溢油跟蹤定位實時監(jiān)測水面油膜污染浮標裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種溢油跟蹤定位實時監(jiān)測水面油膜污染浮標裝置，浮標裝置包括浮標殼體，浮標殼體外部設置有油膜檢測傳感器，浮標殼體內設置有檢測模塊電子設備組件，浮標裝置還包括遠程監(jiān)控平臺；傳感器為電導式油膜檢測傳感器，檢測模塊電子設備組件產生交流信號向電導式油膜檢測傳感器施以電壓并對信號進行采集處理，油膜檢測傳感器為電導式油膜檢測傳感器，能判斷是否存在油膜污染的信息，并能對信息進行采集與處理。本實用新型設計構思新穎，結構獨特，目的為溢油事故應急反應指揮決策部門，快速尋找可能的水面油污染位置并取得污染數據，為其實施污染控制提供先進的水面溢油電子信息手段。
【專利說明】溢油跟蹤定位實時監(jiān)測水面油膜污染浮標裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型屬于海洋環(huán)境保護領域，具體涉及一種溢油跟蹤定位實時監(jiān)測水面油膜污染浮標方法及其裝置。
【背景技術】
[0002]目前國內外針對水面油膜檢測的傳感技術有多種，主要有紅外、紫外等光學感測浮油干涉條紋技術，電磁波發(fā)射信號與接收信號相位差判別油水濃度技術等。由于相關傳感設備與實際的水上油膜不直接接觸，都屬于無接觸傳感探測，如國內目前進口的紅外、紫外油膜檢測設備。這種設備油膜識別率較低，水面的反光、水生物等都可能被作為油膜而誤報，誤報率30%?40%左右。光學傳感器一般成本較高。因為傳感器不隨水面浮動，受潮差、波浪影響顯著。雨霧會散射吸收光造成傳感器靈敏度變化，鹽霧和海洋氣候也會造成光學器件腐蝕。另外一種是膜電導技術傳感器，基本工作原理是當石油粘住分子膜時，膜受到破壞浸水將電極導通，然后檢測電路判斷出水面油膜的存在。關鍵的“膜”在鹽水環(huán)境下易受侵蝕造成使用壽命偏短，浸油后不能重復使用。
[0003]溢油跟蹤定位實時監(jiān)測水面油膜污染浮標裝置是安裝有油膜傳感器、定位、通信模塊、電源系統(tǒng)并和遠程監(jiān)控平臺配合使用的用于跟蹤水面油膜位置并同時獲取水面油膜信息的先進電子信息裝置。當發(fā)生海上船舶溢油污染事故后，應急反應人員及時將該浮標裝置或多只裝置組成的監(jiān)視系統(tǒng)，用船只或飛行器投放到溢油或可能被油污染的水面，依據所獲得的水面溢油漂移方向、擴散范圍和油膜是否存在等數據，為控制污染的指揮決策人員準確掌握污染信息服務。該技術屬于海洋環(huán)境保護領域。
[0004]水面油膜主要是流和風的合力作用使其在水表面遷移運動，采用衛(wèi)星定位的漂流浮標能夠比較準確的跟蹤水面油膜。但因為海洋環(huán)境復雜，油膜在海面會支離破碎，浮標可能偏離油膜運動方向等，在獲取油膜飄向等信息的同時，真實獲取浮標所處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標裝置跟蹤水面溢油，目前國內外已有研究、多項專利和產品，但能夠在既獲得位置信息又能夠同時掌握油污染狀況的設計上，沒有質的突破。
[0006]國內外一般的溢油跟蹤浮標裝置采用的浮標體結構設計基本類似，即采用一個浮子或浮板提供浮力，內置GPS定位，海事衛(wèi)星或其它通信設備構成。如加拿大的一種產品和國內的幾種專利，均為在一個球形的密閉殼體內裝置有GPS或其它衛(wèi)星定位儀，海事衛(wèi)星、北斗通信衛(wèi)星或GPRS網絡通信設備。如日本的一個專利采用薄形殼體，內置類似電子設備；但這些產品或專利只能夠用浮標的位置信息給出水面油膜方位的參考并不能夠同時獲取油污染信息。例如CN2188764Y公開了一種水面油膜檢測傳感器，傳感器由浮子和電極構成，浮子由輕質絕緣材料制成，不吸水、不吸油、耐腐蝕并有一定剛性；浮子的結構分為上下兩部分，在浮子的吃水線部位設置不少于兩只的細小電極，浮子下部浸入水中并產生浮力；浮子上部為錐形，在錐底留有能與水面接觸的平面，該平面與水面之間產生的附著力，可使浮子工作狀態(tài)平穩(wěn)，保證電極位于水與空氣的臨界面而不易跳出水面或浸入水中；電極引出線由浮子內部通過浮子上部的錐頂引出，連接到檢測電路的輸入端；傳感器在水面的工作狀態(tài)為自由漂浮，不能用固定的方式與周圍物件連接。該專利技術存在一定缺陷，主要的技術問題是:(I)設備復雜，造價昂貴；(2)雖然在錐底留有能與水面接觸的平面，該平面與水面之間產生的附著力，但是該附著力較小，相對于海上風力較大，不能確保浮子工作狀態(tài)平穩(wěn)，為信號或數據傳遞帶來不穩(wěn)定性，信號或數據可信度降低。另外，在本研究單位專利I)水面油膜檢測傳感器，專利號(93241074.X) ；2)多浮子碟片式溢油跟蹤浮標，專利號(ZL201010191931.6) ；3)水面油膜采樣裝置，專利號(ZL200910250072.0) ；4)海上溢油漂移路徑及擴散快速預報方法，專利號(ZL201110089491.8)的基礎上，但這些專利均存在上述技術問題。
[0007]有資料顯示可以用幾只攝像頭裝在浮標頂端像眼睛一樣監(jiān)視水面油膜，但其高度和光譜適應范圍使得在監(jiān)視范圍和全天候上存在很大的局限性，但是風浪和油膜很可能粘污鏡頭失效。即實際提供油膜監(jiān)測的性能尚存在明顯缺陷。
[0008]隨著我國經濟發(fā)展和國家對海洋環(huán)境保護的重視，我國海事、海洋、漁業(yè)和海洋石油開發(fā)等部門，在應對海洋石油污染的應急反應措施方面，提出了有關這類浮標設備配備的需求，能否在獲取油膜位置的同時，得到準確的油膜信息直接影響到技術和產品的發(fā)展。
[0009]本實用新型主要是在溢油跟蹤定位浮標設計上突破現有的技術缺陷，采用電導傳感器解決油膜實時檢測的難題。傳感器置于殼體外用引線與殼體內置的檢測模塊連接，殼體內安裝了衛(wèi)星定位、衛(wèi)星或網絡通信、電源、太陽能電池等電子設備，在船只或岸上用遠程監(jiān)控平臺獲取油膜位置和污染程度信息。此獨特的設計構成了一個能夠獲取水面油膜位置信息的同時用傳感器技術檢測并能夠在監(jiān)控端獲取污染信息的新式溢油浮標。該浮標與目前現有技術比較，不僅僅能夠向溢油應急指揮部門提供油膜的飄向、位置、遷移速度等信息，在準確獲取油污染數據方面有創(chuàng)新和突破。本實用新型技術在國內外尚屬首創(chuàng)，具有很強的應用推廣價值。

【發(fā)明內容】

[0010]本實用新型的發(fā)明人主要研究了電導傳感器在不同水質、環(huán)境下的溢油監(jiān)測能力，研制了一種溢油傳感器，解決了溢油傳感器功耗大、可靠性差的實用性問題。
[0011]本實用新型特點是綜合考慮了海風和海流的水動力特點，改進浮標體外形結構，研發(fā)體積小、漂移跟蹤性能良好、具有新型防水結構和防碰撞能力的浮標體。設計了傳感器和漂移浮標體的整體架構，通過集成定位、網絡通訊技術以及監(jiān)控平臺系統(tǒng)，研制新一代海洋溢油污染跟蹤監(jiān)控浮標樣機，進行海上試驗，對海面溢油進行監(jiān)測、預警。
[0012]本實用新型的目的在于提供一種溢油跟蹤定位實時監(jiān)測水面油膜污染浮標裝置，該浮標在設計上突破現有產品和專利的技術缺陷，能在獲取溢油飄向等位置信息的同時，取得該位置下的水面油污染信息，為應急反應指揮部門快速尋找水面溢油，準確掌握污染狀況以實施污染控制，提供位置和污染數據。
[0013]本實用新型是一種溢油跟蹤定位實時監(jiān)測水面油膜污染浮標裝置，該浮標包括浮標殼體、電導油膜傳感器，檢測模塊等電子設備和遠程監(jiān)控平臺等幾個主要部分組成，浮標漂浮于水面隨水流和油膜運動，通過內部的衛(wèi)星定位裝置獲取海面位置信息，通過電導傳感器接觸水面，在檢測模塊的配合下判斷水面的油污染狀況并連同位置信息，經通信模塊借助衛(wèi)星或GPRS等網絡通信技術與遠程監(jiān)控平臺聯系，顯示位置和污染信息。
[0014]本實用新型具體的技術方案如下:溢油跟蹤定位實時監(jiān)測水面油膜污染浮標裝置，其特征在于:所述浮標裝置包括浮標殼體，所述浮標殼體外部設置有油膜檢測傳感器，所述浮標殼體內設置有檢測模塊電子設備組件，所述浮標裝置還包括遠程監(jiān)控平臺；
[0015]所述浮標殼體是由兩個半球形殼體通過螺栓緊固而成的球形密閉殼體，所述油膜檢測傳感器為固定在殼體外面的電導式油膜檢測傳感器，所述檢測模塊電子設備組件產生交流信號向所述電導式油膜檢測傳感器施以電壓并對信號進行采集處理，所述檢測模塊電子設備組件由衛(wèi)星定位系統(tǒng)、無線通信裝置和電源組成，所述遠端監(jiān)控平臺包括網絡通信系統(tǒng)和計算機系統(tǒng)，所述網絡通信系統(tǒng)配有電子地圖軟件，所述計算機系統(tǒng)能夠顯示浮標位置和污染信息；所述浮標殼體采用非金屬材料制成，所述非金屬材料為玻璃鋼、碳纖維或工程塑料制成，以避免定位和無線通訊裝置受到電磁屏蔽；所述油膜檢測傳感器為電導式油膜檢測傳感器，所述電導式油膜檢測傳感器為1-100只，其中每只具有電極的個數為2-10個；所述檢測模塊電子設備組件產生的交流信號是正弦波、方波或三角波，所述交流信號向所述電導式油膜檢測傳感器施以電壓，所述電導式油膜檢測傳感器能判斷是否存在油膜污染的信息，并能對所述信息進行采集與處理，檢測模塊電子設備組件用模擬電路、數字電路和微處理器搭建而成。
[0016]優(yōu)選所述浮標殼體為球形，適應不同的風或水流的阻力，殼體的大小取決于傳感器、電子設備的功耗和重量。
[0017]所述電導式油膜檢測傳感器為30只，其中每只具有電極的個數為4個；
[0018]優(yōu)選遠程監(jiān)控平臺是配有電子海圖、遙感地圖、電子地圖和監(jiān)控軟件的計算機裝置，并由網絡通信系統(tǒng)組成，平臺通過服務器、互聯網、衛(wèi)星通信獲取浮標終端位置和報警信息，并進行監(jiān)控與顯示。
[0019]優(yōu)選浮標殼體外面還裝有被動反光標志，便于飛機和/或船只在海上搜尋。
[0020]優(yōu)選所述衛(wèi)星定位系統(tǒng)為GPS衛(wèi)星定位或北斗衛(wèi)星定位；所述無線通信裝置為海事衛(wèi)星通信或GPRS網絡通信。
[0021]本發(fā)明還提供一種所述裝置的使用方法，將所述浮標裝置置于目標海域，調整好所述浮標殼體附屬設置的油膜檢測傳感器和所述檢測模塊電子設備組件，并調整好遠程監(jiān)控平臺；進行溢油跟蹤定位實時監(jiān)測水面油膜污染狀況。
[0022]優(yōu)選所述油膜檢測傳感器為固定在殼體外面的電導式油膜檢測傳感器，所述檢測模塊電子設備組件產生交流信號向所述電導式油膜檢測傳感器施以電壓并對信號進行采集處理，所述電導式油膜檢測傳感器是基于水與油之間存在幾個數量級的電導率介電常數差異來鑒別水面浮油。
[0023]所述浮標殼體的主要作用是為油膜傳感器等電子設備提供浮力；浮標殼體采用非金屬材料制成，例如玻璃鋼、工程塑料，可以根據設計采用球形或其它形狀；浮標殼體的其它作用是密閉，以保證殼體內電子設備工作正常；該殼體大小和形狀取決于對水流和風的適應性和電子設備重量、功耗。
[0024]所述電導傳感器由電極組成，置于殼體之外與水面接觸；可以根據實際情況，一個浮標配備幾支電導傳感器以保障油膜檢測可靠性；電極安裝在一個保護罩內，當電極接觸水，電導增大，遇到油膜后電導減小。
[0025]所述檢測模塊為模擬或數字電子裝置，或單片機、微計算機裝置；裝置為傳感器電極提供交流電壓并對信號進行濾波、統(tǒng)計、報警信號處理；電壓、電流大小和波形根據檢測靈敏度、電極壽命而定。電導傳感器是基于水與油之間存在幾個數量級的電導率介電常數差異來鑒別水面浮油。其優(yōu)點是價格相對較低，靈敏度高。
[0026]所述殼體內電子設備包括GPS或其它衛(wèi)星定位、海事或北斗等其它衛(wèi)星定位通信模塊或裝置；包括天線定位和通信天線和電源系統(tǒng)。
[0027]所述遠程監(jiān)控平臺是計算機和海圖、遙感圖等電子地圖支持下的浮標數據顯示監(jiān)控終端，以服務器管理、無線網絡形式與浮標的通信設備連接；當浮標采用海事衛(wèi)星或北斗衛(wèi)星通信時，也可以直接用相應的衛(wèi)星通信設備與監(jiān)控平臺連接，便于遠海使用。
[0028]除了上述主要技術方案外，本實用新型溢油跟蹤定位實時監(jiān)測水面油膜污染浮標裝置，還包括浮標殼體提供的表面積輔助安裝定向反光標志，便于人員識別和夜間飛機和船只對浮標的搜尋。
[0029]本實用新型優(yōu)點及功效在于:該設計構思新穎，結構獨特，不僅能比現有技術的溢油跟蹤浮標在獲取真實污染信息上具有優(yōu)勢，而且制作方便，使用靈活，能為船舶、石油鉆探平臺等溢油事故應急反應指揮決策部門，提供可靠的溢油跟蹤和實時獲取污染信息高科技手段。本實用新型設計構思新穎，結構獨特，目的為溢油事故應急反應指揮決策部門，快速尋找可能的水面油污染位置并取得污染數據，為其實施污染控制提供先進的水面溢油電子信息手段。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]圖1為本實用新型的側視示意圖；
[0031]圖2為本實用新型的俯視示意圖；
[0032]圖3為本實用新型的密封殼體內電子設備原理圖；
[0033]圖4浮標系統(tǒng)集成方案設計構架圖
[0034]圖中符號及標號說明如下:
[0035]I殼體，2傳感器，3傳感器支架，4電纜連接器，5檢測模塊電子設備組件，6蓄電池，7定向反光標志。
【具體實施方式】
[0036]如圖1、圖2所示，本實用新型溢油跟蹤定位實時監(jiān)測水面油膜污染浮標裝置，該浮標包括:浮標殼體I，傳感器2，傳感器支架3，電纜連接器4，檢測模塊電子設備組件5，蓄電池6,定向反光標志7。
[0037]如圖3、所示，本實用新型溢油跟蹤定位實時監(jiān)測水面油膜污染浮標裝置，該浮標還包括:殼體內的檢測模塊等電子設備。
[0038]浮標殼體I采用玻璃鋼、工程塑料等耐壓、防水、耐環(huán)境影響性強的材料，其體積大小滿足提供電子設備、傳感器的浮力，殼體厚度l-10mm。
[0039]傳感器2形狀可以是片形、圓形、球形或其它形狀，保護外殼材料為玻璃鋼、PVC等重量輕的材料并表面開數個不小于I毫米孔，電極固定在保護外殼內，數量不少于2個并位于水面，從保護外殼上引出導線與浮標殼體內的檢測模塊連接。電導傳感器是基于水與油之間存在幾個數量級的電導率介電常數差異來鑒別水面浮油。
[0040]傳感器支架3其大小和形狀取決于傳感器外殼直徑，用不銹鋼或工程塑料制成，用螺栓與浮標殼固定。
[0041]電纜連接器4是一種防水接頭，規(guī)格保證電纜穿入殼體時的水密性。
[0042]檢測模塊等電子設備5選用通用模塊，規(guī)格保證向電導傳感器提供交流電壓和對油膜的檢測，保證浮標的衛(wèi)星定位和數據無線與遠程監(jiān)控平臺連通。
[0043]蓄電池6根據供電時間選用鉛酸電池或鋰電池。
[0044]定向反光標志7工藝用超微玻璃珠涂敷或用成品定向反光材料粘附浮標殼表面，顏色根據用戶需要選擇，材料要求有耐侯性并且粘結牢固。
[0045]所述浮標殼體內的電子設備圖3，可依用戶對浮標的性能需要配置，例如傳感器檢測模塊、GPS跟蹤定位儀，GPRS網絡通信模塊，海事衛(wèi)星或銥星或北斗通信衛(wèi)星設備；采用鋰離子或鉛酸充電電池或其它一次性電池供電。
[0046]所述溢油跟蹤定位實時監(jiān)測水面油膜污染浮標裝置系統(tǒng)原理框架圖圖4，當實施了本溢油跟蹤定位實時監(jiān)測水面油膜污染浮標裝置設計后，該裝置作為一種能夠檢測水面油污染的溢油跟蹤定位浮標設備，可以在發(fā)生溢油事故后從飛機或船只上投入到水面，依照其良好的隨水表面流和風的運動特性，跟隨水表油膜運動并由殼體內的電子設備發(fā)出準確的溢油位置和電導傳感器檢測到的水面油污染信息。
[0047]當實施了本溢油跟蹤定位實時監(jiān)測水面油膜污染浮標裝置輔助設計后，夜間通過飛機和船只的探照燈照射，浮標表面的定向反光標志被動發(fā)光，有利于對浮標的搜尋。
[0048]如圖5-6所示，浮標終端接收GPS衛(wèi)星的定位信號，并將解析過的實時位置信息(位置、速度、時間等)通過無線通訊系統(tǒng)(衛(wèi)星網絡或GSM網絡)傳送至監(jiān)控平臺。監(jiān)控中心建立數據處理及網絡服務器功能，對數據進行處理，并將處理后的數據通過互聯網傳輸到終端用戶的計算機。
[0049]跟蹤浮標采用海事通信衛(wèi)星系統(tǒng)，便于與國際海事組織、國內水運行業(yè)的通信系統(tǒng)兼容、可靠性高、運行費用較低。報警浮標采用成本低的GSM通信網絡，共同采用公共網絡技術，數據信息傳輸范圍限制性少。上述溢油跟蹤監(jiān)測浮標系統(tǒng)技術指標如下表I所示:
[0050]表I溢油跟蹤監(jiān)測浮標系統(tǒng)技術指標
[0051]
【權利要求】
1.溢油跟蹤定位實時監(jiān)測水面油膜污染浮標裝置，其特征在于:所述浮標裝置包括浮標殼體，所述浮標殼體外部設置有油膜檢測傳感器，所述浮標殼體內設置有檢測模塊電子設備組件，所述浮標裝置還包括遠程監(jiān)控平臺， 所述浮標殼體是由兩個半球形殼體通過螺栓緊固而成的球形密閉殼體，所述油膜檢測傳感器為固定在殼體外面的電導式油膜檢測傳感器，所述檢測模塊電子設備組件產生交流信號向所述電導式油膜檢測傳感器施以電壓并對信號進行采集處理，所述檢測模塊電子設備組件由衛(wèi)星定位系統(tǒng)、無線通信裝置和電源組成，所述遠端監(jiān)控平臺包括網絡通信系統(tǒng)和計算機系統(tǒng)，所述網絡通信系統(tǒng)配有電子地圖軟件，所述計算機系統(tǒng)能夠顯示浮標位置和污染信息；所述浮標殼體采用玻璃鋼、碳纖維或工程塑料制成，以避免定位和無線通訊裝置受到電磁屏蔽；所述油膜檢測傳感器為電導式油膜檢測傳感器，所述電導式油膜檢測傳感器為30只，其中每只具有電極的個數為4個。
2.根據權利要求1所述的溢油跟蹤定位實時監(jiān)測水面油膜污染浮標裝置，其特征在于:所述浮標殼體為球形。
3.根據權利要求1所述的溢油跟蹤定位實時監(jiān)測水面油膜污染浮標裝置，其特征在于:遠程監(jiān)控平臺是配有電子海圖、遙感地圖、電子地圖和監(jiān)控軟件的計算機裝置，并由網絡通信系統(tǒng)組成。
4.根據權利要求1或2所述的溢油跟蹤定位實時監(jiān)測水面油膜污染浮標裝置，其特征在于:浮標殼體外面還裝有被動反光標志，便于飛機和/或船只在海上搜尋。
5.根據權利要求1或2或3所述的溢油跟蹤定位實時監(jiān)測水面油膜污染浮標裝置，其特征在于:所述衛(wèi)星定位系統(tǒng)為GPS衛(wèi)星定位或北斗衛(wèi)星定位；所述無線通信裝置為海事衛(wèi)星通信或GPRS網絡通信。
【文檔編號】B63B22/24GK203528754SQ201320630839
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年10月14日 優(yōu)先權日:2013年10月14日
【發(fā)明者】俞沅, 申偉, 劉春玲, 李濤, 田玉軍, 侯鈺, 張衛(wèi) 申請人:交通運輸部水運科學研究所