近岸海域浮標(biāo)實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)概要

何志強(qiáng) 趙聰蛟 李靜

（1.第七一五研究所，杭州，310023；2.浙江省海洋監(jiān)測預(yù)報(bào)中心，杭州，310007）（3.海軍702廠，上海，200072）

保護(hù)海洋環(huán)境，合理開發(fā)海洋資源，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展是當(dāng)今社會(huì)亟待解決的難題。要想有效地解決海洋生態(tài)環(huán)境問題，就需要監(jiān)測海洋環(huán)境。建立近岸海域浮標(biāo)實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，及時(shí)準(zhǔn)確地掌握相關(guān)的海洋環(huán)境數(shù)據(jù)，全程監(jiān)視整個(gè)事件的發(fā)展過程，為災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)、災(zāi)害調(diào)查評(píng)估、應(yīng)急決策等提供科學(xué)依據(jù)。近年來，依托國家863計(jì)劃、908海洋類科技攻關(guān)項(xiàng)目的帶動(dòng)，我國海洋自動(dòng)監(jiān)測技術(shù)的研究與應(yīng)用取得了巨大的進(jìn)步，涌現(xiàn)了大批成果與海洋科技產(chǎn)品，在此基礎(chǔ)上，我國逐步建立起海洋監(jiān)測臺(tái)站、浮標(biāo)、調(diào)查船、衛(wèi)星遙感及航空遙感等組成的海洋環(huán)境立體監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。本文提出一種近岸海域浮標(biāo)實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，供同行參考。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

1.1 設(shè)計(jì)原則

1.1.1 堅(jiān)持統(tǒng)一技術(shù)、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的原則

近岸海域浮標(biāo)實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)必須遵循智能化、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化、多功能化、標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化的技術(shù)要求，統(tǒng)一技術(shù)路線、技術(shù)指標(biāo)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)格式、分析與評(píng)價(jià)方法，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測、數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)處理與信息產(chǎn)品開發(fā)、數(shù)據(jù)共享與信息服務(wù)等功能，構(gòu)建一體化的近岸海域?qū)崟r(shí)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)體系。

1.1.2 堅(jiān)持制度先行、評(píng)價(jià)同步的原則

在取得試點(diǎn)監(jiān)測成功經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)，開展制度建設(shè)，建立統(tǒng)一的監(jiān)測與評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)及配套運(yùn)行管理制度，并在后續(xù)建設(shè)過程中加以驗(yàn)證和不斷改進(jìn)，為構(gòu)建有效的浮標(biāo)海洋環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測與動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)體系提供技術(shù)依據(jù)。

1.1.3 數(shù)據(jù)安全原則

海洋環(huán)境由海空（包括低層大氣的云、雨、霧、氣壓、氣溫等）、海表（風(fēng)、浪、流、冰、風(fēng)暴潮、鹽霧、日光輻射、水溫、潮汐等）、海體（包括淺海、深海中的內(nèi)波、環(huán)流、躍層、聲道、密度、鹽度、溫度、深度、電導(dǎo)等）和海底（地質(zhì)、地貌、磁場等）三維的、多種類海洋要素和人為現(xiàn)象(如艦艇噪聲、戰(zhàn)場煙霧等)所組成。 不論是對(duì)于海洋開發(fā)還是海戰(zhàn)場準(zhǔn)備，獲取的這些海洋現(xiàn)象和海洋環(huán)境數(shù)據(jù)都是非常重要的，必須確保這些數(shù)據(jù)的安全性。

1.2 主要技術(shù)要求

（1）海上自動(dòng)監(jiān)測浮標(biāo)系統(tǒng)免維護(hù)工作周期大于15天；

（2）傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量和質(zhì)量合格率在75%以上；

（3）網(wǎng)絡(luò)連接率大于90%；

（4）信息系統(tǒng)。

—— 提供一種符合海洋環(huán)境監(jiān)測特征的時(shí)空表達(dá)模型和算法，并實(shí)現(xiàn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的一體化組織、存儲(chǔ)和管理。

—— 實(shí)現(xiàn)高效的空間數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)。

—— 實(shí)現(xiàn)多源海洋數(shù)據(jù)三維橢球表達(dá)。

—— 建立海洋環(huán)境場景，實(shí)現(xiàn)水體、海底的真實(shí)感繪制。

—— 建立監(jiān)測信息服務(wù)自發(fā)布系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測產(chǎn)品的準(zhǔn)實(shí)時(shí)發(fā)布。

—— 具有用戶自定義監(jiān)測結(jié)果專題圖制作功能。

1.3 系統(tǒng)組成

近岸海域浮標(biāo)實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)由海上自動(dòng)監(jiān)測浮標(biāo)系統(tǒng)、數(shù)字化監(jiān)控平臺(tái)、近岸海域?qū)崟r(shí)監(jiān)測與信息管理系統(tǒng)等三部分組成。海上自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)布放于海上，用于采集海洋環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，并通過GPRS/CDMA/衛(wèi)星等方式傳輸至數(shù)字化監(jiān)控平臺(tái)。數(shù)字化監(jiān)控平臺(tái)用于接收、存貯、顯示監(jiān)測數(shù)據(jù)，并對(duì)海上自動(dòng)監(jiān)測浮標(biāo)進(jìn)行管理。近岸海域?qū)崟r(shí)監(jiān)測與信息管理系統(tǒng)是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行業(yè)務(wù)化運(yùn)行的重要組成部分，是對(duì)系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析、發(fā)布的平臺(tái)。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 近岸海域浮標(biāo)實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)概要

2.1 海上自動(dòng)監(jiān)測浮標(biāo)

海上浮標(biāo)自動(dòng)監(jiān)測技術(shù)是隨著海洋監(jiān)測的不斷深化和生態(tài)環(huán)境監(jiān)測的迫切要求而發(fā)展起來的一種新的海洋環(huán)境監(jiān)測技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化及實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測的最有效技術(shù)。海上浮標(biāo)自動(dòng)監(jiān)測技術(shù)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)監(jiān)測手段的不足與缺陷，實(shí)現(xiàn)從靜態(tài)定性評(píng)價(jià)向動(dòng)態(tài)定量評(píng)價(jià)的發(fā)展，提升了海洋環(huán)境監(jiān)測與預(yù)警能力，可有效避免和降低因?yàn)橐缬?、赤潮等海洋?zāi)害對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境的污染。

海上自動(dòng)監(jiān)測浮標(biāo)設(shè)計(jì)的主要思路如下：（1）浮標(biāo)體由浮體、支架、防撞橡膠和防撞裝置組成，為便于今后擴(kuò)展監(jiān)測內(nèi)容，可預(yù)留傳感器端口。海上自動(dòng)監(jiān)測浮標(biāo)照片見圖1。（2）監(jiān)測傳感器由氣象、常規(guī)水質(zhì)要素、營養(yǎng)鹽和有機(jī)污染物（碳?xì)浠衔铮┑人念悅鞲衅鹘M成，可根據(jù)需要增減傳感器，實(shí)現(xiàn)多個(gè)參數(shù)同時(shí)、連續(xù)采集；選擇耐腐蝕、防海生物、維護(hù)周期長、工作穩(wěn)定的傳感器。（3）供電設(shè)備由太陽能、充電控制器和蓄電池組成，無需外部供電。（4）采集傳輸控制設(shè)備由數(shù)據(jù)采集加密控制模塊、GPRS/CDMA/北斗傳輸系統(tǒng)組成，數(shù)據(jù)加密傳輸，提高數(shù)據(jù)安全性。（5）防護(hù)設(shè)備由GPS、雷達(dá)反射器、警示燈、AIS終端和攝像頭等組成，多種措施確保設(shè)備安全。（6）錨系設(shè)備由系留環(huán)、錨鏈和錨組成，采用雙錨固定方式。自動(dòng)監(jiān)測浮標(biāo)布放示意圖參見圖2。

圖2 海上自動(dòng)監(jiān)測浮標(biāo)

圖3 海上自動(dòng)監(jiān)測浮標(biāo)布放示意圖

海上自動(dòng)監(jiān)測浮標(biāo)系統(tǒng)具有集成度高、防腐、防海洋生物附著、防臺(tái)、防碰、防盜、防丟失、實(shí)時(shí)在線監(jiān)測安全、數(shù)據(jù)傳輸安全（數(shù)據(jù)加密和防泄密）、低成本維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 數(shù)字化監(jiān)控分析平臺(tái)設(shè)計(jì)

數(shù)字化監(jiān)控平臺(tái)應(yīng)用在中央監(jiān)控室。配置服務(wù)器、電子顯示屏和若干臺(tái)高性能商用計(jì)算機(jī)及其他輔助設(shè)備等。服務(wù)器通過Internet和GPRS與浮標(biāo)聯(lián)網(wǎng)，服務(wù)器、計(jì)算機(jī)和顯示屏構(gòu)成一套完整的實(shí)時(shí)在線監(jiān)控系統(tǒng)，各浮標(biāo)的監(jiān)測數(shù)據(jù)通過加密處理后自動(dòng)輸入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，并按浮標(biāo)編號(hào)、地理坐標(biāo)和時(shí)間存貯。能集中監(jiān)視、操作和管理，達(dá)到管理與現(xiàn)場分離，更能綜合化和系統(tǒng)化。通過人機(jī)接口，可對(duì)遠(yuǎn)程監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、分析、記錄、監(jiān)視和操作控制，以及在線巡檢、動(dòng)態(tài)配置等。圖 4為浮標(biāo)地理位置分布圖，圖5為浮標(biāo)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控界面。

圖4 浮標(biāo)地理坐標(biāo)分布圖

圖5 浮標(biāo)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控界面

2.3 近岸海域?qū)崟r(shí)監(jiān)測與信息管理系統(tǒng)

以海洋環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)為主線，集合了現(xiàn)代監(jiān)測技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、數(shù)據(jù)倉庫技術(shù)和數(shù)據(jù)分析技術(shù)，對(duì)全市近岸海域各類監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行安全存儲(chǔ)和處理，提供多源數(shù)據(jù)資料處理、監(jiān)測數(shù)據(jù)產(chǎn)品網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用服務(wù)，構(gòu)建基于虛擬海洋環(huán)境的立體化監(jiān)測與信息服務(wù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)多層次、全方位的海洋環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測、傳輸、管理、分析發(fā)布功能。各級(jí)監(jiān)控平臺(tái)和終端授權(quán)用戶可通過服務(wù)器登錄本系統(tǒng)瀏覽和訪問。系統(tǒng)總體構(gòu)架如圖6所示，管理員對(duì)服務(wù)器的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理、分析、發(fā)布，各級(jí)、各部門用戶的手機(jī)、計(jì)算機(jī)、便攜電腦可通過登錄服務(wù)器方式等實(shí)時(shí)了解海洋環(huán)境信息。

圖6 近岸海域?qū)崟r(shí)監(jiān)測與信息管理系統(tǒng)構(gòu)架

2.4 監(jiān)測參數(shù)的選擇

浮標(biāo)實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測參數(shù)主要包括海面氣象和水質(zhì)、生態(tài)等要素，以實(shí)現(xiàn)多介質(zhì)、多參數(shù)的同步實(shí)時(shí)監(jiān)測。

2.4.1 氣象參數(shù)的選擇

相對(duì)而言，海面氣象自動(dòng)監(jiān)測技術(shù)比較成熟，氣象傳感器性能穩(wěn)定可靠，免維護(hù)周期長。根據(jù)系統(tǒng)建設(shè)關(guān)注的海洋環(huán)境問題，海面氣象監(jiān)測選擇的參數(shù)包括氣溫、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、氣壓、光照度和降雨量等7項(xiàng)。

2.4.2 水質(zhì)參數(shù)的選擇

目前能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測的水質(zhì)參數(shù)主要有水溫、pH、溶解氧、鹽度、溫度、電導(dǎo)率、磷酸鹽、硝酸鹽氮、氨氮、亞硝酸鹽氮、葉綠素、碳?xì)浠衔锏?。其中水溫、pH、溶解氧、鹽度、溫度、電導(dǎo)率和葉綠素等指標(biāo)是目前國內(nèi)外浮標(biāo)自動(dòng)監(jiān)測普遍選擇的水質(zhì)指標(biāo)，這些常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)傳感器性能較可靠，技術(shù)比較成熟并能反映綜合水質(zhì)狀況。長期連續(xù)的監(jiān)測數(shù)據(jù)對(duì)研究各參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系、探索海水細(xì)微結(jié)構(gòu)和污染水平具有重要作用。

3 結(jié)論

近岸海域浮標(biāo)實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)采用海上自動(dòng)監(jiān)測浮標(biāo)作為連續(xù)、實(shí)時(shí)、長期獲取海洋環(huán)境監(jiān)測參數(shù)的手段，可以減少大量的人力、物力和財(cái)力。浙江省根據(jù)不同海洋功能區(qū)、生態(tài)敏感脆弱區(qū)、溢油事故高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)布放了 10多套海上自動(dòng)監(jiān)測浮標(biāo)，從運(yùn)行情況看，實(shí)現(xiàn)了對(duì)浙江省近岸海域赤潮、海上溢油等災(zāi)害進(jìn)行實(shí)時(shí)有效的監(jiān)測，對(duì)海洋環(huán)境保護(hù)和海洋減災(zāi)防災(zāi)意義重大。海上自動(dòng)監(jiān)測浮標(biāo)還將陸續(xù)投放，以便構(gòu)建近岸海域?qū)崟r(shí)監(jiān)測與信息管理系統(tǒng)。為確保數(shù)據(jù)的有效性和可追溯性，須每月對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行比測分析。

[1]李俊. 海洋環(huán)境在線監(jiān)測及赤潮災(zāi)害預(yù)報(bào)系統(tǒng)研究[D].山東大學(xué), 2007: 9-12.