基于动态时间规整的尾气估算船舶燃油硫含量方法_陶力.pdf

第 卷 第 期 年 月传 感 技 术 学 报 .项目来源：临港地区智能制造产业专项项目（）收稿日期：修改日期：，（，）：，（），（），（），：；：基于动态时间规整的尾气估算船舶燃油硫含量方法陶 力，周 凡（上海海事大学信息工程学院，上海）摘 要：船舶尾气排放对环境造成了严重的污染，通过嗅探法检测船舶尾气中 和 浓度来估算船用燃油硫含量是一种有效的手段。目前对嗅探法采集到的数据基本通过人为分析并估算船舶燃油硫含量，使用算法对船舶燃油硫含量的估算较少。提出了一种基于动态时间规整（）的船舶燃油硫含量估算方法，利用 浓度的极小值划分区间，再利用动态时间规整对划分的时间序列区间的相似性进行判断，找出 和 较高浓度形成的波峰区间，计算波峰内区间硫含量，并通过所有区间硫含量的平均值来估算出船舶燃油硫含量。结果表明，在二氧化硫浓度范围为 下，通过该方法能够有效地找出波峰，估算值与真实值的偏差一般小于（），估算值与人工选取峰值计算的结果相同。因此，该方法可以估算出船舶燃油硫含量。关键词：嗅探法；硫含量计算；动态时间规整；时间序列；相似性中图分类号：文献标识码：文章编号：（）船舶运输是世界货物运输的重要组成部分，年船舶运输占据全球贸易量的 以上和全球贸易额的 以上。尽管船舶运输极大地推动了社会经济发展，但是船舶排放也给环境带来巨大的危害。据联合国统计，年船舶排放的 和 占世界年度排放量的。船舶尾气排放造成的空气污染会导致心肺疾病，水域酸化，影响全球生态系统。由于 的船舶航线都集中在距海岸线 以内，船舶尾气排放已成为沿海和沿江地区重要的空气污染源。为了有效抑制船舶污染，国际海事组织（）在 年签订了 公约，公约包括 个附则，分别对不同类型的船舶污染做出了相关规定。在 到 年期间，划定了波罗的海、北海、北美美国、加勒比海 个国际排放控制区，对油品进行了严格限制。中国是世界海上运输的重要组成部分，年，中国占世界十大港口的 个。为了减少船舶排放造成的污染，年 月 日起实施的船舶大气污染物排放控制区实施方案规定，船舶进入国内排放控制区应使用含硫限值为（）的船用燃油。自 年 月 日起，进入内河控制区的海轮应使用含硫限值为（）的船用燃油，比以前的标准更加严格。随着相应法律法规的实施，需要快速有效地检传 感 技 术 学 报第 卷测出船舶燃油硫含量。最准确的检测方法是海事执法人员登船采集船舶燃油样品，使用快速检测设备对样品进行检测，将疑似超标船舶的样品送去检测机构检测，得到船舶燃油硫含量值，但是这样会耗费大量的时间和物力。除此之外，可以通过光学分析法或嗅探法来检测。光学分析法如差光吸收光谱、激光雷达、紫外线摄像机等利用船舶羽流的局部光学特性来估算尾流中的 浓度。如 等利用卷积神经网络和紫外摄像机图像来对船舶燃油硫含量预测。嗅探法能够通过采集到船舶废气排放中 浓度与 浓度和背景的 浓度与 浓度，进而估算硫含量。如 等提出使用嗅探技术测量船的，如 等提出使用配备嗅探装置吊舱的无人机来检测船舶的废气硫含量。在 年 月 日，此方法协助上海浦东海事局查获辖区海域内的含量超标的巴拿马籍货船。关于如何处理得到 浓度和 浓度成为研究的重要问题，但是相关方面的研究还是比较缺乏的，如 等提出的根据、等参数结合 模型计算船舶燃油硫含量。等提出了取明显稳定的峰值作为测量值进行船舶燃油硫含量的估算。胡健波等通过较高浓度尾气形成明显的 和 浓度波峰推算的硫含量平均值来估算船舶燃油的硫含量。等根据据无人机所载设备检测到的污染物的浓度出现尖峰和下降，形成清晰的污染物浓度轮廓这个特性来估算船舶燃油硫含量。瑞典哥德堡查默斯理工大学通过采集船舶羽流中的气体浓度来估算船舶燃油硫含量。上述嗅探测量方法中，硫含量的估算是通过过人为选取 和 浓度值较高的部分，浓度和 浓度数据形成的图像的曲线变化趋势相似的部分来估算船舶燃油硫含量值。动态时间规整（）是一种基于动态规划的模板匹配算法，根据两个信号的相似性局部拉伸或者压缩信号，使两个信号最佳匹配，比较两个信号的相似性，有效地应用于语音识别、生物识别、气象学等许多领域。如王成成等通过 计算相似度来评价井间的动态连通性，董林等通过 计算相似度实现断层增强。根据关于船舶燃油硫含量计算和 关于相似度的研究，本文提出基于动态时间规整的船舶燃油硫含量估算方法，通过极小值划分时间序列，使用 分析划分后区间的相似性，找出 和 中有明显浓度的波峰，从而估算船舶燃油硫含量值。相关理论基础 时间序列时间序列是按照发生的时间先后顺序排列而成的一组时序序列，是从规定的时间间隔内的连续观察或测量中获得的实值序列。时间序列可以是单变量的，也可以是多变量的。单变量的时间序列是指每个时间内，只有一个值。而多变量的时间序列指每个时间内，可以有多个变量可以同时获得。采用嗅探法采集船舶尾气 和 时，传感器和 传感器在单位时间内从尾气中只能采集到一个 和 浓度值，因此，传感器采集到的数据为单变量的时间序列。定义 为单变量的时间序列，为测量到的值，为测量的时间，则 可以用公式表示为：（，），（，），（，）（，）（）动态时间规整相似性度量是研究时间序列分类、聚类等许多数据挖掘问题的基础，也是时间序列挖掘的核心问题之一。欧氏距离是最早的计算时间序列相似度的方法之一，它有简单性和线性时间复杂度等特点，但是欧氏距离对时间轴上的变换不敏感，无法匹配不同长度的时间序列，因此欧氏距离在实际应用中往往很多场景都不适用。动态时间规整（）的提出有效地解决了欧氏距离中的问题，它能够处理不同长度的时间序列，能够解决时间序列发生时间轴的偏移，不要求两个时间序列点与点之间一一对应。在实验中，由于 传感器和 传感器响应时间不一样，的峰值点与 峰值点没有一一对应，因此本文采用了 来实现对采集到的船舶尾气数据进行相似性度量。假设两个时间序列分别为 和，长度为 和，构造一个 的矩阵，任意两点之间的距离，即欧氏距离，计算公式为：（，）（）（）式中：（，）为 和 之间的欧氏距离，和 分别为 和 中第 个元素和第 个元素。通过动态规划算法将两个时间序列中具有相似变化趋势的点对应起来，而对应关系称为规整路径。定义 为时间序列 和 的规整路径，中的第 个元素定义为（，），其中 是对不同长度的路径做出的补偿。根据边界性，连续性，单调性三个约束条件，可以得出若路径经过点（，），那么下个通过的点只能为（，）或者（，）或者（，），因此 取值范围为（，），。存在多个路径可以满足这些第 期陶 力，周 凡：基于动态时间规整的尾气估算船舶燃油硫含量方法 约束，但是 要寻求使得沿路径的积累距离达到最小的最优规整路径，最小累加距离为（，）。定义（，）为时间序列 和 中最优规整路径。人为（，）值越小，那么时间序列曲线相似度越大。（，）（，）（，）（，），（，），（，）（）基于动态时间规整硫含量估算方法 极小值点分段局部极值可以有效地保持序列趋势变化，因此使用极值点近似表示时间序列能够有效地对时间序列进行分析。等的研究提出了提取适当极值特征来分析时间序列。等提出了一种基于局部最小值和最大值的时间序列表示技术来提取时间序列的趋势特征。对 浓度值形成的时间序列，其长度为，为局部极值。若 为 浓度值的局部极小值，则 且；若 为 浓度值的局部最大值则 且。用 近似表示时间序列，表示方法为 ，（，）表示 浓度值的第 个极小值和第 个极小值的区间范围。，表示浓度值第 和第 极小值点之间的区间。度量区间的相似度 对时间序列的相似度度量得到的计算结果只能判断整体的相似性，无法判断局部的相似性。在计算时，需要选取相似度较好区间的最大值作为计算值，因此通过 计算，区间的相似度，得到结果称为最小相似距离，值越小，区间相似度越好，曲线的变化趋势越接近。但是仅依据区间的最小相似距离不能判断这个区间的最大值是否可以用来当作计算值，因此添加其他条件约束。相似度较好的区间需要满足以下要求：当对每个区间使用 分析时，可以获得区间的，值越小，区间相似度越好，曲线的变化趋势越接近。通过分析不同区间的数据图，总结得出了一个阈值为，若，则该区间相似性较好，若，则该区间相似性较差。假设气体完全混合，和 浓度测量的变化趋势应相同，并且在峰值区域内可以识别。因此在 区间内，和 浓度同时存在最大值。相似度较好区间时间间隔的范围 不能太小，通过对相似度较好的图像分析发现，存在噪声点的区间范围一般小于 。因此选择两个相邻的极小值点划分区间范围应大于 ，即（）。硫含量计算在本研究中，硫含量计算使用嗅探法中广泛使用的 的浓度与 浓度的比值作为硫含量（）的计算方法。假设燃料充分燃烧，其中碳全部以二氧化碳的形式排放，硫以 和其他形式排放。假设不同硫含量的船舶燃油中的碳含量差异不大，都是 左右，则燃油硫含量计算公式，为（）（）（，）（，）（，）（，）（，）（，）（）式中：表示硫的质量；表示燃料的重量；表示气体占混合气体的十亿分之一；表示气体占混合气体的百万分比；与 表示硫的原子质量与碳的原子质量；表示硫以其他形式排放出的百分比，在实际计算中，假设硫全部以形式排放，因此在估算中将 值忽略；（）表示 个单位时间内数据的算术平均值。实验与分析 数据来源为了验证方法的可行性，采用 使用携带嗅探设备的无人机对船舶检查时采集到的数据。选取了典型烟羽测量数据，标记格式为时间和序列号。无人机携带的检测设备为 和 两种气体的传感器。其中 传感器型号为：，量程为；传感器型号为，量程为 。检测 采用方法为电化学方法，通过气体电化学反应所产生的电流大小与浓度的关系确定 的浓度。检测 采用方法为非色散红外法（），该方法通过气体分子吸收特定波长的红外光服从朗伯比尔定律来确定 浓度。数据的处理为了减少样本之间数量级相差引起的误差问题，利于最短路径分析时间序列的相似度，对样本数据进行了标准化和归一化处理。先对数据进行 标准化处理，再将处理完后的数据归到，。传 感 技 术 学 报第 卷 标准化公式如式（）所示，为样本均值，为样本标准差：（）归一化公式如式（）所示，为样本的最小值，为样本的最大值：（）图 展示了经过标准化和归一化数据的变化。在未经处理前，浓度近似直线，经过处理后，图像中，浓度和 浓度的变化趋势和浓度波峰对应关系能够明显地看出来。同时编号 实验数据未处理前最小规整距离值为 ，处理后最小规整距离值为 ，经过处理后数据的最小规整距离值得到了有效地减少。图 处理前后的对比 结果分析本研究通过 硫含量估算方法分析了 采集的数据，对测量得到的 组数据进行分析研究。从表 中，可以计算出编号 实验数据中相似度较好区间的硫含量值标准差为，编号 实验数据中相似度较好区间的硫含量值的标准差为。在排放限制标准为（）的情况下，估算结果与检测机构分析出的硫含量值（真实值）对船舶燃油硫含量是否超标的判断保持一致，所测船舶硫含量都符合（）标准。估算值与真实值数据见表，相关分析结果见图。图 真实值与估计值的相关性分析表 符合要求区间的硫含量值实验数据选取的二氧化硫值选取的二氧化碳值相似度较好区间的硫含量值（）平均值（）表 估算值与实际值实验数据估算结果（）真实值（）第 期陶 力，周 凡：基于动态时间规整的尾气估算船舶燃油硫含量方法 从图 中可以看出估算结果与真实真实值具有较强的相关性。二氧化硫浓度范围为 时，估算值与真实值相比偏差一般不超过（）。进一步验证方法的可行性，将未有真实值的估算结果与人工选取峰值区间估算船舶燃油硫含量的方法相比较，从表 中可以看出在硫限制为（）下，只有一组估算结果不一致，正确率为。表 估算结果与人工选取峰值估算比较实验数据估算结果（）浓度较高区间的标准差 人工选取峰值区间估算结果（）在硫限制 标准下，判断结果是否一致判断结果一致判断结果一致判断结果一致判断结果一致判断结果一致判断结果一致判断结果一致判断结果一致判断结果不一致判断结果一致判断结果一致判断结果一致判断结果一致判断结果一致判断结果一致判断结果一致判断结果一致 结合表 和图 发现，当浓度较高区间的标准差和估算结果的值较为接近时，尾气形成 浓度的波峰不明显；当浓度较高区间的标准差和估算结果的值相差较大时，尾气形成 浓度的波峰，在峰值区间内有着较好的对应关系。在 图像中，发现其 浓度和 浓度变化趋势几乎相同，且波峰明显，预测结果接近真实值；在 中，发现 浓度的波峰个数远远大于 浓度的波峰，且变化趋势与 浓度变化存在差异，但是其估算结果同样接近真实值。因此，该方法可以较好估算出船舶燃油硫含量。从图 中可以看出，基于 估算结果与人工选取峰值计算结果具有很强的相关性。综上所述，本研究提出的方法可以有效地分析无人机检测到的数据，并估算出测量船舶燃油硫含量。在硫限制（）标准下，有 艘满足排放要求。在硫限制（）标准下，只有 艘符合要求。图 浓度分析传 感 技 术 学 报第 卷图 两种方法相关性分析 结论在本研究中，基于动态时间规整的船舶燃油硫含量估算方法能够有效地估算出船舶燃油硫含量，通过分析时间序列的相似度，找出 和 较高浓度形成的波峰区间，估算船舶燃油硫含量值。通过对估算结果的分析，发现估算值与真实值的偏差一般小于（），因此该方法的结果可以辅助海事人员判断船舶尾气硫含量是否大于排放限制值。在今后研究中，没有较高浓度波峰如何估算出船舶燃油硫含量、如何优化区间相似度的判断条件是研究重点。同时，研究发现使用嗅探法测量的船只在硫限制（）标准下，有 艘船符合标准，有 艘船符合硫限制（）标准。因此，随着法规对油的硫含量限制要求越来越严格，海事部门需要加强对船舶尾气排放的监测，减少船舶排放对环境的影响。参考文献：，：，：，李军伟，张晓红，张新民 我国船舶大气污染物排放及控制研究 资源节约与环保，（）：，（）：，：，（）：，（）：，（）：，（），（）：，（）：，（），（）：胡健波，朱建华，彭士涛，等 通过尾气估算船用燃油硫含量的跟船嗅探法实验 水道港口，（）：，：，（）：，（）：王成成，谷建伟，刘卫华，等 基于 算法的井间动态连通性评价 中国科技论文，（）：董林，宋维琪，胡建林，等 动态时间规整的断层增强方法 石油地球物理勘探，（）：，：，第 期陶 力，周 凡：基于动态时间规整的尾气估算船舶燃油硫含量方法 ，：，（）：，：，（）：，：，（），（）：陶 力（），男，汉族，江苏省淮安人，硕士，研究方向：船舶燃油硫含量计算，；周 凡（），男，汉族，博士，副教授，研究方向：时空数据分析，计算机视觉，人工智能，。