CN115855159B - 一种柔性漂浮物漂浮特性监测装置及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性漂浮物漂浮特性监测装置及监测方法，属于漂浮物特性测量技术领域，所述装置包括：柔性漂浮物，至少一个多功能传感装置，所述多功能传感装置具有定位功能；金属网；浮筒,终端平台。该柔性漂浮物漂浮特性监测装置及监测方法，生产成本低，实施方便，通过多功能传感装置的位置传感器、浮筒的GPS定位装置，相比卫星能够获得高精度的位置数据，通过压力传感器、应力传感器获得总牵引力和底部切应力数据，结合传感器位置数据统计漂浮物扩散范围，计算漂浮物密度变化，通过轻质可伸缩金属网方便漂浮物漂浮过程中发生扩散，并记录扩散位置，解决了漂浮监测成本高，精度差的问题。

Description

一种柔性漂浮物漂浮特性监测装置及监测方法

技术领域

本发明属于漂浮物特性测量技术领域，具体涉及一种柔性漂浮物漂浮特性监测装置及监测方法。

背景技术

近年来，海洋环境中的赤潮及绿潮现象越来越受到科学家、公众和政策制定者的关注，赤潮及绿潮现象主要发生于海岸附近，近年来多次爆发，为我国海岸带环境治理带来很大的挑战，赤潮或绿潮爆发过程中，其会随着海流远距离输运形成二次伤害。

海域漂浮物的监测一般选择船体跟踪或遥感卫星反演，选择船体跟踪需要超高的跟踪成本以及较多的人力资源，而且效率低；遥感卫星反演由于卫星精度差，得到的数据相差较大，因此，需要研发一种柔性漂浮物漂浮特性监测装置及监测方法来解决现有的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种柔性漂浮物漂浮特性监测装置及监测方法，以解决漂浮物特性监测误差较大的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种柔性漂浮物漂浮特性监测装置，包括：

柔性漂浮物；

至少一个多功能传感装置，所述多功能传感装置具有定位功能，用于获取所述柔性漂浮物的牵引力、压力、切应力数据；

金属网，所述金属网用于承载所述柔性漂浮物，以及多功能传感装置；

浮筒，所述浮筒与所述金属网相连接，用于收回柔性漂浮物漂浮特性监测装置；

终端平台，所述终端平台与多功能传感装置相连接，用于传输柔性漂浮物的运动位置信息、受力信息、物体扩散范围信息；此终端平台为一个数据收集器，在装置运行期间收集所有的数据，以供后续的分析。

优选的，所述浮筒内配有GPS定位装置，所述GPS定位装置用于实时传输漂移轨迹信息。

优选的，所述金属网为轻质可伸缩金属网。

优选的，所述金属网的网格交叉节点处均安装有多功能传感装置，若柔性漂浮物覆盖这一网格交叉节点，则可记录相应的牵引力、压力、切应力数据。

优选的，所述金属网包括：

金属网主体、金属网容纳腔、多根可伸缩辐射支撑杆、多根可伸缩圈杆；所述金属网主体置于金属网容纳腔中，多根可伸缩辐射支撑杆以金属网容纳腔为中心，每根可伸缩辐射支撑杆的一端与金属网容纳腔固定连接，可伸缩圈杆的两端分别与相邻的可伸缩辐射支撑杆的另一端固定连接，金属网主体与可伸缩圈杆软连接，金属网容纳腔内设有金属网主体的收放装置。

优选的，所述多功能传感装置包括：

位置传感器，用于获取位置数据，能够设置与压力传感器和应力传感器同步开启记录；

压力传感器，用于获取压力数据，能够设置与位置和应力传感器同步开启记录；

应力传感器，用于获取应力数据，能够设置与位置和压力传感器同步开启记录；

固定件，用于安装位置传感器、压力传感器以及应力传感器。

优选的，所述柔性漂浮物的材质为轻质植物，能够选择不同材质漂浮物以及不同密度漂浮物。

优选的，所述浮筒通过牵引绳索与所述金属网相连接，所述牵引绳索一端与所述浮筒连接，另一端与所述金属网连接。

本发明另提供一种柔性漂浮物漂浮特性监测装置的监测方法，包括以下步骤：

步骤1、调节固定件，使得压力传感器、应力传感器与柔性漂浮物位于同一平面；

步骤2、布置柔性漂浮物，测试多功能传感装置；

步骤3、放置柔性漂浮物漂浮特性监测装置使其漂浮，获取位置传感器、压力传感器和应力传感器的吃水深度tn；

步骤4、记录每个传感器位置，根据牵引力和底部切应力，统计漂浮物扩散范围，计算漂浮物密度变化；计算公式如下：

其中，Nx,y为预定时间周期内指定海域中第x个目标I位置对应的漂浮物粘滞阻力数据集中第y个指标对应的漂浮物密度影响分布，N1x,y为预定时间周期内指定海域中第x个目标I位置对应的漂浮物粘滞阻力数据集中第y个指标对应的漂浮物粘滞阻力子数据集的平均数值，N2x,y为预定时间周期内指定海域中第x个目标I位置对应的漂浮物粘滞阻力数据集中第y个指标对应的漂浮物粘滞阻力子数据集的最小数值，N3x,y为预定时间周期内指定海域中第x个目标I位置对应的漂浮物粘滞阻力数据集中第y个指标的数值。

优选的，所述根据牵引力和底部切应力，统计漂浮物扩散范围包括：

步骤41：读取多功能传感装置的位置传感器数据，其中经度为Vn，纬度为Dn，吃水深度为tn；

步骤42：读取浮筒的GPS数据，漂浮移动数据为An，间隔时间和步骤41中位置传感器间隔时间相对应，同为tn；

步骤43：计算间隔时间tn的漂浮距离Sn：根据步骤42中间隔时间tn的漂浮移动数据An，步骤41中间隔时间tn的流向Dn，得出间隔时间的漂浮距离Sn；

步骤44：采集多个间隔时间的数据，计算漂浮总距离S，即漂浮起始至终止的总距离；漂浮总距离S为多个间隔时间tn的漂浮距离Sn之和；

步骤45：根据步骤44中的漂浮总距离S，计算漂浮面积E：

E＝S·L；

式中，E为漂浮面积；L为网口宽度，即上边框和下边框的内侧间距；

步骤46：根据本步骤中获得漂浮总生物量W，以及步骤45得出的漂浮面积E，计算单位面积柔性漂浮物的生物量w：

w＝W/E，即w＝W/(S·L)，

式中，W为漂浮总生物量，E为漂浮面积，L为网口宽度，S为漂浮总距离；

由此得出：

S＝Vn·cos(Dn-(180+An))·tn；

柔性漂浮物的生物量w＝W/(S·L)

式中：W为漂浮总生物量，由漂浮拖取柔性漂浮物进行称重测量获得；

L为网口宽度，网口上部或者下部不锈钢钢管的内侧间距。

优选的，所述根据牵引力和底部切应力，统计漂浮物扩散范围包括：

步骤41：读取多功能传感装置的位置传感器数据，取三次时间间隔的数据，第一经度为V1、第二经度V2、第三经度V3，第一纬度D1、第二纬度D2、第三纬度D3，第一吃水深度t1、第二吃水深度t2、第三吃水深度t3；

步骤42：读取浮筒的GPS数据，取三次时间间隔的数据，第一漂浮移动A1、第一漂浮移动A2、第一漂浮移动A3，间隔时间和步骤41中位置传感器间隔时间相对应，同为第一间隔时间t1、第二间隔时间t2、第三间隔时间t3；步骤43：计算第一间隔时间t1、第二间隔时间t2、第三间隔时间t3的第一漂浮距离S1、第二漂浮距离S2、第三漂浮距离S3：根据步骤42中第一时间间隔t1的漂浮移动A1，步骤41中第一时间间隔t1的流向D1，得出第一时间间隔的距离S1，同理可以得出S2、S3；

步骤44：计算漂浮距离S：

S＝S1+S2+S3；

式中，漂浮总距离为S，即漂浮起始至终止的总距离；漂浮总距离S分为每个一定时间间隔的漂浮距离之和；

步骤45：根据步骤44中的漂浮总距离S，计算漂浮面积E：

E＝S·L；

式中，E为漂浮面积；L为网口宽度，即上边框和下边框的内侧间距；S为漂浮距离；

步骤46：根据本步骤中获得漂浮总生物量W，以及第五步得出的漂浮面积E，计算单位面积柔性漂浮物的生物量w：

w＝W/E，即w＝W/(S·L)，

式中，W为漂浮总生物量，E为漂浮面积，L为网口宽度，S为漂浮距离；

由此得出：

S＝V1·cos(D1-(180+A1))·t1+V2·cos(D2-(180+A2))·t2+V3·cos(D3-(180+A3))·t3；

柔性漂浮物的生物量w＝W/(S·L)

式中：W为漂浮生物量，由漂浮拖取漂浮柔性漂浮物进行称重测量获得；

L为网口宽度，网口上部或者下部不锈钢钢管的内侧间距；

S为漂浮总距离，漂浮起始至终止的总距离。

本发明的技术效果和优点：该柔性漂浮物漂浮特性监测装置及监测方法，生产成本低，实施方便，通过多功能传感装置的位置传感器、浮筒的GPS定位装置，相比卫星能够获得高精度的位置数据，通过压力传感器、应力传感器获得总牵引力和底部切应力数据，结合传感器位置数据统计漂浮物扩散范围，计算漂浮物密度变化，通过轻质可伸缩金属网方便漂浮物漂浮过程中发生扩散，并记录扩散位置，通过浮筒配有的GPS定位装置，实现了快速定位、发现、收回，提高了使用效率，解决了漂浮监测成本高，精度差的问题。

附图说明

图1为本发明的监测装置结构示意图；

图2为本发明的监测方法流程图；

图3为本发明根据牵引力和底部切应力，统计漂浮物扩散范围的流程图；

图4为本发明漂浮物t1时刻覆盖范围示意图；

图5为本发明漂浮物经过一段时间Δt后覆盖范围示意图。

图中：1、浮筒；2、GPS定位装置；3、牵引绳索；4、柔性漂浮物；5、金属网；6、终端平台；7、多功能传感装置。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了如图1中所示的一种柔性漂浮物漂浮特性监测装置，包括：

柔性漂浮物4，柔性漂浮物4具有配重功能；柔性漂浮物4的材质为轻质植物，比如浒苔，可选择不同材质漂浮物以及不同密度漂浮物。

至少一个多功能传感装置7，多功能传感装置7具有定位功能，用于获取柔性漂浮物4的牵引力、压力、切应力数据；多功能传感装置7包括：

位置传感器，用于获取位置数据，能够设置与压力传感器和应力传感器同步开启记录；

压力传感器，用于获取压力数据，能够设置与位置传感器和应力传感器同步开启记录；

应力传感器，用于获取应力数据，能够设置与位置传感器和压力传感器同步开启记录；

固定件，用于安装位置传感器、压力传感器以及应力传感器。

金属网5，金属网5用于承载柔性漂浮物4，以及多功能传感装置7；金属网5为轻质可伸缩金属网。本实施例中，金属网5为正方形，金属网5包括：

金属网主体、金属网容纳腔、多根可伸缩辐射支撑杆、多根可伸缩圈杆；金属网主体置于金属网容纳腔中，多根可伸缩辐射支撑杆以金属网容纳腔为中心，每根可伸缩辐射支撑杆的一端与金属网容纳腔固定连接，可伸缩圈杆的两端分别与相邻的可伸缩辐射支撑杆的另一端固定连接，金属网主体与可伸缩圈杆软连接，金属网容纳腔内设有金属网主体的收放装置。方便漂浮物漂浮过程中发生扩散，并记录扩散位置。

金属网5的网格交叉节点处均安装有多功能传感装置7，若柔性漂浮物4覆盖此网格交叉节点，则记录相应的数据，随着潮流和波浪的运动，柔性漂浮物4除了漂移之外也在不断进行聚集和分散，为记录柔性漂浮物4的漂移与聚集分散现象，设计如下装置，假设t1时刻，柔性漂浮物4占的漂移形态如下：如图4所示，其中，圆圈内为覆盖范围，每一个网格交叉节点处均安装有传感器，若漂浮物覆盖这一节点，则可记录相应的数据，经过一段时间Δt后，柔性漂浮物4扩散至如图5所示，则可根据多功能传感装置7的数据，计算柔性漂浮物4的扩散总面积变化过程，同时可计算其密度，生物量等数据。

浮筒1，浮筒1与金属网5相连接，用于收回监测装置；浮筒1内配有GPS定位装置2，GPS定位装置2用于实时传输漂移轨迹信息。浮筒1通过牵引绳索3与金属网5相连接，牵引绳索3一端与浮筒1连接，另一端与金属网5连接；金属网5用于打捞，收集或拦截柔性漂浮物4；

终端平台6，终端平台6与多功能传感装置7相连接，用于传输柔性漂浮物4的运动位置信息、受力信息、物体扩散范围信息；

本发明另提供一种柔性漂浮物漂浮特性监测方法，如图2所示，包括以下步骤：

步骤1、调节固定件，使得压力传感器、应力传感器与柔性漂浮物4位于同一平面；

步骤2、布置柔性漂浮物4，测试多功能传感装置7；

步骤3、放置柔性漂浮物漂浮特性监测装置使其漂浮，获取每个传感器的吃水深度tn；

步骤4、记录位置传感器、压力传感器和应力传感器的位置，根据牵引力和底部切应力，统计漂浮物扩散范围，计算漂浮物密度变化；计算公式如下：

其中，Nx,y为预定时间周期内指定海域中第x个目标I位置对应的漂浮物粘滞阻力数据集中第y个指标对应的漂浮物密度影响分布，N1x,y为预定时间周期内指定海域中第x个目标I位置对应的漂浮物粘滞阻力数据集中第y个指标对应的漂浮物粘滞阻力子数据集的平均数值，N2x,y为预定时间周期内指定海域中第x个目标I位置对应的漂浮物粘滞阻力数据集中第y个指标对应的漂浮物粘滞阻力子数据集的最小数值，N3x,y为预定时间周期内指定海域中第x个目标I位置对应的漂浮物粘滞阻力数据集中第y个指标的数值。如图3所示，本实施例中，漂浮物受力及扩散范围计算方法包括：

步骤41：读取多功能传感装置7的位置传感器数据，其中经度为V1、V2、V3……Vn，纬度为D1、D2、D3……Dn，吃水深度为t1、t2、t3……tn；

步骤42：读取GPS记录仪数据，漂浮移动数据为A1、A2、A3……An，间隔时间和步骤41中位置传感器间隔时间相对应，同为t1、t2、t3……tn；

步骤43：计算间隔时间(t1、t2、t3……tn)的漂浮距离(S1、S2、S3……Sn)：根据步骤42中第一个间隔时间t1的漂浮移动A1，步骤41中第一个间隔时间t1的流向D1，可以得出第一个间隔时间的距离S1：

S1＝V1·cos(D1-(180°+A1))·t1；

同理可以得出：

S2＝V2·cos(D2-(180°+A2))·t2；

S3＝V3·cos(D3-(180°+A3))·t3；

……

Sn＝Vn·cos(Dn-(180°+An))·tn；

步骤44：计算漂浮总距离S：

S＝S1+S2+S3+……+Sn；

式中，漂浮总距离为S，即漂浮起始至终止的总距离；漂浮总距离S分为每个一定时间间隔(t1、t2、t3……tn)的漂浮距离(S1、S2、S3……Sn)之和；该间隔时间越短，计算获得的漂浮总距离越精确；

步骤45：根据步骤44中的漂浮总距离S，计算漂浮面积E：

E＝S·L；

式中，E为漂浮面积；L为网口宽度，即正方形网格的边长；S为漂浮距离；

步骤46：根据本步骤中获得漂浮总生物量W，以及步骤45得出的漂浮面积E，可计算单位面积漂浮浒苔的生物量w：

w＝W/E，即w＝W/(S·L)，

式中，w为单位面积生物量，W为漂浮总生物量，E为漂浮面积；L为网口宽度，S为漂浮总距离；

由此得出：

S＝V1·cos(D1-(180+A1))·t1+V2·cos(D2-(180+A2))·t2+V3·cos(D3-(180+A3))·t3+……+Vn·cos(Dn-(180+An))·tn；

单位面积漂浮浒苔的生物量w＝W/(S·L)

式中：W为漂浮总生物量，由漂浮拖取漂浮浒苔进行称重测量获得；

L为网口宽度，网口上部或者下部不锈钢钢管的内侧间距；

S为漂浮总距离，漂浮起始至终止的总距离。

该柔性漂浮物漂浮特性监测装置及监测方法，生产成本低，实施方便，通过多功能传感装置的位置传感器、浮筒的GPS定位装置，相比卫星能够获得高精度的位置数据，通过压力传感器、应力传感器获得总牵引力和底部切应力数据，结合传感器位置数据统计漂浮物扩散范围，计算漂浮物密度变化，通过轻质可伸缩金属网方便漂浮物漂浮过程中发生扩散，并记录扩散位置，通过浮筒配有的GPS定位装置，实现了快速定位、发现、收回，提高了使用效率，解决了漂浮监测成本高，精度差的问题。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种柔性漂浮物漂浮特性监测装置的监测方法，其特征在于：所述柔性漂浮物漂浮特性监测装置包括：

柔性漂浮物（4）；

至少一个多功能传感装置（7），所述多功能传感装置（7）具有定位功能，用于获取所述柔性漂浮物（4）的牵引力、压力、切应力数据；

金属网（5），所述金属网（5）用于承载所述柔性漂浮物（4），以及多功能传感装置（7）；

浮筒（1），所述浮筒（1）与所述金属网（5）相连接，用于收回柔性漂浮物漂浮特性监测装置；

终端平台（6），所述终端平台（6）与多功能传感装置（7）相连接，用于接收并保存柔性漂浮物（4）的运动位置信息、受力信息、物体扩散范围信息；

所述浮筒（1）内配有GPS定位装置（2），所述GPS定位装置（2）用于实时传输漂移轨迹信息；

所述多功能传感装置（7）包括：

位置传感器，用于获取位置数据，能够设置与压力传感器和应力传感器同步开启记录；

压力传感器，用于获取压力数据，能够设置与位置传感器和应力传感器同步开启记录；

应力传感器，用于获取应力数据，能够设置与位置传感器和压力传感器同步开启记录；

固定件，用于安装位置传感器、压力传感器以及应力传感器；

所述金属网（5）包括：

金属网主体、金属网容纳腔、若干可伸缩辐射支撑杆、若干可伸缩圈杆；所述金属网主体置于金属网容纳腔中，若干可伸缩辐射支撑杆以金属网容纳腔为中心，每根可伸缩辐射支撑杆的一端与金属网容纳腔固定连接，可伸缩圈杆的两端分别与相邻的可伸缩辐射支撑杆的另一端固定连接，金属网主体与可伸缩圈杆软连接，金属网容纳腔内设有金属网主体的收放装置；

所述方法包括以下步骤：

步骤1、调节固定件，使得压力传感器、应力传感器与柔性漂浮物（4）位于同一平面；

步骤2、布置柔性漂浮物（4），测试多功能传感装置（7）；

步骤3、放置柔性漂浮物漂浮特性监测装置使其漂浮，获取位置传感器、压力传感器和应力传感器的吃水深度tn；

步骤4、记录位置传感器、压力传感器和应力传感器的位置，根据牵引力和底部切应力，统计漂浮物扩散范围，计算漂浮物密度变化；计算公式如下：；其中，Nx,y为预定时间周期内指定海域中第x个目标I位置对应的漂浮物粘滞阻力数据集中第y个指标对应的漂浮物密度变化，N1x,y为预定时间周期内指定海域中第x个目标I位置对应的漂浮物粘滞阻力数据集中第y个指标对应的漂浮物粘滞阻力子数据集的平均数值，N2x,y为预定时间周期内指定海域中第x个目标I位置对应的漂浮物粘滞阻力数据集中第y个指标对应的漂浮物粘滞阻力子数据集的最小数值，N3x,y为预定时间周期内指定海域中第x个目标I位置对应的漂浮物粘滞阻力数据集中第y个指标的数值；所述金属网（5）为轻质可伸缩金属网；所述金属网（5）的网格交叉节点处均安装有多功能传感装置（7），若柔性漂浮物（4）覆盖此网格交叉节点，则记录相应的牵引力、压力、切应力数据；所述柔性漂浮物（4）的材质为轻质植物，能够选择不同材质漂浮物以及不同密度漂浮物；所述浮筒（1）通过牵引绳索（3）与所述金属网（5）相连接，所述牵引绳索（3）一端与所述浮筒（1）连接，另一端与所述金属网（5）连接；所述根据牵引力和底部切应力，统计漂浮物扩散范围包括：

步骤41：读取多功能传感装置（7）的位置传感器数据，其中经度为Vn，纬度为Dn，吃水深度为tn；

步骤42：读取浮筒（1）的GPS数据，漂浮移动数据为An，间隔时间和步骤41中位置传感器间隔时间相对应，同为tn；

步骤43：计算间隔时间tn的漂浮距离Sn：根据步骤42中间隔时间tn的漂浮移动数据An，步骤41中间隔时间tn的流向Dn，得出间隔时间的漂浮距离Sn；

步骤44：采集多个间隔时间的数据，计算漂浮总距离S，即漂浮起始至终止的总距离；漂浮总距离S为多个间隔时间tn的漂浮距离Sn之和；

步骤45：根据步骤44中的漂浮总距离S，计算漂浮面积E：

E＝S·L；

式中，E为漂浮面积；L为网口宽度，即正方形网格的边长；

步骤46：根据本步骤中获得漂浮总生物量W，以及步骤45得出的漂浮面积E，计算单位面积柔性漂浮物的生物量w：

w＝W/E，即w＝W/(S·L)，

式中，W为漂浮总生物量，E为漂浮面积，L为网口宽度，S为漂浮总距离；

由此得出：

S＝Vn·cos(Dn-(180°+An))·tn；

式中：W为漂浮总生物量，由漂浮拖取柔性漂浮物（4）进行称重测量获得。