走航式多參數(shù)剖面測量系統(tǒng)（MVP）技術(shù)研究

李冬+張永合+劉雷

摘要：本文調(diào)研了走航式多參數(shù)剖面測量系統(tǒng)（MVP）的國產(chǎn)化發(fā)展現(xiàn)狀，通過對國產(chǎn)MVP4000系統(tǒng)和加拿大BOT公司的MVP系統(tǒng)進(jìn)行對比分析，得出了國產(chǎn)化MVP系統(tǒng)的主要指標(biāo)和功能已經(jīng)達(dá)到應(yīng)用需求，并且在界面友好性、操作方便性、數(shù)據(jù)預(yù)處理和絞車自動控制等方面有了很大改進(jìn)，對于我國未來的海洋調(diào)查具有積極意義。

關(guān)鍵詞：走航式；多參數(shù)剖面測量系統(tǒng)（MVP）；MVP4000

中圖分類號：P715 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）07-0114-03

1 前言

走航式多參數(shù)剖面測量系統(tǒng)全稱Moving Vessel Profiler，以下簡稱為MVP，是一種采用不停船走航方式對海洋不同深度各種物理、化學(xué)和生物參數(shù)等進(jìn)行剖面測量的系統(tǒng)。作為一種集成度和自動化程度都較高的海洋調(diào)查設(shè)備，由于它能夠?qū)Ｑ蠖嘁剡M(jìn)行同時觀測并獲得高空間分辨率的數(shù)據(jù)資料，因而近年來在海洋測繪領(lǐng)域得到了日益廣泛的應(yīng)用。

隨著我國海上新絲綢之路計劃的提出，海洋信息測繪對MVP系統(tǒng)會有一個快速而強(qiáng)烈的需求增長，而與之相對應(yīng)的是由于需求總量不高，國外的MVP生產(chǎn)商BOT公司已經(jīng)倒閉，并沒有其他企業(yè)從事MVP的研發(fā)制造，鑒于這一狀態(tài)和國內(nèi)日益增長的需求，國內(nèi)已經(jīng)有勞雷工業(yè)公司等部分企業(yè)單位開展了MVP國產(chǎn)化相關(guān)研究工作，并已經(jīng)有相應(yīng)的產(chǎn)品。本文對MVP系統(tǒng)的國產(chǎn)化水平和進(jìn)展進(jìn)行了相關(guān)的調(diào)研和分析，期望能夠有助于各科研機(jī)構(gòu)及測繪部門對國產(chǎn)化MVP系統(tǒng)有比較深入的了解，并促進(jìn)國產(chǎn)化MVP的改進(jìn)和提高。

2 MVP系統(tǒng)簡介

MVP最早由加拿大Brooke Ocean Technology Ltd（BOT）公司研發(fā)成功，它的主要組成包括拖魚、數(shù)據(jù)采集單元、絞車及液壓系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)等，如圖1所示。拖魚能同時搭載CTD、葉綠素?zé)晒庥嫛⑷苎鮽鞲衅鳌岫扔嫛H計等常規(guī)傳感器，同時能夠根據(jù)需要搭載特殊功能的海洋測量設(shè)備，如多普勒聲學(xué)流速流向儀ADCP、聲速傳感器SVP、二氧化碳傳感器等。數(shù)據(jù)采集單元對各種傳感器信息進(jìn)行采集匯總，并進(jìn)行必要的前期數(shù)據(jù)處理。絞車及液壓系統(tǒng)負(fù)責(zé)拖魚的布放與回收。遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)實(shí)時監(jiān)控絞車狀態(tài)并控制絞車的起停和收放動作。

BOT公司的MVP依據(jù)測量深度共有MVP30、MVP100、MVP200、MVP300、MVP800五種型號，可工作于走航模式和定點(diǎn)投放模式。在走航模式下拖魚在水中作自由落體運(yùn)動，最大下降速度能達(dá)到3.5 m/s，在達(dá)到設(shè)定深度之后，絞車自動停止，然后開始回收至預(yù)定深度。從自由落體開始到回收至預(yù)定深度完成了一個剖面的測量過程，每個剖面的觀測數(shù)據(jù)都由計算機(jī)自動記錄保存。MVP搭載的傳感器采樣頻率最高可達(dá)25 Hz。拖魚采用流線型設(shè)計，減少了在水中運(yùn)動的摩擦力。走航模式下MVP最高可支持調(diào)查船在12 kn航速航行。

MVP的工作過程為：遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)接收調(diào)查船測深儀傳來的海深數(shù)據(jù)和GPS傳來的位置信息，用戶根據(jù)這些信息在遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)端設(shè)置好當(dāng)前海域測量水深、報警深度等參數(shù)，然后操控絞車釋放拖魚；拖魚內(nèi)部的各種傳感器實(shí)時采集拖魚下降過程中的水體數(shù)據(jù)，并通過通信電纜上傳至調(diào)查船，位于調(diào)查船上的數(shù)據(jù)采集單元負(fù)責(zé)記錄并處理各傳感器數(shù)據(jù)及當(dāng)前的水深、GPS位置信息，便于后期做數(shù)據(jù)分析；當(dāng)拖魚到達(dá)設(shè)定深度或者拖魚當(dāng)前深度與水深之差小于等于報警深度時，遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)操控絞車開始回收拖魚至設(shè)定回收深度，然后準(zhǔn)備進(jìn)行下一次投放測量；重復(fù)這一過程，直至完成對全部調(diào)查海域的測量。在此過程中，調(diào)查船可始終處于航行狀態(tài)，不用停船測量，大大提高了工作效率。

BOT公司的MVP依據(jù)測量深度共有MVP30、MVP100、MVP200、MVP300、MVP800五種型號，可工作于走航模式和定點(diǎn)投放模式。在走航模式下拖魚在水中作自由落體運(yùn)動，最大下降速度能達(dá)到3.5m/s。MVP搭載的傳感器采樣頻率最高可達(dá)25Hz。拖魚采用流線型設(shè)計，減少了在水中運(yùn)動的摩擦力。走航模式下MVP最高可支持調(diào)查船在12kn航速航行。

3 國內(nèi)外MVP技術(shù)現(xiàn)狀對比

目前國產(chǎn)化MVP的產(chǎn)品主要是勞雷工業(yè)公司自主研發(fā)的MVP4000，該產(chǎn)品除拖魚內(nèi)的部分傳感器沒有完全國產(chǎn)化外，數(shù)據(jù)采集單元、絞車及液壓系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)等部分都實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化。其中絞車和拖魚的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分基本沿用原BOT公司設(shè)計思路，產(chǎn)品已經(jīng)具備BOT公司MVP的所有功能，并已經(jīng)與國家海洋局第一海洋研究所合作開展了多個航次的實(shí)海測量。

MVP4000結(jié)合用戶使用習(xí)慣，在控制界面顯示、數(shù)據(jù)保存與預(yù)處理、絞車收放纜自動控制等方面做了一些有益的改進(jìn)和嘗試，具體包括：

3.1 控制界面顯示

加拿大BOT公司的MVP系統(tǒng)，在預(yù)先設(shè)定好的狀態(tài)下工作，也能夠進(jìn)行手動操作或通過計算機(jī)的自動控制（圖2）。其MVP操作軟件以英文版為主，且使用的是美國國家儀器公司NI的Labview軟件平臺，界面上多數(shù)以圖形化形式顯示絞車、纜繩、拖魚等的物理參數(shù)，這些參數(shù)對于操作用戶來說，可能會感覺界面上的參數(shù)和信息過于復(fù)雜，不便于使用。而對于科學(xué)家更為關(guān)心的拖魚內(nèi)部傳感器數(shù)據(jù)則僅做數(shù)字顯示和簡單記錄，顯示并不直觀。

MVP4000控制軟件界面如圖3所示，其采用了目前最為流行的UI設(shè)計思想，界面相對簡潔美觀，操控便捷。用戶界面主要顯示航速、纜長和深度等少數(shù)用戶關(guān)心參數(shù)，并著重對科學(xué)家關(guān)心的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行了圖形化顯示，便于用戶對測量結(jié)果有更為直觀的了解。

3.2 數(shù)據(jù)保存與預(yù)處理

在數(shù)據(jù)保存與預(yù)處理方面，BOT公司的MVP僅能實(shí)時顯示傳感器當(dāng)前數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)同步保存。用戶如需要分析數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行大量的后處理工作。

MVP4000能夠?qū)崟r記錄并圖形化顯示傳感器數(shù)據(jù)，并與GPS和測深儀數(shù)據(jù)進(jìn)行同步匹配，便于用戶在后續(xù)處理數(shù)據(jù)時及時掌握測試環(huán)境信息。另外該系統(tǒng)支持歷史數(shù)據(jù)回放、多次測量結(jié)果同步比較等功能，一定程度上降低了用戶后處理工作量。endprint

3.3 絞車收放纜自動控制

BOT公司的MVP在實(shí)際使用時，需要預(yù)先根據(jù)調(diào)查海域的深度和拖魚擬投放深度在絞車?yán)|繩上的不同位置放置信息報警塊，通過信息報警塊觸發(fā)傳感器產(chǎn)生深度報警，從而由遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)控制纜繩的自動收放。當(dāng)不同調(diào)查海域深度發(fā)生變化時，需要在工作前首先調(diào)整信息報警塊位置，這對于用戶使用相當(dāng)不便。

MVP4000則是通過實(shí)時監(jiān)控拖魚內(nèi)部的深度傳感器數(shù)據(jù)拖魚當(dāng)前所處深度，然后通過對深度、纜長、船速等參數(shù)建模形成閉環(huán)控制系統(tǒng)，由遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)自動控制絞車的收放纜、剎車、回收等動作，并通過監(jiān)控絞車的工作狀態(tài)，實(shí)時進(jìn)行報警、失效警告信息解除等操作，大大降低了用戶操作難度。

4 國產(chǎn)化MVP系統(tǒng)需要改進(jìn)的空間

現(xiàn)有的MVP數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)尚未支持測量海域的海圖數(shù)據(jù)，因此用戶還需要人工分析測量海域信息，未來的MVP數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)能夠融合測量海域的海圖信息，實(shí)時給出海圖上相應(yīng)位置點(diǎn)的測繪信息。

在數(shù)據(jù)深度處理分析方面，MVP系統(tǒng)也有較大的改進(jìn)空間。未來的MVP系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)通過與科學(xué)家的密切交互，將測繪數(shù)據(jù)處理算法融合到數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中，最終以圖形化界面和測繪報告的形式呈現(xiàn)給最終用戶。

另外，目前MVP的傳感器部分由于對測量精度、穩(wěn)定性、可靠性和環(huán)境適應(yīng)性等要求較高，普遍采用國外進(jìn)口產(chǎn)品，如Seabird SBE3Plus溫度傳感器、SBE4C電導(dǎo)率傳感器、Paroscientific 8CB4000-I深度傳感器、Seabird SBE49 CTD一體式傳感器等。在傳感器國產(chǎn)化方面，還需要在市場需求牽引下，不斷提升國產(chǎn)產(chǎn)品的性能及可靠性。

5 結(jié)論與展望

目前國產(chǎn)化MVP系統(tǒng)除拖魚內(nèi)的傳感器以外，其他數(shù)據(jù)采集單元、遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)和絞車液壓系統(tǒng)都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化，且部分性能指標(biāo)、界面友好度和操作便捷性都達(dá)到或超過了國外產(chǎn)品水平。

這對于我國的海洋測繪、海洋調(diào)查、生物科學(xué)研究以及海洋產(chǎn)業(yè)開發(fā)都具有很大的促進(jìn)作用，也為我國向海洋強(qiáng)國邁進(jìn)、實(shí)現(xiàn)海上新絲綢之路計劃提供了必要的技術(shù)保障。

相信后續(xù)隨著國家海洋戰(zhàn)略的不斷推進(jìn)，在國家海洋局以及各相關(guān)部門的支持引導(dǎo)和研究單位的共同努力下，一定能夠進(jìn)一步提升國產(chǎn)化MVP系統(tǒng)的水平，尤其是在核心傳感器系統(tǒng)方面會有新的突破性進(jìn)展。

參考文獻(xiàn)

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[3]Brooke Ocean Technology Ltd，MVP300 Operation and Maintenance Manual.2004.

[4]勞雷工業(yè)公司，MVP4000自動控制軟件使用手冊.2017.endprint