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一种接触式水面溢油报警浮标的开发

更新时间:2016-07-05

1 国内外技术现状及发展趋势

随着我国经济发展和原油进口量的增大,原油连同成品油的水上运输和海上石油的钻探开发及沿岸依托于石油的加工、储存等快速发展,水上溢油事故风险增大,特大漏油事故频繁发生。且随着石油进口和开采业务的不断拓展,油品的性质也越发复杂,加之我国海域辽阔,南北跨度大,区域差异显著,水上溢油风险防治难度大[1]。统计表明,每年都有占全球石油总产量0.5%的油品泄入海里[2],我国运载量在49 t以下的船舶在装卸货油过程中溢油量占据了10%以上的比例[3]

因此,相关管理部门越来越重视对溢油的监视监测,将溢油应急的关口前移,尽可能降低事故风险。我国已制定了相关标准规范,要求液体散货码头配备溢油监视报警设备。《海港总平面设计规范》和《港口工程环境保护设计规范》等港口设计和工程建设的相关标准要求液体散货码头配备溢油监视设备与器材。近年来,交通运输部出台了《中华人民共和国船舶及其有关作业活动污染海洋环境防治管理规定》和《中华人民共和国船舶污染海洋环境应急防备和应急处置管理规定》,要求我国各级海事部门对港口、码头、装卸站,以及从事船舶修造、打捞、拆解等作业活动单位的防治船舶污染海洋环境能力进行专项评价和溢油应急设备配备,包括在液体散货码头配备溢油监视报警设备[4]。其中,《港口码头溢油应急设备配备要求》要求5万t级以上油品码头配备溢油监视报警设备,《船舶修造和拆解单位防污染设施设备配备及操作要求》要求船舶修造和拆解单位配备水域防污染监视设备。

习近平总书记强调,推动传统媒体和新兴媒体融合发展,要遵循新闻传播规律和新兴媒体发展规律,强化互联网思维,坚持传统媒体和新兴媒体优势互补、一体发展。“六走进”系列主题宣传活动收到了良好效果,得益于抓住重点、突出亮点、关注热点和找准结合点,得益于用群众感兴趣的手段和方法,得益于用活了现有资源和日益发展完善的网络技术手段。同时与精心设计的传播方式、传播内容和传播策略也是分不开的,这些对如何开展好基层宣传工作具有重要的借鉴意义。

目前采取的溢油监控方式可以分为跟踪监控方式和仪器监控方式两种。跟踪监控主要是采用现有的船舶、飞机或跟踪浮标等设备设施,对溢油油膜进行跟踪,描绘油膜轨迹。船舶和飞机的使用费用昂贵,出航能力受气候条件影响制约;溢油跟踪浮标只能提供溢油漂移的点状数据,对溢油量较大、油膜扩散范围较广的情况并不适用[5]

溢油仪器监控技术主要有远程遥感和近距离监控两种类型。前者包含卫星遥感、航空遥感和SRA雷达[6]等监测几大类型,主要用于事故后大范围区域溢油观测[7];后者主要包含光学(红外或紫外荧光)传感器探测、接触式探测两大类型,主要是对水面点状区域的监控,用于事故的早期预警和敏感区的报警[8]。溢油仪器监控技术中最关键的技术为溢油传感器系统技术。

1)浮标监控中心平台由服务器和用户计算机构成。依靠相关协议,通过无线通信系统(卫星网络或3G网络)接收浮标信息。服务器对数据进行处理,并将处理后的数据通过互联网传输到终端用户。终端可以监控处理多个浮标数据型号,并接受多个用户的访问请求。

2 浮标关键技术

2.1.1 传感器技术选型

2.2.2 防水防腐设计

表1 现有的溢油监视监测手段优缺点

监视监测手段主要用途适应条件优点局限性 巡逻艇 现场调查溢油跟踪 能见度较好 码头、海事管理资源多,对油膜厚度可粗略判断 监视范围小,效率不高,气象海况不良无法作业,运行费用高 水科院溢油跟踪浮标 在油码头、应急反应基地配备,事故后投入污染源水中,浮标随油膜漂移,提供油膜飘向、位置信息 海事卫星通信GPS卫星定位,全天候工作,基本不受海况影响 设备成本低、维护少,运行费用低,获取信息实时并自动在监控平台电子地图上显示和计算数据,使用安全,国产设备便于维护 点的信息获取,大范围监视需要多只浮组成监视系统,可重复使用 进口ARGOS跟踪浮标 在油码头、应急反应基地配备,事故后投入污染源水中,浮标随油膜漂移,提供油膜飘向、位置信息 ARGOS卫星定位,全天候工作,基本不受海况影响 设备功耗低、维护少,运行费用低,使用安全 点的信息获取,大范围监视需要多只浮组成监视系统,因为是海洋数据悼念系统,获取信息不实时(起码四个小时,一般一天以上),进口设备不便于维护,一次性使用 进口微波检测溢油报警浮标 用于对固定污染源的监视报警 全天候,系留范围要求不被硬物碰撞 维护少,运行费用低,获取信息实时,不受潮差影响,可移动使用灵活,可声光报警,可网络通信,使用安全,能够临时用于环境敏感区的预警 点的信息获取,受结冰影响,需要多台设备配合覆盖监视系统,有一定的安装局限性、受波浪影响大,进口设备不便于维护、设备成本高 水科院溢油报警浮标 用于对固定污染源的监视报警 GPS卫星定位,GPRS网络通信,全天候,系留范围要求不被硬物碰撞 设备成本低、维护少,运行费用低,获取信息实时,不受潮差影响,可移动使用灵活,可声光报警,可网络通信集中管理,国产设备便于维护,使用安全,能够临时用于环境敏感区的预警 点的信息获取,受结冰影响,需要多台设备配合覆盖监视系统,有一定的安装局限性 紫外⁃荧光溢油报警器 用于对固定污染源的监视报警 利用码头构筑安装 灵敏度高,可声光报警,可网络通信集中管理,使用安全 点的信息获取,需要多台设备配合覆盖监视系统,光学器件容易受腐蚀,受潮差影响安装条件受限制,需要岸电工程审批、施工费用高,成本高,固定安装使用不灵活,进口设备不便于维护,不能够临时用于环境敏感区的预警 进口红外线水面油膜报警器 用于对固定污染源的监视报警 利用码头构筑安装 灵敏度高,可声光报警,按驳电话线,自动拨号报警,用安全 点的信息获取,需要多台设备配合覆盖监视系统,光学器件容易受腐蚀,受潮差影响安装条件受限制,需要岸电工程审批、施工费用高,成本高,固定安装使用不灵活,进口设备不便于维护,不可移动,不能够临时用于环境敏感区的预警 进口小型雷达溢油监测系统 溢油监视 雷达成像,需安装在船只或岸边制高点 图像数据对大面积溢油跟踪评估能力强,全天候工作,图像清晰度较高,使用安全、不受雨雾影响 监视范围受到雷达天线高度限制,适于现场指挥,因为探测盲区,不适于固定污染源的实时报警,成本极高 直升机空中监视 特别适用于现场指挥 安装红外、CCD成像设备或凭借经验肉眼观察,要求能见度好 图像数据对大面积溢油跟踪评估能力强,获取信息实时,适于现场指挥 受雨雾影响,设备成本高、维护难,运行费用极高,受空中管制、气象条件等出勤受限制,使用安全性差 定翼机载航空溢油遥感 重大事故的溢油监视和处置效果评估,可用于现场指挥 多光谱、红外,侧视转达成像设备,监视范围大,图像质量非常好 图像数据对大面积溢油跟踪评估能力强,通过空对地通讯系统可实现实时数据通信,使用安全性较好 设备成本高、维护难,运行费用极高,受空中管制、气象条件等出勤受限制,恶劣海况下难以操作,雨雾条件下红外、多光谱不能用

续表1

监视监测手段主要用途适应条件优点局限性 可见光陆地卫星遥感 重大事故的溢油监视和处置效果评估 多光谱、红外成像设备,监视范围大,图像质量好 图像数据对大面积溢油跟踪评估能力强,有一定的定量分析能力,获取信息成本高、使用安全 云、雨、雾有严重影响,不适于固定污染源的实时监控,无法用于现场指挥 雷达卫星遥感 重大事故的溢油监视和处置效果评估 合成孔径雷达成像,必要时根据国际减灾公约定制监视计划 图像数据对大面积溢油跟踪评估能力强,全天候工作,图像清晰度较高使用安全、不受雨雾影响 由于卫星能源和成本的限制,可查到的数据很有限,定制信息成本极高、信息不实时、受轨道周期限制收不到信息,不适于固定污染源的实时监控,无法用于现场指挥

2.1 溢油探测器及控制电路

关键技术主要有:太阳能供电系统、溢油探测器及控制电路、浮标监控软件技术等;辅助技术主要有:浮标体结构、通讯系统和海上水层面的多参数智能传感浮标等。限于篇幅,本文重点对溢油探测器、浮标标体和软件的相关技术进行分析。

2.1.3 传感器的工作方式

我们采用了化学与结构驱动新战略,出发点是新的化学方法可以开发出全新的、市场上没有的新结构。新结构带来新性质,因而可以创造出新的生物降解地膜材料性能。高分子材料的化学结构以及微观聚集态结构决定其物理和力学性质。采用生物合成方法制造出新型结构的嵌段PHA聚合物,经过化学改性使其具备成膜性质并提升应用性能,再通过建立世界先进的薄膜加工过程在线微观结构表征方法和技术,发现生物降解地膜制造过程中结构形成及演化规律,并以此进一步优化农膜加工技术,从而开发出世界先进的生物降解地膜新材料和加工制备技术。

电导传感器主要用于液体电导率测量,如测量饮用水、污水等各种溶液的电导性或水标本整体离子的浓度。有研究采用油品含水率变化导致电导率变化的特点测量油品中的含水率[11]

2.1.2 传感器的原理

本研究传感器选型遵循以下原则:开发一种技术简单、主要性能可靠的经济型溢油传感器。课题组借鉴液体电导分析测试理论和技术设计传感器。基于这个原理设计的传感器经济性和稳定性较好,而技术难点是在波动的条件下对极薄油膜的检测尚无先例,需要大量的试验数据和结构调整。

课题组基于液体电导分析测试理论设计传感器,具体是根据油和水之间电导率的差异设计传感器。由于油和水都是液体,虽然其电学性质均遵循欧姆定律但导电机理有一定的特殊性。在测试上属液体电导范围。利用油和水之间存在大的电导差异制作油水界面检测装置已有不少先例,但与检测水表油层,甚至是波动水面的极薄的油膜概念和情况是不同的。前者水和油层均很厚,通过界面电导变化测得界面位置以得到水深或油层厚度。后者是通过界面的电导变化确定水面是否有油的存在,要求对薄的油膜有良好的检出特性。虽然本项目研究液体电导测试的目的不是测量水或油的绝对电导率,但项目组借助于电导理论来研究水面油膜的检测技术,借鉴电导测试技术设计油膜传感器和检测电路。

影响电导率的因素有溶液的性质、浓度和温度等。一般温度升高1 ℃,比电导约增加2%~2.5%。在设计油膜检测电路时,要求电导与溶液的性质有关。比如,油和水性质不同,而与浓度和温度尽量无关。浓度表现水质盐分,即导电离子的多少;温度表现为水温的变化。

溢油传感器的研发是溢油探测报警浮标的核心技术。

由信号源产生的交变信号,经隔极后分为两路。一路供检测电桥,另一路供分频器。供电桥的信号分别在传感器电极桥臂和参比电极桥臂产生压降,从各边检测电阻取出信号,经滤波等处理后送入比较器进行比较。参比电极处于水下,输出信号为定值e0。传感器电极浮于水表,考虑到水波的影响,其电导率不是定值。从检测电阻输出的信号在e1ae1b之间摆动,而e1be1a。在静态水中校正本底,调整外设的灵敏度电位器,使e1a略大于e0

1)当水面没有浮油时,e1be1ae0,比较器输出e比为0。e比与分频率为4 Hz的方波信号通过与非门后,得到e信为约等于0的低电平信号。此信号输入计数器,e计输出亦为0,不驱动报警器。

2)当水面有稳定的漂浮油膜并围住传感器电极时,电极间电导减小,而参比电极在水下不接触油,电导不变,这时e1b<e0,比较器翻转,输出e比为大于1 V的高电平信号。在一个或多个采样周期中采样多个e信脉冲,当信号概率高于80%存在e比为高电平的信号超过报警驱动信号时,认为是稳定信号输出。

3)当传感器电极遇浪时偶尔露出水面,或检测灵敏度调得很高,而又碰到水面有油花不时接触传感器电极时,电极间电导会出现跳动的变化。即偶尔e1b<e0e比不时为高电平信号。

4)设置参比电极,其温度和水中盐分等影响对两种电极间的电导作同等贡献,e1be0间差值不变,不使已设计的灵敏度阈值漂移,达到了自动补偿的目的。

2.1.4 传感器技术构成

水面油膜报警器是组成报警系统的关键设备。该设备由传感器、浮标体、电源和发信等部件组成完整的仪器,被投放在设定水面位置工作。一般来讲,只要水面形成了大片的连续状态的油膜后,位于其中的传感器便能检测出油膜使报警器无线发出信号。同样,用多只浮标可以组成专用的监视系统,用于解决大范围等实际监视要求。其浮标数的选择,依现场条件而定。如美国Kepner公司的标准系统配置为8只浮标和1台接收机。由多只浮标组成的系统,经编号后可以在接收机端判断报警位置。通过报警的先后顺序,推测油的漂向与范围,这在实际工作中是很有用的。当采用强力的通讯手段和微机技术,完全可以在某污染敏感区建立监视网。作为系统除了对传感器的要求外,对每只浮标的连续工作能力、工作稳定性、发信能力、编号方式也有综合的考虑。

2.2 浮标体结构

2.2.1 结构设计

由于浮标(体)终端直接投放在海上,防倾覆设计是浮标结构设计的最主要内容。国内采用较多的是球形浮标,其结构设计具有抗倾覆性能,为此溢油报警浮标选择球形浮标。为实现接触式溢油检测传感器的固定,项目组邀请相关单位专家对浮标体外形、结构、防水、系留、传感器的固定等设计进行了多次反复论证,并根据内置通讯、传输、电源的布置要求进行了浮标体的重心设计。

溢油报警浮标(体)的溢油传感器直接与被监测的油膜发生接触反应,并与浮标体内侧的检测模块相连,同时浮标体内还设有卫星定位模块、通讯模块和电源等配套部件,因此设计中将溢油传感器外挂在浮标体外侧。

周桥说这话时,丁柔的眼神黯淡下来,而我心里悬着的那颗心也踏实了。如此看来,周桥对丁柔肯定不存在旧情,反倒是丁柔主动找他帮忙,心里肯定存了心思,好在周桥刚才巧妙地表达了自己的态度。

目前,国内外所比较常用的对石油产品的低温性能指标进行检测的方法有两种:(1)直接检测方法;(2)间接检测方法[1]。但是,直接检测方法的检测结果准确性和一致性较差,仪器的自动化程度较低;而间接检测方法需要建立大量数据库和模型库,不便于形成独立的仪器。因此,结合电学阻抗技术所具有的简单适用,方便快捷的优点,本文通过采用电学阻抗技术建立一种快速的石油产品低温性能指标检测方法。

研究认为浮标体应具有防水性能以满足海上作业环境,防水设计依据国家标准GB 4208—2008外壳防护等级,确定采用IP68等级,采用三级防水插头。双O型环浮标体结构保证了浮标体具有很好的密闭防水性能。带溢油传感器的报警浮标装置,它主要由太阳能电池板、外壳、内置设备和溢油传感器组成。

从笔者与相关一线党员干部的交流,我们发现,记过处分以下的处分他们较为能够接受,这里是否可以将记过处分作为一个考量的标准?当然,我们也认为,记过处分作为责任的分水岭,超过部分已经超出容忍的范畴,较低部分的行政处分可以作为容忍的范畴,这个问题还需要进行进一步的实证化研究。

溢油报警浮标的外壳材料受海水腐蚀,防腐设计中进行了多种材料对比实验,对采用材料耐腐性能、制造工艺、经济成本、维护费用、材料质量、耐高低温性能进行多方面充分论证,重点考虑了材料对于信号屏蔽的副作用。经过多次测试实验,确定采用密度低、强度好的玻璃钢作为溢油报警浮标的备选外壳材料。

量子计算的概念最早在20世纪80年代初由Benioff和Feynman提出,是物理学中的量子力学和计算机科学相结合的产物,是一种新兴的计算理论。量子计算利用量子叠加(superposition),纠缠(entangle)和干涉(interference)等量子态所特有的特性,并通过量子并行计算(quantum parallelism)求解问题。Han在2000~2004年间,提出了一系列基于量子位、电子叠加态等量子机制的量子进化算法(Quantum Evolutionary Algorithm, QEA)方面的新想法[18-20]。

早期的隐喻研究多数停留在对静态语篇的语言表征进行分析,主要集中在小说等文本语篇、平面广告、静态漫画等的文本分析,如Forcevill(1996)在Pictorial Metaphor in Advertising一书中首次从认知的角度对平面广告中图像隐喻进行了全面系统的阐述。随着现代技术的发展,多模态研究逐渐拓展到视、听等多种动态模态符号,如电视广告、电视音乐等。

2.2.3 防爆设计

本浮标终端电源采用进口防爆锂电池组,内置的电路系统和电子元器件中不设任何可能引起电弧的开关部件,同时采用小电流(mA级)、小电压(12 V或24 V)设计,同时电路、电源内置,整个浮标体采用全密闭防水等级IP68制造,设备使用时投放在水上,可实现安全防爆。

根据本次的统计,9所学校场馆都向校课余训练队和教职工定时开放,有3所学校建有学生体育俱乐部,其中有2所学校通过体育俱乐部在课余时间向普通学生开放,1所学校体育俱乐部的会员主要是学校传统项目的运动队员。有5所学校将体育场馆向非青少年体育组织出租出借。通过统计可以看出,所有学校都保证了运动队的训练,只有少数学校将课外时间的场馆资源向普通学生开放,部分学校将场馆资源向社会出租出借,却并没有优先向学生开放。

2.3 浮标监控软件

2.3.1 软件组成

现有溢油检测手段优缺点对比见表1[9-10]

监控终端软件可以在电子海图上直观的显示浮标。可分析浮标速度、方位并回放漂移轨迹。监控终端软件可对受控浮标实时地发送定位、更新、改变传输时间间隔等指令。监控终端软件可修改电子海图,并可设置敏感资源、超范围报警区域、应急资源分布等内容。

2)端监控软件。监控终端软件界面友好,全部采用图标、按钮及下拉菜单选择,操作方便。整个界面分为5个窗口:浮标管理窗口、鹰眼窗口、通讯信息窗口、浮标信息窗口、监控窗口等,见图1。

图1 浮标报警监控软件客户端界面

2.3.2 软件功能

CPP可促进牙齿对钙的利用,同时能刺激唾液分泌,使碱性的唾液缓冲牙斑上的酸性物质对牙釉质的腐蚀,有助于防止龋齿的发生[23]。

系统的软件由主控程序调用各功能模块,完成包括浮标定位处理、地图显示、地图维护、指令信息与报位信息处理、超范围自动报警、历史轨迹管理与回放等功能。

在一本书的序言里,有学者这样写道:一些人把书法当作“艺术”而进行“艺术创作活动”,张扬着一种圣洁与高雅;一些人把书法当作“群众文化”而进行“群众文化活动”,显示着一派热闹与狂欢;一些人把书法当作“学术”而进行“学术研究活动”,追求一种深思与沉静。没错,书法由这几种状态组成,每种状态都起到了非常重要的作用。随着经济的发展,社会的进步,把书法作为一种休闲的生活方式也渐渐成为人们选择的对象。把书法放在休闲文化视野下进行探究,有什么样的意义和价值呢,作者带着这样的好奇心开始探索,并把思考过程献给读者,就正于方家。

软件系统的组成见图2。

图2 软件系统的组成

3 总结

1)基于对海水和水面油膜等物质的电导率的实验研究和接触式浮子传感探头、微计算机水面油膜识别和报警系统、油膜数据综合处理系统的开发研究,研制了水面接触式浮子油膜传感系统,其能够自主对水面油膜进行感知、识别和报警,具有性能稳定、准确率高、使用寿命长、误报率低的特点,可应用于港口码头、钻井平台、航道锚地和敏感区周边的溢油动态监测。

2)本研究的溢油浮标系统拥有自主知识产权[12],为相关部门及应急力量的能力提升提供了技术支撑。

参考文献

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[11] 赵东升.基于电导传感器的含水率测量技术研究[J].电子测试,2012(6):10-14.

[12] 俞沅.溢油跟踪定位实时监控水面油膜污染浮标装置:ZL201320630839.4[P].2013-10-14.

李涛,田玉军,俞沅,申伟
《船海工程》 2018年第2期
《船海工程》2018年第2期文献

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