船舶自動氣象站分類標(biāo)準(zhǔn)及儀器布設(shè)原則

張玉潔，安忠亮，高 林，涂愛琴，宋傳經(jīng)

（1.山東省氣象局大氣探測技術(shù)保障中心，濟南 250031；2.山東省氣象局，濟南 250031）

船舶自動氣象站分類標(biāo)準(zhǔn)及儀器布設(shè)原則

張玉潔1，安忠亮2，高 林1，涂愛琴1，宋傳經(jīng)2

（1.山東省氣象局大氣探測技術(shù)保障中心，濟南 250031；2.山東省氣象局，濟南 250031）

此文在研究分析各類船舶的基礎(chǔ)上，對船舶自動氣象站（船舶站）的基本構(gòu)成和采集要素進(jìn)行了分類，提出了船舶站構(gòu)成的分類標(biāo)準(zhǔn)，解決了不同船舶選取安裝不同要素自動站選擇依據(jù)不足的問題，詳述了船舶站的構(gòu)成。以典型船舶站為例，詳述了溫、壓、濕、風(fēng)、降水、能見度、輻射等觀測要素的安裝位置選擇，為船舶站的設(shè)計和安裝提供參考依據(jù)。

船舶；自動氣象站；儀器布設(shè)原則

引言

海洋可為人類提供生存物質(zhì)和發(fā)展空間［1］，其開發(fā)和利用的前提是更好地觀測海洋，而船舶氣象觀測則是海洋綜合氣象觀測的重要組成部分。船舶自動氣象站（以下簡稱船舶站）是利用船舶為載體的自動氣象觀測系統(tǒng)，通過對船舶航行過程中的海面以上、海氣界面以及與海洋氣象災(zāi)害相關(guān)的海面以下氣象、水文和環(huán)境等要素進(jìn)行長期、穩(wěn)定、持續(xù)的觀測，為海上氣象預(yù)報和氣候變化監(jiān)測研究提供高時空密度的觀測數(shù)據(jù)，為海上航運、航空、海洋生產(chǎn)作業(yè)安全、海防安全、軍事活動等提供氣象保障基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，同時也為衛(wèi)星、雷達(dá)等遙感信息驗證和訂正提供依據(jù)。目前中國尚無針對不同船舶安裝不同觀測要素構(gòu)成的自動氣象站的標(biāo)準(zhǔn)，此文的研究有效解決了不同船舶選取安裝不同要素自動站選擇依據(jù)不足的問題，也為不同類型船舶安裝自動氣象站選取有效氣象觀測要素提供了依據(jù)。

1　船舶站基本構(gòu)成分類

1.1船舶站基本分類

自2007年以來，寧波、溫州、煙臺、青島、威海、海南等地的氣象部門先后在幾十條船上安裝了自動氣象觀測設(shè)備，由于安裝船的種類比較多，小的有漁船，稍大點的有海上急救船，更大的有渡輪和萬噸級別的運輸船，如何在不同類型的船舶上安裝適宜的氣象觀測要素，目前沒有一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和參考依據(jù)。為了解決不同類型船舶站的基本構(gòu)成分類問題，文章對煙臺、威海、海南、寧波、福建等地的船舶站的建設(shè)情況進(jìn)行了詳細(xì)的調(diào)研（表1）。同時對山東省已建設(shè)船舶站的安裝環(huán)境進(jìn)行了分析和評估，通過對調(diào)查內(nèi)容的研究分析并結(jié)合《設(shè)計船型尺寸及典型船舶尺寸》中船舶噸級DWT（t）表，將適宜安裝自動氣象站的船舶進(jìn)行初步歸類，提出了不同類型船只安裝船舶站的基本構(gòu)成分類標(biāo)準(zhǔn)，為船舶站的設(shè)計提供參考。用戶也可根據(jù)實際需要作相應(yīng)的變更選擇。如：煙臺的北海救助船，根據(jù)救助的需要，都增加了相應(yīng)的能見度觀測要素，而煙臺的渤海號船舶站因為建設(shè)時間較早，安裝初期都沒有布設(shè)能見度觀測要素。不同類型船舶的具體觀測要素類型見表2，各觀測要素傳感器類型見表3。

表1　全國部分船舶站布設(shè)情況統(tǒng)計表

表2　不同類型船舶安裝船舶站觀測要素表

表3　不同觀測要素傳感器型號

1.2船舶站構(gòu)成

船舶站由硬件和軟件兩部分組成。

硬件部分包括數(shù)據(jù)采集器、傳感器和外圍設(shè)備，其中外圍設(shè)備包括通信設(shè)備、電源系統(tǒng)、航向航速測量儀、本地終端（微機）等。

軟件部分包括嵌入式軟件（數(shù)據(jù)采集器內(nèi)）和業(yè)務(wù)應(yīng)用軟件（微機內(nèi)）。

（1）硬件系統(tǒng)：船舶自動氣象站基于 CAN總線技術(shù)，在硬件上采用“積木式”架構(gòu)，主采集器可以支持常規(guī)的風(fēng)向、風(fēng)速、溫度、濕度、氣壓、雨量和航向航速測量儀。能見度和其他可能掛接的傳感器則通過分采集器實現(xiàn)。

（2）通訊系統(tǒng)：遠(yuǎn)程通訊系統(tǒng)有 GPRS，CDMA，DCP衛(wèi)星通訊三種方式。需要根據(jù)船只的運行路線、通信狀況選擇適合的通訊方式。其中DCP衛(wèi)星通訊適用于GPRS和CDMA無信號或者信號不穩(wěn)定的環(huán)境。

（3）供電系統(tǒng)：船舶自動氣象站現(xiàn)有的供電系統(tǒng)分為船用直流電源供電、船用220V交流供電和太陽能供電三種。船用直流電源供電一般適合于小型的漁船，對于較大的船只，可視具體情況采用船用220V交流供電或太陽能供電。

（4）軟件系統(tǒng)：嵌入式軟件在UCOS嵌入式操作系統(tǒng)上進(jìn)行編程，完成各個采集器的功能，主采集器和分采集器之間采用CAN通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，其特點是傳輸距離遠(yuǎn)，抗電磁干擾能力強，能較好適應(yīng)船舶航行時的復(fù)雜環(huán)境［2-5］。業(yè)務(wù)應(yīng)用軟件可處理氣象觀測業(yè)務(wù)，實現(xiàn)本地和遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)采集和處理。

船舶站構(gòu)成框圖見圖1。

圖1　船舶站構(gòu)成框圖

2　船舶站儀器布設(shè)原則

利用山東省已建客運船舶站、救助船舶站及捕撈船舶站數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)質(zhì)量及運行穩(wěn)定性等情況資料，分析船舶站運行情況、觀測數(shù)據(jù)與安裝位置周圍遮擋物、船舶類型以及主要活動海域等因素的關(guān)系，提出了船舶站儀器的布設(shè)原則，為船舶站的合理布設(shè)提供依據(jù)。

2.1儀器布設(shè)原則

由于船舶頂甲板一般很狹小，且船舶自身需要安裝各種設(shè)備、天線，可以利用的空間很小，因此，船舶站儀器布設(shè)應(yīng)盡量保證各儀器之間距離，保證各儀器和傳感器的代表性。

風(fēng)傳感器盡量靠近船首部并高于最高的艙室，可考慮前主桅桿或頂甲板前部。溫濕傳感器盡量避免煙囪及其他熱源的影響，四周不應(yīng)有特別潮濕和反射率較強的物體，下墊面應(yīng)裝木質(zhì)甲板并涂敷綠色的油漆。氣壓傳感器安裝在避開熱源、不直接通風(fēng)、沒有陽光直接照射且搖擺震動較輕的部位，可在進(jìn)氣口增加靜壓裝置，保證氣壓的觀測精度。精密GPS定位儀安裝在風(fēng)桿附近，定向設(shè)備安裝方向應(yīng)與船舶的中心軸方向保持一致。所有設(shè)備、管線必須連接牢固，不得有松動、晃動現(xiàn)象，使傳感器能在海上高鹽霧環(huán)境和船舶搖晃狀態(tài)下保持正常工作。

2.2安裝位置選擇

典型船舶站的安裝位置如圖2所示。

圖2　典型船舶站安裝位置示意圖

理想情況下，傳感器測量的是未經(jīng)過船上甲板及船上障礙物的大氣狀況。在圖2中，A位置通常是安裝氣象傳感器的最佳位置，也可以在前甲板的B處安裝支架以安裝傳感器。如果A，B兩種情況都不能實現(xiàn)時，最后的選擇是位于駕駛室上部的C處。若只安裝一套觀測設(shè)備，A，B，C都是比較好的安裝位置，如果需要安裝兩套觀測設(shè)備，則宜安裝在船舶的兩側(cè)，D，E是比較好的安裝位置。

（1）輻射觀測儀器

適合安裝在不受其他陰影影響的位置，圖 2 中F是最佳的安裝位置，其次G位置可以作為一個選擇。如果不考慮風(fēng)、氣溫等要素，H位置也可以安裝輻射觀測設(shè)備，安裝高度應(yīng)不受煙囪的影響。

（2）風(fēng)傳感器

應(yīng)盡量安裝到船的最高部位，傳感器距船上天線、桅桿的距離不少于它們直徑的 10倍，安裝高度距甲板不低于 2m，對于大型船只不能滿足此要求時，可在桅桿兩側(cè)各安裝一傳感器，觀測時使用迎風(fēng)一側(cè)的傳感器。

（3）溫濕傳感器

盡量避免熱源和強反射體影響，可借助風(fēng)桿上伸出橫臂，用于安裝溫濕度傳感器，儀器的感應(yīng)部分與甲板的垂直距離應(yīng)在1.5～2.0m之間。

（4）氣壓傳感器

要避開熱源和迎風(fēng)面，避免太陽直射，可以安裝在船舶橫梁、船上實驗室或與其他傳感器一起安裝在桅桿上，但氣壓進(jìn)氣口應(yīng)不受外部風(fēng)和內(nèi)部空調(diào)等氣流擾動的影響，也不要直接安裝到甲板上。

（5）降水傳感器

由于受風(fēng)及船舶搖擺的影響，需進(jìn)行相對風(fēng)訂正，其安裝位置最好和風(fēng)傳感器安裝在同一位置。

（6）精密GPS定位儀

要安裝在風(fēng)桿附近，盡量避開四周金屬物，應(yīng)保持GPS定位天線上方無遮擋。

（7）能見度儀

要盡量安裝到船的中軸線附近，安裝高度距離安裝位置處下方甲板位置應(yīng)不低于 2m，并盡量避免熱源和強反射體影響。

3　結(jié)語

利用船舶作為載體建設(shè)自動氣象站，可以實時探測船舶活動海區(qū)的氣象要素，特別是備受關(guān)注的海上重要航道沿線區(qū)域和漁業(yè)捕撈作業(yè)區(qū)域內(nèi)氣象資料，這是大幅降低單獨建設(shè)海洋氣象觀測站成本、有效獲取海洋氣象資料的重要手段，也是提高重點關(guān)注海洋區(qū)域氣象預(yù)報服務(wù)質(zhì)量的有力支撐。此文通過對已建船舶站的運行情況、觀測數(shù)據(jù)與安裝位置周圍遮擋物、船舶類型以及主要活動海域等因素的關(guān)系的研究，提出了不同類型船舶站的基本分類、構(gòu)成、儀器布設(shè)原則，為船舶站的建設(shè)和安裝提供參考依據(jù)，也對船舶氣象觀測站的有序健康發(fā)展產(chǎn)生影響。

［1］ 李揚.基于ARM和嵌入式Linux的志愿船自動測報儀的設(shè)計與開發(fā)［D］.青島：中國海洋大學(xué)，2008.

［2］ 鄔寬明.CAN總線原理和應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1996：188-189.

［3］ 饒運濤，鄒斷軍，鄭通蕓.現(xiàn)場總線CAN原理與應(yīng)用技術(shù)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003：18-19.

［4］ 莊景齊，吳雁.基于CAN總線的溫濕采集系統(tǒng)的設(shè)計［J］.中國科技信息，2009（2）：139-140.

［5］ 牛濤.基于CAN總線的船舶自動氣象站的研究［J］.武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2011（6）：22-23.

P415.1

B

1005-0582（2015）03-0040-04

2014-12-24

“探測設(shè)備社會化保障管理平臺”（2014sdqxm05）資助

張玉潔（1972—），女，山東煙臺人，碩士，高級工程師，主要從事裝備保障及氣象現(xiàn)代化建設(shè)工作。