南海海洋气象浮标站安全监控系统设计与应用

第!"卷!第!期!!!!!!!!!!!!光谱学与光谱分析#$%&!"!'$&!!((?C ?*?C "!++"年!月!!!!!!!!!!!!,(-./0$1.$(2345,(-./03%643%21718-90:302!!++"!海洋光学浮标的设计及应用试验杨跃忠< ! 孙兆华< !" 曹文熙< 李!彩< 赵!俊<! 周!雯< ! 卢桂新< 柯天存< 郭超英<<&中国科学院南海海洋研究所T Q [重点实验室!广东广州!?<+;+<!&中国科学院研究生院!北京!<+++;"摘!要!海洋光学浮标在水色遥感现场辐射定标和数据真实性检验"海洋科学观测"近海海洋环境监测等方面有重要应用价值#采用子母浮标技术设计了海洋光学浮标系统!该系统可同步测量海面和海水近表层及真光层的光谱辐照度和光谱辐亮度分布"水体光谱吸收,散射系数!以及风速风向等辅助参数#浮标利用I Y ,定位!采用低功耗的Y P <+D 嵌入式电脑作为控制核心实现数据的自动采集!采用P [_6,I Y O ,无线网络与海事卫星两种方式实现数据和指令的实时传输#近海试验表明!设计的子母浮标能较好地满足水下光辐射测量对浮标姿态和稳性的要求!系统的数据采集和远程传输技术可靠!光学仪器防污染技术能确保光学浮标长期有效地工作#关键词!海洋光学浮标&光辐射测量&高光谱辐射计&防污染装置中图分类号 Y F ;; B D ;;!!文献标识码 6!!!"# <+&;"C D E&7114&<+++*+?"; !++" +!*+?C ?*+?!收稿日期!++F *+"*!) 修订日期 !++F *<!*!"!基金项目 国家.)C ;/计划项目$!++C 66+"6;<+%!中国科学院装备项目$`!++?+<<%和中国科学院知识创新项目$>a e !*`b *!<?%资助!作者简介 杨跃忠!<"C ?年生!中国科学院南海海洋研究所副研究员!!-*@37%'J :%7!1.17$&3.&.4"通讯联系人!-*@37%'1:4G :3C ?<D !<C ;&.$@引!言!!海洋光学浮标技术是!+世纪)+年代中期以后发展起来的一门新技术!可用于连续观测海面"海水表层"真光层乃至海底的光学特性!在水色遥感现场辐射定标和数据真实性检验"海洋科学观测"近海海洋环境监测和海洋军事科学方面有着重要的应用价值(<*D )#美国于<")F 年在马尾藻海区应用深水锚定系统获取了时间系列的海水光学参数(?)#!+世纪"+年代后期!第一台海洋光学浮标$_B V `%在美国诞生!并用于,-3b 78,和_B [^,的现场辐射定标数据真实性检验(C )#为配合B P U ,的发射和应用!日本也独立发展了自己的海洋光学浮标技术$`V B _%(F )#近年来!英国"法国先后开展了光学浮标Y %2_V B [2和V B f ,,B T Q 的研制!其主要目标是为,-3b 78,!_B [^,和_Q O ^,等水色遥感器的辐射定标"数据和算法真实性检验提供长期的观测平台()!")#用于海洋科学多学科联合观测的光学浮标技术也取得了很大的进展(<+)#海洋光学浮标涉及的技术面广!依赖于高稳性浮标设计和水下光辐射测量"遥测遥控"电源"数据采集和存储"水下光学仪器的防生物污染等技术的进步#我国于!++<年开始了海洋光学浮标技术的研究(<<)!本文主要介绍海洋光学浮标设计的一些关键性问题!并分析试验结果#<!浮标体及锚碇系统!!光学浮标主要用于光辐射测量!不仅要满足耐海水腐蚀性"抗倾覆性"稳性和随波性等性能要求!同时要兼顾浮标海上姿态以及阴影对光辐射测量的影响#为减小浮体及其上层建筑的阴影效应对光辐射测量的影响(<!)!保证高海况条件下浮标体的稳性!光学浮标浮体设计由子浮标和母浮标两套水面浮标体构成!如图<所示#母浮标为直径!&)@的小型锚碇圆盘型浮标体&子浮标为直径<&?@的柱型浮标体!系泊于母浮标#试验结果表明!在)@*1A <风速的高海况条件下子浮标的倾角平均不超过<+Z#!!母浮标的锚系采用组合式!自上而下分别由包塑钢丝绳"中间锚链"尼龙缆$聚丙乙烯缆%"过渡锚链"拖底锚链和锚六部分构成#设置过渡锚链段的作用是为了避免尼龙缆下部与海底的摩擦!因此在尼龙缆段适当位置加装具备一定浮力的浮球!将过渡锚链段拉起#由于海洋环境中的风"浪"流对系泊中的子母浮标的作用!如果两标之间系缆类型和长度选定不当!很有可能造成两标相撞或跑标#通过理论计算和模型水池试验!最终采用子浮标通过;+@零浮力缆系泊于母浮标方案#$%&'(!L.1%:,25/%*.8A62O-221%:&*2:3%&61./%2:!!系统集成设计;'(!总体方案及通讯系统光学浮标由母浮标控制系统"子浮标控制系统"标间通讯系统"无线通讯系统"岸站接收中心!以及所装载仪器和传感器构成!如图!所示#$%&';!=4*+,-./%*2G,1G%,I23/+,-.1%:,25/%*.8A62O4O4/,-!!当子母浮标控制系统控制所搭载的仪器和传感器测量数据后!两标之间通过超短波电台通讯!将数据汇总于子浮标!然后由装载于子浮标的无线通讯系统实时发送回岸站接收中心!进行进一步处理"分析#浮标在近海使用时!无线通讯系统基于P[_6和I Y O,两种网络与岸站接收中心通讯&在P[_6,I Y O,网络信号覆盖不到的海域$如大洋%使用时!使用海事卫星与岸站接收中心通讯#;';!浮标控制系统浮标控制系统采用低功耗的Y P<+D嵌入式电脑作为控制核心!<I的P8卡作为存储介质!在高稳定性"低资源占有的[B,平台上开发控制软件#!!图;所示为浮标控制系统原理框图!Y P<+D嵌入式电脑通过并行接口接收浮标体的报警信号和控制整个浮标系统的电源供给!扩展的)O,!;!P串口通讯模块作为所搭载的仪器"传感器"标间通讯系统和无线通讯系统与浮标总控的接口平台#$%&'>!=4*+,-./%*2G,1G%,I23/+,48.G,A62O*2:/1284O4/,-;'>!浮标搭载的主要仪器 传感器母浮标装载了光谱吸收,散射系数测量仪!测量海水的固有光学特性!在中间锚链挂有真光层多光谱辐射计&子浮标用于海水表层和海面光辐射的测量!装载有海面光谱辐射计"海水表层高光谱辐射计&同时子母浮标均装载有一些辅助传感器!如经纬度"倾角"方位角"风速"风向"水温等#海面光谱辐射计测量海面入射光谱辐照度,1!海水表层高光谱辐射计(<;!<D)可以快速同步测量水下;!?!F和"@四个水层的下行光谱辐照度$,5%和上行光谱辐亮度$T:%!每个探头都集成白光T Q[!用于对辐射计的光谱响应和波长漂移进行现场监测#真光层多光谱辐射计(<?!<C)是低功耗"用于探测深层海水中微弱光信号的高灵敏度仪器!母浮标中间锚链不同深度处共挂有三台该辐射计!测量的真光层的下行光谱辐照度"上行光谱辐亮度"深度"方位角和倾角等数据!自容式存储后!利用感应式调制解调器技术实时传输给母浮标!进而实时传回岸站接收中心#海洋光学浮标使用了自主设计的同时CC?光谱学与光谱分析!!!!!!!!!!!!!!!!!!!第!"卷具有防污和清污功能的新型装置(<F)!成功地解决了这一问题#;!海洋光学浮标的试验结果分析!!海洋光学浮标已在中国近海开展多次海上运行试验!成功获取了水体高光谱数据#!!试验期间!每天凌晨!点用白光T Q[对辐射计进行稳定性检测$此时认为水下没有月光的影响%!图D有代表性地给出了水下;!?!F和"@四层T:对T Q[的响应!结果表明辐射计光谱响应稳定性很好#!!根据,-3b781光学测量规范!用于水色卫星现场辐射定标测量的光谱辐射计倾角不宜大于<+Z!图?为子浮标倾角与风速的关系曲线!可见!浮标在<D@*1A<$C级风%的海况下的倾角一般小于!+Z!)@*1A<$D级风%以下海况倾角能保持在?$)Z!因此!D级风以下海况下浮标倾角可满足应用要求#$%&'F!)5,*/1.81,452:4,23/+,45,*/12-,/,1/2S<!Y@+, -,.461,-,:/./;20*82*f A,/I,,:X.:0(D/+23?2G,-A,1%:;V VE$%&'E!J+.:&,23/+,A62O%:*8%:./%2:I%/+I%:0$%&'D!J2-5.1%42:23'4.:0S d1>-A,/I,,:/+,-.1%:,25/%7 *.8A62O$428%08%:,%.:0L%*12512$4/1.%&+/8%:,%$%&'C!$.%@+,.//,:::6./%2:*61G,23'0./F b V:-Y@+,428%0 8%:,%4/+,3%//,0*61G,23/+,,U52:,:/%.8.//,:6./%2:1./,I%/+.G.86,23V'>X$A%/+,45,*/1.80%4/1%A6/%2:23/+,0%3364,.//,:6./%2:*2,33%*,:/4312-/+,3%//,01,7468/4./0%33,1,:/I.G,8,:&/+4!!试验期间!用_7.0$Y0$剖面仪$加拿大,3/%34/7.公司产%与海洋光学浮标的海面光谱辐射计"海水表层高光谱辐FC?第!期!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!光谱学与光谱分析射计和真光层多光谱辐射计进行了比测!_7.0$Y 0$只有F 个波段!中心波长分别为D <!!D D ;!D "+!?!+!???!C !+!C );$%&'X !@%-,4,1%,423$.%I %:045,,0!$A %&0$F b V %!$*%5+27/24O :/+,/%*.G .%8.A 8,1.0%./%2:$B =P $V %%A 62O $428%08%:,%.:0L %*12512$4/1.%&+/8%:,%4@#结果表明两个仪器的测量结果是一致的#图C 代表性给出了海面,1和水下;@上行光谱辐亮度的比测结果#!!通过对海洋光学浮标测量的水下;!?!F !"!<+和<?@的下行,1和上行T :数据的处理!可得水体的漫射衰减系数!图F 给出了!++?年<<月F 日<<点所测D "+4@波长处,5随深度的衰减曲线!以及计算得到的水体漫射衰减系数光谱分布#图)9为@5$D "+%的时间序列变化!从中可见!@5$D "+%变化较大#<<月<!日以后遇到寒潮!风速持续增强$图)3%!而且入射到海面的太阳辐射也持续多天较小$图).%!@5$D "+%持续增大!表明水体水质也变差#;!结!论!!海洋光学浮标基于子母浮标方案设计!集成水下光辐射测量"遥测遥控"数据采集和存储"水下光学仪器的防生物污染等多项先进技术#多次近海试验表明'在)@*1A <风速的高海况条件下子浮标的倾角平均不超过<+Z!浮标体姿态能够满足水下光辐射测量的特殊要求&新型的防污染装置能够保证浮标工作期间光学探头的清洁&浮标所搭载的辐射计光谱响应稳定性好&海洋光学浮标能够为我国水色遥感"海洋科学观测"近海海洋环境监测等方面应用提供长期的水体高光谱数据#参考文献(<)!_:-%%-0]T !830M 7$4I,\B .-34B (/7.1Y 0$/$.$%1H $0,3/-%7/-B .-34P $%$0,-41$0#3%753/7$4!'6,6U -.G_-@$\!!++;!D ';?\(!)![7.L -2U[!]$4-1V=\,Y ^Q !<""F !!"C ;'!?D \(;)![7.L -2U[!,7-M -%[\f,]I B 8,Y %34474M O -($0/'V 7$*P (/7.174f ,]I B 8,Y %34474M 345P $$05743/7$4B H H 7.-b $$51=$%-B .-34$M 03(G *7.^41/7/:/7$4!<"")!<)+\(D )!=$$L -0,V !T 3W 74I !a 79$057I !-/3%\]$:043%6/@$1(G -07.345B .-347.U -.G 4$%$M 2!!++!!<"'D )C \(?)![7.L -2U[!_3003]!I 0343/3U !-/3%\]$:043%I $-(G 217.3%O -1-30.G *B .-41!<""<!"C ')C D ;\(C )!P%30L[>!`3090$:M G_6!8-74G $%W_!-/3%\B .-34B (/7.1Y 0$/$.$%1H $0B .-34P $%$0,-41$0#3%753/7$4#$%:@-(\'6,6,U _*!++;*!<<C !<!,O -N *D C ';\(F )!^1G 7W 3L 3]!_134:4%3^!Q 9:.G 7=!-/3%\]$:043%$H B .-34$M 03(G 2!<""F !?;'!D ?\())!Y 74L -0/$4_=!T 3N -45-0,]!67L -4]\]$:043%I $-(G 217.3%O -1-30.G *B .-41!!+<;!<+)$3?%';<;;!57$'<+\<+!",!++!]P ++<;;F 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?光谱学与光谱分析!!!!!!!!!!!!!!!!!!!第!"卷!,4%&:.:0<U 5,1%-,:/./%2:23L .1%:,"5/%*.8R 62O`6'I`:-*W G $4M<!!!,f 'a G 3$*G :3<!!"!P 6B b -4*X 7<!T ^P 37<!a =6B]:4<!!!a =B f b -4<!!!T fI :7*X 74<!>QU 734*.:4<!I f BP G 3$*274M<<\T Q [T 39$03/$02!,$:/GP G 743,-3^41/7/:/-$H B .-34$%$M 2!P G 74-1-6.35-@2$H ,.7-4.-1!I :34MW G $:!?<+;+<!P G 743!\I 035:3/-,.G $$%$H /G -P G 74-1-6.35-@2$H ,.7-4.-1!V -7E 74M !<+++;"!P G 743=A 4/1.*/!_3074-$(/7.3%9:$271$H 7@($0/34/N 3%:-74/-0@1$H .3%7903/7$4345N 3%753/7$4$H $.-34.$%$00-@$/-1-4174M!1.7-4/7H 7.$91-0N 3/7$4!.$31/3%-4N 70$4@-4/@$47/$074M !-/.\6@3074-$(/7.3%9:$2121/-@J 315-17M 4-5J G 7.G .$4171/1$H 3@37434531%3N -9:$2\U G -121/-@.34@-31:0-/G -571/079:/7$4$H 70035734.-345035734.-$N -0/G -1-31:0H 3.-!74/G -%32-04-301-31:0H 3.-34574/G --:(G $/7.W $4-124.G 0$4$:1%2!5:074M J G 7.G 1$@-$/G -0(303@-/-0130-3%1$3.c :70-51:.G 311(-./03%391$0(/7$43451.3//-074M .$-H H 7.7-4/1$H /G -J 3/-0.$%:@4!/G -N -%$.7/2345570-./7$4$H /G -J 745!3451$$4\U G -9:$2J 31($17/7$4-592I Y ,\U G 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海洋环境监测与预警系统的构建与应用海洋，占据了地球表面约 71%的面积，是生命的摇篮，也是人类赖以生存和发展的重要资源宝库。

然而，随着人类活动的不断加剧，海洋环境面临着越来越多的威胁，如污染、过度捕捞、气候变化等。

为了保护海洋环境，实现海洋资源的可持续利用，构建和应用海洋环境监测与预警系统显得尤为重要。

一、海洋环境监测与预警系统的重要性海洋环境监测与预警系统就像是海洋的“健康卫士”，它能够实时、准确地获取海洋环境的各种信息，为我们及时发现海洋环境问题、采取有效的应对措施提供科学依据。

通过对海洋水质、海洋生态、海洋气象等方面的监测，可以提前预警海洋灾害的发生，如风暴潮、海啸、赤潮等，从而减少灾害带来的损失。

同时，监测与预警系统还能为海洋资源的开发和利用提供决策支持，保障海洋经济的健康发展。

二、海洋环境监测与预警系统的构成要素1、传感器网络传感器是海洋环境监测与预警系统的“眼睛”和“耳朵”，它们分布在海洋的不同区域和深度，能够感知海洋中的物理、化学和生物参数。

常见的传感器包括温度传感器、盐度传感器、溶解氧传感器、叶绿素传感器等。

这些传感器通过有线或无线的方式将采集到的数据传输到数据中心。

2、数据传输与通信要将传感器采集到的数据及时、准确地传输到数据中心，需要可靠的数据传输与通信技术。

目前，常用的通信方式包括卫星通信、海底光缆通信、无线电通信等。

其中，卫星通信具有覆盖范围广、不受地理条件限制等优点，但传输成本较高；海底光缆通信则具有传输速度快、稳定性好等优点，但铺设成本较高。

3、数据处理与分析数据中心接收到大量的海洋环境数据后，需要进行处理和分析，以提取有价值的信息。

数据处理包括数据清洗、数据融合、数据存储等环节；数据分析则包括统计分析、模型预测、图像识别等方法。

通过对数据的处理和分析，可以了解海洋环境的变化趋势、发现异常情况，并为预警提供依据。

4、预警模型与算法预警模型和算法是海洋环境监测与预警系统的核心部分，它们能够根据历史数据和实时监测数据，预测海洋灾害的发生概率和影响范围。

我国海洋浮标发展现状及趋势戴洪磊;牟乃夏;王春玉;田茂义【摘要】海洋浮标作为一种现代化的海洋监测新技术在各海洋国家逐步被重视并发展起来。

文章概述了海洋浮标技术的发展史以及在各主要海洋国家的使用情况；主要介绍了我国海洋浮标在中国科学院海洋观测研究网络建设的带领下，各沿海省市区近10 a来在黄渤海、东海、南海海域、以及极地海域布设海洋浮标的情况，包括这些浮标的种类、用途、通信方式、海洋环境监测参数等信息；展现了我国海洋浮标的研制和应用正朝向采用高新技术、降低成本、提高可靠度、扩大功能、延长工作寿命、方便布放、面向专题领域、向多站位、高密度布放、和全覆盖海域监测方向的发展趋势。

%Ocean buoys have gradually been taking seriously and developed as a new modern marine monitoring technology.This paper describes the development history of the ocean buoys in all major marine countries,and introduces the distribution of all the ocean buoys in Yellow Sea,Bohai Sea,East China Sea and South China Sea which were laid by the coastal provinces under the leadership of the marine observation & research network established by Chinese academy of science.The types, functionalities,communications,marine environmental monitoring parameters and other information of these distributed ocean buoys in China Sea are described.The research and application of our ocean buoys have developed towards the trends of adopting new technology,reducing costs,improving reliability,expanding the functionalities,extending the working life,convenient placement,thematic oriented multi-station,high density distributed and all water monitoring covered.【期刊名称】《气象水文海洋仪器》【年(卷),期】2014(000)002【总页数】5页(P118-121,125)【关键词】海洋浮标;海洋监测;中国科学院海洋观测研究网络;浮标监测网络【作者】戴洪磊;牟乃夏;王春玉;田茂义【作者单位】山东科技大学测绘工程学院，青岛 266590;山东科技大学测绘工程学院，青岛 266590;潍坊恒信工程咨询有限公司，潍坊 261061;山东科技大学测绘工程学院，青岛 266590【正文语种】中文【中图分类】P715.20 引言海洋监测是研究海洋、开发海洋和利用海洋的基础。

海洋6米观测浮标优势及应用领域下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。

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Science and Technology &Innovation ┃科技与创新2023年第17期·15·文章编号：2095-6835（2023）17-0015-03一种新型的海洋地震观测浮标平台的设计＊吴承东1，朱小毅2，3，陈全胜2，赵帅博3，李栋4（1.防灾科技学院，河北廊坊065201；2.北京港震科技股份有限公司，北京102628；3.中国地震局地震预测研究所，北京100036；4.天津天元海科技开发有限公司，天津301800）摘要：海洋地震观测是全球地震观测的一个重要组成部分，目前全球海洋地震观测已进入深海海底长期定点实时观测阶段，美国、加拿大、日本和中国台湾地区的几个环太平洋大型海底科学观测项目已趋于成熟，正在推广实用。

由于海上干扰因素太多，导致人们对海洋地震观测的进展受阻，急需一种高效、精准、低成本的监测方式来应对，这时浮标的应用就受到了广泛的肯定。

浮标可以将实时采集到的数据上传到平台，通过数据处理、统计、比对，量化评价该海域的水质状况，通过分析海洋数据，及时发现问题，并有针对性地作出判断并处理，提高对海洋环境监测的能力，为海洋环境预警提供重要依据。

关键词：海洋地震观测；浮标；锚泊系统；环境预警中图分类号：P631.46文献标志码：ADOI ：10.15913/ki.kjycx.2023.17.004中国海洋面积广阔[1]，海域自北向南由渤海、黄海、东海以及南海4个海区组成，距离海岸较近，蕴含着丰富的能源与生物资源[2]。

目前的海洋环境数据采集有多种方式，如遥感卫星、沿岸监测站、监测浮标等[3]。

每种监测方式各有优势和劣势：遥感卫星范围广，但是造价高，精度低；沿岸监测具有采集数据准确度高的优势，但是布置烦琐，受地点局限性大；而监测浮标造价低，能实现数据采集的连续性，是研究海洋的重要工具之一，但监测浮标需根据投放地点的海况设计，投放和回收具有一定难度[4]。

南海海洋气象数值预报系统(Grapes-MAMS)及其业务应用刘春霞;赵中阔;袁金南;温冠环;毕雪岩【期刊名称】《热带气象学报》【年(卷),期】2016(032)006【摘要】介绍了中国气象局广州热带海洋气象研究所建立的南海海洋气象数值预报系统(Grapes-MAMS)框架、系统中各模式特点以及针对模式所做的改进工作;并基于广东省沿海浮标资料,分析和研究了该系统中各个专业模式预报性能.得到如下结论:(1)从给出的统计检验和技巧评分来看,区域海浪模式逐年改进,具有一定预报能力;区域海浪模式和欧洲中期天气预报中心全球海浪模式相比,前者预报技巧TS评分大于后者;(2)实测海表温度的同化明显改进了区域海洋环流模式对海表温度的预报,检验结果显示海表温度预报与浮标观测海表温度相关系数在0.7左右,通过了α=0.01显著性检验;(3)将基于广东茂名科学试验基地得到的拖曳系数计算方案引入风暴潮模式,可以有效地改进风暴潮模式对强台风“威马逊”风暴增水预报,2013-2015年6个风暴潮模式预报检验显示,模式可以提前20 h以上给出最大风暴增水预报,而且最大风暴增水预报与实际相差不大.【总页数】10页(P890-899)【作者】刘春霞;赵中阔;袁金南;温冠环;毕雪岩【作者单位】中国气象局广州热带海洋气象研究所/广东省区域数值天气预报重点实验室广东广州510640;中国气象局广州热带海洋气象研究所/广东省区域数值天气预报重点实验室广东广州510640;中国气象局广州热带海洋气象研究所/广东省区域数值天气预报重点实验室广东广州510640;中国气象局广州热带海洋气象研究所/广东省区域数值天气预报重点实验室广东广州510640;中国气象局广州热带海洋气象研究所/广东省区域数值天气预报重点实验室广东广州510640【正文语种】中文【中图分类】P435【相关文献】1.南海海浪业务化数值预报系统检验 [J], 周水华;俞胜宾;梁昌霞;冯伟忠;吴迪生2.东北冷涡数值预报系统建立与业务应用 [J], 周晓珊;崔锦;王连仲;陈力强;杨森3.中尺度层状云系数值预报系统及其业务化应用试验 [J], 周毓荃;包绍武;黄毅梅;郝建平4.我国海洋气象数值预报业务发展与思考 [J], 黄彬;阎丽凤;杨超;徐晶5.南海海洋气象浮标站安全监控系统设计与应用 [J], GAN Zhi-qiang;HUANG Bin;KUANG Chang-wu;LI Da-jun因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

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. 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Ｂｕ ｏ ｙ ｓ ｔ ａ ｎ ｄ ｉ ｎ ｇ ｉ ｎ ｗａ ｔ ｅ ｒ ｅ ｎ ｖ ｉ ｒ ｏ ｎ ｍｅ ｎ ｔ ｍｏ ｎ ｉ ｔ ｏ ｒ ｉ ｎ ｇ ａ ｐ ｐ ｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ
Ｌ ｉ Ｑ ｉ ａ ｎ ｇ
（ Ｃ ｈ ａ ｎ ｇ ｙ ｅ Ｅ ｎ ｖ ｉ ｒ ｏ ｎ ｍ ｅ ｎ ｔ ａ ｌ Ｐ ｒ ｏ ｔ ｅ ｍ ｎ ｔ ａ ｌ Ｐ ｒ ｏ ｔ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｇ ｒ ｏ ｕ ｐ Ｃ Ｏ ． １ ｔ ｄ ， Ｚ ｈ ｅ ｊ ｉ ａ ｎ ｇ ３ １ ０ ０ ０ ５ ）
以检测的水质、 水文及 气象检测指标 ， 浮标站在水环境 中的适 用范围， 浮标站 自身的特 点及 浮标站今后 的发展
关键词 ： 浮标 站 ； 水 环 境监 测 ； 传感器 ； 指标 ； 应用
中图分类号 ： Ｘ ２ ２
文献标识码 ： Ａ
文章编 号 ： １ ０ ０ ７— ０ ３ ７ ０ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ４— ０ １ ３ ９— ０ ３
ｍ ｅｎｔ ．
Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ： Ｂ ｕ ｏ ｙ Ｓ ｔ ａ ｎ ｄ ｉ ｎ ｇ ； Ｗａ ｔ ｅ ｒ Ｅｎ ｖ ｉ ｒ ｏ ｎ ｍｅ ｎ ｔ Ｍｏ ｎ ｉ ｔ ｏ ｒ ｉ ｎ ｇ ； Ｓ ｅ ｎ ｓ ｏ ｒ ； Ｉ ｎ ｄ ｅ ｘ ； Ａｐ ｐ ｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ
Ｔ ｏ ｅ 、 总磷 、 总氮、 氨氮和气象等指标 ； （ ３ ） 供 电设 备 ： 由太 阳能 、 充 电控 制 器 和 蓄 电池 组 成； 太 阳能板装 在 浮体 上 ， 蓄 电池 安装 在 电子 舱 内 ； 太 阳能 结合 蓄 电池供 电能确 保 在 连 续 阴雨 天 情 况 下 ， 浮 标 监测 站正 常 工作 ３ ０天 以上 ； （ ４ ） 采集 传输 控制 设备 ： 由数 据 采 集控 制 模 块 、 无 线通讯和天线组成 ； 可实现双向通讯 ； 具备 自容功能 ， 将采 集 的数 据存贮 在 模 块 中 ， 在 通 讯偶 尔 中断 时 不 丢 数据 ， 通 讯恢 复后 ， 存贮 的数据 立 即传输 ； 通过 Ｇ Ｓ Ｍ 实 现无 线 网络传 输 ， 可在 任 意地点 组 建 网络 ； （ ５ ） 防护设备 ： 由防雷装置 、 雷达反射器、 Ｇ Ｐ Ｓ 、 警 示灯 等 组成 ； Ｇ Ｐ Ｓ作 为 浮标定 位 使用 ， 实 时发送 浮标 经 纬度 信 息 ； 当 台风 、 盗 窃 等原 因造 成 浮 标 偏 离 布 放 位 置时， 系统将发 出浮标偏离报警信息 ， 并 实时给出浮 标 当前位 置信 息 ； 警 示 灯 能 在 夜 晚 和雾 天 警 示 过 往 船 舶绕 道行 驶 ；

行业标准《海洋气象浮标》编制说明一、工作简况1.项目来源本标准由中国气象局提出，由全国气象仪器与观测方法标准化技术委员会（SAC/T507，以下简称全国气象仪器与观测标委会）归口，……行业标准名称《海洋气象浮标》。

2.协作单位本标准由广东省气象局、山东省科学院海洋仪器仪表研究所等单位共同起草。

3.主要起草人及所做的工作主要起草及所做工作信息见下表1。

表1 标准主要起草人及所做的工作4.主要工作过程2015年9月11日完成气象标准制修订系统上报；2016年2月26日中国气象局政策法规司关于下达2016 年气象观测装备相关标准制定计划的通知（气法函〔2016〕3 号）；2016年，广东省气象局组织对10米、3米海洋气象锚碇浮标进行了岸边测试及海上测试；测试完成后将海洋气象锚碇浮标布放至茂名海域外海试验场，对其进行为期1年的外海试验验证。

2017年，广东省气象局组织编制10米、3米海洋气象锚碇浮标气象专用技术装备测试评估报告，组织专家评审；进一步完善后提交中国气象局观测司；2018年～2019年，继续对南海海域气象浮标运行状况及数据进行收集再评估；为海洋气象浮标标准制定工作提供参考材料；2019年10月，广东省气象局行业标准《海洋气象浮标》编制工作启动；召开标准起草工作组会议明确参加标准起草人员工作职责，制定编制工作计划；2019年11月，组织起草人员收集整理参考文献，查阅国内外相关标准、指南、规范性文件等；2019年12月，标准起草工作小组完成《海洋气象浮标》初稿编制；2020年１月13日，完成标准文本初稿内容编制，组织参与单位内部技术人员对标准初稿提出初步意见，进一步完善后形成标准讨论稿；2020年２~3月，调研、广泛征求意见，多次对讨论稿进行修改。

主要包括：1）2020年２月，由广东省气象局结合南海６个海洋气象浮标的运行情况进行调研，广泛征集意见，对讨论稿进行修改完善；1）2020年3月上旬，由山东省科学院海洋仪器仪表研究所结合历年浮标大修工作进行调研，广泛征集意见，对讨论稿进行修改完善；2）2020年3月下旬，由广东省气象局组织对标准进行中期检查，起草组根据检查反馈意见对标准讨论稿进行修改完善；3）2020年3月30日，在前期标准讨论稿修改的基础上，召开标准起草工作组视频会议，组织专家对标准讨论稿进行初审；2020年4月1~17日，起草组大部分编写人员集中讨论、修改，形成《海洋气象浮标》征求意见稿，上报气象标准化网。

附件1：海洋气象浮标观测站功能需求书中国气象局二〇〇八年四月海洋气象浮标观测站功能需求书1 概述1.1 本功能需求书的目的本功能需求书提出海洋气象浮标观测站的基本功能、技术性能和安装运行环境方面的主要要求，明确了数据传送的方式和文件格式，以作为设备生产、采购和运行保障的依据。

1.2 本功能需求书的范围本功能需求书仅是针对气象部门为获取海上气象水文资料，布设在近海海域的海洋气象浮标观测站提出的主要功能需求要求。

1.3 编写依据⑴中国气象局《地面气象观测规范》⑵WMO CIMO 《气象仪器和观测方法指南（第六版）》⑶《GB/T 12763.1—2007 第1部分总则》⑷《GB/T 12763.2—2007 第2部分海洋水文观测》⑸《GB/T 12763.3—2007 第3部分海洋气象观测》⑹《GB 5696—1999 中国海区水上助航标志》⑺《GB/T 13972—1992 海洋水文观测仪器通用技术条件》⑻《HY/T 059—2002 海洋站自动化观测通用技术要求》2 海洋气象浮标观测站概述海洋气象浮标观测站是布设在近海海域用于获取海上气象水文观测资料的大型综合性观测设备。

海洋气象浮标观测站将定时提供气压、温度、湿度、风向、风速、海水温盐度、浪高、海水流向、流速等海上气象水文资料增强对近海海域灾害性天气和气候变化的预测预警能力。

2.1 海洋气象浮标观测站的基本构成海洋气象浮标观测站由浮标体和系泊系统、自动观测设备和供电设备组成。

浮标体和系泊系统是一套用锚系将浮标体固定漂浮在海面上用于安装自动观测设备的钢体平台；自动观测设备是一个安装在浮标体上自动完成海上气象水文观测的自动气象站；供电设备是为海洋气象浮标监测站提供工作电源的设备。

2.2 海洋气象浮标观测站的基本性能⑴有牢固的浮标体和系泊系统；⑵具有自动测定气温、相对湿度、气压、风向、风速和海面温度、海水盐度、海浪高、海浪周期、海水流向、流速的能力，根据需要可增加能见度自动观测；⑶使用太阳能电池板蓄电池直流供电，蓄电池容量能保证维持当地连续阴雨天气时海洋气象浮标监测站正常运行；⑷能实时存储和定时传送观测资料；⑸能在布放海区极限海况条件下长期无人值守连续正常工作,维护间隔一般不短于1年；⑹应具有在至少半年内防生物附着能力和至少3年的防腐蚀能力；⑺具有报告其工作状态和位置的能力；⑻应具有夜间灯光显示装置和雷达波反射装置。

南海海岛自动气象站对海洋环境的适应性和性能
南海海岛自动气象站是一种用于海洋环境监测的设备，具有良好的适应性和性能。

其适应性主要表现在以下几个方面：
1. 抗风能力：南海海岛自动气象站可以承受较大的风力，其固定方式和结构设计能够有效减少风吹的影响，保证设备稳定运行。

2. 耐腐蚀性：由于长期暴露在海洋环境下，南海海岛自动气象站必须具备良好的耐腐蚀性，能够抵御海水、海盐和海风等对设备材料的腐蚀。

3. 抗震能力：南海海岛自动气象站需要具备一定的抗震能力，以应对可能出现的地震和海啸等自然灾害。

4. 防雷能力：南海海岛自动气象站必须能够有效地抵御雷电等天气条件对设备的影响。

1. 精度高：南海海岛自动气象站需要具备较高的精度，能够准确测量海洋环境中的气象要素，如温度、湿度、气压、风速等。

2. 数据稳定性好：南海海岛自动气象站需要具有一定的数据稳定性，能够减少环境条件、设备故障等因素对数据采集的干扰。

3. 系统性强：南海海岛自动气象站需要具备较强的系统性，能够实现数据的自动采集、处理和传输，提高数据的效率和准确性。

4. 可靠性好：南海海岛自动气象站需要具备较好的可靠性，能够长期稳定地运行，不出现设备故障和数据丢失等问题，保证海洋环境监测的连续性和全面性。

总之，南海海岛自动气象站具有非常重要的作用，能够实现对南海海域的气象要素的实时、连续和全面监测。

因此，这种设备的适应性和性能的优良与否将直接影响到气象监测的质量和准确性。

浮标工程设计方案一、引言随着海洋经济的不断发展，港口、海洋资源开发、海上交通等领域对浮标的需求日益增加。

浮标是海洋工程中的重要设施，它具有航标标志、埋地测量、海洋观测、水文测量、海洋环境监测等多种功能。

因此，合理、科学地设计浮标工程对于海洋经济和海洋工程都具有重要意义。

本文将围绕浮标工程的设计原则、技术要求、选材及安装等方面进行详细介绍，目的是提供一套完善的浮标工程设计方案，为海洋工程领域的从业者提供参考。

二、浮标工程设计原则1. 安全性原则：浮标工程设计应以保障船舶航行的安全和提高海洋环境监测的准确性为首要考虑，确保浮标在严峻海洋环境下能够稳定运行。

2. 可靠性原则：浮标工程要求具有较高的可靠性和耐久性，能够在不同气候和海洋环境下保持正常运行。

3. 经济性原则：浮标工程的设计要尽可能降低成本，提高性价比，确保海洋工程的经济效益。

4. 可维护性原则：浮标工程设计应考虑到设施的维护和修复难度，确保设施的可维护性。

5. 环保性原则：浮标工程的设计应符合环保要求，减少对海洋环境的污染，保护海洋生态环境。

三、浮标工程技术要求1. 浮标结构：浮标结构应具有足够的承载能力和稳定性，能够耐受大风大浪的侵袭。

浮标的外壳材料应具有良好的耐腐蚀性能，并具有一定的防撞功能。

2. 航标标志：浮标应具有良好的可识别性、光学可见性和夜间反光性，能够满足船舶航行的导航需求。

3. 浮标设备：浮标设备应具有远程监测、数据传输、自动报警等功能，能够实现对海洋环境的实时监测。

4. 浮标稳定性：浮标结构设计应考虑到不同海洋环境中的稳定性，采取有效的防倾翻设计，确保浮标稳定性。

5. 维护保养：浮标设计应方便设备的监管和维护，采用可拆卸的结构设计，方便设备更换和维护。

四、浮标工程选材与安装1. 浮标外壳材料：应选用耐海水、耐腐蚀的聚乙烯、玻璃钢或不锈钢等材料制成，确保浮标的耐久性和稳定性。

2. 浮标设备材料：应选用具有防水、防潮、耐高温的材料，确保设备在恶劣海洋环境下的正常工作。

南海海浪业务化数值预报系统检验周水华;俞胜宾;梁昌霞;冯伟忠;吴迪生【摘要】In order to estimate the Operational Surface Wave Forecast System of South China Sea Marine Fore-cast Center, SOA, by using the observational data during March-November in 2010 and 2011 in the South Chi-na Sea, the 24 h ,48 h, 72 h forecast result from the System is verified. The statistical results show that the predic-tion error of significant wave height and mean period is 24 h<48 h< 72h, and the average absolute error of signif-icant wave height forecasted in 24h, 48h, 72h is less than 0.5m. The average absolute error in the average period of 24h, 48h , 72 h is less than 0.8s. Meanwhile, the forecast error is significantly smaller in October and November than that in other months. Regression analysis revealedthat the forecast value and the observed value exists in highly linear correlation relationship, and with the prediction time growth, the correlation is gradually decreasing, and overall the forecast values are larger than observed value. In conclusion, the system which forecast erroris ac-ceptable and meets the basic requirements of operational forecasting. However, there are still larger gaps between this system and other similar system, such as ECMWF .%为检验南海海浪业务化数值预报系统的预报效果,利用2010年和2011年3-11月的观测资料,通过计算预报值和观测值的绝对误差、相对误差等统计参数和线性回归分析对南海海浪业务化数值预报系统进行检验.统计结果显示有效波高和平均周期的预报误差24 h＜48 h＜72 h,有效波高的24 h、48 h、72 h预报平均绝对误差小于0.5 m,平均周期的24 h、48 h、72 h预报平均绝对误差小于0.8 s；预报误差有明显的季节变化,10月和11月的预报误差显著小于其它各月；回归分析结果显示预报值与观测值存在中度高度线性相关关系,随着预报时效的增长相关度逐渐递减,预报值较观测值偏大.总体来说,该系统的预报误差在可接受的范围之内,满足业务化预报的要求,但与欧洲气象中心等发达国家的预报系统比较来看,该系统还存在较大差距.【期刊名称】《海洋预报》【年(卷),期】2012(029)006【总页数】7页(P30-36)【关键词】MM5模式;WWⅢ模式;业务化数值预报系统;统计检验;检验参数【作者】周水华;俞胜宾;梁昌霞;冯伟忠;吴迪生【作者单位】国家海洋局南海预报中心,广东广州510310;国家海洋局南海预报中心,广东广州510310;国家海洋局南海预报中心,广东广州510310;国家海洋局南海预报中心,广东广州510310;国家海洋局南海预报中心,广东广州510310【正文语种】中文【中图分类】P7311 引言20世纪40年代，美国利用天气图预报海浪，通过海浪经验统计预报方法、半经验半理论波谱预报方法和能量预报方法等推算波高，再综合分析和校正，带有较强的经验性。

第4卷第1期2021年1月水利科学与寒区工程Hydro Science and Cold Zone EngineeringVol.4,No.1Jan..2021周保成！张金尚！黄桦,等.论南海区水文气象浮标管理水利科学与寒区工程！2020,4（1）：132-134.论南海区水文气象浮标管理周保成，黄桦，张新文，张金尚（国家海洋局南海调查技术中心，广东广州市510300）摘要：通过浮标获取南海区近岸和深远海长期的海洋水文、海洋气象等调查资料，可以为海洋预报、防灾减灾和海洋科学研究提供基础资料。

基于观测资料，可以进一步了解和认识南海区海洋环境特征及其空间分布规律,并分析研究南海区极端天气产生、迁移、运行发展规律及与全球气候变化之间的联系。

关键词：南海区；水文气象；浮标；管理中图分类号：P339文献标志码：A文章编号:在海上科学、合理布放浮标，可以对选定站点海域实现实时、自动化、全天候及长期的海洋水文要素和海洋气象要素的观测，采集到的数据代表性、客观性和连续性好，能够较早发现海洋灾害，已经成为目前发展最快的成熟海洋观测手段之一。

布放浮标是岸基观测网向海上扩展必不可少的手段，同时也是天基、空基观测数据校正的重要手段。

通过浮标采集数据、实时数据传输、数据即时分析、提供分析结果用于决策的技术研究，对加强与完善我国海洋观测、预警、预报、预测和科学研究有着重大意义，更能有效提升海洋防灾减灾能力和应对气候变化能力1-1南海区水文气象浮标类型目前，用于海数据测的为两种：（1）采用锚及锚链或缆绳将浮标锚定在海上一个固定位置并可在一定范围内活动的锚定浮标。

（2）采用自由漂泊方式进行持续观测获取数据的漂流浮标。

其中，锚定浮标根据观测要素大致可简单划分为如下几个类型：（1）主要观测海洋水文气象要素，服务于国家海洋观测预报和防灾减灾工作的资料浮标。

（2）主要观测深海水位数据，用于海啸预警的海啸浮标。

（3）主要观测沿岸波浪数据，应用于沿海大型工程建设的波浪浮标。

海洋观测与预警系统的建设与应用海洋作为地球上最广阔的领域之一，承载着人类生活的重要资源和无尽的发展潜力。

然而，由于海洋环境的复杂性和变化性，海洋灾害频繁发生，严重影响着经济社会的可持续发展。

因此，建设海洋观测与预警系统成为了当今海洋科学领域亟待解决的问题。

一、海洋观测系统的建设海洋观测系统是对海洋环境进行全面监测和收集数据的系统。

它通过安装传感器和测量设备，在不同的海域和水深位置，对海洋的物理、化学、生物和地质等要素进行实时连续的观测，并将数据传输到数据处理中心进行分析和存储。

1. 传感器的应用传感器是海洋观测系统中的核心设备，负责对不同的要素进行监测。

比如，水温、盐度和流速传感器可以提供海洋的物理参数；溶解氧、氨氮和硝酸盐传感器可以提供海洋的化学参数；浮游生物、浮游植物和浮游动物传感器可以提供海洋的生物参数。

通过这些传感器，我们可以全面了解海洋环境的变化情况。

2. 海洋观测平台的建设为了实现海洋观测系统的全面覆盖，我们需要建设不同类型的海洋观测平台。

目前，常见的海洋观测平台包括浮标观测站、固定观测站、卫星遥感和潜标观测站等。

这些平台可以以多种形式布设在不同的海域，为海洋观测系统的建设提供可靠的数据源。

二、海洋预警系统的应用海洋预警系统是基于海洋观测系统的数据，通过数据分析、模型模拟和预测算法，实现对海洋灾害的快速预警和预测。

海洋预警系统能够及时发现和预测海洋灾害事件，为政府、企业和民众提供及时的预警信息，减少灾害造成的损失。

1. 海洋灾害的预警海洋观测与预警系统可以对各种海洋灾害进行预警，包括台风、海浪、海啸、暴雨和海洋污染等。

通过监测海洋环境的变化，如风暴潮、海浪高度、风速和波动等，可以及时预警，提前采取必要的防范措施，保护人民生命财产安全。

2. 海洋资源的管理海洋预警系统还可以用于海洋资源的合理管理和利用。

比如，通过对海洋生态系统的观测和预测，可以提前判断渔业资源的分布和数量，为渔业生产提供科学依据；同时，对海洋矿产资源的预警分析，可以指导矿产资源的勘探和开发，提高资源利用效率。

2024年海洋浮标系统市场需求分析1. 引言海洋浮标系统是一种用于监测海洋环境和传输数据的设备，具有广泛的应用领域，如海洋科学研究、环境监测和海洋资源勘探等。

本文将对海洋浮标系统的市场需求进行分析，包括需求背景、市场规模、主要应用领域以及需求趋势等。

2. 需求背景海洋浮标系统作为海洋科学研究和环境监测的重要工具，具有对海洋环境进行实时监测的能力，能够提供海洋气象、海洋地质、水质和生物等方面的数据。

随着全球海洋经济的发展和海洋科学研究的深入，对海洋浮标系统的需求不断增长。

3. 市场规模目前，海洋浮标系统市场规模正在快速增长。

根据市场研究机构的数据显示，2019年全球海洋浮标系统市场规模达到X亿美元，预计到2025年将达到XX亿美元。

市场规模的增长主要受到以下几个因素的推动：•海洋科学研究的不断深入，对海洋环境监测能力的要求提升；•海洋能源和海洋交通的发展，对海洋浮标系统的需求增加；•海洋污染治理和海洋灾害预警等方面的需求。

4. 主要应用领域海洋浮标系统在多个领域有着广泛的应用。

以下是几个主要的应用领域：4.1 海洋科学研究海洋浮标系统在海洋科学研究中发挥着重要的作用。

它能够实时监测海洋环境的温度、盐度、浪高等参数，并提供相关数据供科学家分析研究。

海洋科学研究的不断深入将进一步推动对海洋浮标系统的需求增长。

4.2 环境监测海洋浮标系统能够监测海洋环境的变化，包括海洋水质、海洋生物、海洋污染等方面的参数。

这对于环境监测和海洋资源管理具有重要意义。

随着环境保护意识的提高，对海洋浮标系统的需求将会增加。

4.3 海洋能源勘探海洋浮标系统也广泛应用于海洋能源勘探领域。

通过监测海洋能源潜力、测量海洋气象条件等，为海洋能源勘探提供重要数据支持。

随着清洁能源的发展和对可再生能源的需求增加，对海洋浮标系统的需求也将不断增长。

5. 需求趋势根据市场趋势和相关研究分析，海洋浮标系统市场的需求将呈现以下几个主要趋势：5.1 自动化和智能化未来海洋浮标系统将朝着自动化和智能化方向发展，具备更高的自主性和智能化的数据分析能力。

专利名称：海洋浮标站、入侵检测取证方法及系统专利类型：发明专利
发明人：林冠英,刘愉强,张新文,刘同木,黄桦,周保成申请号：CN202010619559.8
申请日：20200701
公开号：CN111650627A
公开日：
20200911
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本申请涉及一种海洋浮标站、入侵检测取证方法及系统；其中，海洋浮标站，包括摄像头，设于浮标体的顶部；第一测距装置，设于浮标体的顶部；第一测距装置监听浮标附近船舶，输出船舶当前位置和浮标当前位置；第二测距装置，设于浮标体的桅筒上；第二测距装置在监测到登标事件时，输出入侵报警信号；工控机，设于浮标体舱内，用于连接数据接收站；工控机与摄像头、第一测距装置和第二测距装置连接；本申请可实现稳定的入侵检测；当浮标遭到破坏时，可根据记录的过往船只信息和图像信息进行分析，实现稳定取证，进而帮助找到所有可能的肇事船只，追究其责任，挽回损失。

申请人：国家海洋局南海调查技术中心(国家海洋局南海浮标中心)
地址：510300 广东省广州市海珠区新港西路155号1栋
国籍：CN
代理机构：广州华进联合专利商标代理有限公司
代理人：陈金普
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