一种用于海洋浮油污染物的无人采样装置及其在线清洗方法与流程

1.本发明涉及无人机领域，更具体地，涉及一种用于海洋浮油污染物的无人采样装置及其在线清洗方法。


背景技术：

2.近年来，随着经济日益迅速发展，海上运输业逐渐发达，随之带来的船舶原油泄漏事故也频频发生。石油类对水体的污染已成为人们日益关注的环境问题。我国的环境监测技术规范中规定石油类为地表水和有关行业排放废水必测项目之一。然而大多数石油泄漏事故大都发生在远海，如果使用船舶等工具必会耗费大量人力、财力和时间，因此有必要使用遥感监测手段对石油污染进行监测，20世纪60年代遥感技术已应用于水面石油污染监测。
3.现有技术“基于无人机和bp神经网络的海上油污监测系统及方法”公开了一种基于无人机和bp神经网络的海上油污监测系统，包括海面图像信息采集模块、图像分解与数据处理模块、图像油污分析模块和报警模块；海面图像信息采集模块采用无人机低空巡航拍照获得海面图像信息；图像分解与数据处理模块采用rgb分离图片的红色(r)、绿色(g)、蓝色(b)三通道数据；图像油污分析模块采用bp神经网络的预测结果作为海面是否有油污的判断依据；报警模块采用vhf通信技术实现海面油污的实时自动报警。该方案中仅针对海上油污进行识别监测和清洗，而未设计具体的采样模块对含油污水进行采样检测。
4.现有技术“一种海洋浮油清理快速反应无人机”公开了一种海洋浮油清理快速反应无人机，包括飞行器本体，在飞行器本体的内部设置有输送机构，底部设置有喷嘴，喷嘴通过折叠旋转机构与输送机构连通，输送机构用于将清理液输送至喷嘴，并进行喷洒，折叠旋转机构用于收纳喷嘴以及调整喷嘴的喷洒角度，在飞行器本体的周侧设置有多个摄像头，摄像头用于采集飞行器所在海洋区域的图像信息；还包括处理器，处理器与驱动模块、自主导航模块、浮油分析模块、多个摄像头相连，驱动模块用于驱动飞行器航行，自主导航模块用于规划飞行器的航线，浮油识别模块用于多个摄像头的图像信息进行分析，识别其中包含的浮油参数，处理器根据浮油参数，控制输送机构输送清理液至喷嘴，同时控制折叠旋转机构调整喷嘴的喷洒角度，进行喷洒清理。该方案仅针对海上浮油设计有清理结构，也未对采样等相关功能进行设计。
5.可见，目前在对海上石油的监测手段中，仅有针对含油污水的监测或者清理方法，却未针对海上油污采样方法进行进一步的研究，更未考虑到油污带来的相关清洗问题。同时，根据《水和废水监测分析方法》(第四版)规定石油类采样瓶在洗涤时严禁使用脂类洗涤剂，入肥皂水、清洁剂等，因为这些洗涤剂中含有不饱和脂肪酸等有机物，这些物质将会影响监测结果，使数据偏高。同时，利用遥感技术对海上石油进行采样时，距离陆地较远，人工清洗较为困难。针对石油类废水的采样结构不可直接用洗涤剂进行清洗，然而由于油污与水的不相溶性，纯水对油污的清洁能力有限，因此亟需发明一种针对油污采样结构的在线清洗结构。


技术实现要素：

6.本发明为克服上述现有技术所述的缺乏含油污水采样装置、或采样装置未得到有效清洗的缺陷，提供一种用于海洋浮油污染物的无人采样装置及其在线清洗方法。
7.为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
8.一种用于海洋浮油污染物的无人采样装置，包括：无人飞行器、采样结构、清洗结构和安装支架。
9.进一步地，无人飞行器设置有控制单元，控制单元用于控制无人飞行器的启停。
10.更进一步地，无人飞行器为无人直升机、无人旋翼机、无人飞艇和无人伞翼机的任意一种。
11.进一步地，采样结构与控制单元电连接，用于采集目标取水点的含油污水。采样结构与无人机协调配合实现遥感控制实现远程海上石油采样。
12.进一步地，清洗结构与控制单元电连接，用于清洗采样结构。清洗结构用于实现采样结构在上一个采样点与下一个采样点之间采样的时间间隙对结构进行清洗，以便于实现多次采样的同时提高样品的质量和纯度。
13.进一步地，安装支架的一端与无人飞行器处于飞行状态时靠近地面的一侧连接，另一端分别与采样结构和清洗结构连接。安装支架用于将含油污水采样系统固定于无人机上。
14.进一步地，采样结构包括：采样容器、采样管、采样泵和电磁阀。采样容器固定于安装支架上，用于储存待检测样品；采样管的一端与采样容器连通，另一端用于连通含油污水；采样泵设置于采样管远离采样容器的一端，采样泵的进水口用于抽取待检测样品，采样泵的出水口与采样管连通；采样泵与控制单元电连接；电磁阀设置于采样管的管路上，并与控制单元电连接。具体地，无人飞行器中的控制单元分别与采样泵、电磁阀配合，可实现灵活控制取水组件开始采样和停止采样。
15.更进一步地，采样管与采样容器可拆卸连接，采样管与电磁阀可拆卸连接。可实现取水组件的各个结构便于装配和拆卸，方便更换和清洗。
16.更进一步地，采样泵的进水口设置有过滤头，过滤头的形状为圆形、三角形、方形、五边形、六边形、或八边形等。过滤头的滤网目数为100、200、300、400目等。可实现，在水质采样时进一步过滤水中的细微杂质。
17.进一步地，采样管包括：采样主管和采样支管。采样主管的一端与电磁阀的进水口连通，另一端用于连通含油污水。采样支管的一端与电磁阀的出水口连通，另一端与采样容器连通。
18.更进一步地，支管有1、2、3、4、5、6、7或8根，均匀分布于主管四周。可实现，不同的支管对应收集不同的采样点的水样，各支管独立对接预设采样容器，避免水样之间互相污染。
19.更进一步地，主管上设有流量传感器。流量传感器与控制单元电连接，可实现，通过远程指令实时监控采样泵抽取样品时的流量，并控制进样量。
20.进一步地，采样容器为采样瓶和采样袋中的任意一种。采用采样瓶安装在无人采样装置中时，可提高系统的稳定性；采用采样袋安装在无人采样装置中时，可减小实际占用体积，减轻无人采样装置在运输过程中采样容器的重量，同时袋装形状灵活多变，便于储存
待检测样品。
21.进一步地，清洗结构包括：空气压缩机、水箱、清洗主管和清洗控制阀。
22.空气压缩机与安装支架远离无人飞行器处于飞行状态时靠近地面的一端连接；水箱与安装支架远离无人飞行器处于飞行状态时靠近地面的一端连接；清洗主管的一端与空气压缩机、水箱连通，另一端与主管靠近含油污水的一端的管壁连通；清洗控制阀设置于清洗主管和采样主管的交叉口处，控制清洗主管和采样主管之间的通断。通过上述四种结构之间的配合，可以实现采样时，在目标采样点采样完毕后，利用空气压缩机提供压缩气体、水箱提供清水，两者混合之后鼓入采样主管中进行清洗，气液混合物的冲击力较大，可对管路进行高效清洗，避免油污残留在管壁上影响后续采样。
23.进一步地，清洗结构还包括：出气支管、出气阀、出水支管和水泵。
24.出气支管的一端与空气压缩机连通，另一端与清洗主管连通；出气阀设置于出气支管的管路上，并与控制单元连接；出水支管的一端与水箱连通，另一端与清洗主管连通；水泵设置于出气支管的管路上，并与控制单元连接。通过出气阀、水泵分别与控制单元电连接，可实现远程指令控制空气压缩机和水箱分别出气和出水，使气液均匀混合，以提高清洗效率。
25.进一步地，清洗结构还包括：洗涤剂储存容器、洗涤剂输送管和洗涤剂输送泵。洗涤剂储存容器与安装支架远离无人飞行器处于飞行状态时靠近地面的一端连接；洗涤剂输送管的一端与洗涤剂储存容器连通，另一端与清洗主管连通；洗涤剂输送泵设置于洗涤剂输送管的管路上，并与控制单元连接。若含油污水的油污过重，单纯的气液混合物不能将其完全清洗干净时，可采用洗涤剂进行清洗，即先打开出气阀和洗涤剂输送泵，利用洗涤剂和压缩空气的混合物进行清洗，清洗结束之后关闭洗涤剂输送泵，打开水泵，进行二次清洗，洗掉采样主管中残留的洗涤剂，最后可关闭水泵，利用压缩气体冲掉残留的水滴，以提高采样的准确度和样品的纯度。
26.进一步地，清洗结构还包括：废液管和废液收集容器。废液管的一端与电磁阀的出水口连通。废液收集容器的开口端设有通气孔，与废液管远离电磁阀的一端连通。一方面，废液收集容器可用于收集清洗采样主管后的油水混合物，避免直接排放对环境造成二次污染，废液收集容器的通气孔用于平衡管路中的气压，使空气压缩机中的压缩气体可以顺利进入到管路中。另一方面，在采样时，关闭清洗结构，将采样管管口浸入待检测水体中吸取少量水样润洗采样主管的管路，润洗后产生的废液储存在废液收集容器；而后控制电磁阀将采样主管的管路与预设采样容器连通，进一步采取水样。在采集下一个位点的水样时可循环重复该项操作，可适用于多位点采样。
27.进一步地，清洗结构还包括：浊度检测仪。浊度检测仪与安装支架连接，用于检测采样主管的浊度。
28.更进一步地，浊度检测仪与控制单元电连接。可实现，通过远程指令控制浊度检测仪在线对采样主管的浊度进行检测，通过浊度检测的结果判断停止清洗或继续清洗；若浊度达标，则停止清洗；若浊度不达标，则进行二次清洗，直至浊度达标。
29.本发明还提供一种采用上述用于海洋浮油污染物的无人采样装置进行水质采样在线清洗的方法，包括以下步骤：
30.s1：控制无人采样装置到达第一目标取水点，进行采样；
31.s2：采样完毕后，控制电磁阀打开通向废液管的支管管路，控制清洗控制阀使清洗主管与采样主管连通；
32.s3：开启出气阀和水泵，同时选择性的打开洗涤剂控制阀，使气体和液体之间形成气液混合物，鼓入清洗主管和采样主管中进行清洗操作，清洗完毕的废液输送入废液收集容器中进行收集；
33.s4：通过浊度检测仪检测采样主管的浊度，若浊度达标，则关闭出气阀和水泵；若浊度未达标，则进行二次清洗；
34.s5：清洗结束后控制无人采样装置飞往下一个目标采样点进行再次采样，循环重复上述步骤1～4。
35.与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
36.1、本发明采用无人飞行器与含油污水采样系统中的采样结构、清洗结构相配合，可实现针对海上石油泄漏事故发生的场景，结合遥感监测技术对海上含油污水进行采样并检测，同时，在无人采样装置中增加清洗结构，可实现对无人机采样系统进行在线清洗，进而实现多位点采样时及时高效的对采样结构进行清洗并为下一个位点的采样做准备。
37.2、本发明采用无人飞行器与采样结构、清洗结构组装的方式，其中，无人飞行器灵活小巧，可进行远距离作业，机动性较高，同时无人飞行器相比于采样人员乘坐船舶出海的方式而言，节约了人工和燃油成本，同时也提高了采样的安全系数。
38.3、本发明中的清洗结构中设有空气压缩机、水箱和洗涤剂储存容器，可根据实际的油污污染程度选择最佳清洗方式，单一气洗、单一水洗、气水结合、气剂结合、水剂结合等方式均可，清洗方式较为灵活多样，适用于多种污染情况，通过在线清洗的方式最终提高了样品的质量和纯度。
39.4、本发明中还设置有废液管连通废液收集容器，一方面可收集清洗产生的废液，另一方面可收集润洗采样管产生的废液。一物多功能，充分拓展结构的实用性的同时，提高了最终采集得到的样品的质量和纯度。
40.5、本发明中的各个容器、管路中均设有阀门、泵等控制结构，与控制单元电连接，实现了远程指令的自动化控制模式，降低了专业要求度，容易上手，方便使用。
附图说明
41.图1为本发明实施例1提供的一种无人采样装置的结构示意图；
42.图2为本发明实施例1提供的一种无人采样装置的结构示意图；
43.图3为本发明实施例1或实施例2中浊度检测仪的放大图；
44.其中：100-无人飞行器；200-采样结构；300-清洗结构；400-安装支架；
45.201-采样容器；202-采样管；2021-采样主管；2022-采样支管；203-采样泵；204-电磁阀；
46.301-空气压缩机；302-水箱；303-清洗主管；304-清洗控制阀；305-出气支管；306-出气阀；307-出水支管；308-出水泵；309-洗涤剂储存容器；310-洗涤剂输送管；311-洗涤剂输送泵；312-废液管；313-废液收集容器；314-浊度检测仪。
具体实施方式
47.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例的附图，对本技术的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
48.除非另外定义，本技术使用的技术术语或者科学术语应当为本技术所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本技术中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
49.实施例1
50.本实施例公开一种用于海洋浮油污染物的无人采样装置，如图1所示，包括：无人飞行器100、采样结构200、清洗结构300和安装支架400。
51.无人飞行器100设置有控制单元，控制单元用于控制无人飞行器100的启停。无人飞行器100具体为无人直升机。
52.采样结构200与控制单元电连接，用于采集目标取水点的含油污水。采样结构200与无人机协调配合实现遥感控制实现远程海上石油采样。
53.清洗结构300与控制单元电连接，用于清洗采样结构200。安装支架400的一端与无人飞行器100处于飞行状态时靠近地面的一侧连接，另一端分别与采样结构200和清洗结构300连接。安装支架400用于将含油污水采样系统固定于无人机上。
54.采样结构200包括：采样容器201、采样管202、采样泵203和电磁阀204。采样容器201固定于安装支架400上，用于储存待检测样品；采样管202的一端与采样容器201连通，另一端用于连通含油污水；采样泵203设置于采样管202远离采样容器201的一端，采样泵203的进水口用于抽取待检测样品，采样泵203的出水口与采样管202连通；采样泵203与控制单元电连接；电磁阀204设置于采样管202的管路上，并与控制单元电连接。
55.采样管202与采样容器201可拆卸连接，采样管202与电磁阀204可拆卸连接。采样泵203的进水口设置有过滤头，过滤头的形状为圆形。过滤头的滤网目数为200目。可实现，在水质采样时进一步过滤水中的细微杂质。
56.采样管202包括：采样主管2021和采样支管2022。采样主管2021的一端与电磁阀204的进水口连通，另一端用于连通含油污水。采样支管2022的一端与电磁阀204的出水口连通，另一端与采样容器201连通。支管有4根，均匀分布于主管右侧。主管上设有流量传感器。流量传感器与控制单元电连接。采样容器201具体为采样瓶。
57.清洗结构300包括：空气压缩机301、水箱302、清洗主管303和清洗控制阀304。
58.空气压缩机301与安装支架400远离无人飞行器100处于飞行状态时靠近地面的一端连接；水箱302与安装支架400远离无人飞行器100处于飞行状态时靠近地面的一端连接；清洗主管303的一端与空气压缩机301、水箱302连通，另一端与主管靠近含油污水的一端的
管壁连通；清洗控制阀304设置于清洗主管303和采样主管2021的交叉口处，控制清洗主管303和采样主管2021之间的通断。
59.清洗结构300还包括：出气支管305、出气阀306、出水支管307和水泵308。
60.出气支管305的一端与空气压缩机301连通，另一端与清洗主管303连通；出气阀306设置于出气支管305的管路上，并与控制单元连接；出水支管307的一端与水箱302连通，另一端与清洗主管303连通；水泵308设置于出气支管305的管路上，并与控制单元连接。通过出气阀306、水泵308分别与控制单元电连接，可实现远程指令控制空气压缩机301和水箱302分别出气和出水，使气液均匀混合，以提高清洗效率。
61.清洗结构300还包括：洗涤剂储存容器309、洗涤剂输送管310和洗涤剂输送泵311。洗涤剂储存容器309与安装支架400远离无人飞行器100处于飞行状态时靠近地面的一端连接；洗涤剂输送管310的一端与洗涤剂储存容器309连通，另一端与清洗主管303连通；洗涤剂输送泵311设置于洗涤剂输送管310的管路上，并与控制单元连接。
62.清洗结构300还包括：废液管312和废液收集容器313。废液管312的一端与电磁阀204的出水口连通。废液收集容器313的开口端设有通气孔，与废液管312远离电磁阀204的一端连通。
63.清洗结构300还包括：浊度检测仪314。如图3所示，浊度检测仪314与安装支架400连接，用于检测采样主管2021的浊度。浊度检测仪314与控制单元电连接。可实现，通过远程指令控制浊度检测仪314在线对采样主管2021的浊度进行检测，通过浊度检测的结果判断停止清洗或继续清洗；若浊度达标，则停止清洗；若浊度不达标，则进行二次清洗，直至浊度达标。
64.在具体实施过程中，包括以下步骤：
65.s1：控制无人采样装置到达第一目标取水点，进行采样；
66.s2：采样完毕后，控制电磁阀204打开通向废液管312的支管管路，控制清洗控制阀304使清洗主管303与采样主管2021连通；
67.s3：开启出气阀306和洗涤剂控制阀，使气体和洗涤剂之间形成气剂混合物，鼓入清洗主管303和采样主管2021中进行一次清洗操作；而后关闭洗涤剂控制阀，打开水泵308，使压缩气体和清水之间形成汽水混合物，鼓入清洗主管303和采样主管2021中进行二次清洗操作；清洗完毕的废液输送入废液收集容器313中进行收集；
68.s4：通过浊度检测仪检测采样主管2021的浊度，若浊度达标，则关闭出气阀306和水泵308；若浊度未达标，则进行二次清洗；
69.s5：清洗结束后控制无人采样装置飞往下一个目标采样点进行再次采样，循环重复上述步骤1～4。
70.实施例2
71.本实施例中的无人飞行器100和采样结构200均与实施例1相同。不同之处在于清洗结构300中，本实施例中仅设有空气压缩机301和水箱302，而没有设置洗涤剂储存容器309。具体结构如图2所示。
72.在具体实施过程中，包括以下步骤：
73.s1：控制无人采样装置到达第一目标取水点，进行采样；
74.s2：采样完毕后，控制电磁阀204打开通向废液管312的支管管路，控制清洗控制阀
304使清洗主管303与采样主管2021连通；
75.s3：开启出气阀306和水泵308，使压缩气体和清水之间形成汽水混合物，鼓入清洗主管303和采样主管2021中进行清洗操作；清洗完毕的废液输送入废液收集容器313中进行收集；
76.s4：通过浊度检测仪检测采样主管2021的浊度，若浊度达标，则关闭出气阀306和水泵308；若浊度未达标，则进行二次清洗；
77.s5：清洗结束后控制无人采样装置飞往下一个目标采样点进行再次采样，循环重复上述步骤1～4。
78.实施例3
79.本实施例中的无人飞行器100和清洗结构300均与实施例1相同。不同之处在于采样结构200中，采样容器201设计为袋状，选取采样袋安装在无人采样装置中时，可减小实际占用体积，减轻无人采样装置在运输过程中采样容器201的重量，同时袋装形状灵活多变，便于储存待检测样品。
80.在具体实施过程中，包括以下步骤：
81.s1：控制无人采样装置到达第一目标取水点，进行采样；
82.s2：采样完毕后，控制电磁阀204打开通向废液管312的支管管路，控制清洗控制阀304使清洗主管303与采样主管2021连通；
83.s3：开启出气阀306和洗涤剂控制阀，使气体和洗涤剂之间形成气剂混合物，鼓入清洗主管303和采样主管2021中进行一次清洗操作；而后关闭洗涤剂控制阀，打开水泵308，使压缩气体和清水之间形成汽水混合物，鼓入清洗主管303和采样主管2021中进行二次清洗操作；清洗完毕的废液输送入废液收集容器313中进行收集；
84.s4：通过浊度检测仪检测采样主管2021的浊度，若浊度达标，则关闭出气阀306和水泵308；若浊度未达标，则进行二次清洗；
85.s5：清洗结束后控制无人采样装置飞往下一个目标采样点进行再次采样，循环重复上述步骤1～4。
86.显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。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，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。