CN109085018B - 一种船舶压舱水样采集装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种船舶压舱水样采集装置，包括电动推进模块、水样储存单元、控制中心和线缆，电动推进模块用于推动水样采集装置在水下运动；控制中心通过线缆发送指令给电动推进模块和活塞电机；水样储存单元包括水样采集槽、活塞、活塞架、活塞电机、螺杆和双向阀，活塞电机固定在水样采集槽的外侧壁上，螺杆固定在活塞电机的旋转轴上，可由活塞电机带动旋转；活塞位于水样采集槽内部，活塞边缘紧贴内壁、并可沿内壁滑动，活塞与水样采集槽的五个侧壁形成存放水样的密闭空间，与活塞相对的侧壁上安装有双向阀。本装置实现了自动搜索水生物，遥控水下前进、自动采集水样、自动巡航等功能，有效解决了现有技术压舱水采集困难，采集数据不准确等问题。

Description

一种船舶压舱水样采集装置
技术领域
本发明涉及水样采集装置，特别是一种船舶压舱水样采集装置。
背景技术
船舶压舱水是为了保持船舶平衡，而专门注入的水。压舱水是船舶安全航行的重要保证，特别是对没有装载适量货物的船舶。适量压舱水可保证船舶的螺旋桨吃水充分，将船舶尾波引发的船体震动降低到最低限度，并维持推进效率。
船舶压载水中含有大量生物，包括浮游生物、微生物、细菌甚至是小型鱼类以及各种物种的卵、幼体或孢子，这些生物在跟随船舶航行的过程中有的因为无法适应温度、盐度等因素的变化而死亡，但有的能够生存下来，并最终随着船舶压载水排入新的环境中。由此导致一个水域的生物或种类繁多的生物组随着压载水传送到另一个地理性隔离水域，如果这些生物因为缺乏天敌或其他原因能够在自然或半自然的生态系统或环境中生长繁殖、建立种群，就可能威胁到这些海湾、河口或内陆水域的生态系统结构及其物种多样性，成为外来入侵种，而且压载水还会传播有害的寄生虫和病原体，甚至可能导致当地物种的灭绝。
随着国际航运产业不断壮大，以及人们对海洋环境保护意识的不断增强，船舶压载水的排放所带来的外来海洋生物入侵问题引起了社会各界的广泛关注。认识到船舶压载水中有害水生物和病原体的跨区域转移已经对全球海洋生态环境造成了不可忽视的影响，全球环境基金组织(GEF)已经将其列为危害海洋的四大威胁之一。我国的港口众多，每年都会有大量的压舱水排入到我国境内海域，造成海域出现各种污染和物种的侵入。资料显示，中国确认的外来入侵物种已达500余种，其中大面积发生、危害严重的达100余种，每年造成上千亿的经济损失。为保护海洋生态，抵御海洋生物“移民”，压舱水监测显得尤为重要。
目前，压舱水的监测还处在人工收集样本，然后提取样本检测的阶段。由于收集的范围有局限，不能准确的检测不同水深的水质，可能会造成压舱水中还存在未被采集的水生物。而且这种收集方式既浪费人力又浪费财力，整个环节也很复杂，收集效率十分低下。
发明内容
针对以上不足，本发明提供了一种船舶压舱水样采集装置，实现了自动搜索水生物，遥控水下前进、自动采集水样、自动巡航等功能，有效解决了现有技术压舱水采集困难，采集数据不准确等问题。
本发明的技术方案为：
一种船舶压舱水样采集装置，包括电动推进模块、水样储存单元、控制中心和线缆，所述电动推进模块用于接收控制中心指令，推动水样采集装置在水下运动；所述控制中心通过线缆连接水样采集装置，并发送指令给电动推进模块和活塞电机；所述水样储存单元包括水样采集槽、活塞、活塞架、活塞电机、螺杆和双向阀，所述活塞电机固定在水样采集槽的外侧壁上，所述螺杆固定在活塞电机的旋转轴上，可由活塞电机带动旋转；所述活塞位于水样采集槽内部，活塞边缘紧贴水样采集槽内壁、并可沿内壁滑动，活塞与水样采集槽的五个侧壁形成存放水样的密闭空间，所述密闭空间的、与活塞相对的侧壁上安装有双向阀；所述活塞架为U形架，其端部与活塞固定连接，活塞架的两个侧壁穿过水样采集槽的侧壁，部分位于水样采集槽以外；活塞架的底壁开设有螺孔，所述螺孔的内壁上具有与螺杆的外螺纹相配合的内螺纹，所述螺杆穿过螺孔，所述活塞电机转动通过螺杆、活塞架带动活塞在水样采集槽内壁滑动，将水通过双向阀吸入密闭空间、或从密闭空间排出。
所述电动推进模块包括两个纵向推进器和两个水平推进器，所述两个纵向推进器分别设置于水样采集装置的两侧，提供垂直方向的推力，用于控制水样采集装置的上下位移；所述两个水平推进器均设置于水样采集装置的顶部，提供水平方向的推力，用于控制水样采集装置的水平位移。
还包括声纳探测模块，所述声纳探测模块通过线缆与控制中心相连，用于探测水生生物和压舱水的边界，并将探测结果传递到控制中心。
还包括摄像头，所述摄像头通过线缆与控制中心相连，用于观测水下动态和拍摄照片，并将观测和拍摄结果传递到控制中心。
所述摄像头安装在水样采集装置的前部，外部安装有透明防水罩体。
所述摄像头两边设有LED灯。
还包括水质检测模块，所述水质检测模块包括PH值检测模块和温度监测模块，所述PH值检测模块和温度监测模块通过线缆与控制中心相连，将检测结果传递到控制中心。
所述线缆通过固定装置固定在水样采集装置的顶部。
一种船舶压舱水样采集方法，包括以下步骤：
步骤一：初始化，将水样采集装置放入船舶压舱水中；
步骤二：人工选择是否进入自动巡航模式，若选择自动巡航模式则进入步骤七，否则进入步骤三；
步骤三：人工控制电动推进模块，通过纵向推进器和水平推进器实现水样采集装置向设定方向前进，到达目标深度和区域后进入步骤四；
步骤四：控制中心是否发出采集水样指令，如是，进入步骤五，如否，进入步骤二；
步骤五：控制中心自动开启活塞电机，活塞电机带动螺杆逆时针转动，螺杆转动带动活塞架和活塞向远离双向阀的方向运动，水样采集槽的密闭空间内压力减小，双向阀在外界压力作用下打开，压舱水进入水样采集槽的密闭空间，水样采集完成，然后进行步骤六；
步骤六：水样采集装置返航至基站；
步骤七：启动自动巡航模式，控制中心自动开启声纳探测模块探测和摄像头观测，LED灯打开，然后进入步骤八；
步骤八：声纳探测模块是否探测到水生物，如是，将水生物的方位传递到控制中心，然后进入步骤九；如否，进入步骤十一；
步骤九：控制中心发送指令给电动推进模块，通过纵向推进器和水平推进器控制水样采集装置不断靠近水生物，同时，声纳探测模块不断探测水生物方位信息，并将此信息传递到控制中心，用于调整水样采集装置的前进方向，然后进入步骤十；
步骤十：当水样采集装置接近水生物时，控制中心发送指令给电动推进模块，不断调整水样采集装置的姿态，使水生物处于摄像头的视野范围内，进入步骤四；
步骤十一：持续自动巡航，进入步骤八。
所述步骤九还包括以下步骤：当声纳探测模块到压舱水的边界信息时，将此信息传递到控制中心，用于调整水样采集装置的前进方向。
本发明通过在水样采集装置的两侧和顶部设置推进器，推进水样采集装置在水下行进，向目标采集区域前进；水样采集装置中由活塞电机带动螺杆转动，螺杆带动活塞在水样采集槽中滑动，体积变化造成密闭空间内的压力变化，使密闭空间内外形成压差，双向阀在压差的作用下打开，使压舱水被吸入密闭空间、或从密闭空间挤出至水样采集槽以外，实现压舱水的收集和排出。水样采集装置所配置的声纳探测模块和摄像头能实现对水中生物的探测和动态拍摄，PH值检测模块和温度监测模块能实现对水质的检测，从而全方位替代了人工收集提取压舱水的模式，实现了对不同深度压舱水进行信息采集和数据监控，并可将监控数据实时传输，有效保证压舱水中的外来生物物种能够被全方位地采集和检测，御防外来生物入侵。
附图说明
图1为本发明船舶压舱水样采集装置的立体图；
图2为本发明水样储存单元的剖视立体图；
图3为本发明船舶压舱水样采集方法流程图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
参考图1，本发明的一种船舶压舱水样采集装置，包括电动推进模块、水样储存单元200、控制中心和线缆40，电动推进模块用于接收控制中心指令，推动水样采集装置在水下运动；控制中心通过线缆40连接水样采集装置，并发送指令给电动推进模块和活塞电机24；线缆40通过固定装置401密封固定在水样采集装置的顶部，用于将控制中心发出的指令传输给水样采集装置，以及将水样采集装置探测到的信息传输回控制中心，同时，线缆40还为水样采集装置提供能源供给。
参考图2，水样储存单元200作为水样采集装置的下半部分，包括水样采集槽21、活塞22、活塞架23、活塞电机24、螺杆25和双向阀26，活塞电机24固定在水样采集槽21的左外侧壁上，螺杆25固定在活塞电机24的旋转轴上，可由活塞电机24带动旋转。活塞22位于水样采集槽21内部，活塞22边缘紧贴水样采集槽21内壁、并可沿内壁滑动，活塞22与水样采集槽21的五个侧壁形成存放水样的密闭空间27，密闭空间27的、与活塞22相对的侧壁上安装有三个双向阀26，用于控制水进入密闭空间27或从密闭空间27排出。活塞架23为U形架，其端部与活塞22固定连接，活塞架23的两个侧壁穿过水样采集槽21的左侧壁，部分位于水样采集槽21以外；活塞架23的底壁开设有螺孔231，螺孔231的内壁上具有与螺杆25的外螺纹相配合的内螺纹，螺杆25穿过螺孔231。
吸水时，活塞电机24转动带动螺杆25逆时针旋转，螺杆25带动活塞架23和活塞22向远离双向阀26的方向(左边)滑动，密闭空间27的体积增大，压力减小，在内部压差的作用下，双向阀26打开，水被吸入密闭空间27；排水时，活塞电机24转动带动螺杆25顺时针旋转，螺杆25带动活塞架23和活塞22向靠近双向阀26的方向(右边)滑动，密闭空间27的体积减小，压力增大，在内部压差的作用下，双向阀26打开，水从密闭空间27排出。
回到图1，电动推进模块包括两上纵向推进器11和两个水平推进器12，两个纵向推进器11分别设置于水样采集装置的两侧，提供垂直方向的推力，用于控制水样采集装置的上下位移；两个水平推进器12均设置于水样采集装置的顶部，提供水平方向的推力，用于控制水样采集装置的水平位移。通过控制中心的命令，电机推进模块可以控制四个推进器的不同转速，从而微调水样采集装置的行进方向和姿态。
本发明的船舶压舱水样采集装置还包括声纳探测模块31和摄像头32，声纳探测模块31通过线缆40与控制中心相连，用于探测水生生物和压舱水的边界，并将探测结果传递到控制中心。摄像头32通过线缆40与控制中心相连，用于观测水下动态和拍摄照片，并将观测和拍摄结果传递到控制中心。
摄像头32安装在水样采集装置的前部，在水样采集装置行进的过程中，摄像头32可以实时采集前方的视频信息。同时，通过四个推进器的调节，水样采集装置可以行进到水生物的不同方位，使摄像头32从不同方位拍摄水生物形态。摄像头32外部安装有透明防水罩体，防止水进入摄像头32内部。摄像头32两边设有LED灯321，为其摄像和图片采集提供光源，使摄像头32能够获得清晰的图像。声纳信息和视频信息通过线缆40传递到控制中心，视频信息直接显示在电脑显示屏上，供工作人员实时观看，并根据信息相应调整水样采集装置的行进方向。
进一步地，本发明的船舶压舱水样采集装置还包括水质检测模块，水质检测模块包括PH值检测模块33和温度监测模块34，可分别检测水样采集装置附近水域的PH值和温度。PH值检测模块33和温度监测模块34通过线缆40与控制中心相连，将检测结果传递到控制中心。
参考图3，本发明的一种船舶压舱水样采集方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：初始化，将水样采集装置放入船舶压舱水中；
步骤二：人工选择是否进入自动巡航模式，若选择自动巡航模式则进入步骤七，否则为人工控制模式，进入步骤三；
步骤三：人工控制电动推进模块，通过纵向推进器11和水平推进器12实现水样采集装置向设定方向前进，到达目标深度和区域后进入步骤四；
步骤四：控制中心是否发出采集水样指令，如是，进入步骤五，如否，进入步骤二；
步骤五：控制中心自动开启活塞电机24，活塞电机24带动螺杆25逆时针转动，螺杆25转动带动活塞架23和活塞22向远离双向阀26的方向运动，水样采集槽21的密闭空间27内压力减小，双向阀26在外界压力作用下打开，压舱水进入水样采集槽21的密闭空间27，水样采集完成，然后进行步骤六；
步骤六：水样采集装置返航至基站；
步骤七：启动自动巡航模式，控制中心自动开启声纳探测模块31探测和摄像头32观测，同时，LED灯321打开，为摄像头32照亮，然后进入步骤八；
步骤八：声纳探测模块31是否探测到水生物，如是，将水生物的方位传递到控制中心，然后进入步骤九；如否，进入步骤十一；
步骤九：控制中心发送指令给电动推进模块，通过纵向推进器11和水平推进器12控制水样采集装置不断靠近水生物，同时，声纳探测模块31不断探测水生物方位信息，并将此信息传递到控制中心，用于调整水样采集装置的前进方向；如果探测到压舱水的边界信息时，将此信息传递到控制中心，也用于调整水样采集装置的前进方向，然后进入步骤十；
步骤十：当水样采集装置接近水生物时，控制中心发送指令给电动推进模块，不断调整水样采集装置的姿态，使水生物处于摄像头32的视野范围内，供控制中心的工作人员观察水生物外形动态，进入步骤四；
步骤十一：持续自动巡航，进入步骤八。
以上公开的仅为本发明的实施例，但是，本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种船舶压舱水采集装置的采集方法，其特征在于，所述采集装置包括电动推进模块、水样储存单元(200)、控制中心和线缆(40)，所述电动推进模块用于接收控制中心指令，推动采集装置在水下运动；所述控制中心通过线缆(40)连接采集装置，并发送指令给电动推进模块和活塞电机(24)；所述水样储存单元(200)包括水样采集槽(21)、活塞(22)、活塞架(23)、活塞电机(24)、螺杆(25)和双向阀(26)，所述活塞电机(24)固定在水样采集槽(21)的外侧壁上，所述螺杆(25)固定在活塞电机(24)的旋转轴上，可由活塞电机(24)带动旋转；所述活塞(22)位于水样采集槽(21)内部，活塞(22)边缘紧贴水样采集槽(21)内壁、并可沿内壁滑动，活塞(22)与水样采集槽(21)的五个侧壁形成存放水样的密闭空间(27)，所述密闭空间(27)的、与活塞(22)相对的侧壁上安装有双向阀(26)；所述活塞架(23)为U形架，其端部与活塞(22)固定连接，活塞架(23)的两个侧壁穿过水样采集槽(21)的侧壁，部分位于水样采集槽(21)以外；活塞架(23)的底壁开设有螺孔(231)，所述螺孔(231)的内壁上具有与螺杆(25)的外螺纹相配合的内螺纹，所述螺杆(25)穿过螺孔(231)，所述活塞电机(24)转动通过螺杆(25)、活塞架(23)带动活塞(22)在水样采集槽(21)内壁滑动，将水通过双向阀(26)吸入密闭空间(27)、或从密闭空间(27)排出；
所述电动推进模块包括两个纵向推进器(11)和两个水平推进器(12)，所述两个纵向推进器(11)分别设置于采集装置的两侧，提供垂直方向的推力，用于控制采集装置的上下位移；所述两个水平推进器(12)均设置于采集装置的顶部，提供水平方向的推力，用于控制采集装置的水平位移；
还包括声纳探测模块(31)，所述声纳探测模块(31)通过线缆(40)与控制中心相连，用于探测水生生物和压舱水的边界，并将探测结果传递到控制中心；
还包括摄像头(32)，所述摄像头(32)通过线缆(40)与控制中心相连，用于观测水下动态和拍摄照片，并将观测和拍摄结果传递到控制中心,所述摄像头(32)两边设有LED灯(321)；
所述采集装置通过以下步骤进行水样采集：
步骤一：初始化，将采集装置放入船舶压舱水中；
步骤二：人工选择是否进入自动巡航模式，若选择自动巡航模式则进入步骤七，否则进入步骤三；
步骤三：人工控制电动推进模块，通过纵向推进器(11)和水平推进器(12)实现采集装置向设定方向前进，到达目标深度和区域后进入步骤四；
步骤四：控制中心是否发出采集水样指令，如是，进入步骤五，如否，进入步骤二；
步骤五：控制中心自动开启活塞电机(24)，活塞电机(24)带动螺杆(25)逆时针转动，螺杆(25)转动带动活塞架(23)和活塞(22)向远离双向阀(26)的方向运动，水样采集槽(21)的密闭空间(27)内压力减小，双向阀(26)在外界压力作用下打开，压舱水进入水样采集槽(21)的密闭空间(27)，水样采集完成，然后进行步骤六；
步骤六：采集装置返航至基站；
步骤七：启动自动巡航模式，控制中心自动开启声纳探测模块(31)探测和摄像头(32)观测，LED灯(321)打开，然后进入步骤八；
步骤八：声纳探测模块(31)是否探测到水生物，如是，将水生物的方位传递到控制中心，然后进入步骤九；如否，进入步骤十一；
步骤九：控制中心发送指令给电动推进模块，通过纵向推进器(11)和水平推进器(12)控制采集装置不断靠近水生物，同时，声纳探测模块(31)不断探测水生物方位信息，并将此信息传递到控制中心，用于调整采集装置的前进方向，然后进入步骤十；
步骤十：当采集装置接近水生物时，控制中心发送指令给电动推进模块，不断调整采集装置的姿态，使水生物处于摄像头(32)的视野范围内，进入步骤四；
步骤十一：持续自动巡航，进入步骤八。
2.根据权利要求1所述的船舶压舱水采集装置的采集方法，其特征在于，所述摄像头(32)安装在采集装置的前部，外部安装有透明防水罩体。
3.根据权利要求1所述的船舶压舱水采集装置的采集方法，其特征在于，还包括水质检测模块，所述水质检测模块包括pH值检测模块(33)和温度监测模块(34)，所述pH值检测模块(33)和温度监测模块(34)通过线缆(40)与控制中心相连，将检测结果传递到控制中心。
4.根据权利要求1所述的船舶压舱水采集装置的采集方法，其特征在于，所述线缆(40)通过固定装置(401)固定在采集装置的顶部。
5.根据权利要求1所述的船舶压舱水采集装置的采集方法，其特征在于，所述步骤九还包括以下步骤：当声纳探测模块(31)探测到压舱水的边界信息时，将此信息传递到控制中心，用于调整采集装置的前进方向。
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