一种接触式水面溢油报警浮标的开发

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(1.交通运输部水运科学研究院，北京 100088；2.大连海事大学 交通运输管理学院，辽宁 大连 116026)

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。

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。

现有溢油检测手段优缺点对比见表1[9-10]。

2 浮标关键技术

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。

表1 现有的溢油监视监测手段优缺点

续表1

2.1 溢油探测器及控制电路

2.1.1 传感器技术选型

溢油传感器的研发是溢油探测报警浮标的核心技术。

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。

2.1.2 传感器的原理

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]。

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。

2.1.3 传感器的工作方式

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e1a～e1b之间摆动，而e1b﹥e1a。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，e1b﹥e1a﹥e0，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

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

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，e1b与e0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。

2.2.2 防水防腐设计

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。

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。

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。

2.3 浮标监控软件

2.3.1 软件组成

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。

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

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。

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。

[1] 冯亦珍,林红梅.我国沿海海域面临船舶溢油污染高风险[J].中国减灾,2005(8):1-4.

[2] 郭子坚,陈琦,唐国磊.船舶进出港安全时距对沿海散货港区航道通过能力的影响[J].水运工程,2011(7):136-140.

[3] 宋向群,刘佳,唐国磊.船舶进出港规则对沿海进口散货港区航道通过能力的影响[J].水运工程,2012(9):122-131.

[4] 交通运输部.港口码头水上污染事故应急防备能力要求:JT/T 451—2017[S].北京:人民交通出版社,2017.

[5] 赵平等.海上溢油浮标跟踪定位及动态监控技术研究[C].中国航海优秀科技论文集.北京:中国航海学会,2010.

[6] 郑洪磊.基于极化特征的SRA溢油检测研究[D].青岛:中国海洋大学,2015.

[7] 安居白,张永宁.发达国家海上溢油遥感监测现状分析[J].交通环保,2002(3):27-29.

[8] 岳成业,曹祖德.溢油追踪报警器可行性研究[J].交通环保,2003(5):81-85.

[9] 陈璇琳,竺柏康,东光.港口码头溢油监测报警系统的研究现状及展望[J].中国水运,2015(7): 64-66.

[10] 张权.海上溢油近红外实时监测系统的研究[D].秦皇岛:燕山大学,2010.

[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.