基于浮标与无人艇的溢油监测预警系统

张 登，张 涛，马云龙，金 颖

(1.自然资源部第二海洋研究所，浙江 杭州 310012；2.卫星海洋环境动力学国家重点实验室，浙江 杭州 310012)

0 引言

人类活动导致每年约1000万吨的石油排入海洋，不仅破坏了滨海风景，还严重危害海洋生态环境。随着石化行业的迅速发展，运油船舶和码头、储运基地的原油运输、装卸更加频繁，储油罐、输油管道、油码头、船舶及其相关作业活动越发繁忙，发生油类和油性混合物泄漏等溢油事故造成海洋生态环境污染的风险日益加大，溢油事故的发生给我国的经济发展与环境保护带来了严重的不利影响[1]。溢油对海洋的污染已经引起世界各国的重视[2]，海洋溢油灾害监测防治工作意义重大[3]。

溢油事故一旦发生，油污将随着风浪流在水面扩散或沉降至海底，通常可以采取围油栏、吸附和撇浮等物理方法，燃烧、消散剂、集油剂、凝油剂等化学方法和生物净化方法控制或减轻污染，溢油污染范围大、持续时间长，要完全清除难度大[4]。从国内外的大规模溢油事故来看，尽管采取了各种方法，但都不可避免地对海洋生态环境造成长期的严重污染，而溢油事故一旦对海洋生态环境造成污染，补救措施和效果都十分有限。研究表明，溢油快速应急反应尤其是海上溢油快速回收是制约溢油事故顺利处置的关键因素，因此，快速准确地对海上溢油事故进行预警，是海上溢油事故处置中的关键环节[5]。

对于石油化工业的溢油风险，应当坚持预防为主的方针，一方面通过加强石化行业本身的安全生产，另一方面通过对海洋油污的先进监测和预警手段，及时发现海面油污异常并循迹追查事故源头，排除事故隐患，防范大规模溢油事件发生。世界各国对海上溢油的监测手段主要有卫星遥感、浮标跟踪、航空遥感、固定点监测等(表1)[6]，单一的监测方法有着各自的特点[7]。其中卫星遥感、航空遥感和漂流浮标跟踪适用于溢油事故后的监测，定点浮标适用于对重点海域进行预防性监测。

1 工作流程

由于溢油发生后的补救措施有限，对海洋生态环境的污染将会长期持续，因此，应当坚持预防为主的方针。海洋溢油监测预警系统是一种有效的预防溢油、保护海洋生态环境的手段，它由海上监测和数模预警两个子系统组成。海上监测子系统获取海洋油污、海流、风等海洋要素，并将数据实时传输给数模预警子系统；数模预警子系统根据海上监测数据，判断监测海域海洋油污是否异常，如有异常，则向有关部门发出预警；有关部门接收到预警信息后，可以根据需要调整海上监测子系统的检测范围和频率，并根据油污、海流和风场的信息，综合判断异常油污来源，排查溢油隐患，防止事故发生，从而达到预防溢油，保护海洋环境的目的。溢油监测预警系统工作流程如图1所示。

表1 海上溢油监测技术现状对比

图1 溢油监测预警系统工作流程图Fig.1 Work flow chart of oil spill monitoring and early warning system

1.1 海上监测子系统

由表1可看出，卫星遥感、航空遥感和漂流浮标主要用于溢油事故发生后的施救，只有定点浮标适用于溢油高风险海域的预警监测。为弥补定点浮标监测范围小的缺点，需要利用具备一定范围内机动观测能力的设备作为补充。近年新发展的无人艇，可在用户远程控制下在目标海域进行巡航监测工作，并实时传输监测数据，正好弥补了定点浮标监测的不足。

本系统拟在岙山岛和外钓岛附近各布设一个海上监测站(岙山岛和外钓岛储备大量石油)，每个站配备1套油污定点监测浮标和2艘油污监测无人艇。海上监测子系统布设如图2所示。

图2 海上监测子系统布设示意图Fig.2 Sketch map of the layout of maritime monitoring subsystem

基于搭载多传感器的定点浮标和无人艇构建的海上监测系统，由定点浮标保证监测时间上的连续性，由巡航无人艇保证观测空间上的广泛性，充分结合了浮标定点静态观测和无人艇巡航动态观测的优势。浮标和无人艇均搭载接触和非接触式传感器，可以把目标海域的水中油，海流、温盐、和海表面风速风向等海洋生态环境关键参数，通过4G网络实时传输至岸基的数模预警子系统，从而大幅提高监测准确率和实时性，降低误报警率，实现对可能发生的原油泄漏进行全天候监测。

1.2 数模预警子系统

本系统拟开发溢油数模预警软件，实时接收海上监测子系统的监测数据，计算监测海域的流场和风场情况，判断监测海域的油污是否异常。如果出现异常，数模预警子系统立刻向有关部门发出油污异常预警信息，同时向海上监测子系统发送指令，要求其加大频率加大范围进行监测，并根据加强监测的数据，判断油污来源，以便于相关部门排查事故隐患，消除大规模溢油风险，从而达到防范事故，保护海洋生态环境的目的。数模预警子系统还能进行溢油扩散轨迹预测，以便处置海上油污。

2 系统设备介绍

2.1 浮标

海洋浮标是一种现代化的海洋观测设备[8-9]，它可以全天候稳定可靠的收集水文气象资料，并能实现数据的自动采集，前期预处理和自动发送功能，可根据需求集成多参数的传感器，并且可依靠自身的太阳能板发电保证搭载的传感器长期稳定的工作。浮标主要由数据采集单元、数据传输单元和测量传感器单元构成。数据采集单元主要负责定时唤醒传感器单元的各传感器、下达数据采集指令并收集各传感器单元所采集的数据，包括参数类型、采集频率等关键信息和采集日期、地点等辅助信息；数据采集单元也负责整个浮标系统的能源管理，根据检测需要唤醒或者休眠各传感器和数据传输系统。信息采集后，数据采集系统按照一定的编码规则，将数据打包交给数据传输单元。数据传输单元通过4G网络，将数据传送给数模预警子系统。在必要时，数模预警子系统可以通过数据传输单元反向控制浮标。随着信息技术、网络技术的发展，移动通信网络流量持续增加，我国已实现5G通信。5G网络具有高速率、低时延、高可靠等特点，可以实现海量数据、高清视频的实时传输，以及远程操作的实时控制[10]。以后可利用5G通信对本系统进行升级，譬如在浮标本体搭载摄像机、红外热成像系统等设备，为相关部门实时提供清晰图像等详实资料，从而对海洋环境、海洋资源、漂浮物等进行全天候观察和监视。

本系统选用的浮标可以监测水中油、风速、风向、气压、气温、湿度、海流、水温、盐度等多种参数，并在遭到破坏或者位移时能够自动报警，以保证浮标本身的安全。定点监测浮标示意图见图3。

2.2 无人艇

本系统选择的无人艇是一款远程控制电动水面艇，体积小、重量轻，具备太阳能充电功能，设计搭载的荧光传感器实现了对水面溢油的实时机动无人监测。对于计算机、GPS、测深仪和其他仪器和传感器实现定制化搭载，可以远程设定路线自主航行，同时还可以根据溢油情况编入特殊的使命程序，可以对溢油进行实时跟踪测量，实现自主智能化的全天候机动监测。

图3 定点监测浮标示意图Fig.3 Sketch map of the fixed point monitoring buoy

船体由坚固、轻量级的铝和碳纤维建造。最大航速可达7.78节，具备在重点海域的强潮流区航行能力，水密电子舱十分宽敞，模块化设计，方便各种仪器的装配，整船质量控制在30kg内，运输方便，采用4G网络通讯，也可根据需要选择其它通讯方式。无人艇如图4所示。

图4 巡航监测无人艇Fig.4 Cruise monitoring unmanned boat

2.3 溢油监测传感器

光学传感器和激光传感器是沿海监测溢油的首选[11]。光学传感器主要利用油品和海水在吸收激发器发射的光后，探测器接收到的光谱值的不同来判别是否有溢油现象，例如可见光传感器探测溢油就是利用油品在可见光谱范围内与海水存在明显的反射率来实现溢油监测，但是与探测角度有重大关系，且相比海水油品在可见光谱段没有明显的特征光谱，海水中有很多浮游类物质等很多干扰因素影响其准确性，且受天气影响很大。而激光荧光法就是利用石油中芳烃化合物在接收激发光是发出的荧光特性和强度，进行定量分析，准确率较高，我国港口码头设立的溢油监测预警系统均采用此原理传感器，可靠性强，维护方便。

本系统搭载在定点浮标和无人挺的溢油监测传感器选择基于激光荧光法研制的传感器，体积小、重量轻、灵敏度高、操作简单、维护方便，适合长时间监测，可集成浮标和无人艇等多个平台。溢油监测传感器如图5所示。

图5 溢油监测传感器Fig.5 Oil spill monitoring sensor

图6 多普勒声学测流计Fig.6 Doppler acoustic flowmeter

2.4 多普勒声学测流计

声学多普勒测流计是一种利用多普勒原理、能够在船舶走航或者浮标锚定等条件下测量不同深度层海流流速流向的设备(如图6所示)。本系统将声学多普勒测流计固定安装在浮标本体水面下某一水深处使用。

海流剖面观测，不同深度海流大小方向的变化，反映出不同方向来源的海水影响该点的时间和水层(图7示意夏季到秋季沿岸流转向的过程)。

图7 多普勒声学测流计海流实时监测结果Fig.7 Monitoring results of doppler acoustic flowmeter current

2.5 风速风向仪

风速风向仪用于测量瞬时风速风向和平均风速风向(图8)。风速风向仪安装在浮标本体顶部，风速风向传感器的风杯采用碳纤维材料，强度高、起动好。风速风向仪广泛用于气象、海洋、环境、机场、港口、工农业及交通等领域。

图8 风速风向仪Fig.8 Wind speed and direction instrument

海面波浪和气象观测，可实时提供海上气象条件，为海上执法、渔业、防灾减灾等工作提供应急参考数据。海面气象实时监测结果如图9所示。

图9 海面气象实时监测结果Fig.9 Real-time monitoring results of sea surface meteorological

2.6 温盐深测量仪

温盐深测量仪用于海水温度、盐度、压力、溶解氧等参数的长时间序列的测量(锚系及浮标系统)，也可用于便携式观测，测量水体包括：近岸海域，河口湾，湖泊和水库，河流和小溪等(图10)。本系统将温盐深测量仪固定安装在浮标本体水面下某一水深处使用。

海水温度、盐度的观测，不同深度温度、盐度的差别随着时间的变化反映出海水混合强度的变化(如图11和图12所示)。

图10 温盐深测量仪Fig.10 Temperature and salt depth measuring instrument

2.7 数模预警子系统

数模预警子系统硬件系统包括服务器、计算机、网络设备、数据通信平台；软件系统包括服务器系统、操作系统、数据库软件、办公软件、驱动器、数值预警软件等。其中的核心业务软件主要是数值报警监测管理系统，包括电子海图动态显示系统，可以叠加显示监测水域的溢油荧光值，以及显示各传感器实时观测数据，还包括实时模拟流场和无人艇控制终端。

图11 温盐深测量仪海水温度实时监测结果Fig.11 Real-time monitoring results of seawater temperature by temperature and salt depth measuring instrument

图12 温盐深测量仪海水盐度实时监测结果Fig.12 Real-time monitoring results of seawater salinity by temperature and salt depth measuring instrument

该系统可根据设定的采样频率连续实时自动监测海面溢油，自动采集现场数据并进行阈值分析，将监测到的数据绘制在监控界面的电子海图内，不受天气条件限制，方便查看。同时显示水文和气象观测数据以及监测区域的流场。监测点位一旦出现报警，电子海图系统可以直观、准确的显示发生溢油事故的空间地理信息，并显示报警点位置，同时进行粒子跟踪定位。

监控系统可以控制浮标和无人艇搭载的传感器采样频率，无人艇的巡航路线，同时实时接收现场观测信息，并进行数据融合和实时处理。监控系统具备系统管理、电子海图、终端管理、溢油监测等几个主要模块，通过各子模块可以实现海面溢油自动监测、电子地图操作、采样频率设置、报警阈值设置等功能。数模预警子系统溢油预警图如图13所示。

图13 数模预警子系统溢油预警图Fig.13 Warning map of oil spill by digital model warning subsystem

3 结论与讨论

无论国内外，石化行业的溢油事故无法完全避免，事故风险始终存在。我国将长期面临临港石化行业发展所带来的溢油风险及海洋生态环境保护的巨大压力。本文提出的基于浮标与无人艇的溢油监测预警系统，可实时监测来预警海洋油污异常，以便及时排查油污源头，消除大规模溢油事故隐患，化解事故风险，保护石油化工业的健康发展，促进海洋生态环境保护与修复，进而保障临港工业、滨港旅游业和捕捞业等海洋经济的持续健康发展。由于本系统还处在方案设计阶段，还未进行试验性应用，其溢油监测预警作用效果还有待考证。随着5G通信技术的发展，利用5G通信高速率、低时延、高可靠等特点，以后可对系统进行升级，为相关部门实时提供清晰图像等详实资料，从而对海洋环境、海洋资源、漂浮物等进行全天候观察和监视。希望本系统能够在溢油监测应用领域发挥重要的作用。