一種接觸式水面溢油報警浮標的開發

，，，

(1.交通運輸部水運科學研究院，北京 100088；2.大連海事大學 交通運輸管理學院，遼寧 大連 116026)

1 國內外技術現狀及發展趨勢

隨著我國經濟發展和原油進口量的增大，原油連同成品油的水上運輸和海上石油的鉆探開發及沿岸依托于石油的加工、儲存等快速發展，水上溢油事故風險增大，特大漏油事故頻繁發生。且隨著石油進口和開采業務的不斷拓展，油品的性質也越發復雜，加之我國海域遼闊，南北跨度大，區域差異顯著，水上溢油風險防治難度大[1]。統計表明，每年都有占全球石油總產量0.5%的油品泄入海里[2]，我國運載量在49 t以下的船舶在裝卸貨油過程中溢油量占據了10%以上的比例[3]。

因此，相關管理部門越來越重視對溢油的監視監測，將溢油應急的關口前移，盡可能降低事故風險。我國已制定了相關標準規范，要求液體散貨碼頭配備溢油監視報警設備。《海港總平面設計規范》和《港口工程環境保護設計規范》等港口設計和工程建設的相關標準要求液體散貨碼頭配備溢油監視設備與器材。近年來，交通運輸部出臺了《中華人民共和國船舶及其有關作業活動污染海洋環境防治管理規定》和《中華人民共和國船舶污染海洋環境應急防備和應急處置管理規定》，要求我國各級海事部門對港口、碼頭、裝卸站,以及從事船舶修造、打撈、拆解等作業活動單位的防治船舶污染海洋環境能力進行專項評價和溢油應急設備配備，包括在液體散貨碼頭配備溢油監視報警設備[4]。其中，《港口碼頭溢油應急設備配備要求》要求5萬t級以上油品碼頭配備溢油監視報警設備，《船舶修造和拆解單位防污染設施設備配備及操作要求》要求船舶修造和拆解單位配備水域防污染監視設備。

目前采取的溢油監控方式可以分為跟蹤監控方式和儀器監控方式兩種。跟蹤監控主要是采用現有的船舶、飛機或跟蹤浮標等設備設施，對溢油油膜進行跟蹤，描繪油膜軌跡。船舶和飛機的使用費用昂貴，出航能力受氣候條件影響制約；溢油跟蹤浮標只能提供溢油漂移的點狀數據，對溢油量較大、油膜擴散范圍較廣的情況并不適用[5]。

溢油儀器監控技術主要有遠程遙感和近距離監控兩種類型。前者包含衛星遙感、航空遙感和SRA雷達[6]等監測幾大類型，主要用于事故后大范圍區域溢油觀測[7]；后者主要包含光學(紅外或紫外熒光)傳感器探測、接觸式探測兩大類型，主要是對水面點狀區域的監控，用于事故的早期預警和敏感區的報警[8]。溢油儀器監控技術中最關鍵的技術為溢油傳感器系統技術。

現有溢油檢測手段優缺點對比見表1[9-10]。

2 浮標關鍵技術

關鍵技術主要有：太陽能供電系統、溢油探測器及控制電路、浮標監控軟件技術等；輔助技術主要有：浮標體結構、通訊系統和海上水層面的多參數智能傳感浮標等。限于篇幅，本文重點對溢油探測器、浮標標體和軟件的相關技術進行分析。

表1 現有的溢油監視監測手段優缺點

續表1

2.1 溢油探測器及控制電路

2.1.1 傳感器技術選型

溢油傳感器的研發是溢油探測報警浮標的核心技術。

本研究傳感器選型遵循以下原則：開發一種技術簡單、主要性能可靠的經濟型溢油傳感器。課題組借鑒液體電導分析測試理論和技術設計傳感器。基于這個原理設計的傳感器經濟性和穩定性較好，而技術難點是在波動的條件下對極薄油膜的檢測尚無先例，需要大量的試驗數據和結構調整。

2.1.2 傳感器的原理

電導傳感器主要用于液體電導率測量，如測量飲用水、污水等各種溶液的電導性或水標本整體離子的濃度。有研究采用油品含水率變化導致電導率變化的特點測量油品中的含水率[11]。

影響電導率的因素有溶液的性質、濃度和溫度等。一般溫度升高1 ℃，比電導約增加2%～2.5%。在設計油膜檢測電路時，要求電導與溶液的性質有關。比如，油和水性質不同，而與濃度和溫度盡量無關。濃度表現水質鹽分，即導電離子的多少；溫度表現為水溫的變化。

2.1.3 傳感器的工作方式

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

1)當水面沒有浮油時，e1b﹥e1a﹥e0，比較器輸出e比為0。e比與分頻率為4 Hz的方波信號通過與非門后，得到e信為約等于0的低電平信號。此信號輸入計數器，e計輸出亦為0，不驅動報警器。

2)當水面有穩定的漂浮油膜并圍住傳感器電極時，電極間電導減小，而參比電極在水下不接觸油，電導不變，這時e1b

3)當傳感器電極遇浪時偶爾露出水面，或檢測靈敏度調得很高，而又碰到水面有油花不時接觸傳感器電極時，電極間電導會出現跳動的變化。即偶爾e1b

4)設置參比電極，其溫度和水中鹽分等影響對兩種電極間的電導作同等貢獻，e1b與e0間差值不變，不使已設計的靈敏度閾值漂移，達到了自動補償的目的。

2.1.4 傳感器技術構成

水面油膜報警器是組成報警系統的關鍵設備。該設備由傳感器、浮標體、電源和發信等部件組成完整的儀器，被投放在設定水面位置工作。一般來講，只要水面形成了大片的連續狀態的油膜后，位于其中的傳感器便能檢測出油膜使報警器無線發出信號。同樣，用多只浮標可以組成專用的監視系統，用于解決大范圍等實際監視要求。其浮標數的選擇，依現場條件而定。如美國Kepner公司的標準系統配置為8只浮標和1臺接收機。由多只浮標組成的系統，經編號后可以在接收機端判斷報警位置。通過報警的先后順序，推測油的漂向與范圍，這在實際工作中是很有用的。當采用強力的通訊手段和微機技術，完全可以在某污染敏感區建立監視網。作為系統除了對傳感器的要求外，對每只浮標的連續工作能力、工作穩定性、發信能力、編號方式也有綜合的考慮。

2.2 浮標體結構

2.2.1 結構設計

由于浮標(體)終端直接投放在海上，防傾覆設計是浮標結構設計的最主要內容。國內采用較多的是球形浮標，其結構設計具有抗傾覆性能，為此溢油報警浮標選擇球形浮標。為實現接觸式溢油檢測傳感器的固定，項目組邀請相關單位專家對浮標體外形、結構、防水、系留、傳感器的固定等設計進行了多次反復論證，并根據內置通訊、傳輸、電源的布置要求進行了浮標體的重心設計。

溢油報警浮標(體)的溢油傳感器直接與被監測的油膜發生接觸反應，并與浮標體內側的檢測模塊相連，同時浮標體內還設有衛星定位模塊、通訊模塊和電源等配套部件，因此設計中將溢油傳感器外掛在浮標體外側。

2.2.2 防水防腐設計

研究認為浮標體應具有防水性能以滿足海上作業環境，防水設計依據國家標準GB 4208—2008外殼防護等級，確定采用IP68等級，采用三級防水插頭。雙O型環浮標體結構保證了浮標體具有很好的密閉防水性能。帶溢油傳感器的報警浮標裝置，它主要由太陽能電池板、外殼、內置設備和溢油傳感器組成。

溢油報警浮標的外殼材料受海水腐蝕，防腐設計中進行了多種材料對比實驗，對采用材料耐腐性能、制造工藝、經濟成本、維護費用、材料質量、耐高低溫性能進行多方面充分論證，重點考慮了材料對于信號屏蔽的副作用。經過多次測試實驗，確定采用密度低、強度好的玻璃鋼作為溢油報警浮標的備選外殼材料。

2.2.3 防爆設計

本浮標終端電源采用進口防爆鋰電池組，內置的電路系統和電子元器件中不設任何可能引起電弧的開關部件，同時采用小電流(mA級)、小電壓(12 V或24 V)設計，同時電路、電源內置，整個浮標體采用全密閉防水等級IP68制造，設備使用時投放在水上，可實現安全防爆。

2.3 浮標監控軟件

2.3.1 軟件組成

1)浮標監控中心平臺由服務器和用戶計算機構成。依靠相關協議，通過無線通信系統(衛星網絡或3G網絡)接收浮標信息。服務器對數據進行處理，并將處理后的數據通過互聯網傳輸到終端用戶。終端可以監控處理多個浮標數據型號，并接受多個用戶的訪問請求。

監控終端軟件可以在電子海圖上直觀的顯示浮標。可分析浮標速度、方位并回放漂移軌跡。監控終端軟件可對受控浮標實時地發送定位、更新、改變傳輸時間間隔等指令。監控終端軟件可修改電子海圖，并可設置敏感資源、超范圍報警區域、應急資源分布等內容。

2)端監控軟件。監控終端軟件界面友好，全部采用圖標、按鈕及下拉菜單選擇，操作方便。整個界面分為5個窗口：浮標管理窗口、鷹眼窗口、通訊信息窗口、浮標信息窗口、監控窗口等，見圖1。

圖1 浮標報警監控軟件客戶端界面

2.3.2 軟件功能

系統的軟件由主控程序調用各功能模塊，完成包括浮標定位處理、地圖顯示、地圖維護、指令信息與報位信息處理、超范圍自動報警、歷史軌跡管理與回放等功能。

軟件系統的組成見圖2。

圖2 軟件系統的組成

3 總結

1)基于對海水和水面油膜等物質的電導率的實驗研究和接觸式浮子傳感探頭、微計算機水面油膜識別和報警系統、油膜數據綜合處理系統的開發研究，研制了水面接觸式浮子油膜傳感系統，其能夠自主對水面油膜進行感知、識別和報警，具有性能穩定、準確率高、使用壽命長、誤報率低的特點，可應用于港口碼頭、鉆井平臺、航道錨地和敏感區周邊的溢油動態監測。

2)本研究的溢油浮標系統擁有自主知識產權[12]，為相關部門及應急力量的能力提升提供了技術支撐。

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

[2] 郭子堅,陳琦,唐國磊.船舶進出港安全時距對沿海散貨港區航道通過能力的影響[J].水運工程,2011(7):136-140.

[3] 宋向群,劉佳,唐國磊.船舶進出港規則對沿海進口散貨港區航道通過能力的影響[J].水運工程,2012(9):122-131.

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

[5] 趙平等.海上溢油浮標跟蹤定位及動態監控技術研究[C].中國航海優秀科技論文集.北京:中國航海學會,2010.

[6] 鄭洪磊.基于極化特征的SRA溢油檢測研究[D].青島:中國海洋大學,2015.

[7] 安居白,張永寧.發達國家海上溢油遙感監測現狀分析[J].交通環保,2002(3):27-29.

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

[9] 陳璇琳,竺柏康,東光.港口碼頭溢油監測報警系統的研究現狀及展望[J].中國水運,2015(7): 64-66.

[10] 張權.海上溢油近紅外實時監測系統的研究[D].秦皇島:燕山大學,2010.

[11] 趙東升.基于電導傳感器的含水率測量技術研究[J].電子測試,2012(6):10-14.

[12] 俞沅.溢油跟蹤定位實時監控水面油膜污染浮標裝置:ZL201320630839.4[P].2013-10-14.