CN101776694B - 海洋石油平台浮冰速度原位监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海洋石油平台浮冰速度原位监测装置，包括海冰成像平台和成像距离自动调整装置，进一步包括声学水位计、排线控制器、排线器和导杆。所述原位海冰监测装置安置在海洋石油平台上。所述装置进一步包括：海面监测平台和缆绳；所述排线控制器与声学水位计相连，接收来自声学水位计的海面水位变化信息，所述排线控制器与所述排线器相连，用于控制排线器的转动圈数来调节海冰成像平台与水面的距离；所述海冰监测平台通过所述滑动孔穿过所述两根导杆，并使之能够相对于所述导杆在垂直方向上、下滑动。本发明原位监测装置能够随着潮汐水位自动调节成像装置的成像距离，以减少潮汐水位变化所带来的误差影响，提高浮冰位移测量的准确性。

Description

海洋石油平台浮冰速度原位监测装置

技术领域

本发明涉及一种海面原位可视化监测装置，特别涉及一种基于图像传感技术的海洋石油平台浮冰速度原位监测装置。 

背景技术

海冰是冬季高纬度海域中的主要产物之一，覆盖在海面的大量海冰随着潮流和海风漂移，对海上钻井平台和船舶产生冲击，造成海洋钻井平台倒塌、航运中断等海冰灾害。我国北部海域纬度偏高，每年冬季都会产生大量的海冰，因此如何准确的对冰情变化进行监测，以便及时发布预警信息和作业应急措施，已成为高纬度海洋钻井平台安全生产中亟待解决的重大问题。 

目前用于海洋石油平台上对海面浮冰流动速度自动监测系统多数采用光学摄像机和照明光源对海面进行以固定的间隔时间连续的拍摄成像，通过对两帧不同间隔时间图像中的海冰移动位置进行检测确定单位时间内海面浮冰移动的距离，从而获取浮冰运动速度，为评估浮冰对海洋石油平台结构所产生的影响提供现场数据资料，提高冬季海洋石油平台的安全保障系数。 

为保证海冰位移比较的准确性，在浮冰位移分析中需要对所获得的图像资料在同一成像距离和同一成像范围内的相同时间间隔的图像序列进行冰块目标的匹配比较。但是实际应用中由于潮汐水位每天都发生变化，导致成像距离发生变动，这给基于图像传感技术的原位海冰监测系统带来了位移匹配误差。 

近几年来，随着卫星遥感和航空遥感技术的迅速发展，以遥感图像反演冰型、冰密集度、冰厚等海冰要素，已经成为海冰要素测量的重要技术手段。然而，由于目前卫星和航空遥感所获取的图像空间分辨率较低，只能获取大范围冰区边缘变化信息，无法获取海面浮冰运动的准确速度资料，特别是表面积小于1平方米的浮冰冰块运动速度；此外，卫星遥感获航拍的监测方法受其受其绕行或飞行时间周期的限制，难以获取连续完整的海面浮冰运动资料。虽然可以在海洋石油平台上可以安置视频监测系统来观测浮冰的流速，但是这些装置都是采用一次性固定在石油平台结构上，海洋潮汐水位的变化引起其成像距离发生改变，导致其成像视场范围发生变化，在图像序列分析过程中带来较大的误差，譬如，对于视场角为60的相机，所设定的视场半径为1米，当潮汐落差为0.5米时，其视场范围将增大或减少0.29米，这对于基于不同图像序列进行浮冰位移计算带来其位移测量偏差，导致长时序、连续的浮冰运动速度资料分析产生教大的误差。 

发明内容

为解决上述技术问题，本发明公开了一种随着潮汐水位自动调节的控制装置，以减少潮汐水位变化所带来的误差影响，提高浮冰位移测量的准确性。针对当前海洋石油平台对长时序、连续的浮冰运动速度测量中的图像序列采集稳定性需求，本发明通过在海冰监测平台上安置两个圆形导杆、利用排线控制器控制排线器的转动圈数，由排线器上的缆绳带动海冰监测平台沿着两个圆形导杆上下移动，所移动的距离是排线控制器根据安置在海冰监测平台上的声学水位计所测量的潮汐水位高度变化信息进行控制排线器进行排线和收线。海冰监测平台上集成声学水位计、照明光源和数字相机，照明光源和数字相机的光轴与海面垂直，由于排线器的移动距离始终根据现场检测的水位变化而一致，从而保持海冰成像监测平台始终与海平面的距离为同一距离，保证所获取图像的视场范围和成像距离不受潮汐变化影响，为提高基于图像序列的浮冰运动速度分析的准确性提供了保证，从而提高了基于图像分析方法的浮冰流速计算的准确性。 

本发明提供了一种海洋石油平台浮冰速度原位监测装置，包括照明系统和成像系统，其特征在于，所述原位监测装置安置在海洋石油平台上，进一步包括基于声学无接触测距原理的声学水位计、排线控制器、排线器和导杆组成的成像距自动成像距离调节系统，以及海冰监测平台和缆绳； 

所述排线控制器可以与所述排线器相连，用于控制排线器的转动圈数； 

所述导杆可以为两根，分别被相对垂直的固定化设置在所述海洋石油平台上； 

所述海冰监测平台上可以设置有两个分别与所述导杆横截面形状相同、 面积相同的滑动孔；并且，所述海冰监测平台通过所述滑动孔穿过所述两根导杆，并使之能够相对于所述导杆上、下垂直滑动。 

所述导杆可以为圆形或椭圆形。 

所述排线控制器与声学水位计相连，接收来自声学水位计测量的由潮汐而引起的水位变化的平台与海面的距离变化信息； 

所述排线器可以与缆绳相连，用于带动海冰监测平台沿着两个导杆上下移动；海冰监测平台所移动的距离由排线控制器根据声学水位计测量的水位高度变化来实现成像平台垂直距离的自动控制，用于保证成像距离的恒定性，使所获取图像的视场范围和成像距离不受潮汐变化影响。 

所述照明系统可以和成像系统集成在所述海冰监测平台上； 

所述声学高度计可以与照明系统和成像系统集成在所述海冰监测平台上； 

所述照明系统可以进一步包括照明光源； 

所述成像系统可以进一步包括数字相机； 

所述的潮汐水位变化检测系统可以进一步包括声学高度计； 

所述照明光源可以和所述数字相机的光轴与海面垂直； 

所述声学高度计声学换能器与海面垂直； 

所述照明光源可以安置在所述数字相机的两边，用于为所述成像系统提供照明。 

所述的声学高度计可以测量海冰监测平台与水面的距离，为排线控制器提供位移定量信息； 

所述本发明装置的两个垂直运动导杆优选由金属棒加工成圆形，嵌入在海冰监测平台框架的滑动孔内，两个垂直运动导杆的上端分别固定在石油平台的边沿端。 

所述安置在海冰监测平台上的声学水位计检测海面反射的回声声波来测量海面与海冰监测平台的距离，然后将海冰监测平台与海面的距离变化信息反馈给排线控制器，由排线控制器选根据测量水位的变化发出移动控制指令给排线器，驱动排线器转动，排线器转动的排缆或收揽动作使得缆绳向下运动或向上运动，由此带动海冰检测平台框架在垂直方向上，发生向下或向上方向位移，并且保持该位移与潮汐水位变化的一致性。 

所述固定在海冰监测平台上的照明光源以及数字相机的光轴与海冰监测平台优选同时随着潮汐水位的变化上下移动，从而保证成像距离和观测视场的恒定性，消除了因潮汐水位变化而产生的成像误差。 

所述导杆优选设置为两个等长的垂直运动导杆，分别是第一垂直运动导杆和第二垂直运动导杆，相对垂直的固定在海洋石油平台边缘，用于防止海冰监测平台发生转动或倾斜，提供成像系统的空间位置的稳定性。 

所述海冰监测平台优选能够沿着两个垂直运动导杆上下移动，所移动的距离由排线器通过排放缆绳或收起缆绳的长度控制，排放或收缩缆绳的距离与潮汐水位变化成比例。 

本发明的效益是：可以根据潮汐水位的变化自动调节海冰数字相机与海平面的位置，取保相机始终与海面保持相同的成像距离，保证了基于图像序列进行浮冰位移距离计算的准确性，提高了对长时序海冰观测图像资料分析的可靠性。 

附图说明

图1为本发明实施例所述监测装置的正视图； 

图2为本发明实施例所述监测装置的侧视图； 

图3为本发明实施例所述监测装置的立体图； 

图4为本发明实施例所述根据声学水文计对排线器的位移距离进行控制的方框图。 

具体实施方式

本发明公开了一种安置在海洋石油平台上的海冰监测平台位置自动调节装置，该装置制利用排线控制器控制排线器的转动圈数，由排线器上的缆绳带动海冰监测平台沿着两个圆形导杆上下移动，两个圆形导杆固定在海洋石油平台边上，海冰监测平台所移动的距离由排线控制器根据来自声学水位计的海面水位信息进行自动控制，保证所获取图像的视场范围和成像距离不受潮汐变化影响。 

声学水位计采用声管发出声信号，使声波在空气传播，当遇到水面时在两种不同的介质表面会造成声波的反射，通过对传播及回声声波的所用时间 进行计算，即可得知声波发生器到水面的距离，进而可以进行水位变化的测量，譬如美国SDR公司生产的声学潮位计，测量精度可达1厘米。在本发明中，将声学水位计与照明光源和数字相机同时安置在海冰成像监测平台上，每次成像前5分钟利用声学水位计对海面进行一次测量，将测量信息通过标准船行接口(RS232C)传送到排线控制器，排线控制器由嵌入式系统和外围控制接口组成(譬如，可以由瑞典Digital-Logic公司的MSM800XEL嵌入式计算机，该嵌入式计算机配有具有标准串行数据接口)，嵌入式系统对所接收的声学水位计测量信息进行分析，如果所测量的距离与原保存的标准成像距离相符合，则不发送控制指令，如果与原保存的标准成像距离不符合，则将标准距离减去实际测量的距离，如果所获得的商大于零，排线控制器给排线器发出回收缆绳指令，回收的距离等于商的巨绝对值；如果所获得的商小于零，排线控制器给排线器发出释放收指令，释放的距离等于商的巨绝对值。因此，通过声学水位计和排线控制器可以根据水位的变化对海冰成像平台的位置进行精确的自动控制。 

海冰监测平台上集成两个照明光源和数字相机，照明光源和数字相机的光轴与海面垂直，通过安置在数字相机两边的照明光源为相机成像提供高照度的照明。 

在本发明的一实施例中，提供了一种海洋石油平台浮冰速度原位监测装置，包括声学水位计、照明系统和成像系统，其特征在于，所述原位监测装置安置在海洋石油平台上，进一步包括排线控制器、排线器和导杆，以及海冰监测平台和缆绳； 

所述排线控制器可以与所述排线器相连，用于控制排线器的转动圈数； 

所述导杆可以为两根，分别被相对垂直的固定化设置在所述海洋石油平台上； 

所述海冰监测平台上可以设置有两个分别与所述导杆横截面形状相同、面积相同的滑动孔；并且，所述海冰监测平台通过所述滑动孔穿过所述两根导杆，并使之能够相对于所述导杆垂直滑动。 

所述导杆可以为圆形或椭圆形。 

所述排线器可以与缆绳相连，用于带动海冰监测平台沿着两个导杆上下移动；海冰监测平台所移动的距离是根据声学水位计测量的海面高度变化来 决定的，排线控制器由嵌入式计算机和外围接口组成，来自声学水位计的信息送入排线控制器，由排线控制器根据所测量的潮汐水位的变化进行自动位移的自动控制，用于保证所获取图像的视场范围和成像距离不受潮汐变化影响。 

所述声学水位测量系统可以和照明系统及成像系统集成在所述海冰监测平台上； 

所述声学水位测量系统可以进一步包括声学水位计； 

所述照明系统可以进一步包括照明光源； 

所述成像系统可以进一步包括数字相机； 

所述照明光源可以和所述数字相机的光轴与海面垂直； 

所述声学水位计的声学换能器与海面垂直； 

所述照明光源可以安置在所述数字相机的两边，用于为所述成像系统提供照明。 

所述本发明装置的两个垂直运动导杆优选由金属棒加工成圆形，嵌入在海冰检测平台框架的滑动孔内，两个垂直运动导杆的上端分别固定在石油平台的边沿端。 

所述声学水位计是利用声学回声测距原理来测量海冰监测平台与海面的高度距离，所述排线控制器优选根据声学水位计测量的海面高度距离变化发出移动控制指令给排线器，驱动排线器转动，排线器转动的排缆或收揽动作使得缆绳向下运动或向上运动，由此带动海冰检测平台框架在垂直方向上，发生向下或向上方向位移，并且保持该位移与潮汐水位变化的一致性。 

所述固定在海冰监测平台上的照明光源以及数字相机的光轴与海冰监测平台优选同时随着潮汐水位的变化上下移动，从而保证成像距离和观测视场的恒定性，消除了因潮汐水位变化而产生的成像误差。 

所述导杆优选设置为两个等长的垂直运动导杆，分别是第一垂直运动导杆和第二垂直运动导杆，相对垂直的固定在海洋石油平台边缘，用于防止海冰监测平台发生转动或倾斜，提供成像系统的空间位置的稳定性。 

所述海冰监测平台优选能够沿着两个垂直运动导杆上下移动，所移动的距离由排线器通过排放缆绳或收起缆绳的长度控制，排放或收缩缆绳的距离 由排线控制器控制，并且与声学水位计所测量的海面高度变化成比例。 

在本发明的另一实施例中(如图1和图2所示，分别为本发明监测装置的正视图和侧视图)，本发明监测装置包括：排线控制器1，垂直运动导杆2、4，排线器3，缆绳5，挂环6，海冰检测平台框架8，支撑杆7，照明光源9、11和数字相机10。本发明结构的侧面示意图如图2所示。本发明装置的两个垂直运动导杆2、4由金属棒加工成圆形，嵌入在海冰检测平台框架8的滑动孔内，垂直运动导杆2、4的上端分别固定在石油平台的边沿端，声学水位计12固定在海冰检测平台框架8上，来自声学水位计12的测量信号传输给了排线控制器1，排线控制器1根据测量的水位高度变化发出移动控制指令给排线器3，驱动排线器3转动，排线器3转动的排缆或收揽动作使得缆绳5向下运动或向上运动，由此带动海冰检测平台框架8在垂直方向上，发生向下或向上方向位移，而该位移是与潮汐水位变化保持一致的，固定在海冰检测平台框架8的照明光源9和11以及数字相机10的光轴与海面垂直并将与海冰检测平台框架8同时随着潮汐水位的变化上下移动，从而保证成像距离和观测视场的恒定性，消除了因潮汐水位变化而产生的成像误差。 

图例4是根据声学水文计对排线器的位移距离进行控制的方框图，声学水位计12利用回声测距原理对声学换能器到海面的距离进行距离测量，测量的数据传输给基于嵌入式计算机的排线控制器1，排线控制器1对所接收的声学水位计测量信息进行分析，如果所测量的距离与原保存的标准成像距离相符合，则不发送控制指令，如果与原保存的标准成像距离不符合，则将标准距离减去实际测量的距离，如果所获得的商大于零，排线控制器1给排线器3发出回收缆绳指令，回收的距离等于商的绝对值；如果所获得的商小于零，排线控制器1给排线器3发出释放收指令，释放的距离等于商的巨绝对值。因此，通过声学水位计12和排线控制器1可以根据水位的变化对海冰成像平台的位置进行精确的自动控制。 

下面结合三维应用图例4做进一步说明，本发明采用两个垂直运动导杆，分别是第一垂直运动导杆2和第二垂直运动导杆4，固定在海洋石油平台边缘，可以有效地防止海冰检测平台框架8发生转动或倾斜，提供成像系统的空间位置的稳定性。海冰检测平台框架8可以沿着两个垂直运动导杆2、4上下移动，所移动的距离由排线器3通过排放缆绳5或收起缆绳5的长度控 制，排放或收缩缆绳5的距离根据声学水位计12的海面高度测量数据来决定，使海冰检测平台框架的移动距离与随着潮汐水位变化而变化。声学水位计12固定在海冰检测平台框架8的内端，海冰检测平台框架8的突出端安置有数字相机10和照明光源9、11，为数字相机10提供了较大的成像空间，为提高成像的清晰度，采用了双照明光源9、11，即使在恶劣气候环境下也能为数字相机提供足够的照明亮度。 

Claims (9)

1.一种海洋石油平台浮冰速度原位监测装置，包括声学水位测量系统、照明系统和成像系统，其特征在于，所述原位监测装置安置在海洋石油平台上，进一步包括排线控制器、排线器和导杆，以及海冰监测平台和缆绳；

所述排线控制器与所述声学水位测量系统、排线器相连，用于控制排线器的转动圈数；

所述导杆为两根，分别被相对垂直的固定化设置在所述海洋石油平台上；

所述海冰监测平台上设置有两个分别与所述导杆横截面形状相同、面积相同的滑动孔；并且，所述海冰监测平台通过所述滑动孔穿过所述两根导杆，并使之能够相对于所述导杆垂直滑动。

2.根据权利要求1所述原位监测装置，其特征在于，所述导杆为圆形或椭圆形。

3.根据权利要求1所述原位监测装置，其特征在于，所述排线器与缆绳相连，用于带动海冰监测平台沿着两个导杆上下移动；海冰监测平台所移动的距离由排线控制器根据潮汐水位的变化进行自动计算和控制，用于保证所获取图像的视场范围和成像距离不受潮汐变化影响。

4.根据权利要求1所述原位监测装置，其特征在于，

所述声学水位测量系统进一步包括声学水位计；

所述声学水位计和照明系统及成像系统集成在所述海冰监测平台上；

所述照明系统进一步包括照明光源；

所述成像系统进一步包括数字相机；

所述照明光源和所述数字相机的光轴与海面垂直；

所述声学水位计与海面垂直；

所述照明光源安置在所述数字相机的两边，用于为所述成像系统提供照明。

5.根据权利要求1所述原位监测装置，其特征在于，所述两个垂直运动导杆由金属棒加工成圆形，嵌入在海冰监测平台框架的滑动孔内，两个垂直运动导杆的上端分别固定在石油平台的边沿端。

6.根据权利要求1所述原位监测装置，其特征在于，所述排线控制器能够根据声学水位计测量的海面水位的变化信息发出移动控制指令给排线器，驱动排线器转动，排线器转动的排缆或收揽动作使得缆绳向下运动或向上运动，由此带动海冰监测平台框架在垂直方向上，发生向下或向上方向位移，并且保持该位移与潮汐水位变化的一致性。

7.根据权利要求4所述原位监测装置，其特征在于，所述固定在海冰监测平台上的照明光源以及数字相机的光轴与海面垂直同时随着潮汐水位的变化上下移动，从而保证成像距离和观测视场的恒定性，消除了因潮汐水位变化而产生的成像误差。

8.根据权利要求1所述原位监测装置，其特征在于，所述导杆设置为两个等长的垂直运动导杆，分别是第一垂直运动导杆和第二垂直运动导杆，相对垂直的固定在海洋石油平台边缘，用于防止海冰监测平台发生转动或倾斜，提供成像系统的空间位置的稳定性。

9.根据权利要求4所述原位监测装置，其特征在于，所述海冰监测平台能够沿着两个垂直运动导杆上下移动，所移动的距离由排线器通过排放缆绳或收起缆绳的长度控制，排放或收缩缆绳的距离与声学水位计测量的水位变化成比例。

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