三錨式浮標綜合觀測平臺的研究和應用

劉長華, 張曙偉 , 王 旭, 萬曉正 , 賈思洋, 趙環宇 , 王春曉, 劉 野 , 齊 勇 , 范秀濤 , 劉世萱

(1. 中國科學院海洋研究所, 山東 青島 266071; 2. 齊魯工業大學(山東省科學院)海洋儀器儀表研究所, 山東 青島 266061; 3. 山東省海洋監測儀器裝備技術重點實驗室, 山東 青島 266061)

海洋科學的發展依賴于海洋觀測技術的進步, 海洋觀測數據獲得的多寡和數據類型的豐富是海洋科學研究取得開創性成果的前提和基礎, 早期基于船舶的走航式調查為海洋科學的發展起到了巨大的推動作用[1], 而后基于錨系式定點的海洋觀測[2-3]、基于衛星的遙感觀測[4]和游弋式的水體觀測[5]得到迅猛發展, 其所獲取的觀測數據極大促進了海洋科學研究的進步, 使人類對海洋有了更加全面的理解和認知。

目前, 海洋觀測技術的一個重要分支為水體剖面觀測技術, 隨著海洋學科本身的發展, 對水體剖面數據的獲取不僅僅停留在基于船舶的瞬時性剖面數據的獲取, 科學家也不滿足于數據延時獲取的現狀, 而且對水體剖面參數也越來越傾向于多而全, 不僅僅是原來容易觀測的剖面海流, 還要包括水溫、鹽度、濁度、溶解氧、葉綠素等水質生態數據, 甚至一直被視為難以長期連續獲取的pH值和營養鹽等參數, 也成為了目前海洋科學家研究海洋水體所關注的重要參數[6-7]。

然而, 我國大部分的海洋水體剖面觀測至今仍然依靠船舶走航式觀測和臺站定點觀測技術周期性的采集海洋表層或有限水層的要素數據, 缺少對海洋次表層以及深層水體進行長期連續的剖面觀測, 這主要是實施連續剖面觀測的有效技術手段缺乏所致[8-9]。國際上已經試驗成功并取得大量水體剖面觀測數據的設備和技術手段在我國也存在明顯“水土不服”的問題, 極易遭受破壞, 受到各種安全因素的限制, 很難進行長期和廣泛應用[7,10], 原因在于我國近海隨意捕撈的情況仍然比較普遍, 漁民經常違規作業, 對海洋觀測設備的保護意識也比較弱, 導致經常發生各類海洋觀測設備遭受漁船撞擊或漁網拖曳甚至人為破壞的現象, 嚴重影響觀測數據的連續有效獲取[11-12]。

因此設計研發一種適合于我國近海海域, 可進行長期、穩定、連續、定點、實時的水體剖面數據觀測, 并且能長期安全運行的觀測設備十分迫切, 中國科學院海洋研究所黃東海浮標觀測站在多年實際觀測經驗積累的基礎上, 研制完成一種新型的適用于近海水體剖面觀測的三錨式浮標綜合觀測平臺, 該平臺充分繼承了海上大型錨系式浮標的優點, 又創新性地進行了智能化和水體剖面觀測設計, 在我國近海具有廣泛的適用性。

1 三錨式浮標綜合觀測平臺的設計思路

三錨式浮標綜合觀測平臺的核心目的是實現一定水深范圍內的水體剖面長期、連續、定點、實時數據的穩定獲取, 并保障觀測設施的安全, 因此在設計思路的選擇上主要考慮借用目前國內已經廣泛使用, 并且得到實踐證明較為安全的直徑10 m的大型浮標的設計經驗, 在這個基礎上, 從更加穩定的結構設計, 更加充足的能源供給, 更加高效、穩定的水下觀測數據傳輸方式等方面進行三錨式浮標綜合觀測平臺的系統設計。

如何實現水體剖面觀測是一個核心問題, 實踐證明, 在錨系上系留自容式傳感器進行水體剖面觀測具有一定可行性, 但是限制因素較多, 如果不采用水下機器人操作, 僅用潛水員下潛進行系留設備, 剖面水深受限于潛水員下潛深度, 并且人員的危險性極大, 更重要的一點是剖面數據仍停留在自容模式, 不能獲取實時的水體剖面數據[12-13]。在已有的10 m直徑浮標體上通過原有的設備井自由懸掛可實時進行數據傳輸的帶纜直讀式傳感器, 經實踐證明極易與浮標的錨系發生纏繞, 造成設備損失。因此需要在結構上考慮將浮標體擴大, 在浮標體下面留出足夠空間, 采用絞車帶動觀測設備, 進行上下連續升降式的方式實現水體剖面觀測, 經過長期的實驗和實際海上實踐, 最終證明這是一個較合理的優選方案, 可以實現我國近海海域一定水深范圍內的水體剖面長期、連續、實時、穩定的數據獲取。

1.1 三錨式浮標綜合觀測平臺的結構設計

三錨式浮標綜合觀測平臺的主浮標體采用直徑15 m圓盤型結構, 外圍配置3個錨系浮筒與主浮標體鏈接, 錨系浮筒主要起到固定與系留作用, 也稱之為保護浮鼓(圖1)。按照功能劃分, 三錨式浮標綜合觀測平臺主要由主浮標體、三錨系留系統、常規觀測系統、水體剖面觀測系統、數據采集存儲系統、通信系統、電源系統、安保系統、數據接收處理系統等部分組成。按照結構劃分, 三錨式浮標綜合觀測平臺主要由水面主浮標體和三錨系留系統兩部分組成, 主浮標體浮于海面之上, 是實現水體剖面觀測的主體, 三錨系留系統為海面主浮標的海上固定和定位提供保證。

圖1 三錨式浮標綜合觀測平臺整體效果 Fig. 1 Design sketch of three-anchor buoy integrated observation platform

1.1.1 主浮標體的結構設計

主浮標體的圓盤形結構, 保證了其各項受力均勻, 且穩性衡準數K設計大于1, 確保主浮標體在極限條件下生存。主浮標體甲板設計周向為4層結構, 從外向內依次為護舷、外圍浮力艙、內部儀器艙和電池艙、內部浮力艙, 其中內部浮力艙中間為直徑2.5 m的透水區, 為中央觀測井, 是實現水體剖面觀測結構部分, 中央觀測井呈圓筒狀, 底部為喇叭型開口, 便于水下剖面觀測單元的升降。

主浮標體外側圍繞防護舷材, 以增加標體的抗碰撞能力, 標體內設計有若干全密閉浮力艙, 理論上即使某幾個浮力艙破損或進水, 仍有水密艙壁同中間浮力艙阻隔, 浮標仍可安全地浮在水面, 不至于傾覆。在外圍浮力艙內主要是進行供電電池、數據采集控制器、通訊設備等儀器設備的布設與安裝。根據主浮標體進行常規海表觀測的需要, 在標體中間浮力艙內開設3個設備安裝井, 可滿足浮標水文參數的監測需求。

主浮標體由于為圓盤形, 前后左右對稱, 所以水動力學性能主要體現在橫搖性和垂蕩性兩個方面: 主浮標體橫搖性能經過計算, 其單位波幅橫搖幅(response amplitude operator, 縮寫為RAO)較為平緩, 峰值在固有周期3.9 s左右, 峰值突出不大。在實際海況中, 短周期波的波周期(T<5 s)中, 主浮標體搖擺幅度較其他小型浮標明顯變小, 長周期波的波周期(T>5 s)中, 浮標搖擺平緩, 幅度適中。主浮標體的垂蕩性特點為, 在周期大于6 s的波中, 垂蕩幅值可達到波幅的90%以上(圖2)。通過計算, 充分說明浮標體隨直徑增大, 隨波性比小型浮標有所減弱, 穩性變強。

圖2 主浮標體單位幅值橫搖和垂蕩響應曲線 Fig. 2 The curves of main buoy body’s response amplitude operator (RAO)

圖3 剖面觀測設備與鏈接錨鏈和固定錨系的相對位置示意圖 Fig. 3 The diagram of the relative position between profile observation equipment and link- chain & anchor-chain

1.1.2 三錨系留系統的設計

采用三錨系留系統是解決剖面觀測設備在進行上下升降式水體剖面觀測時, 有效避免剖面觀測設備與浮標錨系纏繞的一個優化方案, 三錨系留法將主浮標與3套錨系分開, 即浮標本身不直接與固定其的3套錨系相連, 3套錨系分別鏈接于3個保護浮鼓上, 這3只保護浮鼓再用錨鏈與主浮標體相連, 3套錨系按照夾角120°均布分布于主浮標體周圍的海底, 在理想狀態下, 漂浮于海面的保護浮鼓也以夾角120°的狀態, 等距離均布分布于主浮標體周圍海面(圖1)。但是隨著風、浪、流等海洋復雜因素的影響, 實際的狀況為3個保護浮鼓與主浮標體之間的距離是隨時變化的, 保護浮鼓與主浮標體之間的鏈接錨鏈隨風、浪、流條件的變化而張緊或松弛、懸垂(圖3)。因此, 在設計時須考慮兩個位置處會發生剖面觀測設備被纏繞的情況, 即剖面觀測設備升降至與保護浮鼓鏈接錨鏈可能發生纏繞的位置(圖中A0位置)和剖面觀測設備升降至下層水深與保護浮鼓錨系可能纏繞的位置(圖中A1位置), 理論上計算采取極端條件下, 只要控制了主浮標體與保護浮鼓之間的距離, 即L0的長度, 就可以確定A0位置時L1的距離, 同時也可以確定A1位置時L3的距離。所以L0的距離是防止剖面觀測設備上下升降時與鏈接錨鏈和保護浮鼓錨系纏繞的關鍵, 采用懸鏈線理論計算浮體靜平衡位置以及錨系幾何形狀, 設置初始條件設定剖面觀測設備升降的路徑形狀, 綜合考慮流速剖面、設備和系泊線參數, 通過靜力學分析, 可確定L0、L1。結合常規觀測參數獲取的東海實驗觀測海域環境條件, 設置的極限海況的計算條件為: 風速: 10 m/s, 流速: 1.5 m/s, 浪高: 最大波高2.5 m, 采用Jonswap波浪譜, 有效波高2 m, 譜峰周期4 s?？紤]觀測水深的條件, 給出兩種主浮標體與保護浮鼓的鏈接情況, 情況1為1節錨鏈鏈接, 長度27.5 m, 水深范圍為10~30 m; 情況2為2節錨鏈鏈接, 長度為55 m, 水深范圍為40~60 m(表1), 更深的水深情況可參照此方法進行計算和設定。通過理論計算, 可以看出此種設計方案在設定安全的極限閾值海況下, 剖面觀測設備進行上下升降式觀測時, 不存在與鏈接錨鏈和固定錨系纏繞的情況, 可以進行穩定的實時水體剖面數據獲取。

表1 兩種情況下理論計算L0、L1和L2(水深10~60 m) Tab. 1 The theoretical values of L0、L1 and L2 in both cases (water depth 10~60 m)

1.2 三錨式浮標綜合觀測平臺能源供給的設計

三錨式浮標綜合觀測平臺因其功能多, 集成了目前錨系式浮標觀測的先進理念, 因此其所需要的能源較大, 所以需要充分考慮能源的供給方式, 在設計之初曾考慮采用風能-波浪能-太陽能三者互補的發電技術, 與蓄電池組合供電, 對三錨式浮標綜合觀測平臺提供能源。后期在實際的研發中, 考慮安全和高效性等因素, 最終采用了太陽能電池和蓄電池組合供電方式, 對整套系統提供工作能源。

三錨式浮標綜合觀測平臺的主要電源系統分為兩部分: 浮標常規供電系統和剖面觀測供電系統。浮標常規供電部分與傳統大型浮標供電系統類似, 通過蓄電池為各系統提供能源, 蓄電池的電量由太陽能板進行及時補充充電, 太陽能電池板選用單晶硅材料, 充電控制器充電效率在90%以上, 由于預布放海域為多雨的地區, 在春夏之交會有長時間的陰雨天氣, 會造成太陽能充電不及時, 最終導致蓄電池放電過多, 造成觀測設備停止運行, 因此在設計蓄電池容量時, 需考慮足夠的冗余。絞車系統是實現水體剖面觀測核心系統, 因此其供電的穩定和有效成為關鍵的一環。絞車供電系統采用更大容量蓄電池, 且由于絞車功率的需要, 將直流電經逆變器轉換為220 V交流電給絞車電機供電。

1.3 三錨式浮標綜合觀測平臺通訊的設計

三錨式浮標綜合觀測平臺數據通訊主要包括兩部分, 傳統的浮標上獲取觀測數據傳輸采用CDMA/ GPRS或者北斗通訊方式, 另一部分通訊是水體剖面觀測數據與浮標上數據采集器的通訊, 實時或者近實時地將剖面觀測設備獲取的數據傳輸到浮標主體的數據采集器上, 再由浮標數據采集器將數據打包, 通過無線網絡方式傳輸到陸地實驗室。三錨式浮標觀測平臺的水體剖面觀測數據通訊方式采用了短波通訊, 即水下剖面觀測設備完成剖面觀測后, 上升到水面, 將短波通訊天線露出水面, 與浮標平臺上的短波接收裝置進行信號握手后, 進行剖面數據的傳輸, 實現水體剖面觀測數據的獲取。

2 三錨式浮標綜合觀測平臺水體剖面觀測的實現方式

三錨式浮標綜合觀測平臺實現水體剖面觀測的主要技術方案是采用絞車驅動, 絞車帶動鋼纜在水體中進行上下升降, 鋼纜末端配置有多參數傳感器, 隨著鋼纜的上下升降, 傳感器實時獲取水體的剖面數據。因此, 水體剖面觀測組成包含有絞車、絞車控制器、剖面觀測單元、短波通訊模塊等核心部件, 絞車控制器控制絞車帶動剖面觀測單元按照既定時序對海水剖面進行實時觀測, 當剖面觀測單元完成一個往復剖面觀測后, 上升到達主浮標體甲板附近時, 通過短波通訊模塊將水下剖面數據傳輸至交換機, 并實時通過主無線路由器發送至岸基系統(圖4)。進行水體剖面觀測的水下觀測單元獲取的參數包括水溫、鹽度、葉綠素、濁度、溶解氧、pH值、深度。

圖4 剖面觀測系統組成圖 Fig. 4 The module diagram of profile observation system

絞車系統的運轉情況視海況而定, 具有智能判斷和控制功能, 這部分是三錨式浮標綜合觀測平臺的一個特殊設計, 最主要目的是保護剖面觀測設備在安全的前提下, 長期、穩定、實時地獲取水體剖面數據。當海況十分良好時, 絞車以設計的最慢速度進行上下升降, 進行高密度的水體剖面數據采集, 當海況一般時, 絞車以設計的中等速度進行上下升降, 進行中等密度的水體剖面數據采集, 當海況較差時, 絞車以設計的最快速度進行上下升降, 進行低密度的水體剖面數據采集, 當遇到極端惡劣海況時, 絞車則停止工作, 不再進行水體剖面的觀測。海況好壞的判斷數據是來自主浮標體常規觀測數據, 絞車控制器與主浮標體的數據采集器之間可進行交互通信, 常規觀測的風、浪、流、浮標姿態等主要數據會及時發送到絞車控制器, 絞車控制器根據預先設定的閾值判斷絞車將采取何種運動方式, 包括慢速運動、中等速度運動、快速運動或不運動, 并據此自動確定水體剖面觀測的上下升降周期。智能控制中所需的風、波浪、海流及浮標姿態的閾值須在具體觀測海域的長期實驗過程中不斷修正和調整, 盡可能保障剖面觀測的可靠性和安全性(圖5)。

圖5 絞車智能判斷方案 Fig. 5 The intelligent judgment scheme of winch

3 三錨式浮標綜合觀測平臺的實際應用

3.1 研制過程

三錨式浮標綜合觀測平臺實際研制周期近5年時間, 從2013年開始構思, 研討相關方案, 2017年立項, 至2018年4月17完成主浮標體建造, 2018年7月21日全部完成調試和岸邊拷機, 并布放至實驗海域, 開始為期一年時間的實驗觀測[14]。

三錨式浮標綜合觀測平臺在進行海上實驗觀測的過程中, 設置了完善的安全保護系統, 以確保整體系統的安全、穩定運行, 包括人員闖入報警和事故報警等。主浮標體上安裝AIS系統和獨立北斗定位系統, 可對浮標站位進行有效監控, 防止跑標, 有效保障浮標安全。另外, 整套系統還配置了視頻監控系統, 即可進行浮標運行狀態和周圍海況的視頻查看、研究, 也可進行浮標系統的安全保障。

三錨式浮標綜合觀測平臺的數據接收系統包括常規數據接收處理系統和剖面數據接收處理系統, 兩者均對接收的數據進行實時校驗, 只有校驗正確的數據才被處理, 保證數據準確可靠, 數據接收系統具有良好的安全性、容錯性、成熟性, 采用標準化的數據質量檢驗流程和先進的數據庫存儲系統, 可實現對接收數據的查詢和曲線分析功能, 并且軟件設計和采用的數據庫都具有很強的可擴展性, 以保證后續功能的擴展開發。

三錨式浮標綜合觀測平臺在海上實驗海區運行的一年時間內, 經歷了多個惡劣天氣, 其中包括2018年的第10 號臺風“安比”[15], 2019年的第5號臺風“丹娜絲”和第9號臺風“利奇馬”等, 在臺風經過期間, 水體剖面觀測設備根據主浮標體上常規觀測設備實時測得的風、浪、流、浮標姿態等數據進行了智能判斷, 保證了水體剖面觀測設備在不同海況下的安全穩定運行狀態, 同時也充分證明了三錨式浮標綜合觀測平臺運行的可靠性和穩定性。

3.2 三錨式浮標綜合觀測平臺實驗數據的獲取情況

三錨式浮標綜合觀測平臺獲取數據主要包括兩部分, 一部分傳統意義上的海表觀測數據, 這類數據一般10 m的大型綜合觀測浮標和小型的綜合觀測浮標均可以獲取到, 另一部分為僅僅依靠三錨式浮標綜合觀測平臺才能獲取到的連續水體剖面觀測數據。三錨式浮標綜合觀測平臺自2018年8月15日12: 00開始進行水體剖面觀測, 至2019年10月28日12: 00截止, 按照設定程序, 水體剖面觀測設備獲取的剖面參數共9項, 包括水深、濁度、葉綠素、溶解氧、pH值、水溫、電導率(鹽度)、采集時間、接收時間, 理論計算應采集數據55 968條, 但是由于進行水體剖面觀測的絞車系統具有智能判斷功能, 不利的海況下絞車停止工作, 對剖面觀測系統起到了很好的保護作用, 因此, 實際獲取有效觀測數據量為41 048條, 對這些有效觀測數據同時進行了多次的現場數據比測, 證明獲取到的觀測數據質量良好。

智能判斷閾值的設定是保證水體剖面觀測安全穩定運行的一個關鍵, 經過不斷修正和優化, 在觀測試驗海域, 最終確定的閾值條件如圖6所示, 實際的運行中智能判斷涵蓋以下4種條件, 條件1: 四級風速為14.4 m/s, 四級波高為1.6 m, 四級流速為1.6 m/s, 當風、浪、流有任意一項參數大于等于四級時, 絞車停止工作; 條件2: 三級風速為12.6 m/s, 三級波高為1.4 m, 三級流速為1.4 m/s, 當風、浪、流所有參數小于四級, 且有一項參數大于三級時, 絞車排纜收放速度為5 m/min, 使得絞車運行速度加快, 盡快觀測完畢收回至甲板位置; 條件3: 二級風速為10.8 m/s, 二級波高為1.2 m, 二級流速為1.2 m/s, 當風、浪、流所有參數小于三級, 且有一項參數大于二級時, 絞車排纜收放速度為4 m/min; 條件4: 一級風速為9 m/s, 一級波高為 1 m, 一級流速為1 m/s, 當風、浪、流所有參數小于二級時, 絞車排纜收放速度為3 m/min。智能絞車進行海況判斷所依據的常規數據主要選取絞車運動點次的前三個點次獲取的風、浪、流數據。

在一年時間的試運行中, 智能絞車判斷功能的有效性得到了充分證明, 表2所選取的即是具體智能判斷的實例, 所以絞車停止運行。同時也可以看出, 智能判斷功能中通過閾值判斷從而停止水體剖面觀測進行的時間主要集中在臺風期間和農歷大潮汛期間, 這對于剖面觀測系統的安全性起到了很好的保護作用。

圖6 三錨平臺設定的智能控制閾值 Fig. 6 The setting Intelligent control threshold of three-anchor buoy integrated observation platform

表2 通過智能判斷閾值停止絞車工作的部分案例 Tab. 2 Some cases of the winch immobility by intelligence judgement threshold

當然, 以上的智能判斷閾值僅僅適用于觀測試驗海域, 不具有通用性。三錨式浮標綜合觀測平臺布放于哪一個海域, 通過歷史資料或者現場獲取的一段時間長度的常規觀測數據, 結合浮標姿態不斷優化、調整, 最終才可以確定目標觀測海域的智能判斷閾值, 不是所有海域均使用一套判斷閾值, 這在其控制數據采集器中也融合了AI(Artificial Intelligence, 人工智能)技術中的機器學習功能。

4 小結

三錨式浮標綜合觀測平臺在海洋觀測技術領域是一個嶄新的應用, 同時也是一項系統性的創新研究, 觀測內容和方式上具有海氣界面觀測、通量觀測、水面觀測、水體觀測、海底觀測等多項綜合觀測以及應急生態災害專項監測諸多功能于一體的特點。

概括而言, 三錨式浮標綜合觀測平臺與現有的直徑10 m的大型海洋綜合觀測浮標系統相比, 還具有以下顯著特點:

1) 采用錨系+保護浮鼓組合成三錨系留系統, 增強了抗惡劣環境的能力, 極大提高了浮標的錨泊安全可靠性。

2) 三錨系統呈120°均布, 通過保護浮鼓的浮力拉緊主浮標體, 極大的限制了主浮標體的旋轉自由度, 使主浮標體具有極高穩定性。

3) 主浮標體穩定性和可靠性高, 減少了浮標的旋轉和搖擺角度, 從而提高了觀測系統的數據準確度, 同時通訊設備的姿態保持良好, 也大大提高了數據的傳輸準確率。

目前三錨式浮標綜合觀測平臺雖然在近海有限的水深下取得了試驗成功, 但是仍然存在許多問題亟待解決, 有些問題甚至是與其顯著特點相伴生的, 諸如需要充足的安全可靠的能源供給、在更大水深下剖面觀測的安全性、新技術視頻和遠程監控的穩定性等, 還有由于標體增大和三錨系留結構導致整體系統隨波性差, 對波浪的測量能力弱等自身問題, 尤其是三錨式浮標綜合觀測平臺海上布放和回收的施工難度極大等, 這些方面都需要進一步的技術研發, 逐漸予以解決。水體剖面觀測數據的近實時情況也是一項亟待解決的問題, 目前已經著手進行具有通信、供電和高強度、高耐磨性的新型水下鎧裝電纜的研究和設計, 隨著技術和加工工藝的逐漸成熟, 今后有望采用新型水下鎧裝電纜取代短波通信結合普通鋼纜的水體剖面實現方案, 從而實現三錨式浮標綜合觀測平臺對近海水體剖面觀測數據真正的實時、長期、穩定、連續的安全獲取。

即使三錨式浮標綜合觀測平臺尚有許多亟待解決的技術難題, 但實踐證明, 目前該技術方式對于近海水體剖面數據的獲取十分有效, 且該平臺預留多種觀測井、儀器艙, 如果出現突發生態災害或根據實際應用和科學需求, 短期駐留海上試驗人員, 可以進行綜合的海上觀測試驗, 是簡易、實用的海上試驗綜合觀測平臺, 可大大豐富近海水體數據的獲取方式及相應的數據量, 對于精細化的研究近海問題, 諸如沿岸流特征、低氧、酸化、赤潮、綠藻等生態問題[16-20], 提供更加有力的科學數據支撐。