艙底水實時監(jiān)測報警系統(tǒng)的研究

徐亦唐，莊肖波，馮 倩，陳佳斌，陳寶源

(江蘇科技大學(xué)電子信息學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

艙底水實時監(jiān)測報警系統(tǒng)的研究

徐亦唐，莊肖波，馮 倩，陳佳斌，陳寶源

(江蘇科技大學(xué)電子信息學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

以艙底水含油量的監(jiān)測報警系統(tǒng)為基礎(chǔ)，對其系統(tǒng)組成及檢測基本原理進(jìn)行了簡單的介紹。主要針對一種新型艙底水報警裝置，該裝置采用近紅外散射法進(jìn)行檢測，使用單片機(jī)作為信號處理器，具有實時性好、準(zhǔn)確度高、成本低等特點，適合在船舶上推廣使用。同時，還就信號的處理提出了意見。通過對誤差的分析，采用條件判斷與滑動平均數(shù)結(jié)合的算法，有效提高了報警控制裝置的可靠性。

艙底水檢測；紅外散射法；單片機(jī)

0 引言

隨著近年來環(huán)境問題的日益突出及人們環(huán)保意識的增強(qiáng)，人們越來越注重對環(huán)境的保護(hù)以及對各類環(huán)境問題解決方法的研究。作為人類賴以生存的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，水資源除了由于時空分布不均導(dǎo)致的短缺問題外，還由于日益嚴(yán)重的污染導(dǎo)致供不應(yīng)求。每年有大量“三廢”之一的廢水未經(jīng)處理或處理未達(dá)標(biāo)便進(jìn)行排放。超標(biāo)量的油污水排放，既污染水域環(huán)境，又危及土質(zhì)和水資源。為此，國際海事組織通過了MEPC.107決議加強(qiáng)了海洋的保護(hù)，我國的《中華人民共和國環(huán)境保護(hù)法(試行)》規(guī)定禁止船舶向沿海水域排放含油物質(zhì)。但是,受利潤驅(qū)使的船舶違章排放艙底含油污水的現(xiàn)象仍時有發(fā)生，導(dǎo)致港口水域的油污染。為了及時追查違章排放者，防止港口水域的進(jìn)一步污染,需要及時鑒別船舶艙底水污油的方法,以此判別排污源。

對比目前國內(nèi)外檢測污水油含量的2種主要方法。采用人工取樣分析方法的優(yōu)點是能夠測定污水含油量，其精度高、準(zhǔn)確性好的特點使其可以作為檢測的標(biāo)準(zhǔn)。但其存在不可克服的缺點，如：檢測所需時間長、受人為因素影響較大，這些特點決定了它無法適應(yīng)檢測實時性、標(biāo)準(zhǔn)化、自動化的要求。另一種檢測方法是通過在線監(jiān)測分析對船舶進(jìn)行實時檢測。但是目前存在的污水油濃度在線檢測方法都存在種種缺點，無法完全勝任工業(yè)現(xiàn)場檢測的任務(wù)，將其作為真正的檢測儀表使用還需要進(jìn)行改進(jìn)。因此，本文對污水油的在線檢測進(jìn)行研究，以基于近紅外的檢測裝置為基礎(chǔ)提供一種新的檢測手段。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

分析檢測對象得知，船舶航行過程中的艙底水屬于含油污水，主要的待檢污染物為水中的污油。船舶艙底水的處理排放裝置主要由污水處理裝置、污水檢查檢測和污水排放裝置3部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 艙底水檢測處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

其中，污水處理部分負(fù)責(zé)對污水進(jìn)行處理，降低污水含油量。通常在污水處理裝置中，裝置通過鹽析法、絮凝法、粗粒化法等方法對含油污水進(jìn)行處理。在處理結(jié)束后，將處理后的污水導(dǎo)向污水排放裝置，同時將部分處理后的污水流入污水檢測裝置進(jìn)行檢測。

污水檢測裝置主要負(fù)責(zé)通過傳感器采集未處理污水含油量的信息，并按設(shè)定程序發(fā)出控制信號控制污水排放部分的運行。檢測報警部分對于污水含油量的檢測方法，目前主要有超聲法、紅外分光光度法、色譜法、熒光光度法等。

污水排放裝置則根據(jù)檢測部分傳來的信號對處理過的污水排放情況進(jìn)行控制。若檢測的結(jié)果達(dá)標(biāo)，則將污水順利排放。否則，將污水經(jīng)管道導(dǎo)回污水處理裝置進(jìn)行再處理。

其系統(tǒng)控制一般可以采用閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2艙底水檢測處理系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖

2 檢測裝置及其原理

由于船舶航行的特殊環(huán)境限制，考慮到檢測對實時性、靈敏度以及設(shè)備成本的要求，本文選用近紅外散射法對污水含油量進(jìn)行監(jiān)測。

2.1檢測原理

參照目前采用的各類對含油污水的檢測方法，本文選用基于近紅外散射的含油污水檢測方法。本方法以礦物油在水中以油滴形式存在形成的乳濁液為基本條件，通過前置裝置對礦物油進(jìn)行處理，得到乳濁液作為待檢樣本。當(dāng)近紅外光束穿過樣本時，光束的光強(qiáng)會因為礦物油微粒的散射、吸收作用而衰減。對無特征吸收波長的情況，礦物油微粒對光的吸收極其微弱。通過從近紅外光散射的空間分布將污水含油量轉(zhuǎn)換為光學(xué)量進(jìn)行測量。

根據(jù)物理學(xué)上的散射理論，當(dāng)平行光入射到一個微粒半徑為R的各項同性的球形微粒上時，空間某點P處的散射光強(qiáng)I(P)為[2]：

(1)

式中：λ為入射光在真空中的波長；I0為入射光的光強(qiáng)；R為點P距散射微粒的距離；θ為散射角；i1(θ)、i2(θ)為散射強(qiáng)度函數(shù)，i1(θ)為平行于散射面的散射光強(qiáng)度分量，i2(θ)為垂直于散射面的散射光強(qiáng)度分量，兩分量均與折射率m、散射角θ及無因次參量微粒粒徑參數(shù)α相關(guān)。

由式(2)可知微粒粒徑參數(shù)α在入射光條件相同時只與介質(zhì)本身中引起散射現(xiàn)象的微粒相關(guān)。

(2)

式中：d為球形微粒的直徑；m1為微粒周圍分散介質(zhì)的折射率。

由式(1)和式(2)可知，在入射光(波長λ、光強(qiáng)I0一定)及相對位置(點P距散射微粒的距離R、散射角θ)等外界條件一致時，通過微粒乳濁液的散射光的空間分布僅與微粒粒徑的無因次參量α、微粒材質(zhì)的折射率m有關(guān)。若假定污水中物質(zhì)種類不變，則折射率m固定，由此可以得出P點處散射光強(qiáng)度I(P)隨顆粒尺寸參數(shù)α變化的情況。

另外，對于不相干的單散射，空間中某點的散射光的強(qiáng)度是溶液中各微粒的散射光在該點處強(qiáng)度的疊加，這也是通過散射光光強(qiáng)測定微粒濃度的測量的基礎(chǔ)。

將微粒散射理論應(yīng)用到污水含油量檢測中,通過對油滴散射光的粒度和光強(qiáng)度空間分布的測定，可以測量被檢測污水的含油量，從而達(dá)到對油污水含油量進(jìn)行實時檢測的目的。

2.2污水檢測裝置

近紅外散射法的檢測裝置主要由1個發(fā)射近紅外光的二極管、2個接收紅外光并將其轉(zhuǎn)換為電信號的光電三極管以及濾波放大電路構(gòu)成。

近紅外發(fā)射端發(fā)出的近紅外光在經(jīng)由通入待檢測污水的透明水管后，發(fā)生散射。其中，近紅外光的直射部分由位于正對近紅外發(fā)射端的近紅外直射接收端接收，散射部分由與近紅外發(fā)射端發(fā)射方向成一定角度的近紅外散射接收端接收。近紅外直射接收端和近紅外散射接收端能夠?qū)⒔邮盏降慕t外光按光強(qiáng)的大小產(chǎn)生不同的電流，從而完成由光學(xué)信號到電信號的轉(zhuǎn)化。近紅外檢測裝置的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 近紅外檢測裝置結(jié)構(gòu)示意圖

通過近紅外檢測裝置采集的電信號將作為基礎(chǔ)信號輸入系統(tǒng)，再經(jīng)由濾波、放大電路等處理電路對信號加以預(yù)處理后，由輸出接口將信號傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)。在單片機(jī)中，采集的信號將通過設(shè)定的算法進(jìn)一步處理，并完成設(shè)定功能(如處理控制信號、報警信號的產(chǎn)生)的實現(xiàn)。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 艙底水檢測報警裝置結(jié)構(gòu)圖

2.3特點

優(yōu)點：實時性較強(qiáng)，準(zhǔn)確度較高，成本低，裝置簡單，適合產(chǎn)品化進(jìn)行推廣。

缺點：易受雜質(zhì)等因素干擾。

3 誤差分析與數(shù)據(jù)處理

由于檢測裝置在測量污水含油量時易受干擾，其測量結(jié)果常常伴有誤差具有不穩(wěn)定性。因此，需要對可能出現(xiàn)的誤差進(jìn)行分析，并在軟件中考慮對誤差進(jìn)行處理。

3.1誤差分析

在排除儀器故障的可能后，對實驗樣本進(jìn)行分析：發(fā)現(xiàn)近紅外光線在乳濁液中傳播，由于存在乳化的細(xì)小油滴，發(fā)生散射現(xiàn)象。但是在實際環(huán)境中，含油污水成分較為復(fù)雜，不排除乳濁液中存在雜質(zhì)可能影響到近紅外光散射的可能性，由此可能會對測量結(jié)果造成影響，導(dǎo)致測量誤差的出現(xiàn)。

3.2數(shù)據(jù)處理

為防止由于雜質(zhì)等原因引起的誤報、漏報，需要對采集到的數(shù)據(jù)作進(jìn)一步的處理。這里通過軟硬件相結(jié)合的方式，減少發(fā)生錯誤情況的可能性。在硬件上，主要采取分段多次檢測的方法利用冗余提高檢測結(jié)果的可靠性。在軟件上，按照一定的算法對多個檢測結(jié)果進(jìn)行篩選，剔除異常值，從而在一定程度上消除由雜質(zhì)等原因引起的錯誤。

由于測量對象為通過檢測裝置的污水的含油量，且采樣頻率對于污水流速較高，由此可知，相鄰2次測量得到的結(jié)果應(yīng)該在較小的合理范圍內(nèi)變動。根據(jù)這一結(jié)論，在對檢測結(jié)果的處理中，通過算法設(shè)定連續(xù)測量結(jié)果的變化范圍判斷異常值，可有效防止異常值引起的誤差。通過取多次檢測結(jié)果的平均數(shù)作為最終檢測結(jié)果，可使系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)一步提高，從而提高控制及報警措施的執(zhí)行效率。因此，本文對測量數(shù)據(jù)的處理主要采用去異常值后取滑動平均數(shù)的方法。

去除異常值主要通過將新采樣結(jié)果Xn與上次采樣結(jié)果Xn-1對比實現(xiàn)，這里通過實驗經(jīng)驗確定相鄰2次采樣結(jié)果的合理變化范圍β。對于新采樣結(jié)果Xn，若其在Xn-1(1-β)至Xn-1(1+β)之間，則判定為有效。否則，作為無效采樣結(jié)果。

對去除異常值以后的數(shù)據(jù)求滑動平均數(shù)，其公式如下：

(3)

式中：Yn為求得的滑動平均數(shù)，作為報警控制決策根據(jù)的檢測結(jié)果；Xn為去除異常值后的有效采樣結(jié)果；S為滑動平均數(shù)的樣本個數(shù)。

其算法流程圖如圖5所示。

圖5 檢測結(jié)果處理算法流程圖

在流程圖中，Xn為第n次采樣結(jié)果；β為算法中預(yù)設(shè)的有效采樣結(jié)果的合理變化范圍；Yn為經(jīng)處理后產(chǎn)生的最終檢測結(jié)果。

以此算法為基礎(chǔ)，在MATLAB平臺上進(jìn)行仿真實驗。其結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 出異常值算法的仿真結(jié)果

圖7 滑動平均數(shù)算法仿真結(jié)果

圖中，設(shè)定有效采樣結(jié)果的合理變化范圍β為20%。結(jié)果顯示，采用過限定有效變化范圍的異常值排除算法可以有效排除異常值對采樣結(jié)果的影響，使其結(jié)果更貼近污水含油量的客觀變化情況。

在上圖的實驗仿真中，設(shè)定用于求取滑動平均數(shù)的樣本個數(shù)S為5。結(jié)果表明，在經(jīng)過5次采樣后，檢測系統(tǒng)的輸出結(jié)果趨于平滑。通過去除異常值和求滑動平均數(shù)后得到的結(jié)果已較為穩(wěn)定，其曲線更符合艙底水含油量的實際變化規(guī)律。去除異常值和求滑動平均數(shù)的算法，可以起到提高檢測系統(tǒng)準(zhǔn)確性與可靠性，減少誤報錯誤的作用。

4 結(jié)論

作為一種新型艙底水檢測報警裝置，本系統(tǒng)采用近紅外散射法測量污水含油量，并通過算法對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，有效提高了報警的準(zhǔn)確度，加強(qiáng)了對艙底水處理過程的控制。本系統(tǒng)較好地完成了檢測報警控制目標(biāo)，且具有實時性較強(qiáng)、成本低、裝置簡單的特點，適合產(chǎn)品化進(jìn)行推廣。

[1]費業(yè)泰.誤差理論與數(shù)據(jù)處理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[2]趙友全,鄒瑞杰,陳玉榜,房彥軍.近紅外散射法測定水中礦物油含量研究[J].光譜學(xué)與光譜分析，2012,5(32):1 213-1 216.

2014-03-31

徐亦唐(1992-)，男，本科，主要從事研究測控技術(shù)與儀器的研究；莊肖波(1973-)，男，高級工程師，主要從事船舶自動化的研究。

U664.83

A