平臺基海洋環(huán)境立體監(jiān)測系統(tǒng)的研制及應用

謝波濤，雷方輝，王俊勤

(中海油研究總院，北京 100080)

平臺基海洋環(huán)境立體監(jiān)測系統(tǒng)的研制及應用

謝波濤，雷方輝，王俊勤

(中海油研究總院，北京 100080)

介紹了一種基于海洋石油平臺的海洋動力環(huán)境立體監(jiān)測系統(tǒng)的系統(tǒng)組成和工作原理。該平臺基監(jiān)測系統(tǒng)由氣象監(jiān)測系統(tǒng)、浮標監(jiān)測系統(tǒng)、有纜潛標監(jiān)測系統(tǒng)、測波雷達、通信和岸站系統(tǒng)五部分組成，開展風、浪、流、內(nèi)波等環(huán)境參數(shù)的長期、定點監(jiān)測，并通過平臺網(wǎng)絡系統(tǒng)實時傳輸測量數(shù)據(jù)。經(jīng)過海上長期試驗表明該系統(tǒng)能夠穩(wěn)定可靠地在平臺上運行，可為中國油氣資源開發(fā)走向深海提供可靠的技術(shù)支撐和安全保障。

平臺基；觀測系統(tǒng)；測波雷達；氣象站；有纜潛標

近些年來，海洋油氣業(yè)已發(fā)展成為我國海洋經(jīng)濟的主導產(chǎn)業(yè)。隨著海洋油氣業(yè)的發(fā)展，油氣勘探和開發(fā)、石油平臺設計、海底輸油管道敷設、平臺拖航定位等海洋石油工程的建設，迫切需要提供作業(yè)海區(qū)的海洋環(huán)境實時數(shù)據(jù)和專項預報[1]。

目前，我國海洋環(huán)境監(jiān)測已進入了立體監(jiān)測時代[2]：浮標、潛標等組成的海基監(jiān)測系統(tǒng)；以遙感衛(wèi)星組成的天基監(jiān)測系統(tǒng)；以水下固定監(jiān)測站-水下水聲探測陣列等組成的海床基監(jiān)測系統(tǒng)[2]等，已初步構(gòu)成了我國海洋環(huán)境立體監(jiān)測系統(tǒng)。但由于技術(shù)原因，各種海洋觀測也存在一定缺陷。如：浮標、潛標只能觀測到有限的點、面或?qū)哟蔚暮Ｑ蟓h(huán)境要素，時空覆蓋范圍不夠，不能滿足大區(qū)域、長期的觀測需求[3]；船基海洋觀測雖然可以獲得大面站觀測數(shù)據(jù)，但所獲得的數(shù)據(jù)都是瞬時、單點、局部，而且數(shù)據(jù)量非常有限[4]；海洋遙感技術(shù)雖具有宏觀大尺度、快速、同步和高頻度動態(tài)觀測等優(yōu)點，但受制于云量、掃描軌道和頻率等因素，且只能觀測到海面的一些環(huán)境要素，對于海洋次表層以下的環(huán)境動力特征則鞭長莫及。

為了深入了解南海海洋動力環(huán)境，掌握該海域風、浪、流、內(nèi)波等環(huán)境參數(shù)的規(guī)律和特征，特別是熱帶氣旋、冬季季風、內(nèi)波等對海洋資源開發(fā)有著直接影響的災害性海洋環(huán)境現(xiàn)象，為南海深水海洋石油開發(fā)提供基礎數(shù)據(jù)，本研究工作在“十一五”“863”計劃項目的支持下，充分發(fā)揮中國海洋石油公司特有資源優(yōu)勢，有效利用南海海域已有的油田開發(fā)生產(chǎn)設施，依托已有石油平臺，開發(fā)、建成了一套基于海洋平臺的海洋動力環(huán)境監(jiān)測應用示范系統(tǒng)，同步開展風、浪、流、內(nèi)波等環(huán)境參數(shù)的長期、定點監(jiān)測，完成了基于平臺的海洋動力環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)關鍵技術(shù)的研究，并獲取長時間序列的海洋動力環(huán)境觀測資料。

1 平臺基觀測系統(tǒng)總體設計

基于海洋石油平臺的海洋動力環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)以風速、風向、氣壓、氣溫、濕度、波高、波向、波周期、波浪譜、流速、流向剖面、內(nèi)波振幅、周期、內(nèi)波流等主要海洋動力環(huán)境要素為監(jiān)測重點，以獲取上述環(huán)境要素的長時間序列數(shù)據(jù)為監(jiān)測目標。該監(jiān)測系統(tǒng)是由平臺氣象監(jiān)測系統(tǒng)、浮標監(jiān)測系統(tǒng)、有纜潛標監(jiān)測系統(tǒng)、測波雷達、通信和岸站系統(tǒng)5個子系統(tǒng)組成，如圖1所示。

氣象監(jiān)測子系統(tǒng)由風、壓、溫、濕傳感器和可編程全自動采集器組成，主要測量風速、風向、氣壓、氣溫、濕度等氣象要素；浮標監(jiān)測系統(tǒng)由兩套測波浮標組成，用來測量海面波高、波向、波周期、波浪譜等波浪特征；有纜潛標監(jiān)測系統(tǒng)由聲學多普勒海流計、溫鹽測量儀器；測波雷達是由基于雷達遙測技術(shù)的C波段測波雷達組成；通信和岸站系統(tǒng)由通信主機、岸站管理系統(tǒng)等部分組成。

表1 平臺基觀測系統(tǒng)性能指標

2 各觀測系統(tǒng)組合

2.1 平臺氣象站監(jiān)測系統(tǒng)

平臺氣象監(jiān)測系統(tǒng)有2層風矢量傳感器，分別安裝在井架（高約105 m—海平面）和吊車（高約75 m—同上）頂部兩個位置（見圖2），進行梯度風觀測，可以用來進行臺風場、冬季季風場的陣風分析，結(jié)合平臺附近氣象水文浮標上的風速數(shù)據(jù)，進行大氣邊界層的風速垂直分布特征研究，提出中國南海的臺風、冬季季風陣風因子，得到臺風、冬季季風大氣邊界層特征。另有氣溫、氣壓傳感器及采集控制主機組成，可在無人值守的情況下實時測量風速、風向、氣溫、氣壓等氣象要素。

為了更好地得到風要素測量結(jié)果，除了在平臺上安裝氣象站外，平臺基監(jiān)測點還將在平臺附近的浮標上安裝風測量系統(tǒng)，并實時將測量結(jié)果通過短波通信方式傳送到平臺基岸站。通過不同安裝高度的風傳感器測量結(jié)果，分析布放海域的梯度風分布情況。

圖3為2011年第17號臺風“納沙”實測風速曲線，由圖中曲線可知，平臺氣象系統(tǒng)測得臺風瞬時風速達到了47 m/s。

2.2 浮標監(jiān)測系統(tǒng)

考慮到波浪參數(shù)對海洋工程的重要性，本站點設置兩套浮標。一套為美國生產(chǎn)的INTEROCEAN生產(chǎn)的多參數(shù)測波浮標，該浮標是一個完整的海洋水文氣象監(jiān)測系統(tǒng)，它集波浪、表面流、氣象、水溫等測量系統(tǒng)為一身，可以實時監(jiān)測波高、波向、波周期、表面流速流向、水溫、風速風向、氣溫、氣壓等參數(shù)，是一種理想的可以在深水強流環(huán)境下工作的測量浮標。浮標配備GPS全球定位系統(tǒng)、信標燈、通信設備。系統(tǒng)由電池供電、白天通過太陽能板充電。

為提高雷達測波技術(shù)水平，本研究在距離平臺2 km、面向測波雷達的水域布放一套荷蘭生產(chǎn)的波浪騎士測波浮標，其測量結(jié)果在自容式儲存的同時，通過短波通信實時傳輸?shù)狡脚_基岸站上進行儲存。利用該測量結(jié)果可以對測波雷達的測量結(jié)果進行比測，開展比測研究，提高測波雷達的測量精度。

由于有海洋石油平臺作為依托，平臺上有穩(wěn)定的電源供給，可使用短波通訊實時傳輸數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)傳輸、存儲的可靠性。高精度的測波資料可以滿足海浪譜、方向譜的研究和相應海浪要素分析、計算。

表2 波浪觀測系統(tǒng)性能指標

2.3 測波雷達監(jiān)測系統(tǒng)

基于加速度測量的浮標測波技術(shù)，是現(xiàn)今應用最為廣泛的波浪測量技術(shù)，其測量結(jié)果的可靠性在過去幾十年的應用中得到了很好的驗證。雖然測得的波浪參數(shù)準確性較高，但由于波浪浮標的安全性較差，容易丟失，利用浮標技術(shù)獲取長時間序列的波浪參數(shù)非常困難。考慮到波浪參數(shù)對海洋工程的重要性，為此本研究在同一個站位設置波浪浮標和測波雷達兩套不同的測波系統(tǒng)，可提高波浪觀測數(shù)據(jù)完整性，滿足工程設計需要。

雷達測波是近幾年剛剛興起的波浪遙測技術(shù)，由于設備安裝在平臺上，不接觸海水，安全性好，可以很好地滿足海洋工程對波浪測量長期性、連續(xù)性和穩(wěn)定性的要求。

本研究采用挪威MIROS生產(chǎn)的C波段測波雷達系統(tǒng)是一種基于微波遙感的波浪和表面流測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用Bragger散射和多普勒原理進行波浪方向譜及表面流的測量（雙足跡脈沖多普勒方法測量波浪，微波雙頻方法測量表面流），在世界各海域、特別是北海和墨西哥灣石油平臺上均有大量應用。可以同時測量波高、波向、波周期、波浪方向譜、表面流等海洋動力參數(shù)；由于系統(tǒng)工作在C波段，具有很強的抗雨衰能力。

圖5為現(xiàn)場的安裝照片：測波雷達安裝位置擬選定在上甲板1號、2號救生艇甲板護欄外側(cè)。高度41 m（海平面），面向東南符合測波雷達安裝要求（8～100 m）。

圖6為C波段測波雷達與波浪騎士測得的同步有效波高數(shù)據(jù)。由圖中結(jié)果可知，測波雷達數(shù)據(jù)起伏、趨勢、大小均與波浪騎士數(shù)據(jù)保持一致，數(shù)據(jù)質(zhì)量與高性能波浪浮標相當，表明C波段雷達在波高測量方面具有較高的準確性、可靠性。

經(jīng)應用，該測波雷達具有以下幾項優(yōu)點：

（1）該雷達是世界上唯一使用雙軌跡多普勒法測量海浪和利用微波雙頻率法測量海流的傳感器，測量結(jié)果較為精確；

（2）該測波雷達使用的為C波雷達，由于為長期海上觀測，環(huán)境較為惡劣，C波測波雷達在衰減率上要高于其他波段。而且其中安裝有冷卻風扇，以及加熱器，能夠保證在采油平臺上穩(wěn)定的運行。

（3）該雷達的軟件易于操作，能夠在短時間內(nèi)掌握，并且能夠根據(jù)實際需求進行設置，得到自己需要的海洋相關數(shù)據(jù)，并與其他系統(tǒng)有著良好的兼容性。

2.4 有纜潛標監(jiān)測系統(tǒng)

平臺基有纜潛標觀測系統(tǒng)由聲學多普勒海流剖面儀、溫鹽測量儀器、錨系、有纜潛標安全投放固定裝置組成。由平臺提供結(jié)構(gòu)支撐，用電纜為潛標提供電力和數(shù)據(jù)傳輸，進行流剖面和溫鹽剖面觀測，達到進行海底邊界層研究并提取內(nèi)波信息的目的。

溫鹽剖面測量將集中布放在水下20～200 m水深范圍內(nèi)。溫鹽鏈由3臺SBE37SM溫鹽測量儀器和23臺SBE38海水溫度測量組成，組成量程為180 m的溫鹽剖面測量系統(tǒng)。為提高測量精度，應盡量在躍層附近加密采樣，因此水下70～130 m相隔5 m一個溫度探頭，其余布放空間每10 m一個。溫鹽探頭將分別放在測量剖面范圍的兩端和中心位置，即水下20 m、100 m、200 m處各布放一臺。在20 m、100 m和193 m處各配備一臺多普勒海流計，在空間和時間坐標上同步測量溫鹽流參數(shù)，以研究該海域的內(nèi)波。

有纜潛標采用電纜供電，即時串行通信傳輸?shù)姆绞脚c平臺上的供電采集系統(tǒng)及采集系統(tǒng)連接，為了減少電纜數(shù)量，方便布放，確保系統(tǒng)安全性，設備采用共用電源電纜供電，可尋址RS485電纜進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞健?/p>

本研究還開展了基于平臺的測流溫鹽有纜潛標設計和儀器集成技術(shù)、安全布放與回收技術(shù)（圖7）、標體和錨系長期工作可靠性技術(shù)、極端海況有纜潛標抗風浪能力分析與計算、有纜潛標安全布放輔助設施等方面技術(shù)的研究，為有纜潛標觀測系統(tǒng)的穩(wěn)定運行奠定了基礎。

圖8為20 m水深處有纜潛標實測溫度、鹽度、流速數(shù)據(jù)。由圖中可知，平臺所處海域有內(nèi)孤立波影響；其持續(xù)時間約10～15 min，流速達到916 mm/s。

2.5 通信和岸站系統(tǒng)

為了保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時傳輸，本研究開發(fā)了基于平臺的水文氣象實時監(jiān)測系統(tǒng)和基于notes郵件系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見圖9。

平臺氣象站、浮標數(shù)據(jù)接收機和有纜潛標通過串行通訊與系統(tǒng)控制主機相連。該主機具有控制、數(shù)據(jù)儲存和通訊控制3大功能，與測波雷達主機組成以太局域網(wǎng)，接受并儲存測波雷達的測量結(jié)果；與氣象站、有纜潛標以及浮標岸站接收機之間采用串口方式連接，實現(xiàn)對上述系統(tǒng)的控制、數(shù)據(jù)交換和儲存。由于有纜潛標由28臺設備組成，為減少電纜數(shù)量，采用可尋址RS485通信方式，經(jīng)RS485/RS232轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成RS232格式后與主機連接。系統(tǒng)主機并入平臺網(wǎng)絡系統(tǒng)；采集回的數(shù)據(jù)，根據(jù)各傳感器的數(shù)據(jù)格式系統(tǒng)自動作解析，同時以關系型數(shù)據(jù)庫作二維表方式存儲，并定時將數(shù)據(jù)通過衛(wèi)星通信設備傳送到位于北京的岸站系統(tǒng)進行保存和分析，以確保數(shù)據(jù)的安全。該系統(tǒng)提供簡捷，明確的圖表分析工具，可對現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)作實時監(jiān)控，分析。

3 系統(tǒng)難點及技術(shù)創(chuàng)新

平臺基海洋環(huán)境動力監(jiān)測系統(tǒng)由于應用于特殊的工作環(huán)境，海洋環(huán)境惡劣且監(jiān)測要素眾多，其面臨的主要問題如下：

（1）傳感器種類多、數(shù)據(jù)量大；

（2）采集方式多樣化，各種設備的數(shù)據(jù)傳遞采集方式各異；

（3）數(shù)據(jù)格式多樣化；

（4）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的維護不確定性。

因此，為克服上述困難，進行了如下幾項技術(shù)創(chuàng)新：

（1）基于SQL Serve的大容量數(shù)據(jù)存儲技術(shù)，保證了監(jiān)測系統(tǒng)所得數(shù)據(jù)存儲的快捷、安全與高效性。

（2）建立中海油內(nèi)網(wǎng)遠程查詢技術(shù)，保證了對終端、平臺儀器的遠程訪問和狀態(tài)監(jiān)控，使陸地工作人員能實時了解監(jiān)測儀器與系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

（3）實時報表查詢與輸出技術(shù)，保證了數(shù)據(jù)的實時傳輸，終端儀器工作狀態(tài)下，利用采集間隔時間，完成數(shù)據(jù)的輸出、打包與傳輸。

（4）多界面圖形顯示技術(shù)，提供了對多種儀器觀測數(shù)據(jù)的圖形化，可以使工作人員直觀地了解當前的海洋環(huán)境條件與儀器工作狀態(tài)。

（5）基于密鑰的加密與解密技術(shù)，保證了數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡傳輸時的安全性。

4 結(jié)論與展望

南海油氣資源豐富，也是全球海洋環(huán)境最為惡劣的海域。夏秋季節(jié)熱帶氣旋頻發(fā)，冬季季風強度大且持續(xù)穩(wěn)定，海況惡劣；海底地形復雜多變造成海流、強內(nèi)孤立子波，對海洋石油的開發(fā)、生產(chǎn)造成巨大的威脅。為促進油氣資源開發(fā)，實現(xiàn)我國深遠海能源戰(zhàn)略，本研究利用海洋平臺資源，將岸基海洋動力環(huán)境監(jiān)測延伸拓展至遠海監(jiān)測，并研制和改進適合深遠海觀測的平臺基海洋動力環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，構(gòu)建具有我國特色的、擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的南海深遠海油氣勘探區(qū)海洋動力環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)，為我國油氣資源開發(fā)走向深海，提供可靠的技術(shù)支撐和安全保障。

[1]康壽嶺.海洋環(huán)境立體自動檢測系統(tǒng)[J].海洋技術(shù)，2001,20(1)∶1-21.

[2]齊爾麥，張毅，常延年.海床基海洋環(huán)境自動監(jiān)測系統(tǒng)的研究[J].海洋技術(shù)，2011,30(2)∶84-87.

[3]李彥，羅續(xù)業(yè).海洋監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡概念與應用探討[J].海洋技術(shù),2006,25(4)∶33-35.

[4]李健，陳榮裕，王盛安，等.國際海洋觀測技術(shù)發(fā)展趨勢與中國深海臺站建設實踐[J].熱帶海洋學報,2012,31(2)∶123-133.

Development and Application of the Platform-Based Marine Environment Monitoring System

XIE Bo-tao,LEI Fang-hui,WANG JUN-qin
(China National Offshore Oil Corporation General Research Institute,Beijing 100027,China)

The working principle and construction of a platform based marine environment monitoring system were introduced.This system includes five parts:weather monitoring system,buoy monitoring system,cabled submersible buoy,wave radar monitoring system,communication and shore station.The system could automatically monitor the parameters including wind,waves,current continually,and a large amount of continue monitoring data can be transferred by the network system on the platform.Long-term ocean experiments have been carried out to test and verify the technologies mentioned on the platform.The system could offer the references and technological assistances for the oil-gas resource development of the South China Sea.

platform-based;monitoring system;wave observation radar;weather station;cabled submersible buoy

P715+.2

A

1003-2029（2013）01-0016-0005

2012-08-29

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）資助項目（2008AA09A401）

謝波濤（1980-），男，博士，主要研究方向為工程環(huán)境條件、設計標準。Email：xiebt@cnooc.com.cn