海底观测网岸基控制运行与数据管理系统

智能化海洋观测系统的设计与实现近年来，全球气候变化引起了社会的广泛关注，而海洋是地球上最大的碳汇之一，海洋的变化对全球气候的影响非常重要。

因此，对海洋进行实时、准确的观测和分析至关重要。

随着科技的不断发展，智能化海洋观测系统成为了一种重要的技术手段。

本文将从智能化海洋观测系统的概念、系统设计、实现方法等方面进行探讨。

一、智能化海洋观测系统的概念智能化海洋观测系统是一种集成了海洋科学和工程学的高技术系统，它能够实现海洋环境要素的实时、准确观测，并通过数据处理和分析，提供海洋环境变化的预测和分析。

在传统的海洋观测中，观测数据通常由传感器采集，并通过人工处理和分析得出。

而智能化海洋观测系统采用了先进的传感器技术、自动控制技术、数据采集与处理技术、数据存储与传输技术等，实现了实时、准确的数据采集与处理，并将数据传输到中央处理器进行分析和处理，最终形成可视化的海洋环境数据分析结果。

二、智能化海洋观测系统的系统设计智能化海洋观测系统的系统设计包括传感器、数据采集、数据传输、数据处理和数据分析等五个方面。

1. 传感器传感器是智能化海洋观测系统最重要的组成部分。

传感器的质量、精度和可靠性是观测数据质量的重要保证。

传感器设计应考虑适应环境的特殊性，结构应牢固耐用，对观测环境的干扰和变化应有较强的抵抗能力。

在选择传感器类型时，还需考虑其对观测物理量的观测范围、精度、分辨率和量程等参数，以确保测量数据能够满足科学和工程需求。

2. 数据采集数据采集是智能化海洋观测系统的核心环节，它决定了观测数据的实时性和准确性。

数据采集要尽可能减少漏报、错报和冗余数据，确保海洋观测数据能够覆盖空间和时间的各个层面。

数据采集还要进行预处理，如采集数据进行平滑处理，去噪，滤波等，以提高采集数据的质量和准确性。

3. 数据传输数据传输是将观测数据从采集点传输到数据中心的过程。

数据传输要保证高速、可靠和安全。

数据传输技术应选择高带宽的通信方式，如光纤、卫星信号、无线局域网、蓝牙等，以确保数据传输速度和稳定性。

*通信作者修改稿收到日期：2022年6月18日专题：海洋观测探测与安全保障技术Ocean Observation and Security Assurance Technology引用格式：吴园涛, 任小波, 段晓男, 等. 构建自立自强的海洋科学观测探测技术体系的思考. 中国科学院院刊, 2022, 37(7): 861-869.Wu Y T, Ren X B, Duan X N, et al. Thoughts on constructing self-reliance and self-strengthening marine scientific observation and detectiontechnology system. Bulletin of Chinese Academy of Sciences, 2022, 37(7): 861-869. (in Chinese)构建自立自强的海洋科学观测探测技术体系的思考吴园涛1*任小波2 段晓男3 文质彬1 董丹宏4 殷建平5 沙忠利6 赵宏宇7 蒋 磊8 江丽霞1 沈 刚11 中国科学院 重大科技任务局 北京 1008642 中国科学院 科技促进发展局 北京 1008643 中国科学院 前沿科学与教育局 北京 1008644 中国科学院大气物理研究所 北京 1000295 中国科学院南海海洋研究所 广州 5103016 中国科学院海洋研究所 青岛 2660717 中国科学院沈阳自动化研究所 沈阳 1101698 中国科学院深海科学与工程研究所 三亚 572000摘要 海洋是国家战略必争领域，建设海洋强国必须要提高海洋资源开发能力，发展海洋经济，保护海洋生态环境，坚决维护国家海洋权益。

推动海洋科技实现高水平科技自立自强，是加快建设海洋强国的必然要求。

海洋观测探测技术是认识海洋的基本手段，是海洋资源开发、环境保护和权益维护的重要基础。

2016 NO.09SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION科技报告导读169 科技资讯 SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION 槽，便于钻机收放；海底原位测量采用了国际最新的钻杆声学数据传输技术。

该文最后对系统海试方案进行了规划和描述。

关键词：设计报告 海底钻机 绳索取芯Design Report of a 60m Seafloor Multi-function DrillPeng Youduo 1 Wan Buyan 1 Chen Qi 2 Luo Baiwen 1 Tianyong 1(1.Hu’nan University of Science and Technology; 2.Guangzhou Marine Geological Survey)Abstract :This paper describes the design of the 60m seafloor multi-function drill under development. The whole system is divided into 3 subsystems: the prototype of the drill itself, the launch & recovery subsystem and the in-site measurement subsystem. Several newest technologies such as wire coring, multiple oil pumps, specially designed driving head and drilling tools,etc are applied in the drill itself.The L & R subsystem has a special V shaped rail.And the newly developed sonic data transmitting technique is adopted in the in-site measurement subsystem. And the sea trial plan is presented at the end of the paper.Key Words :Design report; Seafloor drill; Wire coring阅读全文链接（需实名注册）：/xiangxiBG.aspx?id=64560&flag=1海底观测网岸基控制运行与数据管理系统马辉1 李秀1 李德俊2 金波2 郭振华1(1.清华大学深圳研究生院；2.浙江大学)摘 要：针对“在我国南海海域构建一个海底观测网试验系统，使之成为我国深海海底观测技术的试验基地，使我国初步具备构建海底观测网的技术能力，为进一步开展海底观测网的建设提供支撑”的项目研究目标，该课题的主要研究内容包括： 开发岸基运行管理系统，实现对各接驳与传感设备系统运行状态的监视与控制；集成岸基高压电源及备用不间断电源系统，设计开发实施监控与管理系统；建立GPS天秒对时服务器及其管理系统，实现水下设备的时间同步管理；建立基站远程监控与实时维护与管理系统，实现无人值守时的监控与管理；建立基站应急响应系统；设计并建立海底网观测控制与数据处理中心；实现海底观测试验网多类型、多学科、多源数据的有效获取和分类存储，以及可控分发、可视化展示和监测；开发海底观测网通用管理软件系统；建立数据服务系统平台，形成可根据不同用户的需求逐步扩充的集成服务支撑体系；建立海底观测试验网专用网站，采用可视化与多媒体技术发布、演示海底观测试验网数据结果，满足不同用户需求，特别是针对社会公众的宣传和科普教育需求。

浅海水声网络1.摘要水声网络通常由通过水声相连的海底传感器节点，自主无人航行器及与岸基站点进行无线通信的网关海面站点构成。

该网络服务质量受声传输信号低带宽，低声速导致的高延时和高环境噪声所限。

其长期设计目标是能够提供基于网络链接的自组网络，通过最优化系统参数自主适应环境。

本文考虑了最小化能耗约束，最优化吞吐和可靠性条件下设计浅海水声网络的诸多方面问题。

2.引言近二十年来，水声通信技术取得了显著进步。

高速可靠通信系统的实现使得海底坐地传感器与水下自主航行器等水下节点间实时点对点通信成为可能。

当前研究热点主要集中在应对环境数据采集、近海探测、污染检测与军事侦察等应用的网络多链路协同领域。

海底或海监测的传统方法包括传感器布放，实验数据记录和试验设备回收。

该方法存在诸多不足：实验记录数据需在长达数周的实验任务结束后获取；海底设备与岸基用户间无法进行信息交互，因此，当某区域出现感兴趣事件时无法进行系统重配置；如果设备在回收前出现错误，那么数据采集过程将停止或所有数据可能丢失。

特定海域长期实时观测最理想的解决途径将诸多测量设备通过无线链路连接成网络结构。

最基本的水下声学网络由类似固定节点与水下自主航行器等节点间的建立的双工水声通信所组成。

该网络将与海面站点相连，并借助该站点采用RF链路与远程陆上节点如Internet 网络相连接。

岸基多用户能够从远距离水下设备实时获取数据，评估已获取的数据，并可对单个设备发送控制信息。

由于数据不再储存在水下设备中，因此可以避免数据丢失，也能通过网络重配置得以绕开失效节点水声网络的最大约束是有限能源支持。

对陆上系统而言，无线调制解调器电池的替换非常简单，但水下无线调制解调器电池替换受航行时间和调制解调器回收时间的制约而显得费时费钱。

因此，对水下应用而言，传输能量显得异常昂贵。

网络协议应通过减少重传次数，降低传输间隔的功耗以及最小化每次传输需求来节省能耗。

在救援与探测任务等水下应用中，需要网络能够不经大规模规划而快速布放。

日本海洋实时监测系统DONET简介申中寅【摘要】近年来,我国地震观测取得了长足进展,同时海底观测系统的建设也方兴未艾.而欧美及日本等发达国家在海底有线实时监测的成功先例,为我国相应工作的开展提供了良好的参考及借鉴.其中日本海底有线实时监测系统DONET始建于2011年,专注于海底地动―水压信号的高效采集,旨在监视日本南海海槽的地震和海啸事件.本文主要介绍DONET的硬件布局、搭建流程以及科研产出情况,并简要介绍我国国家海底科学观测网的基本信息.【期刊名称】《国际地震动态》【年(卷),期】2018(000)007【总页数】7页(P34-40)【关键词】海底观测网;DONET;日本南海海槽;国家海底科学观测网【作者】申中寅【作者单位】中国地震局地球物理研究所,北京 100081【正文语种】中文【中图分类】P315引言伴随海底通讯产业的发展，水下供电及数据传输技术日趋成熟，海底有线实时观测成为继潜水器和水下机器人之后新兴的海洋调查方法。

其搭建方式大致可分为既有线路改造和新系统架设两种。

前者主要基于20世纪90年代停用的太平洋海底通信线缆，如美国的 H2O（Hawaii-2 Observatory）和日本的 GeO-TOC （Geophysical and Oceanographical Trans-Ocean Cable）。

后者则以加拿大NEPTUNE系统（North-East Pacific Time-Series Undersea Networked Experiments）为代表，包括美国、加拿大、欧盟所规划建设的一系列海底有线观测项目[1]。

NEPTUNE以陆基台站为起点沿海底向外洋延伸通信供电线缆，后者藉由特定连接装置搭载一系列固定观测仪器（搭载化学传感器及水样采集装置的自动升降浮标、流向流速计、声学多普勒流速剖面仪、声波层析成像仪和浮游生物相机）和海底接地型观测仪器（海底观测平台、地震仪和重力仪）。

国家海底观测网十米浮标平台系统研究与应用①李 清1,陆 海2,韩 睿1,王建军2(1.上海外高桥造船海洋工程有限公司,上海 201306;2.同济大学国家海底科学观测系统项目办公室,上海 201306)摘要 国家海底科学观测网是经国家发改委批准的重大科技基础设施建设项目,旨在全方位㊁多领域㊁立体观测海洋㊂与业务化运行的浮标网不同,海底科学观测网对浮标平台的数据采集和控制系统㊁水声通信㊁系统的防护和国产仪器实验平台等方面提出了新的更高的要求㊂针对这些科学目标的工程实现,探讨对现有浮标的改进和功能增删以满足整个海底观测网的需求㊂关键词 国家海底科学观测网;海洋资料浮标;数据采集和控制系统;水声通信中图分类号:P 714 文献标志码:A 文章编号:20957297(2023)011907d o i :10.12087/oe e t .2095-7297.2023.02.19D e s i g n o f C h i n a N a t i o n a l S c i e n t i f i c S e a f l o o r O b s e r v a t o r y B u o y Pl a t f o r m L I Q i n g 1,L U H a i 2,H A N R u i 1,WA N G J i a n ju n 2(1.S h a n g h a i W a i g a o q i a o S h i p b u i l d i n g &O f f s h o r e C o .,L t d .,S h a n gh a i 201306,C h i n a ;2.P r o j e c t M a n a g e m e n t O f f i c e o f C h i n a N a t i o n a l S c i e n t i f i c S e a fl o o r O b s e r v a t o r y ,T o n g j i U n i v e r s i t y ,S h a n gh a i 201306,C h i n a )A b s t r a c t C h i n a N a t i o n a l S c i e n t i f i c S e a f l o o r O b s e r v a t o r y (C N S S O )i s a m a j o r s c i e n c e a n d t e c h n o l o g yi n f r a s t r u c t u r e p r o j e c t a p p r o v e d b y t h e N a t i o n a l D e v e l o pm e n t a n d R e f o r m C o m m i s s i o n (N D R C ),w h i c h a i m s t o o b s e r v e t h e o c e a n f r o m v a r i o u s a s p e c t s a n d f i e l d s .U n l i k e t h e b u o y n e t w o r k o p e r a t e d b y t h e g o v e r n m e n t ,C N S S O r e qu i r e s s m a r t d a t a a c q u i s i t i o n a n d c o n t r o l s y s t e m ,u n d e r w a t e r a c o u s t i c c o m m u n i c a t i o n ,s ys t e m p r o t e c t i o n a n d d o m e s t i c i n s t r u m e n t e x p e r i m e n t p l a t f o r m.I n r e s p o n s e t o t h e r e a l i z a t i o n o f t h e s e s c i e n t i f i c g o a l s ,i m pr o v e m e n t s n e e d s t o b e m a d e f o r t h e b u o y p l a t f o r m t o m e e t t h e r e qu i r e m e n t o f C N S S O .K e y wo r d s C N S S O ;b u o y ;d a t a a c q u i s i t i o n a n d c o n t r o l s y s t e m ;u n d e r w a t e r a c o u s t i c c o m m u n i c a t i o n 0 引 言长期以来,人们对于海洋观测的认识局限于岸边和表层,对于海洋内部的认识比较少㊂而随着科学研究的需要和工程技术的进步,众多国家开始建立第三代海洋观测平台海底科学观测网㊂相比于调查船测量和卫星遥感,海底科学观测网可以深入海洋内部,提供定点㊁长期㊁连续的观测数据,有助于更加深入理解海洋随时间的变化[1]㊂在海底科学观测网中,浮标观测平台能够获取海气界面的科学数据,包括大气数据和近海面水体参数,是观测网系统的重要组成部分㊂本文将从浮标平台的发展现状㊁海底观测网的功能需求分析㊁平台设计探讨㊁柴发太阳能混合能源系统4个部分来阐述㊂1 浮标观测平台的发展现状根据功能的不同,浮标观测平台可以包括浮标①基金项目:同济大学国家海底科学观测系统㊂作者简介:李清(1980 ),男,大学本科,高级工程师,主要从事船舶与海洋工程装备制造生产管理方面的研究㊂E -m a i l:l i q i n g@c h i n a s w s .c o m ㊂第10卷 第2期2023年6月海洋工程装备与技术O C E A N E N G I N E E R I N G E Q U I P M E N T A N D T E C H N O L O G YV o l .10,N o .2J u n .,2023㊃120㊃海洋工程装备与技术第10卷体㊁锚系㊁传感器系统㊁数据采集和控制系统㊁能源管理系统和通信系统㊂1.1浮标体浮标体是整个平台的载体,可以为系统提供足够的浮力,与锚系共同确保整个平台在海洋环境中的稳定工作㊂按照结构类型划分,浮标体可以分为圆盘型㊁船型和柱型等结构㊂其中,应用最广泛的㊁历史最悠久的是圆盘型浮标㊂圆盘型浮标通常按照直径分为大型㊁中型和小型3种类型㊂国外的浮标平台使用源于20世纪60年代,当时多采用12m 直径和10m直径的大型浮标[2]㊂随着材料技术的进步,美国的国家数据浮标中心(N a t i o n a l D a t a B u o y C e n t e r,N D B C)逐渐发展出了直径3m的标准浮标,成为美国浮标观测网的主力浮标[3]㊂我国的海洋浮标研制起步较晚,现在也进入了业务化运行阶段㊂我国已经初步建立了包含约130个浮标的近海浮标观测网,包括10m大型浮标㊁6m中型浮标和3m小型浮标,主要型号是10m大型浮标[4]㊂究其原因,我国近海渔业活动频繁,采用大型浮标可以降低丢失和损坏的风险,能够提高浮标系统的稳定性㊂而国外的海况比较良好,渔业活动较国内稀少,因此,采用易于运输和维护的3m小型浮标,只有在比较恶劣的海况才使用大型浮标㊂1.2锚系锚系通常由锚和系缆组成,能够为整个浮标系统提供足够的系泊力,与浮标体共同保证系统的稳定运行㊂根据系留方式的不同,锚系可以分为单点系留和多点系留㊂其中,单点系留又可以分为全锚链式系留㊁拉紧式系留㊁半拉紧式系留㊁倒S型系留和弹性系留系统[5]㊂锚的类型有有杆锚㊁无杆锚㊁大抓力锚和特种锚㊂系缆的材料类型有锚链㊁钢丝绳㊁化纤缆绳和弹性系缆原件㊂弹性系留是比较新的系留方式,可以降低海流导致的系缆运动,改善浮标的随波状态,提高浮标的数据质量[6]㊂1.3数据采集和控制系统数据采集和控制系统是整个浮标系统的控制中心和数据处理中心,能够完成对传感器的数据采集㊁远程控制和电源管理㊂数据采集系统结构可以分为采集电路㊁控制芯片㊁存储设备和相应软件等㊂当前,我国浮标平台普遍采用的数据采集和控制系统主要支持海洋气象㊁物理海洋和少量海洋传感器的采集和控制,满足国家海洋局㊁气象局等单位的业务化运行需要㊂对于这些业务化运行的浮标平台,增减传感器数量和种类都需要重新设计,增加了工作量㊂国外的发展趋势是,研制可以应用浮标㊁潜标和水下滑翔机等多种平台的低功耗的智能型数据采集和控制系统[7],其关键是模块化设计和标准化设计㊂国内的各个机构,包括中国海洋大学㊁山仪所㊁中船重工七一五所等都设计了自身的基于C A N总线的数据采集和控制系统[8㊁9],具有较好的扩展性㊂1.4电源管理系统电源管理系统是数据采集控制系统㊁通信系统和传感器系统的能量来源,能够实现电源的补充和管理㊂通常,浮标平台采用太阳能和蓄电池结合的方式实现能量的采集和存储㊂在阳光充足的时候,太阳能电池板可以将光能转化成电能,除了供应传感器消耗之外,将多余的电能储存在蓄电池中㊂在没有阳光的时候,蓄电池中的能量可以满足整个系统的运行㊂其中,电源管理模块可以监测并显示电池的电压㊁电流和温度等要素,防止蓄电池过充㊁过放和过热等[10],最终,实现系统的长期平稳运行㊂1.5通信系统通信系统是浮标平台和岸基站之间的联系通道,可以实现数据和控制指令的双向传输㊂浮标上常用的通信方式有V H F㊁C D M A㊁G P R S㊁北斗卫星和海事卫星等多种方式㊂在近海和湖泊中,手机信号比较强,采用C D M A或者G P R S信号通信具有速度快㊁费用低和稳定的特点㊂在离岸较远的区域,通信基站较少,卫星通信成为唯一的方式㊂为了避免数据的泄露和高昂的流量费,国内的浮标平台普遍采用北斗卫星通信,其在寻址方式㊁信道畅通率㊁用户容量㊁通信实时性和价格方面都优于国际海事卫星通信,但是一次只能传递78个字节,每次通信需要分成多个数据包才能完成[11]㊂1.6传感器系统传感器系统是整个浮标系统的工作部分,可以实现对多种海洋环境参数的测量㊂根据观测的科学目标的不同,搭载的传感器包括气象传感器㊁物理海洋传感器㊁海洋化学传感器和海洋生物传感器等㊂目前,国内浮标观测网搭载的传感器一般采用国外的产品,价格昂贵,维护比较麻烦㊂而国产传第2期李清,等:国家海底观测网十米浮标平台系统研究与应用㊃121㊃感器的问题在于,没有相应的产品,产品精度不能达到使用要求,或者没有在浮标上的使用经验㊂这些问题限制了国产传感器的研发和使用,导致与国外传感器产品差距越来越大,最终国内传感器产业萎缩甚至消失㊂2海底科学观测网浮标平台功能性分析在东海海域,海底科学观测网需要从海面到海底,全方位立体协同观测,从而深入理解人类活动影响下的长江口东海的物质交换及其生态环境效应,研究东海低氧区的形成机制㊁生物地球化学过程及对生态环境的影响,探索长江冲淡水与西太平洋边界海流的相互作用㊂因此,海底观测网的浮标平台提出了新的更高的要求㊂2.1搭载的传感器数量多㊁学科全㊁控制要求高业务化运行的浮标平台一般搭载海洋气象传感器㊁海洋物理传感器和少量海洋化学传感器,主要测量指定海域的气象特征㊁温度盐度深度和流速等水文特征㊂而海底科学观测网的目标在于对东海的全方位观测,不局限于气象和水文特征㊂因此,海底观测网的浮标平台除了搭载常见的海洋气象传感器(风速㊁风向㊁气压㊁气温㊁湿度等)㊁物理海洋传感器(流速㊁流向㊁水温㊁波浪等)外,还要搭载众多的海洋化学传感器,比如用于测量p H值㊁溶解氧㊁水气C O2㊁硝酸盐㊁甲烷等的传感器㊂另外,浮标平台还要搭载激光粒度仪㊁光合辐射仪㊁三波长荧光计㊁光量子效率仪和浮游生物成像和分类系统,来观察水体中的浊度㊁光合作用㊁叶绿素㊁有机质和生物丰富度㊂如此多的传感器,对浮标系统的测量项目㊁传输方式及接口㊁防护等级㊁供电及功耗㊁体积与安装㊁连续工作时间与维护周期等方面,提出了较高的要求㊂浮标平台上传感器的稳定协调工作是海底观测网长期稳定运行的重要保证㊂2.2观测网防护要求除了需要搭载传感器实现海气界面的观测之外,浮标平台还要承担守护海底缆系的作用㊂东海地区繁忙的渔业活动对于海底的缆系具有较大的威胁,需要浮标平台提供一定的示警和防护作用,来提醒渔民注意指定海域底部的缆系,从而提高整个海底科学观测网的稳定性㊂2.3水声通信要求为了实现海底科学观测网的全方位观测,除了浮标平台,还需要潜标㊁四脚架㊁观测塔等平台同时工作㊂而这些平台的能量和数据是通过海底的光电复合缆传输的㊂浮标和部分无缆的潜标必须使用无线通信,才能接入海底科学观测网㊂无线电波和激光等信息载体在水下衰减剧烈,无法实现水下信息的传输,因此声波成为水下通信的唯一载体㊂在海底观测网中,水声通信系统共有3个主要作用:将无缆区域的浮标和潜标纳入实时海底观测网,将有缆区域的无缆浮标纳入海底观测网㊁海底电缆通信故障时的数据出水应急通道㊂借助水声通信,将浮标㊁潜标㊁四脚架等平台真正整合为一个有机整体,从而更好地实现数据的实时传输㊂2.4仪器国产化要求和国外传感器相比,国产的传感器优势在于价格便宜㊁维护方便以及可以提供必要的技术支持,打破国外的技术封锁㊂缺点在于测量精度不够㊁稳定性不够和没有使用经验不足等㊂另外,某些保密性的数据也只能通过国产的仪器采集和处理㊂在海底科学观测网中,为了降低后期的运行维护成本,保证声学数据的保密性,需要传感器的国产化㊂3浮标平台设计探讨3.1智能型数据采集和控制系统设计针对当前浮标数据采集和控制系统主要支持海洋气象㊁物理海洋和少量海洋化学传感器的现状,研制模块化程度高㊁扩展能力强㊁人机交互良好㊁具备辅助预警决策功能的智能型控制系统㊂该数据采集系统主要包括主控芯片㊁C A N总线控制模块㊁分布式数据采集预处理模块和预警辅助决策模块等㊂图1所示为数据采集和控制系统结构框图㊂为了保证传感器数量的迅速扩展,采用C A N总线和分布式预处理模块结合的方法㊂分布式预处理模块包括数据采集电路㊁数据处理和控制芯片以及相应的硬件模块化设计㊂当需要增加或者改变传感器时,只需要将传感器装在预处理模块上,再将预处理模块与C A N总线相连,从而实现传感器的迅速扩展㊂另一方面,还要开发易于操作的人机界面,使得科学家在岸上能够实时监测设备的健康状况,提前发现可能出现的设备故障,发出预警,并通㊃122㊃海洋工程装备与技术第10卷图1浮标数据采集和控制系统F i g.1B u o y d a t a a c q u i s i t i o n a n d c o n t r o l s y s t e m过交互式远程控制系统对设备进行控制,从而保障海底观测网的稳定工作㊂3.2水声通信数据链为了实现潜标和浮标平台之间的水声通信,需要在浮标和海床基上加装水声通信机㊂浮标上的水声通信机基阵采用柔性线阵列,在柔性保护管内部安装发射换能器和接受水听器,外部安装透声保护罩㊂基阵主要由8个接受水听器和1个发射换能器组成,阵元间距为200m m,整体长度为2m左右㊂基阵下端配重,保证基阵在一定流速范围内可以保持基阵垂直㊂在浮标系统中,金属锚链的振动声㊁连接头旋转的声音㊁海浪冲击标体的声音等都会影响水声通信的效果㊂为了减弱这些噪声的影响,通信机基阵需要伸出浮标底部一定距离,其下端应伸出浮标地面5m左右㊂3.3浮标平台防护措施为了保证浮标平台的安全和整个海底观测网的长期运行,需要在浮标上增加安全防护装置㊂首先是报警系统,具体包括人员闯入报警㊁事故报警和故障报警等㊂这些报警系统需要加装相应的传感器,例如舱开门㊁舱进水㊁浮标移位㊁浮标倾斜等传感器㊂其次,在浮标上要加装A I S防撞系统,实时监测浮标周围12海里海域内的过往船只,对驶入2k m范围内的船只进行识别跟踪,并利用海事和渔政系统对其发出警告㊂为了避免某些没有加装A I S 系统或者A I S系统关闭的船只,可以采用V H F电台对其广播,使其远离浮标㊂最后,为了激发渔民的主动保护意识,除了每年对渔民进行宣传之外,还可以借助观测数据开发相应的数据产品以服务渔民,保障渔民的生命财产安全㊂例如,可以在渔船靠近时,向渔民的手机发送该海域的天气状况及预测,帮助渔民了解海上天气状况,减少损失㊂3.4仪器实验平台建设为了提高仪器的国产化水平,促进海洋传感器的发展,需要在浮标平台上搭建传感器的实验平台㊂在海底科学观测网中,每一个锚定点附近会有一个实验标和两个警戒标,在观测海底的同时,起到保护海底电缆的作用㊂而在每个浮标上会开6~ 8个仪器安装井,在保证海底观测网的长期稳定运行的基础上,可以将部分安装井作为国产传感器的实验平台,以验证㊁完善其使用性能㊂还可以同时搭载国外同种传感器产品,提供数据比对,以明确改进方向和验证数据的准确性㊂4柴发太阳能混合能源系统传统太阳能发电系统的发电功率与太阳能板的数量成正比,通常仅能支持低频率的数据采集㊂太阳能发电的效率受天气影响较大,无法满足浮标平台在连续阴雨天㊁台风等极端天气的用电需求㊂为了实现多种传感器全天候的高频连续观测㊁高带宽数据的实时传输,浮标平台采用柴油发电机和太第2期李清,等:国家海底观测网十米浮标平台系统研究与应用㊃123 ㊃阳能板混合发电,经蓄电池存储转换后供所有仪器设备用电㊂4.1 柴油发电机的布置柴油发电机在各类大小船舶中应用非常成熟,工作期间的振动㊁噪声和散热大,通常布置在独立的机舱中㊂在浮标平台上,柴油发电机布置在能源室深处远离浮标中心的方向,能够降低对浮标小平台仪器㊁仪器室数采设备的影响㊂油柜布置在发电机外侧,配置油位计,如图2所示㊂柴油发电机周围应预留设备维护空间,满足定期保养和检修需求㊂图2 柴油发电机的布置F i g .2 A r r a n g e m e n t o f d i e s e l ge n e r a t o r s 4.2 柴油发电机的冷却系统船用柴油发电机通常采用海水直接冷却的方式㊂海水经过滤后进入发电机冷却水管,具有冷却效率高的优点;缺点是冷却水管内部易发生腐蚀或堵塞㊂浮标平台以无人值守的方式长期工作在东海近岸含沙量高的海水中,需要采用间接海水冷却的方式㊂在冷却水管路中充满淡水,以内循环的方式冷却发电机㊂一部分冷却水管穿过舱壁后进入冷却水舱,由海水对冷却水管进行降温冷却㊂经验证,间接海水冷却的方式完全能够满足发电机的使用工况㊂4.3 柴油发电机的通风系统柴油发电机工作期间消耗新鲜空气,因此需要配置通风系统㊂新风从桅筒侧面的烟雾处理器进入结构风道㊁风机,一路直接送至能源室柴油发电机进风口附近,另外一路经电动风闸送至仪器室㊂发电机产生的废气经排烟管从桅筒背面一侧排至舱外,不影响舱内设备运行和人员工作㊂当人员需要进舱作业时,开启风机和仪器室的电动风闸,能够为仪器室快速注入新鲜空气,减少海上作业等待时间㊂4.4 柴油发电机油箱设计柴油发电机(以下简称柴发)选用K O H L E R13.5E F K O Z D ,可输出110~220V /50H z 共计7种电压,输出功率13.5k W ㊂油柜采用独立箱柜设计,按照系统的设备及柴发的设计工况,即75%负荷每日工作一小时,油耗为2.92L /h ,1500L 容积,可为柴发提供超过250天的续航,见表1㊂由于浮标平台为无人值守设计,需要设计远程读取液位数据,因此,在油柜顶部设计有浮球式磁性液位计;在侧面设计有翻转式磁性液位计,用物理显示的方式显示液位,保证了柴油液位监控的准确可靠,如图3所示㊂表1 柴油发电机油耗说明T a b .1 D i e s e l g e n e r a t o r f u e l c o n s u m p t i o n d e s c r i pt i o n 油耗60H z 50H z柴油,L /h (g ph ),%(载量)100%4.57(1.21)3.90(1.03)75%3.55(0.94)2.92(0.77)50%2.50(0.66)2.02(0.53)25%1.57(0.42)1.19(0.31)注:60H z 模式下16E K O Z D 油耗,50H z 模式下13.5E F K O Z D 油耗㊂㊃124㊃海洋工程装备与技术第10卷图3 柴油发电机示意图F i g .3 S c h e m a t i c d i a g r a m o f d i e s e l ge n e r a t o r s 4.5 水循环改进及设计柴油发电机原设计采用船用柴油机,其冷却水系统为开式二级循环冷却系统,即通过泵和管路抽取外部环境水,用环境水和发电机内部的缸套水进行热交换,是为一级循环;缸套水通过闭式循环管路再冷却柴油机气缸等部件,从而带走发电机运行产生的热量,是为二级循环㊂使用后的环境水通过排气管和高温气体一起排出㊂但是,该冷却水方式适合低盐水环境的内河环境使用,对于无人值守的海上浮标平台显然不适用㊂因此,需要将原有的开式二级循环系统改造为闭式三级循环冷却系统㊂在标体外围的浮力舱内单独划分出一个海水冷却水舱,使舱内有和吃水高度一致的海水,舱底布置耐腐蚀材质制成的热交换盘管,用来实现低温淡水与海水的热交换,是为一级循环;低温淡水部分设置有除气水箱,用于去除系统循环中产生的气体,气体通过水箱顶部的管路进入位于高位的膨胀水箱,再通过膨胀水箱上的透气管排出系统㊂膨胀水箱有两个功能:二级循环系统补水;承担系统运行时冷却水热膨胀释放㊂二级循环冷却水通过发电机内部的泵及热交换器和发电机内的三级循环系统进行热交换㊂通过改造,冷却水循环系统可大大提高冷却水系统的可靠性,从而满足浮标平台无人值守的要求,如图4所示㊂图4 水循环系统示意图F i g .4 D i a g r a m o f t h e w a t e r c i r c u l a t i o n s ys t e m 4.6 通风及排烟设计为满足浮标舱内设备散热及发电机运行对于新鲜空气的需求,浮标系统内还设计布置了通风系统㊂通风系统分为两路:日常设备运行通风及发电机送风㊂两路通风系统通过计算机控制风闸,考虑到海上环境对于设备的影响,进风口设计有盐雾过滤器㊂当日常设备运行时,风闸间歇性打开,通风第2期李清,等:国家海底观测网十米浮标平台系统研究与应用㊃125㊃系统可以带走设备运行时产生的热量,为系统可靠性提供保障㊂当柴发启动运行时,设备运行的风管分闸关闭,所有空气全部用于柴发送风㊂根据柴油机的运行需求,此时柴发的需求风量需要达到10000L/h㊂5结语本文首先介绍了浮标平台的结构组成以及国内外的进展;然后,提出了海底科学观测网对于浮标平台的功能性需求,包括对浮标数据采集和控制系统的要求㊁对水声通信的要求,和对海底电缆的防护要求和仪器国产化的要求;最后,针对海底观测网的这些需求,提出了一些建设的意见㊂总之,浮标平台未来将向智能化㊁系统化㊁网络化发展,这需要广大科技工作者的共同努力㊂参考文献[1]汪品先.从海洋内部研究海洋[J].地球科学进展,2013,28(5):517520.[2]M c c a l l J,K e r u t E,H a a s G,e t a l.E v o l u t i o n o f B u o yE l e c t r o n i c s a n d T e l e m e t r y[C].O c e a n s.I E E E,1978:19.[3]T a f t B,B u r d e t t e M,R i l e y R,e t a l.D e v e l o p m e n t o f a n N D B CS t a n d a r d B u o y[C].I E E E,2010:110.[4]王波,李民,刘世萱,等.海洋资料浮标观测技术应用现状及发展趋势[J].仪器仪表学报,2014,(11):24012414. [5]王军成.海洋资料浮标原理与工程[M].北京:海洋出版社, 2013.[6]王亚洲,杨永春,李忠君,等.一种波浪浮标弹性系留系统[J].山东科学,2011,24(4):7881.[7]T o m a D M,D e l R i o J,J i r k a S,e t a l.N e X O S S m a r tE l e c t r o n i c I n t e r f a c e f o r S e n s o r I n t e r o p e r a b i l i t y[C].O c e a n s.I E E E,2015:15.[8]王晓燕,裴亮,付晓.基于C A N总线的浮标数据采集系统设计[J].微计算机信息,2008,24(14):2021.[9]刘晓.基于C A N总线的海洋维权执法浮标的信息采集系统[D].青岛:中国海洋大学,2013.[10]谈作伟,李延涛,王腾,等.一种海气界面太阳能浮标电源的设计[J].电源技术,2014,38(8):15281530.[11]李文庆,付晓,王文彦,等.北斗二代卫星导航系统在海洋资料浮标监控与管理中的应用[J].山东科学,2012,25(6):2126.。

海洋前沿▏国外海洋环境观测系统和技术发展趋势21世纪以来，随着社会经济快速发展，世界各国普遍面临着人口膨胀、陆地资源消耗不断增长和生态环境日益恶化等各种严峻挑战，各沿海国以资源为核心，推进海洋经济发展，海洋权益斗争日益激烈。

在以夺取海洋资源、控制海洋空间、抢占海洋科技发展的战略“制高点”等为主要特征的现代海洋权益斗争中，获取常态化、立体化、精细化、大范围的海洋环境观测信息，对于沿海国家均具有十分重要的军用、民用意义。

海洋环境是海上空中环境、海气边界层环境、水下环境和目标环境等环境状况的总称。

海洋环境信息具有来源广、层次多、形式复杂、时效性强、数据海量、时空尺度不均等特点，并具有随机动态性、状态多维性，以及获取、处理手段多样性和高技术特性等特征。

新型海洋环境观测系统以“网络中心、信息主导、体系支撑”为主要特征，通过岸、海、空、天等多基传感器获取空间地理、气象水文、电磁、目标等信息，采用多模通信、网络技术、云计算、大数据、辅助决策应用、平行系统、可视化等关键技术实现信息分发、处理和应用等功能，提供海洋环境信息的实测、预报、评估、统计分析等服务，以满足军、民领域不同层面的辅助决策需求。

海洋环境观测系统是一个基于多传感器网络化系统集成和信息融合、多基地信息共享的庞大系统，是一个能够提供全方位、多种类立体海洋环境信息，可为海洋作业生产、海洋维权执法以及防灾减灾等活动提供支撑的网络信息体系。

一、国外海洋环境观测系统现状20世纪80年代开始，海洋环境观测技术得到极大发展，探测范围扩展到包括上空、水面、水下、海底和沿岸，数据传输包括卫星通信、公共电话交换网、国家数据通信网、甚小口径卫星终端、以太网络与光缆数据通讯等手段，构建多平台、立体化、区域性、常态化、自动化的观测网络体系，提供实时基础信息和层次化信息产品，许多正进入业务化运行阶段。

⒈ 国际合作层面⑴全球海洋观测系统（GOOS）全球海洋观测系统（GOOS）作为当前全球最大、综合性最强的海洋观测系统，在20 世纪末由联合国政府间海洋学委员会（IOC）、世界气象组织、联合国环境规划署等联合发起建立，致力于海洋与气候、海洋生物资源、海洋健康状况、海岸带观测、海洋气象与业务化海洋学等方面的技术与科学研究。

国家海域使用动态监视监测管理系统数据资料管理办法文章属性•【制定机关】国家海洋局•【公布日期】2008.05.19•【文号】•【施行日期】2008.05.19•【效力等级】部门规范性文件•【时效性】现行有效•【主题分类】主权领土正文国家海域使用动态监视监测管理系统数据资料管理办法（二〇〇八年五月十九日）第一章总则第一条为保证国家海域使用动态监视监测管理系统（以下简称系统）数据资料的质量、安全和时效性，促进数据资料的共享和合理使用，依据《国家海域使用动态监视监测管理系统总体实施方案》制定本办法。

第二条系统运行中所有相关单位在数据资料采集处理、汇交和管理中的责任、任务和权限，依据本办法执行。

第三条本办法所称数据资料主要包括海洋基础地理、海域使用确权、海洋功能区划、地面监视监测、卫星遥感、航空遥感数据，以及在上述资料基础上做出的分析与评价成果等形成的数据、表格、图形、图像、影像及相关文字等。

第四条为了确保数据资料及时准确上报，地方各级系统软件设计必须具备以下功能：本省市海洋功能区划、地面监视监测和海域使用确权等数据一经确定完成入库，具有自动上报国家海域使用动态监管中心（以下简称国家监管中心）和国家海域使用动态监视监测同步数据中心（以下简称国家同步数据中心）的功能。

第五条有关监管中心在将数据资料提交国家监管中心的同时抄报给国家同步数据中心，国家监管中心在下发给有关监管中心数据资料的同时也交付给国家同步数据中心。

在规定期限内不能按时提交数据资料的，应及时提供书面说明。

第六条国家监管中心负责系统数据资料管理工作，并要建立严格的资料接收、下发、登记制度，为海域管理司对系统运行监督检查提供详实的依据。

国家同步数据中心必须建立严格的资料接收、下发、登记制度，作为海域管理司对系统运行监督检查的备份依据。

第七条地方各级监管中心必须详细记录由国家监管中心和国家同步数据中心下发的有关数据的情况。

第八条海域管理司依据系统运行及资料接收报送情况及时调整工作及经费安排。

AIS岸基系统运行管理规定（试行）第一章总则第一条为统一和规范中国沿海船舶自动识别岸基系统（以下简称AIS）的运行管理，制定本规定。

第二条本规定适用于由中华人民共和国海事局建设、管理或维护的AIS的运行管理。

AIS的运行管理必须遵守本规定和我国有关法律、法规、国际公约及其技术标准、规范的规定。

第三条本规定所称AIS包括构成该系统的各类设备、设施和软件，以及支持系统正常运转、使用所必需的各类专用及附属设施、设备和软件。

第四条本规定所称运行管理包括：系统的运行、日常维护管理及其他与之相关的工作。

第五条AIS按照海区航标业务运行、维护和管理。

第六条中华人民共和国海事局是AIS运行管理的主管机关。

各海区海事管理机构（以下简称各海区局）负责本辖区内AIS的运行管理。

第七条各海区局根据本规定，制定本海区的AIS运行管理实施细则。

第二章 AIS运行第八条AIS应始终处于良好的技术状态，以确保其安全有效运转及报文上下行畅通；AIS管、用、养、修等应有相应的实施措施和台帐记录。

第九条AIS维护管理中心实行二十四小时值班制度。

值班人员应认真填写AIS管理维护值班日志，详细记录AIS运行中出现的异常问题、处理过程和结果；遇有影响AIS整体运行的故障或基站不能正常工作的连续时间超过2个小时，应及时书面上报中华人民共和国海事局，并采取应急措施进行解决。

第十条各海区局应适时地组织本海区内的AIS技术和业务培训，以提高AIS运行管理人员的业务和技术水平，培训记录和结果应报备中华人民共和国海事局。

AIS岗位工作人员应经过技术培训并取得相应的岗位任职资格，持证上岗。

第十一条各海区局应严格管理AIS数据；AIS数据必须由各海区局统一实行长期存储。

第三章AIS维护第十二条各海区局负责组织和实施本海区AIS的年度保养和日常巡检以及应急反应工作，应做到：（一）编制年度维护保养计划，并报备中华人民共和国海事局。

（二）每年组织实施一次AIS保养工作，并做好详细记录。

第3"卷第1期2021年02月Vol.3"No.1Feb.,2021中国海洋平台CHINA OFFSHORE PLATFORM文章编号：1001-4500(2021)01-0078-06DOI：10.12226/j.issn.1001-4500.2021.01.20200614海洋环境监测立体感知体系化娜丽r陈小刚r陈萍2,宋文恩2,何琬2(1.深圳市源清环境技术服务有限公司，广东深圳518071；2.深圳市深港产学研环保工程技术股份有限公司，广东深圳518071)摘要：为应对大数据时代海洋信息化建设在海洋环境监测、海洋信息获取等方面的需求，分析总结海洋环境智能化监测与利用过程中存在的问题，并在此基础上开展海洋环境监测立体感知体系架构设计及关键技术研究，实现对多种海洋要素的立体、实时、原位在线监测，为实现智慧化的海洋开发与利用提供数据支撑，具有重要的战略和经济意义。

关键词：海洋环境；智能化监测；立体感知体系；架构设计中图分类号：P715文献标志码：AStereoscopic Perception System for Marine Environment MonitoringHUA Nali1,CHEN Xiaogang,CHEN Ping?,SONG Wenen2,HE Wan2(1.Shenzhen Yuanqing Environmental Technology Services Co.,Ltd.,Shenzhen518071,Guangdong,China； 2.IER Environmental Protection Engineering Technology Co.,Ltd.,Shenzhen518071Guangdong China)Abstract>In orderto meet the needs for marine informatization construction in marineenvironment monitoring and marine information acquisition in the era of big data theproblemsintheprocessofinte l igent monitoringand utilization ofthe marine environment are analyzed and summarized.On this basis the architectureand key technologies of stereoscopic perception system for marineenvironment monitoring are discussedindetail.Theresearchcouldrealizethestereoscopic real-timeandin-situonlinemonitoringofvarious marineelements andprovidedatasupportfortherealizationofinte l igentoceandevelopmentandutilization whichisofimportantstrategicandeconomicsignificance.Key words:marine environment；intelligent monitoring；stereoscopic perception system；architecture design0引言自有历史记载以来，海洋就在人类社会演变的进程中发挥着至关重要的作用，海洋强国的理念一直主导着世界的发展。