美國海洋系統測試評估方案分析

王花梅，羅續業，李 彥

（國家海洋技術中心，天津 300112）

美國海洋系統測試評估方案分析

王花梅，羅續業，李 彥

（國家海洋技術中心，天津 300112）

海洋系統測試評估方案（OSTEP）是美國為海洋系統選擇新技術、引進新設備、促進新技術向應用狀態過渡而開展的工程。文中介紹了海洋系統測試評估方案的目標和功能，詳細分析了其技術特點，同時分析了海洋系統測試評估的設施及測試情況，并對我國建立海洋系統的測試評估方案提出建議。

OSTEP；測試評估程序；質量保證

海洋服務中心（National Ocean Service，NOS）是美國海洋與大氣管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA）建立的服務于全球海洋事業的部門。NOS建立了水位收集和數據的處理標準，并為用戶提供了基礎需求，設計出新的或改進海洋觀測系統，以提高業務化海洋產品和服務（Center for Operational Oceanographic Products and Services，CO-OPS）的數據處理能力，維持和管理海洋觀測系統，進行業務化數據分析和質量控制。

新型傳感器的使用會給業務化系統帶來風險，由CO-OPS負責管理的海洋系統測試評估方案（Ocean Systems Test and Evaluation Program，OSTEP）依照美國國家標準和其他公認標準，提供數據收集和分發工作的質量保證，為CO-OPS選用儀器和新技術提供依據，將其應用于監測的環境，以促進新技術到應用狀態的過渡，同時，OSTEP提供了選用傳感器的依據和選擇新系統的方法。隨著海洋和氣象實時數據需求的迅速增長，OSTEP對提高系統的準確性、降低成本至關重要。為確保新的傳感器和系統符合CO-OPS要求，OSTEP需要對儀器進行測試，進行業務化部署，建立質量控制標準，嚴格遵循校準標準，確保使用系統的質量。

1 OSTEP的目標

OSTEP通過提供非業務化設置來測試海洋水文、氣象傳感器及系統的性能，并為NOS提供測試數據的質量保證，將新的傳感器引入到業務化設置中，確保監測和導航順利進行。

OSTEP的目標：

(1)評估用于測量系統的新技術；

(2)現場測量系統的集成與測試；

(3)檢測和評估測量系統部署的準備情況；

(4)系統性能的周期評價、業務操作與維護；

(5)提供并審查用于連續業務化實時監測系統的質量控制參數。

2 OSTEP的功能

OSTEP為NOS和儀器制造商提供實際的運行環境，對傳感器、數據通信和數據采集的軟硬件的性能和可靠性進行評估，并且提供集成測試能力。同時，OSTEP開發和維護詳細的測試評價標準，提供可靠的場地設施，確保NOS方案的系統性能，并吸引儀器制造商利用OSTEP評估其設備。

2.1 為CO-OPS提供數據質量保證

對于每個科學技術調查，必須確保支持調查目標所使用的數據足夠準確，針對選擇測量設備、認證、現場規范、實驗室操作程序、數據收集處理及評估提出數據質量保證（Data QualityAssurance，DQA）計劃。此計劃也可對數據收集過程進行連續監測，以保證遵循規定的程序，用錯誤分析來控制數據質量，確保數據符合項目目標，并且保證數據質量在任何時候都是已知的。

2.2 為國家水位網絡評估新設備

國家水位觀測項目提供了基本的潮汐基準，確定美國沿海邊界和海圖基準，也為NOAA的海嘯和風暴潮警告、氣候監測、沿海進程和構造研究提供了支持。該項目是由位于美國海岸沿線分布的約170個水位測量站組成的國家水位觀測網絡（National Water Level Observation Network，NWLON）支持。NWLON的每個測量站都需要一個基本的數據收集平臺（Data Collection Platform，DCP），這個平臺帶有自校準聲波測距傳感器、壓力傳感器、或帶浮動軸角的編碼器，通常也需要測試風速、氣壓、氣溫、水溫和電導率等一些輔助數據。這些系統中的許多組件都已過時，更換或維修服務越來越難，新推向市場的新組件有待評估。因此，OSTEP的首要任務之一是為下一代水位測量系統（Next Generation Water Level Measurement System，NGWLMS）的DCP選擇測試和評估新設備。

2.3 為物理海洋實時系統（Physical Oceanographic Real-Time Systems，PORTSR）提供信息質量保證

PORTSR是全國海洋服務方案，通過向船長和駕駛員提供準確的實時信息來實現安全的導航。PORTSR包括數據采集和發布系統，提供水位、海流以及其他海洋和氣象數據的實時觀測資料。

為完成海上貿易和海洋資源管理的雙重任務，PORTSR方案需要盡量遵循NIST（National Institute of Standards and Technology）標準，在合成模型上許多測量技術迫切需要提高。例如，為滿足模型的計算，水位測量中必須與同一垂直參考系統的相關精度優于1 cm，水流測量必須精確到cm/s級，才能準確地計算鹽、熱、養分、生物等的潮汐平均運輸量。

OSTEP制定以下變量的參考標準：

(1)水流（流速或流量）；

(2)壓力、溫度和電導率（鹽度、密度）；

(3)水位（潮汐的高度和方向波譜）；

(4)空氣溫度和相對濕度；

(5)大氣能見度；

(6)大氣壓力；

(7)風速和風向。

由于NOS承擔航行安全的重任，因此，OSTEP提供PORTSR信息的質量保證。

2.4 為國家現有海洋系統設備提供評價

國家現有海洋系統與PORTSR的需求類似，特殊需求包括以下內容：

(1)底部平臺必須能夠承受拖網，拋錨和風暴沖擊；

(2)內部電源必須高度可靠；

(3)可以快速安裝；

(4)系泊設備必須能夠承受惡劣的天氣、水流、漁業、航運條件，并且不會降低測量質量；

(5)不依賴于潛水員安裝和維護。

因此，為滿足現有海洋系統的需求，OSTEP需對其設備進行定期的測試與評價。

2.5 為用戶提供數據管理和網絡服務

OSTEP產生大量長短期測試及驗證的結果數據，需要通過高性能的計算機進行數據管理，其管理程度最終決定設備的有效性和OSTEP的整體評估結果。提供給用戶的信息，需滿足下列要求：

(1)急需時可立即得到有效結果；

(2)能以有效的方式撤銷；

(3)可以使用多種媒介傳輸給用戶；

(4)可使用標準格式和商業軟件進一步加工、質量控制、分析及存儲。

為解決這些需求，并形成所需信息管理設施的基礎條件，OSTEP采用一套硬件和軟件形成OSTEP數據庫。存儲下列情況的數據信息：儀器測試活動；比較測試；預安裝調查；長期的質量保證測試；計算機和電信設備的測試；供應商基準點測試。

OSTEP通過網絡為所有用戶提供一個通用的數據格式，可以使全美國用戶訪問OSTEP數據庫子系統。

2.6 為CO-OPS信息系統提供保證

信息系統部門通過海洋系統測試與評估設施（Ocean Systems Test&Evaluation Facility，OSTEF）來測試和評估最終應用的軟硬件系統，這些系統可用于NWLON，PORTSR或現有觀測系統。在非業務化模式下與儀器設備聯接時，OSTEP可實時運行信息技術系統。現場安裝之前變化操作系統、修改算法和通信接口都可以進行測試。信息技術測試系統與設備是分離開的，OSTEP獲得并分析來自正在評估的傳感器測試數據。

3 OSTEP的技術支持

OSTEP通過追蹤儀器收集數據，國防部MIL STD 45662A規格要求如下：

(1)測量和試驗設備應使用參考標準進行校準，其參考標準通過了NIST認證，是由可用的自然物理常數值得出的，或者是由自校準技術比例類型派生出來的。在校正中使用的參考標準應有證書、報告或數據表的支持，數據表應包含數據、準確性及能提供結果的情況。

(2)溯源性是通過完整的比較鏈將個別的測量結果與國家標準或國家認證的測量系統關聯起來。

(3)通過完整校準鏈把個別測量結果與以下一個或多個標準聯系在一起：①通過NIST和美國海軍使用的美國國家標準；②由美國NIST認證的自然物理常數；③與美國國家標準相關的其他國家標準；④校準比例類型；⑤相一致的標準。

OSTEP傳感器應遵循兩種標準：

(1)NIST標準；

(2)共識標準。

3.1 ISO25認證

國家志愿實驗室認證計劃（National VoluntaryLaboratory Accreditation Program，NVLAP） 的要求由 James L Cigler和Vanda R White于1994年5月記錄在NVLAP的“Procedures and General Requirements”中。

NVLAP方案：

（1）為校準和測試實驗室、制造商的內部實驗室、大學實驗室，以及聯邦、州和當地政府實驗室服務；

（2）符合法律法規和合同規范，能夠滿足客戶的需求；

（3）作為指導的基礎，方便NVLAP與其他認證機構之間相互認可。

NVLAP認證：

（1）基于機構技術資格的評估，該機構在校準或測試的特定領域進行具體測試、測量和服務；

（2）通過全面評估后，授予申請人符合NVLAP標準的資格；

（3）簽發兩個合格證明：認證證書和認可范圍，包括實驗室認可的具體的測試方法、測量以及服務。

建立實驗室認可方案（LAP），必須向NIST主管提出，其中包括：

(1)根據產品，建議將校準或測試服務列入LAP的范圍；

(2)具體確定合適的標準和測試方法，包括合適的名稱、組織和責任法人；

(3)需要對LAP進行報告；

(4)聲明為LAP的發展提供資金和人力支持。

3.2 測試評估

在OSTEP中進行的測試是以OSTEP能力和測試工程的需求為依據的。可以通過計算機工具生成一個測試評估控制規劃(Test and Evaluation Master Plan，TEMP)，如 SAIC 公司提供的自動設計測試系統。

一個典型TEMP，主要包括：目的與目標、試驗與評估技術、日程計劃、檢測范圍及環境、仿真、模型與試驗床、關鍵操作、用戶評價，以及資金需求、人員培養等。

3.3 軟件質量保證

所有OSTEP數據、分析結果都將通過當地配置的軟件系統，為了確保這些軟件系統符合合適的標準和步驟，需要通過軟件成熟度模型（Capability Maturity Model for Software，CMM）來確保軟件質量。此模型不僅描述了有效軟件程序的關鍵要素，而且論述了軟件質量保證的方法，為開發人員提供了可以遵循的明確漸進的專業路線。

3.4 全面質量保證

為獲取滿足要求的數據，DQA計劃要求在海洋測量計劃中，對數據收集及處理系統、人員和設施等進行全面的質量保證。該計劃包括所收集數據的準確度，并記錄取得允許誤差的詳細程序步驟，計劃中程序與測量方法、操作都是緊密相連的。

一般注意事項包括以下幾點：

(1)DQA計劃應該與測試方案中的項目程序一致，測量方案應提供項目的順序，許多方案中DQA和測量方案可以合并成一個文件。

(2)DQA計劃應該作為控制測試方案的管理工具，因此方案管理部門必須復審DQA計劃。

(3)DQA計劃應該識別現有的適合該方案的組織程序。涉及DQA計劃的管理人員非常熟悉該程序，可利用現有的程序降低資源需求。

4 OSTEF實施情況

為了升級CO-OPS使用的傳感器和系統，為PORTSR和NWLON傳感器精度、性能、價格因素提供定量的選擇方法，CO-OPS在切薩皮克灣大橋隧道建立了OSTEF（圖1）。

圖1 切薩皮克灣大橋隧道和存放傳感器與DCP的碼頭

場址選在弗吉尼亞洲東南部的漢普頓錨地接近切薩皮克灣的入口處（圖2）。

圖2 OSTEF的場址

現場站點的密度、浪、水流和水位變化范圍廣，能充分涵蓋美國沿海淺水河口遇到的典型情況。圖3顯示了現有的NWLON站的機房和傳感器水井。

圖3 NWLON站景

將OSTEF作為一個現場測試地點，主要測試CO-OPS項目中新的或已有的傳感器。其中已有的傳感器通過相互比較，考察測量結果間的差異、失效模式和修正方法，以及制造商軟硬件的修正效果。新的傳感器在非業務化環境下與已有的傳感器做比較，此過程由制造商和使用者協作完成。

目前PORTSR和NWLON觀測的6項數據是通過OSTEF測試的，測量的數據和方法如下：

(1)水位（聲學、壓力、浮子式、激光和微波）；

(2)海流（聲學多普勒剖面儀）；

(3)風速和風向（回轉軸）；

(4)大氣壓；

(5)水和空氣溫度（熱敏電阻器）；

(6)導電系數（環形電感）。

由OSTEF測試并已在PORTSR和NWLON的傳感器包括：

(1)過橋船舶測距系統（GPS、微波、激光）；

(2)大氣能見度傳感器（光散射、智能數字CCD攝像機）；

(3)側視聲學多普勒海流剖面儀；

(4)水質參數包括含氧量、渾濁度和測試葉綠素和赤潮的熒光計；

(5)表面流成像儀（高頻地波雷達、海洋雷達）。

如圖4所示，安裝在加利福尼亞某長灘上的新測距傳感器是由OSTEP測試評估的，有效地避免了船橋相撞事件的發生。

圖4 過橋船舶測距傳感器系統

OSTEF使用了同一型號的但并非完全相同的傳感器，不同傳感器對相同參數的觀測提供了一個穩定標準，其它設備可以由此來標定，同時兩個主要傳感器也可以進行比較。由于OSTEF傳感器將被更頻繁的更換和重新配置，相對于標準的PORTSR安裝，OSTEF中用于業務化的傳感器使用必須謹慎操作。為了充分利用CO-OPS的OSTEF的工作成果，支撐該研究的合作性質，由此得到的數據必須隨時可以獲取。因此OSTEF需要安裝獨立的數據采集系統并把OSTEF數據存檔于PORTSR數據庫，這些數據可以通過PORTSR的信息中樞以延時模式獲取。

5 設備測試

現場海洋學參考系統必須經過最精確有效的現場海洋和氣象系統的驗證，包括以下參數：溫度、導電率、壓強、水流速度、水位（潮流）、波浪、風速、大氣溫度、相對濕度和大氣壓。NOS應對系統供應商指明要選擇最高精度和可靠性的參考系統，并且依據由NIST認可的標準轉換過程來標定。

導電率、溫度和壓力傳感器的選擇必須符合UNESCO（United Nations Educational, Scientific and Cultural Organization）使用電導率決定海水鹽度和密度的標準規定。

水位測定需要參考傳感器既能相對于一個垂直大地測量參考系統長期精確觀測又具有高采樣率來計算方向波譜，因此需要對開發商提供的數據進行研究以選擇正確的水位參考系統。

海洋氣象測量需要由國家氣象局專門標定的設備進行測量。

6 結論

目前，我國海洋儀器設備的現場測試環節已成為制約我國海洋儀器設備產業化發展的瓶頸，從而導致研制周期長、成本高、穩定性差等問題，建設國家級公益性海上試驗場成為解決這一問題的有效途徑。因此，我們應借鑒NOS的OSTEP方案，為我國海洋系統的測試評估制定方案，為我國海上試驗場的建設、運行提供有力的技術保障，以促進我國海洋儀器設備成果轉化進程，推動海洋技術裝備產業化發展。

[1]Mark Bushnell．Ocean Systems Test and Evaluation Program (OSTEP)Development Plan．NOAA Technical Report NOS CO-OPS 34[R/OL]．[2010-04].http://tidesandcurrents.noaa.gov/pub.html．

[2]U.S.DEPARTMENT OF COMMERCE，National Ocean Service，Center for Operational Oceanographic Products and Services．Air Gap Field Installation Guide．Ocean Systems Test and Evaluation Program[Z/OL].[2010-04]．

[3]Mark Bushnell,Max Ivanov,Warren Krug,et al．Initial Operational Deployment Report Miros Air Gap Sensor and Laser Sensor at the Verrazano-Narrows Bridge．NOAATechnical Report NOSCO-OPS049[R/OL].[2009-09].http://tidesandcurrents.noaa.gov/pub.html．

[4]Kathryn Thompson Bosley,Chris McGrath,Jennifer P.Dussault,et al．Test,Evaluation,and Implementation of Current Measurement Systems on Aids-To-Navigation．NOAATechnical Report NOSCO-OPS043[R/OL].[2005-05].http://tidesandcurrents.noaa.gov/pub.html．

[5]Tammy Graff,James Sprenke,Mark Bushnell．Data Communications Plan．Ocean Systems Test and Evaluation Program[R/OL]．[2006-05]．http://tidesandcurrents.noaa.gov/pub.html．

[6]Mark Bushnell,Kate Bosley,TomMero．Ocean Systems Test and Evaluation ProgramMicrowave Air Gap-Bridge Clearance Sensor Test,Evaluation,and Implementation Report,NOAATechnical Report NOSCO-OPS042[R/OL]．[2005-05].http://tidesandcurrents.noaa.gov/pub.html．

Analysis of the US Ocean Systems Test and Evaluation Program

WANG Hua-mei,LUO Xu-ye,LI Yan
(National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China)

The Ocean Systems Test and Evaluation Program was established by US to facilitate the transition of new technology to operation,to select new sensors or systems and bring them to a application.The goals and functions of the OSTEP is introduced firstly,then the technical approach and the Ocean System Test and Evaluation Program Facility and its testing is analyzed.Finally,the suggestion is given on the establishment of an Ocean System Test and Evaluation Program in China.

OSTEP;test and evaluation procedure;quality assurance

P71

C

1003-2029（2011）04-0123-05

2011-05-20

海洋公益性行業科研專項“海上試驗場建設技術研究和原型設計”（200905024）

王花梅（1984-），女，碩士研究生，主要從事海洋觀測技術方面研究。E-mail:whm21666@163.com