徐亦唐，莊肖波，馮 倩，陳佳斌，陳寶源

(江蘇科技大學(xué)電子信息學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

艙底水實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的研究

徐亦唐，莊肖波，馮 倩，陳佳斌，陳寶源

(江蘇科技大學(xué)電子信息學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

以艙底水含油量的監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)為基礎(chǔ)，對(duì)其系統(tǒng)組成及檢測(cè)基本原理進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹。主要針對(duì)一種新型艙底水報(bào)警裝置，該裝置采用近紅外散射法進(jìn)行檢測(cè)，使用單片機(jī)作為信號(hào)處理器，具有實(shí)時(shí)性好、準(zhǔn)確度高、成本低等特點(diǎn)，適合在船舶上推廣使用。同時(shí)，還就信號(hào)的處理提出了意見。通過對(duì)誤差的分析，采用條件判斷與滑動(dòng)平均數(shù)結(jié)合的算法，有效提高了報(bào)警控制裝置的可靠性。

艙底水檢測(cè)；紅外散射法；單片機(jī)

0 引言

隨著近年來環(huán)境問題的日益突出及人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，人們?cè)絹碓阶⒅貙?duì)環(huán)境的保護(hù)以及對(duì)各類環(huán)境問題解決方法的研究。作為人類賴以生存的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，水資源除了由于時(shí)空分布不均導(dǎo)致的短缺問題外，還由于日益嚴(yán)重的污染導(dǎo)致供不應(yīng)求。每年有大量“三廢”之一的廢水未經(jīng)處理或處理未達(dá)標(biāo)便進(jìn)行排放。超標(biāo)量的油污水排放，既污染水域環(huán)境，又危及土質(zhì)和水資源。為此，國(guó)際海事組織通過了MEPC.107決議加強(qiáng)了海洋的保護(hù)，我國(guó)的《中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)法(試行)》規(guī)定禁止船舶向沿海水域排放含油物質(zhì)。但是,受利潤(rùn)驅(qū)使的船舶違章排放艙底含油污水的現(xiàn)象仍時(shí)有發(fā)生，導(dǎo)致港口水域的油污染。為了及時(shí)追查違章排放者，防止港口水域的進(jìn)一步污染,需要及時(shí)鑒別船舶艙底水污油的方法,以此判別排污源。

對(duì)比目前國(guó)內(nèi)外檢測(cè)污水油含量的2種主要方法。采用人工取樣分析方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠測(cè)定污水含油量，其精度高、準(zhǔn)確性好的特點(diǎn)使其可以作為檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)。但其存在不可克服的缺點(diǎn)，如：檢測(cè)所需時(shí)間長(zhǎng)、受人為因素影響較大，這些特點(diǎn)決定了它無法適應(yīng)檢測(cè)實(shí)時(shí)性、標(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)化的要求。另一種檢測(cè)方法是通過在線監(jiān)測(cè)分析對(duì)船舶進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。但是目前存在的污水油濃度在線檢測(cè)方法都存在種種缺點(diǎn)，無法完全勝任工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的任務(wù)，將其作為真正的檢測(cè)儀表使用還需要進(jìn)行改進(jìn)。因此，本文對(duì)污水油的在線檢測(cè)進(jìn)行研究，以基于近紅外的檢測(cè)裝置為基礎(chǔ)提供一種新的檢測(cè)手段。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

分析檢測(cè)對(duì)象得知，船舶航行過程中的艙底水屬于含油污水，主要的待檢污染物為水中的污油。船舶艙底水的處理排放裝置主要由污水處理裝置、污水檢查檢測(cè)和污水排放裝置3部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 艙底水檢測(cè)處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

其中，污水處理部分負(fù)責(zé)對(duì)污水進(jìn)行處理，降低污水含油量。通常在污水處理裝置中，裝置通過鹽析法、絮凝法、粗?；ǖ确椒▽?duì)含油污水進(jìn)行處理。在處理結(jié)束后，將處理后的污水導(dǎo)向污水排放裝置，同時(shí)將部分處理后的污水流入污水檢測(cè)裝置進(jìn)行檢測(cè)。

污水檢測(cè)裝置主要負(fù)責(zé)通過傳感器采集未處理污水含油量的信息，并按設(shè)定程序發(fā)出控制信號(hào)控制污水排放部分的運(yùn)行。檢測(cè)報(bào)警部分對(duì)于污水含油量的檢測(cè)方法，目前主要有超聲法、紅外分光光度法、色譜法、熒光光度法等。

污水排放裝置則根據(jù)檢測(cè)部分傳來的信號(hào)對(duì)處理過的污水排放情況進(jìn)行控制。若檢測(cè)的結(jié)果達(dá)標(biāo)，則將污水順利排放。否則，將污水經(jīng)管道導(dǎo)回污水處理裝置進(jìn)行再處理。

其系統(tǒng)控制一般可以采用閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2艙底水檢測(cè)處理系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖

2 檢測(cè)裝置及其原理

由于船舶航行的特殊環(huán)境限制，考慮到檢測(cè)對(duì)實(shí)時(shí)性、靈敏度以及設(shè)備成本的要求，本文選用近紅外散射法對(duì)污水含油量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2.1檢測(cè)原理

參照目前采用的各類對(duì)含油污水的檢測(cè)方法，本文選用基于近紅外散射的含油污水檢測(cè)方法。本方法以礦物油在水中以油滴形式存在形成的乳濁液為基本條件，通過前置裝置對(duì)礦物油進(jìn)行處理，得到乳濁液作為待檢樣本。當(dāng)近紅外光束穿過樣本時(shí)，光束的光強(qiáng)會(huì)因?yàn)榈V物油微粒的散射、吸收作用而衰減。對(duì)無特征吸收波長(zhǎng)的情況，礦物油微粒對(duì)光的吸收極其微弱。通過從近紅外光散射的空間分布將污水含油量轉(zhuǎn)換為光學(xué)量進(jìn)行測(cè)量。

根據(jù)物理學(xué)上的散射理論，當(dāng)平行光入射到一個(gè)微粒半徑為R的各項(xiàng)同性的球形微粒上時(shí)，空間某點(diǎn)P處的散射光強(qiáng)I(P)為[2]：

(1)

式中：λ為入射光在真空中的波長(zhǎng)；I0為入射光的光強(qiáng)；R為點(diǎn)P距散射微粒的距離；θ為散射角；i1(θ)、i2(θ)為散射強(qiáng)度函數(shù)，i1(θ)為平行于散射面的散射光強(qiáng)度分量，i2(θ)為垂直于散射面的散射光強(qiáng)度分量，兩分量均與折射率m、散射角θ及無因次參量微粒粒徑參數(shù)α相關(guān)。

由式(2)可知微粒粒徑參數(shù)α在入射光條件相同時(shí)只與介質(zhì)本身中引起散射現(xiàn)象的微粒相關(guān)。

(2)

式中：d為球形微粒的直徑；m1為微粒周圍分散介質(zhì)的折射率。

由式(1)和式(2)可知，在入射光(波長(zhǎng)λ、光強(qiáng)I0一定)及相對(duì)位置(點(diǎn)P距散射微粒的距離R、散射角θ)等外界條件一致時(shí)，通過微粒乳濁液的散射光的空間分布僅與微粒粒徑的無因次參量α、微粒材質(zhì)的折射率m有關(guān)。若假定污水中物質(zhì)種類不變，則折射率m固定，由此可以得出P點(diǎn)處散射光強(qiáng)度I(P)隨顆粒尺寸參數(shù)α變化的情況。

另外，對(duì)于不相干的單散射，空間中某點(diǎn)的散射光的強(qiáng)度是溶液中各微粒的散射光在該點(diǎn)處強(qiáng)度的疊加，這也是通過散射光光強(qiáng)測(cè)定微粒濃度的測(cè)量的基礎(chǔ)。

將微粒散射理論應(yīng)用到污水含油量檢測(cè)中,通過對(duì)油滴散射光的粒度和光強(qiáng)度空間分布的測(cè)定，可以測(cè)量被檢測(cè)污水的含油量，從而達(dá)到對(duì)油污水含油量進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)的目的。

2.2污水檢測(cè)裝置

近紅外散射法的檢測(cè)裝置主要由1個(gè)發(fā)射近紅外光的二極管、2個(gè)接收紅外光并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的光電三極管以及濾波放大電路構(gòu)成。

近紅外發(fā)射端發(fā)出的近紅外光在經(jīng)由通入待檢測(cè)污水的透明水管后，發(fā)生散射。其中，近紅外光的直射部分由位于正對(duì)近紅外發(fā)射端的近紅外直射接收端接收，散射部分由與近紅外發(fā)射端發(fā)射方向成一定角度的近紅外散射接收端接收。近紅外直射接收端和近紅外散射接收端能夠?qū)⒔邮盏降慕t外光按光強(qiáng)的大小產(chǎn)生不同的電流，從而完成由光學(xué)信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)化。近紅外檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 近紅外檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

通過近紅外檢測(cè)裝置采集的電信號(hào)將作為基礎(chǔ)信號(hào)輸入系統(tǒng)，再經(jīng)由濾波、放大電路等處理電路對(duì)信號(hào)加以預(yù)處理后，由輸出接口將信號(hào)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)。在單片機(jī)中，采集的信號(hào)將通過設(shè)定的算法進(jìn)一步處理，并完成設(shè)定功能(如處理控制信號(hào)、報(bào)警信號(hào)的產(chǎn)生)的實(shí)現(xiàn)。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 艙底水檢測(cè)報(bào)警裝置結(jié)構(gòu)圖

2.3特點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：實(shí)時(shí)性較強(qiáng)，準(zhǔn)確度較高，成本低，裝置簡(jiǎn)單，適合產(chǎn)品化進(jìn)行推廣。

缺點(diǎn)：易受雜質(zhì)等因素干擾。

3 誤差分析與數(shù)據(jù)處理

由于檢測(cè)裝置在測(cè)量污水含油量時(shí)易受干擾，其測(cè)量結(jié)果常常伴有誤差具有不穩(wěn)定性。因此，需要對(duì)可能出現(xiàn)的誤差進(jìn)行分析，并在軟件中考慮對(duì)誤差進(jìn)行處理。

3.1誤差分析

在排除儀器故障的可能后，對(duì)實(shí)驗(yàn)樣本進(jìn)行分析：發(fā)現(xiàn)近紅外光線在乳濁液中傳播，由于存在乳化的細(xì)小油滴，發(fā)生散射現(xiàn)象。但是在實(shí)際環(huán)境中，含油污水成分較為復(fù)雜，不排除乳濁液中存在雜質(zhì)可能影響到近紅外光散射的可能性，由此可能會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成影響，導(dǎo)致測(cè)量誤差的出現(xiàn)。

3.2數(shù)據(jù)處理

為防止由于雜質(zhì)等原因引起的誤報(bào)、漏報(bào)，需要對(duì)采集到的數(shù)據(jù)作進(jìn)一步的處理。這里通過軟硬件相結(jié)合的方式，減少發(fā)生錯(cuò)誤情況的可能性。在硬件上，主要采取分段多次檢測(cè)的方法利用冗余提高檢測(cè)結(jié)果的可靠性。在軟件上，按照一定的算法對(duì)多個(gè)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行篩選，剔除異常值，從而在一定程度上消除由雜質(zhì)等原因引起的錯(cuò)誤。

由于測(cè)量對(duì)象為通過檢測(cè)裝置的污水的含油量，且采樣頻率對(duì)于污水流速較高，由此可知，相鄰2次測(cè)量得到的結(jié)果應(yīng)該在較小的合理范圍內(nèi)變動(dòng)。根據(jù)這一結(jié)論，在對(duì)檢測(cè)結(jié)果的處理中，通過算法設(shè)定連續(xù)測(cè)量結(jié)果的變化范圍判斷異常值，可有效防止異常值引起的誤差。通過取多次檢測(cè)結(jié)果的平均數(shù)作為最終檢測(cè)結(jié)果，可使系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)一步提高，從而提高控制及報(bào)警措施的執(zhí)行效率。因此，本文對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的處理主要采用去異常值后取滑動(dòng)平均數(shù)的方法。

去除異常值主要通過將新采樣結(jié)果Xn與上次采樣結(jié)果Xn-1對(duì)比實(shí)現(xiàn)，這里通過實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)確定相鄰2次采樣結(jié)果的合理變化范圍β。對(duì)于新采樣結(jié)果Xn，若其在Xn-1(1-β)至Xn-1(1+β)之間，則判定為有效。否則，作為無效采樣結(jié)果。

對(duì)去除異常值以后的數(shù)據(jù)求滑動(dòng)平均數(shù)，其公式如下：

(3)

式中：Yn為求得的滑動(dòng)平均數(shù)，作為報(bào)警控制決策根據(jù)的檢測(cè)結(jié)果；Xn為去除異常值后的有效采樣結(jié)果；S為滑動(dòng)平均數(shù)的樣本個(gè)數(shù)。

其算法流程圖如圖5所示。

圖5 檢測(cè)結(jié)果處理算法流程圖

在流程圖中，Xn為第n次采樣結(jié)果；β為算法中預(yù)設(shè)的有效采樣結(jié)果的合理變化范圍；Yn為經(jīng)處理后產(chǎn)生的最終檢測(cè)結(jié)果。

以此算法為基礎(chǔ)，在MATLAB平臺(tái)上進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。其結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 出異常值算法的仿真結(jié)果

圖7 滑動(dòng)平均數(shù)算法仿真結(jié)果

圖中，設(shè)定有效采樣結(jié)果的合理變化范圍β為20%。結(jié)果顯示，采用過限定有效變化范圍的異常值排除算法可以有效排除異常值對(duì)采樣結(jié)果的影響，使其結(jié)果更貼近污水含油量的客觀變化情況。

在上圖的實(shí)驗(yàn)仿真中，設(shè)定用于求取滑動(dòng)平均數(shù)的樣本個(gè)數(shù)S為5。結(jié)果表明，在經(jīng)過5次采樣后，檢測(cè)系統(tǒng)的輸出結(jié)果趨于平滑。通過去除異常值和求滑動(dòng)平均數(shù)后得到的結(jié)果已較為穩(wěn)定，其曲線更符合艙底水含油量的實(shí)際變化規(guī)律。去除異常值和求滑動(dòng)平均數(shù)的算法，可以起到提高檢測(cè)系統(tǒng)準(zhǔn)確性與可靠性，減少誤報(bào)錯(cuò)誤的作用。

4 結(jié)論

作為一種新型艙底水檢測(cè)報(bào)警裝置，本系統(tǒng)采用近紅外散射法測(cè)量污水含油量，并通過算法對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，有效提高了報(bào)警的準(zhǔn)確度，加強(qiáng)了對(duì)艙底水處理過程的控制。本系統(tǒng)較好地完成了檢測(cè)報(bào)警控制目標(biāo)，且具有實(shí)時(shí)性較強(qiáng)、成本低、裝置簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，適合產(chǎn)品化進(jìn)行推廣。

[1]費(fèi)業(yè)泰.誤差理論與數(shù)據(jù)處理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[2]趙友全,鄒瑞杰,陳玉榜,房彥軍.近紅外散射法測(cè)定水中礦物油含量研究[J].光譜學(xué)與光譜分析，2012,5(32):1 213-1 216.

2014-03-31

徐亦唐(1992-)，男，本科，主要從事研究測(cè)控技術(shù)與儀器的研究；莊肖波(1973-)，男，高級(jí)工程師，主要從事船舶自動(dòng)化的研究。

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