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前沿J3F R ONT I E R 极地海冰浮标观测技术陈超孪丙瑞席颖窦银科蓝水盛罗光富极区多尺度气-冰-海相互作用是全球气候系统变化的热点和难点之一,利用海冰浮标.连续自动获取冰面气象，海冰以及冰下上层海洋的环境数据，是开展气-冰-海相互作用研究的最关键手段北极是影响我国天气气候的关键区域之一，冬季极 地冷空气南下是造成欧亚大陆阶段性强降温和强降雪 的主要原因之一。
认识北极变化对欧亚冬季极端天气气候事件的影响，首先就需要了解北极海-冰-气系统本身的影响，而目前开展极地海-冰-气的研究的主要手段为在极地设立观测站，通过飞机或船舶在冰区内部 署营地，布放无人冰站等，相比于其他手段，无人冰站是 一种能够长期原位观测的手段，同时因其相对经济性，使得大范围的布放成为了可能。
依托于布放在接岸固 定冰面或漂流浮冰上的海冰浮标，既可以实现对冰上 气象环境数据和冰下温盐流等数据的长期自动获取，又 可以监测海冰自身的热力和动力过程。
得益于此，近年 来极地海冰浮标的观测结果已经被相关的研究学者广 泛采用。
极地海冰浮标研究现状国际极地海冰浮标研究现状美国国家科学院于1974年提出在整个北冰洋区陈超，硕士研究生；李丙瑞，研究员；席颖，研究员；蓝木盛，硕士 研究生;罗光富，硕十研究生:中国极地研究中心，上海200136,::窦银科：教授，太原理工大学，太原030024:Chen Chao, Master Degree Candidate; Li Bingrui, Professor; Xi Ying, Professor; Lan Mushen, Master Degree Candidate; Luo Guangfu, Master Degree Candidate: Polar Research Institute of China, Shanghai 200136. Dou Yinke: Professor, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024.域建立监测网络的提议，通过浮标进行监测海平面的温度、气压以及海冰的漂移轨迹m，因此根据该建议，1978年北极海洋浮标计划在华盛顿大学应用物理实验 室极地科学中心成立，并用于支持全球天气实验，该计 划持续到1990年。
海洋观测浮标通用技术要求（试行）国家海洋局二〇一四年十二月1范围本要求规定了海洋观测浮标的系统组成、技术要求、检验方法及标志、包装、运输和贮存的要求。
本要求适用于海洋观测网业务化应用的海洋观测浮标的采购、检验和评估。
2规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。
凡是注日期的引用文件，仅所注日期的版本适用于本文件。
凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。
CB/T 3855 海船牺牲阳极保护阴极设计和安装GB/T 13972-2010 海洋水文仪器通用技术条件GB/T 14914 海滨观测规范HY/T 143-2011 小型海洋环境监测浮标HY/T 142-2011 大型海洋环境监测浮标3术语和定义3.1海洋观测浮标锚泊在特定海区对该海区的水文、气象等要素进行定点、自动、长期、连续观测并定时发送资料的浮标。
3.2浮标检测仪一种配备浮标专用检测软件，可对浮标进行工作参数设置及功能检测的设备。
3.3浮标接收岸站接收海洋观测浮标发送或者通过数据平台中转的测量数据的地面接收设备和设施。
4系统组成4.1基本组成海洋观测浮标由浮标体、数据采集器、安全系统、浮标检测仪、传感器、通信系统、供电系统、锚系、浮标接收岸站（以下简称岸站）九部分组成。
4.2浮标体为浮标提供浮力支撑，同时也作为仪器搭载平台，由塔架、标体、配重组成。
4.3数据采集器按照设定的工作时序，自动采集、处理、存储观测数据，并将处理后的数据通过无线通信方式实时发送到岸站。
4.4安全系统具有警示、防雷、发现浮标移位、开舱、进水的功能，由雷达反射器、避雷针、卫星定位系统、开舱、进水传感器组成。
4.5浮标检测仪对浮标进行设置、调试和检测。
4.6传感器包括风、空气温度、相对湿度、气压、水温、盐度、波浪、海流传感器等。
4.7通信系统采用短波、超短波、蜂窝移动通信或卫星等通信方式，将观测数据传输到岸站，由天线和通讯模块或一体化通讯设备组成。
海洋浮标工作原理海洋浮标是一种常见的水下传感器装置，用于监测海洋环境、气象和海洋动力学。
海洋浮标广泛应用于气象、海洋学、气候变化和海洋资源管理等领域。
本文将介绍海洋浮标的工作原理。
海洋浮标的组成1. 浮体：通常是一个球形或圆柱形的结构，由高密度的材料制成，例如钢或塑料。
浮体可以保证浮标在水面上方，并提供支撑和稳定性。
2. 传感器：被安装在浮体上，用于采集和记录测量数据。
传感器可以根据需要安装多个，例如水温、海洋盐度、气象参数、海洋动力学参数等。
3. 控制器：通常位于浮体内部，用于处理和存储传感器收集的数据。
4. 通信设备：将测量数据发送到地面站或其他接收器。
1. 浮标下放：海洋浮标通过专门的船只下放到海洋中。
因为浮标的设计用于在海洋中驻留，因此其结构必须经过仔细的设计和测试，以确保其可以抵抗风浪和海洋流动的影响。
3. 控制器处理数据：传感器的数据传输到位于浮体内部的控制器。
控制器会对数据进行处理和存储。
在某些情况下，控制器还可以实时分析数据，以检测海洋环境的变化。
4. 数据传输：经过处理后的数据通过通信设备传输到地面站或其他接收器。
这些接收器可以位于各个地方，如海上或岸边，可以让科学家了解海洋环境的变化。
1. 天气预报：气象传感器可以在海洋浮标上安装，测量气压、风速和风向等数据。
这些数据可以用于预测风暴、飓风和其他恶劣天气的发生。
2. 气候变化：通过监测海洋温度、盐度和其他环境参数的变化，可以更好地了解全球气候变化的趋势，并预测未来的气候变化。
4. 海洋资源管理：海洋浮标可以帮助管理渔业、油气勘探和海岸线保护等相关活动。
通过监测海洋参数，可以更好地了解海洋资源的分布和变化，以帮助制定更合理的资源管理策略。
海洋浮标的工作原理和应用领域非常广泛。
它们可以提供有关海洋环境的实时和连续监测，帮助科学家了解海洋生态系统、气候和海洋资源，并促进相关的研究工作。
1. 海洋学研究：海洋浮标可以用于观测海洋表面水温、盐度、流速和波浪等参数，为海洋生态、气候变化等研究提供数据支撑。
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.。
海洋浮标技术海洋浮标技术是指利用浮标来进行海洋观测和监测的一种技术手段。
随着人类对海洋资源的开发利用和对海洋环境的保护需求的增加，海洋浮标技术逐渐发展并得到广泛应用。
海洋浮标是指能够漂浮在海面上并携带各种观测仪器的装置。
它通常由浮体、锚链、锚和信号传输装置等部分组成。
其中，浮体是浮标的主体，可以采用不同形状和材质的设计，以适应不同海洋环境的需求。
锚链和锚则用于固定浮标，防止其漂移。
信号传输装置则用于将浮标上收集到的数据传输给地面站或其他接收设备。
海洋浮标技术主要用于海洋资源勘探、海洋环境监测、海洋灾害预警等方面。
在海洋资源勘探方面，浮标可以搭载各种观测仪器，如海底地震仪、水文仪、海洋气象仪等，用于进行海洋地质、海洋气象、海洋生物等各方面的观测和调查。
通过浮标观测，可以获取海洋资源的分布、数量、质量等信息，为海洋资源的开发利用提供科学依据。
在海洋环境监测方面，浮标可以携带各种传感器和仪器，用于测量海洋水质、海洋温度、海洋盐度、海洋流速等参数。
这些数据对于了解海洋生态系统的状态、海洋污染的程度、海洋循环的规律等具有重要意义。
通过对海洋环境的监测，可以及时发现和预警海洋污染、海洋灾害等问题，保护海洋生态环境的可持续发展。
海洋浮标技术在海洋灾害预警方面也发挥着重要作用。
例如，台风、海啸等海洋灾害在发生前往往会伴随着海洋参数的变化，如海面风速的增大、海水温度的异常等。
通过在海洋中部署浮标，可以实时监测这些参数的变化，并及时预警相关海洋灾害的发生。
这对于降低灾害损失、保护人民生命财产安全具有重要意义。
海洋浮标技术的发展还面临一些挑战和问题。
首先，海洋环境复杂多变，对浮标的设计和材料要求较高，需要具备良好的抗风浪、抗风暴和抗腐蚀能力。
其次，浮标的部署和维护也需要一定的技术和经济支持。
此外，海洋浮标技术还需要与其他海洋观测手段和数据传输系统进行整合，以提高观测数据的准确性和时效性。
海洋浮标技术是一种重要的海洋观测和监测手段，对于海洋资源的开发利用和海洋环境的保护具有重要作用。
简述海洋浮标的意义。
海洋浮标是一种在海洋中浮浮沉沉的设施，用于标识航道、提供导航和警示信息。
它们起到了重要的作用，帮助船只安全、高效地航行和定位。
海洋浮标可以是各种形状和材料制成的，通常悬挂着各种信号灯、铃铛、声响装置和无线电导航系统。
海洋浮标的最基本意义是提供导航标志，特别是在复杂或危险的海域航行时，如海峡、港口入口、暗礁和浅滩等区域。
这些浮标经常悬挂着明亮的灯光，使船只的船长和水手能够识别并避免威胁船只安全的障碍物。
此外，浮标的形状和颜色也有特定的意义，在航行规则中被广泛使用。
除了导航作用，海洋浮标还用于提供天气、海洋和水文学信息。
一些浮标配备了气象站、水温和水质监测设备，可以收集实时的气象和海洋数据。
这些数据对于航海、科学研究和海洋保护都非常重要。
例如，在收集的数据基础上，可以改进海洋气象预报，提前预警海啸、风暴和其他突发天气事件，以减少船只和居民的风险。
海洋浮标还可以用作船只的停靠和锚地指引。
港口和航道浮标的布局和位置，能够帮助船只在进入和离开港口时找到安全路径和停泊区域。
浮标通常配备有锚固设备和系泊绳索，可以固定在特定位置，确保船只在恶劣天气下稳定停泊。
这些浮标也使得港口管理者能够更好地管理和规划船只停靠的位置。
总之，海洋浮标在航海和海洋管理中发挥着不可替代的作用。
它们提供了关键的导航和警示信息，帮助船只避免威胁航行安全的障碍物。
同时，浮标还提供实时的气象、海洋和水文学数据，促进科学研究和海洋保护工作的开展。
通过合理布局和设计，海洋浮标还为船只提供了安全的停泊和锚地位置。
可以说，海洋浮标是航海中不可或缺的重要元素，为海上活动提供了关键的支持和引导。
海洋浮标分类
按浮体大小分：小微浮标（直径＜1m）、中型浮标（直径1-6m）和大型浮标（直径≥10m）。
大型浮标造价高、容量大、寿命长、抗恶劣环境破坏性强，适用于长期的定点监测；中型浮标运输、维护方便，适用于在近海海域短期监测；小微浮标体积重量小、成本低、搭载的传感器少，便于快速布放回收，也可用于一次性的抛弃式波浪检测。
按功能分：可分为水文气象浮标、水质浮标、导航浮标、海冰浮标、波浪浮标、海洋资料浮标、通信浮标等等。
按有无锚系分：可分为有锚系留浮标、无锚浮标。
少数中型浮标和大多数大型浮标都属于有锚系留浮标，锚系置于海底或水体中，用于浮标定位；无锚浮标没有锚系，直接悬浮于水体之上。
海洋浮标的主要监测参数包括：风速、风向、气压、气温、湿度以及波浪、水温、海流等。
文章编号:1005-9865(2005)03-0090-04一种新型多功能海洋浮标丁士圻1,郭丽华1,秦世军1,丁 勇2(1.哈尔滨工程大学水声研究所,黑龙江哈尔滨 150001;2.哈尔滨工程大学船舶工程学院,黑龙江哈尔滨 150001)摘 要:介绍一种多功能海洋考察与观测用浮标的结构、性能。
浮标带有短波无线电遥控和数据传输功能、可外挂多种传感器;该浮标采用小水线结构,在较高海况下,具有较好的安定性。
浮标配置了差分型全球定位(DGPS)接收机和短波电台,可对浮标的位置和工作状况实施实时监测,对浮标的工作程式实时遥控并进行必要的数据传输。
浮标电子舱内具有大容量多通道数据采集记录系统,DGPS 的1pps(1pulse per second)信号被用于多浮标数据采集的精确同步。
浮标可用于海洋监测、考察;也可用于水下目标高精度大地坐标测量等海洋工程。
关键词:海洋调查与观测;浮标;数据采集;无线电遥控中图分类号:P715 2 文献标识码:AMult-i purpose ocean observing buoyDI NG Sh-i qi 1,GUO L-i hua 1,QI N Sh-i jun 1,DING Yong 2(1.Underwater Acoustic Engineering Ins titute of Harbin Engineering University,Harbin 150001,China; 2.School of Shipbuilding Engineer -ing,Harbin Eingineering University,Harbin 150001,China)Abstract:This text briefly introduces a kind of buoy used for ocean monitoring and observing.The buoy s strncture adopts a modified Spar type.As a result,the area of waterline is minimized and the buoy has higher stabili ty in case of higher sea waves.DGPS receiver is mounted on the buoy system to measure the geodetic coordinate of the buoy and SSB -SW radio station is mounted on the buoy system to trans mit mea -sured data and telecontrol command to change the work state or function of the buoy sys tem.The specially designed tube -type SW station anten -na has very high radiation efficiency and stable vertical polar radiation pattern.With the addition of a min-i type radio s tation(approxi mate 30W)only,the communication range may achieve 150Km(ground -wave propagation).1pps signal provided by DGPS recei ver can be used to ensure synchronism of the data acquisition of all the buoys.A square buoy -array consisting of four buoys at a 120 120km 2sea area participat -ed in an experi mental oceanographic research on the South China Sea in the summer of 2002.Key words:ocean investigation and observation;buoy;data acquisi tion;telecontrol收稿日期:2004-05-07作者简介:丁士圻(1940-),男,山东龙口人,教授,博士生导师,主要从事水声工程技术的教学和科研工作。
气象技术在海洋工程中的应用海洋，覆盖了地球表面约 71%的面积，蕴含着丰富的资源和巨大的发展潜力。
海洋工程作为开发和利用海洋资源的重要手段，涉及众多领域，如海洋油气开采、海上风电建设、海洋运输等。
然而，海洋环境复杂多变，气象条件是影响海洋工程安全、高效实施的关键因素之一。
气象技术的不断发展和应用，为海洋工程提供了有力的支持和保障。
气象技术在海洋工程中的应用首先体现在海洋气象观测方面。
准确的气象观测数据是进行海洋工程规划、设计和运营的基础。
通过在海洋中布设气象观测站、浮标、船舶观测以及卫星遥感等手段，可以获取海洋上的风速、风向、气温、气压、湿度、海浪、海流等多种气象和海洋要素的实时数据。
这些数据不仅能够帮助我们了解海洋气象的现状，还可以为数值天气预报模式提供初始场，提高天气预报的准确性。
例如，在海洋油气开采中，了解海面上的风速和风向对于钻井平台的稳定性至关重要。
强风可能导致平台晃动，影响作业安全和效率。
通过气象观测设备实时监测风速和风向的变化，工程人员可以及时采取措施，如调整平台的姿态或暂停作业，以避免潜在的风险。
气象预报技术在海洋工程中也发挥着不可或缺的作用。
准确的天气预报可以帮助海洋工程施工单位合理安排作业时间，降低气象灾害带来的损失。
目前，数值天气预报模式已经成为海洋气象预报的主要手段之一。
这些模式基于大气和海洋的物理规律，通过计算机模拟来预测未来的气象状况。
在海洋工程中，短期天气预报（1-3 天）对于海上施工作业的安排具有重要意义。
施工单位可以根据天气预报选择合适的时间段进行设备安装、船舶运输等作业，避免在恶劣天气条件下作业。
而中长期天气预报（3-10 天甚至更长）则有助于海洋工程的规划和决策。
例如，在规划海上风电项目时，需要考虑未来一段时间内的平均风速和风向，以确定风机的布局和装机容量。
除了常规的天气预报，海洋工程还需要针对特定的气象灾害进行预警。
台风、风暴潮、海冰等极端气象事件对海洋工程设施可能造成严重破坏。
ＭＡＲＩＴＩＭＥ ｌＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ
强海船船员防范海盗技能培训的通
知》。通知要求各舷运公司应定期组织
船员开展防海盗技能训练和演习；各
航海院校和船员培训机构应将船员防 海盗技能培训纳入船舶保安员培ｉ）ｔＩ； 各直属海事局开展对海船船员防海盗 技能的实操性检查。同时，中国海事局 还组织编写了《船员防海盗培训教 材》，由人民交通出版社出版。 （中国海事局李大泽） 交通运输部倡导 推广船舶靠港使用岸电 目前，交通运输部船舶靠港使 用岸电研讨会在秦皇岛召开。会议交 流了船舶靠港使用岸电在我国开展 的情况，探讨了此项工作在技术、标 准、资金、法规、政策、标准等方面存 在的问题，并对今后开展此项工作提 出建议。目前，关国、加拿大及一些欧 洲国家的港口已经开始对部分船舶 试用岸电；我国的上海港、青岛港招 商局码头、招商局国际蛇口集装箱码 头、连云港港、广州港、青岛港、大连 港等也对集装箱船、散货船连接岸电 技术进行了研发和试用。 我国首艘专业溢油应急环保船 在渤海交船启用 １３前，我国首艘专业溢油应急 环保船“海洋石油２５２”在天津渤海 石油港区交船启用。“海洋石油 ２５２”用于接收海上石油勘探、开采 过程中的测试井液、污油水，具有海 面溢油回收作业功能和海面油污消 除能力，以及一定的对外消防灭火 作业能力。渤海环保船项目投资２．６ 亿元，由中海油能源发展采油服务 公司负责项目实施。 （中远） 福建南安组建海上搜救志愿者队伍 １３前，泉州南安海事处召开南安 市海上搜救志愿者队伍成立大会。据 了解，泉州南安海事处早在２００９年就 制定了海上搜救志愿者管理办法和管 理制度，１３前，经过严格挑选，招募了 ４３名符合条件的海上搜救志愿者和５ 艘志愿船舶，组建了一支海上搜救志 愿者队伍，并对其进行了专业化的搜 救培训。大会之后，刚刚成立的这支搜 救志愿者队伍参加了一次海上搜救实 战演练，并取得了良好的效果。 （泉州南安海事处易湘萍） “世界河口伙伴组织”成立 ６月６日至７日，以“健康河口． 和谐城市”为主题的“河口保护与发 展高峰论坛暨首届世界河口伙伴大 会”在上海召开。由世界自然基金会 发起，立足和依托长江河口的“世界 河口伙伴组织”正式成立。大会就河 口环境与生态安全、河口城市与低 碳发展等重大河口综合管理课题进 行了深入探讨和交流。与会代表还 共同提出了《世界河口宣言》。 粤港澳三地研讨抵御油污染良策 ６月２日至４日，由广东海事局主 办、珠海海事局承办的“粤港澳船舶 污染事故应急处置研讨会”在珠海召 开。与会专家围绕油类、应急处置、船 海事 舶污染事故（含油类、ＨＮＳ）的损害评 估和索赔、船舶污染事故应急处置的 案例剖析及经验介绍、船舶污染物最 新处理技术以及发展方向等方面的
内容进行了研讨。此次研讨会将进一
步增强粤港澳油污和ＨＮＳ事故应急
处置能力。 （珠海海事局 曾志远）
浙江投放首个海洋气象大型浮标
６月２０日，浙江省首个海洋气
象大型浮标——舟山海洋气象浮标
在舟山市２９。４５ Ｎ、１２２。４５ Ｅ海域
成功投放。该气象浮标站安装有风
速、风向等监测设备，并采用北斗卫
星、ＣＤＭＡ、ＧＰＲＳ等通讯方式，做到
了数据的多样化、不间断传输。此
外，该气象浮标站还安装了航标灯、
ＡＩＳ防避碰系统等安全防护设施和
可抗ｌ２级以上大风的单锚进行系
留，从而确保了浮标及周边航道的
安全。
曹妃甸海事处开展
“能源紧缺体验日”活动
６月１７日，曹妃甸海事处开展
了“能源紧缺体验日”活动．停开空
调、电梯、公共照明等设施，倡导低碳
公务，低碳生活，以实际行动践行节
能减碳。据介绍，该处还组织开展了
形式多样的主题实践活动，传播低碳
生活知识；通过节约用电、用水，合理
使用办公用品等方式，把节能减排的
良好行为落实到日常工作和生活中
去。此外，利用签证和现场巡视等契
机，积极向行政相对人宣传节能减排
知识，使业务窗口成为宣传节能低碳
的宣传平台。（中国水运报曹玲）
（栏目编辑：刘艳利）
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