海洋儀器測試海區綜合環境信息監測系統的研發

姜靜波 , 王 鑫, 于 非 ,

(1. 中國科學院海洋研究所, 山東 青島 266071; 2. 中國科學院大學, 北京 100049; 3. 中國科學院海洋大科學研究中心, 山東 青島 266071; 4. 國家海洋技術中心, 天津 300112; 5. 青島海洋科學與技術試點國家實驗室海洋動力過程與氣候功能實驗室, 山東 青島 266237; 6. 中國科學院海洋環流與波動重點實驗室, 山東青島 266071)

由于海洋儀器設備通常工作于復雜的海洋環境(如高海況、高低溫、濕熱、霉菌、振動沖擊、腐蝕、高壓等嚴酷條件), 在海洋儀器裝備產業化和業務化應用過程中, 實海況測試是對海洋儀器設備的可靠性、環境適應性等進行客觀評價的重要依據,是檢驗設備和技術是否達到預定成果的終極途徑,是海洋高技術由實驗室走向實際應用必不可少的重要環節。

當前, 歐美等海洋發達國家在海洋儀器設備的現場測試技術研究方面總體處于世界領先地位。美國在蒙特雷灣建立了蒙特雷加速研究系統(Monterey Accelerated Research System), 為進入美國海洋觀測網的海洋儀器與裝備提供易接入的、深海試驗與測試平臺, 并為研究人員在 MARS觀測系統附近開展物理、生物、地質和化學觀測提供幫助; 加拿大在薩尼奇灣建立了海洋技術試驗場(Ocean Technology Test Bed), 幫助研究人員開展科學儀器原型設計、海洋技術開發和系統工程。

為了推進海洋新技術盡快向產品轉化, 國家非常重視海洋儀器設備海上試驗場區或基地的建設。山東威海褚島海域憑借其自身優良條件入選我國近海海洋儀器裝備實驗場。作為代表性的試驗場區, 需要對本區域水文氣象、生物化學、底質等環境信息進行搜集和調查, 為海洋儀器設備的測試與評價工作提供翔實的環境背景數據。

本文提出一種在褚島海域搜集和管理環境信息監測系統的研究方法, 在對測試試驗海域環境信息數據和精細化調查數據收集和深入分析的基礎上,實時掌握海域環境背景場的時空分布特征和變化規律, 開展數據查詢、統計等技術研究, 建立環境數據信息管理系統, 實現各類海洋環境數據信息的有效管理, 服務于海洋儀器的測試與評價工作。

1 海域監測站點布局設計及觀測內容

監測海區以褚島為基準, 一共建立了 6套監測單元, 其中標準氣象站、驗潮站、多參數浮標、波浪浮標各1套, 海床基水下觀測平臺2套, 所有監測單元均按照相關行業規范進行布設。岸上設有陸基監測平臺, 用于在線接收海區內各單元傳回的實時數據。監測單元布局圖如圖1所示。

圖1 海區監測單元布局示意圖Fig. 1 Position of the marine monitoring units

氣象站建于褚島的制高點, 海拔 68 m, 架設風速風向傳感器、溫濕度傳感器、氣壓傳感器、降雨量傳感器、能見度傳感器, 收集整個海區的綜合氣象資料; 褚島東側建立驗潮站, 常年觀測海區潮位的信息; 多參數浮標集成了小型海面綜合氣象站, 水下溫鹽深傳感器、水質傳感器、化學傳感器, 獲取海區海面水層的水文水質要素; 測波浮標用于測量海區的波高、波向、波周期等波浪要素; 海床基水下觀測平臺為座底式系統, 集成了多普勒剖面流速儀、溫鹽深傳感器、水質傳感器, 獲取海區的剖面流速流向、海底處水文水質要素。海島氣象站、多參數浮標、測波浮標所測量的數據通過北斗和CDMA網絡并行發送給陸基監測平臺, 2臺海床基水下觀測平臺通過水下電纜將采集的信號傳送至驗潮站, 驗潮站的數據采集系統接收到上述信號后, 連同本身采集的潮位信息, 一起通過北斗和 CDMA網絡并行發送給陸基監測平臺, 精細化人工現場測量每季度開展一次, 主要完溫鹽、水質等要素的走航式斷面調查,獲取的數據將以人工方式導入到陸基監測平臺的數據庫中。功能框圖如圖2所示。

圖2 監測系統整體功能框圖Fig. 2 Functional block diagram of the monitoring system

為做到監測數據的實時傳輸, 凡傳輸終端位于海面以上的站點, 均采用北斗網絡和CDMA網絡雙鏈路傳輸方式。北斗衛星網絡覆蓋范圍廣闊, 可實現中國境內的全覆蓋, 但受制于單次傳輸有限的數據量, 要實現大規模數據的傳輸, 通常需要分多個數據包完成傳輸, 需耗時數分鐘, 且資費較高; CDMA網絡資費低廉, 可實現單個數據包一次性傳輸完畢,但受制于陸地基站的建設, 很多海區無CDMA網絡,并且部分信號覆蓋海區受天氣影響, 相同地點在不同天氣條件下, 信號強度會有明顯差異。兩種傳輸方式各有利弊, 將其并行使用, 可以最大限度的保障數據的傳輸時效和完整率。表 1給出了兩種網絡各自的無線傳輸特征。

2 海域環境數據信息管理

測試試驗海域環境數據信息管理分為基礎數據庫、數據質量控制、數據分析與應用、數據可視化4個有機結合的功能模塊。

表1 北斗網絡和CDMA網絡無線傳輸特征表Tab. 1 Data transmission characteristics between BeiDou and CDMA networks

(1) 基礎數據庫。對測試試驗海域歷史數據、實時監測數據、模擬與預報數據的存儲、安全訪問控制和備份等基本數據管理功能。

(2) 數據質量控制功能模塊。研究試驗場相關數據質量控制方法, 完成方法的軟件封裝, 建立數據質量控制功能模塊, 在實測數據進入基礎數據庫前,對數據進行過濾與篩查, 剔除無效數據, 保證入庫數據質量。

(3) 數據分析與應用功能模塊。基于基礎數據庫,建立數據分析與應用功能模塊, 實現各測試試驗過程中所需的環境參數的統計分析和圖件繪制, 實現環境參數的多條件查詢與導出。

(4) 數據可視化功能模塊。基于基礎數據庫, 應用 GIS 技術, 針對測試試驗需求, 建立數據可視化功能模塊, 實現覆蓋全測試試驗海域和全部數據信息的可視化展示。

數據信息綜合管理平臺由前端的人機交互界面和服務器端后臺數據庫管理系統構成, 整體上基于C/S 架構, 將上述4個功能模塊整合在一起。所有的站點采樣數據會以加密的字符串形式每小時通過無線網絡傳送至與服務器的網路端口, 數據庫管理程序將字符串解密后, 完成各個觀測要素數據的智能解析與入庫操作。用戶或管理人員只需通過前端界面向服務器端提出請求, 利用分級秘鑰獲取服務器端返回的結果, 可實現數據的查詢、檢索和管理。圖3給出了數據信息管理系統示意圖。

圖3 數據信息管理系統示意圖Fig. 3 Schematic of the data information management system

3 陸基綜合監測平臺

綜合環境信息監測系統站點眾多, 數據需要集中匯總到陸基數據庫, 并在陸基監測平臺做界面化顯示, 其建設是一個復雜的工程。表2給出了各工作站點的工作模式。

表2 各工作站點數據傳輸信息表Tab. 2 Data information table for each worksite parameter

在各站點陸續布放投入使用后, 各站點將各自采集的數據分別發送至陸基服務器, 為避免數據同一時刻扎堆傳至服務器端口, 造成數據沖突乃至丟失, 為每個站點設計了特定的數據傳送時間。陸基服務器始終開放兩個端口, 分別接收北斗網絡數據信號和CDMA網絡信號, 各站點的數據按照預設定的發送時間, 先后通過不同的網絡傳送至服務器對應的端口。數據傳輸時序見圖4。

圖4 北斗網絡和CDMA網絡傳輸模式下數據傳輸時序圖Fig. 4 Sequence diagram of data transmission in the BeiDou and CDMA networkss

由圖4可見, 借助表2信息, 由于受制于北斗網絡傳輸數據字節的限制, 在該網絡下, 完成海上全部數據的傳輸所需時間為11 min, 遠高于CDMA網絡完成數據傳輸所需的4 min。數據均在整點前完成傳輸, 并在整點時刻完成數據更新。因為CDMA網絡的通信鏈路受天氣影響較大, 因此, 終端顯示采用解析后的北斗網絡回傳數據, CDMA網絡回傳數據作為數據備份存在數據庫中。

完成傳輸后, 所獲取的數據需要在入庫存儲之前進行篩選, 完成質量控制。在此過程中, 嚴格按照監測要素指標要求執行, 對不符合數值范圍的監測數據進行篩選和剔除, 呈現可靠有效的監測數據。通過分析該海區的實際歷史環境信息資料, 對其環境數據資料做了如下質量控制, 如表3所示。

表3 數據質量控制表Tab. 3 Data quality control

陸基服務器端口在收到各站點傳過來的數據后第一時間先以文本形式存儲原始記錄, 緊接著進行數據解析, 各個環境信息要素經過解析后的值, 如果不符質量控制表里的條件, 將被認為是無效數據,不予存儲。在數據的處理后臺管理的方法上, 增加了人工復檢的第二步的數據質量控制方法, 將程序篩選后的入庫數據進行了二次檢查, 引入此步驟, 可以提高系統的數據有效率, 增強系統數據的科學性與可靠性。

數據經一系列處理之后, 完成入庫, 將通過人機交互界面呈現出來。通過軟件界面, 可以看到各個參數最近時刻更新的數據。軟件具有良好的可擴展性和易維護性, 具備分級顯示、用戶訪問權限管理等功能。通過站號的選擇, 可以方便切換到目標站點的信息; 通過查詢功能, 可以根據需求按條件檢索信息; 具備數據管理和報表生成功能, 方便業務化管理的需求。

軟件界面見圖5。

圖5 數據采集軟件界面Fig. 5 Interface of the acquisition software

圖6 給出了2020年2月6日至2月13日期間波浪浮標最大波高、對應波周期和測風塔的最大風速數據曲線, 可以方便科研人員通過軟件進行階段性的數據查詢和展示。

圖6 一周內最大風速、最大波高、最大波周期的數據曲線Fig. 6 Data curve of maximum wind speed, maximum waveheight, and maximum wave period in a week

4 小結與展望

6個站點自 2018年以來, 陸續布放于褚島海洋儀器測試海區, 取得了連續的實時觀測數據。作為海洋儀器裝備性能測試與評價的背景場數據, 為海洋儀器設備在定點、長期、連續的實海況下, 穩定性、可靠性、環境適應性和可維修性的測試與評價工作,提供了翔實的環境背景數據和數據信息服務。特別是在2020年冬天, 獲取了連續寒潮過境時的綜合環境信息, 更是為場區積累了極端天氣下的寶貴氣象水文數據,

通過調取一段時間內的數據, 科研人員可以按需求檢索測試海區內的海洋環境信息, 了解季節性的海況變化, 為儀器的海上測試工作制定計劃。環境信息監測系統在后期將與數值預報與分析手段相結合, 發揮小區域、多站點觀測的優勢, 創新數據分析與處理方法, 利用測試試驗海域環境數值模擬與預報系統, 實時掌握海域環境背景場的時空分布特征和變化規律, 為儀器設備測試試驗的時間窗口、試驗周期、試驗區域選擇等試驗方案制定、儀器設備測試與評價提供依據。