船海一體化海洋環境立體監測系統設計

張健庚 賀保衛

（1.中船重工（青島）海洋裝備研究院有限責任公司，山東 青島 266520；2.青島杰瑞工控技術有限公司，山東 青島 266061）

0 引言

目前，我國海洋生態環境呈現惡化趨勢，隨著經濟的發展以及國家發展要求，合理利用海洋資源，減少海洋災害造成的損失，為政府制定海洋環保政策和海洋發展計劃提供依據，建立一個監測覆蓋面積廣、監測手段豐富的海洋環境立體監測系統是海洋環境監測技術發展的必然趨勢。

海洋環境立體監測系統，是一套由空基-岸基-海基構成的連續、快速、有效的多平臺、可長期定點監測海洋環境的立體監測系統。空基海洋環境監測平臺以海洋無人機等組成；岸基海洋環境監測平臺以固定的海洋環境監測站與地波雷達站組成；海基海洋環境監測平臺以潛標、浮標、漂流浮標、水下觀測站等構成[1]。

1 現狀分析

了解到目前的海洋環境監測手段單一，多為單一縱度或者橫截面監測，在廣域的海區實現全方位立體化監測比較困難。主要問題包括4 個方面：1）各類監測設備相對獨立，數據的獲取來源較為分散，數據尚無統一的規范可遵循，融合情況不佳。2）監測系統集成性差，目前構建一個統一的系統對所有的觀測設備進行統一管理較為困難。3）數據的存儲，基本依靠定時或者人工上傳的方式，數據的實時性相對比較差。4）數據的分析，主要依靠設備自身附帶的軟件和人工進行分析，功能單一。

為了克服現有技術的不足，解決監測不夠立體化等問題，設計了船海一體化海洋環境立體監測系統，其優勢為將不同的監測成果集成在一個區域性的海洋環境立體監測系統中，建立海洋環境要素數據庫、提高數據采集效率、為相關領域提供各種形式的信息服務，系統朝智能化和一體化方向發展。

2 系統總體架構設計

一個完整的海洋環境立體監測系統從總體結構上由立體監測集成平臺、數據中心、用戶部分組成，如圖1 所示。其中海洋環境監測集成平臺由氣象監測子系統、水文監測子系統、海水環境監測子系統、海底面監測子系統和大氣環境監測子系統組成；數據中心包括數據傳輸系統和數據處理系統，利用通信網絡將數據與信息連接成一個整體系統[2]，并將系統間數據提供給各級用戶。

圖1 海洋環境立體監測系統組成

利用建于空基（衛星、飛機）、海基（浮標、船舶）、海底（潛標）的監測設備直接獲取所在海域的監測數據與資料。數據傳輸系統利用無線或有線等方式將監測數據快速、有效地傳輸至數據處理系統。數據處理系統將原始監測數據進行預處理，建立數據庫，進行信息產品制作及管理。

3 立體監測集成平臺設計

3.1 氣象監測子系統

船舶氣象采集儀是氣象監測子系統主要組成，是一種用于風速、風向、氣溫、相對濕度、海平面氣壓等海洋氣象參數自動觀測的智能儀器，具體參數監測范圍見表1。

表1 氣象參數監測范圍

3.2 水文監測子系統

水文監測主要包括海水流速、流向和海水水質等。該系統采用海流測量儀，基于聲學多普勒技術測量流速和流向，具有測量范圍廣、精度高、準確性強的特點，具體參數見表2。并且海流測量儀設計緊湊、堅固耐用、操作簡單、無活動部件、抗生物附著性強，可采用船載固定支架進行布放。海水監測系統主要采用海水環境監測浮標等用于采集海水數據，包括甲烷、二氧化碳、海水壓力、海水溫度、海水鹽度、海水濁度、多普勒聲學海流、多普勒聲學剖面海流等，對整個海洋環境進行立體監測。

表2 水文參數監測范圍

獲取數據信息后需進一步修正數據參數，才能夠正確的反應測量點的海水環境數據。修正公式為參數真實值＝參數讀數*slope，其中

式中：ai表示第i個水化學分析樣本由傳感器測出的參數，bi表示第i個水化學分析樣本由水化學分析實驗獲得的參數，slope表示修正后的斜率參數修正值。

3.3 海底面監測子系統

海底面監測子系統組成如圖2 所示，主要使用坐底式觀測平臺用于采集海底數據，包括海水溶解甲烷、二氧化碳、溫度、鹽度、壓力、溶解氧、pH 值、濁度、葉綠素、多普勒聲學海流、多普勒聲學剖面海流等，以用于風險現象預防。

圖2 海底面監測子系統框圖

坐底式觀測平臺一般工作于海深超過1000m 的海床處，一般通過船只進行布放坐底式觀測平臺，借助船只的通信電纜，將坐底式觀測平臺沉方入海底，并利用水聲與ROV 進行定位，通過錨系將其固定在海床上。系統采集觀測儀器測量數據后進行存儲，并可通過水聲通信傳輸測量數據。系統工作時間結束后，通過聲學應答釋放器遙控回收。

3.4 海床監測子系統

通過布置在觀測點的多個海床面數據采集設備，對海水水深、底層水溫、水壓等主要影響因素進行分析。同時，利用海床面掃測機器人定時對海床面進行掃測，監測海床面的地形，及時發現海床的異常變化。通過模擬數據試驗驗證和掃測成像軟件以用來評估海床面的穩定性。利用坐底式觀測平臺構成監測陣列，對海底微小形變進行監測；通過多參數水質分析儀中所集成的水下壓力傳感器測量海底壓力，若水下應變發生變化，則壓力傳感器的數值也會隨之發生變化。并且不定期的利用水下機器人在海底進行觀測作業。

海床傳感器采集到的海底形變數據同樣需要進行進一步處理及數據加工，才能夠正確地表述海床的下限程度，參數修正值為測量點周圍3 點的算術平均值。

3.5 大氣監測子系統

大氣監測系統主要包括監測儀、浮標、GPS 單元等。

將集成氣象傳感器、二氧化碳傳感器的平臺監測儀安裝在監測平臺上，實時監測平臺周邊大氣中二氧化碳含量以及氣象數據。在監測平臺周邊設有浮標，每個浮標同樣集成氣象數據獲取傳感器和GPS 系統，實時測量周邊大氣二氧化碳含量，氣象數據獲取子單元采用六要素氣象傳感器，實時測量記錄監測平臺周圍的氣溫、濕度、氣壓、風向、風速、雨量等關鍵性數據，并獲取監測點對海表大氣氣象數據的影響；GPS 用于獲取觀測點的位置數據，主要包括坐標數據和時間數據，并對采集到的這些數據進行定性分析。

4 數據傳輸系統

根據現場監測系統的環境條件不同，系統針對不同的監測設備和平臺采用不同的通信方式。由于氣象水文監測與大氣檢測單元主要布置在海面以上，所以通信方式選擇較為方便、快捷的電纜傳輸和衛星傳輸。檢測單元的數據通信技術包括浮標連接衛星通信和平臺監測儀直接通過電纜進行通信2 個部分。數據收發模塊通過北斗網絡實現現場和數據采集系統之間的無線數據傳輸，一方面負責把數據采集儀采集到的數據發送至采集系統；另一方面，接收從數據采集系統發來的指令，通過這個功能，可以實現儀器設備的遠程操控。通信網絡架構如圖3 所示，數據傳輸采用目前最穩定的北斗/GPRS/CDMA/3G/4G，中控室操控人員可以直接接收數據、發送指令。平臺監測儀則通過電纜與數據采集系統直接相連進行通信。坐底式觀測平臺采取水聲通信方式。其主要優勢為結構緊湊、簡單實施，高速率數字通信，準雙工數據傳輸，先進的多路徑抑制，內置前向糾錯和數據壓縮，有保障的數據傳輸，最高可達8 個可調整優先順序的數據流，不間斷數據流的頂部傳輸實時訊息，UW 網絡特性，低能量損耗，內置相對速度和測距，通信時可跟蹤，可擴展USBL 模塊，信號完整性和多路徑結構診斷，帶有先進命令集的透明串口，OEM 選項和系統集成服務。

圖3 通信網絡架構

5 數據預處理系統

系統通過數據獲取，建立數據庫，開發數據庫應用，對各類系統提供的數據進行分類、合并處理，從而提供可視化產品、數值分析產品等信息化服務功能，進而實現海洋環境立體監測資料的業務化管理和服務[3]。

系統采用4 層體系結構模型構建（如圖4 所示），分別為應用門戶層、可視化服務層、數據資源及處理層和基礎設施，系統層次劃分清晰、功能定位明確、各層間耦合性低，具有良好的可擴展性。

圖4 數據預處理系統體系架構圖

應用層：接收用戶產生的交互信息，向用戶顯示可視化任務執行結果。應用層為用戶定制，提供可視化任務以及操作交互操作，提供統一完整的用戶界面。

服務層：響應可視化應用門戶的任務請求，利用可視化資源完成具體的可視化任務，為可視化應用提供透明、高效、可靠的運行環境，保證可視化任務執行時用戶的可靠性、實時性和穩定性需求。

數據處理層：提供服務層使用的各種可視化數據資源，包括海洋地理信息數據、海洋環境信息數據以及各種實體模型等，并對數據進行必要的整合、加工、處理和標準化。

基礎層：提供系統運行的基礎軟硬件支撐框架。

6 海洋環境立體監測系統應用

6.1 實時監測和通信

海洋環境立體監測系統可以通過浮標與衛星進行通信，通過電纜與平臺監測儀進行通信。系統應用在搶險救災和水下目標入侵報警時都可以突出海洋環境立體監測系統實時監測和通信的優勢。

6.2 遠程操控

海洋環境立體監測系統之間通過無線數據傳輸，因此可以遠程操控設備。當預警到惡劣天氣或探測到渦流發生時，可以對儀器遠程操控，發出報警信號，提醒過往船只。

6.3 精準播報

海洋環境立體監測系統具有測量范圍廣，精度高，準確性強的特點。應用在環境監測、資源勘查、科學實驗等方面，高精度的監測結果都會確保科研工作的順利進行。

6.4 GPS導航定位

擁有北斗定位系統的海洋環境立體監測系統能夠實時監測過往船只的動向，定位船只的位置及動向，可以應用在近岸防衛偵測，預防敵船的侵犯；可以定位船只，對其進行海下暗礁指導，減少事故的發生；可以在大霧天氣，對船只進行位置方向導航；還可以提供失聯船只的循跡報告，為早日破案指明方向。

7 結語

海洋環境立體監測系統如今已被列為我國建設海洋強國的重要內容之一，它能準確有效地將海水質量、海洋環境綜合變化清晰地展現出來，為國家海洋生態環境保護方面提供支持。如何加強系統設計技術研究是建立現代化立體監測系統的關鍵。海洋環境立體監測系統設計是一項復雜的設計過程，其中涉及數據的采集、傳輸、處理、可視化信息化服務等多方面技術問題。利用該設計方案的海洋立體觀測平臺，可以為海洋相關部門提供相關服務。但如何科學規范的加強系統頂層設計，更好地實現系統及業務化運行，還需要進一步研究。