一種接觸式水面溢油報(bào)警浮標(biāo)的開(kāi)發(fā)

，，，

(1.交通運(yùn)輸部水運(yùn)科學(xué)研究院，北京 100088；2.大連海事大學(xué) 交通運(yùn)輸管理學(xué)院，遼寧 大連 116026)

1 國(guó)內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和原油進(jìn)口量的增大，原油連同成品油的水上運(yùn)輸和海上石油的鉆探開(kāi)發(fā)及沿岸依托于石油的加工、儲(chǔ)存等快速發(fā)展，水上溢油事故風(fēng)險(xiǎn)增大，特大漏油事故頻繁發(fā)生。且隨著石油進(jìn)口和開(kāi)采業(yè)務(wù)的不斷拓展，油品的性質(zhì)也越發(fā)復(fù)雜，加之我國(guó)海域遼闊，南北跨度大，區(qū)域差異顯著，水上溢油風(fēng)險(xiǎn)防治難度大[1]。統(tǒng)計(jì)表明，每年都有占全球石油總產(chǎn)量0.5%的油品泄入海里[2]，我國(guó)運(yùn)載量在49 t以下的船舶在裝卸貨油過(guò)程中溢油量占據(jù)了10%以上的比例[3]。

因此，相關(guān)管理部門(mén)越來(lái)越重視對(duì)溢油的監(jiān)視監(jiān)測(cè)，將溢油應(yīng)急的關(guān)口前移，盡可能降低事故風(fēng)險(xiǎn)。我國(guó)已制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，要求液體散貨碼頭配備溢油監(jiān)視報(bào)警設(shè)備。《海港總平面設(shè)計(jì)規(guī)范》和《港口工程環(huán)境保護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)范》等港口設(shè)計(jì)和工程建設(shè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求液體散貨碼頭配備溢油監(jiān)視設(shè)備與器材。近年來(lái)，交通運(yùn)輸部出臺(tái)了《中華人民共和國(guó)船舶及其有關(guān)作業(yè)活動(dòng)污染海洋環(huán)境防治管理規(guī)定》和《中華人民共和國(guó)船舶污染海洋環(huán)境應(yīng)急防備和應(yīng)急處置管理規(guī)定》，要求我國(guó)各級(jí)海事部門(mén)對(duì)港口、碼頭、裝卸站,以及從事船舶修造、打撈、拆解等作業(yè)活動(dòng)單位的防治船舶污染海洋環(huán)境能力進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)評(píng)價(jià)和溢油應(yīng)急設(shè)備配備，包括在液體散貨碼頭配備溢油監(jiān)視報(bào)警設(shè)備[4]。其中，《港口碼頭溢油應(yīng)急設(shè)備配備要求》要求5萬(wàn)t級(jí)以上油品碼頭配備溢油監(jiān)視報(bào)警設(shè)備，《船舶修造和拆解單位防污染設(shè)施設(shè)備配備及操作要求》要求船舶修造和拆解單位配備水域防污染監(jiān)視設(shè)備。

目前采取的溢油監(jiān)控方式可以分為跟蹤監(jiān)控方式和儀器監(jiān)控方式兩種。跟蹤監(jiān)控主要是采用現(xiàn)有的船舶、飛機(jī)或跟蹤浮標(biāo)等設(shè)備設(shè)施，對(duì)溢油油膜進(jìn)行跟蹤，描繪油膜軌跡。船舶和飛機(jī)的使用費(fèi)用昂貴，出航能力受氣候條件影響制約；溢油跟蹤浮標(biāo)只能提供溢油漂移的點(diǎn)狀數(shù)據(jù)，對(duì)溢油量較大、油膜擴(kuò)散范圍較廣的情況并不適用[5]。

溢油儀器監(jiān)控技術(shù)主要有遠(yuǎn)程遙感和近距離監(jiān)控兩種類(lèi)型。前者包含衛(wèi)星遙感、航空遙感和SRA雷達(dá)[6]等監(jiān)測(cè)幾大類(lèi)型，主要用于事故后大范圍區(qū)域溢油觀測(cè)[7]；后者主要包含光學(xué)(紅外或紫外熒光)傳感器探測(cè)、接觸式探測(cè)兩大類(lèi)型，主要是對(duì)水面點(diǎn)狀區(qū)域的監(jiān)控，用于事故的早期預(yù)警和敏感區(qū)的報(bào)警[8]。溢油儀器監(jiān)控技術(shù)中最關(guān)鍵的技術(shù)為溢油傳感器系統(tǒng)技術(shù)。

現(xiàn)有溢油檢測(cè)手段優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見(jiàn)表1[9-10]。

2 浮標(biāo)關(guān)鍵技術(shù)

關(guān)鍵技術(shù)主要有：太陽(yáng)能供電系統(tǒng)、溢油探測(cè)器及控制電路、浮標(biāo)監(jiān)控軟件技術(shù)等；輔助技術(shù)主要有：浮標(biāo)體結(jié)構(gòu)、通訊系統(tǒng)和海上水層面的多參數(shù)智能傳感浮標(biāo)等。限于篇幅，本文重點(diǎn)對(duì)溢油探測(cè)器、浮標(biāo)標(biāo)體和軟件的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行分析。

表1 現(xiàn)有的溢油監(jiān)視監(jiān)測(cè)手段優(yōu)缺點(diǎn)

續(xù)表1

2.1 溢油探測(cè)器及控制電路

2.1.1 傳感器技術(shù)選型

溢油傳感器的研發(fā)是溢油探測(cè)報(bào)警浮標(biāo)的核心技術(shù)。

本研究傳感器選型遵循以下原則：開(kāi)發(fā)一種技術(shù)簡(jiǎn)單、主要性能可靠的經(jīng)濟(jì)型溢油傳感器。課題組借鑒液體電導(dǎo)分析測(cè)試?yán)碚摵图夹g(shù)設(shè)計(jì)傳感器。基于這個(gè)原理設(shè)計(jì)的傳感器經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性較好，而技術(shù)難點(diǎn)是在波動(dòng)的條件下對(duì)極薄油膜的檢測(cè)尚無(wú)先例，需要大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)調(diào)整。

2.1.2 傳感器的原理

電導(dǎo)傳感器主要用于液體電導(dǎo)率測(cè)量，如測(cè)量飲用水、污水等各種溶液的電導(dǎo)性或水標(biāo)本整體離子的濃度。有研究采用油品含水率變化導(dǎo)致電導(dǎo)率變化的特點(diǎn)測(cè)量油品中的含水率[11]。

影響電導(dǎo)率的因素有溶液的性質(zhì)、濃度和溫度等。一般溫度升高1 ℃，比電導(dǎo)約增加2%～2.5%。在設(shè)計(jì)油膜檢測(cè)電路時(shí)，要求電導(dǎo)與溶液的性質(zhì)有關(guān)。比如，油和水性質(zhì)不同，而與濃度和溫度盡量無(wú)關(guān)。濃度表現(xiàn)水質(zhì)鹽分，即導(dǎo)電離子的多少；溫度表現(xiàn)為水溫的變化。

2.1.3 傳感器的工作方式

由信號(hào)源產(chǎn)生的交變信號(hào)，經(jīng)隔極后分為兩路。一路供檢測(cè)電橋，另一路供分頻器。供電橋的信號(hào)分別在傳感器電極橋臂和參比電極橋臂產(chǎn)生壓降，從各邊檢測(cè)電阻取出信號(hào)，經(jīng)濾波等處理后送入比較器進(jìn)行比較。參比電極處于水下，輸出信號(hào)為定值e0。傳感器電極浮于水表，考慮到水波的影響，其電導(dǎo)率不是定值。從檢測(cè)電阻輸出的信號(hào)在e1a～e1b之間擺動(dòng)，而e1b﹥e1a。在靜態(tài)水中校正本底，調(diào)整外設(shè)的靈敏度電位器，使e1a略大于e0。

1)當(dāng)水面沒(méi)有浮油時(shí)，e1b﹥e1a﹥e0，比較器輸出e比為0。e比與分頻率為4 Hz的方波信號(hào)通過(guò)與非門(mén)后，得到e信為約等于0的低電平信號(hào)。此信號(hào)輸入計(jì)數(shù)器，e計(jì)輸出亦為0，不驅(qū)動(dòng)報(bào)警器。

2)當(dāng)水面有穩(wěn)定的漂浮油膜并圍住傳感器電極時(shí)，電極間電導(dǎo)減小，而參比電極在水下不接觸油，電導(dǎo)不變，這時(shí)e1b

3)當(dāng)傳感器電極遇浪時(shí)偶爾露出水面，或檢測(cè)靈敏度調(diào)得很高，而又碰到水面有油花不時(shí)接觸傳感器電極時(shí)，電極間電導(dǎo)會(huì)出現(xiàn)跳動(dòng)的變化。即偶爾e1b

4)設(shè)置參比電極，其溫度和水中鹽分等影響對(duì)兩種電極間的電導(dǎo)作同等貢獻(xiàn)，e1b與e0間差值不變，不使已設(shè)計(jì)的靈敏度閾值漂移，達(dá)到了自動(dòng)補(bǔ)償?shù)哪康摹?/p>

2.1.4 傳感器技術(shù)構(gòu)成

水面油膜報(bào)警器是組成報(bào)警系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。該設(shè)備由傳感器、浮標(biāo)體、電源和發(fā)信等部件組成完整的儀器，被投放在設(shè)定水面位置工作。一般來(lái)講，只要水面形成了大片的連續(xù)狀態(tài)的油膜后，位于其中的傳感器便能檢測(cè)出油膜使報(bào)警器無(wú)線發(fā)出信號(hào)。同樣，用多只浮標(biāo)可以組成專(zhuān)用的監(jiān)視系統(tǒng)，用于解決大范圍等實(shí)際監(jiān)視要求。其浮標(biāo)數(shù)的選擇，依現(xiàn)場(chǎng)條件而定。如美國(guó)Kepner公司的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)配置為8只浮標(biāo)和1臺(tái)接收機(jī)。由多只浮標(biāo)組成的系統(tǒng)，經(jīng)編號(hào)后可以在接收機(jī)端判斷報(bào)警位置。通過(guò)報(bào)警的先后順序，推測(cè)油的漂向與范圍，這在實(shí)際工作中是很有用的。當(dāng)采用強(qiáng)力的通訊手段和微機(jī)技術(shù)，完全可以在某污染敏感區(qū)建立監(jiān)視網(wǎng)。作為系統(tǒng)除了對(duì)傳感器的要求外，對(duì)每只浮標(biāo)的連續(xù)工作能力、工作穩(wěn)定性、發(fā)信能力、編號(hào)方式也有綜合的考慮。

2.2 浮標(biāo)體結(jié)構(gòu)

2.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于浮標(biāo)(體)終端直接投放在海上，防傾覆設(shè)計(jì)是浮標(biāo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最主要內(nèi)容。國(guó)內(nèi)采用較多的是球形浮標(biāo)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有抗傾覆性能，為此溢油報(bào)警浮標(biāo)選擇球形浮標(biāo)。為實(shí)現(xiàn)接觸式溢油檢測(cè)傳感器的固定，項(xiàng)目組邀請(qǐng)相關(guān)單位專(zhuān)家對(duì)浮標(biāo)體外形、結(jié)構(gòu)、防水、系留、傳感器的固定等設(shè)計(jì)進(jìn)行了多次反復(fù)論證，并根據(jù)內(nèi)置通訊、傳輸、電源的布置要求進(jìn)行了浮標(biāo)體的重心設(shè)計(jì)。

溢油報(bào)警浮標(biāo)(體)的溢油傳感器直接與被監(jiān)測(cè)的油膜發(fā)生接觸反應(yīng)，并與浮標(biāo)體內(nèi)側(cè)的檢測(cè)模塊相連，同時(shí)浮標(biāo)體內(nèi)還設(shè)有衛(wèi)星定位模塊、通訊模塊和電源等配套部件，因此設(shè)計(jì)中將溢油傳感器外掛在浮標(biāo)體外側(cè)。

2.2.2 防水防腐設(shè)計(jì)

研究認(rèn)為浮標(biāo)體應(yīng)具有防水性能以滿足海上作業(yè)環(huán)境，防水設(shè)計(jì)依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 4208—2008外殼防護(hù)等級(jí)，確定采用IP68等級(jí)，采用三級(jí)防水插頭。雙O型環(huán)浮標(biāo)體結(jié)構(gòu)保證了浮標(biāo)體具有很好的密閉防水性能。帶溢油傳感器的報(bào)警浮標(biāo)裝置，它主要由太陽(yáng)能電池板、外殼、內(nèi)置設(shè)備和溢油傳感器組成。

溢油報(bào)警浮標(biāo)的外殼材料受海水腐蝕，防腐設(shè)計(jì)中進(jìn)行了多種材料對(duì)比實(shí)驗(yàn)，對(duì)采用材料耐腐性能、制造工藝、經(jīng)濟(jì)成本、維護(hù)費(fèi)用、材料質(zhì)量、耐高低溫性能進(jìn)行多方面充分論證，重點(diǎn)考慮了材料對(duì)于信號(hào)屏蔽的副作用。經(jīng)過(guò)多次測(cè)試實(shí)驗(yàn)，確定采用密度低、強(qiáng)度好的玻璃鋼作為溢油報(bào)警浮標(biāo)的備選外殼材料。

2.2.3 防爆設(shè)計(jì)

本浮標(biāo)終端電源采用進(jìn)口防爆鋰電池組，內(nèi)置的電路系統(tǒng)和電子元器件中不設(shè)任何可能引起電弧的開(kāi)關(guān)部件，同時(shí)采用小電流(mA級(jí))、小電壓(12 V或24 V)設(shè)計(jì)，同時(shí)電路、電源內(nèi)置，整個(gè)浮標(biāo)體采用全密閉防水等級(jí)IP68制造，設(shè)備使用時(shí)投放在水上，可實(shí)現(xiàn)安全防爆。

2.3 浮標(biāo)監(jiān)控軟件

2.3.1 軟件組成

1)浮標(biāo)監(jiān)控中心平臺(tái)由服務(wù)器和用戶計(jì)算機(jī)構(gòu)成。依靠相關(guān)協(xié)議，通過(guò)無(wú)線通信系統(tǒng)(衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)或3G網(wǎng)絡(luò))接收浮標(biāo)信息。服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)浇K端用戶。終端可以監(jiān)控處理多個(gè)浮標(biāo)數(shù)據(jù)型號(hào)，并接受多個(gè)用戶的訪問(wèn)請(qǐng)求。

監(jiān)控終端軟件可以在電子海圖上直觀的顯示浮標(biāo)。可分析浮標(biāo)速度、方位并回放漂移軌跡。監(jiān)控終端軟件可對(duì)受控浮標(biāo)實(shí)時(shí)地發(fā)送定位、更新、改變傳輸時(shí)間間隔等指令。監(jiān)控終端軟件可修改電子海圖，并可設(shè)置敏感資源、超范圍報(bào)警區(qū)域、應(yīng)急資源分布等內(nèi)容。

2)端監(jiān)控軟件。監(jiān)控終端軟件界面友好，全部采用圖標(biāo)、按鈕及下拉菜單選擇，操作方便。整個(gè)界面分為5個(gè)窗口：浮標(biāo)管理窗口、鷹眼窗口、通訊信息窗口、浮標(biāo)信息窗口、監(jiān)控窗口等，見(jiàn)圖1。

圖1 浮標(biāo)報(bào)警監(jiān)控軟件客戶端界面

2.3.2 軟件功能

系統(tǒng)的軟件由主控程序調(diào)用各功能模塊，完成包括浮標(biāo)定位處理、地圖顯示、地圖維護(hù)、指令信息與報(bào)位信息處理、超范圍自動(dòng)報(bào)警、歷史軌跡管理與回放等功能。

軟件系統(tǒng)的組成見(jiàn)圖2。

圖2 軟件系統(tǒng)的組成

3 總結(jié)

1)基于對(duì)海水和水面油膜等物質(zhì)的電導(dǎo)率的實(shí)驗(yàn)研究和接觸式浮子傳感探頭、微計(jì)算機(jī)水面油膜識(shí)別和報(bào)警系統(tǒng)、油膜數(shù)據(jù)綜合處理系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)研究，研制了水面接觸式浮子油膜傳感系統(tǒng)，其能夠自主對(duì)水面油膜進(jìn)行感知、識(shí)別和報(bào)警，具有性能穩(wěn)定、準(zhǔn)確率高、使用壽命長(zhǎng)、誤報(bào)率低的特點(diǎn)，可應(yīng)用于港口碼頭、鉆井平臺(tái)、航道錨地和敏感區(qū)周邊的溢油動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

2)本研究的溢油浮標(biāo)系統(tǒng)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)[12]，為相關(guān)部門(mén)及應(yīng)急力量的能力提升提供了技術(shù)支撐。

[1] 馮亦珍,林紅梅.我國(guó)沿海海域面臨船舶溢油污染高風(fēng)險(xiǎn)[J].中國(guó)減災(zāi),2005(8):1-4.

[2] 郭子堅(jiān),陳琦,唐國(guó)磊.船舶進(jìn)出港安全時(shí)距對(duì)沿海散貨港區(qū)航道通過(guò)能力的影響[J].水運(yùn)工程,2011(7):136-140.

[3] 宋向群,劉佳,唐國(guó)磊.船舶進(jìn)出港規(guī)則對(duì)沿海進(jìn)口散貨港區(qū)航道通過(guò)能力的影響[J].水運(yùn)工程,2012(9):122-131.

[4] 交通運(yùn)輸部.港口碼頭水上污染事故應(yīng)急防備能力要求:JT/T 451—2017[S].北京:人民交通出版社,2017.

[5] 趙平等.海上溢油浮標(biāo)跟蹤定位及動(dòng)態(tài)監(jiān)控技術(shù)研究[C].中國(guó)航海優(yōu)秀科技論文集.北京:中國(guó)航海學(xué)會(huì),2010.

[6] 鄭洪磊.基于極化特征的SRA溢油檢測(cè)研究[D].青島:中國(guó)海洋大學(xué),2015.

[7] 安居白,張永寧.發(fā)達(dá)國(guó)家海上溢油遙感監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀分析[J].交通環(huán)保,2002(3):27-29.

[8] 岳成業(yè),曹祖德.溢油追蹤報(bào)警器可行性研究[J].交通環(huán)保,2003(5):81-85.

[9] 陳璇琳,竺柏康,東光.港口碼頭溢油監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀及展望[J].中國(guó)水運(yùn),2015(7): 64-66.

[10] 張權(quán).海上溢油近紅外實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究[D].秦皇島:燕山大學(xué),2010.

[11] 趙東升.基于電導(dǎo)傳感器的含水率測(cè)量技術(shù)研究[J].電子測(cè)試,2012(6):10-14.

[12] 俞沅.溢油跟蹤定位實(shí)時(shí)監(jiān)控水面油膜污染浮標(biāo)裝置:ZL201320630839.4[P].2013-10-14.