廣域海洋船載集成式環境動態監測系統設計

摘" 要：基于海洋環境監測技術知識，從系統組成、關鍵技術、應用效果等方面梳理分析岸基固定式、浮標漂浮式和垂直斷面式3種常用集成式監測系統形態，總結在應用和研究上存在的問題。利用海上已有船舶資源為載體，從基礎物理感知、通信鏈路傳輸、平臺網絡獲取和數據分析應用4層面，研究設計“集成式布設、多節點流動、一體式接收”的廣域海洋船載集成式海洋環境動態監測系統拓撲架構和工作原理，最后從監測海域范圍、占地空間、用電方式、維護周期和維護人員上進行性能優勢分析。

關鍵詞：廣域海洋；環境動態監測；船載；集成式；環境動態監測系統

中圖分類號：U674.37" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）05-0130-04

Abstract： Based on the technical knowledge of marine environmental monitoring， the three commonly used integrated monitoring system forms， namely shore-based fixed type， buoy floating type and vertical section type， are sorted out and analyzed from the aspects of system composition， key technologies， and application effects， and the problems existing in application and research are summarized. Using existing ship resources at sea as carriers， a wide-area ocean with \"integrated layout， multi-node flow， and integrated reception\" has been studied and designed from four levels： basic physical sensing， communication link transmission， platform network acquisition， and data analysis and application. The topology and working principle of the ship-borne integrated marine environment dynamic monitoring system are analyzed. Finally， the performance advantages are analyzed in terms of monitoring sea area range， floor space， electricity consumption method， maintenance cycle and maintenance personnel.

Keywords： wide-area ocean; dynamic environmental monitoring; shipborne; integrated; dynamic environmental monitoring system

環境污染和氣候變化是當今全球面臨的兩大挑戰，碳排放持續增加對生物多樣性和生態穩定有著巨大威脅，對社會經濟可持續發展產生嚴重負面影響[1]。為此，世界各國組織頒布了一系列相關法規政策[2-3]：2009年，歐盟制定《二氧化碳捕獲與封存指令》；美國頒布地下注入控制計劃和安全碳封存技術行動條例；聯合國政府間氣候變化委員會（IPCC）也發布《氣候變化2021：自然科學基礎》，指出目前全球地表平均溫度較工業化前高出約1 ℃，人類活動已造成大氣、海洋和陸地變暖。我國先后頒布《大氣污染防治行動計劃》、《打贏藍天保衛戰三年行動計劃》和《二氧化碳捕集、利用與封存環境風險評估技術指南（試行）》，2020年習近平主席在第75屆聯合國大會上宣布“二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和”目標后，又在氣候雄心峰會上進一步宣布了我國自主貢獻的一系列新舉措[4-5]。而海洋作為全球水汽循環和碳循環的重大載體[6]，其包含的葉綠素、泥沙含量等水色環境參數，溫度、鹽度、流速、流量、波浪和潮汐等動力環境參數，以及海底地形、海洋沉積物、凍土等地質參數都會直接影響碳循環和碳交換，是全球氣候變化和維持生態平衡的關鍵因素。因此，深入剖析認知海洋環境，研究建立完備的海洋環境監測體系可以為全球綠色低碳發展和實現“雙碳”目標提供關鍵技術支撐。

海洋環境監測技術作為認知海洋的重要手段，綜合采用機械、電子、能源、材料和信息等交叉學科知識，實現海洋動力、氣象、水文、生態、化學、海洋聲光電物理特性及海洋地質地理等環境要素的監、觀、勘測。近年來，我國積極建設能夠覆蓋一定海域范圍、長期自主工作、實時獲取海洋環境綜合信息的海洋環境監測系統，但從長遠發展來看，海洋環境監測系統技術逐漸從單平臺到多平臺、從單一對象到多要素監測方向發展，朝著高度集成化、綜合化、遠距離的具有信息自動處理能力的信息網絡發展。

1" 技術現狀及存在問題

1.1" 常用集成式海洋環境監測系統

綜合文獻[7]—文獻[9]分析，目前集成式海洋環境監測技術形態最具有代表性主要有岸基固定集成式、浮標漂浮集成式及垂直斷面集成式3種。

1.1.1" 岸基固定集成式海洋環境監測系統

運用測量感知、自動控制、電子信息及計算機分析軟件技術實現水質、水文等智能監測，通過水樣取配及處理、電能供給、安全控制、數據采集及通信傳輸等完成目標參數檢測和獲取。系統在設計上較為成熟，應用相對成熟，國內運行站點數達數百臺套，主要用在距離海岸一般小于200 m近岸海域，通常占用土地空間需要8～20 m2，額定功率應用在400 W以上，需要市電交流220 V接入和專業運維人員每周1次的定期維護保養。

1.1.2" 浮標漂浮集成式海洋環境監測技術方案

運用測量感知、檢測控制、電子通信及計算機分析等技術將設備集成于水面浮體內實現自動監測，可同時測量氣象、水文、水質等參數，主要由聚脲或鋼制浮體、單點錨系、供配電單元、數據采集單元、控制及傳輸單元、顯示單元和感知傳感儀器組成。系統設計主要用于距離海岸小于20 km的近海海域，采用單點錨系使得系統整體漂浮于一定范圍內，主要采用光伏發電和蓄電池儲能實現能量供給，整體功率通常控制在50 W以內，無需占地空間需求，但仍需要專業運維人員每月1次定期進行系統維護保養。

1.1.3" 垂直斷面集成式海洋環境監測系統

系統通過水下纜系技術將“海面—海中—海底”設備連接實現海洋垂直斷面監測，由海面漂浮單元、上端纜系單元、海中潛標單元、下端纜系單元和海底固定基站組成。其中，海面漂浮單元漂浮于海面之上，完成監測表面水體環境和氣象等參數；海中潛標單元置于離海面20～50 m處位置，通過上端、下端纜系單元分別與海面漂浮單元及海底監測基站連接。海底基站為海底水體監測傳感儀器提供集成空間和能量，并獲取海底關鍵參數信息。系統設計應用于近兩年剛剛起步，主要用于離岸大于20 km的較遠海域，對可靠性要求較高。系統所需能量供給主要通過海面漂浮單元上光伏和儲能模塊實現，監測總功率有所上升，但總體通常控制在150 W以內，需要極為專業運維人員每半年1次的定期維護保養。

1.2" 存在的問題

1.2.1" 區域監測邊界定位單一，海洋監測實施廣域多元化需要加強

固定式、漂浮式和垂直式等多種技術形態及應用日漸增加，但監測區域邊界定位單一，主要用于定點取樣監測或監測范圍受限。一是監測概念需要發展。在社會主義生態文明建設及“雙碳”目標的大背景下，“點—線—面”概念和關系有待用發展的眼光去看待，從固定一點或一范圍來監測海洋環境已難以充分展現整體環境狀況，廣域海洋下多元要素的環境監測是新階段研究主體，是面向生態環境部“監測先行”要求的重要體現。二是監測技術需要改變。相較于傳統的固定式監測技術，流動式監測技術應該被提升，內河無人船、無人機等應用無一不說明這一點，但針對廣域海洋而言，應根據其實際特性及已有資源做好目標定位和措施保障。

1.2.2" 系統集成協同程度欠缺，海洋監測系統一體智能化有待提升

現階段海洋環境監測技術按照“分模塊—整體組合”模式設計，通過硬件連接實現，固定式岸基、漂浮式浮標、垂直斷面集成式技術中均是如此，各部件協同均有一定延時，致使集成程度有所欠缺。一是一體化設計理念不足。從模塊到整體的設計思路，缺乏“自上而下”即整體到模塊的相關理念，不能從宏觀統籌整體與部分的關系。二是智能協同軟連接流程研究缺乏。不同屬性模塊之間應縮短硬件連接距離，增加軟連接流程和實施標準規范研究，實現部件間協同實效性。

1.2.3" 運維數字關聯應用落后，海洋監測運維簡便高效化相對薄弱

海洋環境監測運維技術是保障監測系統應用的長期有效的重要保障。常用技術形態目前運維操作相對復雜，基本是靠專業人員現場完成。一是技術設計偏向前端，未能有效向后端擴延，導致“頭重腳輕”。二是操作偏向傳統方式，數字化服務引入不夠。運維人員操作方式采用“互聯網+”遠程控制、大數據分析及處理等相對落后，使得操作簡便、高效相對薄弱。

2" 廣域海洋船載集成式環境動態監測系統設計

2.1" 系統拓撲架構設計

廣域海洋船載集成式環境動態監測系統設計利用海上已有航運船舶資源為載體，建立“集成式布設、多節點流動、一體式接收”的全海域環境監測系統。系統由多個單節點系統組成，單節點之間相互獨立工作，統一經傳輸信道將數據傳輸至接收終端。單節點結構按功能層級進行設計，分為感知設備層、采集控制層、能量供給層、標簽層、通信層和框架保護層，如圖1所示。

單節點為監測系統的主體設計，各層相互協調，并行協作，完成水體信息的感知、采集、存儲及傳輸。

感知設備層由基礎水體感知儀器組成，通過與水體直接或間接接觸，應用光學、聲學、電子等技術原理測量水體水質、水文等環境特征參數信息，并具備外部數據傳輸接口。

能量供給層主要設計能量耦合及變換管理器，根據船舶實際配置條件，可耦合接入船舶供電或風電等自然能轉換的電能，通過穩壓、分壓變換、濾波等功能模塊實現所需電壓的各層級轉變，并采用繼電控制及電量監測完成對系統其他終端設備所需電能管理分配。

采集控制層設計控制融合及數據采集器，負責對不同基礎水體感知儀器接口協議相互融合和數據多通道并行接收，并對感知儀器及系統其他設備下發控制命令，實現系統的自動運行工作，同時完成多種水體環境動態信息的匯聚、轉換和控制。

標簽層設計多點分布標簽識別及定位器，包括標簽識別和定位模塊，完成系統裝置的類別和位置標識功能，類別信息通過人工軟件代碼寫入編號實現，位置信息由北斗衛星定位獲取經緯度而獲得。

通信層設計通信傳輸自適應調節器，主要應用北斗衛星及4G移動網絡通信，根據廣域海洋范圍內現場信號范圍和采集的數據容量進行自動切換傳輸信道，完成指令的下發和水體數據上傳等信息傳輸工作。

框架保護層設計一體式垂直集成結構平臺，外觀呈圓柱形，內部進行垂直分層結構及機械密封設計，實現電源、控制、數采、通信、定位及水體感知等儀器的集成安裝和結構密封。

2.2" 工作流程原理設計

系統設計工作流程原理按照“自上而下、并行協作”模式進行設計，分為層內模塊化工作，層級間聯動工作。工作原理圖如圖2所示。

能量耦合及變換管理器接入所處載體船舶內電源（220VAC或48VDC）或風電自然能轉換電源（48VDC），達到系統整體能量源的耦合輸入。系統能量源整體接入后，經220VAC-48VDC或48VDC-48VDC、48V-24/12/5VDC兩級電源變換，完成下一層級設備所需能量的輸出。同時，下一層級設備能量輸出前設置電量監測和繼電控制保護雙模塊，進一步對電源使用狀態進行監控和控制，以保護下設備用電的有效和安全。基礎水體感知儀器包括水質、水文及水體生物動態感知儀器，監測參數包括水溫、溶解氧、濁度、酸堿度（pH）、電導率（鹽度）、流速、流向及水面生物狀態等，并可根據實際水體信息監測需要進行擴展。感知儀器通過與水體直接或間接接觸獲取水體特定參數信息，通過通信接口傳輸至系統上一層級控制融合及數據采集器。

控制融合及數據采集器持續接入上一層級能量輸出長時工作，在系統中起到上傳下達、中心處理的作用，包括控制量輸出、模擬量監測、數據雙向傳輸及數據采集存儲處理模塊。控制量輸出模塊通過控制量信號的輸出實時或定時控制上一層級能量供給層與下一層級感知設備層的電源供給通斷；模擬量監測模塊采集識別電壓、電流及溫濕度等系統內部狀態信息量判斷系統運行環境的良好情況；數據雙向傳輸模塊負責向上下級設備發送指令或接收信息；數據采集存儲及處理模塊負責獲取其他模塊采集的數據信息，完成初步處理與內部儲存。

多點分布標簽與定位器通過定位模塊和標簽模塊分別獲取系統當前類別編號和位置信息，分別連接采集控制層和通信層，實現信息的系統內部識別存儲和遠程傳輸至接收端。通信傳輸自適應調節器還與采集控制層直接連接，通過數據容量和信號覆蓋強度檢測，自動調節信息傳輸通道，完成系統所采集信息的發送傳輸。

2.3" 性能分析

廣域海洋船載集成式環境動態監測系統以單節點船舶為載體，采用海上組網方式進行目標海域環境數據采集，集成光、電、結構等模塊，掛于船舶側邊或尾部隨船舶流動性工作。在性能上，與常用的固定式岸基、漂浮式浮標、垂直式斷面3種集成式監測系統相比較，從監測海域范圍、占地空間、用電方式、維護周期和人員上分析如下。

1）監測海域上，系統設計隨載體船舶流動，監測范圍擴展至船舶流動區域，可以對全海域環境監測，相較于固定式岸基監測離岸200 m以內區域、漂浮式浮標監測離岸20 km內海洋區域和垂直式斷面應用于遠海（20 km以上）區域具有顯著優勢。

2）占地空間上，系統設計應用于海上已有船舶，無需使用土地資源，與漂浮式浮標和垂直式斷面性能一般，但相較于固定式岸基監測系統所需8～20 m2有優勢。

3）用電方式上，固定式岸基等常用集成式監測系統采取單一的市電和光儲為系統提供能量，而船載集成式監測系統采用船電和光儲雙能源方式，為系統正常運行提供雙重保障。

4）維護周期和維護人員上，不像常用的3種監測系統需要專業人員定期進行維護，船載集成式系統采用一體設計隨船舶流動，維護可由船上人員進行維護，無需專業人員，時間上也更為靈活。

3" 結束語

廣域海洋船載集成式環境動態監測系統設計基于海上已有船舶資源及海洋信息技術進行研究，旨在實現流動式、一體式集成全海域監測，是海洋環境監測技術向小型化、集成化再延伸和創新，為海洋建立具備廣域性、流動式、垂直化的監測網絡提供基礎支撐。本研究提出了系統設計的架構和工作原理、一體式垂直集成結構、多點標簽識別定位等思路，但在實現電子、光學、信息、機械和密封等多學科交叉及海上特殊環境應用理論方法，解決實現狹小空間下的能量轉換、控制傳輸并行功能整體集成和標簽算法完成海洋遠距離范圍內設備定位及通信傳輸等詳細設計，以及系統的仿真模擬、實際應用測試指標上尚未深入探究，這將是作者下一步努力的方向，也希望本文能夠給行業專家學者提供參考。

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