本发明涉及船舶技术领域，具体涉及一种关于船舶大气污染物排放监控的装置及方法。
背景技术：
船舶在使用过程中的气体排放会带来对大气环境的污染。特别是使用高硫油的船舶排放的废气严重影响着沿海地区的空气质量和沿岸居民的身体健康，因此，快速、准确的确定船舶排放源的排放强度对于高硫油船舶监管至关重要。然而，由于船舶排放源轨迹是离散的移动源，难以进行船舶排放扩散模拟和船舶排放气体溯源。公告号为cn109739235a的专利公开了一种仿雌蚊的移动传感器泄漏气体自动追踪方法，它包括利用搭载于移动机器人上的若干气体传感器阵列构成实现气体采集，通过溯源算法实现泄漏位置和浓度估计。该专利虽然实现了泄漏气体溯源，但由于海上是高温、高盐和高湿的特殊监测环境，且船舶排放具有流动性强、时空变化迅速和多源排放的特点，因此，难以实现移动机器人的气体采集与溯源在水上应用。因而如何有效的对港口水域的船舶废气排放进行有效监管监测，是目前需要解决的关键技术问题。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题在于提供一种移动船舶废气排放溯源装置与方法，该装置和方法操作简单，能仅利用单个船舶排放固定监测站点，对移动船舶排放源强溯源估计，快速识别高排放和使用高硫油的违规船舶。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种移动船舶废气排放溯源装置，其特征在于：至少包括：
密闭箱体；
通过伸出箱体的集气管与外界联系的样气收集控制器，用于远距离收集、处理、分析被监测船舶排放的废气，从而实现实时监测和分析船舶排放的大气污染物的浓度；
设置在箱体的顶部的气象信息收集机构，用于收集移动船舶废气排放溯源装置和被监测船舶附近的气象环境数据，所述气象环境数据包括风向、风速、温度、湿度、气压；
设置在箱体内的船舶自动识别跟踪机构，用于收集移动船舶废气排放溯源装置周围水域的船舶静态信息和动态信息、实时跟踪监测船舶烟囱口的排放温度。
按上述技术方案，样气收集控制器至少包括：
设置在箱体内包含了二氧化硫检测模块、二氧化碳检测模块和氮氧化物检测模块的气体浓度分析仪；
一端伸出箱体外且可与箱体分离的伸缩集气管；
设置在集气管中的除盐除湿模块，用于去除样气中的盐分和水分；位于箱体内与气体浓度分析仪三个模块一一对应的三个支管，集气管与三根支管分别连接。
按上述技术方案，样气收集控制器的集体管由两部分对接组成，一部分位于箱体上部，另一部分位于箱体内部；位于箱体上部且伸出箱体的一部分可与箱体分离，且支持手动伸缩至不同高度收集气体；位于箱体内部的另一部分集气管内安装了除盐除湿模块，所述除盐除湿模块设置于集气管与三根支管的分叉点之前。
按上述技术方案，位于集气管内部，且位于除盐除湿模块的上部，还设置有一个抽风机，抽风机的出风口与除盐除湿模块相连接，将空气引入除盐除湿模块。
按上述技术方案，所述气体浓度分析仪中的三个模块分别为：二氧化硫检测模块、二氧化碳检测模块、氮氧化物检测模块。
按上述技术方案，船舶自动识别跟踪机构至少包括位于箱体内部的红外热像测温仪和船舶自动识别模块；所述红外热像测温仪实时远程无接触测量船舶烟囱口排放温度；所述船舶自动识别模块为船用ais接收机，用于实时收集周围船舶的静态信息和航行动态信息，所述船舶的静态信息包括船名、船舶呼号、船舶动力设备信息、船舶吨位、船长、船宽、吃水信息；船舶航行的动态信息包括航速、航向、船位信息。
一种采用上述移动船舶废气排放溯源装置进行的船舶排放溯源方法，包括如下步骤：
1)确定固定监测站点布设位置，将移动船舶废气排放溯源装置设置在岸基固定监测站点，采集船舶排放的各组分气体的实时监测浓度数据；
2)采集参数，所述参数包括气象环境参数、被监测船舶的静态信息、被监测船舶动态活动信息、和固定监测站点所在处的气体浓度监测信息，其中气象环境参数包括风向、风速、温度、湿度和气压，船舶的静态信息包括船名、呼号、主机功率、辅机功率、烟囱高度、烟囱半径、烟囱口平均排放温度，船舶动态活动信息包括航向、航速、位置信息，气体浓度监测信息包括二氧化硫浓度、二氧化碳浓度、氮氧化物浓度；
3)确定有效船舶航行轨迹的起点和终点，设航行的起点时间为0，终点时间为n；
4)建立风向坐标系，构建以船舶航行轨迹点为坐标原点、以下风向为x轴，以横风向为y轴的风向坐标系，将固定监测站点的坐标从大地坐标系转换至风向坐标系；
5)模拟移动船舶废气排放源强的候选解集，即对船舶废气排放的浓度、船舶排放源的三维空间坐标位置进行模拟，确定候选解集以进一步在候选解集中确定最优解；
6)基于高斯烟团扩散模型，建立废气排放扩散浓度分布场与步骤1)采集到的所述参数间的函数关系，建立移动船舶废气排放扩散模型。
7)在步骤5)的候选解集范围内，对比多组模拟浓度值与监测站实际监测浓度值，确定最接近的模拟浓度值为移动船舶的废气排放源强的最优解；即建立关于求解移动船舶废气排放源强最优解的优化函数f(q)，求解满足优化函数f(q)的最小值条件下的船舶废气排放源强q的最优解；优化函数f(q)由多个时刻的气体扩散模拟浓度值与实际浓度监测值的差的平方表示。
上述技术方案中，步骤6)中所述移动船舶废气排放扩散模型如下：
6.1)对船舶排放和扩散进行条件假设和约束，基于高斯模型建立船舶废气排放扩散模型时，作出以下条件假设：(1)当船舶航速小于1m/s时，大气环境风速应大于1m/s；(2)船舶在扩散模拟时间步长范围内，船舶烟囱口排放的废气是连续、稳定且均匀(3)扩散模拟过程中忽略重力和浮力的影响，扩散模型不考虑任何化学反应过程；(4)扩散气体到达水面被全部反射，水面没有任何吸收作用；(5)扩散模型只考虑气团朝下风向的扩散，忽略朝其他方向的扩散；
6.2)根据步骤5)中模拟的移动船舶废气排放源强的候选解集，建立废气排放扩散浓度分布场与步骤1)采集到的参数间的函数关系为：
ci(x',y',z',tn)＝f(x',y',z',q,u,dw,t,ti,tn,hs,ts,rs,vs)
其中，ci(x',y',z',tn)是船舶在ti时刻排放的废气扩散至所述固定监测站点位置(x,y,z)处，在tn时刻的质量浓度；x为经度，y为纬度，z为高程；tn为船舶的有效航行时间，n的取值范围为船舶航行的有效起点时间和终点时间；
6.3)根据步骤5)中模拟的移动船舶废气排放源强的候选解集，将解集内的解以迭代的方式依次带入移动船舶废气排放扩散模型，求解船舶在有效航行轨迹范围排放的大气污染物，在t1,t2,t3......tn多个时刻，扩散至所述固定监测站点位置(x,y,z)的多组浓度值。
上述技术方案中，步骤6.3)具体如下：
固定监测站点位置(x,y,z)受船舶废气排放扩散的影响，该点在tn时刻的质量浓度表示为c(x,y,z,tn)，该浓度为船舶在t1,t2,t3......tn时刻产生的n个气团对于固定监测站点位置(x,y,z)浓度贡献的叠加，具体如下：
其中，根据步骤4)，(x',y',z')为将固定监测站点在大地坐标系下的位置(x,y,z)转换至风向坐标系中的坐标。
上述技术方案中，步骤7)中：优化函数f(q)由t1,t2,t3......tn多个时刻的气体扩散模拟浓度值与实际浓度监测值的差的平方表示，具体如下：
其中，c(x,y,z,ti)为船舶在t1,t2,t3......ti时刻排放的i个烟团，在ti时刻扩散至固定监测站点位置的气体浓度之和；obs(x,y,z,ti)为固定监测站点在ti时刻的气体浓度实际监测数据。
样气收集控制器收集和处理大气样本，通过管道将经过除盐除湿后的大气样本传输至气体浓度分析仪，分析船舶排放的各组分大气污染物浓度。装载气体浓度监测传感器的箱体用来保护气体浓度分析仪克服高盐、高湿、高温的恶劣海洋环境，确保气体浓度分析仪的检测精度。所述气象信息收集机构至少包括位于箱体上部的微型气象监测仪，在本方案中用的型号是hy-wds5，气象信息收集机构用来收集周围的气象环境信息，包括风向、风速、温度、湿度、压强。所述红外热像测温仪采用rs30-mag32ht无线红外测温系统，测温范围为20-500℃，可探测船舶的距离范围为0-4400m，实时测量船舶烟囱口排放温度。
按上述方案，所述气体浓度分析仪由二氧化硫、二氧化碳和氮氧化物三个气体浓度检测模块组成，二氧化硫检测模块采用450i型二氧化硫分析仪，量程范围为0-250mg/m3，精密度为1ppb；二氧化碳检测模块采用410i型二氧化碳气体分析仪，量程范围为0-20ppm，精密度为监测浓度的1.0％；氮氧化物检测模块采用42i-tl型痕量氮氧化物分析仪，量程范围为0-1000ppb，精密赋为监测浓度的1.0％。样气收集控制器由一个可伸缩至不同高度的集气管，最高可延伸至15m，集气管内安装有除盐除湿模块，用来去除样气中的盐分和水分，经过处理后的样气，通过三个支管道分别传输至三个气体浓度分析仪，检测气体浓度信息。
按上述方案，所述船舶自动识别模块采用型号为rs35-vhf船用ais接收机，用于实时收集周围船舶的静态信息和航行动态信息，所述船舶的静态信息包括船名、船舶呼号、船舶动力设备信息、船舶吨位、船长、船宽、吃水信息；船舶航行的动态信息包括航速、航向、船位信息。
本发明还提供一种船舶排放溯源估计方法，利用移动船舶废气排放溯源装置在港口水域岸基形成一个固定监测站点，该装置和方法操作简单，能仅利用单个监测站点，对移动船舶排放源强溯源估计，快速识别高排放和使用高硫油的违规船舶。
相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：
1、将船舶废气排放相关监测系统模块集成于一套装置内，可依据不同监测场地、监测时间的需求对任意沿岸船舶排放的废气进行现场监测，可依据监测浓度数据，通过配套的移动船舶废气排放溯源方法，估算船舶排放的浓度，为海事监管部门发现高排放使用高硫油船舶提供直接的证据。
2、仅需利用单一的岸基固定监测站点，实现对于一定区域范围内的移动船舶废气排放源强溯源估算，极大程度上节约了监测设备的投资成本和降低了技术人员的操作技能要求；可操作性强，船舶废气排放溯源方法自动化程度高，易于实现。
3、本发明设计了小尺度的移动船舶废气排放扩散模拟方法，解决了传统的将船舶视为固定源进行扩散模拟的问题；通过构建三维风向坐标系，将移动船舶航行坐标点、监测站点坐标、大气环境要素坐标都表示在同一风向坐标系中，实现在复杂的气象条件下，在小尺度范围内，实现模拟任意移动船舶排放的废气扩散至周围环境的浓度分布情况。
附图说明
图1是本发明移动船舶废气排放溯源装置的结构示意图；
图2是本发明移动船舶废气排放溯源方法的流程图；
图3是本发明实施例的船舶排放烟团的流体动力示意图
图4是本发明实施例的移动船舶wgs-84坐标转换至风向坐标系示意图。
具体实施方式
根据本发明实施的移动船舶废气排放溯源装置设置于港口水域岸基，或位于岸边，或设置于岸边监测船上，形成一个固定监测站点，所述固定监测站点与被监测船舶在0-5km范围，也即监测范围为0-5km的周向圆形区域；如图1所示，所述移动船舶废气排放溯源装置至少包括箱体5和箱体5内外设置的三部分:样气收集控制器、气象信息收集机构、船舶自动识别跟踪机构；
其中：
样气收集控制器用于远距离收集、处理、分析船舶排放的废气，从而实现实时监测和分析船舶排放的大气中污染物的浓度；样气收集控制器至少包括：设置在箱体5内包含了二氧化硫检测模块6、二氧化碳检测模块7和氮氧化物检测模块8的气体浓度分析仪；一端伸出箱体5外且可与箱体5分离的伸缩集气管3；设置在集气管3中的除盐除湿模块12，用于去除样气中的盐分和水分；位于箱体5内与气体浓度分析仪三个模块一一对应的三个支管(二氧化硫检测进气支管9、二氧化碳检测进气支管10和氮氧化物检测进气支管11)，集气管3与三根支管分别连接。
样气收集控制器收集和处理大气样本，将集气管3和各气体浓度分析仪(二氧化硫检测模块6、二氧化碳检测模块7、氮氧化物检测模块8)的进气口相连接，将经过除盐除湿后的大气样本传输至气体浓度分析仪，分析船舶排放的各组分大气污染物浓度：二氧化硫检测进气支管9将部分样气传送至二氧化硫检测模块6，用来检测二氧化硫的浓度信息，二氧化碳检测进气支管10将部分样气传送至二氧化碳检测模块7，用来检测二氧化碳的浓度信息，氮氧化物检测进气支管11将部分样气传送至氮氧化物检测模块8，用来检测氮氧化物的浓度信息。箱体5用来保护气体浓度分析仪克服高盐、高湿、高温的恶劣海洋环境，确保气体浓度分析仪的检测精度。
气象信息收集机构1优选体积小、质量轻且易安装的微型气体监测仪，设置在箱体5的顶部，用于收集固定监测站点附近以及被监测船舶附近的气象环境数据，所述气象环境数据包括风向、风速、温度、湿度、气压；在本方案中用的型号是微型气象监测仪hy-wds5，其他未提及的种类也可以适用。
船舶自动识别跟踪机构，用于收集固定监测站点周围水域的船舶静态信息和动态信息、实时跟踪被监测船舶烟囱口的排放温度；至少包括位于箱体5内部的红外热像测温仪4和船舶自动识别模块2；所述红外热像测温仪4实时远程无接触测量船舶烟囱口排放温度；所述船舶自动识别模块为船用ais接收机2，用于实时收集周围船舶的静态信息和航行动态信息，所述船舶的静态信息包括船名、船舶呼号、船舶动力设备信息、船舶吨位、船长、船宽、吃水信息；船舶航行的动态信息包括航速、航向、船位信息。
具体的，集体管3由两部分对接组成，一部分位于箱体5上部，另一部分位于箱体5内部，两部分可拆分；位于箱体5上部且伸出箱体5的一部分可与箱体5分离，支持手动伸缩至不同高度收集气体，伸缩范围为1-15m，集气管3伸缩至指定高度后，再与箱体5内的另一部分集气管道口相连接收集气体；位于箱体5内部的另一部分集气管内安装了除盐除湿模块12，用来去除样气中的盐分和水分，经过处理后的样气，通过三个支管分别传输至气体浓度分析仪的三个检测模块，检测气体浓度信息。所述除盐除湿模块12设置于集气管3与三根支管的分叉点之前。
位于集气管3内部，且位于除盐除湿模块12的上部，有一个微型抽风机，抽风机的出风口与除盐除湿模块12相连接，将空气引入除盐除湿模块12。
按上述方案，所述气体浓度分析仪中，二氧化硫检测模块6采用450i型二氧化硫分析仪，量程范围为0-250mg/m3，精密度为1ppb；二氧化碳检测模块7采用410i型二氧化碳气体分析仪，量程范围为0-20ppm，精密度为监测浓度的1.0％；氮氧化物检测模块8采用42i-tl型痕量氮氧化物分析仪，量程范围为0-1000ppb，精密赋为监测浓度的1.0％。
按上述方案，所述船舶自动识别跟踪机构至少包括位于箱体5内部的红外热像测温仪4和船舶自动识别模块2；所述红外热像测温仪4优选采用无线红外测温系统，本实施例中所述红外热像测温仪4采用rs30-mag32ht无线红外测温系统，测温范围为20-500℃，可探测船舶的距离范围为0-4400m，实时测量船舶烟囱口排放温度；所述船舶自动识别模块2即船用ais接收机2采用型号为rs35-vhf船用ais接收机。
本发明还提供一种采用上述移动船舶废气排放溯源装置进行船舶排放溯源估计方法，包括如下步骤：
1)确定固定监测站点布设位置，将移动船舶废气排放溯源装置设置在所述固定监测站点，采集船舶排放的各组分气体的实时监测浓度数据；
2)采集参数，所述参数包括气象环境参数、被监测船舶的静态信息、被监测船舶动态活动信息、和固定监测站点所在处的气体浓度监测信息，其中气象环境参数包括风向、风速、温度、湿度和气压，船舶的静态信息包括船名、呼号、主机功率、辅机功率、烟囱高度、烟囱半径、烟囱口平均排放温度，船舶动态活动信息包括航向、航速、位置信息，气体浓度监测信息包括二氧化硫浓度、二氧化碳浓度、氮氧化物浓度；
3)确定有效船舶航行轨迹的起点和终点，设航行的起点时间为0，终点时间为n；
4)建立风向坐标系，构建以船舶航行轨迹点为坐标原点、以下风向为x轴，以横风向为y轴的风向坐标系，将固定监测站点的坐标从大地坐标系转换至风向坐标系；
5)模拟移动船舶废气排放源强的候选解集，即对船舶废气排放的浓度、船舶排放源的三维空间坐标位置进行模拟，确定候选解集以进一步在候选解集中确定最优解；
6)基于高斯烟团扩散模型，建立废气排放扩散浓度分布场与步骤1)采集到的所述参数间的函数关系，建立移动船舶废气排放扩散模型。
7)在步骤5)的候选解集范围内，对比多组模拟浓度值与监测站实际监测浓度值，确定最接近的模拟浓度值为移动船舶的废气排放源强的最优解；即建立关于求解移动船舶废气排放源强最优解的优化函数f(q)，求解满足优化函数f(q)的最小值条件下的船舶废气排放源强q的最优解；优化函数f(q)由多个时刻的气体扩散模拟浓度值与实际浓度监测值的差的平方表示。
上述技术方案中，步骤6)中所述移动船舶废气排放扩散模型如下：
6.1)对船舶排放和扩散进行条件假设和约束，在实际船舶烟囱口排放的污染物扩散模拟时，由于受环境因素的影响，烟团沿下风向逐渐扩散，污染物浓度随时间推移而不断下降。基于高斯模型建立船舶废气排放扩散模型时，应作出以下条件假设：(1)船舶处于移动状态时，船舶航行速度应不小于1m/s，当船舶处于静止状态下，风速应不小于1m/s。即当船舶航速小于1m/s时，大气环境风速应大于1m/s。(2)船舶在扩散模拟时间步长范围内，船舶烟囱口排放的废气是连续、稳定且均匀的。(3)扩散模拟过程中忽略重力和浮力的影响，扩散模型不考虑任何化学反应过程。(4)扩散气体到达水面被全部反射，水面没有任何吸收作用。(5)扩散模型只考虑气团朝下风向的扩散，忽略朝其他方向的扩散；
6.2)根据步骤5)中模拟的移动船舶废气排放源强的候选解集，建立废气排放扩散浓度分布场与步骤1)采集到的参数间的函数关系为：
ci(x',y',z',tn)＝f(x',y',z',q,u,dw,t,ti,tn,hs,ts,rs,vs)
其中，ci(x',y',z',tn)是船舶在ti时刻排放的废气扩散至所述固定监测站点位置(x,y,z)处，在tn时刻的质量浓度；x为经度，y为纬度，z为高程；tn为船舶的有效航行时间，n的取值范围为船舶航行的有效起点时间和终点时间；
6.3)根据步骤5)中模拟的移动船舶废气排放源强的候选解集，将解集内的解以迭代的方式依次带入移动船舶废气排放扩散模型，求解船舶在有效航行轨迹范围排放的大气污染物，在t1,t2,t3......tn多个时刻，扩散至所述固定监测站点位置(x,y,z)的多组浓度值。
上述技术方案中，步骤6.3)具体如下：
固定监测站点位置(x,y,z)受船舶废气排放扩散的影响，该点在tn时刻的质量浓度表示为c(x,y,z,tn)，该浓度为船舶在t1,t2,t3......tn时刻产生的n个气团对于固定监测站点位置(x,y,z)浓度贡献的叠加，具体如下：
其中，根据步骤4)，(x',y',z')为将固定监测站点在大地坐标系下的位置(x,y,z)转换至风向坐标系中的坐标。
上述技术方案中，步骤7)中：优化函数f(q)由t1,t2,t3......tn多个时刻的气体扩散模拟浓度值与实际浓度监测值的差的平方表示，具体如下：
其中，c(x,y,z,ti)为船舶在t1,t2,t3......ti时刻排放的i个烟团，在ti时刻扩散至固定监测站点位置的气体浓度之和；obs(x,y,z,ti)为固定监测站点在ti时刻的气体浓度实际监测数据。
图3是本发明实施例的船舶排放烟团的流体动力示意图，烟团从船舶烟囱口排放后受到大气环境向下风向扩散，且烟团的密度逐渐减小，烟团的体积逐渐的增大。烟团被抬升至所在的高度he为烟囱的高度h和烟团被抬升的高度δh之和。
图4是本发明实施例的移动船舶大地坐标转换至风向坐标系示意图，t1......tn为船舶的航行时间范围，dw为风向，待计算浓度的空间点的坐标需要由大地坐标系a(x，y)，转化为以船舶为原点，以下风向为x轴正方向，以横风向为y轴的坐标点，即转化为图4中的a(x',y')，以实现船舶排放大气污染物的扩散浓度空间分布模拟、船舶排放大气污染物浓度和位置的溯源。
本发明中涉及的未说明部分与现有技术相同或采用现有技术加以实现。
需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
1.一种移动船舶废气排放溯源装置，其特征在于：至少包括：
密闭箱体；
通过伸出箱体的集气管与外界联系的样气收集控制器，用于远距离收集、处理、分析被监测船舶排放的废气，从而实现实时监测和分析船舶排放的大气污染物的浓度；
设置在箱体的顶部的气象信息收集机构，用于收集移动船舶废气排放溯源装置和被监测船舶附近的气象环境数据，所述气象环境数据包括风向、风速、温度、湿度、气压；
设置在箱体内的船舶自动识别跟踪机构，用于收集移动船舶废气排放溯源装置周围水域的船舶静态信息和动态信息、实时跟踪监测船舶烟囱口的排放温度。
2.根据权利要求1所述的移动船舶废气排放溯源装置，其特征在于：样气收集控制器至少包括：
设置在箱体内包含了二氧化硫检测模块、二氧化碳检测模块和氮氧化物检测模块的气体浓度分析仪；
一端伸出箱体外且可与箱体分离的伸缩集气管；
设置在集气管中的除盐除湿模块，用于去除样气中的盐分和水分；位于箱体内与气体浓度分析仪三个模块一一对应的三个支管，集气管与三根支管分别连接。
3.根据权利要求2所述的移动船舶废气排放溯源装置，其特征在于：样气收集控制器的集体管由两部分对接组成，一部分位于箱体上部，另一部分位于箱体内部；位于箱体上部且伸出箱体的一部分可与箱体分离，且支持手动伸缩至不同高度收集气体；位于箱体内部的另一部分集气管内安装了除盐除湿模块，所述除盐除湿模块设置于集气管与三根支管的分叉点之前。
4.根据权利要求2所述的移动船舶废气排放溯源装置，其特征在于：位于集气管内部，且位于除盐除湿模块的上部，还设置有一个抽风机，抽风机的出风口与除盐除湿模块相连接，将空气引入除盐除湿模块。
5.根据权利要求1或2所述的移动船舶废气排放溯源装置，其特征在于：所述气体浓度分析仪中的三个模块分别为：二氧化硫检测模块、二氧化碳检测模块、氮氧化物检测模块。
6.根据权利要求1或2所述的移动船舶废气排放溯源装置，其特征在于：船舶自动识别跟踪机构至少包括位于箱体内部的红外热像测温仪和船舶自动识别模块；所述红外热像测温仪实时远程无接触测量船舶烟囱口排放温度；所述船舶自动识别模块为船用ais接收机，用于实时收集周围船舶的静态信息和航行动态信息，所述船舶的静态信息包括船名、船舶呼号、船舶动力设备信息、船舶吨位、船长、船宽、吃水信息；船舶航行的动态信息包括航速、航向、船位信息。
7.一种采用上述权利要求1-6任一项所述移动船舶废气排放溯源装置进行的船舶排放溯源方法，其特征在于包括如下步骤：
1)确定固定监测站点布设位置，将移动船舶废气排放溯源装置设置在岸基固定监测站点，采集船舶排放的各组分气体的实时监测浓度数据；
2)采集参数，所述参数包括气象环境参数、被监测船舶的静态信息、被监测船舶动态活动信息、和固定监测站点所在处的气体浓度监测信息，其中气象环境参数包括风向、风速、温度、湿度和气压，船舶的静态信息包括船名、呼号、主机功率、辅机功率、烟囱高度、烟囱半径、烟囱口平均排放温度，船舶动态活动信息包括航向、航速、位置信息，气体浓度监测信息包括二氧化硫浓度、二氧化碳浓度、氮氧化物浓度；
3)确定有效船舶航行轨迹的起点和终点，设航行的起点时间为0，终点时间为n；
4)建立风向坐标系，构建以船舶航行轨迹点为坐标原点、以下风向为x轴，以横风向为y轴的风向坐标系，将固定监测站点的坐标从大地坐标系转换至风向坐标系；
5)模拟移动船舶废气排放源强的候选解集，即对船舶废气排放的浓度、船舶排放源的三维空间坐标位置进行模拟，确定候选解集以进一步在候选解集中确定最优解；
6)基于高斯烟团扩散模型，建立废气排放扩散浓度分布场与步骤1)采集到的所述参数间的函数关系，建立移动船舶废气排放扩散模型；
7)在步骤5)的候选解集范围内，对比多组模拟浓度值与监测站实际监测浓度值，确定最接近的模拟浓度值为移动船舶的废气排放源强的最优解；即建立关于求解移动船舶废气排放源强最优解的优化函数f(q)，求解满足优化函数f(q)的最小值条件下的船舶废气排放源强q的最优解；优化函数f(q)由多个时刻的气体扩散模拟浓度值与实际浓度监测值的差的平方表示。
8.根据权利要求7所述的船舶排放溯源方法，其特征在于步骤6)中所述移动船舶废气排放扩散模型如下：
6.1)对船舶排放和扩散进行条件假设和约束，基于高斯模型建立船舶废气排放扩散模型时，作出以下条件假设：(1)当船舶航速小于1m/s时，大气环境风速应大于1m/s；(2)船舶在扩散模拟时间步长范围内，船舶烟囱口排放的废气是连续、稳定且均匀(3)扩散模拟过程中忽略重力和浮力的影响，扩散模型不考虑任何化学反应过程；(4)扩散气体到达水面被全部反射，水面没有任何吸收作用；(5)扩散模型只考虑气团朝下风向的扩散，忽略朝其他方向的扩散；
6.2)根据步骤5)中模拟的移动船舶废气排放源强的候选解集，建立废气排放扩散浓度分布场与步骤1)采集到的参数间的函数关系为：
ci(x',y',z',tn)＝f(x',y',z',q,u,dw,t,ti,tn,hs,ts,rs,vs)
其中，ci(x',y',z',tn)是船舶在ti时刻排放的废气扩散至所述固定监测站点位置(x,y,z)处，在tn时刻的质量浓度；x为经度，y为纬度，z为高程；tn为船舶的有效航行时间，n的取值范围为船舶航行的有效起点时间和终点时间；
6.3)根据步骤5)中模拟的移动船舶废气排放源强的候选解集，将解集内的解以迭代的方式依次带入移动船舶废气排放扩散模型，求解船舶在有效航行轨迹范围排放的大气污染物，在t1,t2,t3......tn多个时刻，扩散至所述固定监测站点位置(x,y,z)的多组浓度值。
9.根据权利要求8所述的船舶排放溯源方法，其特征在于步骤6.3)具体如下：
固定监测站点位置(x,y,z)受船舶废气排放扩散的影响，该点在tn时刻的质量浓度表示为c(x,y,z,tn)，该浓度为船舶在t1,t2,t3......tn时刻产生的n个气团对于固定监测站点位置(x,y,z)浓度贡献的叠加，具体如下：
其中，根据步骤4)，(x',y',z')为将固定监测站点在大地坐标系下的位置(x,y,z)转换至风向坐标系中的坐标。
10.根据权利要求8或9所述的船舶排放溯源方法，其特征在于步骤7)中：优化函数f(q)由t1,t2,t3......tn多个时刻的气体扩散模拟浓度值与实际浓度监测值的差的平方表示，具体如下：
其中，c(x,y,z,ti)为船舶在t1,t2,t3......ti时刻排放的i个烟团，在ti时刻扩散至固定监测站点位置的气体浓度之和；obs(x,y,z,ti)为固定监测站点在ti时刻的气体浓度实际监测数据。
技术总结