基于浮標(biāo)與無(wú)人艇的溢油監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)

張 登，張 濤，馬云龍，金 穎

(1.自然資源部第二海洋研究所，浙江 杭州 310012；2.衛(wèi)星海洋環(huán)境動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310012)

0 引言

人類活動(dòng)導(dǎo)致每年約1000萬(wàn)噸的石油排入海洋，不僅破壞了濱海風(fēng)景，還嚴(yán)重危害海洋生態(tài)環(huán)境。隨著石化行業(yè)的迅速發(fā)展，運(yùn)油船舶和碼頭、儲(chǔ)運(yùn)基地的原油運(yùn)輸、裝卸更加頻繁，儲(chǔ)油罐、輸油管道、油碼頭、船舶及其相關(guān)作業(yè)活動(dòng)越發(fā)繁忙，發(fā)生油類和油性混合物泄漏等溢油事故造成海洋生態(tài)環(huán)境污染的風(fēng)險(xiǎn)日益加大，溢油事故的發(fā)生給我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)帶來(lái)了嚴(yán)重的不利影響[1]。溢油對(duì)海洋的污染已經(jīng)引起世界各國(guó)的重視[2]，海洋溢油災(zāi)害監(jiān)測(cè)防治工作意義重大[3]。

溢油事故一旦發(fā)生，油污將隨著風(fēng)浪流在水面擴(kuò)散或沉降至海底，通?？梢圆扇蜋?、吸附和撇浮等物理方法，燃燒、消散劑、集油劑、凝油劑等化學(xué)方法和生物凈化方法控制或減輕污染，溢油污染范圍大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，要完全清除難度大[4]。從國(guó)內(nèi)外的大規(guī)模溢油事故來(lái)看，盡管采取了各種方法，但都不可避免地對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境造成長(zhǎng)期的嚴(yán)重污染，而溢油事故一旦對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境造成污染，補(bǔ)救措施和效果都十分有限。研究表明，溢油快速應(yīng)急反應(yīng)尤其是海上溢油快速回收是制約溢油事故順利處置的關(guān)鍵因素，因此，快速準(zhǔn)確地對(duì)海上溢油事故進(jìn)行預(yù)警，是海上溢油事故處置中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[5]。

對(duì)于石油化工業(yè)的溢油風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)當(dāng)堅(jiān)持預(yù)防為主的方針，一方面通過加強(qiáng)石化行業(yè)本身的安全生產(chǎn)，另一方面通過對(duì)海洋油污的先進(jìn)監(jiān)測(cè)和預(yù)警手段，及時(shí)發(fā)現(xiàn)海面油污異常并循跡追查事故源頭，排除事故隱患，防范大規(guī)模溢油事件發(fā)生。世界各國(guó)對(duì)海上溢油的監(jiān)測(cè)手段主要有衛(wèi)星遙感、浮標(biāo)跟蹤、航空遙感、固定點(diǎn)監(jiān)測(cè)等(表1)[6]，單一的監(jiān)測(cè)方法有著各自的特點(diǎn)[7]。其中衛(wèi)星遙感、航空遙感和漂流浮標(biāo)跟蹤適用于溢油事故后的監(jiān)測(cè)，定點(diǎn)浮標(biāo)適用于對(duì)重點(diǎn)海域進(jìn)行預(yù)防性監(jiān)測(cè)。

1 工作流程

由于溢油發(fā)生后的補(bǔ)救措施有限，對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境的污染將會(huì)長(zhǎng)期持續(xù)，因此，應(yīng)當(dāng)堅(jiān)持預(yù)防為主的方針。海洋溢油監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)是一種有效的預(yù)防溢油、保護(hù)海洋生態(tài)環(huán)境的手段，它由海上監(jiān)測(cè)和數(shù)模預(yù)警兩個(gè)子系統(tǒng)組成。海上監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)獲取海洋油污、海流、風(fēng)等海洋要素，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸給數(shù)模預(yù)警子系統(tǒng)；數(shù)模預(yù)警子系統(tǒng)根據(jù)海上監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，判斷監(jiān)測(cè)海域海洋油污是否異常，如有異常，則向有關(guān)部門發(fā)出預(yù)警；有關(guān)部門接收到預(yù)警信息后，可以根據(jù)需要調(diào)整海上監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)的檢測(cè)范圍和頻率，并根據(jù)油污、海流和風(fēng)場(chǎng)的信息，綜合判斷異常油污來(lái)源，排查溢油隱患，防止事故發(fā)生，從而達(dá)到預(yù)防溢油，保護(hù)海洋環(huán)境的目的。溢油監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)工作流程如圖1所示。

表1 海上溢油監(jiān)測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀對(duì)比

圖1 溢油監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)工作流程圖Fig.1 Work flow chart of oil spill monitoring and early warning system

1.1 海上監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)

由表1可看出，衛(wèi)星遙感、航空遙感和漂流浮標(biāo)主要用于溢油事故發(fā)生后的施救，只有定點(diǎn)浮標(biāo)適用于溢油高風(fēng)險(xiǎn)海域的預(yù)警監(jiān)測(cè)。為彌補(bǔ)定點(diǎn)浮標(biāo)監(jiān)測(cè)范圍小的缺點(diǎn)，需要利用具備一定范圍內(nèi)機(jī)動(dòng)觀測(cè)能力的設(shè)備作為補(bǔ)充。近年新發(fā)展的無(wú)人艇，可在用戶遠(yuǎn)程控制下在目標(biāo)海域進(jìn)行巡航監(jiān)測(cè)工作，并實(shí)時(shí)傳輸監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，正好彌補(bǔ)了定點(diǎn)浮標(biāo)監(jiān)測(cè)的不足。

本系統(tǒng)擬在岙山島和外釣島附近各布設(shè)一個(gè)海上監(jiān)測(cè)站(岙山島和外釣島儲(chǔ)備大量石油)，每個(gè)站配備1套油污定點(diǎn)監(jiān)測(cè)浮標(biāo)和2艘油污監(jiān)測(cè)無(wú)人艇。海上監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)布設(shè)如圖2所示。

圖2 海上監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)布設(shè)示意圖Fig.2 Sketch map of the layout of maritime monitoring subsystem

基于搭載多傳感器的定點(diǎn)浮標(biāo)和無(wú)人艇構(gòu)建的海上監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，由定點(diǎn)浮標(biāo)保證監(jiān)測(cè)時(shí)間上的連續(xù)性，由巡航無(wú)人艇保證觀測(cè)空間上的廣泛性，充分結(jié)合了浮標(biāo)定點(diǎn)靜態(tài)觀測(cè)和無(wú)人艇巡航動(dòng)態(tài)觀測(cè)的優(yōu)勢(shì)。浮標(biāo)和無(wú)人艇均搭載接觸和非接觸式傳感器，可以把目標(biāo)海域的水中油，海流、溫鹽、和海表面風(fēng)速風(fēng)向等海洋生態(tài)環(huán)境關(guān)鍵參數(shù)，通過4G網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸至岸基的數(shù)模預(yù)警子系統(tǒng)，從而大幅提高監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率和實(shí)時(shí)性，降低誤報(bào)警率，實(shí)現(xiàn)對(duì)可能發(fā)生的原油泄漏進(jìn)行全天候監(jiān)測(cè)。

1.2 數(shù)模預(yù)警子系統(tǒng)

本系統(tǒng)擬開發(fā)溢油數(shù)模預(yù)警軟件，實(shí)時(shí)接收海上監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算監(jiān)測(cè)海域的流場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)情況，判斷監(jiān)測(cè)海域的油污是否異常。如果出現(xiàn)異常，數(shù)模預(yù)警子系統(tǒng)立刻向有關(guān)部門發(fā)出油污異常預(yù)警信息，同時(shí)向海上監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)發(fā)送指令，要求其加大頻率加大范圍進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并根據(jù)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，判斷油污來(lái)源，以便于相關(guān)部門排查事故隱患，消除大規(guī)模溢油風(fēng)險(xiǎn)，從而達(dá)到防范事故，保護(hù)海洋生態(tài)環(huán)境的目的。數(shù)模預(yù)警子系統(tǒng)還能進(jìn)行溢油擴(kuò)散軌跡預(yù)測(cè)，以便處置海上油污。

2 系統(tǒng)設(shè)備介紹

2.1 浮標(biāo)

海洋浮標(biāo)是一種現(xiàn)代化的海洋觀測(cè)設(shè)備[8-9]，它可以全天候穩(wěn)定可靠的收集水文氣象資料，并能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集，前期預(yù)處理和自動(dòng)發(fā)送功能，可根據(jù)需求集成多參數(shù)的傳感器，并且可依靠自身的太陽(yáng)能板發(fā)電保證搭載的傳感器長(zhǎng)期穩(wěn)定的工作。浮標(biāo)主要由數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)傳輸單元和測(cè)量傳感器單元構(gòu)成。數(shù)據(jù)采集單元主要負(fù)責(zé)定時(shí)喚醒傳感器單元的各傳感器、下達(dá)數(shù)據(jù)采集指令并收集各傳感器單元所采集的數(shù)據(jù)，包括參數(shù)類型、采集頻率等關(guān)鍵信息和采集日期、地點(diǎn)等輔助信息；數(shù)據(jù)采集單元也負(fù)責(zé)整個(gè)浮標(biāo)系統(tǒng)的能源管理，根據(jù)檢測(cè)需要喚醒或者休眠各傳感器和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。信息采集后，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)按照一定的編碼規(guī)則，將數(shù)據(jù)打包交給數(shù)據(jù)傳輸單元。數(shù)據(jù)傳輸單元通過4G網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)傳送給數(shù)模預(yù)警子系統(tǒng)。在必要時(shí)，數(shù)模預(yù)警子系統(tǒng)可以通過數(shù)據(jù)傳輸單元反向控制浮標(biāo)。隨著信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)流量持續(xù)增加，我國(guó)已實(shí)現(xiàn)5G通信。5G網(wǎng)絡(luò)具有高速率、低時(shí)延、高可靠等特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)、高清視頻的實(shí)時(shí)傳輸，以及遠(yuǎn)程操作的實(shí)時(shí)控制[10]。以后可利用5G通信對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)，譬如在浮標(biāo)本體搭載攝像機(jī)、紅外熱成像系統(tǒng)等設(shè)備，為相關(guān)部門實(shí)時(shí)提供清晰圖像等詳實(shí)資料，從而對(duì)海洋環(huán)境、海洋資源、漂浮物等進(jìn)行全天候觀察和監(jiān)視。

本系統(tǒng)選用的浮標(biāo)可以監(jiān)測(cè)水中油、風(fēng)速、風(fēng)向、氣壓、氣溫、濕度、海流、水溫、鹽度等多種參數(shù)，并在遭到破壞或者位移時(shí)能夠自動(dòng)報(bào)警，以保證浮標(biāo)本身的安全。定點(diǎn)監(jiān)測(cè)浮標(biāo)示意圖見圖3。

2.2 無(wú)人艇

本系統(tǒng)選擇的無(wú)人艇是一款遠(yuǎn)程控制電動(dòng)水面艇，體積小、重量輕，具備太陽(yáng)能充電功能，設(shè)計(jì)搭載的熒光傳感器實(shí)現(xiàn)了對(duì)水面溢油的實(shí)時(shí)機(jī)動(dòng)無(wú)人監(jiān)測(cè)。對(duì)于計(jì)算機(jī)、GPS、測(cè)深儀和其他儀器和傳感器實(shí)現(xiàn)定制化搭載，可以遠(yuǎn)程設(shè)定路線自主航行，同時(shí)還可以根據(jù)溢油情況編入特殊的使命程序，可以對(duì)溢油進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤測(cè)量，實(shí)現(xiàn)自主智能化的全天候機(jī)動(dòng)監(jiān)測(cè)。

圖3 定點(diǎn)監(jiān)測(cè)浮標(biāo)示意圖Fig.3 Sketch map of the fixed point monitoring buoy

船體由堅(jiān)固、輕量級(jí)的鋁和碳纖維建造。最大航速可達(dá)7.78節(jié)，具備在重點(diǎn)海域的強(qiáng)潮流區(qū)航行能力，水密電子艙十分寬敞，模塊化設(shè)計(jì)，方便各種儀器的裝配，整船質(zhì)量控制在30kg內(nèi)，運(yùn)輸方便，采用4G網(wǎng)絡(luò)通訊，也可根據(jù)需要選擇其它通訊方式。無(wú)人艇如圖4所示。

圖4 巡航監(jiān)測(cè)無(wú)人艇Fig.4 Cruise monitoring unmanned boat

2.3 溢油監(jiān)測(cè)傳感器

光學(xué)傳感器和激光傳感器是沿海監(jiān)測(cè)溢油的首選[11]。光學(xué)傳感器主要利用油品和海水在吸收激發(fā)器發(fā)射的光后，探測(cè)器接收到的光譜值的不同來(lái)判別是否有溢油現(xiàn)象，例如可見光傳感器探測(cè)溢油就是利用油品在可見光譜范圍內(nèi)與海水存在明顯的反射率來(lái)實(shí)現(xiàn)溢油監(jiān)測(cè)，但是與探測(cè)角度有重大關(guān)系，且相比海水油品在可見光譜段沒有明顯的特征光譜，海水中有很多浮游類物質(zhì)等很多干擾因素影響其準(zhǔn)確性，且受天氣影響很大。而激光熒光法就是利用石油中芳烴化合物在接收激發(fā)光是發(fā)出的熒光特性和強(qiáng)度，進(jìn)行定量分析，準(zhǔn)確率較高，我國(guó)港口碼頭設(shè)立的溢油監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)均采用此原理傳感器，可靠性強(qiáng)，維護(hù)方便。

本系統(tǒng)搭載在定點(diǎn)浮標(biāo)和無(wú)人挺的溢油監(jiān)測(cè)傳感器選擇基于激光熒光法研制的傳感器，體積小、重量輕、靈敏度高、操作簡(jiǎn)單、維護(hù)方便，適合長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)，可集成浮標(biāo)和無(wú)人艇等多個(gè)平臺(tái)。溢油監(jiān)測(cè)傳感器如圖5所示。

圖5 溢油監(jiān)測(cè)傳感器Fig.5 Oil spill monitoring sensor

圖6 多普勒聲學(xué)測(cè)流計(jì)Fig.6 Doppler acoustic flowmeter

2.4 多普勒聲學(xué)測(cè)流計(jì)

聲學(xué)多普勒測(cè)流計(jì)是一種利用多普勒原理、能夠在船舶走航或者浮標(biāo)錨定等條件下測(cè)量不同深度層海流流速流向的設(shè)備(如圖6所示)。本系統(tǒng)將聲學(xué)多普勒測(cè)流計(jì)固定安裝在浮標(biāo)本體水面下某一水深處使用。

海流剖面觀測(cè)，不同深度海流大小方向的變化，反映出不同方向來(lái)源的海水影響該點(diǎn)的時(shí)間和水層(圖7示意夏季到秋季沿岸流轉(zhuǎn)向的過程)。

圖7 多普勒聲學(xué)測(cè)流計(jì)海流實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.7 Monitoring results of doppler acoustic flowmeter current

2.5 風(fēng)速風(fēng)向儀

風(fēng)速風(fēng)向儀用于測(cè)量瞬時(shí)風(fēng)速風(fēng)向和平均風(fēng)速風(fēng)向(圖8)。風(fēng)速風(fēng)向儀安裝在浮標(biāo)本體頂部，風(fēng)速風(fēng)向傳感器的風(fēng)杯采用碳纖維材料，強(qiáng)度高、起動(dòng)好。風(fēng)速風(fēng)向儀廣泛用于氣象、海洋、環(huán)境、機(jī)場(chǎng)、港口、工農(nóng)業(yè)及交通等領(lǐng)域。

圖8 風(fēng)速風(fēng)向儀Fig.8 Wind speed and direction instrument

海面波浪和氣象觀測(cè)，可實(shí)時(shí)提供海上氣象條件，為海上執(zhí)法、漁業(yè)、防災(zāi)減災(zāi)等工作提供應(yīng)急參考數(shù)據(jù)。海面氣象實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖9所示。

圖9 海面氣象實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.9 Real-time monitoring results of sea surface meteorological

2.6 溫鹽深測(cè)量?jī)x

溫鹽深測(cè)量?jī)x用于海水溫度、鹽度、壓力、溶解氧等參數(shù)的長(zhǎng)時(shí)間序列的測(cè)量(錨系及浮標(biāo)系統(tǒng))，也可用于便攜式觀測(cè)，測(cè)量水體包括：近岸海域，河口灣，湖泊和水庫(kù)，河流和小溪等(圖10)。本系統(tǒng)將溫鹽深測(cè)量?jī)x固定安裝在浮標(biāo)本體水面下某一水深處使用。

海水溫度、鹽度的觀測(cè)，不同深度溫度、鹽度的差別隨著時(shí)間的變化反映出海水混合強(qiáng)度的變化(如圖11和圖12所示)。

圖10 溫鹽深測(cè)量?jī)xFig.10 Temperature and salt depth measuring instrument

2.7 數(shù)模預(yù)警子系統(tǒng)

數(shù)模預(yù)警子系統(tǒng)硬件系統(tǒng)包括服務(wù)器、計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、數(shù)據(jù)通信平臺(tái)；軟件系統(tǒng)包括服務(wù)器系統(tǒng)、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)軟件、辦公軟件、驅(qū)動(dòng)器、數(shù)值預(yù)警軟件等。其中的核心業(yè)務(wù)軟件主要是數(shù)值報(bào)警監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)，包括電子海圖動(dòng)態(tài)顯示系統(tǒng)，可以疊加顯示監(jiān)測(cè)水域的溢油熒光值，以及顯示各傳感器實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)，還包括實(shí)時(shí)模擬流場(chǎng)和無(wú)人艇控制終端。

圖11 溫鹽深測(cè)量?jī)x海水溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.11 Real-time monitoring results of seawater temperature by temperature and salt depth measuring instrument

圖12 溫鹽深測(cè)量?jī)x海水鹽度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.12 Real-time monitoring results of seawater salinity by temperature and salt depth measuring instrument

該系統(tǒng)可根據(jù)設(shè)定的采樣頻率連續(xù)實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)海面溢油，自動(dòng)采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)并進(jìn)行閾值分析，將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)繪制在監(jiān)控界面的電子海圖內(nèi)，不受天氣條件限制，方便查看。同時(shí)顯示水文和氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)以及監(jiān)測(cè)區(qū)域的流場(chǎng)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)位一旦出現(xiàn)報(bào)警，電子海圖系統(tǒng)可以直觀、準(zhǔn)確的顯示發(fā)生溢油事故的空間地理信息，并顯示報(bào)警點(diǎn)位置，同時(shí)進(jìn)行粒子跟蹤定位。

監(jiān)控系統(tǒng)可以控制浮標(biāo)和無(wú)人艇搭載的傳感器采樣頻率，無(wú)人艇的巡航路線，同時(shí)實(shí)時(shí)接收現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)信息，并進(jìn)行數(shù)據(jù)融合和實(shí)時(shí)處理。監(jiān)控系統(tǒng)具備系統(tǒng)管理、電子海圖、終端管理、溢油監(jiān)測(cè)等幾個(gè)主要模塊，通過各子模塊可以實(shí)現(xiàn)海面溢油自動(dòng)監(jiān)測(cè)、電子地圖操作、采樣頻率設(shè)置、報(bào)警閾值設(shè)置等功能。數(shù)模預(yù)警子系統(tǒng)溢油預(yù)警圖如圖13所示。

圖13 數(shù)模預(yù)警子系統(tǒng)溢油預(yù)警圖Fig.13 Warning map of oil spill by digital model warning subsystem

3 結(jié)論與討論

無(wú)論國(guó)內(nèi)外，石化行業(yè)的溢油事故無(wú)法完全避免，事故風(fēng)險(xiǎn)始終存在。我國(guó)將長(zhǎng)期面臨臨港石化行業(yè)發(fā)展所帶來(lái)的溢油風(fēng)險(xiǎn)及海洋生態(tài)環(huán)境保護(hù)的巨大壓力。本文提出的基于浮標(biāo)與無(wú)人艇的溢油監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)來(lái)預(yù)警海洋油污異常，以便及時(shí)排查油污源頭，消除大規(guī)模溢油事故隱患，化解事故風(fēng)險(xiǎn)，保護(hù)石油化工業(yè)的健康發(fā)展，促進(jìn)海洋生態(tài)環(huán)境保護(hù)與修復(fù)，進(jìn)而保障臨港工業(yè)、濱港旅游業(yè)和捕撈業(yè)等海洋經(jīng)濟(jì)的持續(xù)健康發(fā)展。由于本系統(tǒng)還處在方案設(shè)計(jì)階段，還未進(jìn)行試驗(yàn)性應(yīng)用，其溢油監(jiān)測(cè)預(yù)警作用效果還有待考證。隨著5G通信技術(shù)的發(fā)展，利用5G通信高速率、低時(shí)延、高可靠等特點(diǎn)，以后可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)，為相關(guān)部門實(shí)時(shí)提供清晰圖像等詳實(shí)資料，從而對(duì)海洋環(huán)境、海洋資源、漂浮物等進(jìn)行全天候觀察和監(jiān)視。希望本系統(tǒng)能夠在溢油監(jiān)測(cè)應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用。