(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010772635.9
(22)申请日 2020.08.04
(71)申请人 长沙矿冶研究院有限责任公司
地址 410000 湖南省长沙市岳麓区麓山南
路966号
(72)发明人 何成
(74)专利代理机构 长沙朕扬知识产权代理事务
所(普通合伙) 43213
代理人 周孝湖
(51)Int.Cl.
G01C 13/00(2006.01)
G01N 33/18(2006.01)
G01D 21/02(2006.01)
G01N 1/10(2006.01)
(54)发明名称深海采矿车对环境扰动的监测系统及监测方法(57)摘要本发明公开了一种深海采矿车对环境扰动的监测系统及监测方法，监测系统包括：车载固定式环境监测实时子系统、可旋转多自由度环境实时监测装置、环境实时监测节点、无缆环境自主监测边缘节点和水面数据采集与存储系统，车载固定 式环境监测实时子系统、可旋转多自由度环境实时监测装置、环境实时监测节点、无缆环境自主监测边缘节点分别采集监测数据，水面数据采集与存储系统对车载固定式环境监测实时子系统、可旋转多自由度环境实时监测装置、环境实时监测节点和无缆环境自主监测边缘节点监测的数据进行采集及存储处理，得到可供环境分析的数据。该监测系统及监测方法能够实时可靠地对深海采矿车在活动过程中对环境的扰动
进行监测。权利要求书2页 说明书7页 附图4页CN 111780728 A 2020.10.16
C N 111780728
A
1.一种深海采矿车对环境扰动的监测系统，其特征在于，所述监测系统包括：
车载固定式环境监测实时子系统(1)，安装在采矿车(100)上，用于对所述采矿车(100)附近环境中的扰动源进行实时监测；
可旋转多自由度环境实时监测装置(2)，可旋转地安装在所述采矿车(100)的顶部，用于对扰动源周围悬浮颗粒物的扩散情况进行实时监控，并对采矿过程中扰动源周围不同角度的浊度进行实时监测；
环境实时监测节点(3)，安装在所述采矿车(100)与水面作业船(200)连接的铠装电缆(300)上，所述环境实时监测节点(3)安装在所述铠装电缆(300)上靠近所述采矿车(100)的一端，所述环境实时监测节点(3)用于对扰动源附近不同水深处的羽状流流速、羽状流范围及海洋环境进行近距离监测；
无缆环境自主监测边缘节点(4)，安装在所述铠装电缆(300)上，用于对所在深度处的海水浊度、海水流速、羽状流激起的悬浮颗粒物沉降范围进行监测，存储监测数据，并对所在深度处的海水进行取样；
水面数据采集与存储系统(5)，安装在所述水面作业船(200)上，用于对所述车载固定式环境监测实时子系统(1)、所述可旋转多自由度环境实时监测装置(2)、所述环境实时监测节点(3)和所述无缆环境自主监测边缘节点(4)监测的数据进行采集及存储处理，得到可供环境分析的数据。
2.根据权利要求1所述的深海采矿车对环境扰动的监测系统，其特征在于，所述车载固定式环境监测实时子系统(1)包括：
海底羽状流监测装置，所述海底羽状流监测装置用于采集海底浊度和底流流速，并监测采矿过程中海底羽状流的沉降扩散时间和范围；
环境监测模块，所述环境监测模块用于采集深海海水的理化性质和生物状态；
采集及通信模块，所述海底羽状流监测装置和所述环境监测模块均与所述采集及通信模块连接，所述采
集及通信模块通过所述铠装电缆(300)与所述水面数据采集与存储系统(5)连接，用于将所述海底羽状流监测装置和所述环境监测模块监测的数据发送至所述水面数据采集与存储系统(5)。
3.根据权利要求2所述的深海采矿车对环境扰动的监测系统，其特征在于，
所述海底羽状流监测装置包括浊度计、海流计、车载摄像头、车载照明灯和深度计，所述浊度计用于采集海底浊度，所述海流计用于采集底流流速，所述车载摄像头和所述车载照明灯用于监测采矿过程中海底羽状流的沉降扩散时间和范围；
所述环境监测模块包括叶绿素监测探头、温度监测探头、盐度监测探头和溶解氧监测探头；
所述采集及通信模块包括数据采集器和通信转化单元，所述海底羽状流监测装置和所述环境监测模块均与所述数据采集器连接，所述数据采集器与所述通信转化单元连接，所述通信转化单元通过所述铠装电缆(300)与所述水面数据采集与存储系统(5)连接。
4.根据权利要求3所述的深海采矿车对环境扰动的监测系统，其特征在于，所述可旋转多自由度环境实时监测装置(2)包括：
旋转架(21)，可转动地安装在所述采矿车(100)的顶部；
机械臂(22)，安装在所述旋转架(21)上；
云台(23)，安装在所述机械臂(22)远离与所述旋转架(21)连接的一端，所述云台(23)上安装照明灯(24)、摄像头(25)和浊度探头(26)；
所述摄像头(25)和所述浊度探头(26)均与所述通信转化单元连接。
5.根据权利要求3所述的深海采矿车对环境扰动的监测系统，其特征在于，所述环境实时监测节点(3)包括一海洋环境监测装置(31)，所述海洋环境监测装置(31)安装在一铠装电缆(300)上，所述铠装电缆(300)与一浮球连接架(33)相连接，所述浮球连接架(33)上安装一主浮球(34)，所述主浮球(34)内嵌式安装一超短基线声学定位信标(35)，所述海洋环境监测装置(31)通过一光电缆(36)与所述通信转化单元连接。
6.根据权利要求5所述的深海采矿车对环境扰动的监测系统，其特征在于，所述海洋环境监测装置(31)上连接一锚链(37)，所述锚链(37)通过一夹具(38)挂载在所述铠装电缆(300)上。
7.根据权利要求6所述的深海采矿车对环境扰动的监测系统，其特征在于，所述海洋环境监测装置(31)包括一环境监测模块和一水样采集器，所述环境监测模块用于监测所述海洋环境监测装置(31)处的环境数据，所述水样采集器用于对海水进行原位实时取样。
8.根据权利要求7所述的深海采矿车对环境扰动的监测系统，其特征在于，所述无缆环境自主监测边缘节点(4)由所述海洋环境监测装置(31)构成，所述海洋环境监测装置(31)通过所述夹具(38)安装在所述铠装电缆(300)上。
9.根据权利要求1所述的深海采矿车对环境扰动的监测系统，其特征在于，所述环境实时监测节点(3)的数量为多个，并以所述采矿车(100)顶部的所述铠装电缆(300)安装位置为起点进行安装，相邻所述环境实时监测节点(3)之间间隔10-20米；所述无缆环境自主监测边缘节点(4)的数量为多个，相邻所述无缆环境自主监测边缘节点(4)之间间隔900-1100米。
10.一种深海采矿车对环境扰动的监测方法，采用如权利要求1-9中任意一项所述的监测系统进行监测，其特征在于，所述监测方法包括：
通过所述车载固定式环境监测实时子系统(1)采集所述采矿车(100)附近环境的海底浊度和底流流速，监测采矿过程中海底羽状流的沉降扩散时间和范围，采集深海海水的理化性质和生物状态，并将数据发送至所述水面数据采集与存储系统(5)；
通过所述可旋转多自由度环境实时监测装置(2)监测扰动源周围悬浮颗粒物的扩散情况，监测采矿过程中扰动源周围不同角度的浊度，并将监测数据发送至所述水面数据采集与存储系统(5)；
通过所述环境实时监测节点(3)监测扰动源附近不同水深处的羽状流流速、羽状流范围及海洋环境，并将监测数据发送至所述水面数据采集与存储系统(5)；
通过所述无缆环境自主监测边缘节点(4)原位监测海水浊度、海水流速、羽状流激起的悬浮颗粒物沉降范围，存储监测数据，并对所在深度处的海水进行取样；
所述水面数据采集与存储系统(5)结合所述车载固定式环境监测实时子系统(1)、所述可旋转多自由度环境实时监测装置(2)和所述环境实时监测节点(3)的监测数据，并以所述无缆环境自主监测边缘节点(4)的监测数据作为对照组，综合处理得到环境分析数据。
深海采矿车对环境扰动的监测系统及监测方法
技术领域
[0001]本发明涉及海洋环境监控技术领域，具体而言，涉及一种深海采矿车对环境扰动的监测系统及监测方法。
背景技术
[0002]目前，深海采矿车大多采用双履带式行驶的作业车，采矿车采用水力式采矿会搅动起大量海底沉积物等颗粒物质，同时进入采矿车的大部分非结核物质将从采矿车分离系统排放出来，其中颗粒较大的非结核物质会迅速沉降到海底，但较小的颗粒物质则会随着海底底层流扩散而形成底层羽状流。
[0003]深海采矿过程中沉积物排放形成的羽状流可能会堵塞底栖生物的呼吸系统，造成海底水体中氧气消耗；同时，深海采矿过程中释放出来的有毒物质会在生物体内大量积累，也可能对海底生态环境带来威胁。
[0004]根据国际海底管理局《指导承包者评估“区域”内海洋勘探活动可能对环境造成影响的建议》文件的规定：承包者要求收集海洋环境基线数据，建立环境基线，同时勘探活动相应的监测方案，评估拟定活动对环境的潜在影响，提交环境影响评估报告。因此，深海采矿车采矿活动要进行环境评估，就必须对深海采矿活动造成的环境扰动进行监测，而目前针对采矿车环境扰动数据的采集方法难以采集到采矿车工作时的实时数据，无法对深海采矿车采矿作业的环境扰动进行全面的综合评估，对扰动时悬浮物扩散情况的监测常需通过另布置ROV或AUV进行，大大增加了人力物力成本，其数据采集位置距扰动源较远，采集到的数据少，效率低，给环境评估带来困难。
[0005]如今，直接用于深海采矿车环境扰动监测的方法无任何专利公开，故开发一种能够实时可靠的进行深海采矿车环境扰动的监测方法及系统对于海洋环境保护具有重要研究价值。
发明内容
[0006]本发明的主要目的在于提供一种深海采矿车对环境扰动的监测系统及监测方法，该监测系统及监测方法能够实时可靠地对深海采矿车在活动过程中对环境的扰动进行监测。
[0007]为了实现上述目的，本发明提供了一种深海采矿车对环境扰动的监测系统，该监测系统包括：
[0008]车载固定式环境监测实时子系统，安装在采矿车上，用于对采矿车附近环境中的扰动源进行实时监测；
[0009]可旋转多自由度环境实时监测装置，可旋转地安装在采矿车的顶部，用于对扰动源周围悬浮颗粒物的扩散情况进行实时监控，并对采矿过程中扰动源周围不同角度的浊度进行实时监测；
[0010]环境实时监测节点，安装在采矿车与水面作业船连接的铠装电缆上，环境实时监
测节点安装在铠装电缆上靠近采矿车的一端，环境实时监测节点用于对扰动源附近不同水深处的羽状流流速、羽状流范围及海洋环境进行近距离监测；
[0011]无缆环境自主监测边缘节点，安装在铠装电缆上，用于对所在深度处的海水浊度、海水流速、羽状流激起的悬浮颗粒物沉降范围进行监测，存储监测数据，并对所在深度处的海水进行取样；
[0012]水面数据采集与存储系统，安装在水面作业船上，用于对车载固定式环境监测实时子系统、可旋转多自由度环境实时监测装置、环境实时监测节点和无缆环境自主监测边缘节点监测的数据进行采集及存储处理，得到可供环境分析的数据。
[0013]进一步地，车载固定式环境监测实时子系统包括：
[0014]海底羽状流监测装置，海底羽状流监测装置用于采集海底浊度和底流流速，并监测采矿过程中海底羽状流的沉降扩散时间和范围；
[0015]环境监测模块，环境监测模块用于采集深海海水的理化性质和生物状态；[0016]采集及通信模块，海底羽状流监测装置和环境监测模块均与采集及通信模块连接，采集及通信模块通过铠装电缆与水面数据采集与存储系统连接，用于将海底羽状流监测装置和环境监测模块监测的数据发送至水面数据采集与存储系统。
[0017]进一步地，海底羽状流监测装置包括浊度计、海流计、车载摄像头、车载照明灯和深度计，浊度计用于采集海底浊度，海流计用于采集底流流速，车载摄像头和车载照明灯用于监测采矿过程中海底羽状流的沉降扩散时间和范围；
[0018]环境监测模块包括叶绿素监测探头、温度监测探头、盐度监测探头和溶解氧监测探头；
[0019]采集及通信模块包括数据采集器和通信转化单元，海底羽状流监测装置和环境监测模块均与数据采集器连接，数据采集器与通信转化单元连接，通信转化单元通过铠装电缆与水面数据采集与存储系统连接。
[0020]进一步地，可旋转多自由度环境实时监测装置包括：
[0021]旋转架，可转动地安装在采矿车的顶部；
[0022]机械臂，安装在旋转架上；
[0023]云台，安装在机械臂远离与旋转架连接的一端，云台上安装照明灯、摄像头和浊度探头；
[0024]摄像头和浊度探头均与通信转化单元连接。
[0025]进一步地，环境实时监测节点包括一海洋环境监测装置，海洋环境监测装置安装在一铠装电缆上，铠装电缆与一浮球连接架相连接，浮球连接架上安装一主浮球，主浮球内嵌式安装一超短基线声学定位信标，海洋环境监测装置通过一光电缆与通信转化单元连接。
[0026]进一步地，海洋环境监测装置上连接一锚链，锚链通过一夹具挂载在铠装电缆上。[0027]进一步地，海洋环境监测装置包括一环境监测模块和一水样采集器，环境监测模块用于监测海洋环境监测装置处的环境参数，水样采集器用于对海水进行原位实时取样。[0028]进一步地，无缆环境自主监测边缘节点由海洋环境监测装置构成，海洋环境监测装置通过夹具安装在铠装电缆上。
[0029]进一步地，环境实时监测节点的数量为多个，环境实时监测节点以采矿车顶部的
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