溢油跟踪定位实时监测水面油膜污染浮标方法及其装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种溢油跟踪定位实时监测水面油膜污染浮标装置，浮标装置包括浮标壳体，浮标壳体外部设置有油膜检测传感器，浮标壳体内设置有检测模块电子设备组件，浮标装置还包括远程监控平台；传感器为电导式油膜检测传感器，检测模块电子设备组件产生交流信号向电导式油膜检测传感器施以电压并对信号进行采集处理，油膜检测传感器为电导式油膜检测传感器，能判断是否存在油膜污染的信息，并能对信息进行采集与处理。本发明设计构思新颖，结构独特，目的为溢油事故应急反应指挥决策部门，快速寻找可能的水面油污染位置并取得污染数据，为其实施污染控制提供先进的水面溢油电子信息手段。
【专利说明】溢油跟踪定位实时监测水面油膜污染浮标方法及其装置
【技术领域】
[0001]本发明属于海洋环境保护领域，具体涉及一种溢油跟踪定位实时监测水面油膜污染浮标方法及其装置。
【背景技术】
[0002]目前国内外针对水面油膜检测的传感技术有多种，主要有红外、紫外等光学感测浮油干涉条纹技术，电磁波发射信号与接收信号相位差判别油水浓度技术等。由于相关传感设备与实际的水上油膜不直接接触，都属于无接触传感探测，如国内目前进口的红外、紫外油膜检测设备。这种设备油膜识别率较低，水面的反光、水生物等都可能被作为油膜而误报，误报率30%?40%左右。光学传感器一般成本较高。因为传感器不随水面浮动，受潮差、波浪影响显著。雨雾会散射吸收光造成传感器灵敏度变化，盐雾和海洋气候也会造成光学器件腐蚀。另外一种是膜电导技术传感器，基本工作原理是当石油粘住分子膜时，膜受到破坏浸水将电极导通，然后检测电路判断出水面油膜的存在。关键的“膜”在盐水环境下易受侵蚀造成使用寿命偏短，浸油后不能重复使用。
[0003]溢油跟踪定位实时监测水面油膜污染浮标装置是安装有油膜传感器、定位、通信模块、电源系统并和远程监控平台配合使用的用于跟踪水面油膜位置并同时获取水面油膜信息的先进电子信息装置。当发生海上船舶溢油污染事故后，应急反应人员及时将该浮标装置或多只装置组成的监视系统，用船只或飞行器投放到溢油或可能被油污染的水面，依据所获得的水面溢油漂移方向、扩散范围和油膜是否存在等数据，为控制污染的指挥决策人员准确掌握污染信息服务。该技术属于海洋环境保护领域。
[0004]水面油膜主要是流和风的合力作用使其在水表面迁移运动，采用卫星定位的漂流浮标能够比较准确的跟踪水面油膜。但因为海洋环境复杂，油膜在海面会支离破碎，浮标可能偏离油膜运动方向等，在获取油膜飘向等信息的同时，真实获取浮标所处位置的水面油污染信息非常重要。
[0005]采用具有定位和通信功能的浮标装置跟踪水面溢油，目前国内外已有研究、多项专利和产品，但能够在既获得位置信息又能够同时掌握油污染状况的设计上，没有质的突破。
[0006]国内外一般的溢油跟踪浮标装置采用的浮标体结构设计基本类似，即采用一个浮子或浮板提供浮力，内置GPS定位，海事卫星或其它通信设备构成。如加拿大的一种产品和国内的几种专利，均为在一个球形的密闭壳体内装置有GPS或其它卫星定位仪，海事卫星、北斗通信卫星或GPRS网络通信设备。如日本的一个专利采用薄形壳体，内置类似电子设备；但这些产品或专利只能够用浮标的位置信息给出水面油膜方位的参考并不能够同时获取油污染信息。例如CN2188764Y公开了一种水面油膜检测传感器，传感器由浮子和电极构成，浮子由轻质绝缘材料制成，不吸水、不吸油、耐腐蚀并有一定刚性；浮子的结构分为上下两部分，在浮子的吃水线部位设置不少于两只的细小电极，浮子下部浸入水中并产生浮力；浮子上部为锥形，在锥底留有能与水面接触的平面，该平面与水面之间产生的附着力，可使浮子工作状态平稳，保证电极位于水与空气的临界面而不易跳出水面或浸入水中；电极引出线由浮子内部通过浮子上部的锥顶引出，连接到检测电路的输入端；传感器在水面的工作状态为自由漂浮，不能用固定的方式与周围物件连接。该专利技术存在一定缺陷，主要的技术问题是:(I)设备复杂，造价昂贵；(2)虽然在锥底留有能与水面接触的平面，该平面与水面之间产生的附着力，但是该附着力较小，相对于海上风力较大，不能确保浮子工作状态平稳，为信号或数据传递带来不稳定性，信号或数据可信度降低。另外，在本研究单位专利I)水面油膜检测传感器，专利号(93241074.X) ；2)多浮子碟片式溢油跟踪浮标，专利号(ZL 2010 I 0191931.6) ;3、)水面油膜采样装置，专利号(ZL 2009 I 0250072.0) ;4)海上溢油漂移路径及扩散快速预报方法，专利号(ZL 2011 I 0089491.8)的基础上，但这些专利均存在上述技术问题。
[0007]有资料显示可以用几只摄像头装在浮标顶端像眼睛一样监视水面油膜，但其高度和光谱适应范围使得在监视范围和全天候上存在很大的局限性，但是风浪和油膜很可能粘污镜头失效。即实际提供油膜监测的性能尚存在明显缺陷。
[0008]随着我国经济发展和国家对海洋环境保护的重视，我国海事、海洋、渔业和海洋石油开发等部门，在应对海洋石油污染的应急反应措施方面，提出了有关这类浮标设备配备的需求，能否在获取油膜位置的同时，得到准确的油膜信息直接影响到技术和产品的发展。
[0009]本发明主要是在溢油跟踪定位浮标设计上突破现有的技术缺陷，采用电导传感器解决油膜实时检测的难题。传感器置于壳体外用引线与壳体内置的检测模块连接，壳体内安装了卫星定位、卫星或网络通信、电源、太阳能电池等电子设备，在船只或岸上用远程监控平台获取油膜位置和污染程度信息。此独特的设计构成了一个能够获取水面油膜位置信息的同时用传感器技术检测并能够在监控端获取污染信息的新式溢油浮标。该浮标与目前现有技术比较，不仅仅能够向溢油应急指挥部门提供油膜的飘向、位置、迁移速度等信息，在准确获取油污染数据方面有创新和突破。本发明技术在国内外尚属首创，具有很强的应用推广价值。
【发明内容】
[0010]本发明的发明人主要研究了电导传感器在不同水质、环境下的溢油监测能力，研制了一种溢油传感器，解决了溢油传感器功耗大、可靠性差的实用性问题。
[0011]本发明特点是综合考虑了海风和海流的水动力特点，改进浮标体外形结构，研发体积小、漂移跟踪性能良好、具有新型防水结构和防碰撞能力的浮标体。设计了传感器和漂移浮标体的整体架构，通过集成定位、网络通讯技术以及监控平台系统，研制新一代海洋溢油污染跟踪监控浮标样机，进行海上试验，对海面溢油进行监测、预警。
[0012]本发明的目的在于提供一种溢油跟踪定位实时监测水面油膜污染浮标装置，该浮标在设计上突破现有产品和专利的技术缺陷，能在获取溢油飘向等位置信息的同时，取得该位置下的水面油污染信息，为应急反应指挥部门快速寻找水面溢油，准确掌握污染状况以实施污染控制，提供位置和污染数据。
[0013]本发明是一种溢油跟踪定位实时监测水面油膜污染浮标装置，该浮标包括浮标壳体、电导油膜传感器，检测模块等电子设备和远程监控平台等几个主要部分组成，浮标漂浮于水面随水流和油膜运动，通过内部的卫星定位装置获取海面位置信息，通过电导传感器接触水面，在检测模块的配合下判断水面的油污染状况并连同位置信息，经通信模块借助卫星或GPRS等网络通信技术与远程监控平台联系，显示位置和污染信息。
[0014]本发明具体的技术方案如下:溢油跟踪定位实时监测水面油膜污染浮标装置，其特征在于:所述浮标装置包括浮标壳体，所述浮标壳体外部设置有油膜检测传感器，所述浮标壳体内设置有检测模块电子设备组件，所述浮标装置还包括远程监控平台；
[0015]所述浮标壳体是由两个半球形壳体通过螺栓紧固而成的球形密闭壳体，所述油膜检测传感器为固定在壳体外面的电导式油膜检测传感器，所述检测模块电子设备组件产生交流信号向所述电导式油膜检测传感器施以电压并对信号进行采集处理，所述检测模块电子设备组件由卫星定位系统、无线通信装置和电源组成，所述远端监控平台包括网络通信系统和计算机系统，所述网络通信系统配有电子地图软件，所述计算机系统能够显示浮标位置和污染信息；所述浮标壳体采用非金属材料制成，所述非金属材料为玻璃钢、碳纤维或工程塑料制成，以避免定位和无线通讯装置受到电磁屏蔽；所述油膜检测传感器为电导式油膜检测传感器，所述电导式油膜检测传感器为1-100只，其中每只具有电极的个数为2-10个；所述检测模块电子设备组件产生的交流信号是正弦波、方波或三角波，所述交流信号向所述电导式油膜检测传感器施以电压，所述电导式油膜检测传感器能判断是否存在油膜污染的信息，并能对所述信息进行采集与处理，检测模块电子设备组件用模拟电路、数字电路和微处理器搭建而成。
[0016]优选所述浮标壳体为球形，适应不同的风或水流的阻力，壳体的大小取决于传感器、电子设备的功耗和重量。
[0017]所述电导式油膜检测传感器为30只，其中每只具有电极的个数为4个；
[0018]优选远程监控平台是配有电子海图、遥感地图、电子地图和监控软件的计算机装置，并由网络通信系统组成，平台通过服务器、互联网、卫星通信获取浮标终端位置和报警信息，并进行监控与显示。
[0019]优选浮标壳体外面还装有被动反光标志，便于飞机和/或船只在海上搜寻。
[0020]优选所述卫星定位系统为GPS卫星定位或北斗卫星定位；所述无线通信装置为海事卫星通信或GPRS网络通信。
[0021]本发明还提供一种所述装置的使用方法，将所述浮标装置置于目标海域，调整好所述浮标壳体附属设置的油膜检测传感器和所述检测模块电子设备组件，并调整好远程监控平台；进行溢油跟踪定位实时监测水面油膜污染状况。
[0022]优选所述油膜检测传感器为固定在壳体外面的电导式油膜检测传感器，所述检测模块电子设备组件产生交流信号向所述电导式油膜检测传感器施以电压并对信号进行采集处理，所述电导式油膜检测传感器是基于水与油之间存在几个数量级的电导率介电常数差异来鉴别水面浮油。
[0023]所述浮标壳体的主要作用是为油膜传感器等电子设备提供浮力；浮标壳体采用非金属材料制成，例如玻璃钢、工程塑料，可以根据设计采用球形或其它形状；浮标壳体的其它作用是密闭，以保证壳体内电子设备工作正常；该壳体大小和形状取决于对水流和风的适应性和电子设备重量、功耗。
[0024]所述电导传感器由电极组成，置于壳体之外与水面接触；可以根据实际情况，一个浮标配备几支电导传感器以保障油膜检测可靠性；电极安装在一个保护罩内，当电极接触水，电导增大，遇到油膜后电导减小。
[0025]所述检测模块为模拟或数字电子装置，或单片机、微计算机装置；装置为传感器电极提供交流电压并对信号进行滤波、统计、报警信号处理；电压、电流大小和波形根据检测灵敏度、电极寿命而定。电导传感器是基于水与油之间存在几个数量级的电导率介电常数差异来鉴别水面浮油。其优点是价格相对较低，灵敏度高。
[0026]所述壳体内电子设备包括GPS或其它卫星定位、海事或北斗等其它卫星定位通信模块或装置；包括天线定位和通信天线和电源系统。
[0027]所述远程监控平台是计算机和海图、遥感图等电子地图支持下的浮标数据显示监控终端，以服务器管理、无线网络形式与浮标的通信设备连接；当浮标采用海事卫星或北斗卫星通信时，也可以直接用相应的卫星通信设备与监控平台连接，便于远海使用。
[0028]除了上述主要技术方案外，本发明溢油跟踪定位实时监测水面油膜污染浮标装置，还包括浮标壳体提供的表面积辅助安装定向反光标志，便于人员识别和夜间飞机和船只对浮标的搜寻。
[0029]本发明优点及功效在于:该设计构思新颖，结构独特，不仅能比现有技术的溢油跟踪浮标在获取真实污染信息上具有优势，而且制作方便，使用灵活，能为船舶、石油钻探平台等溢油事故应急反应指挥决策部门，提供可靠的溢油跟踪和实时获取污染信息高科技手段。本发明设计构思新颖，结构独特，目的为溢油事故应急反应指挥决策部门，快速寻找可能的水面油污染位置并取得污染数据，为其实施污染控制提供先进的水面溢油电子信息手段。
【专利附图】
【附图说明】
[0030]图1为本发明的侧视示意图；
[0031]图2为本发明的俯视示意图；
[0032]图3为本发明的密封壳体内电子设备原理图；
[0033]图4浮标系统集成方案设计构架图
[0034]图中符号及标号说明如下:
[0035]I壳体，2传感器，3传感器支架，4电缆连接器，5检测模块电子设备组件，6蓄电池，7定向反光标志。
【具体实施方式】
[0036]如图1、图2所示，本发明溢油跟踪定位实时监测水面油膜污染浮标装置，该浮标包括:浮标壳体1，传感器2，传感器支架3，电缆连接器4，检测模块电子设备组件5，蓄电池
6,定向反光标志7。
[0037]如图3、所示，本发明溢油跟踪定位实时监测水面油膜污染浮标装置，该浮标还包括:壳体内的检测模块等电子设备。
[0038]浮标壳体I采用玻璃钢、工程塑料等耐压、防水、耐环境影响性强的材料，其体积大小满足提供电子设备、传感器的浮力，壳体厚度l-10mm。
[0039]传感器2形状可以是片形、圆形、球形或其它形状，保护外壳材料为玻璃钢、PVC等重量轻的材料并表面开数个不小于I毫米孔，电极固定在保护外壳内，数量不少于2个并位于水面，从保护外壳上引出导线与浮标壳体内的检测模块连接。电导传感器是基于水与油之间存在几个数量级的电导率介电常数差异来鉴别水面浮油。
[0040]传感器支架3其大小和形状取决于传感器外壳直径，用不锈钢或工程塑料制成，用螺栓与浮标壳固定。
[0041]电缆连接器4是一种防水接头，规格保证电缆穿入壳体时的水密性。
[0042]检测模块等电子设备5选用通用模块，规格保证向电导传感器提供交流电压和对油膜的检测，保证浮标的卫星定位和数据无线与远程监控平台连通。
[0043]蓄电池6根据供电时间选用铅酸电池或锂电池。
[0044]定向反光标志7工艺用超微玻璃珠涂敷或用成品定向反光材料粘附浮标壳表面，颜色根据用户需要选择，材料要求有耐侯性并且粘结牢固。
[0045]所述浮标壳体内的电子设备图3，可依用户对浮标的性能需要配置，例如传感器检测模块、GPS跟踪定位仪，GPRS网络通信模块，海事卫星或铱星或北斗通信卫星设备；采用锂离子或铅酸充电电池或其它一次性电池供电。
[0046]所述溢油跟踪定位实时监测水面油膜污染浮标装置系统原理框架图图4，当实施了本溢油跟踪定位实时监测水面油膜污染浮标装置设计后，该装置作为一种能够检测水面油污染的溢油跟踪定位浮标设备，可以在发生溢油事故后从飞机或船只上投入到水面，依照其良好的随水表面流和风的运动特性，跟随水表油膜运动并由壳体内的电子设备发出准确的溢油位置和电导传感器检测到的水面油污染信息。
[0047]当实施了本溢油跟踪定位实时监测水面油膜污染浮标装置辅助设计后，夜间通过飞机和船只的探照灯照射，浮标表面的定向反光标志被动发光，有利于对浮标的搜寻。
[0048]浮标终端接收GPS卫星的定位信号，并将解析过的实时位置信息(位置、速度、时间等)通过无线通讯系统(卫星网络或GSM网络)传送至监控平台。监控中心建立数据处理及网络服务器功能，对数据进行处理，并将处理后的数据通过互联网传输到终端用户的计算机。
[0049]跟踪浮标采用海事通信卫星系统，便于与国际海事组织、国内水运行业的通信系统兼容、可靠性高、运行费用较低。报警浮标采用成本低的GSM通信网络，共同采用公共网络技术，数据信息传输范围限制性少。上述溢油跟踪监测浮标系统技术指标如下表I所示:
[0050]表I溢油跟踪监测浮标系统技术指标
[0051]
【权利要求】
1.溢油跟踪定位实时监测水面油膜污染浮标装置，其特征在于:所述浮标装置包括浮标壳体，所述浮标壳体外部设置有油膜检测传感器，所述浮标壳体内设置有检测模块电子设备组件，所述浮标装置还包括远程监控平台。 所述浮标壳体是由两个半球形壳体通过螺栓紧固而成的球形密闭壳体，所述油膜检测传感器为固定在壳体外面的电导式油膜检测传感器，所述检测模块电子设备组件产生交流信号向所述电导式油膜检测传感器施以电压并对信号进行采集处理，所述检测模块电子设备组件由卫星定位系统、无线通信装置和电源组成，所述远端监控平台包括网络通信系统和计算机系统，所述网络通信系统配有电子地图软件，所述计算机系统能够显示浮标位置和污染信息；所述浮标壳体采用非金属材料制成，所述非金属材料为玻璃钢、碳纤维或工程塑料制成，以避免定位和无线通讯装置受到电磁屏蔽；所述油膜检测传感器为电导式油膜检测传感器，所述电导式油膜检测传感器为1-100只，其中每只具有电极的个数为2-10个；所述检测模块电子设备组件产生的交流信号是正弦波、方波或三角波，所述交流信号向所述电导式油膜检测传感器施以电压，所述电导式油膜检测传感器能判断是否存在油膜污染的信息，并能对所述信息进行采集与处理，检测模块电子设备组件用模拟电路、数字电路和微处理器搭建而成。
2.根据权利要求1所述的溢油跟踪定位实时监测水面油膜污染浮标装置，其特征在于:所述浮标壳体为球形，适应不同的风或水流的阻力，壳体的大小取决于传感器、电子设备的功耗和重量。
3.根据权利要求1所述的溢油跟踪定位实时监测水面油膜污染浮标装置，其特征在于:远程监控平台是配有电子海图、遥感地图、电子地图和监控软件的计算机装置，并由网络通信系统组成，平台通过服务器、互联网、卫星通信获取浮标终端位置和报警信息，并进行监控与显示。
4.根据权利要求1或2所述的溢油跟踪定位实时监测水面油膜污染浮标装置，其特征在于:浮标壳体外面还装有被动反光标志，便于飞机和/或船只在海上搜寻。
5.根据权利要求1或2或3所述的溢油跟踪定位实时监测水面油膜污染浮标装置，其特征在于:所述卫星定位系统为GPS卫星定位或北斗卫星定位；所述无线通信装置为海事卫星通信或GPRS网络通信。
6.根据权利要求1-5任一项所述的装置的使用方法，其特征在于:将所述浮标装置置于目标海域，调整好所述浮标壳体附属设置的油膜检测传感器和所述检测模块电子设备组件，并调整好远程监控平台；进行溢油跟踪定位实时监测水面油膜污染状况。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于:所述油膜检测传感器为固定在壳体外面的电导式油膜检测传感器，所述检测模块电子设备组件产生交流信号向所述电导式油膜检测传感器施以电压并对信号进行采集处理，所述电导式油膜检测传感器是基于水与油之间存在几个数量级的电导率介电常数差异来鉴别水面浮油。
【文档编号】G01N27/22GK103612722SQ201310476693
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2013年10月14日 优先权日:2013年10月14日
【发明者】俞沅, 申伟, 刘春玲, 李涛, 田玉军, 侯钰, 张卫 申请人:交通运输部水运科学研究所