课题基金 / 基金详情

基于多波段成像和多任务深度学习的船舶尾气遥测技术研究

批准号:
52101398
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
曹凯
依托单位:
学科分类:
航海与海事技术
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
曹凯

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
船舶尾气光学遥感探测是实现船舶有效监管的重要手段之一,但是目前对污染气体的探测精度和探测能力有限。主要问题在于尾气光学遥感图像存在来自于其他气体和颗粒物的消光干扰,难以建立图像光学特征和污染气体含量的定量关系。我们前期研究发现利用卷积神经网络提取尾气紫外图像特征,通过深度学习消除干扰因素,能预测船用油硫含量。为此,本项目拟结合紫外和热红外两种遥感探测手段,利用卷积神经网络+多任务深度学习,开展多种污染气体和船用油硫含量一体化探测技术研究:1)探寻最优污染气体共有光学特征波段,设计多通道探测方案;2)利用深度神经网络提取并融合多波段尾气图像特征,建立污染气体浓度估测模型;3)通过采集台架实验和实船航行数据验证并优化模型。研究成果为船舶尾气光学遥感探测提供结合人工智能手段的新思路,将船舶尾气光学遥感监测研究再向前推进一步,对于高效实时监管港口船舶,维护国家利益和保护海洋环境具有重要意义。
英文摘要
Optical remote sensing detection is one of the important methods to achieve the effective regulation of ship emissions. However, it has limited accuracy and ability for pollution gases. The main problem lies in the extinction interference caused by other gases and particles in exhaust gases, which makes it difficult to establish the quantitative relationship between the optical features in the image and the concentrations of pollution gases. Our previous research found that the fuel sulfur content can be predicted by using convolution neural network to extract features in ultraviolet image of exhaust gases and eliminating interference factors through deep learning. Therefore, this project plans to carry out the research on integrated detection technology for various pollution gases in ship exhaust and fuel sulfur content by combining ultraviolet and thermal infrared detection methods and using convolution neural network + multi-task deep learning: 1) find the optimal common bands with optical features for pollutant gases; 2) establish the estimation model of pollution gases concentrations by extracting and fusing using multi-band exhaust image features using the deep neural network; 3) verify and optimize the model by collecting data from bench test and real ship navigation. The results will provide a new idea-combining artificial intelligence methods-for optical remote sensing detection of ship exhaust and further advance the research on optical remote sensing regulations of ship exhaust, which is of great significance for efficient real-time supervision of port ships, maintenance of national interests and protection of marine environment.
航运业的快速发展,使得船舶大气污染排放问题愈加严重。随着我国陆地固定源、移动源大气污染物排放控制日益完善,船舶排放对于区域大气环境的负面影响将更加凸显,加强船舶大气污染排放的控制迫在眉睫。. 为实现船舶监管,此前海事监管部门采取登船抽样检测,存在检查目标比较随机、针对性不强、效率相对较低等缺点。近年来,船舶尾气遥测技术提供了更加有效的实时监管措施,但限于设备和技术的研究不成熟,存在操作难度大、自动化程度低、探测精度有限等问题。目前船舶远程监管的效果和效率,既不能满足海事部门日常履职的内在需要,也无法适应水运行业践行生态文明的外部要求。开展新型船舶尾气实时遥测技术研究,对于协助港口国监督检查官高效地检查船舶,维护国家利益和保护海洋环境而言,具有十分重要的意义。. 船舶尾气光学遥感探测是实现船舶远程实时监管的新型有效手段,但是目前对污染气体的探测精度和探测能力有限,且无法直接估算船用油硫含量。究其原因,主要在于尚未清楚认识尾气污染物对光的吸收和辐射规律这一核心科学问题,难以消除尾气光学遥感图像中来自于其他气体和颗粒物的消光干扰,未能准确建立图像光学特征和污染气体含量的定量关系。. 本研究结合紫外和热红外两种遥感探测手段,利用卷积神经网络+多任务深度学习,开展船舶尾气多种污染气体和船用油硫含量一体化探测技术研究。以成像探测机理和深度学习原理为理论基础,设计台架实验采集尾气紫外和热红外图像,烟道尾气成分在线监测数据作为数据支撑,分别建立了基于卷积神经网络的船用油硫含量分类预测模型和改进的基于多任务深度学习的尾气浓度回归预测模型。实验结果证明基于光学遥感图像和深度学习建立的模型能够大大提高船用油硫含量的预测精度。研究成果为船舶尾气光学遥感探测提供结合人工智能手段的新思路,将船舶尾气光学遥感监测研究再向前推进一步。
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