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AUV经测试可用于北极地区的石油探测

随着北极地区海冰的继续融化和该地区石油勘探的扩大,在冰下发生溢油的可能性比以往任何时候都要高。但是,在如此极端和遥远的环境中,急救人员如何应对困在冰下的石油是一个悬而未决的巨大问题。

“随着几年前西北通道的通行以及越来越多的商业船定期穿越该地区,各政府机构一直担心没有实际的基础设施来应对冰下的石油泄漏,” WHOI说工程师Amy Kukulya。“从物流的角度来看,向北极地区获取资源非常困难。”

Kukulya领导着多机构合作,旨在开发先进的传感器和自动机器人功能,以帮助提高紧急情况下漏油应急人员的态势感知和决策能力。她说:“作为海洋学家,我们迫切需要自动水下航行器(AUV),这种水下航行器可以测量冰下远距离的溢出物。”

作为这项工作的一部分,她和她的同事们于8月下旬在加利福尼亚州圣塔芭芭拉(Santa Barbara)海岸部署了一系列自动水下航行器(AUV),以测试车辆的漏油检测能力,以在现实世界海上漏油期间做出快速响应。该项目的合作者包括国土安全部(DHS),美国海岸警卫队(USCG),美国环境保护局(EPA),美国国家海洋与大气管理局(NOAA),安全与环境执法局(BSEE) ),蒙特利湾水族馆研究所(MBARI)和北极域意识中心(ADAC)。

水下意识

该实地计划的特色是两个互补的AUV,配备有定制吸油和采样功能的REMUS-600,以及远程自主水下航行器(LRAUV),这是由DHS资助的新型北极AUV,可提供快速而持久的漏油响应冰雪覆盖的海洋。

自主水下航行器(AUV)是从美国海岸警卫队(USCGC)圣塔芭芭拉分校的乔治·科布(George Cobb)发射的,目的是测试该车辆的漏油检测能力,以便在现实世界的海上漏油事件中快速响应。(伍兹霍尔海洋研究所Amy Kukulya摄)

最初的LRAUV最初是在MBARI上由James Bellingham领导开发的,James Bellingham现在是WHOI海洋机器人中心(CMR)的负责人。最新模型仍与MBARI工程师一起开发,专门设计用于检测冰下溢油。贝林汉姆说:“我们的目标是在发生实际泄漏事件时向海岸警卫队提供更多的了解,并能够在仍有时间做出反应的情况下理解事件。”

该车可以从岸,海冰,轮船或直升机上空开入水中,是AUV世界的超级马拉松运动员:它可以在620英里(1,000公里)的距离内连续运转两周以上。

海岸警卫队应急管理总监Dana Tulis表示,这种新型载具满足了关键且未得到满足的需求:快速高效的数据收集可为偏远和难以接近的地区的响应管理提供信息。

她说:“如果您在偏远的北极环境中,而不是部署大型船只,那么让这些易于部署的机器人车辆从水面以下收集信息将是理想的选择。”“这是对空中无人机的完美补充,我们用来在偏远地区而不是大型飞机上空飞行。拥抱这样的最新技术,可以使我们在应对大洋和北极漏油方面节省大量资源。而且,它们还可以帮助在非边远地区更常见的溢出反应。”

库库里亚说,MBARI已经建造了12辆LRAUV,并且正在与WHOI进行第十三次合作,作为石油响应合作的一部分。

“由于技术的独特性和问题的紧迫性,这已成为历史上投入最大的DHS卓越中心项目。很难相信我们在过去五年中取得了成就。”

缩小差距

该原型机填补了水下滑翔机之间海洋机器人技术的空白(可以滑行很长距离,但缺乏动力和有效载荷能力,无法携带大量传感器)和标准AUV(通常仅工作24小时或更短时间)。它建立在MBARI非商业化的水下航行器平台(称为Tethys LRAUV)的基础上,随着时间的推移,该平台已经添加了各种技术。这包括声纳测绘,导航系统和专用传感器,这些传感器可以检测出石油在哪里扩散,而不在哪里扩散。急救人员可以使用此信息有效地远程跟踪实际发生的漏油事件。

库库里亚说:“我们在开发适用于北极的漏油嗅探和制图工具方面取得了巨大的成功,”“ MBARI主导了基础车辆的开发,ADAC项目结合了WHOI机器人技术的精华,创造了一个出色的平台。它可以做世界上其他车辆无法做到的事情。”

据库库里亚说,LRAUV的主要特征之一是“浮力发动机”,该发动机可使车辆改变其内部重量并改变其总体浮力,从而使其能够以零螺旋桨速度漂移。这有助于最大程度地提高续航能力,因此一次充电可行驶数周。

闪亮的新事物

在此前对加利福尼亚州蒙特雷湾的LRAUV功能进行的现场测试中,研究人员使用了海洋中一种绿色的,可生物降解的染料来模拟油羽。当LRAUV在水中漂流时,它成功地追踪了几个小时的染料斑,每隔几分钟就会浮出水面,以传输数据,供研究人员进行审查和分析。在圣塔芭芭拉(Santa Barbara)工地进行的最新测试中,该团队进行了另一次模拟泄漏,只是这次他们使用的是纯油,而不是染料。该地点天然存在油渗漏物,据估计,每天海底裂缝会排放出20至25吨油。

这两个朝前的黑棒是全息照相系统的一部分,该系统最近在圣巴巴拉的WHOI水下自动驾驶汽车上进行了油品检测测试。在这里,系统正在对从海底喷出的气泡进行成像。(伍兹霍尔海洋学研究所的艾米·库库里亚照片)。

在模拟漏油期间,团队测试了车辆上的新装备,包括全息照相系统。该系统由名叫WHOI的生物学家Cabell Davis在他创立的海洋技术公司Seascan开发,该系统每秒发出大约7次激光束,以拍摄海洋中油滴的详细三维图像。一个新的WHOI“水碎水机”也首次亮相,它可以在每次任务中收集多达十二个水样。

除了新硬件外,该团队还将机器人操作系统(ROS)集成到了“后座”计算机上,以进行自主行为调整。WHOI研究工程师Kevin Ducharme和助理科学家Erin Fischell在REMUS车辆上编写并测试了这些新软件功能,这些功能将有助于溢油快速响应工作。

通过嗅探测试

根据图利斯(Tulis)的说法,除了尖端技术本身之外,推动项目向前发展的关键成功因素还在于高度协作和多学科的团队合作方式。9月底,当她访问圣塔芭芭拉(Santa Barbara)测试站点时,她被来自各个专业领域的工程师和科学家所围绕,他们都朝着同一目标努力—将新技术整合到海岸警卫队的应对措施中。

她说:“在一艘船上,您拥有遥感,工程,化学和数据管理方面的专家。”“当我从一个车站到另一个车站时,感觉就像在科学训练营一样。”

Kukulya认为合作是关键:她说:“我们都是一支队伍。”她说,展望未来,另一个关键的成功因素将是在发生漏油事件时迅速动员AUV。她说:“拥有正确的工具来完成工作是一回事,而在偏远和/或冰雪覆盖的地区足够快地部署它们是另一回事。”

研究人员已准备好将LRAUV部署用于模拟溢油应急演习。WHOI在海上作业和物流方面的实力,再加上该车辆的小巧外形和易于操作的设计,将在发生溢油事故时迅速动员起来。(伍兹霍尔海洋研究所Amy Kukulya摄)

从2010年Deepwater Horizo​​n溢油事件中学到的经验教训,使Kukulya和她的团队充分了解了快速响应的挑战。她说:“花了10天的时间,第一个AUV进入了水中,而且那里的交通十分便利。”

急救人员在北极地区部署AUV的速度仍然是一个问题,但Kukulya表示,除了技术开发实力外,WHOI在海上作战领域也很引人注目。

她说:“我们不仅拥有开发尖端技术的能力,而且能够很快将其部署到水中,因此处于独特的位置。”“最终,我可以预见,如果在北极或任何地方发生漏油事件,以及针对有害藻类繁殖,海洋微塑料或海洋中任何环境异常情况的快速响应技术,WHOI都将成为首选。需要离散采样。我们现在在实验室中的系统已经准备好响应。”

这项工作由安全与环境执法局(BSEE),国土安全部和北极领域意识中心(ADAC)资助。本文中的信息反映了由阿拉斯加大学(Alaska University)主办的ADAC,DHS海上研究卓越中心(ADAC)赞助的调查和结论。DHS在2014-ST-061-ML0002授予的资助下开展了相关活动。本文中提供的信息的观点和结论反映了通过ADAC进行的研究,不应解释为必然代表美国国土安全部的明示或暗示的官方政策。

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