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海洋科学中的海洋地理信息系统研究进展在当今科技飞速发展的时代，海洋科学领域的研究不断深入，海洋地理信息系统（Marine Geographic Information System，简称 MGIS）作为一项关键技术，正发挥着日益重要的作用。
MGIS 融合了地理信息系统、海洋科学、计算机科学等多学科的知识和技术，为我们更好地认识、管理和保护海洋提供了有力的工具。
海洋地理信息系统的基本概念与特点MGIS 是一种专门用于处理和分析海洋地理数据的信息系统。
它通过收集、存储、管理、分析和展示海洋相关的地理空间数据，如海洋地形、海洋气象、海洋生态、海洋地质等，帮助研究人员和决策者获取有关海洋的全面、准确和及时的信息。
与传统的地理信息系统相比，MGIS 具有一些独特的特点。
首先，海洋环境复杂多变，数据量大且动态性强，这要求 MGIS 具备高效的数据处理和更新能力。
其次，海洋地理数据的精度和准确性对于研究和应用至关重要，MGIS 需要采用高精度的测量和建模技术。
此外，海洋中的现象和过程往往具有多尺度和多维度的特征，MGIS 必须能够支持对这些复杂数据的综合分析和可视化。
海洋地理信息系统的关键技术数据采集与处理技术是MGIS 的基础。
通过卫星遥感、海洋观测站、浮标、潜水器等多种手段，可以获取大量的海洋地理数据。
然而，这些数据往往存在着格式不一致、误差较大等问题，需要进行数据清洗、校准和融合等处理，以提高数据的质量和可用性。
空间数据库技术在 MGIS 中起着核心作用。
海洋地理数据具有空间相关性和拓扑关系，需要建立高效的空间数据库来存储和管理这些数据。
同时，为了应对海量数据的存储和快速查询需求，还需要采用分布式数据库和云计算技术。
数据分析与建模技术是 MGIS 的关键。
通过运用数学模型和统计方法，可以对海洋地理数据进行分析和预测，例如海洋潮流模拟、海平面变化预测、海洋生态系统评估等。
此外，基于人工智能和机器学习的算法也逐渐应用于 MGIS，提高了数据分析的准确性和智能化水平。
基于GIS技术的海洋工程船舶综合信息集成管理系统研究海洋工程船舶的综合信息管理是保障海洋工程船舶安全、高效运营的重要方面，同时也对海洋工程项目的实施和管理起到关键作用。
近年来，随着地理信息系统（GIS）技术的快速发展和不断完善，基于GIS技术的海洋工程船舶综合信息集成管理系统成为了海洋工程船舶行业的研究热点。
本文将从需求分析、系统设计和数据管理等方面展开，探讨基于GIS技术的海洋工程船舶综合信息集成管理系统的研究。
一、需求分析1. 海洋工程船舶信息需求分析海洋工程船舶综合信息集成管理系统需要整合包括但不限于船舶基本信息、各类工程设备信息、船员人员信息、海洋地理环境信息等各类信息。
通过对这些信息的有效整合和管理，可以实现对海洋工程船舶的全方位监控和管理，提高工程船舶的运营效率和安全性。
2. 海洋工程项目需求分析海洋工程项目的实施和管理需要综合考虑船舶、设备、人员和环境等方面的信息，并进行合理有效的规划和调度。
基于GIS技术的综合信息管理系统可以通过对这些信息的空间分析和关联分析，帮助项目管理人员快速做出决策，提高项目实施效率和管理水平。
二、系统设计1. 架构设计基于GIS技术的海洋工程船舶综合信息集成管理系统采用分层架构设计，包括数据层、业务逻辑层和用户界面层。
数据层负责数据的存储和管理，包括船舶、设备、人员和环境等信息的采集和处理；业务逻辑层负责对数据进行分析和处理，并提供相应的查询和决策支持功能；用户界面层提供友好的操作界面，方便用户进行信息的查询和管理。
2. 功能设计基于GIS技术的海洋工程船舶综合信息集成管理系统的主要功能包括：(1) 船舶信息管理：包括船舶基本信息、设备信息、船员信息等的录入、查询和管理；(2) 海洋地理环境信息管理：包括海洋水文信息、海洋气象信息、海底地质信息等的录入、查询和分析；(3) 项目管理：包括项目计划、进度管理、资源调度等功能，通过GIS技术对项目信息进行可视化展示和空间分析，帮助项目管理人员做出决策；(4) 风险管理：通过对船舶、设备和环境等信息进行分析，识别潜在的风险，并提供相应的预警和应急管理功能；(5) 数据分析和报告生成：通过GIS技术对海洋工程船舶的各类信息进行统计和分析，并生成相应的报告和统计图表，为决策提供科学依据。
《海洋遥感卫星组网观测仿真系统设计》篇一一、引言随着科技的飞速发展，海洋遥感技术已经成为我们探索和保护海洋资源的重要手段。
通过高效和准确的遥感技术，我们能够监测到海水的污染程度、海况、海流等多种重要信息。
为此，本文设计了一个海洋遥感卫星组网观测仿真系统，通过仿真分析，以期实现更精确的海洋信息获取和更高效的资源利用。
二、系统设计目标本系统的设计目标主要有以下几点：1. 高效地收集和传输海洋信息，以实现实时的海洋环境监测。
2. 通过卫星组网技术，实现对海洋的全方位、多角度观测。
3. 利用仿真技术，预测和优化海洋遥感卫星的观测效果。
4. 提供一个用户友好的界面，方便用户进行操作和数据分析。
三、系统设计架构本系统主要由以下几个部分组成：卫星组网模块、数据收集与传输模块、数据处理与分析模块以及用户界面模块。
1. 卫星组网模块：该模块负责卫星的定位、组网以及控制。
通过精确的卫星定位和组网技术，实现对海洋的全方位、多角度观测。
2. 数据收集与传输模块：该模块负责从卫星上收集数据，并通过高速数据传输网络将数据传输到数据中心。
3. 数据处理与分析模块：该模块负责对收集到的数据进行处理和分析，包括数据的预处理、数据分析和结果输出等。
4. 用户界面模块：该模块提供了一个用户友好的界面，方便用户进行操作和数据分析。
四、系统设计流程1. 卫星组网：根据观测需求，精确地定位卫星并实现组网。
2. 数据收集与传输：通过卫星传感器收集数据，并利用高速数据传输网络将数据传输到数据中心。
3. 数据处理与分析：对收集到的数据进行预处理，包括去除噪声、校正误差等，然后进行进一步的数据分析和结果输出。
4. 结果输出与展示：将分析结果以图表、报告等形式展示给用户，方便用户进行决策和分析。
五、仿真系统设计为了更准确地预测和优化海洋遥感卫星的观测效果，本系统设计了一个仿真系统。
该仿真系统可以模拟卫星的观测过程，包括卫星的定位、观测角度、观测时间等，从而预测出观测结果。
(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 202011217298.3(22)申请日 2020.11.04(71)申请人 中国海洋大学地址 266100 山东省青岛市崂山区松岭路238号(72)发明人 邱振龙 魏志强 王宁 吴佳静 (74)专利代理机构 青岛华慧泽专利代理事务所(普通合伙) 37247代理人 马千会(51)Int.Cl.G06F 16/951(2019.01)G06F 16/35(2019.01)(54)发明名称一种基于深度学习的海洋船舶数据采集管理系统及方法(57)摘要本发明属于网页数据采集技术领域，涉及海洋船舶数据采集管理系统及方法。
一种基于深度学习的海洋船舶数据采集管理系统，包括网页采集模块、文本分类任务管理模块和数据管理及分析模块；所述网页采集模块用于对目标采集网站进行网页采集；所述文本分类任务管理模块用于对采集到的船舶数据进行分类处理；所述数据管理及分析模块用于对处理后的数据进行存储和管理。
本发明能够实现网页内容自动采集，相比于传统方法，该系统使用过程中可以设置定时采集的相关参数，完成相应数据采集任务的定时采集及数据更新。
可视化界面提供采集目标管理功能、采集任务管理功能、网页分类任务管理、数据管理功能，实现数据采集管理的便捷化和高效化。
权利要求书1页 说明书5页 附图2页CN 112328858 A 2021.02.05C N 112328858A1.一种基于深度学习的海洋船舶数据采集管理系统，其特征在于：包括网页采集模块、文本分类任务管理模块和数据管理及分析模块；所述网页采集模块用于对目标采集网站进行网页采集；所述文本分类任务管理模块用于对采集到的船舶数据进行分类处理；所述数据管理及分析模块用于对处理后的数据进行存储和管理。
2.根据权利要求1所述的基于深度学习的海洋船舶数据采集管理系统，其特征在于：所述的网页采集模块包括采集目标管理模块、采集任务管理模块和网页文本提取模块；所述采集目标管理模块、用于对目标网站信息进行管理；所述采集任务管理模块，用于供用户设置采集任务；所述网页文本提取模块，用于根据用户提交的采集任务，对目标采集网站网页爬取，进行网页文本提取。
低轨数据采集卫星在海洋生态保护中的应用引言：地球上70%的面积被海洋所覆盖，海洋是地球上最大的生态系统之一，对人类和地球的生存和发展都具有重要意义。
然而，由于人类活动的不断增加，海洋生态系统面临着诸多威胁。
为了更好地保护海洋生态环境，低轨数据采集卫星被广泛应用于海洋生态保护中，提供了可靠的数据支持和监测手段。
一、低轨数据采集卫星的概述低轨数据采集卫星是指绕地球进行低轨道运行的卫星，其主要任务是采集、监测和传输地球表面的数据。
低轨数据采集卫星具有全球覆盖、高分辨率、快速响应和长期稳定的特点，成为了海洋生态保护中的重要工具。
二、低轨数据采集卫星在海洋生态保护中的应用1. 海洋环境监测低轨数据采集卫星能够实时、全面地获取海洋环境的相关数据，包括海洋温度、盐度、色素浓度、浮游植物分布等。
这些数据可以提供海洋环境的全面信息，用于评估海洋生态系统的健康状况以及对人类活动的响应，为制定科学合理的保护措施提供依据。
2. 海洋物种保护低轨数据采集卫星可以跟踪监测海洋生物的迁徙、生态习性和分布情况。
通过观测海洋生物的生态行为和种群密度变化，可以及时发现和保护濒危物种，预防生物多样性的丧失。
同时，低轨数据采集卫星还可以帮助监测海洋捕捞活动的合规性，减少非法捕捞对海洋生物的破坏。
3. 海洋污染监测低轨数据采集卫星可以通过遥感技术监测海洋污染物的分布和扩散情况。
监测海洋污染的来源、类型和程度，可以及时预警并采取相应的治理措施，保护海洋生态系统的健康。
此外，低轨数据采集卫星还可以监测海洋中的漂浮垃圾和塑料污染，提供数据支持和科学依据，推动相关政策的制定和执行。
4. 海洋灾害监测与预警低轨数据采集卫星可以监测海洋灾害，如海啸、飓风、沉船等，并提供及时的预警信息。
通过实时监测和预警，可以减少海洋灾害对生态系统和人类社会的损害，保护海洋生态环境的稳定和可持续性。
三、低轨数据采集卫星在海洋生态保护中的挑战与展望1. 技术挑战低轨数据采集卫星需要高度精确的定位和测量技术，以获取准确的海洋数据。
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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