within a reasonable range, and the power of the auxiliary machine and the boiler is obtained through the universally applicable empirical formula. The selection of the remaining numbers refers to the localization of Shenzhen Port that appears in the domestic and foreign literature. Based on the analysis of the ship#39;s emission characteristics of Shenzhen Port, based on the conclusions of the research, it puts forward effective measures to control the ship discharge problem in Shenzhen Port Area.

Key Words：AIS；emission inventory；emission characteristics

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究背景与意义 1

1.1.1研究背景 1

1.1.2研究意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.3探究思路与主要内容 3

1.3.1研究思路与技术手段 3

1.3.2论文结构 3

第2章 港口船舶排放清单估算方法 4

2.1船舶自动识别系统AIS 4

2.2估算方法概述以及选用 4

2.3船舶排放源分类 5

2.4船舶活动描述 5

第3章 计算模型以及参数确定 6

3.1计算模型的建立 6

3.2模型参数的确定 6

3.2.1船舶主机、辅机和锅炉功率的确定 6

3.2.2船舶主机、辅机和锅炉的负载率 8

3.2.3船舶航行时间 8

3.2.4排放因子 8

3.2.5低负载校正因子 9

第4章 船舶排放清单结果与分析 11

4.1深圳港概况以及AIS数据收集范围 11

4.1.1深圳港概况 11

4.1.2AIS数据收集范围 11

4.2深圳港船舶排放总量 11

4.3船舶排放气体的分担率 12

4.3.1按船型划分 12

4.3.2按船舶工况划分 15

4.3.3按船舶上排放源划分 16

4.4不确定性分析 17

第5章 结论与展望 18

5.1结论 18

5.2展望 18

参考文献 20

致谢 22

第1章 绪论

1.1研究背景与意义

1.1.1研究背景

航运运输业的不断发展和繁荣导致越来越多的船舶出现，同时这些船舶带来的大气环境污染也日渐愈发凸显， 由于如今船舶大多以内燃机燃烧化石石油燃料获取动力以及电力来供给船舶的正常航行与生产作业， 且目前为止大多的数的船舶未加装船舶废气处理装置，这导致了大量的船舶废气直接排放到大气环境中， 对大气环境造成严重污染。在船舶未经处理过随意排放的气体中已知的有害气体有二氧化硫()、氮氧化物()、一氧化碳()、二氧化碳()等等，除此之外还有微小颗粒物包括、未充分燃烧的黑碳()等，这些物质将会直接或间接对生态造成严重的破坏。其中污染最为严重的是经船舶排放的硫化物和氮氧化合物的在湿润大气环境中与水汽发生反应下落后形成酸雨、导致土壤酸化被破坏无法进行农业生产以及土地氮富集影响大气元素循环等；还有船舶排放的等温室气体以及通过反应间接生成的臭氧是航运业作用于全球变暖的罪魁祸首之一。 船舶排放带来的问题在全球范围内都成了各国政府现正面临的难题，对此各国政府部门加强了对船舶排放的研究与重视，船舶排放问题刻不容缓。

1.1.2研究意义

目前，大气环境正遭受着船舶废气排放造成的污染，越来越复杂多样的大气环境污染日益加重，且各式各样的污染更是无一例外的影响着人类的生产生活。 由于近现代工业化的蓬勃发展， 各行各业的产生的污染由单一的煤炭燃烧的烟尘污染向着更为复杂的光化学烟雾、霾、酸雨等各类危害严重的污染方向发展，现在愈发复杂严重的环境污染问题开始困扰我国许多的城市，各个城市正面临着诸多方面带来的压力。现在就需要各行业，各地区，各国家积极主动地进行环境污染的整治，承担起治理环境污染的责任，确保人们能够健康生活。整治大气环境污染不仅仅需要整体布局有个粗略的规划，还更需要具有针对性的分情况、分区域、分行业的更加细致化的手段来调整规划局部。因此，作为大气污染中重要的排放源之一的船舶航运运输类行业，主管单位需要对船舶的排放进行行之有效的治理控制措施变得势在必行。为了进一步做出更加行之有效的控制办法，需要抓其根本，从一切污染的排放源头入手，探究并分析船舶废气排放的整体污染特征，进而从很大的一部分程度上为环境管理和排放控制提供明确清晰合理的依据。港口的发展与壮大对城市的经济发展助力颇多，但与此同时却也带来了不少的严重的环境污染问题，其中最为显著的是船舶废气的不合理、无控制的排放给大气环境带来了日益严峻的挑战。综上所述，船舶排放的治理亟待解决。对此，追根溯源，我们从源头出发，了解其排放特征，发现问题所在，对症下药。在此之前，我们需要统计船舶排放的各指标含量，制定港口船舶排放清单，通过排放清单可以定量定性的得出船舶排放的特征，从而在根本上找出解决船舶废气污染问题的方法。

1.2国内外研究现状

研究船舶排放首要任务是如何建立起来一套完整的船舶排放清单，在清单内对船舶排放的有害物质进行种类、数量等一系列定量的划分和记录， 通过对船舶清单的研究以及分析得出相应的船舶排放特征，是目前对控制船舶排放很有效的方法与手段。现如今已知在国际上船舶排放清单的研究，从研究尺度范围上可以分为全球性的、区域性的和局部性的，从方法体系上可以分为自上而下和自下而上两类。随着排放清单的研究发展，一般都是采取主流的从方法体系上研究，这样的好处在于灵活性高也便于操作。现如今可用的自上而下的估算方法包括: 燃油法、贸易法; 自下而上的估算方法包括统计法和动力法。而在这其中通过实际的运用经验得知，运用自下而上的方法时在研究排放清单精度以及时空分布上一般优于自上而下的方法。船舶排放计算的基础参数数据一般可以分为动态数据(活动水平)、静态数据(技术参数)，排放因子（经验得出）等等，其中船舶排放因子在全球范围具有普适性（船舶全球营运的特性），所以在研究过程中所运用的基础参数数据均为动态以及静态的数据。多年以来各种研究都在致力于如何降低船舶排放清单的不确定性因素，为了能够提高排放清单数据的可靠性和精确性，获得更大范围的推广和应用，清单计算模型中对于数据的收集工作一时成为了重要的切入点，在通过不断的摸索探究中，广泛地应用的办法是利用 AIS取得船舶活动的实时数据。多年以来积累了很多的学术研究，国外的有Simon[1]等在2007年通过AIS估算了香港地区及珠三角地区船舶排放清单；J.P.[2]等和 Goldsworthy[3]等在澳大利亚港口和近海岸区域内借助AIS估算出不同类型船舶、不同吨型船舶的排放量。与外国相比较，国内的对船舶排放清单的研究起步较晚，还处于发展阶段，国内最先是采用的是基于燃料消耗量的排放因子法，估算得到内河船舶[4，6]、天津港[5]、珠江三角洲[7]以及国内船舶运输业总体[8]的船舶排放量，后来开始逐渐采用基于船舶活动的排放因子法来估算，青岛港[9]、广东全省[10]和上海港[11-12]等地排放总量都是利用这种方法。再后来船舶自动识别系统(AIS)的出现提供了全新的研究思路，国外的研究[13-15]发现，船舶自动识别系统能够提供更多的准确可靠船舶航行数据，利用其特性可以更好的研究排放清单。至此，国内的研究也开始通过借助AIS，在香港地区[16-17]、珠三角地区[18，19]、大连港[20]、上海洋山港[21]、环渤海[22-23]及长三角和东海[24]等地区相继地建立起船舶排放清单。虽然国内在各地区做了相关性的研究，但仍然受限于船舶活动数据和相关研究数据缺乏，尤其是对船舶排放因子的研究，只能参照国外研究的估算模型和参数，国内的研究依然落后于国外，这样的情况长此以往的发展下去会在很大一部分程度上影响到本地化船舶排放清单的制定，将很难真实反映国内船舶废气对大气污染的具体情况。国内对船舶排放清单的研究目前仍处于初步的发展阶段，中国本地化的船舶排放清单的研究还有很长的一段路要走。

1.3探究思路与主要内容

1.3.1研究思路与技术手段

船舶排放的问题日益严重，为了应对和解决这一迫切局面，各个国家相关政府部门提高了对船舶排放问题的重视，在此基础之上，行业内学者在此领域内进行了大范围的研究，同时高校也开展了大量的实验型研究，对船舶排放合理科学的评估办法和控制手段一直都在进步和前进。而对于本文来说，本文的思路是基于AIS，根据提供的实际数据结合船舶的运动情况，对深圳港船舶的排放计算做出估算模型，再根据船舶实际运行情况确定合理的模型参数，得出排放总量并最终确立排放清单数据。在此排放清单的基础之上总结得出船舶排放整体与局部的特征，并对排放特征进行分析研究，得到解决相关污染问题的途径。以下是整体思路：

图1.1 论文思路

1.3.2论文结构

本文基于AIS，通过自下而上的动力法得出深圳港的排放清单，探讨深圳港船舶排放特征，并对其进行分析。本文结构如下：

第二章：确立深圳港船舶排放测算方法，选择深圳港区内进出船舶为研究对象，统计分析每种类型船实际运行工况以及船舶静态数据。按照船舶活动过程进行划分，划分船舶航行工况的各个阶段以及确定时间。

第三章：采用动力法，结合船舶实际航行活动过程，建立起适用于深圳港区域内的计算模型，确定计算模型中各项参数信息和排放因子，在不同工况下适当的进行选用，各项参数信息要符合进出深圳港船舶的排放特征，在所有的参数确定下利用从AIS中得到的数据参数计算得出排放数据，之后对所有的排放数据加以整理归纳得出深圳港的排放清单 。

第四章：基于中排放清单得出的各项数据，归纳出各类型船舶的总排放量，并探讨在不同船型船舶上的船舶排放情况，在不同活动阶段上的排放量情况，在不同排放源排放量上的差异，分别计算上述各项的排放分担率。并对得出排放特征的进行合理的分析。

第五章：得出总结以及通过研究分析深圳港船舶排放特征，对控制深圳港船舶排放问题提出实质性解决方案。指出现目前研究船舶排放问题的不足所在，并针对现如今存在的问题提出对未来研究的展望。

第2章 港口船舶排放清单估算方法

2.1船舶自动识别系统AIS

船舶自动识别系统AIS，集成了通讯和电子信息技术的一种数字化智能化的船用航行设备，硬件系统主要被分为船载设备以及岸基设施两大部分，两者之间进行信息通信以及数据传输是要通过专用的电波频段，此频率未加密，公众都可以接收。船上的船载设备主要作用在于可以主动地自动且连续的向岸基设施或船载设备之间发送或者被动地接受来自岸基或者他船的与船舶和航行有关的信息，这些信息不仅仅有助于保障船舶航行方向的准确可靠性，而且更能为船舶避碰提供重要的实时信息，除此之外还能够利用AIS规划航线。AIS不单单在很大的一定程度上保障海上船舶航行的安全，而且还能够实时的提供船舶的动态信息，主要包括有船舶的经纬度信息、航行时间、实际的航行速度、靠离港口情况、航迹向等。同时也能够提供船舶各类静态的信息，如船舶类型、海事编号、称谓、船舶载重吨和船型尺度等。本文主要运用AIS做以下两方面的研究工作:

（1）AIS提供的进出港口船舶类型以及众多的船舶船型尺度信息。本文通过AIS得到了重要的船舶类型数据,能够方便的得到进出深圳港口船舶的总量数据，了解不同吨位和不同类型的船舶数量数据。AIS使本研究能够准确掌握研究区域的船舶组成情况，各总吨区之间和各类型船舶所占比例，以及各条研究船舶的诸多静态数据。比如重要的主机功率、载重吨等等，在计算总量需要的船舶参数都可以获取到。

（2）AIS提供的实时的船舶航行信息。从AIS中提取在后面的排放总量计算时需要船舶的实时航速信息，并且能够通过AIS得到的数据对不同船型和不同载重吨的船舶进行进出港口进行实时的持续追踪调查，也可通过对船舶信息的定时定点存档，完整记录下船舶进出港时的船舶轨迹，就可以方便的了解到船舶在深圳港区的大致活动范围情况。

2.2估算方法概述以及选用

一般在估算船舶排放清单时有两种有效的研究方法，一种是“自上而下”的估算方法，另外的一种是“自下而上”的估算方法。“自上而下”的估算方法是通过统计销售的燃油量数据或是根据船舶上主机、副机和锅炉的实船实际消耗燃油量的数据，结合基于燃油消耗的排放因子来估算船舶排放清单。而“自下而上”的估算方法是基于船舶动力法，运用此方法通常需要统计船舶尺度、载重吨、发动机功率、船舶航速等基础参数，代入基于船舶能耗的排放因子的估算公式来估算船舶排放清单。前者的优点在于只考虑燃油消耗量和相对应的排放因子以后，其他因素考虑的很少，如船舶类型、船舶尺度、船舶工况、船舶载重等，选取的估算模型较为简单。自上而下的方法需要准确获取船舶实际的耗油量参数，如果能够统计出航运运输总共消耗的燃油量，则可以估算得出全球船舶的排放清单；如果能够统计出一个国家或者是地区的船舶运输消耗的燃油量,则可以估算得出本国或者本地区的排放清单。后者的优点在于可以估算地区、船队的排放清单，可以在燃油消耗量记录不清的情况中得到排放清单，适用范围广，可以灵活地进行估算。前者因为需要全面统计燃油消耗量，仅限于船舶在区域内流动或全球的船舶排放研究。后者由于是简略的计算，船舶吨级及其对应的发动机等功率的参数也普遍采用平均值，忽略了船舶主机等使用年限的影响，多假设和简化了船舶营运时间，运行工况和实际耗用燃油类型，忽略航运业经济状况对船舶航速的影响，不确定性因素较高。相比较自上而下的方法，自下而上的方法考虑的因素更多，计算量更大一些，耗时更长一些，其中使用动力法时的船舶技术参数需要从船级社获取，比如劳氏船级社、中国船级社等船舶信息网站。但是船舶进出港的实际航行的时间、航行速度等实际数据需要从AIS中获取。随着愈加完善的船舶自动识别系统AIS的建立，装配AIS的船舶越来越多，AIS设备的更新换代，精度准确度的提高，使得自下而上的方法应用起来更加方便快捷，估算的结果也更加的准确起来。本文是采用了自下而上的方法，即基于AIS的动力法对港口船舶排放的情况建立计算模型，并做研究分析。

2.3船舶排放源分类

本文研究的目标为进出深圳港口的船舶，估算整个港口船舶的排放量，列出相应的船舶排放清单。文在计算时主要选定此五种类型船舶为研究船舶，分别是油轮、拖船、集装箱船、货船和其他船舶，本文选取的只是某一个月内的船舶类型，不代表所有月份的船舶类型分类。此外，船上燃烧燃料产生废气的主要排放源是主机、辅机和锅炉三种，本文将对这三种排放源进行分析。

2.4船舶活动描述

本文所研究的是特定港口处船舶排放问题，不考虑离开港口的单航次完整的海上航行阶段即完整的巡航段的排放量，只需要对船舶部分的巡航阶段、船舶进出港口时减速航行阶段、机动航行阶段和锚泊(由实际情况决定)或停泊阶段的排放情况进行考虑和研究。本文研究这些阶段的排放的主要目的是将有助于更好的了解港口船舶排放情况，现针对单艘船舶主动力装置相对应的实际工作情况进行归类，分别为以下4种：

（1) 船舶在港区定速巡航时（巡航工况）；

（2) 船舶在减速区内进出港时（减速工况）；

（3) 船舶在机动操作靠离泊位时（机动工况）；