CN212567388U - 深海采矿车对环境扰动的监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种深海采矿车对环境扰动的监测系统，包括车载固定式环境监测实时子系统、可旋转多自由度环境实时监测装置、环境实时监测节点、无缆环境自主监测边缘节点和水面数据采集与存储系统，车载固定式环境监测实时子系统装在采矿车上，可旋转多自由度环境实时监测装置可旋转装在采矿车顶部，环境实时监测节点装在铠装电缆上，无缆环境自主监测边缘节点装在铠装电缆上，水面数据采集与存储系统装在水面作业船上，车载固定式环境监测实时子系统、可旋转多自由度环境实时监测装置、环境实时监测节点和无缆环境自主监测边缘节点均与水面数据采集与存储系统连接。该监测系统能实时可靠地对深海采矿车活动过程中对环境的扰动进行监测。

Description

深海采矿车对环境扰动的监测系统

技术领域

本实用新型涉及海洋环境监控技术领域，具体而言，涉及一种深海采矿车对环境扰动的监测系统。

背景技术

目前，深海采矿车大多采用双履带式行驶的作业车，采矿车采用水力式采矿会搅动起大量海底沉积物等颗粒物质，同时进入采矿车的大部分非结核物质将从采矿车分离系统排放出来，其中颗粒较大的非结核物质会迅速沉降到海底，但较小的颗粒物质则会随着海底底层流扩散而形成底层羽状流。

深海采矿过程中沉积物排放形成的羽状流可能会堵塞底栖生物的呼吸系统，造成海底水体中氧气消耗；同时，深海采矿过程中释放出来的有毒物质会在生物体内大量积累，也可能对海底生态环境带来威胁。

根据国际海底管理局《指导承包者评估“区域”内海洋勘探活动可能对环境造成影响的建议》文件的规定：承包者要求收集海洋环境基线数据，建立环境基线，同时勘探活动相应的监测方案，评估拟定活动对环境的潜在影响，提交环境影响评估报告。因此，深海采矿车采矿活动要进行环境评估，就必须对深海采矿活动造成的环境扰动进行监测，而目前针对采矿车环境扰动数据的采集方法难以采集到采矿车工作时的实时数据，无法对深海采矿车采矿作业的环境扰动进行全面的综合评估，对扰动时悬浮物扩散情况的监测常需通过另布置ROV或AUV进行，大大增加了人力物力成本，其数据采集位置距扰动源较远，采集到的数据少，效率低，给环境评估带来困难。

如今，直接用于深海采矿车环境扰动监测的方法无任何专利公开，故开发一种能够实时可靠的进行深海采矿车环境扰动的监测方法及系统对于海洋环境保护具有重要研究价值。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于提供一种深海采矿车对环境扰动的监测系统，该监测系统能够实时可靠地对深海采矿车在活动过程中对环境的扰动进行监测。

为了实现上述目的，本实用新型提供了一种深海采矿车对环境扰动的监测系统，监测系统包括车载固定式环境监测实时子系统、可旋转多自由度环境实时监测装置、环境实时监测节点、无缆环境自主监测边缘节点和水面数据采集与存储系统，车载固定式环境监测实时子系统安装在采矿车上，可旋转多自由度环境实时监测装置可旋转地安装在采矿车的顶部，环境实时监测节点安装在采矿车与水面作业船连接的铠装电缆上，且环境实时监测节点安装在铠装电缆上靠近采矿车的一端，无缆环境自主监测边缘节点安装在铠装电缆上，水面数据采集与存储系统安装在水面作业船上，车载固定式环境监测实时子系统、可旋转多自由度环境实时监测装置、环境实时监测节点和无缆环境自主监测边缘节点均与水面数据采集与存储系统相连接。

进一步地，车载固定式环境监测实时子系统包括海底羽状流监测装置、环境监测模块和采集及通信模块，海底羽状流监测装置和环境监测模块均与采集及通信模块相连接，采集及通信模块通过铠装电缆与水面数据采集与存储系统相连接。

进一步地，海底羽状流监测装置包括浊度计、海流计、车载摄像头、车载照明灯和深度计，浊度计、海流计、车载摄像头、车载照明灯和深度计均与采集及通信模块相连接；

环境监测模块包括叶绿素监测探头、温度监测探头、盐度监测探头和溶解氧监测探头，叶绿素监测探头、温度监测探头、盐度监测探头和溶解氧监测探头均与采集及通信模块相连接；

采集及通信模块包括数据采集器和通信转化单元，海底羽状流监测装置和环境监测模块均与数据采集器连接，数据采集器与通信转化单元连接，通信转化单元通过铠装电缆与水面数据采集与存储系统连接。

进一步地，可旋转多自由度环境实时监测装置包括：

旋转架，可转动地安装在采矿车的顶部；

机械臂，安装在旋转架上；

云台，安装在机械臂远离与旋转架连接的一端，云台上安装照明灯、摄像头和浊度探头；

摄像头和浊度探头均与通信转化单元相连接。

进一步地，环境实时监测节点包括一海洋环境监测装置，海洋环境监测装置安装在一铠装电缆上，铠装电缆与一浮球连接架相连接，浮球连接架上安装一主浮球，主浮球内嵌式安装一超短基线声学定位信标，海洋环境监测装置通过一光电缆与通信转化单元连接。

进一步地，海洋环境监测装置上连接一锚链，锚链通过一夹具挂载在铠装电缆上。

进一步地，海洋环境监测装置包括一用于监测海洋环境监测装置处的环境数据的环境监测模块和一用于对海水进行原位实时取样的水样采集器。

进一步地，无缆环境自主监测边缘节点由海洋环境监测装置构成，海洋环境监测装置通过夹具安装在铠装电缆上。

进一步地，环境实时监测节点的数量为多个，并以采矿车顶部的铠装电缆安装位置为起点进行安装，相邻环境实时监测节点之间间隔10-20米；无缆环境自主监测边缘节点的数量为多个，相邻无缆环境自主监测边缘节点之间间隔900-1100米。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

(1)本实用新型通过车载固定式环境监测实时子系统对采矿车附近环境中的扰动源进行实时监测；通过可旋转多自由度环境实时监测装置对扰动源周围悬浮颗粒物的扩散情况进行实时监控，并对采矿过程中扰动源周围不同角度的浊度进行实时监测；通过环境实时监测节点对扰动源附近不同水深处的羽状流流速、羽状流范围及海洋环境进行近距离监测；并通过将上述监测数据与无缆环境自主监测边缘节点的监测数据进行分析和比较，实现对采矿车深海采矿所产生的扰动进行全方位监测。

(2)挂载在铠装电缆上的环境实时监测节点和无缆环境自主监测边缘节点可以随采矿车一起布放和回收，可重复使用，通过铠装电缆、锚链进行连接，并通过夹具安装在铠装电缆上，便于布放和回收节点，且不易与铠装电缆相缠绕。

(3)通过设置无缆环境自主监测边缘节点进行数据采集，将其采集到的数据作为对照组，保证了环境影响评估的客观性和精确性，便于分析和比较。

(4)与传统的使用ROV或AUV对悬浮物扩散情况进行监测的方法相比，本实用新型通过在铠装电缆上挂载环境监测潜标，离扰动源更近，数据更加准确，并且节省人力物力，提高了数据的实时性和准确性。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1为本实用新型实施例的采矿车、水面作业船及监测系统的结构示意简图。

图2为本实用新型实施例的采矿车的结构示意简图。

图3为本实用新型实施例的监测系统的连接框图。

图4为本实用新型实施例的环境实时监测节点示意简图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

1、车载固定式环境监测实时子系统；2、可旋转多自由度环境实时监测装置；3、环境实时监测节点；4、无缆环境自主监测边缘节点；5、水面数据采集与存储系统；21、旋转架；22、机械臂；23、云台；24、照明灯；25、摄像头；26、浊度探头；31、海洋环境监测装置；33、浮球连接架；34、主浮球；35、超短基线声学定位信标；36、光电缆；37、锚链；38、夹具；100、采矿车；200、水面作业船；300、铠装电缆。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本实用新型作更全面、细致地描述，但本实用新型的保护范围并不限于以下具体的实施例。需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本实用新型专利申请说明书以及权利要求书中使用的“一个”或者“一”等类似词语不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也相应地改变。

参见图1至图4，一种本实用新型实施例的深海采矿车对环境扰动的监测系统，该监测系统主要包括车载固定式环境监测实时子系统1、可旋转多自由度环境实时监测装置2、环境实时监测节点3、无缆环境自主监测边缘节点4和水面数据采集与存储系统5。车载固定式环境监测实时子系统1、可旋转多自由度环境实时监测装置2、环境实时监测节点3和无缆环境自主监测边缘节点4均与水面数据采集与存储系统5相连接。其中，车载固定式环境监测实时子系统1固定安装在采矿车100上，用于对采矿车100附近环境中的扰动源进行实时监测；可旋转多自由度环境实时监测装置2可旋转地安装在采矿车100的顶部，用于对扰动源周围悬浮颗粒物的扩散情况进行实时监控，并对采矿过程中扰动源周围不同角度的浊度进行实时监测；环境实时监测节点3安装在采矿车100与水面作业船200连接的铠装电缆300上，且该环境实时监测节点3安装在铠装电缆300上靠近采矿车100的一端，该环境实时监测节点3用于对扰动源附近不同水深处的羽状流流速、羽状流范围及海洋环境进行近距离监测；无缆环境自主监测边缘节点4安装在铠装电缆300上，用于对所在深度处的海水浊度、海水流速、羽状流激起的悬浮颗粒物沉降范围进行监测，存储监测数据，并对所在深度处的海水进行取样；水面数据采集与存储系统5安装在水面作业船200上，用于对车载固定式环境监测实时子系统1、可旋转多自由度环境实时监测装置2、环境实时监测节点3和无缆环境自主监测边缘节点4监测的数据进行采集及存储处理，得到可供环境分析的数据。

上述的深海采矿车对环境扰动的监测系统，通过设置车载固定式环境监测实时子系统对采矿车附近环境中的扰动源进行实时监测；设置可旋转多自由度环境实时监测装置对扰动源周围悬浮颗粒物的扩散情况进行实时监控，并对采矿过程中扰动源周围不同角度的浊度进行实时监测；设置环境实时监测节点对扰动源附近不同水深处的羽状流流速、羽状流范围及海洋环境进行近距离监测；设置无缆环境自主监测边缘节点4对所在不同深度处的海水浊度、海水流速、羽状流激起的悬浮颗粒物沉降范围进行监测，存储监测数据，并对所在深度处的海水进行取样；水面数据采集与存储系统5综合车载固定式环境监测实时子系统1、可旋转多自由度环境实时监测装置2和环境实时监测节点3的监测数据，并将其与无缆环境自主监测边缘节点4的监测数据进行对比分析，实现了对采矿车深海采矿所产生的扰动的全方位监测，提高了监测数据的准确性和可靠性。

在本实施例中，车载固定式环境监测实时子系统1包括海底羽状流监测装置、环境监测模块和采集及通信模块。海底羽状流监测装置和环境监测模块均与采集及通信模块相连接，采集及通信模块通过铠装电缆300与水面数据采集与存储系统5相连接。其中，海底羽状流监测装置用于采集海底浊度和底流流速，并监测采矿过程中海底羽状流的沉降扩散时间和范围；环境监测模块用于采集深海海水的理化性质和生物状态；海底羽状流监测装置和环境监测模块均与采集及通信模块连接，该采集及通信模块通过铠装电缆300与水面数据采集与存储系统5进行数据连接；该采集及通信模块用于将海底羽状流监测装置和环境监测模块监测的数据发送至水面数据采集与存储系统5。如此设置，通过海底羽状流监测装置采集海底浊度和底流流速，并监测采矿过程中海底羽状流的沉降扩散时间和范围；通过环境监测模块采集深海海水的理化性质和生物状态；将采集到的上述数据通过采集及通信模块发送至水面数据采集与存储系统5进行分析和处理；有利于实时、准确地获取采矿车100附近环境的相关数据。

具体来说，在本实施例中，海底羽状流监测装置包括均安装在采矿车100上的浊度计、海流计、车载摄像头、车载照明灯和深度计；浊度计、海流计、车载摄像头、车载照明灯和深度计均与采集及通信模块相连接。其中，浊度计用于采集海底的浊度，海流计用于采集底流流速，车载摄像头和车载照明灯用于监测采矿过程中海底羽状流的沉降扩散时间和范围。环境监测模块包括均安装在采矿车100上的叶绿素监测探头、温度监测探头、盐度监测探头和溶解氧监测探头，叶绿素监测探头、温度监测探头、盐度监测探头和溶解氧监测探头均与采集及通信模块相连接。上述探头分别用于监测采矿车100附近环境中的叶绿素含量、温度、盐度及溶解氧浓度。采集及通信模块包括一个数据采集器和一个通信转化单元，海底羽状流监测装置和环境监测模块均与该数据采集器连接，数据采集器通过RS-485总线与通信转化单元连接，通信转化单元通过铠装电缆300与水面数据采集与存储系统5进行数据连接。通过上述的结构设置，可以实时获取采矿车100附近环境中的海水浊度、底流流速、海底羽状流的沉降扩散时间和范围、叶绿素含量、温度高低、盐度大小及溶解氧浓度，更加有利于提高监测结果的准确性。上述海底羽状流监测装置、环境监测模块和采集及通信模块中的元件可以采用现有元件。

在本实施例中，可旋转多自由度环境实时监测装置2包括旋转架21、机械臂22、云台23、照明灯24、摄像头25和浊度探头26。其中，旋转架21可转动地安装在采矿车100的顶部；机械臂22安装在旋转架21上；云台23安装在机械臂22远离与旋转架21连接的一端，云台23上安装有照明灯24、摄像头25和浊度探头26；并且，该摄像头25和浊度探头26均与通信转化单元相连接；机械臂22为可伸缩的结构。机械臂22可以在采矿车100上进行旋转，其可旋转的角度超过180°，水面操作人员可通过转动机械臂22和调节机械臂22的长度来控制机械臂22上的摄像头25的拍摄位置，使得摄像头25对采矿车100附近海底悬浮颗粒物的扩散情况实时无死角拍摄。摄像头25拍摄的画面数据输出至通信转化单元，再传输至水面数据采集与存储系统5，实现了扰动源周围悬浮颗粒物扩散情况的实时监控。浊度探头26用于监测采矿过程中不同角度的浊度数据，并将采集到的浊度数据输出至通信转化单元。

在本实施例中，环境实时监测节点3包括一个海洋环境监测装置31，该海洋环境监测装置31安装在一根铠装电缆300上，该铠装电缆300与一个浮球连接架33相连接，该浮球连接架33上安装有一个主浮球34，该主浮球34内嵌式安装有一个超短基线声学定位信标35，该超短基线声学定位信标35仅有声学信号发射部件露出主浮球34，海洋环境监测装置31通过一根光电缆36与通信转化单元连接；采矿车100通过光电缆36向环境实时监测节点3输送电力。如此设置，通过主浮球34可防止海洋环境监测装置31与采矿车100或海底发生碰撞，通过超短基线声学定位信标35可实现环境实时监测节点3的准确定位，通过海洋环境监测装置31可对环境实时监测节点3处的环境参数进行实时监测。

进一步地，在本实施例中，海洋环境监测装置31上连接有一根锚链37，该锚链37通过一个夹具38将整个环境实时监测节点3挂载在铠装电缆300上。这样设置，可以将环境实时监测节点3与铠装电缆300进行拆装，方便对环境实时监测节点3进行布放和回收。另外，铠装电缆300和锚链37可以设置地短一些，避免其与铠装电缆300相互缠绕。

具体来说，在本实施例中，海洋环境监测装置31包括一个环境监测模块和一个水样采集器，该环境监测模块用于监测海洋环境监测装置31处的环境参数，该水样采集器用于对海水进行原位实时取样。环境监测模块包括浊度计、海流计、监测摄像头、监测照明灯、深度计、叶绿素探头、温度探头、盐度探头和溶解氧探头。环境实时监测节点3的数量为三个，且环境实时监测节点3以采矿车100顶部的铠装电缆300安装位置为起点进行安装，相邻环境实时监测节点3之间间隔10米。实现对扰动源近端不同水深情况下对扰动源产生的羽状流流速、范围及海洋环境的近距离实时监测。

在本实施例中，无缆环境自主监测边缘节点4由海洋环境监测装置31构成，该海洋环境监测装置31通过夹具38安装在铠装电缆300上，方便布放和回收；无缆环境自主监测边缘节点4的数量为多个，多个无缆环境自主监测边缘节点4以采矿车100顶部铠装电缆300安装位置为起点，在铠装电缆300上每隔1000米安装一个，无缆环境自主监测边缘节点4的具体安装数量根据实际铠装电缆300的长度而定。通过无缆环境自主监测边缘节点4对不同深度和位置的海洋环境参数和悬浮颗粒物进行监测，再对监测到的数据自动处理，并将数据处理结果进行自动存储，回收无缆环境自主监测边缘节点4后可对数据处理结果进行提取。该海洋环境监测装置31与环境实时监测节点3中的海洋环境监测装置31一样，能够对其所在深度的海水浊度、海水流速以及羽状流激起的悬浮颗粒物沉降范围进行监测，将监测数据进行自动存储，并实现对海水的原位取样。该挂载在铠装电缆300上的无缆环境自主监测边缘节点4在随采矿车100布放时进行布置，回收时随采矿车100回收同时进行回收。

采用上述的监测系统监测深海采矿车对环境的扰动的方法如下：

通过车载固定式环境监测实时子系统1采集采矿车100附近环境的海底浊度和底流流速，监测采矿过程中海底羽状流的沉降扩散时间和范围，采集深海海水的理化性质和生物状态，并将数据发送至水面数据采集与存储系统5；

通过可旋转多自由度环境实时监测装置2监测扰动源周围悬浮颗粒物的扩散情况，监测采矿过程中扰动源周围不同角度的浊度，并将监测数据发送至水面数据采集与存储系统5；

通过环境实时监测节点3监测扰动源附近不同水深处的羽状流流速、羽状流范围及海洋环境，并将监测数据发送至水面数据采集与存储系统5；

通过无缆环境自主监测边缘节点4原位监测海水浊度、海水流速、羽状流激起的悬浮颗粒物沉降范围，存储监测数据，并对所在深度处的海水进行取样；

水面数据采集与存储系统5结合车载固定式环境监测实时子系统1、可旋转多自由度环境实时监测装置2和环境实时监测节点3的监测数据，并以无缆环境自主监测边缘节点4的监测数据作为对照组，综合处理得到环境分析数据。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种深海采矿车对环境扰动的监测系统，其特征在于，所述监测系统包括车载固定式环境监测实时子系统(1)、可旋转多自由度环境实时监测装置(2)、环境实时监测节点(3)、无缆环境自主监测边缘节点(4)和水面数据采集与存储系统(5)，所述车载固定式环境监测实时子系统(1)安装在采矿车(100)上，所述可旋转多自由度环境实时监测装置(2)可旋转地安装在所述采矿车(100)的顶部，所述环境实时监测节点(3)安装在所述采矿车(100)与水面作业船(200)连接的铠装电缆(300)上，且所述环境实时监测节点(3)安装在所述铠装电缆(300)上靠近所述采矿车(100)的一端，所述无缆环境自主监测边缘节点(4)安装在所述铠装电缆(300)上，所述水面数据采集与存储系统(5)安装在所述水面作业船(200)上，所述车载固定式环境监测实时子系统(1)、所述可旋转多自由度环境实时监测装置(2)、所述环境实时监测节点(3)和所述无缆环境自主监测边缘节点(4)均与所述水面数据采集与存储系统(5)相连接。

2.根据权利要求1所述的深海采矿车对环境扰动的监测系统，其特征在于，所述车载固定式环境监测实时子系统(1)包括海底羽状流监测装置、环境监测模块和采集及通信模块，所述海底羽状流监测装置和所述环境监测模块均与所述采集及通信模块相连接，所述采集及通信模块通过所述铠装电缆(300)与所述水面数据采集与存储系统(5)相连接。

3.根据权利要求2所述的深海采矿车对环境扰动的监测系统，其特征在于，

所述海底羽状流监测装置包括浊度计、海流计、车载摄像头、车载照明灯和深度计，所述浊度计、所述海流计、所述车载摄像头、所述车载照明灯和所述深度计均与所述采集及通信模块相连接；

所述环境监测模块包括叶绿素监测探头、温度监测探头、盐度监测探头和溶解氧监测探头，所述叶绿素监测探头、所述温度监测探头、所述盐度监测探头和所述溶解氧监测探头均与所述采集及通信模块相连接；

所述采集及通信模块包括数据采集器和通信转化单元，所述海底羽状流监测装置和所述环境监测模块均与所述数据采集器连接，所述数据采集器与所述通信转化单元连接，所述通信转化单元通过所述铠装电缆(300)与所述水面数据采集与存储系统(5)连接。

4.根据权利要求3所述的深海采矿车对环境扰动的监测系统，其特征在于，所述可旋转多自由度环境实时监测装置(2)包括：

旋转架(21)，可转动地安装在所述采矿车(100)的顶部；

机械臂(22)，安装在所述旋转架(21)上；

云台(23)，安装在所述机械臂(22)远离与所述旋转架(21)连接的一端，所述云台(23)上安装照明灯(24)、摄像头(25)和浊度探头(26)；

所述摄像头(25)和所述浊度探头(26)均与所述通信转化单元相连接。

5.根据权利要求3所述的深海采矿车对环境扰动的监测系统，其特征在于，所述环境实时监测节点(3)包括一海洋环境监测装置(31)，所述海洋环境监测装置(31)安装在一铠装电缆(300)上，所述铠装电缆(300)与一浮球连接架(33)相连接，所述浮球连接架(33)上安装一主浮球(34)，所述主浮球(34)内嵌式安装一超短基线声学定位信标(35)，所述海洋环境监测装置(31)通过一光电缆(36)与所述通信转化单元连接。

6.根据权利要求5所述的深海采矿车对环境扰动的监测系统，其特征在于，所述海洋环境监测装置(31)上连接一锚链(37)，所述锚链(37)通过一夹具(38)挂载在所述铠装电缆(300)上。

7.根据权利要求6所述的深海采矿车对环境扰动的监测系统，其特征在于，所述海洋环境监测装置(31)包括一用于监测所述海洋环境监测装置(31)处的环境数据的环境监测模块和一用于对海水进行原位实时取样的水样采集器。

8.根据权利要求7所述的深海采矿车对环境扰动的监测系统，其特征在于，所述无缆环境自主监测边缘节点(4)由所述海洋环境监测装置(31)构成，所述海洋环境监测装置(31)通过所述夹具(38)安装在所述铠装电缆(300)上。

9.根据权利要求1所述的深海采矿车对环境扰动的监测系统，其特征在于，所述环境实时监测节点(3)的数量为多个，并以所述采矿车(100)顶部的所述铠装电缆(300)安装位置为起点进行安装，相邻所述环境实时监测节点(3)之间间隔10-20米；所述无缆环境自主监测边缘节点(4)的数量为多个，相邻所述无缆环境自主监测边缘节点(4)之间间隔900-1100米。

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