CN103674785B - 悬浮式表层水流流速流向在线跟踪监测装置和监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种悬浮式表层水流流速流向在线跟踪监测装置和监测方法。本发明解决现有技术存在系统结构较为复杂的问题，其技术方案要点是：所述密封标体内设置有电源、数据采集装置、GPS定位装置、数据处理装置和数据传输装置，所述数据采集装置、GPS定位装置、数据处理装置和数据传输装置均由电源供电，数据采集装置、GPS定位装置和数据传输装置均与数据处理装置电连接，所述数据传输装置与所述的服务器通讯连接。能对现有溢油的污染进行判断，能对溢油速度的预测和估算，方便编制应急方案。

Description

悬浮式表层水流流速流向在线跟踪监测装置和监测方法

技术领域

本发明涉及水流流速流向在线跟踪监测装置，尤其涉及一种悬浮式表层水流流速流向在线跟踪监测装置和监测方法。

背景技术

由于目前的基础建设和运输成本的限制，石油运输还是以海上运输为主的，但是由于海上运输的不慎，很容易造成海面溢油的情况，而溢油会极大的影响当地的生态环境，因此，各国都已开始重视溢油监测防控体系的建设。目前溢油监测设备主要有固定式紫外检测设备，溢油监测雷达，遥感监测等几种。其中固定式紫外监测设备优点是监测精度高，用于港口码头，排污口，需要检测水面溢油的水体。缺点是监测范围有限，如安装高度5米，只能测量下方5平方米的水面。溢油监测雷达利用雷达波的回波原理可以大面积的扫描开阔水面，监测范围可以达到5公里，甚至更大，缺点是监测精度有限，天气因素影响较大。遥感监测有机载型和卫星遥感监测，投资较大，适合政府大企业和专业的监测机构。而且一般的测试设备，完全无法针对水文做出针对性的调整，无法进行实时和准确的预测，对应溢油或者其他需要的情况下，无法帮助决策部门制定相关政策。

中国专利公告号：CN203243362U，公开日2012年12月17日，公开了一种溢油浮标监控系统，它由浮标水上终端设备、通信网络、数据处理中心、英特网、监控平台组成；浮标水上终端设备通过通信网络连接到数据处理中心，数据处理中心又通过英特网与监控平台相连；该浮标水上终端设备，分为溢油跟踪浮标、溢油报警浮标和化学品泄漏报警浮标；溢油跟踪浮标能跟踪海上溢油的漂移，溢油报警浮标能准确检测到水上溢油并报警，化学品泄露报警浮标用于监测水上化学品泄露污染事故的预测预警；该通信网络是指浮标与数据处理中心之间实现信息传送的无线通信网络；该通信网络采用卫星通信网，它们是海事卫星、铱星以及GSM移动通信网、短信、GPRS、3G和4G；该数据处理中心具有数据处理及网络服务器的功能，数据处理中心采用DELLPowerEdgeTMR720服务器，数据处理中心与浮标之间的通信采用卫星通信网络和GSM无线移动通信网络，数据处理中心与监控平台的之间的通信采用英特网实现数据与信息的传送；该监控平台是使用人员人机交互的监控界面，在电子海图上直观的显示浮标，并对浮标发送控制指令，接收和处理浮标数据。此技术方案，存在结构复杂，可靠性差，容易被腐蚀的问题。同时此技术方案，只能对现有溢油的污染进行判断，缺少对溢油速度的预测和估算，对于编制应急方案很是不利的问题。

发明内容

本发明的目的是为解决目前的技术方案存在结构复杂，可靠性差，容易被腐蚀的问题，提供一种悬浮式表层水流流速流向在线跟踪监测装置和监测方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种悬浮式表层水流流速流向在线跟踪监测装置，包括设置在陆上或船上的服务器，和若干个浮标，所述的浮标包括密封标体、浮力套和水帆，所述浮力套套设在密封标体的外侧，所述的水帆通过软缆与密封标体的下端固定连接，所述密封标体内设置有电源、数据采集装置、GPS定位装置、数据处理装置和数据传输装置，所述数据采集装置、GPS定位装置、数据处理装置和数据传输装置均由电源供电，数据采集装置、GPS定位装置和数据传输装置均与数据处理装置电连接，所述数据传输装置与所述的服务器通讯连接。竖直漂在海面的漂流浮标在海水表层流的海流作用下，随海水流动而移动。在流动的过程中根据设置好的发送频率，向服务器发送自己的位置信息和所处位置的海水温度信息。服务器客户端软件根据收到的位置信息进行计算描绘出移动的轨迹也就是油污扩散的路径。石油入海后在重力、摩擦力、惯性力和表面张力的作用下在海水表面迅速扩展形成油膜。这些油膜在风浪和海流的作用下被分隔成大大小小的块状和带状，随风和海流扩散。油膜在漂移和扩散的过程中，约有1/4～1/3轻组份通过蒸发进入大气，蒸发速率随分子量、沸点、油膜表面积、厚度和海况而不同。含碳原子数小于12的烃在入海几小时内便大部分蒸发逸走，碳原子数在12～20的烃的蒸发要经过若干星期，碳原子数大于20的烃不易蒸发。油膜在海水中随海流漂移，将漂流浮标放入大面积的油膜带中，漂流浮标也会在同样的风浪和海流推动下随油膜一起浮动漂移，并且在漂移的过程中实时传送当前的位置信息，服务器接收到位置信息后会对油污的漂移轨迹进行描绘，从而达到监测油污扩散的目的。

作为优选，所述的浮标还包括防撞外罩，所述防撞外罩包括圆形的防撞钢圈、均匀设置在防撞钢圈上的弹簧支撑杆、防撞球和防撞保护层，所述弹簧支撑杆的一端与防撞钢圈固定连接，弹簧支撑杆的另一端与防撞球固定连接，所述防撞球的防撞保护层套设在防撞球的表面所述防撞钢圈内部均匀设置有八根连接杆，其中四根连接杆水平连接在密封标体上，剩下的四根连接杆与水平面45度向上连接在密封标体上。这样设置，防撞外罩可以起到保护浮标的作用，防撞外罩具有一定的弹性，一旦接触到礁石，可以被直接被弹开，防止了被浮标被卡住的悲剧。

作为优选，所述GPS定位装置中的核心芯片为L50GPS芯片，数据处理装置的处理芯片是STM8L151K6 单片机，数据传输装置的核心芯片为上海域格通信的CEM800CDMA芯片，数据采集装置是TMP101温度传感器，数据采集装置、GPS定位装置和数据传输装置均通过I²C总线与数据处理装置通讯连接。数据采集部分主要是采集海水表层的温度数据，这一部分的核心是TMP101温度传感器。TMP101是SOT23-6封装的小尺寸芯片，该芯片数据分辨率最高可达12位（分辨率可软件设置），采用I2C总线进行数据传输，I2C总线数据传输速率在标准模式下可达100kbit/s，快速模式下可达400kbit/s，高速模式下可达3.4Mbit/s。TMP101静态功耗最高45uA，待机模式下只有0.1uA，温度精度典型为±0.5℃，芯片工作范围-55℃～+125℃。电源由一个13.2Ah的聚合物锂电池组组成，输出电压为3.7V。该锂电池组可以通过电压监测电路控制电池的充电。在5V充电器接入系统的状态下充电控制芯片自动检测到锂电池电压低于3.3V时会自动已设定的电流值给电池充电，直到电池电压达到4.2V时会自动停止充电。充电控制芯片为TI公司的BQ24085芯片，BQ24085芯片可以最大以750mA的充电电流给电池充电。该芯片具有短路保护和热保护功能，静态功耗低，体积小，采用3x3 mm的MLP封装，特别适合用于低功耗电池供电的小体积设备。GPS定位主要是有L50 GPS模块来完成的，L50 GPS模块是上海移远公司推出的一款支持GPS L1频率段的产品，该模块采用+1.8V电压供电，接收中心频率为1575.42MHz，采用C/A码编码，搜索通道最多可达48通道。数据处理部分的核心是意法半导体公司的STM8L151K6 MCU。该芯片是ST公司的一款超低功耗单片机，采用LQFP48封装，体积小可用在电池供电设备、手持设备等产品开发上。

作为优选，所述电源的开关为磁性开关装置，对应磁性开关装置配设有磁性解锁装置，所述的磁性开关装置包括磁块轨道管、磁块和按钮开关，所述的按钮开关的按钮与所述磁块抵接，所述的磁块和按钮开关均设置于所述的磁块轨道管内，所述的磁块大小与所述按钮开关的按钮大小相匹配，所述的磁性解锁装置与所述磁块相匹配，所述的磁性解锁装置包括解锁用磁块和塑料外罩，所述的解锁用磁块固定在所述的塑料外罩内。

作为优选，所述的按钮开关包括接插部、螺杆部、按钮和固定台，所述的固定台的一端与所述的插接部固定连接，所述固定台的另一面通过螺杆部与所述按钮的底面连接，所述的按钮的顶面与所述的磁块抵接。磁性开关解锁器是利用了磁体之间同极相斥的原理。如果磁性开关处于断开状态当解锁器靠近漂流浮标底部的磁性开关时由于磁极之间极性相同在排斥力的作用下漂流浮标底部的小磁铁会用力顶住开关的触点，使得开关进入闭合状态，并将此状态保持，开关闭合后漂流器底部的小磁铁会回落到之前的位置。如果开关已经处于闭合状态，当用磁性开关解锁器靠近漂流器底部的小磁体时，在同极相斥的作用下，小磁铁会被再次向上顶起，紧紧顶住开关的柄，这是开关会从闭合状态转入断开状态，开关的柄会向下弹起，将小磁体顶回原来的位置。这样保证了机构的密封性，有足够的安全保护，标体采用耐腐蚀材料之后原来经常被腐蚀的开关部位没有了，那些有空隙易被腐蚀的地方都没有了，大大增强了本发明的寿命。

一种悬浮式表层水流流速流向在线跟踪监测方法，适用于如权利要求5所述的悬浮式表层水流流速流向在线跟踪监测装置，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：服务器和浮标均上电初始化，服务器与数据传输装置建立连接，读取预设的参数，确定定位数据传输的时间间隔；

步骤二：GPS定位装置工作，确定浮标当前时间的位置，数据传输装置将获取的当前经纬度信息传输至服务器；

步骤三：服务器提取当前时间点对应的经纬度数值、当前时间点前一个时间点录入的经纬度值作为参数代入卡尔曼算法，如果有反馈数据则将反馈数据也作为参数带入卡尔曼算法进行预估计，获得预估计值；

步骤四：服务器计算得出预估计协方差矩阵；

步骤五：根据步骤四所得的结果计算得出卡尔曼增益矩阵；

步骤六：服务器根据卡尔曼增益矩阵更新预估计值；

步骤七：服务器根据更新后的预估计值重新得出协方差矩阵；

步骤八：服务器得出误差值和预测的下一时间点位置的经纬度数值，同时服务器将当前的误差值作为反馈数据进行保存，当下一个定位数据传输的时间到来时重新跳转执行步骤三。

本发明的实质性效果是：此技术方案，结构简单，可靠性好，不易被腐蚀的问题。此技术方案，能对现有溢油的污染进行判断，能对溢油速度的预测和估算，方便编制应急方案。

附图说明

图1是本发明中密封标体与浮力套配合的结构示意图；

图2是本发明中防撞钢圈的一种结构示意图；

图3是本发明中防撞钢圈的一种放大结构示意图；

图4是本发明中按钮开关的一种结构示意图；

图5是本发明的电路结构示意图。

图中：1、密封标体，2、浮力套，3、磁性开关装置，21、防撞钢圈，22、连接杆，23、弹簧支撑杆，24、防撞球，25、防撞保护层，41、接插部，42、固定台，43、螺杆部，44、按钮，51、电源，52、数据传输装置，53、GPS定位装置，54、数据采集装置，55、数据处理装置。

具体实施方式

下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体说明。

实施例：

一种悬浮式表层水流流速流向在线跟踪监测装置，包括设置在陆上或船上的服务器，和若干个浮标，所述的浮标包括密封标体1、浮力套2和水帆，所述浮力套套设在密封标体的外侧，所述的水帆通过软缆与密封标体的下端固定连接，所述密封标体内设置有电源51、数据采集装置52、GPS定位装置53、数据处理装置55和数据传输装置52，所述数据采集装置、GPS定位装置、数据处理装置和数据传输装置均由电源供电，数据采集装置、GPS定位装置和数据传输装置均与数据处理装置电连接，所述数据传输装置与所述的服务器通讯连接。

所述的浮标还包括防撞外罩，所述防撞外罩包括圆形的防撞钢圈21、均匀设置在防撞钢圈上的弹簧支撑杆23、防撞球24和防撞保护层25，所述弹簧支撑杆的一端与防撞钢圈固定连接，弹簧支撑杆的另一端与防撞球固定连接，所述防撞球的防撞保护层套设在防撞球的表面所述防撞钢圈内部均匀设置有八根连接杆22，其中四根连接杆水平连接在密封标体上，剩下的四根连接杆与水平面45度向上连接在密封标体上。

所述GPS定位装置中的核心芯片为L50GPS芯片，数据处理装置的处理芯片是STM8L151K6 单片机，数据传输装置的核心芯片为上海域格通信的CEM800CDMA芯片，数据采集装置是TMP101温度传感器，数据采集装置、GPS定位装置和数据传输装置均通过I²C总线与数据处理装置通讯连接。

所述电源的开关为磁性开关装置3，对应磁性开关装置配设有磁性解锁装置，所述的磁性开关装置包括磁块轨道管、磁块和按钮开关，所述的按钮开关的按钮与所述磁块抵接，所述的磁块和按钮开关均设置于所述的磁块轨道管内，所述的磁块大小与所述按钮开关的按钮大小相匹配，所述的磁性解锁装置与所述磁块相匹配，所述的磁性解锁装置包括解锁用磁块和塑料外罩，所述的解锁用磁块固定在所述的塑料外罩内。

所述的按钮开关包括接插部41、螺杆部43、按钮44和固定台42，所述的固定台的一端与所述的插接部固定连接，所述固定台的另一面通过螺杆部与所述按钮的底面连接，所述的按钮的顶面与所述的磁块抵接。

一种悬浮式表层水流流速流向在线跟踪监测方法，适用于如实施例中所述的悬浮式表层水流流速流向在线跟踪监测装置，包括以下步骤：

步骤一：服务器和浮标均上电初始化，服务器与数据传输装置建立连接，读取预设的参数，确定定位数据传输的时间间隔；

步骤二：GPS定位装置工作，确定浮标当前时间的位置，数据传输装置将获取的当前经纬度信息传输至服务器；

步骤三：服务器提取当前时间点对应的经纬度数值、当前时间点前一个时间点录入的经纬度值作为参数代入卡尔曼算法，如果有反馈数据则将反馈数据也作为参数带入卡尔曼算法进行预估计，获得预估计值；

步骤四：服务器计算得出预估计协方差矩阵；

步骤五：根据步骤四所得的结果计算得出卡尔曼增益矩阵；

步骤六：服务器根据卡尔曼增益矩阵更新预估计值；

步骤七：服务器根据更新后的预估计值重新得出协方差矩阵；

步骤八：服务器得出误差值和预测的下一时间点位置的经纬度数值，同时服务器将当前的误差值作为反馈数据进行保存，当下一个定位数据传输的时间到来时重新跳转执行步骤三。例如：

假设K时刻漂流器在B点，K-1时刻在A点，K+1时刻在C点。通过A点和B点建立的直角坐标系算出偏移角度a，通过C点和B点算出偏移角度b。把角度a和b带入卡尔曼算法计算出中间的误差值，根据计算出的误差值推算出冲C点漂移到D点所偏移的角度，从而确定D点所在位置。当K+2时刻数据发送过来，也就是D点数据。算出D点和C点的偏移角度，在把算出的角度带入卡尔曼算法计算出误差值，推算出K+3时刻的偏移角度，依次类推算出一小时，两个小时候的漂流器所在位置。

竖直漂在海面的漂流浮标在海水表层流的海流作用下，随海水流动而移动。在流动的过程中根据设置好的发送频率，向服务器发送自己的位置信息和所处位置的海水温度信息。服务器客户端软件根据收到的位置信息进行计算描绘出移动的轨迹也就是油污扩散的路径。石油入海后在重力、摩擦力、惯性力和表面张力的作用下在海水表面迅速扩展形成油膜。这些油膜在风浪和海流的作用下被分隔成大大小小的块状和带状，随风和海流扩散。油膜在漂移和扩散的过程中，约有1/4～1/3轻组份通过蒸发进入大气，蒸发速率随分子量、沸点、油膜表面积、厚度和海况而不同。含碳原子数小于12的烃在入海几小时内便大部分蒸发逸走，碳原子数在12～20的烃的蒸发要经过若干星期，碳原子数大于20的烃不易蒸发。油膜在海水中随海流漂移，将漂流浮标放入大面积的油膜带中，漂流浮标也会在同样的风浪和海流推动下随油膜一起浮动漂移，并且在漂移的过程中实时传送当前的位置信息，服务器接收到位置信息后会对油污的漂移轨迹进行描绘，从而达到监测油污扩散的目的。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims (3)

1.一种悬浮式表层水流流速流向在线跟踪监测装置，包括设置在陆上或船上的服务器，和若干个浮标，所述的浮标包括密封标体、浮力套和水帆，所述浮力套套设在密封标体的外侧，所述的水帆通过软缆与密封标体的下端固定连接，其特征在于：所述密封标体内设置有电源、数据采集装置、GPS定位装置、数据处理装置和数据传输装置，所述数据采集装置、GPS定位装置、数据处理装置和数据传输装置均由电源供电，数据采集装置、GPS定位装置和数据传输装置均与数据处理装置电连接，所述数据传输装置与所述的服务器通讯连接，所述GPS定位装置中的核心芯片为L50GPS芯片，数据处理装置的处理芯片是STM8L151K6单片机，数据传输装置的核心芯片为上海域格通信的CEM800CDMA芯片，数据采集装置是TMP101温度传感器，数据采集装置、GPS定位装置和数据传输装置均通过I²C总线与数据处理装置通讯连接，所述电源的开关为磁性开关装置，对应磁性开关装置配设有磁性解锁装置，所述的磁性开关装置包括磁块轨道管、磁块和按钮开关，所述的按钮开关的按钮与所述磁块抵接，所述的磁块和按钮开关均设置于所述的磁块轨道管内，所述的磁块大小与所述按钮开关的按钮大小相匹配，所述的磁性解锁装置与所述磁块相匹配，所述的磁性解锁装置包括解锁用磁块和塑料外罩，所述的解锁用磁块固定在所述的塑料外罩内，所述的按钮开关包括接插部、螺杆部、按钮和固定台，所述的固定台的一端与所述的接插部固定连接，所述固定台的另一面通过螺杆部与所述按钮的底面连接，所述的按钮的顶面与所述的磁块抵接。

2.根据权利要求1所述的悬浮式表层水流流速流向在线跟踪监测装置，其特征在于：所述的浮标还包括防撞外罩，所述防撞外罩包括圆形的防撞钢圈、均匀设置在防撞钢圈上的弹簧支撑杆、防撞球和防撞保护层，所述弹簧支撑杆的一端与防撞钢圈固定连接，弹簧支撑杆的另一端与防撞球固定连接，所述防撞球的防撞保护层套设在防撞球的表面，所述防撞钢圈内部均匀设置有八根连接杆，其中四根连接杆水平连接在密封标体上，剩下的四根连接杆与水平面45度向上连接在密封标体上。

3.一种采用如权利要求1所述的悬浮式表层水流流速流向在线跟踪监测装置的悬浮式表层水流流速流向在线跟踪监测方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：服务器和浮标均上电初始化，服务器与数据传输装置建立连接，读取预设的参数，确定定位数据传输的时间间隔；

步骤二：GPS定位装置工作，确定浮标当前时间的位置，数据传输装置将获取的当前经纬度信息传输至服务器；

步骤三：服务器提取当前时间点对应的经纬度数值、当前时间点前一个时间点录入的经纬度值作为参数代入卡尔曼算法，如果有反馈数据则将反馈数据也作为参数带入卡尔曼算法进行预估计，获得预估计值；

步骤四：服务器计算得出预估计协方差矩阵；

步骤五：根据步骤四所得的结果计算得出卡尔曼增益矩阵；

步骤六：服务器根据卡尔曼增益矩阵更新预估计值；

步骤七：服务器根据更新后的预估计值重新得出协方差矩阵；

步骤八：服务器得出误差值和预测的下一时间点位置的经纬度数值，同时服务器将当前的误差值作为反馈数据进行保存，当下一个定位数据传输的时间到来时重新跳转执行步骤三。