基于施工船的海上臨時驗潮站建站技術探討與實現(xiàn)

田維新，焦永強

（上海達華測繪有限公司，上海 200136）

基于施工船的海上臨時驗潮站建站技術探討與實現(xiàn)

田維新，焦永強

（上海達華測繪有限公司，上海 200136）

為滿足海上施工作業(yè)對實時潮位數(shù)據(jù)獲取的需求，提出了一種基于施工作業(yè)船舶的海上潮位站建設新方法。詳細闡述了海上臨時驗潮站潮位數(shù)據(jù)采集、傳輸?shù)姆椒凹夹g路線。以施工作業(yè)船作中間平臺，為海上施工作業(yè)提供了一種快速、經(jīng)濟的潮位站建站方法。

驗潮站；數(shù)據(jù)采集；水聲調制解調器（modem）；傳輸

0 引言

在一些作業(yè)時間相對較短、潮汐環(huán)境變化復雜、遠離海岸的區(qū)域，以水下自驗潮為基礎，以施工船舶為海上驗潮站的潮位接收與發(fā)布平臺的海上臨時驗潮站，以其經(jīng)濟、快速的建站方式大大地拓展了海洋工程施工作業(yè)空間，準確、實時的潮位傳輸方式為海洋工程的施工質量、安全提供了保障。

1 系統(tǒng)組成及工藝原理

1.1 海上臨時驗潮站的結構組成

海上驗潮站的系統(tǒng)組成主要包含三部分：水下數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)傳輸與接收單元及船端潮位傳輸發(fā)布單元，其整體結構如圖1所示。

圖1 海上臨時驗潮站結構示意圖Fig.1 Structure diagram of offshore tem porary tide station

1.1.1 水下數(shù)據(jù)采集單元

水下數(shù)據(jù)的采集主要由水下自記式驗潮儀、水下固定支架、水下數(shù)據(jù)傳輸單元、水下釋放器及浮起機構等四部分組成。水下支架利用其自重及下端的支腳將驗潮設備固定安裝在施工區(qū)附近的水域。

支架上主要安裝有：自記式驗潮儀、水聲modem[1-2]水下單元兩部分。為確保潮位數(shù)據(jù)采集的準確性，支架安裝要牢固穩(wěn)定，確保在驗潮期間不會發(fā)生很明顯的沉降位移。

1.1.2 數(shù)據(jù)的傳輸、接收系統(tǒng)

數(shù)據(jù)傳輸包括三部分：自記式驗潮儀數(shù)據(jù)傳輸?shù)剿昺odem；水聲modem的水下單元將從驗潮儀接收的數(shù)據(jù)傳輸?shù)桨惭b在施工船上的接收單元；安裝有水聲modem接收單元的施工船舶將潮位信息對外發(fā)布。

1.1.3 數(shù)據(jù)的處理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)處理包括驗潮站點基準面的計算和潮位數(shù)據(jù)的計算兩個部分：

1）基準面推算

基準面推算主要通過與岸端驗潮站同步驗潮的方式獲取，大潮期采集3 d數(shù)據(jù)，條件許可的情況下可采集1個月的數(shù)據(jù)進行基面關系的推算。

每個施工作業(yè)區(qū)的基面關系基本是恒定的，只在水下設站前監(jiān)測1次即可?；嬗嬎阋坏┐_定，驗潮點的潮位計算也迎刃而解。

2）潮位計算

利用自記式水下數(shù)據(jù)采集單元采集的潮位數(shù)據(jù)與基準面求差即可獲得該點的實時潮高[3]。求差后的數(shù)據(jù)經(jīng)過電腦軟件平滑處理后，根據(jù)施工所需的時間間隔發(fā)送實時潮位信息供施工船舶、測量船舶使用。

1.2 工藝流程

如圖1所示，自記式驗潮儀與水下聲學modem相連接，將采集的水位信息實時傳送至水聲modem的水下單元，水下單元通過聲學傳輸方式將水位數(shù)據(jù)傳輸至接收端，接收端接收到水位數(shù)據(jù)后，由船上電腦進行數(shù)據(jù)的處理并按所需的時間間隔通過UHF、北斗短信[4]或手機網(wǎng)絡對外傳輸、發(fā)布實時的潮位信息，以滿足作業(yè)區(qū)內其它施工船舶對潮位信息的需求。

具體實施方案如圖2所示，在一條航道上有4條船同時在疏浚施工，水下驗潮站位于疏浚船02的施工區(qū)北面，水下單元的數(shù)據(jù)傳輸距離（半徑）約為2～6 km，只要施工作業(yè)船距離水下驗潮站點的距離在其工作半徑以內都可收到水下單元所發(fā)送的數(shù)據(jù)信息。

圖2 潮位站示意圖Fig.2 Sketch of tide station

在疏浚船02上安裝水聲modem的接收單元，只要疏浚船02在疏浚區(qū)2內活動，就能接收水下驗潮站傳輸?shù)膶崟r潮位。

以疏浚船02為海上定點驗潮儀數(shù)據(jù)接收與發(fā)送的平臺，一方面接收驗潮站水下單元所發(fā)出的潮位信息，另一方面，通過船上的潮位數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)（北斗或UHF）將潮位信息發(fā)至鄰近施工的各條船舶。在不影響施工作業(yè)的同時，也滿足了潮位數(shù)據(jù)的接收與遠程傳輸、發(fā)布。

2 項目實施的關鍵點

2.1 水下驗潮站點設立

水下驗潮支架穩(wěn)固性要好且要有一定的負重，確保設備在驗潮過程中不會移動。潮位站點要設立在水下地形相對平坦，沖刷或淤積不明顯的區(qū)域，以確保驗潮期間驗潮支架結構沒有明顯的沉降發(fā)生，確保驗潮數(shù)據(jù)的準確。圖3是兩種水下潮位采集單元結構圖，圖3（a）是具有防拖網(wǎng)丟失功能的水下單元，單元裝有驗潮儀、聲學數(shù)據(jù)傳輸設備及聲學釋放設備等；圖3（b）是一種比較簡易的水下數(shù)據(jù)采集單元。

2.2 水下供電問題

潮位計的數(shù)據(jù)采集用電相對比較小，按10 min記錄1次潮位，一般可記錄3個月的時間。由于水聲modem在進行水下數(shù)據(jù)傳輸時，其用電相對較大，內置電源往往無法滿足作業(yè)需求。解決其供電主要有兩種方式：

1）外加水下電源包

采用外加電源包供電方式，可將水下驗潮單元的工作時間延長2～3個月，在總的施工作業(yè)時間不超過4個月的情況下，水下單元采用外加電源包基本可以滿足施工的需求。

2）更換水下采集單元

對于施工作業(yè)時間相對較長的海上作業(yè)，需要準備2套水下采集單元，采用交替下水工作的方式可以延長其驗潮工作時間。

圖3 水下驗潮站點安裝結構圖Fig.3 Installing structureof underwater tide station

首先，在水下單元用電即將結束前3 d，將替換單元置于原驗潮點附近，待穩(wěn)定后進行同步驗潮，獲取其相關關系，然后回收耗電即將結束的驗潮單元，重新裝配等待下一周期的循環(huán)使用。

2.3 水下設備回收技術

為提高設備安裝及回收的便利及安全性，水下潮位采集單元采用安裝帶有浮體機構的水下釋放器，回收時只要在水面上按動釋放指令，即可回收水下驗潮單元。

如圖1所示，水下單元是一種比較簡便的回收結構。在驗潮支架的上部安裝帶繩倉的聲學釋放器，正常工作時，整個機構置于水面以下，待數(shù)據(jù)采集結束及更換時，通過發(fā)送釋放命令將起吊繩索釋放至水面予以回收。對一些漁業(yè)比較發(fā)達的海區(qū)可采用目前比較常用的防拖網(wǎng)的驗潮結構，避免設備被外力破壞。

3 現(xiàn)場測試情況

2013年7月采用簡易方式在長江口深水航道距離北槽中驗潮站約10 km的地方（水深較淺，8～ 10m）進行了4 h的測試，水上潮位數(shù)據(jù)的發(fā)送采用北斗衛(wèi)星的短報文通訊功能進行潮位的廣播式發(fā)送。

系統(tǒng)地測試了水下單元的工作狀態(tài)、回收情況，同時進行了測量船接收及發(fā)送潮位數(shù)據(jù)的連續(xù)性、準確性的測試，每10 min發(fā)送1次潮位數(shù)據(jù)，共發(fā)送實時潮位24個，實際接收到23個數(shù)據(jù)，對丟失的數(shù)據(jù)進行了內插，經(jīng)與北槽中實時潮位比對，潮位數(shù)據(jù)吻合非常好。

存在的問題：由于潮位站及測試接收分別位于長江口深水航道的兩側，當大型集裝箱船經(jīng)過航道時，位于水面的接收單元有信號丟失現(xiàn)象發(fā)生。分析認為：由于航道兩側水深較淺，約9 m，航道內水深達到13.0 m，大船吃水較深，影響到數(shù)據(jù)的傳輸。當發(fā)送單元與水下采集單元位于航道同一側時，沒有發(fā)生數(shù)據(jù)中斷的現(xiàn)象。

4 結語

利用施工船舶作為海上潮位站平臺，既不影響船舶的正常施工又能滿足潮位數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送，是海上工程作業(yè)潮位獲取的一種有效手段。通過現(xiàn)場測試，其工藝方法的可行性及實用性都比較高，適合于海洋工程的快速開工。

隨著水下測量單元性能的不斷提高，系統(tǒng)的功耗會進一步降低，傳輸距離及測量精度會進一步提高，其應用的范圍也將會有比較大的拓展。

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[3]黃辰虎，劉雁春，許家琨，等.關于海上定點驗潮站潮位數(shù)據(jù)推算的可行性及可操作性檢驗[C]//中國測繪學會第十六屆海洋測繪綜合性學術研討會論文集，2014：91-97. HUANGChen-hu,LIU Yan-chun，XU Jia-kun,etal.The testof feasibility and maneuverability about reckoning tide data of settled tide station in the sea[C]//Proceedingsof the 16th comprehensive seminar of hydrographic surveying and charting by CSGPC,2014：91-97.

[4]焦永強，萬軍.基于北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的潮位數(shù)據(jù)傳輸與控制技術[C]//華東六省一市測繪學會學術交流會論文集，2010：31-36. JIAO Yong-qiang,WAN Jun.Data transfer and control technologiesof tide level based on Beidou Navigation Satellite System[C]// Academic conference proceedings by societies of surveying and mapping in EastChina,2010:31-36.

Discussion and im p lementation of establishment technology about offshore tem porary tide station based on construction ships

TIANWei-xin,JIAOYong-qiang
（ShanghaiDahua Surveying&Mapping Co.,Ltd.,Shanghai200136,China）

In order tomeet the needs of real-time tidal level during offshore construction work,we put forward a new working method of offshore temporary tide station based on construction ships,introduced in detail the data acquisition,transmission method and technical route.Using shipsasoperation platform,we have provided a fast,econom ical tide station buildingmethod foroffshore construction work.

tide station;data acquisition;underwater acoustic modem;transfer

U652.3

A

2095-7874（2015）05-0028-03

10.7640/zggw js201505008

2015-01-14

田維新（1969— ），男，甘肅會寧人，副總經(jīng)理，高級工程師，測量工程專業(yè)。E-mail：tian-weixin@163.com