CN117029701A - 一种沿海水域非接触式溢油监测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种沿海水域非接触式溢油监测方法，包括如下步骤：获取对照数组信息；获取监测数据信息；局部光强计算；油膜厚度计算；溢油种类识别。本发明的溢油监测方法，监测准确度高，为后续更加有效的溢油处理作业提供了更有价值的参考，可有效降低溢油事故造成的经济损失。

Description

一种沿海水域非接触式溢油监测方法
技术领域
本发明涉及溢油监测技术领域，尤其涉及一种沿海水域非接触式溢油监测方法。
背景技术
石油需求量的增加带动了石油的海洋开采和海上运输，进而使港口水域环境日益趋于复杂，生态环保问题也趋于严峻。这其中最主要环保问题是海面溢油问题，该问题不仅对自然环境危害极大，同时也带来了极大的财产损失。
总体来说，溢油监测一方面可以针对码头船舶作业含油污水的排放、相关产业及生活废水的排放等溢油量少但发生频率高的现象进行遏制，另一方面可为海洋环境监管及沿海区域生态环境保护提供技术支撑。为此，本发明针对沿海水域的溢油监测提出了一种准确度高的监测方法，以获取更加准确的溢油信息，从而进行更加有效的处理安排，减少经济损失。
发明内容
鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种沿海水域非接触式溢油监测方法，监测准确度高，为后续更加有效的处理作业提供了更有价值的参考，可有效降低溢油事故造成的经济损失。
本发明提供的一种沿海水域非接触式溢油监测方法，包括如下步骤：
获取对照数组信息：获取油膜厚度对照数组D[n]={D1,D2,···,Dn}信息和反射光谱信号局部光强对照数组K[t]={K1,K2,···,Kt}信息，其中对照油膜厚度Dp和对照局部光强Kq共同对应一组混淆矩阵Xp,q，p=1···n，q=1···t；
获取监测数据信息：按时间间隔Ts向水面发射光谱信号，并接收反射回的反射光谱信号，获取监测数据信息；记录溢油位置的经纬度信息和监测时间信息；
局部光强计算：根据监测数据信息计算照射油膜过程中反射光谱信号的局部光强Kf,o；
油膜厚度计算：根据监测数据信息和照射油膜过程中反射光谱信号的局部光强计算油膜厚度d；
溢油种类识别：
1）将油膜厚度d和反射光谱信号的局部光强Kf,o与对照油膜厚度Dp和对照局部光强Kq进行比较，当d=Dp，且Kf,o=Kq时，确定油膜厚度d和反射光谱信号的局部光强Kf,o对应的混淆矩阵Xp,q；
2）通过混淆矩阵Xp,q计算油膜厚度d和反射光谱信号的局部光强Kf,o对应的油品种类的准确性指标；
3）将油膜厚度d和反射光谱信号的局部光强Kf,o对应的准确性指标与油品数据库中油品种类的准确性指标进行对比，进而确定溢油种类。
进一步的，所述监测数据信息包括：
Kf：为水面无油膜时，收到的反射光谱信号的局部光强；
C(r',θ)：为按时间间隔Ts获取的反射光谱信号的局部荧光浓度；其中，θ为发射光谱信号照射油膜过程中的累计时间变量，r'为发射光谱信号照射油膜过程中的累计空间变量；
r：为发射光谱信号照射油膜过程中的最大空间变量；
：为照射油膜过程中发射光谱信号的光能与反射光谱信号的光能之比；
ε：为吸收系数；
ΔA：为照射油膜过程中反射光谱信号沿其射线路径光线法线的横截面积。
进一步的，所述局部光强计算包括如下步骤：
1）计算照射油膜过程中发射光谱信号的无量纲衰减a(r,θ)；
；
2）计算照射油膜过程中发射光谱信号的局部激发强度I(r,θ)；
I(r,θ)=Pa(r,θ)f(r)g(θ)；
其中，P为发射光谱信号的功率；
f(r)等于r-1；
g(θ)为照射油膜过程中发射光谱信号扫过油膜的角度；
3）计算照射油膜过程中反射光谱信号的局部光强Kf,o；
Kf,o=εI(r,θ)CΔA；
其中，C为照射油膜过程中局部荧光浓度C(r',θ)求均值获得的平均荧光浓度。
进一步的，所述油膜厚度d：
；
其中，ke和kr为采用非线性最小二乘法建立的反演模型的油膜系数。
进一步的，所述准确性指标包括总体准确率OA和卡帕系数Kappa；
；
；
其中，混淆矩阵
；
；
。
进一步的，溢油监测方法还包括数据显示，在显示设备上显示油膜厚度、溢油种类、准确性指标、溢油位置的经纬度和监测时间信息。
进一步的，溢油监测方法还包括数据存储，按数据采集顺序，分别将对应的油膜厚度-溢油种类-准确性指标-溢油位置的经纬度-监测时间信息作为一组数据进行存储。
进一步的，溢油监测方法还包括数据传输，将存储数据通过RS485通信模块发送至本地计算机，和/或通过蓝牙模块发送至个人手机，和/或通过北斗通信模块发送至管理中心。
相对于现有技术而言，本发明的有益效果是：
本发明的溢油监测方法通过安装在船体上的溢油监测系统向水面发射光谱信号，从而获取监测数据信息；通过监测数据信息计算得出发射光谱信号的局部光强，进一步计算得出油膜厚度；通过设置油膜厚度对照数组，以及准确性指标的计算可准确识别溢油种类。通过本申请的溢油监测方法可更加准确的识别海面溢油状况，为后续更加有效的处理作业提供了更有价值的参考，从而有效的降低了溢油事故造成的经济损失。
应当理解，发明内容部分中所描述的内容并非旨在限定本发明的实施例的关键或重要特征，亦非用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的描述变得容易理解。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为沿海水域非接触式溢油监测方法的流程图；
图2为沿海水域非接触式溢油监测系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
请参考图1，本发明的实施例提供了一种沿海水域非接触式溢油监测方法，包括如下步骤：
S1获取对照组信息：获取油膜厚度对照数组D[n]={D1,D2,···,Dn}信息和反射光谱信号局部光强对照数组K[t]={K1,K2,···,Kt}信息，其中对照油膜厚度Dp和对照局部光强Kq共同对应一组混淆矩阵Xp,q，p=1···n，q=1···t；不同的Dp和Kq对应不同的Xp,q，即一个对照油膜厚度和一个对照局部光强对应一组混淆矩阵，一个对照油膜厚度和另一个对照局部光强对应第二组混淆矩阵，另一个对照油膜厚度和另一个对照局部光强对应第三组混淆矩阵；
S2获取监测数据信息：按时间间隔Ts向水面发射光谱信号，并接收反射回的反射光谱信号，获取监测数据信息；记录溢油位置的经纬度信息和监测时间信息；监测数据信息包括：
Kf：为水面无油膜时，收到的反射光谱信号的局部光强；
C(r',θ)：为按时间间隔Ts获取的反射光谱信号的局部荧光浓度；其中，θ为发射光谱信号照射油膜过程中的累计时间变量，r'为发射光谱信号照射油膜过程中的累计空间变量；
r：为发射光谱信号照射油膜过程中的最大空间变量；
：为照射油膜过程中发射光谱信号的光能与反射光谱信号的光能之比；
ε：为吸收系数；
ΔA：为照射油膜过程中反射光谱信号沿其射线路径光线法线的横截面积；
S3局部光强计算：根据监测数据信息计算照射油膜过程中反射光谱信号的局部光强Kf,o；
局部光强计算包括如下步骤：
1）计算照射油膜过程中发射光谱信号的无量纲衰减a(r,θ)；
；
2）计算照射油膜过程中发射光谱信号的局部激发强度I(r,θ)；
I(r,θ)=Pa(r,θ)f(r)g(θ)；
其中，P为发射光谱信号的功率；
f(r)等于r-1；
g(θ)为照射油膜过程中发射光谱信号扫过油膜的角度；
3）计算照射油膜过程中反射光谱信号的局部光强Kf,o；
Kf,o=εI(r,θ)CΔA；
其中，C为照射油膜过程中局部荧光浓度C(r',θ)求均值获得的平均荧光浓度；
S4油膜厚度计算：根据监测数据信息和照射油膜过程中反射光谱信号的局部光强计算油膜厚度d；
油膜厚度d：
；
其中，ke和kr为采用非线性最小二乘法建立的反演模型的油膜系数；
S5溢油种类识别：
1）将油膜厚度d和反射光谱信号的局部光强Kf,o与对照油膜厚度Dp和对照局部光强Kq进行比较，当d=Dp，且Kf,o=Kq时，确定油膜厚度d和反射光谱信号的局部光强Kf,o对应的混淆矩阵Xp,q；
2）通过混淆矩阵Xp,q计算油膜厚度d和反射光谱信号的局部光强Kf,o对应的油品种类的准确性指标；
准确性指标包括总体准确率OA和卡帕系数Kappa；
；
；
其中，混淆矩阵
，即油膜厚度对照数组D[n]包含n个对照油膜厚度，则Xp,q为(n+1)×(n+1)位的矩阵；
，即混淆矩阵Xp,q的每行最后一个数等于该行最后一个数之前的各个数之和；
，即混淆矩阵Xp,q的每列最后一个数等于该列最后一个数之前的各个数之和
3）将油膜厚度d和反射光谱信号的局部光强Kf,o对应的准确性指标与油品数据库中油品种类的准确性指标进行对比，进而确定溢油种类；
S6数据显示，在显示设备上显示油膜厚度、溢油种类、准确性指标、溢油位置的经纬度和监测时间信息；
S7数据存储，按数据采集顺序，分别将对应的油膜厚度-溢油种类-准确性指标-溢油位置的经纬度-监测时间信息作为一组数据进行存储；
S8数据传输，将存储数据通过RS485通信模块发送至本地计算机，和/或通过蓝牙模块发送至个人手机，和/或通过北斗通信模块发送至管理中心。
在本实施例中，油品数据库中存储有海上溢油事故所包含的油品种类及对应的准确性指标，用于溢油监测的油品识别。
油膜厚度对照数组和反射光谱信号局部光强对照数组是用于识别溢油种类的重要参考，本申请通过对不同种类油品的溢油情况的试验分析，从而得出了各类油品在不同的油膜厚度下对应的反射光谱信号的局部光强，以及对应的油膜厚度与局部光强所对应的混淆矩阵。
对于同一油品而言，每个对照油膜厚度度Dp均对应一个对照局部光强Kq；每组Dp和Kq共同对应一组混淆矩阵Xp,q；通过Xp,q进行计算得到油品的准确性指标，并与油品数据库中的数据进行对比，满足：
总体准确率：OA计算=OA标准±ΔOA；
卡帕系数：Kappa计算=Kappa标准±ΔKappa；
从而确定溢油种类，其中ΔOA为预设的总体准确率偏差值，ΔKappa为预设的卡帕系数偏差值。
以A油的油膜厚度对照数组D[5]={0um，6.29um，12.58um，18.87um，25.16um}和反射光谱信号局部光强对照数组K[20]={5.00cd，10.00cd，···，100.00cd}为例。其中，对照油膜厚度和对照局部光强的间隔均按监测系统的识别精度进行设置，可确保油膜厚度的有效识别。当测得油膜厚度为d=12.58um，反射光谱信号的局部光强Kf,o=10.00cd时，其对应的混淆矩阵X3,2为：
计算获得的OA计算为0.7520，Kappa计算为0.9400，与油品数据库中的OA标准和Kappa标准进行比较，从而确定溢油种类。
另，为进一步理解本发明的技术方案，本发明的实施例还提供了一种沿海水域非接触式溢油监测系统，包括参数显示单元、与参数显示单元相连的信号采集单元、与参数显示单元和信号采集单元相连的电源供电单元以及与参数显示单元相连的通信单元；
参数显示单元包括微处理器及分别与微处理器相连接的硬件复位模块、实时时钟模块、数据下载模块、液晶显示模块、按键控制模块、数据存储模块和串口通信模块；
信号采集单元包括用于发射光谱信号的照明模块和用于接受反射光谱信号的成像模块；照明模块包括发光光源、设置于发光光源前侧的聚光杯、设置于聚光杯前侧的光源滤光片和与发光光源相连的照明电路；成像模块包括平凸透镜、设置于平凸透镜后侧的二向色镜、设置于二向色镜后侧的探测滤光片和与探测滤光片相连的成像电路；
电源供电单元包括电源充电电路、与电源充电电路相连的锂电池、与锂电池相连的整流滤波电路、与整流滤波电路相连的电压转换电路和与电压转换电路相连的低功耗处理电路；
通信单元包括GPS交互模块、蓝牙交互模块、RS485通信模块、AIS通信模块和北斗通信模块；
其中，GPS交互模块用于获取溢油位置的经纬度信息，以将溢油位置的经纬度信息传输给溢油监测系统。
蓝牙交互模块用于与手机或平板等移动终端之间进行通信，以实现人机交互；
RS485通信模块用于与船上计算机进行数据交互，以便于监测人员进行数据查看。
AIS通信模块用于获取船舶航行信息，以将船舶航行信息传输给溢油监测系统。
北斗通信模块用于精确获取溢油位置的经纬度信息，以将溢油位置的经纬度信息传输给溢油监测系统。
在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种沿海水域非接触式溢油监测方法，其特征在于，包括如下步骤：
获取对照数组信息：获取油膜厚度对照数组D[n]={D1,D2,···,Dn}信息和反射光谱信号局部光强对照数组K[t]={K1,K2,···,Kt}信息，其中对照油膜厚度Dp和对照局部光强Kq共同对应一组混淆矩阵Xp,q，p=1···n，q=1···t；
获取监测数据信息：按时间间隔Ts向水面发射光谱信号，并接收反射回的反射光谱信号，获取监测数据信息；记录溢油位置的经纬度信息和监测时间信息；
局部光强计算：根据监测数据信息计算照射油膜过程中反射光谱信号的局部光强Kf,o；
油膜厚度计算：根据监测数据信息和照射油膜过程中反射光谱信号的局部光强计算油膜厚度d；
溢油种类识别：
1）将油膜厚度d和反射光谱信号的局部光强Kf,o与对照油膜厚度Dp和对照局部光强Kq进行比较，当d=Dp，且Kf,o=Kq时，确定油膜厚度d和反射光谱信号的局部光强Kf,o对应的混淆矩阵Xp,q；
2）通过混淆矩阵Xp,q计算油膜厚度d和反射光谱信号的局部光强Kf,o对应的油品种类的准确性指标；
3）将油膜厚度d和反射光谱信号的局部光强Kf,o对应的准确性指标与油品数据库中油品种类的准确性指标进行对比，进而确定溢油种类。
2.根据权利要求1所述的沿海水域非接触式溢油监测方法，其特征在于，所述监测数据信息包括：
Kf：为水面无油膜时，收到的反射光谱信号的局部光强；
C(r',θ)：为按时间间隔Ts获取的反射光谱信号的局部荧光浓度；其中，θ为发射光谱信号照射油膜过程中的累计时间变量，r'为发射光谱信号照射油膜过程中的累计空间变量；
r：为发射光谱信号照射油膜过程中的最大空间变量；
：为照射油膜过程中发射光谱信号的光能与反射光谱信号的光能之比；
ε：为吸收系数；
ΔA：为照射油膜过程中反射光谱信号沿其射线路径光线法线的横截面积。
3.根据权利要求2所述的沿海水域非接触式溢油监测方法，其特征在于，所述局部光强计算包括如下步骤：
1）计算照射油膜过程中发射光谱信号的无量纲衰减a(r,θ)；
；
2）计算照射油膜过程中发射光谱信号的局部激发强度I(r,θ)；
I(r,θ)=Pa(r,θ)f(r)g(θ)；
其中，P为发射光谱信号的功率；
f(r)等于r-1；
g(θ)为照射油膜过程中发射光谱信号扫过油膜的角度；
3）计算照射油膜过程中反射光谱信号的局部光强Kf,o；
Kf,o=εI(r,θ)CΔA；
其中，C为照射油膜过程中局部荧光浓度C(r',θ)求均值获得的平均荧光浓度。
4.根据权利要求3所述的沿海水域非接触式溢油监测方法，其特征在于，所述油膜厚度d：
；
其中，ke和kr为采用非线性最小二乘法建立的反演模型的油膜系数。
5.根据权利要求1所述的沿海水域非接触式溢油监测方法，其特征在于，所述准确性指标包括总体准确率OA和卡帕系数Kappa；
；
；
其中，混淆矩阵；
；
。
6.根据权利要求1所述的沿海水域非接触式溢油监测方法，其特征在于，还包括数据显示，在显示设备上显示油膜厚度、溢油种类、准确性指标、溢油位置的经纬度和监测时间信息。
7.根据权利要求1所述的沿海水域非接触式溢油监测方法，其特征在于，还包括数据存储，按数据采集顺序，分别将对应的油膜厚度-溢油种类-准确性指标-溢油位置的经纬度-监测时间信息作为一组数据进行存储。
8.根据权利要求7所述的沿海水域非接触式溢油监测方法，其特征在于，还包括数据传输，将存储数据通过RS485通信模块发送至本地计算机，和/或通过蓝牙模块发送至个人手机，和/或通过北斗通信模块发送至管理中心。
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