文/遲守峰 宋鑫 文楊 鹿媛

2016年3月16日，《中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十三個(gè)五年規(guī)劃綱要》頒布，將“全球海洋立體觀測(cè)網(wǎng)”納入海洋重大工程，集合海洋空間、環(huán)境、生態(tài)、資源等各類數(shù)據(jù)，整合先進(jìn)的海洋觀測(cè)技術(shù)及手段，實(shí)現(xiàn)高密度、多要素、全天候、全自動(dòng)的海洋立體觀測(cè)。目前，全國已形成國家、省、市、縣4級(jí)環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，共有專業(yè)、行業(yè)監(jiān)測(cè)站4800多個(gè)，包括環(huán)保系統(tǒng)監(jiān)測(cè)站2200多個(gè)、各行業(yè)監(jiān)測(cè)站2600多個(gè)。這當(dāng)中開展海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)的機(jī)構(gòu)有300多個(gè)，主要隸屬于農(nóng)業(yè)農(nóng)村部、自然資源部、海軍、地方省市的有關(guān)部門。

海洋漁業(yè)環(huán)境在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由監(jiān)測(cè)設(shè)備、搭載平臺(tái)、供電設(shè)備、通訊設(shè)備、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理設(shè)備等組成，可實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行、實(shí)時(shí)傳輸在線數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)處理多源信息。海洋漁業(yè)環(huán)境由狀態(tài)監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)變?yōu)檫^程監(jiān)控、由現(xiàn)狀監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)變?yōu)轭A(yù)警預(yù)報(bào)，提升了海洋漁業(yè)主管部門對(duì)海洋漁業(yè)環(huán)境現(xiàn)狀、主要污染源、海洋漁業(yè)功能區(qū)、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)區(qū)及人類活動(dòng)等方面的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)和動(dòng)態(tài)管控能力，已被廣泛應(yīng)用在海洋漁業(yè)環(huán)境污染防治、海洋漁業(yè)生態(tài)災(zāi)害預(yù)警、濱海旅游及養(yǎng)殖生產(chǎn)等各個(gè)領(lǐng)域。

基于無損傷縮微實(shí)驗(yàn)室技術(shù)的海洋漁業(yè)環(huán)境在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)綜合運(yùn)用新材料技術(shù)、精密加工技術(shù)、流體控制技術(shù)、電氣自動(dòng)化技術(shù)、自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)、傳感器技術(shù)和海洋漁業(yè)工程技術(shù)等，其主要原理是通過樣品無損傷采集裝置和傳感器檢測(cè)陣列，模擬現(xiàn)場(chǎng)取樣、實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)的過程，實(shí)現(xiàn)高度的集成化、智能化和小型化，被廣泛應(yīng)用在車（船）載、浮標(biāo)、浮舟、棧橋等多種水上設(shè)施平臺(tái)上（見圖1）。該技術(shù)最大特點(diǎn)是給予傳感器等核心部件最大保護(hù)，對(duì)于海洋漁業(yè)在線監(jiān)測(cè)面對(duì)的生物附著、紫外老化、顛簸震動(dòng)等情況，具有顯著應(yīng)對(duì)優(yōu)勢(shì)。此外，無損傷縮微實(shí)驗(yàn)室在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用設(shè)計(jì)富有彈性，除水質(zhì)監(jiān)測(cè)，還可與氣象、水文、大氣質(zhì)量、輻射等各類型設(shè)備兼容，從而實(shí)現(xiàn)海洋漁業(yè)綜合觀測(cè)監(jiān)測(cè)。

圖1 基于無損傷縮微實(shí)驗(yàn)室技術(shù)的海洋漁業(yè)環(huán)境在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

一、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

海洋漁業(yè)環(huán)境在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在無人值守的情況下完全自動(dòng)運(yùn)行，要實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋漁業(yè)水文、氣象等要素的實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)，還要應(yīng)對(duì)高溫、高鹽、高濕、生物附著等一系列嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。在項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂蚝秃Ｓ颦h(huán)境特點(diǎn)，采用國內(nèi)外的先進(jìn)技術(shù)和監(jiān)測(cè)設(shè)備，堅(jiān)持穩(wěn)定的理念，充分考慮系統(tǒng)的安全性，完整有效、安全可靠地保障系統(tǒng)在嚴(yán)酷的工況下穩(wěn)定運(yùn)行。

海洋漁業(yè)環(huán)境在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)采樣時(shí)采用浮標(biāo)為搭載平臺(tái)，主要由現(xiàn)場(chǎng)端和數(shù)據(jù)平臺(tái)兩部分組成，共同實(shí)現(xiàn)對(duì)水環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、歷史追溯、統(tǒng)計(jì)分析等功能。

（一）現(xiàn)場(chǎng)端

現(xiàn)場(chǎng)端由搭載平臺(tái)及配套設(shè)施、功能模塊及監(jiān)測(cè)設(shè)備組成，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域水環(huán)境的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，并可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。搭載平臺(tái)及配套設(shè)施，采用抗腐蝕、耐碰撞、重量輕的高分子材料制作，能夠防止各類海洋生物附著，方便清洗；上下分體式設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，方便運(yùn)輸、維護(hù)及安裝。

現(xiàn)場(chǎng)端的功能模塊包括取樣子系統(tǒng)、供電子系統(tǒng)、控制子系統(tǒng)及通訊子系統(tǒng)。其中，供電子系統(tǒng)采用太陽能與蓄電池結(jié)合的方式供電；通訊子系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)通路和通路加密功能，可兼容并支持衛(wèi)星通信技術(shù)等?，F(xiàn)場(chǎng)端所配監(jiān)測(cè)儀器為同類儀器的較新型號(hào)，各傳感器性能穩(wěn)定可靠，校準(zhǔn)漂移小、維護(hù)量少（見表1）。

表1 監(jiān)測(cè)設(shè)備一覽表

（二）數(shù)據(jù)平臺(tái)

數(shù)據(jù)平臺(tái)基于實(shí)時(shí)、在線、自動(dòng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多參數(shù)、多功能、智能化系統(tǒng)集成，通過數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)接收環(huán)境監(jiān)控儀器數(shù)據(jù)，對(duì)海洋環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。系統(tǒng)相關(guān)工作人員按時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸通信升級(jí)改造，使海洋站、中心站、分局節(jié)點(diǎn)間通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)更加合理、數(shù)據(jù)傳輸更加可靠、高效。

數(shù)據(jù)平臺(tái)分為設(shè)備控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、展示系統(tǒng)、管理系統(tǒng)等模塊，每一模塊均可根據(jù)用戶需求進(jìn)行擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)展現(xiàn)、歷史數(shù)據(jù)查詢、實(shí)時(shí)水質(zhì)等級(jí)評(píng)價(jià)、水質(zhì)等級(jí)評(píng)價(jià)統(tǒng)計(jì)、水質(zhì)指標(biāo)趨勢(shì)展示等功能。

二、功能及特點(diǎn)

（一）系統(tǒng)功能

系統(tǒng)配置有保障正常運(yùn)行所需的監(jiān)測(cè)儀器、取水系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與通訊系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、安全警示裝置等設(shè)備，能夠按需求進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)水質(zhì)和水域狀態(tài)等指標(biāo)的觀測(cè)和監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境狀況，并具有系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)自診斷功能。

系統(tǒng)一是數(shù)據(jù)采集和控制單元兼容性好、擴(kuò)展性強(qiáng)，能支持多種通用的數(shù)字通訊協(xié)議，測(cè)量數(shù)據(jù)和指令無線傳輸設(shè)備能按要求實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)和指令，抗干擾能力強(qiáng)。二是具有數(shù)據(jù)采集控制和平臺(tái)存儲(chǔ)功能，可確保在儀器故障或系統(tǒng)故障情況下測(cè)量數(shù)據(jù)不丟失。三是具有實(shí)時(shí)定位功能，如現(xiàn)場(chǎng)端發(fā)生漂移，可及時(shí)被定位，并通過應(yīng)用程序發(fā)出報(bào)警信息。四是兼容3G/4G/5G等通信技術(shù)，支持北斗衛(wèi)星、VSAT、銥星等衛(wèi)星通信技術(shù)，也可以支持無線網(wǎng)橋等自建通信網(wǎng)絡(luò)。

（二）系統(tǒng)特點(diǎn)

一是與傳統(tǒng)浸入式監(jiān)測(cè)技術(shù)相比，無損傷縮微實(shí)驗(yàn)室技術(shù)將海水樣品通過取樣裝置輸送給未浸泡入水中的各類水質(zhì)傳感器進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)后排空管路，解決了生物附著嚴(yán)重、維護(hù)周期短、維護(hù)困難、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性差等難題，系統(tǒng)維護(hù)周期為2個(gè)月以上，最高可達(dá)到傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)的3倍～6倍。

二是海洋漁業(yè)浮標(biāo)體采用上下分體式多艙獨(dú)立結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，堅(jiān)固耐用，易于維護(hù)。新型高分子材料一體模鑄成型，維護(hù)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)用高壓水槍沖洗設(shè)備外層的生物附著物即可，無需拖回岸上。

三是采用物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，模塊化研發(fā)制造，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)體積小，可靈活增加或減少監(jiān)測(cè)參數(shù)，搭載平臺(tái)多種多樣，能夠充分發(fā)揮優(yōu)良的可移植性。通過采用岸基站、浮標(biāo)站、漂浮平臺(tái)、船載等不同搭載平臺(tái)，可將系統(tǒng)部署在河道中央、近岸淺水區(qū)域等當(dāng)前技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的盲點(diǎn)區(qū)域。

四是具有較強(qiáng)的環(huán)境普適性，延伸海洋漁業(yè)環(huán)境在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域，能夠在一個(gè)平臺(tái)上同時(shí)對(duì)氣象、水質(zhì)、水動(dòng)力、核輻射、溢油等各指標(biāo)進(jìn)行綜合監(jiān)測(cè)。

五是采用智能化、多樣化控制方式，可實(shí)現(xiàn)一套設(shè)備對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)“表—中—底”多層水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)“一機(jī)多用”，減少用戶投入，提升設(shè)備功能價(jià)值。其中重點(diǎn)監(jiān)測(cè)指標(biāo)包括溫度、pH、溶解氧、電導(dǎo)率、濁度、葉綠素-a、鹽度、藍(lán)綠藻、營養(yǎng)鹽、COD、硝酸鹽、亞硝酸鹽、氨氮、磷酸鹽等。

六是可采用太陽能、蓄電池、風(fēng)能等多種供電方式組合進(jìn)行自主供電，解決能源供應(yīng)問題。

七是通訊方式靈活，可通過3G/4G/5G、北斗等無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，建設(shè)成本和運(yùn)行成本遠(yuǎn)低于有纜式傳輸，且通訊通路不易被破壞，系統(tǒng)穩(wěn)定性高。

三、系統(tǒng)存在的問題及相關(guān)建議

通過多年使用實(shí)踐證明，相比于國內(nèi)外同類技術(shù)，基于無損傷縮微實(shí)驗(yàn)室在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的海洋漁業(yè)環(huán)境在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)海洋漁業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)信息集成共享、自動(dòng)預(yù)警、社會(huì)參與的海洋漁業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)新格局，為海洋漁業(yè)環(huán)境保護(hù)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、綜合管理、公眾服務(wù)及科學(xué)研究等提供及時(shí)、科學(xué)、有效的數(shù)據(jù)支持與技術(shù)支撐，應(yīng)用前景廣闊。但其仍存在一些不足之處需要改進(jìn)。

（一）加強(qiáng)理論研究，提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和參數(shù)多樣性

目前，傳感器設(shè)備采購大部分依賴進(jìn)口，沒有國產(chǎn)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。水質(zhì)參數(shù)中的pH、鹽度、溶解氧準(zhǔn)確性較高，營養(yǎng)鹽類指標(biāo)數(shù)值穩(wěn)定但偏差大。應(yīng)發(fā)布或創(chuàng)建科研課題，組織開展基礎(chǔ)理論研究，不斷加大資金支持，研發(fā)新型國產(chǎn)分析儀器、傳感器，提高其各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)的穩(wěn)定可靠性，解決進(jìn)口設(shè)備依賴難題。

（二）加強(qiáng)行業(yè)管理，制定標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

當(dāng)前，我國尚未出臺(tái)有關(guān)海洋漁業(yè)環(huán)境在線監(jiān)測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，對(duì)行業(yè)缺少有效管理。應(yīng)制定嚴(yán)格的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，貫徹落實(shí)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)工作。對(duì)浮標(biāo)投放、數(shù)據(jù)采集、傳輸貯存、分析應(yīng)用等方面進(jìn)行集中統(tǒng)一規(guī)范管理。定期組織開展系統(tǒng)覆蓋范圍內(nèi)汛期安全檢查和應(yīng)急觀測(cè)演練，定期進(jìn)行觀測(cè)儀器檢定、海洋站備品備件購置、汛期儀器巡檢等工作。

（三）建立協(xié)調(diào)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享

近年來，各地因地制宜建設(shè)了各種類型海洋環(huán)境在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，但由于缺乏科學(xué)統(tǒng)一的規(guī)劃，相關(guān)部門各自為政，造成資源浪費(fèi)。應(yīng)堅(jiān)持新發(fā)展理念，建立權(quán)威高效的數(shù)據(jù)共享協(xié)調(diào)機(jī)制，科學(xué)確定公開范圍，推動(dòng)實(shí)現(xiàn)海洋環(huán)境在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)按需共享、有序開放，不斷提高數(shù)據(jù)共享質(zhì)量和效率。

（四）規(guī)范海洋環(huán)境在線監(jiān)測(cè)服務(wù)市場(chǎng)

當(dāng)前，海洋環(huán)境在線監(jiān)測(cè)服務(wù)市場(chǎng)良莠不齊、魚目混雜。要提高市場(chǎng)監(jiān)管能力和準(zhǔn)入門檻，讓技術(shù)領(lǐng)先、理念超前、注重研發(fā)、人才儲(chǔ)備充足的企業(yè)進(jìn)入海洋環(huán)境在線監(jiān)測(cè)服務(wù)市場(chǎng)，積極推動(dòng)海洋環(huán)境在線監(jiān)測(cè)技術(shù)不斷發(fā)展進(jìn)步。

面對(duì)新形勢(shì)和新任務(wù)，應(yīng)本著立足海區(qū)，放眼全局的戰(zhàn)略眼光，在履行職能職責(zé)和服務(wù)海洋漁業(yè)環(huán)境保護(hù)中找準(zhǔn)定位，繼續(xù)發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，明確目標(biāo)，積極作為，結(jié)合目前技術(shù)水平，將海洋環(huán)境在線監(jiān)測(cè)更多地應(yīng)用在外海，進(jìn)行水文氣象、水溫、鹽度、pH值、溶解氧等指標(biāo)的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。