本發(fā)明涉及海洋石油工程試驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域，具體而言，涉及一種實(shí)驗(yàn)室水面溢油運(yùn)動(dòng)規(guī)律測(cè)定方法和裝置。

背景技術(shù)：

隨著海上油氣田的開發(fā)和工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，海底管道在原油生產(chǎn)運(yùn)輸過程中起到了不可替代的重要作用。在海底管道運(yùn)行的全過程中，管道滲漏、穿孔及破碎都會(huì)導(dǎo)致原油泄漏。泄漏事故發(fā)生后，溢油會(huì)隨著風(fēng)浪漂移至海岸線，不僅對(duì)海面造成嚴(yán)重環(huán)境污染，而且由于石油烴類污染物的潛在毒性和生物積累效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致近岸海域環(huán)境質(zhì)量和生物種類多樣性指數(shù)嚴(yán)重下降，海洋生態(tài)系統(tǒng)遭受嚴(yán)重破壞，也會(huì)對(duì)水產(chǎn)業(yè)和旅游業(yè)造成巨大損失。因此，學(xué)術(shù)界和工程界目前都致力于對(duì)原油泄漏后溢油運(yùn)動(dòng)的軌跡及其擴(kuò)散范圍作出預(yù)報(bào)，從而為泄漏事故的處理提供及時(shí)、準(zhǔn)確的信息，幫助應(yīng)急決策者確保優(yōu)先保護(hù)次序，正確調(diào)動(dòng)抗溢油設(shè)施等，以確保應(yīng)急計(jì)劃得以有效、正確的實(shí)施。

原油泄漏后的影響區(qū)域一般可分為水下部分和水面部分，兩者的關(guān)注點(diǎn)有所不同。其中，對(duì)于水面部分，主要關(guān)注的是水面溢油的運(yùn)動(dòng)特征和規(guī)律，主要分析的是某時(shí)段內(nèi)水面油膜的橫向漂移距離、縱向最大擴(kuò)散距離、水面油膜的擴(kuò)散速率、水面油膜的面積、水面油膜的平均厚度等特征物理量。

對(duì)水面溢油事故影響預(yù)測(cè)一般包括數(shù)值模擬計(jì)算方法和物理模型試驗(yàn)的方法。然而，傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型方法對(duì)溢油相關(guān)物理現(xiàn)象作多種近似假定，并采用近似的方式來求解特征物理量，因此其準(zhǔn)確性和精度很有限，且不能模擬復(fù)雜的物理機(jī)制過程。另一種有效途徑就是物理模型試驗(yàn)的方法，即在實(shí)驗(yàn)室中通過模擬海洋環(huán)境和原油泄漏狀態(tài)，復(fù)演原油泄漏的整個(gè)過程，分析其運(yùn)動(dòng)特征、規(guī)律和軌跡，從而獲知其真實(shí)動(dòng)力機(jī)制，準(zhǔn)確預(yù)知溢油事故的影響范圍。

然而截止目前，國(guó)內(nèi)乃至國(guó)外相關(guān)的溢油物理模型試驗(yàn)，由于試驗(yàn)的難度、污染性、成本和技術(shù)等因素制約，絕大部分只停留在靜水試驗(yàn)領(lǐng)域。關(guān)于水面溢油在風(fēng)、波浪、水流等復(fù)雜動(dòng)力條件環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)特征、規(guī)律和軌跡的物理模擬方法和專用試驗(yàn)設(shè)備幾乎是空白。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供了一種實(shí)驗(yàn)室水面溢油運(yùn)動(dòng)規(guī)律測(cè)定方法和裝置。

第一方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種實(shí)驗(yàn)室水面溢油運(yùn)動(dòng)規(guī)律測(cè)定方法，應(yīng)用于溢油試驗(yàn)系統(tǒng)，所述溢油試驗(yàn)系統(tǒng)包括用于盛裝液體的水池，設(shè)置在水池內(nèi)的造波機(jī)、造流機(jī)、風(fēng)機(jī)和出油口，與所述出油口連接的供油設(shè)備，均布于水池上方用于采集水池內(nèi)溢油圖像的多臺(tái)圖像采集設(shè)備，以及與所述造波機(jī)、造流機(jī)、風(fēng)機(jī)、供油設(shè)備和圖像采集設(shè)備連接的計(jì)算機(jī)；所述方法包括：

確定溢油試驗(yàn)系統(tǒng)所模擬的環(huán)境場(chǎng)景，根據(jù)所述環(huán)境場(chǎng)景確定造波機(jī)、造流機(jī)和風(fēng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，按照所述造波機(jī)、造流機(jī)和風(fēng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)分別控制造波機(jī)、造流機(jī)和風(fēng)機(jī)運(yùn)行；

確定溢油試驗(yàn)系統(tǒng)所模擬的溢油場(chǎng)景，根據(jù)所述溢油場(chǎng)景確定供油設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，按照所述供油設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)控制供油設(shè)備運(yùn)行；

啟動(dòng)圖像采集設(shè)備運(yùn)行，接收?qǐng)D像采集設(shè)備傳輸?shù)乃鎴D像數(shù)據(jù)，生成水面溢油圖片；

根據(jù)所述水面溢油圖片確定水面油膜的運(yùn)動(dòng)參數(shù)；所述運(yùn)動(dòng)參數(shù)至少包括以下之一：水面油膜的橫向漂移距離、水面油膜的縱向最大擴(kuò)散距離、水面油膜的擴(kuò)散速率、水面油膜的平均厚度。

結(jié)合第一方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了第一方面的第一種可能的實(shí)施方式，其中，所述啟動(dòng)圖像采集設(shè)備運(yùn)行，接收?qǐng)D像采集設(shè)備傳輸?shù)乃鎴D像數(shù)據(jù)，生成水面溢油圖片的步驟包括：

在預(yù)設(shè)的有效時(shí)段內(nèi)，啟動(dòng)圖像采集設(shè)備以攝像模式運(yùn)行，接收?qǐng)D像采集設(shè)備拍攝的水面溢油的視頻圖像；或者，啟動(dòng)圖像采集設(shè)備以攝像模式運(yùn)行，接收?qǐng)D像采集設(shè)備拍攝的水面溢油視頻圖像，從所述水面溢油視頻圖像中提取預(yù)設(shè)的有效時(shí)段內(nèi)的視頻圖像；

按照設(shè)定的間隔時(shí)間從所述視頻圖像中提取圖片，生成水面溢油圖片。

結(jié)合第一方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了第一方面的第二種可能的實(shí)施方式，其中，所述啟動(dòng)圖像采集設(shè)備運(yùn)行，接收?qǐng)D像采集設(shè)備傳輸?shù)膱D像數(shù)據(jù)，生成溢油圖片的步驟包括：

在預(yù)設(shè)的有效時(shí)段內(nèi)，啟動(dòng)圖像采集設(shè)備以拍照模式運(yùn)行，控制圖像采集設(shè)備按設(shè)定的間隔時(shí)間拍攝照片，接收?qǐng)D像采集設(shè)備拍攝的水面溢油照片，將所述水面溢油照片作為水面溢油圖片；或者，

啟動(dòng)圖像采集設(shè)備以拍照模式運(yùn)行，控制圖像采集設(shè)備按設(shè)定的間隔時(shí)間拍攝照片，接收?qǐng)D像采集設(shè)備拍攝的水面溢油照片，從所述水面溢油照片中提取預(yù)設(shè)的有效時(shí)段內(nèi)的照片，生成水面溢油圖片。

結(jié)合第一方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了第一方面的第三種可能的實(shí)施方式，其中，根據(jù)所述水面溢油圖片確定水面油膜的運(yùn)動(dòng)參數(shù)的步驟，包括：

對(duì)所述水面溢油圖片進(jìn)行校正；

將各個(gè)圖像采集設(shè)備同一時(shí)刻采集的水面溢油圖片進(jìn)行拼接；

對(duì)拼接后的圖片進(jìn)行背景去除、二值化處理和坐標(biāo)化處理，得到待分析圖片；

對(duì)所述待分析圖片進(jìn)行分析，得到水面油膜的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。

結(jié)合第一方面的第三種可能的實(shí)施方式，本發(fā)明實(shí)施例提供了第一方面的第四種可能的實(shí)施方式，其中，對(duì)所述水面溢油圖片進(jìn)行校正的步驟，包括：

對(duì)所述水面溢油圖片進(jìn)行畸變校正；

對(duì)所述水面溢油圖片進(jìn)行視角傾斜校正。

結(jié)合第一方面的第四種可能的實(shí)施方式，本發(fā)明實(shí)施例提供了第一方面的第五種可能的實(shí)施方式，其中，根據(jù)所述水面溢油圖片確定某時(shí)段內(nèi)水面油膜的橫向漂移距離，包括：

自油從冒出水面到漂移擴(kuò)散至有效區(qū)域之外的待分析圖片中取一張圖片，確定圖片中油膜的邊界及運(yùn)動(dòng)的方向，建立油運(yùn)動(dòng)的相對(duì)坐標(biāo)系，確定油膜運(yùn)動(dòng)方向?yàn)闄M坐標(biāo)，其垂直方向?yàn)榭v坐標(biāo)，將油膜邊界特征像素的相對(duì)橫坐標(biāo)值，減去水面出油點(diǎn)的橫坐標(biāo)值，得到水面油膜的橫向漂移距離。

結(jié)合第一方面的第四種可能的實(shí)施方式，本發(fā)明實(shí)施例提供了第一方面的第六種可能的實(shí)施方式，其中，根據(jù)所述水面溢油圖片確定水面油膜的縱向最大擴(kuò)散距離，包括：

自油從冒出水面到漂移擴(kuò)散至有效區(qū)域之外的待分析圖片中取一張圖片，確定圖片中油膜的邊界及運(yùn)動(dòng)的方向，建立油運(yùn)動(dòng)的相對(duì)坐標(biāo)系，確定油膜運(yùn)動(dòng)方向?yàn)闄M坐標(biāo)，其垂直方向?yàn)榭v坐標(biāo)，在油膜邊界所有特征像素中取相對(duì)縱坐標(biāo)的最大值和最小值，將所述最大值和最小值相減并取絕對(duì)值，得到水面油膜的縱向最大擴(kuò)散距離。

結(jié)合第一方面的第四種可能的實(shí)施方式，本發(fā)明實(shí)施例提供了第一方面的第七種可能的實(shí)施方式，其中，根據(jù)所述水面溢油圖片確定水面油膜的擴(kuò)散速率，包括：

自油從冒出水面到漂移擴(kuò)散至有效區(qū)域之外的待分析圖片中選取t時(shí)刻的圖片，計(jì)算油膜邊界所有特征像素與水面出油點(diǎn)之間的相對(duì)距離，取相對(duì)距離的最大值作為水面油膜的擴(kuò)散距離，采用如下公式確定水面油膜的擴(kuò)散速率：

其中，vt為t時(shí)刻水面油膜的擴(kuò)散速率；

st為t時(shí)刻水面油膜的擴(kuò)散距離。

結(jié)合第一方面的第四種可能的實(shí)施方式，本發(fā)明實(shí)施例提供了第一方面的第八種可能的實(shí)施方式，其中，根據(jù)所述水面溢油圖片確定水面油膜的面積，包括：

自油從冒出水面到漂移擴(kuò)散至有效區(qū)域之外的待分析圖片中選取t時(shí)刻的圖片，提取各圖片中油膜特征像素點(diǎn)，采用如下公式計(jì)算得到水面油膜的面積：

at＝a0·γ

其中，at為水面油膜的面積；a0為有效區(qū)域的面積；γ為油膜特征像素點(diǎn)占比。

結(jié)合第一方面的第四種可能的實(shí)施方式，本發(fā)明實(shí)施例提供了第一方面的第九種可能的實(shí)施方式，其中，根據(jù)所述水面溢油圖片確定水面油膜的平均厚度，包括：

根據(jù)水面油膜的面積，采用如下公式計(jì)算得到水面油膜的平均厚度：

其中，at為水面油膜的面積；tt為水面油膜的平均厚度，qoil為出油口的溢油量。

第二方面，本發(fā)明實(shí)施例還提供了一種實(shí)驗(yàn)室水面溢油運(yùn)動(dòng)規(guī)律測(cè)定裝置，應(yīng)用于溢油試驗(yàn)系統(tǒng)，所述溢油試驗(yàn)系統(tǒng)包括用于盛裝液體的水池，設(shè)置在水池內(nèi)的造波機(jī)、造流機(jī)、風(fēng)機(jī)和出油口，與所述出油口連接的供油設(shè)備，均布于水池上方用于采集水池內(nèi)溢油圖像的多臺(tái)圖像采集設(shè)備，以及與所述造波機(jī)、造流機(jī)、風(fēng)機(jī)、供油設(shè)備和圖像采集設(shè)備連接的計(jì)算機(jī)；所述裝置包括：

控制模塊，用于確定溢油試驗(yàn)系統(tǒng)所模擬的環(huán)境場(chǎng)景，根據(jù)所述環(huán)境場(chǎng)景確定造波機(jī)、造流機(jī)和風(fēng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，按照所述造波機(jī)、造流機(jī)和風(fēng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)分別控制造波機(jī)、造流機(jī)和風(fēng)機(jī)運(yùn)行；確定溢油試驗(yàn)系統(tǒng)所模擬的溢油場(chǎng)景，根據(jù)所述溢油場(chǎng)景確定供油設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，按照所述供油設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)控制供油設(shè)備運(yùn)行；啟動(dòng)圖像采集設(shè)備運(yùn)行；

數(shù)據(jù)接收模塊，用于接收?qǐng)D像采集設(shè)備傳輸?shù)乃鎴D像數(shù)據(jù)，生成水面溢油圖片；

數(shù)據(jù)處理模塊，用于根據(jù)所述水面溢油圖片確定水面油膜的運(yùn)動(dòng)參數(shù)；所述運(yùn)動(dòng)參數(shù)至少包括以下之一：水面油膜的橫向漂移距離、水面油膜的縱向最大擴(kuò)散距離、水面油膜的擴(kuò)散速率、水面油膜的平均厚度。

本發(fā)明實(shí)施例帶來了以下有益效果：

本發(fā)明實(shí)施例提供的實(shí)驗(yàn)室水面溢油運(yùn)動(dòng)規(guī)律測(cè)定方法和裝置，控制溢油試驗(yàn)系統(tǒng)，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬海洋水動(dòng)力環(huán)境和海底管道溢油狀況，并根據(jù)圖像采集設(shè)備采集的水面溢油圖像分析得到不同水動(dòng)力條件下水面油膜的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，從而在溢油事故發(fā)生時(shí)，能夠?qū)Ｃ嬉缬瓦\(yùn)動(dòng)的軌跡及其擴(kuò)散范圍作出準(zhǔn)確預(yù)估，為溢油事故的處理提供及時(shí)、準(zhǔn)確的信息，并為應(yīng)急決策者采取及時(shí)正確的抗溢油措施提供科學(xué)依據(jù)和參考。

本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)海面油污漂移擴(kuò)散的全過程進(jìn)行模擬，并采用光學(xué)攝像的手段對(duì)相關(guān)運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行非接觸式測(cè)定，可避免傳統(tǒng)接觸式測(cè)量時(shí)儀器對(duì)波浪、水流環(huán)境的干擾，數(shù)據(jù)更真實(shí)可靠。

本發(fā)明直接采用物理模型的方法，可有效避免傳統(tǒng)的數(shù)值模型方法中對(duì)溢油物理現(xiàn)象的近似假定，極大提高了模擬的精度，填補(bǔ)了當(dāng)前國(guó)內(nèi)外在該領(lǐng)域的試驗(yàn)技術(shù)空白。

本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的說明書中闡述，并且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實(shí)施本發(fā)明而了解。本發(fā)明的目的和其他優(yōu)點(diǎn)在說明書、權(quán)利要求書以及附圖中所特別指出的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)和獲得。

為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉較佳實(shí)施例，并配合所附附圖，作詳細(xì)說明如下。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明具體實(shí)施方式或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)具體實(shí)施方式或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實(shí)施方式，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明一實(shí)施例所提供的實(shí)驗(yàn)室水面溢油運(yùn)動(dòng)規(guī)律測(cè)定方法的流程圖；

圖2為本發(fā)明一實(shí)施例所提供的溢油試驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；

圖3為本發(fā)明一實(shí)施例的各圖像采集裝置所采集的圖像；

圖4為本發(fā)明一實(shí)施例所提供的經(jīng)校正和拼接后的圖像；

圖5為本發(fā)明一實(shí)施例所提供的待分析圖片；

圖6為本發(fā)明一實(shí)施例所建立的油膜運(yùn)動(dòng)相對(duì)坐標(biāo)系的示意圖；

圖7為本發(fā)明一實(shí)施例所提供的實(shí)驗(yàn)室水面溢油運(yùn)動(dòng)規(guī)律測(cè)定裝置的結(jié)構(gòu)框圖。

圖標(biāo)：1-水池；2-內(nèi)側(cè)壁；3-外側(cè)壁；4-閘門；5-回水匝道；6-風(fēng)機(jī)；7-造波機(jī)；8-造流機(jī)；9-出油口；10-圖像采集設(shè)備；11-供油設(shè)備。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。通常在此處附圖中描述和示出的本發(fā)明實(shí)施例的組件可以以各種不同的配置來布置和設(shè)計(jì)。因此，以下對(duì)在附圖中提供的本發(fā)明的實(shí)施例的詳細(xì)描述并非旨在限制要求保護(hù)的本發(fā)明的范圍，而是僅僅表示本發(fā)明的選定實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中無法在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)實(shí)現(xiàn)海面溢油運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確模擬并對(duì)溢油運(yùn)動(dòng)規(guī)律的測(cè)定等問題。本發(fā)明實(shí)施例提供了一種實(shí)驗(yàn)室水面溢油運(yùn)動(dòng)規(guī)律測(cè)定方法和裝置，以下首先對(duì)本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)室水面溢油運(yùn)動(dòng)規(guī)律測(cè)定方法進(jìn)行詳細(xì)介紹。

實(shí)施例一

該實(shí)施例提供了一種實(shí)驗(yàn)室水面溢油運(yùn)動(dòng)規(guī)律測(cè)定方法，應(yīng)用于溢油試驗(yàn)系統(tǒng)。其中，溢油試驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括用于盛裝液體的水池1，設(shè)置在水池1內(nèi)的造波機(jī)7、造流機(jī)8、風(fēng)機(jī)6和出油口9，與出油口9連接的供油設(shè)備11，均布于水池1上方用于采集水池內(nèi)溢油圖像的多臺(tái)圖像采集設(shè)備10，以及與造波機(jī)7、造流機(jī)8、風(fēng)機(jī)6、供油設(shè)備11和圖像采集設(shè)備10連接的計(jì)算機(jī)(未圖示)。水池1包括內(nèi)側(cè)壁2和外側(cè)壁3，內(nèi)側(cè)壁2和外側(cè)壁3之間形成回水匝道5，水池1一端的內(nèi)側(cè)壁2上設(shè)置有造流機(jī)8，水池1另一端的內(nèi)側(cè)壁2上形成開口或設(shè)置閘門4，造流機(jī)8用于使水池1內(nèi)的液體循環(huán)流動(dòng)，形成水流。該系統(tǒng)還包括用于測(cè)量水池內(nèi)液體流速的流速儀，用于測(cè)量水池內(nèi)液體浪高的浪高儀和用于測(cè)量風(fēng)速的風(fēng)速儀。

圖1示出了本實(shí)施例所提供的實(shí)驗(yàn)室水面溢油運(yùn)動(dòng)規(guī)律測(cè)定方法的流程圖。如圖1所示，該方法包括如下步驟：

步驟s101，確定溢油試驗(yàn)系統(tǒng)所模擬的環(huán)境場(chǎng)景，根據(jù)所述環(huán)境場(chǎng)景確定造波機(jī)、造流機(jī)和風(fēng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，按照所述造波機(jī)、造流機(jī)和風(fēng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)分別控制造波機(jī)、造流機(jī)和風(fēng)機(jī)運(yùn)行，使盛裝在水池內(nèi)的液體生成與所模擬的環(huán)境場(chǎng)景相對(duì)應(yīng)的波浪場(chǎng)和流場(chǎng)，并在水面上形成與環(huán)境場(chǎng)景的風(fēng)速相對(duì)應(yīng)的風(fēng)場(chǎng)。

對(duì)溢油運(yùn)動(dòng)情況產(chǎn)生影響的海洋動(dòng)力要素主要包括風(fēng)、波浪以及水流，步驟s101中的環(huán)境場(chǎng)景即包括了目標(biāo)波浪的浪高和周期，目標(biāo)水流的平均流速，以及目標(biāo)風(fēng)速。

根據(jù)目標(biāo)波浪的浪高和周期確定造波機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，在出油口附近布置浪高儀進(jìn)行波浪的測(cè)量，分析對(duì)比實(shí)測(cè)波浪與目標(biāo)波浪間的差距，當(dāng)實(shí)測(cè)波浪的波高和周期與對(duì)應(yīng)目標(biāo)值之間的誤差滿足相關(guān)規(guī)定時(shí)，將造波機(jī)的輸入?yún)?shù)作為造波機(jī)的運(yùn)行參數(shù)。波高的偏差控制在±5％，平均周期偏差也控制在±5％之內(nèi)。

根據(jù)目標(biāo)水流的平均流速確定造流機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，造流機(jī)為由變頻器控制的可逆水泵，與上述方法相似，在出油口附近放置流速儀進(jìn)行水流流速的測(cè)量，當(dāng)測(cè)得垂線平均流速與目標(biāo)水流的平均流速之間誤差滿足規(guī)范要求時(shí)，將可逆水泵變頻器的輸入?yún)?shù)作為造流機(jī)的運(yùn)行參數(shù)。

水池內(nèi)成排地設(shè)置有多個(gè)風(fēng)機(jī)。例如，設(shè)置八臺(tái)獨(dú)立的風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)可自由移動(dòng)、組合，變換風(fēng)向，進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)模擬，風(fēng)機(jī)的電機(jī)由變頻控制轉(zhuǎn)數(shù)而改變風(fēng)速，實(shí)現(xiàn)局部風(fēng)場(chǎng)控制。在出油口附近距離水面指定高度處采用熱敏式風(fēng)速儀進(jìn)行風(fēng)速測(cè)量，調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的變頻器以改變風(fēng)速，當(dāng)風(fēng)速儀實(shí)測(cè)的風(fēng)速值與目標(biāo)值之間誤差滿足規(guī)范要求時(shí)，將風(fēng)機(jī)變頻器的輸入?yún)?shù)作為風(fēng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)。

步驟s102，確定溢油試驗(yàn)系統(tǒng)所模擬的溢油場(chǎng)景，根據(jù)溢油場(chǎng)景確定供油設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，按照供油設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)控制供油設(shè)備運(yùn)行。

針對(duì)海管溢油的特征，需考慮不同的海底輸油管道的破損孔徑和原油溢出速率，實(shí)驗(yàn)中采用單位時(shí)間溢油量來標(biāo)定，即溢油場(chǎng)景主要包括目標(biāo)單位時(shí)間溢油量。

在試驗(yàn)中，供油設(shè)備包括油泵和油箱。采用油泵將油從油箱中抽出，再?gòu)某鲇涂趪姵?。油泵主要由變頻器控制，調(diào)節(jié)變頻器可改變出油口的單位時(shí)間溢油量。由于試驗(yàn)中單位時(shí)間溢油量較小，因此采用質(zhì)量控制法進(jìn)行單位時(shí)間溢油量的率定。在油的密度已知的情況下，單位時(shí)間溢油量可按下式計(jì)算：

式中：qoil——單位時(shí)間溢油量(m³/s)；

moil——油的質(zhì)量(kg)；

ρoil——油的密度(kg/m³)；

t——油流出的時(shí)間(s)。

試驗(yàn)中，油的質(zhì)量采用高精度電子天平精確測(cè)量(可精確到0.1mg)，時(shí)間用秒表記錄。當(dāng)實(shí)測(cè)的單位時(shí)間溢油量與目標(biāo)單位時(shí)間溢油量之間誤差滿足規(guī)范要求時(shí)，將油泵變頻器的輸入?yún)?shù)作為供油設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)。

如果上述單位時(shí)間溢油量的標(biāo)定試驗(yàn)是在空氣中進(jìn)行的，為保證出油口空氣中率定時(shí)的出油量與在水中試驗(yàn)時(shí)的出油量一致，試驗(yàn)時(shí)，需抬高水底出油口的高度(補(bǔ)償高度hc)，進(jìn)行出油口的壓力補(bǔ)償，用一定高度的油壓去抵消試驗(yàn)中的水壓，以此保證率定時(shí)和試驗(yàn)時(shí)出油口孔外壓力的一致。補(bǔ)償高度可按下式計(jì)算：

式中：hc——補(bǔ)償高度(m)；

h——試驗(yàn)水深(m)；

ρoil——油的密度(kg/m³)；

ρw——水的密度(kg/m³)。

例如，在一具體實(shí)施例中，針對(duì)表1所示的八類不同的場(chǎng)景，分別對(duì)應(yīng)不同的參數(shù)，設(shè)定了多組試驗(yàn)。第一類場(chǎng)景為無風(fēng)、無浪、無流的靜水環(huán)境，第二類場(chǎng)景為無風(fēng)無浪的純流環(huán)境，第三類場(chǎng)景為無浪無流的純風(fēng)環(huán)境，第四類場(chǎng)景為無風(fēng)無流的純波浪環(huán)境，第五類場(chǎng)景為無波浪的水流、風(fēng)聯(lián)合環(huán)境，第六類場(chǎng)景為風(fēng)、波浪與水流同向的環(huán)境，第七類和第八類場(chǎng)景均為風(fēng)、波浪與水流異向的環(huán)境。

表1

本實(shí)施例針對(duì)表1中的八類場(chǎng)景，設(shè)置了不同的單位時(shí)間溢油量、水流流速、波浪和風(fēng)的多個(gè)試驗(yàn)組次，進(jìn)行測(cè)定。

步驟s103，啟動(dòng)圖像采集設(shè)備運(yùn)行，接收?qǐng)D像采集設(shè)備傳輸?shù)膱D像數(shù)據(jù)，生成水面溢油圖片。

考慮到造波機(jī)、造流機(jī)和風(fēng)機(jī)運(yùn)行之初，現(xiàn)場(chǎng)的波高、水流等狀態(tài)不穩(wěn)定，需等待一定時(shí)間后，再采集有效時(shí)段的水面溢油的圖像。結(jié)合圖像采集設(shè)備的攝像模式和拍照模式兩種不同的工作模式。因此，步驟s103可以采用以下幾種不同的方式實(shí)現(xiàn)。

第一種方式為：在預(yù)設(shè)的有效時(shí)段內(nèi)，啟動(dòng)圖像采集設(shè)備以攝像模式運(yùn)行，接收?qǐng)D像采集設(shè)備拍攝的水面溢油的視頻圖像，按照設(shè)定的間隔時(shí)間從視頻圖像中提取圖片，生成水面溢油圖片。

第二種方式為：?jiǎn)?dòng)圖像采集設(shè)備以攝像模式運(yùn)行，接收?qǐng)D像采集設(shè)備拍攝的水面溢油視頻圖像，從水面溢油視頻圖像中提取預(yù)設(shè)的有效時(shí)段內(nèi)的視頻圖像，按照設(shè)定的間隔時(shí)間從視頻圖像中提取圖片，生成水面溢油圖片。

第三種方式為：在預(yù)設(shè)的有效時(shí)段內(nèi)，啟動(dòng)圖像采集設(shè)備以拍照模式運(yùn)行，控制圖像采集設(shè)備按設(shè)定的間隔時(shí)間拍攝照片，接收?qǐng)D像采集設(shè)備拍攝的水面溢油照片，將水面溢油照片作為水面溢油圖片。

第四種方式為：?jiǎn)?dòng)圖像采集設(shè)備以拍照模式運(yùn)行，控制圖像采集設(shè)備按設(shè)定的間隔時(shí)間拍攝照片，接收?qǐng)D像采集設(shè)備拍攝的水面溢油照片，從水面溢油照片中提取預(yù)設(shè)的有效時(shí)段內(nèi)的照片，生成水面溢油圖片。

步驟s104，根據(jù)水面溢油圖片確定水面油膜的運(yùn)動(dòng)參數(shù)；所述運(yùn)動(dòng)參數(shù)至少包括以下之一：水面油膜的橫向漂移距離、水面油膜的縱向最大擴(kuò)散距離、水面油膜的擴(kuò)散速率、水面油膜的平均厚度。

具體地說，根據(jù)水面溢油圖片確定油粒子的運(yùn)動(dòng)參數(shù)的步驟，包括：

對(duì)水面溢油圖片進(jìn)行校正；

將各個(gè)圖像采集設(shè)備同一時(shí)刻采集的水面溢油圖片進(jìn)行拼接；

對(duì)拼接后的圖片進(jìn)行背景去除、二值化處理和坐標(biāo)化處理，得到待分析圖片；

對(duì)待分析圖片進(jìn)行分析，得到水面油膜的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。

由于圖像采集設(shè)備的鏡頭的魚眼效應(yīng)會(huì)出現(xiàn)鏡頭畸變現(xiàn)象；而對(duì)于設(shè)置在不同位置上的攝像頭來說，除了魚眼效應(yīng)外，成像設(shè)備本身的視角偏差也會(huì)導(dǎo)致實(shí)測(cè)圖片發(fā)生傾斜，這些都會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的精確性造成一定的影響。因此，在得到圖片數(shù)據(jù)后，需對(duì)水面溢油圖片進(jìn)行校正。

首先，對(duì)水面溢油圖片進(jìn)行畸變校正。為了將設(shè)備像素坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到真實(shí)的空間坐標(biāo)，采用holland的兩步法確定圖像平面坐標(biāo)和真實(shí)空間坐標(biāo)的關(guān)系。先確定鏡頭的徑向畸變系數(shù)，方法為：在一張白色的a2圖紙上畫上黑白棋盤格子，并與聚焦平面平行放置，再將拍攝到的照片的分布與原圖紙上的進(jìn)行對(duì)比，可以得到圖像的徑向畸變系數(shù)。然后，將像素坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到真實(shí)的空間坐標(biāo)。遵循直接線性變換，上述采用畸變系數(shù)校正后的圖像坐標(biāo)與空間坐標(biāo)之間的關(guān)系為：

其中：(u，v)為圖像坐標(biāo)，(x，y)為真實(shí)二維空間坐標(biāo)，ll～l8為8個(gè)待定的dlt系數(shù)，可通過選取八個(gè)已知空間點(diǎn)，將其(x，y)坐標(biāo)和對(duì)應(yīng)的像素坐標(biāo)代入上述方程來確定，然后用最小二乘法來確定。確定dlt系數(shù)后，就可以通過上述方程由任意像素點(diǎn)坐標(biāo)(u，v)計(jì)算出對(duì)應(yīng)的二維空間物理坐標(biāo)(x，y)。

其次，對(duì)水面溢油圖片進(jìn)行視角傾斜校正。

在上述步驟的基礎(chǔ)上，對(duì)水面溢油圖片進(jìn)行視角傾斜校正，將圖形像素坐標(biāo)系還原成真實(shí)的物理坐標(biāo)系。

采用圖像中已知點(diǎn)圖形像素坐標(biāo)和對(duì)應(yīng)的真實(shí)的物理坐標(biāo)，根據(jù)透視學(xué)原理，求得圖像中任何一點(diǎn)的真實(shí)物理坐標(biāo)。求解公式如下：

式中系數(shù)(l1,l2,b,k0,k1,k2,k3,k4)為圖形參數(shù)，由已知點(diǎn)的坐標(biāo)來確定。

再次，將各個(gè)圖像采集設(shè)備同一時(shí)刻采集的水面溢油圖片進(jìn)行拼接。圖3所示為各圖像采集設(shè)備采集的原始圖像，從圖3中可以看出，原始畫面發(fā)生了嚴(yán)重的畸變變形，邊界線本為直線，但在畫面中呈現(xiàn)嚴(yán)重彎曲現(xiàn)象。圖4為經(jīng)過校正和拼接的圖像，該圖像已消除了畸變的影響，畫面得以校正。

最后，對(duì)校正后的圖片進(jìn)行背景去除、二值化處理和坐標(biāo)化處理，得到待分析圖片。

得到校正后的視頻圖像后，首先將圖像中保持靜態(tài)的部分分離出來，以區(qū)分油膜隨時(shí)間變化的特征。為實(shí)現(xiàn)這一步，取無溢油狀態(tài)時(shí)的某一張圖像為背景圖片，將所有溢油狀態(tài)的圖片減去背景圖片，油膜在水面的運(yùn)動(dòng)的形態(tài)可更清晰的顯示出來，即完成背景去除過程。

由于油膜具有比其它地方更高的亮度，因此選取一個(gè)合適的灰度值，將相減后的圖像轉(zhuǎn)化為邏輯二值圖像：即大于閾值的像素為1，小于閾值像素為0，代表背景，即完成二值化處理過程。

以水下出油點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，取油的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)閤軸(橫坐標(biāo))，其垂直的方向?yàn)閥軸(縱坐標(biāo))，建立坐標(biāo)系，即可得到水面溢油膜的坐標(biāo)信息，用于后續(xù)的計(jì)算。

圖5給出了經(jīng)背景去除、二值化坐標(biāo)化處理后的待分析圖片。最后得到的待分析圖片可用于后續(xù)的數(shù)據(jù)分析。

根據(jù)上述的待分析圖片，可以確定出水面油膜的橫向漂移距離、水面油膜的縱向最大擴(kuò)散距離、水面油膜的擴(kuò)散速率、水面油膜的平均厚度。

第一，確定水面油膜的橫向漂移距離，可以采用如下方法：

自油從冒出水面到漂移擴(kuò)散至有效區(qū)域之外的待分析圖片中取一張圖片(t時(shí)刻的圖片)，確定圖片中油膜的邊界及運(yùn)動(dòng)的方向，建立油運(yùn)動(dòng)的相對(duì)坐標(biāo)系，如圖6所示，x方向?yàn)橛偷倪\(yùn)動(dòng)方向，定義為橫向，y方向?yàn)榇怪庇谟瓦\(yùn)動(dòng)的方向，定義為縱向。將油膜邊界特征像素的相對(duì)橫坐標(biāo)值，減去水面出油點(diǎn)的橫坐標(biāo)值，得到水面油膜的橫向漂移距離?？梢圆捎靡韵掠?jì)算公式：

sxt＝max{xt}-x0

式中：sxt為t時(shí)刻水面油膜的橫向漂移距離(m)；

x0為水面出油點(diǎn)的相對(duì)橫坐標(biāo)(m)；

xt為t時(shí)刻所有水面油膜特征像素點(diǎn)相對(duì)橫坐標(biāo)(m)。

第二，確定水面油膜的縱向最大擴(kuò)散距離，包括：

自油從冒出水面到漂移擴(kuò)散至有效區(qū)域之外的待分析圖片中取一張圖片，確定圖片中油膜的邊界及運(yùn)動(dòng)的方向，采用圖6所示的相對(duì)坐標(biāo)系，在油膜邊界所有特征像素中取相對(duì)縱坐標(biāo)的最大值和最小值，將所述最大值和最小值相減并取絕對(duì)值，得到水面油膜的縱向最大擴(kuò)散距離。計(jì)算公式如下：

syt＝|max{xt}-min{xt}|

式中：syt——t時(shí)刻水面油膜橫向漂移距離(m)；

xt——t時(shí)刻所有水面油膜特征像素點(diǎn)相對(duì)橫坐標(biāo)(m)。

第三，確定水面油膜的擴(kuò)散速率，包括：

自油從冒出水面到漂移擴(kuò)散至有效區(qū)域之外的待分析圖片中選取t時(shí)刻的圖片，計(jì)算油膜邊界所有特征像素與水面出油點(diǎn)之間的相對(duì)距離，取相對(duì)距離的最大值作為水面油膜的擴(kuò)散距離，采用如下公式確定水面油膜的擴(kuò)散速率：

其中，vt為t時(shí)刻水面油膜的擴(kuò)散速率；

st為t時(shí)刻水面油膜的擴(kuò)散距離。

第四，確定水面油膜的面積，包括：

自油從冒出水面到漂移擴(kuò)散至有效區(qū)域之外的待分析圖片中選取t時(shí)刻的圖片，提取各圖片中油膜特征像素點(diǎn)，采用如下公式計(jì)算得到水面油膜的面積：

at＝a0·γ

其中，at為水面油膜的面積；a0為有效區(qū)域的面積；γ為油膜特征像素點(diǎn)占比；

第五，確定水面油膜的平均厚度，包括：

根據(jù)水面油膜的面積，采用如下公式計(jì)算得到水面油膜的平均厚度：

其中，at為水面油膜的面積；tt為水面油膜的平均厚度，qoil為出油口的溢油量。

針對(duì)不同的環(huán)境場(chǎng)景和溢油場(chǎng)景，進(jìn)行上述實(shí)驗(yàn)步驟后，可以得到在不同水動(dòng)力條件下水面油膜的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，從而在溢油事故發(fā)生時(shí)，能夠?qū)Ｃ嬉缬瓦\(yùn)動(dòng)的軌跡及其擴(kuò)散范圍作出準(zhǔn)確預(yù)估，為溢油事故的處理提供及時(shí)、準(zhǔn)確的信息，并為應(yīng)急決策者采取及時(shí)正確的抗溢油措施提供科學(xué)依據(jù)和參考。

實(shí)施例二

本實(shí)施例提供了一種實(shí)驗(yàn)室水面溢油運(yùn)動(dòng)規(guī)律測(cè)定裝置，該裝置同樣應(yīng)用于圖2所示的溢油試驗(yàn)系統(tǒng)中。圖7示出了本實(shí)施例所提供的實(shí)驗(yàn)室水面溢油運(yùn)動(dòng)規(guī)律測(cè)定裝置的結(jié)構(gòu)框圖。如圖7所示，該裝置包括：

控制模塊71，用于確定溢油試驗(yàn)系統(tǒng)所模擬的環(huán)境場(chǎng)景，確定造波機(jī)、造流機(jī)和風(fēng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，按照所述造波機(jī)、造流機(jī)和風(fēng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)分別控制造波機(jī)、造流機(jī)和風(fēng)機(jī)運(yùn)行；確定溢油試驗(yàn)系統(tǒng)所模擬的溢油場(chǎng)景，根據(jù)溢油場(chǎng)景確定供油設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，按照供油設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)控制供油設(shè)備運(yùn)行；啟動(dòng)圖像采集設(shè)備運(yùn)行；

數(shù)據(jù)接收模塊72，用于接收?qǐng)D像采集設(shè)備傳輸?shù)膱D像數(shù)據(jù)，生成水面溢油圖片；

數(shù)據(jù)處理模塊73，用于根據(jù)水面溢油圖片確定水面油膜的運(yùn)動(dòng)參數(shù)；所述運(yùn)動(dòng)參數(shù)至少包括以下之一：水面油膜的橫向漂移距離、水面油膜的縱向最大擴(kuò)散距離、水面油膜的擴(kuò)散速率、水面油膜的平均厚度。

上述實(shí)施例所提供的實(shí)驗(yàn)室水面溢油運(yùn)動(dòng)規(guī)律測(cè)定裝置，其實(shí)現(xiàn)原理及產(chǎn)生的技術(shù)效果和前述方法實(shí)施例相同，為簡(jiǎn)要描述，裝置實(shí)施例部分未提及之處，可參考前述方法實(shí)施例中的相應(yīng)內(nèi)容。

本發(fā)明實(shí)施例提供的實(shí)驗(yàn)室水面溢油運(yùn)動(dòng)規(guī)律測(cè)定方法和裝置具有相同的技術(shù)特征，所以也能解決相同的技術(shù)問題，達(dá)到相同的技術(shù)效果。

需要說明的是，在本發(fā)明所提供的實(shí)施例中，應(yīng)該理解到，所揭露系統(tǒng)和方法，可以通過其它的方式實(shí)現(xiàn)。以上所描述的裝置實(shí)施例僅僅是示意性的，例如，所述單元的劃分，僅僅為一種邏輯功能劃分，實(shí)際實(shí)現(xiàn)時(shí)可以有另外的劃分方式，又例如，多個(gè)單元或組件可以結(jié)合或者可以集成到另一個(gè)系統(tǒng)，或一些特征可以忽略，或不執(zhí)行。所述作為分離部件說明的單元可以是或者也可以不是物理上分開的，作為單元顯示的部件可以是或者也可以不是物理單元，即可以位于一個(gè)地方，或者也可以分布到多個(gè)網(wǎng)絡(luò)單元上?？梢愿鶕?jù)實(shí)際的需要選擇其中的部分或者全部單元來實(shí)現(xiàn)本實(shí)施例方案的目的。

另外，在本發(fā)明提供的實(shí)施例中的各功能單元可以集成在一個(gè)處理單元中，也可以是各個(gè)單元單獨(dú)物理存在，也可以兩個(gè)或兩個(gè)以上單元集成在一個(gè)單元中。

所述功能如果以軟件功能單元的形式實(shí)現(xiàn)并作為獨(dú)立的產(chǎn)品銷售或使用時(shí)，可以存儲(chǔ)在一個(gè)計(jì)算機(jī)可讀取存儲(chǔ)介質(zhì)中。基于這樣的理解，本發(fā)明的技術(shù)方案本質(zhì)上或者說對(duì)現(xiàn)有技術(shù)做出貢獻(xiàn)的部分或者該技術(shù)方案的部分可以以軟件產(chǎn)品的形式體現(xiàn)出來，該計(jì)算機(jī)軟件產(chǎn)品存儲(chǔ)在一個(gè)存儲(chǔ)介質(zhì)中，包括若干指令用以使得一臺(tái)計(jì)算機(jī)設(shè)備(可以是個(gè)人計(jì)算機(jī)，服務(wù)器，或者網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等)執(zhí)行本發(fā)明各個(gè)實(shí)施例所述方法的全部或部分步驟。而前述的存儲(chǔ)介質(zhì)包括：u盤、移動(dòng)硬盤、只讀存儲(chǔ)器(rom，read-onlymemory)、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(ram，randomaccessmemory)、磁碟或者光盤等各種可以存儲(chǔ)程序代碼的介質(zhì)。

此外，術(shù)語(yǔ)“第一”、“第二”、“第三”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對(duì)重要性。

最后應(yīng)說明的是：以上所述實(shí)施例，僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式，用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對(duì)其限制，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，盡管參照前述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，其依然可以對(duì)前述實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改或可輕易想到變化，或者對(duì)其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改、變化或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明實(shí)施例技術(shù)方案的精神和范圍，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)所述以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。