舱底水实时监测报警系统的研究

徐亦唐，庄肖波，冯 倩，陈佳斌，陈宝源

(江苏科技大学电子信息学院，江苏 镇江 212003)

舱底水实时监测报警系统的研究

徐亦唐，庄肖波，冯 倩，陈佳斌，陈宝源

(江苏科技大学电子信息学院，江苏 镇江 212003)

以舱底水含油量的监测报警系统为基础，对其系统组成及检测基本原理进行了简单的介绍。主要针对一种新型舱底水报警装置，该装置采用近红外散射法进行检测，使用单片机作为信号处理器，具有实时性好、准确度高、成本低等特点，适合在船舶上推广使用。同时，还就信号的处理提出了意见。通过对误差的分析，采用条件判断与滑动平均数结合的算法，有效提高了报警控制装置的可靠性。

舱底水检测；红外散射法；单片机

0 引言

随着近年来环境问题的日益突出及人们环保意识的增强，人们越来越注重对环境的保护以及对各类环境问题解决方法的研究。作为人类赖以生存的重要物质基础，水资源除了由于时空分布不均导致的短缺问题外，还由于日益严重的污染导致供不应求。每年有大量“三废”之一的废水未经处理或处理未达标便进行排放。超标量的油污水排放，既污染水域环境，又危及土质和水资源。为此，国际海事组织通过了MEPC.107决议加强了海洋的保护，我国的《中华人民共和国环境保护法(试行)》规定禁止船舶向沿海水域排放含油物质。但是,受利润驱使的船舶违章排放舱底含油污水的现象仍时有发生，导致港口水域的油污染。为了及时追查违章排放者，防止港口水域的进一步污染,需要及时鉴别船舶舱底水污油的方法,以此判别排污源。

对比目前国内外检测污水油含量的2种主要方法。采用人工取样分析方法的优点是能够测定污水含油量，其精度高、准确性好的特点使其可以作为检测的标准。但其存在不可克服的缺点，如：检测所需时间长、受人为因素影响较大，这些特点决定了它无法适应检测实时性、标准化、自动化的要求。另一种检测方法是通过在线监测分析对船舶进行实时检测。但是目前存在的污水油浓度在线检测方法都存在种种缺点，无法完全胜任工业现场检测的任务，将其作为真正的检测仪表使用还需要进行改进。因此，本文对污水油的在线检测进行研究，以基于近红外的检测装置为基础提供一种新的检测手段。

1 系统构成

分析检测对象得知，船舶航行过程中的舱底水属于含油污水，主要的待检污染物为水中的污油。船舶舱底水的处理排放装置主要由污水处理装置、污水检查检测和污水排放装置3部分组成，其结构如图1所示。

图1 舱底水检测处理系统结构

其中，污水处理部分负责对污水进行处理，降低污水含油量。通常在污水处理装置中，装置通过盐析法、絮凝法、粗粒化法等方法对含油污水进行处理。在处理结束后，将处理后的污水导向污水排放装置，同时将部分处理后的污水流入污水检测装置进行检测。

污水检测装置主要负责通过传感器采集未处理污水含油量的信息，并按设定程序发出控制信号控制污水排放部分的运行。检测报警部分对于污水含油量的检测方法，目前主要有超声法、红外分光光度法、色谱法、荧光光度法等。

污水排放装置则根据检测部分传来的信号对处理过的污水排放情况进行控制。若检测的结果达标，则将污水顺利排放。否则，将污水经管道导回污水处理装置进行再处理。

其系统控制一般可以采用闭环反馈控制系统，如图2所示。

图2舱底水检测处理系统控制结构图

2 检测装置及其原理

由于船舶航行的特殊环境限制，考虑到检测对实时性、灵敏度以及设备成本的要求，本文选用近红外散射法对污水含油量进行监测。

2.1检测原理

参照目前采用的各类对含油污水的检测方法，本文选用基于近红外散射的含油污水检测方法。本方法以矿物油在水中以油滴形式存在形成的乳浊液为基本条件，通过前置装置对矿物油进行处理，得到乳浊液作为待检样本。当近红外光束穿过样本时，光束的光强会因为矿物油微粒的散射、吸收作用而衰减。对无特征吸收波长的情况，矿物油微粒对光的吸收极其微弱。通过从近红外光散射的空间分布将污水含油量转换为光学量进行测量。

根据物理学上的散射理论，当平行光入射到一个微粒半径为R的各项同性的球形微粒上时，空间某点P处的散射光强I(P)为[2]：

(1)

式中：λ为入射光在真空中的波长；I0为入射光的光强；R为点P距散射微粒的距离；θ为散射角；i1(θ)、i2(θ)为散射强度函数，i1(θ)为平行于散射面的散射光强度分量，i2(θ)为垂直于散射面的散射光强度分量，两分量均与折射率m、散射角θ及无因次参量微粒粒径参数α相关。

由式(2)可知微粒粒径参数α在入射光条件相同时只与介质本身中引起散射现象的微粒相关。

(2)

式中：d为球形微粒的直径；m1为微粒周围分散介质的折射率。

由式(1)和式(2)可知，在入射光(波长λ、光强I0一定)及相对位置(点P距散射微粒的距离R、散射角θ)等外界条件一致时，通过微粒乳浊液的散射光的空间分布仅与微粒粒径的无因次参量α、微粒材质的折射率m有关。若假定污水中物质种类不变，则折射率m固定，由此可以得出P点处散射光强度I(P)随颗粒尺寸参数α变化的情况。

另外，对于不相干的单散射，空间中某点的散射光的强度是溶液中各微粒的散射光在该点处强度的叠加，这也是通过散射光光强测定微粒浓度的测量的基础。

将微粒散射理论应用到污水含油量检测中,通过对油滴散射光的粒度和光强度空间分布的测定，可以测量被检测污水的含油量，从而达到对油污水含油量进行实时检测的目的。

2.2污水检测装置

近红外散射法的检测装置主要由1个发射近红外光的二极管、2个接收红外光并将其转换为电信号的光电三极管以及滤波放大电路构成。

近红外发射端发出的近红外光在经由通入待检测污水的透明水管后，发生散射。其中，近红外光的直射部分由位于正对近红外发射端的近红外直射接收端接收，散射部分由与近红外发射端发射方向成一定角度的近红外散射接收端接收。近红外直射接收端和近红外散射接收端能够将接收到的近红外光按光强的大小产生不同的电流，从而完成由光学信号到电信号的转化。近红外检测装置的结构如图3所示。

图3 近红外检测装置结构示意图

通过近红外检测装置采集的电信号将作为基础信号输入系统，再经由滤波、放大电路等处理电路对信号加以预处理后，由输出接口将信号传输到单片机。在单片机中，采集的信号将通过设定的算法进一步处理，并完成设定功能(如处理控制信号、报警信号的产生)的实现。其系统结构如图4所示。

图4 舱底水检测报警装置结构图

2.3特点

优点：实时性较强，准确度较高，成本低，装置简单，适合产品化进行推广。

缺点：易受杂质等因素干扰。

3 误差分析与数据处理

由于检测装置在测量污水含油量时易受干扰，其测量结果常常伴有误差具有不稳定性。因此，需要对可能出现的误差进行分析，并在软件中考虑对误差进行处理。

3.1误差分析

在排除仪器故障的可能后，对实验样本进行分析：发现近红外光线在乳浊液中传播，由于存在乳化的细小油滴，发生散射现象。但是在实际环境中，含油污水成分较为复杂，不排除乳浊液中存在杂质可能影响到近红外光散射的可能性，由此可能会对测量结果造成影响，导致测量误差的出现。

3.2数据处理

为防止由于杂质等原因引起的误报、漏报，需要对采集到的数据作进一步的处理。这里通过软硬件相结合的方式，减少发生错误情况的可能性。在硬件上，主要采取分段多次检测的方法利用冗余提高检测结果的可靠性。在软件上，按照一定的算法对多个检测结果进行筛选，剔除异常值，从而在一定程度上消除由杂质等原因引起的错误。

由于测量对象为通过检测装置的污水的含油量，且采样频率对于污水流速较高，由此可知，相邻2次测量得到的结果应该在较小的合理范围内变动。根据这一结论，在对检测结果的处理中，通过算法设定连续测量结果的变化范围判断异常值，可有效防止异常值引起的误差。通过取多次检测结果的平均数作为最终检测结果，可使系统的稳定性进一步提高，从而提高控制及报警措施的执行效率。因此，本文对测量数据的处理主要采用去异常值后取滑动平均数的方法。

去除异常值主要通过将新采样结果Xn与上次采样结果Xn-1对比实现，这里通过实验经验确定相邻2次采样结果的合理变化范围β。对于新采样结果Xn，若其在Xn-1(1-β)至Xn-1(1+β)之间，则判定为有效。否则，作为无效采样结果。

对去除异常值以后的数据求滑动平均数，其公式如下：

(3)

式中：Yn为求得的滑动平均数，作为报警控制决策根据的检测结果；Xn为去除异常值后的有效采样结果；S为滑动平均数的样本个数。

其算法流程图如图5所示。

图5 检测结果处理算法流程图

在流程图中，Xn为第n次采样结果；β为算法中预设的有效采样结果的合理变化范围；Yn为经处理后产生的最终检测结果。

以此算法为基础，在MATLAB平台上进行仿真实验。其结果如图6、图7所示。

图6 出异常值算法的仿真结果

图7 滑动平均数算法仿真结果

图中，设定有效采样结果的合理变化范围β为20%。结果显示，采用过限定有效变化范围的异常值排除算法可以有效排除异常值对采样结果的影响，使其结果更贴近污水含油量的客观变化情况。

在上图的实验仿真中，设定用于求取滑动平均数的样本个数S为5。结果表明，在经过5次采样后，检测系统的输出结果趋于平滑。通过去除异常值和求滑动平均数后得到的结果已较为稳定，其曲线更符合舱底水含油量的实际变化规律。去除异常值和求滑动平均数的算法，可以起到提高检测系统准确性与可靠性，减少误报错误的作用。

4 结论

作为一种新型舱底水检测报警装置，本系统采用近红外散射法测量污水含油量，并通过算法对采集数据进行处理，有效提高了报警的准确度，加强了对舱底水处理过程的控制。本系统较好地完成了检测报警控制目标，且具有实时性较强、成本低、装置简单的特点，适合产品化进行推广。

[1]费业泰.误差理论与数据处理[M].北京：机械工业出版社，2007.

[2]赵友全,邹瑞杰,陈玉榜,房彦军.近红外散射法测定水中矿物油含量研究[J].光谱学与光谱分析，2012,5(32):1 213-1 216.

2014-03-31

徐亦唐(1992-)，男，本科，主要从事研究测控技术与仪器的研究；庄肖波(1973-)，男，高级工程师，主要从事船舶自动化的研究。

U664.83

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