船海一體化海洋環(huán)境立體監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

張健庚 賀保衛(wèi)

（1.中船重工（青島）海洋裝備研究院有限責(zé)任公司，山東 青島 266520；2.青島杰瑞工控技術(shù)有限公司，山東 青島 266061）

0 引言

目前，我國海洋生態(tài)環(huán)境呈現(xiàn)惡化趨勢，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及國家發(fā)展要求，合理利用海洋資源，減少海洋災(zāi)害造成的損失，為政府制定海洋環(huán)保政策和海洋發(fā)展計劃提供依據(jù)，建立一個監(jiān)測覆蓋面積廣、監(jiān)測手段豐富的海洋環(huán)境立體監(jiān)測系統(tǒng)是海洋環(huán)境監(jiān)測技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。

海洋環(huán)境立體監(jiān)測系統(tǒng)，是一套由空基-岸基-?；鶚?gòu)成的連續(xù)、快速、有效的多平臺、可長期定點(diǎn)監(jiān)測海洋環(huán)境的立體監(jiān)測系統(tǒng)?？栈Ｑ蟓h(huán)境監(jiān)測平臺以海洋無人機(jī)等組成；岸基海洋環(huán)境監(jiān)測平臺以固定的海洋環(huán)境監(jiān)測站與地波雷達(dá)站組成；海基海洋環(huán)境監(jiān)測平臺以潛標(biāo)、浮標(biāo)、漂流浮標(biāo)、水下觀測站等構(gòu)成[1]。

1 現(xiàn)狀分析

了解到目前的海洋環(huán)境監(jiān)測手段單一，多為單一縱度或者橫截面監(jiān)測，在廣域的海區(qū)實(shí)現(xiàn)全方位立體化監(jiān)測比較困難。主要問題包括4 個方面：1）各類監(jiān)測設(shè)備相對獨(dú)立，數(shù)據(jù)的獲取來源較為分散，數(shù)據(jù)尚無統(tǒng)一的規(guī)范可遵循，融合情況不佳。2）監(jiān)測系統(tǒng)集成性差，目前構(gòu)建一個統(tǒng)一的系統(tǒng)對所有的觀測設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一管理較為困難。3）數(shù)據(jù)的存儲，基本依靠定時或者人工上傳的方式，數(shù)據(jù)的實(shí)時性相對比較差。4）數(shù)據(jù)的分析，主要依靠設(shè)備自身附帶的軟件和人工進(jìn)行分析，功能單一。

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，解決監(jiān)測不夠立體化等問題，設(shè)計了船海一體化海洋環(huán)境立體監(jiān)測系統(tǒng)，其優(yōu)勢為將不同的監(jiān)測成果集成在一個區(qū)域性的海洋環(huán)境立體監(jiān)測系統(tǒng)中，建立海洋環(huán)境要素數(shù)據(jù)庫、提高數(shù)據(jù)采集效率、為相關(guān)領(lǐng)域提供各種形式的信息服務(wù)，系統(tǒng)朝智能化和一體化方向發(fā)展。

2 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計

一個完整的海洋環(huán)境立體監(jiān)測系統(tǒng)從總體結(jié)構(gòu)上由立體監(jiān)測集成平臺、數(shù)據(jù)中心、用戶部分組成，如圖1 所示。其中海洋環(huán)境監(jiān)測集成平臺由氣象監(jiān)測子系統(tǒng)、水文監(jiān)測子系統(tǒng)、海水環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)、海底面監(jiān)測子系統(tǒng)和大氣環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)組成；數(shù)據(jù)中心包括數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，利用通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)與信息連接成一個整體系統(tǒng)[2]，并將系統(tǒng)間數(shù)據(jù)提供給各級用戶。

圖1 海洋環(huán)境立體監(jiān)測系統(tǒng)組成

利用建于空基（衛(wèi)星、飛機(jī)）、?；ǜ?biāo)、船舶）、海底（潛標(biāo)）的監(jiān)測設(shè)備直接獲取所在海域的監(jiān)測數(shù)據(jù)與資料。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)利用無線或有線等方式將監(jiān)測數(shù)據(jù)快速、有效地傳輸至數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)將原始監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，建立數(shù)據(jù)庫，進(jìn)行信息產(chǎn)品制作及管理。

3 立體監(jiān)測集成平臺設(shè)計

3.1 氣象監(jiān)測子系統(tǒng)

船舶氣象采集儀是氣象監(jiān)測子系統(tǒng)主要組成，是一種用于風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、相對濕度、海平面氣壓等海洋氣象參數(shù)自動觀測的智能儀器，具體參數(shù)監(jiān)測范圍見表1。

表1 氣象參數(shù)監(jiān)測范圍

3.2 水文監(jiān)測子系統(tǒng)

水文監(jiān)測主要包括海水流速、流向和海水水質(zhì)等。該系統(tǒng)采用海流測量儀，基于聲學(xué)多普勒技術(shù)測量流速和流向，具有測量范圍廣、精度高、準(zhǔn)確性強(qiáng)的特點(diǎn)，具體參數(shù)見表2。并且海流測量儀設(shè)計緊湊、堅固耐用、操作簡單、無活動部件、抗生物附著性強(qiáng)，可采用船載固定支架進(jìn)行布放。海水監(jiān)測系統(tǒng)主要采用海水環(huán)境監(jiān)測浮標(biāo)等用于采集海水?dāng)?shù)據(jù)，包括甲烷、二氧化碳、海水壓力、海水溫度、海水鹽度、海水濁度、多普勒聲學(xué)海流、多普勒聲學(xué)剖面海流等，對整個海洋環(huán)境進(jìn)行立體監(jiān)測。

表2 水文參數(shù)監(jiān)測范圍

獲取數(shù)據(jù)信息后需進(jìn)一步修正數(shù)據(jù)參數(shù)，才能夠正確的反應(yīng)測量點(diǎn)的海水環(huán)境數(shù)據(jù)。修正公式為參數(shù)真實(shí)值＝參數(shù)讀數(shù)*slope，其中

式中：ai表示第i個水化學(xué)分析樣本由傳感器測出的參數(shù)，bi表示第i個水化學(xué)分析樣本由水化學(xué)分析實(shí)驗(yàn)獲得的參數(shù)，slope表示修正后的斜率參數(shù)修正值。

3.3 海底面監(jiān)測子系統(tǒng)

海底面監(jiān)測子系統(tǒng)組成如圖2 所示，主要使用坐底式觀測平臺用于采集海底數(shù)據(jù)，包括海水溶解甲烷、二氧化碳、溫度、鹽度、壓力、溶解氧、pH 值、濁度、葉綠素、多普勒聲學(xué)海流、多普勒聲學(xué)剖面海流等，以用于風(fēng)險現(xiàn)象預(yù)防。

圖2 海底面監(jiān)測子系統(tǒng)框圖

坐底式觀測平臺一般工作于海深超過1000m 的海床處，一般通過船只進(jìn)行布放坐底式觀測平臺，借助船只的通信電纜，將坐底式觀測平臺沉方入海底，并利用水聲與ROV 進(jìn)行定位，通過錨系將其固定在海床上。系統(tǒng)采集觀測儀器測量數(shù)據(jù)后進(jìn)行存儲，并可通過水聲通信傳輸測量數(shù)據(jù)。系統(tǒng)工作時間結(jié)束后，通過聲學(xué)應(yīng)答釋放器遙控回收。

3.4 海床監(jiān)測子系統(tǒng)

通過布置在觀測點(diǎn)的多個海床面數(shù)據(jù)采集設(shè)備，對海水水深、底層水溫、水壓等主要影響因素進(jìn)行分析。同時，利用海床面掃測機(jī)器人定時對海床面進(jìn)行掃測，監(jiān)測海床面的地形，及時發(fā)現(xiàn)海床的異常變化。通過模擬數(shù)據(jù)試驗(yàn)驗(yàn)證和掃測成像軟件以用來評估海床面的穩(wěn)定性。利用坐底式觀測平臺構(gòu)成監(jiān)測陣列，對海底微小形變進(jìn)行監(jiān)測；通過多參數(shù)水質(zhì)分析儀中所集成的水下壓力傳感器測量海底壓力，若水下應(yīng)變發(fā)生變化，則壓力傳感器的數(shù)值也會隨之發(fā)生變化。并且不定期的利用水下機(jī)器人在海底進(jìn)行觀測作業(yè)。

海床傳感器采集到的海底形變數(shù)據(jù)同樣需要進(jìn)行進(jìn)一步處理及數(shù)據(jù)加工，才能夠正確地表述海床的下限程度，參數(shù)修正值為測量點(diǎn)周圍3 點(diǎn)的算術(shù)平均值。

3.5 大氣監(jiān)測子系統(tǒng)

大氣監(jiān)測系統(tǒng)主要包括監(jiān)測儀、浮標(biāo)、GPS 單元等。

將集成氣象傳感器、二氧化碳傳感器的平臺監(jiān)測儀安裝在監(jiān)測平臺上，實(shí)時監(jiān)測平臺周邊大氣中二氧化碳含量以及氣象數(shù)據(jù)。在監(jiān)測平臺周邊設(shè)有浮標(biāo)，每個浮標(biāo)同樣集成氣象數(shù)據(jù)獲取傳感器和GPS 系統(tǒng)，實(shí)時測量周邊大氣二氧化碳含量，氣象數(shù)據(jù)獲取子單元采用六要素氣象傳感器，實(shí)時測量記錄監(jiān)測平臺周圍的氣溫、濕度、氣壓、風(fēng)向、風(fēng)速、雨量等關(guān)鍵性數(shù)據(jù)，并獲取監(jiān)測點(diǎn)對海表大氣氣象數(shù)據(jù)的影響；GPS 用于獲取觀測點(diǎn)的位置數(shù)據(jù)，主要包括坐標(biāo)數(shù)據(jù)和時間數(shù)據(jù)，并對采集到的這些數(shù)據(jù)進(jìn)行定性分析。

4 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)的環(huán)境條件不同，系統(tǒng)針對不同的監(jiān)測設(shè)備和平臺采用不同的通信方式。由于氣象水文監(jiān)測與大氣檢測單元主要布置在海面以上，所以通信方式選擇較為方便、快捷的電纜傳輸和衛(wèi)星傳輸。檢測單元的數(shù)據(jù)通信技術(shù)包括浮標(biāo)連接衛(wèi)星通信和平臺監(jiān)測儀直接通過電纜進(jìn)行通信2 個部分。數(shù)據(jù)收發(fā)模塊通過北斗網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)之間的無線數(shù)據(jù)傳輸，一方面負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)采集儀采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至采集系統(tǒng)；另一方面，接收從數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)來的指令，通過這個功能，可以實(shí)現(xiàn)儀器設(shè)備的遠(yuǎn)程操控。通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖3 所示，數(shù)據(jù)傳輸采用目前最穩(wěn)定的北斗/GPRS/CDMA/3G/4G，中控室操控人員可以直接接收數(shù)據(jù)、發(fā)送指令。平臺監(jiān)測儀則通過電纜與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)直接相連進(jìn)行通信。坐底式觀測平臺采取水聲通信方式。其主要優(yōu)勢為結(jié)構(gòu)緊湊、簡單實(shí)施，高速率數(shù)字通信，準(zhǔn)雙工數(shù)據(jù)傳輸，先進(jìn)的多路徑抑制，內(nèi)置前向糾錯和數(shù)據(jù)壓縮，有保障的數(shù)據(jù)傳輸，最高可達(dá)8 個可調(diào)整優(yōu)先順序的數(shù)據(jù)流，不間斷數(shù)據(jù)流的頂部傳輸實(shí)時訊息，UW 網(wǎng)絡(luò)特性，低能量損耗，內(nèi)置相對速度和測距，通信時可跟蹤，可擴(kuò)展USBL 模塊，信號完整性和多路徑結(jié)構(gòu)診斷，帶有先進(jìn)命令集的透明串口，OEM 選項(xiàng)和系統(tǒng)集成服務(wù)。

圖3 通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

5 數(shù)據(jù)預(yù)處理系統(tǒng)

系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)獲取，建立數(shù)據(jù)庫，開發(fā)數(shù)據(jù)庫應(yīng)用，對各類系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、合并處理，從而提供可視化產(chǎn)品、數(shù)值分析產(chǎn)品等信息化服務(wù)功能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)海洋環(huán)境立體監(jiān)測資料的業(yè)務(wù)化管理和服務(wù)[3]。

系統(tǒng)采用4 層體系結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建（如圖4 所示），分別為應(yīng)用門戶層、可視化服務(wù)層、數(shù)據(jù)資源及處理層和基礎(chǔ)設(shè)施，系統(tǒng)層次劃分清晰、功能定位明確、各層間耦合性低，具有良好的可擴(kuò)展性。

圖4 數(shù)據(jù)預(yù)處理系統(tǒng)體系架構(gòu)圖

應(yīng)用層：接收用戶產(chǎn)生的交互信息，向用戶顯示可視化任務(wù)執(zhí)行結(jié)果。應(yīng)用層為用戶定制，提供可視化任務(wù)以及操作交互操作，提供統(tǒng)一完整的用戶界面。

服務(wù)層：響應(yīng)可視化應(yīng)用門戶的任務(wù)請求，利用可視化資源完成具體的可視化任務(wù)，為可視化應(yīng)用提供透明、高效、可靠的運(yùn)行環(huán)境，保證可視化任務(wù)執(zhí)行時用戶的可靠性、實(shí)時性和穩(wěn)定性需求。

數(shù)據(jù)處理層：提供服務(wù)層使用的各種可視化數(shù)據(jù)資源，包括海洋地理信息數(shù)據(jù)、海洋環(huán)境信息數(shù)據(jù)以及各種實(shí)體模型等，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的整合、加工、處理和標(biāo)準(zhǔn)化。

基礎(chǔ)層：提供系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)軟硬件支撐框架。

6 海洋環(huán)境立體監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用

6.1 實(shí)時監(jiān)測和通信

海洋環(huán)境立體監(jiān)測系統(tǒng)可以通過浮標(biāo)與衛(wèi)星進(jìn)行通信，通過電纜與平臺監(jiān)測儀進(jìn)行通信。系統(tǒng)應(yīng)用在搶險救災(zāi)和水下目標(biāo)入侵報警時都可以突出海洋環(huán)境立體監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)測和通信的優(yōu)勢。

6.2 遠(yuǎn)程操控

海洋環(huán)境立體監(jiān)測系統(tǒng)之間通過無線數(shù)據(jù)傳輸，因此可以遠(yuǎn)程操控設(shè)備。當(dāng)預(yù)警到惡劣天氣或探測到渦流發(fā)生時，可以對儀器遠(yuǎn)程操控，發(fā)出報警信號，提醒過往船只。

6.3 精準(zhǔn)播報

海洋環(huán)境立體監(jiān)測系統(tǒng)具有測量范圍廣，精度高，準(zhǔn)確性強(qiáng)的特點(diǎn)。應(yīng)用在環(huán)境監(jiān)測、資源勘查、科學(xué)實(shí)驗(yàn)等方面，高精度的監(jiān)測結(jié)果都會確?？蒲泄ぷ鞯捻樌M(jìn)行。

6.4 GPS導(dǎo)航定位

擁有北斗定位系統(tǒng)的海洋環(huán)境立體監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測過往船只的動向，定位船只的位置及動向，可以應(yīng)用在近岸防衛(wèi)偵測，預(yù)防敵船的侵犯；可以定位船只，對其進(jìn)行海下暗礁指導(dǎo)，減少事故的發(fā)生；可以在大霧天氣，對船只進(jìn)行位置方向?qū)Ш?；還可以提供失聯(lián)船只的循跡報告，為早日破案指明方向。

7 結(jié)語

海洋環(huán)境立體監(jiān)測系統(tǒng)如今已被列為我國建設(shè)海洋強(qiáng)國的重要內(nèi)容之一，它能準(zhǔn)確有效地將海水質(zhì)量、海洋環(huán)境綜合變化清晰地展現(xiàn)出來，為國家海洋生態(tài)環(huán)境保護(hù)方面提供支持。如何加強(qiáng)系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)研究是建立現(xiàn)代化立體監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵。海洋環(huán)境立體監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計是一項(xiàng)復(fù)雜的設(shè)計過程，其中涉及數(shù)據(jù)的采集、傳輸、處理、可視化信息化服務(wù)等多方面技術(shù)問題。利用該設(shè)計方案的海洋立體觀測平臺，可以為海洋相關(guān)部門提供相關(guān)服務(wù)。但如何科學(xué)規(guī)范的加強(qiáng)系統(tǒng)頂層設(shè)計，更好地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)及業(yè)務(wù)化運(yùn)行，還需要進(jìn)一步研究。