基于北斗的海面溢油监测以及应急处理系统.doc

创新应用方案 基于北斗的海面溢油监测以及应急处理系统【摘要】本项目根据北斗导航卫星定位系统、数据库系统、摄影遥感技术以及信息平台处理系统动态实时地监测海上溢油事故，并调用应急方案及时有效地处理海上溢油事故。有效地减少溢油事故对资源环境、生态平衡、渔业养殖等的破坏程度。【关键词】北斗卫星导航、北斗浮标、溢油、数据库1、项目背景1.1海面溢油现象及其原因近年来，随着海上油田的不断发掘以及对石油资源需求的不断增加，我国海洋石油工业已经取得了令人瞩目的成果，形成了渤海、东海 、南海西部、南海东部等四大海洋石油基地。然而，在海上油气田开发过程中，由于涉及大量易燃、易爆等天然气体，以及石油自身开采过程中的复杂性、环境的多变性和海上交通运油船事故的多发性等一系列原因，溢油风险无处不在。1.2项目目的和意义随着石油开采量和海上石油运输量的日益增长，油田、船舶溢油已是造成海洋环境污染损害的主要因素之一。特大溢油事故险情不断，几千吨的溢油事件发生概率越来越高。溢油事故不仅严重破坏生态环境、生态海洋资源和生态平衡，同时也使经济、石油资源蒙受巨大损失，此外，在一定程度上严重危害人体健康，溢油事故引起的火灾，还可能会导致海上交通瘫痪。本项目系统重在运用北斗卫星导航定位以及遥感平台等先进科技手段加强对海面溢油事故的监测力度，减轻石油溢出海面造成的一系列危害。1.3项目所触及的科技水平 （1）北斗卫星导航系统导航定位。北斗卫星导航系统由空间端、地面端和用户端组成【1】。其中，北斗二代导航系统能够提供快速定位服务。其开放服务在服务区提供定位精度为10米的定位服务。在中国及周边地区，由于北斗二代的5颗GEO卫星的辅助，系统能够提供CAT-1级的精度要求，最终定位精度可达到5米以内【2】。在全球范围内实现了快速定位、简短通信与精密授时三大功能。其中定位精度优于20m,授时精度优于100ns。北斗卫星区别于GPS独有的的短报文通信功能允许用户与用户、用户与地面控制中心之间进行双向数据传输。用户可以一次传送40-60个汉字的短报文信息，可以达到一次传送达120个汉字的信息。其中新型研制的TYMD051北斗短报文通信模块是目前市场上最小的BD1模块，集成度高、功能消耗低、非常适合北斗系统大规模应用的需求。 （2）利用北斗卫星浮标定位通讯技术建立溢油扩散模型。本溢油跟踪浮标通信定位系统由北斗空间卫星、网管中心和用户终端组成，系统结构图如图1所示： 图1 北斗系统拓补结构 卫星终端：使用北斗指挥型用户机，可以使中心站同时监测若干个终端。浮标使用北斗嵌入式终端机，具有体积小，功能消耗低的优点。 应用方式：浮标终端按照设定的报信方式，通过北斗嵌入式终端将数据发送到北斗空间卫星，北斗卫星将数据转发到北斗地面站用户网管中心，同时转发给北斗指挥型终端。 组网方案：采用点到点传输结构模式来实现通信组网方案，进行实现对浮标的监测与控制。控制中心站与远端浮标构成一点对点的传输模式。监控中心站所发出的指令或信息以通播发至所有远端浮标或单独发送到某一指定远端浮标。 电子海图：各级中心站监控平台设备电子海图，指挥机与监控平台相连接，实时将各个浮标的位置在电子海图上显示出来。 系统设备供电设计：为了尽量延长整个系统供电时间，采用两套供电方式，即太阳能与铅酸蓄电池交替供电。电池系统由三块太阳能板和一套铅酸蓄电池组构成，如图2所示： 图2 北斗浮标结构设计 浮力舱设计：由于长期在海面工作，浮力舱受海水长期腐蚀跟电解质的作用磨损很大，海水填充浮力舱导致浮标下沉，因此浮力舱要足够大，其中填满不吸水的泡沫，能使整个浮标漂浮在海面上，保证浮标能更长久的工作。 传感器连接：设置必要的传感器获取数据，传感器通过多串口卡与北斗终端相连接，直接通过接口传出相应数据，再通过多串口控制卡经过处理打包发送至北斗卫星终端，传回监控中心，最后由监控中心解包还原为需要的数据。2、实施内容与目标2.1主要研究内容、实施流程 （1）建立溢油监测系统。系统由浮标、北斗卫星定位系统、溢油跟踪监测平台与遥感平台四部分组成。 浮标根据北斗激发定位指令后，设定北斗自动定位频度，进行自动定位，并向地面控制中心实时提供其所在位置的经度、纬度，定位精度小于10m； 北斗卫星定位系统与浮标之间进行短报文通信、提供精确的经纬度； 溢油跟踪监测平台通过北斗卫星系统实时接收浮标的位置信息，实现对溢油位置、漂移速度、轨迹、方向的跟踪及对溢油未来走向趋势的预测； 遥感平台由航天、航空、飞艇三个遥控平台组成，连通与北斗导航定位卫星动态数据传输机制这一链路，进行点对点的数据影像传输。实现区域内各类基础信息、灾害预防及应急信息的可视化查询。 （2）建立溢油应急系统和动态处理数据库。系统构建在GIS Server地理信息平台之上，GIS是以测绘测量为基础，以数据库作为数据储存和使用的数据源，以计算机编程为平台的全球空间分析即时技术【3】，凭借B/S平台，通过运用数据交换技术，分布式部署技术、GIS技术等搭建一个反应溢油海面漂移动态的地理信息平台；运用GIS地理信息系统软件根据遥感影像制作海区、港口、油田水域的环境敏感图，利用基于北斗浮标原理的扩散模型建立动态模拟溢油系统。如图3所示： 图3北斗浮标模拟溢油扩散模型 （3）建立溢油反应支持系统。此系统涉及的内容包括海区自然条件汇集、环境敏感区区划和绘制敏感图、船舶溢油风险预评价、可资用的人力物力资源、船舶溢油应急信息系统和数据库，信息系统和数据库具有信息采集、信息处理、信息传输、模拟训练和系统管理等基本功能。满足于溢油应急组织管理系统、溢油预测系统、溢油决策系统、可与各种功能对接联网，按照需要随时调用。 （4）建立溢油应急组织指挥系统。选择能支持空间数据库、属性数据库和影像数据库为系统数据库的开发组件；创建适应全国、海区、港口、油田溢油应急反应动态管理和指挥网络系统及应急技术和信息系统数据库。一旦监测到溢油事故，应急组织指挥系统根据监测系统以及反应支持系统返回的数据信息判读溢油泄露程度和周遭自然环境等因素合理地采取相应的大、中、小型应急方案及处理措施。 （5）建立回收油和油污废弃物处理体系。这一体系包括溢油围控装置、溢油的回收或应急处置装置、溢油应急储存装置、溢油应急反应用作业船。 溢油围控装置适于不同情况下使用的各种结构和多种规格的围油栏，用以围控溢油； 溢油的回收或应急处置装置综合利用吸附原理收油的绳式收油机，粘附原理的转盘式收油机，油水比重差的流体力学原理以及真空抽吸原理的收油机； 溢油应急储存装置由海面的浮动油囊和陆地用的轻便油罐构成； 溢油应急反应用作业船以溢油应急反应作业为主功能兼做它用多功能船，满足了实际需要。2.2关键技术、技术理论体系与创新点及流程示意图本项目结合利用了北斗导航卫星的短报文通信与精确定位、授时功能与现代摄影遥感遥测技术的紧密结合，以及新型北斗浮标技术的模拟扩散模型、动态数据库的建立和人工统计处理数据等一系列方法建立建全了一套完整的海面溢油监测和应急处理系统。系统为每个工作空间都设有特有的平台，保证数据在每个平台都能得到妥当处理和有效的传输。各个子系统各司其职，事件一旦触发，子系统根据数据反应的属性信息正确调度各类应急措施。本项目的创新点在于北斗卫星浮标定位通讯装置系统的应用，它可提供定位、通讯功能，具有全天候使用和全程监测能力，是一种稳定可靠、成本低廉的技术方法。目前，采用浮标跟踪水上溢油的技术与产品在国内还是空白，开展基于北斗卫星导航系统的海上溢油跟踪浮标的研究，既能展现北斗在此领域的独特优势，也将填补国内空白。国外微型浮标一般采用ARGOS通信定位系统，或采用GPS系统进行定位、ARGOS系统通信。但无论使用哪种方式，由于受 ARGOS系统卫星过顶时间的限制，使用者每次接收到的浮标信息可能要延迟约4个小时。而这4个小时的“致命”时差，足以造成海上溢油情况的恶化。而北斗卫星导航系统覆盖中国及周边国家和地区，24小时全天候服务，无通信盲区，基本无时间延迟。 北斗浮标是一种与海面油膜漂浮移动性能相似的浮标体，浮标壳体内嵌入北斗定位通讯模块，通过ARM微处理器模块、天线模块、串口板通讯模块按照特定编码制式发送浮标体的经纬度坐标及环境信息，通过北斗卫星系统将该讯号传递至远程接收模块，接收模块按照编码制式解码信息，结合地理信息综合显示电子海图。北斗卫星浮标定位通讯装置系统简洁、维护方便、成本低，满足了海上微型溢油跟踪定位浮标的定位通讯的要求，能够大大提高信号传输的可靠性及实时性。如图4所示为整个系统工作示意图： 图4 基于北斗溢油监测应急系统工作流程图2.3项目的总目标和阶段目标（含预期知识产权状况） （1）项目总目标：建立由“两大平台一大定位一浮标”组成的海面溢油监测系统，实时、动态以及可视化地监测海面动态；建立由GIS、信息数据库等构成的应急指挥系统。 （2）阶段目标： 系统研究：根据已有技术条件，设计出可行性方案； 系统设计与开发：以目标方案为依据，对系统做出总体规划和实施细节； 系统检测：对系统各个应用领域进行功能和可行性的检验； 系统完善：进一步对系统进行功能上的优化； 系统应用：一切功能正常合理后，投入使用。3、实现项目预期目标所具备的工作基础和条件 建立全国及海区电子地图和海图，创建事故多发地解决方案数据库和建立各级溢油决策与应急反应专家系统；创建陆地遥感指挥控制中心平台，北斗卫星导航定位系统区域完善，建立“海陆空”全方位的监测模式；紧密联系周围海警、边防部门，制定和发布相应规章制度，成立溢油应急防治队伍和完善溢油应急防治设备，加强防治队伍自身技能建设；加强与我国海域接壤国家的合作，制定共同互惠的准则，当事故发生地位于与他国接壤海域时，可时刻联系请求支援，防止情况的恶化。4、计划进度与考核指标第一阶段：建立全国及海区电子地图和海图；第二阶段：陆地平台以及数据库的建设；第三阶段：监测系统跟通信系统的创建第四阶段：根据专家统计的历年信息建立应急方案调用系统和指挥系统；第五阶段：防治队伍的建设跟防治设备的引进；第六阶段：后期处理系统的完备。5、项目分工本项目的主要研究人员：吴XX、刘XX、孙XX、张XX项目指导老师：张XX项目分工如下：吴XX：本项目系统与结构的总设计；刘XX：负责前期数据的收集；张XX：负责本项目系统的运行；孙XX：负责后期系统的完善以及成果总结工作。6、项目主要研究人员姓名性别年龄专业学位职称项目中承担工作张XX男37测绘工程博士研究