海上警戒浮標(biāo)實時監(jiān)控系統(tǒng)

李 鵬，江恩祝，王思薦，李延剛

(國家海洋局 東海預(yù)報中心，上海 200136)

海上警戒浮標(biāo)實時監(jiān)控系統(tǒng)

李 鵬，江恩祝，王思薦，李延剛

(國家海洋局 東海預(yù)報中心，上海 200136)

為有效保護近海海底觀測網(wǎng)觀測安全，免受漁船拖網(wǎng)和拋錨等損壞的問題，設(shè)計了一套多警戒浮標(biāo)(直徑2.4～3.0 m)的實時監(jiān)控系統(tǒng)，該警戒浮標(biāo)可獲取浮標(biāo)本身工作狀態(tài)，并能實時、動態(tài)、連續(xù)的將警戒浮標(biāo)的運行狀態(tài)發(fā)送到陸基岸站，實現(xiàn)對保護目標(biāo)海域的實時監(jiān)控，同時該浮標(biāo)系統(tǒng)可進行擴充實現(xiàn)對海洋環(huán)境要素的觀測。警戒浮標(biāo)布設(shè)采用正多邊形(三角形、正方形和正五邊形等)預(yù)警保護方式，浮標(biāo)以保護節(jié)點為中心等距布放，組網(wǎng)形成有效的海上保護圍欄，保障海底觀測系統(tǒng)的安全運行；供電系統(tǒng)采用太陽能電池和蓄電池組合供能方式，可保證在連續(xù)陰天的情況下警戒浮標(biāo)系統(tǒng)運行100天。該警戒浮標(biāo)技術(shù)已在東海海底觀測網(wǎng)保護中成功示范運行6個月，該技術(shù)可為近海海底觀測保護提供有效技術(shù)保障。

海底觀測保護；警戒保護技術(shù)；浮標(biāo)

Abstract: To effectively protect the safety of offshore seafloor observatory network from fishing boats trawl and droping anchor damage problems, etc., we designed a set of real-time monitoring system using multi alert buoys (2.4 ～ 3.0 m in diameter). Each alert buoy can record its working condition, and send the corresponding data to the land-based terminal real-timely, dynamically and continuously, so as to realize real-time monitoring of the protection targets in sea area. Meanwhile, the buoy-system can be expanded to conduct marine environmental observation. In order to protect the node effectively, the shape of the network is designed to be regular polygon (triangle, square and pentagon, etc.), and the buoy is located at the center of the node. The alert-buoy network forms an effective maritime protection fence to protect the seafloor observatory network. Power supply system, which consists of solar battery and storage battery, makes sure that the alert-buoy system can continuously work for 100 days even in cloudy weather. This alert-buoy technique has been successfully run as a demonstration for six months in the East China Sea seafloor observatory protection network. This technology can provide effective support for offshore seafloor observatory protection.

Keywords: protection of seafloor observatory; technology of warnning and protection; alert buoy

海洋科學(xué)是一門以觀測為基礎(chǔ)的科學(xué)，觀測技術(shù)手段決定了數(shù)據(jù)質(zhì)量和對海洋研究的深入程度，隨著科技的發(fā)展，海洋觀測已經(jīng)實現(xiàn)了從局部大面、從短時到長期和從海表到海底的綜合觀測。其中遙感、漂流浮標(biāo)、錨系浮標(biāo)、雷達、海床基和海底觀測網(wǎng)等為目前較為有效的觀測手段[1-4]。海底觀測是較具前景和穩(wěn)定的觀測方式，標(biāo)志海洋開發(fā)和研究的新階段[5-6]，但是觀測儀器設(shè)備運行期間的安全性一直是近海海底長期觀測的最大威脅，其中拖網(wǎng)作業(yè)為最大威脅，例如上海市已開展了海底網(wǎng)的研究，東海海底觀測小衢山試驗站已成功試運行，也取得了懸沙濃度(OBS)、海流(ADCP)、溫鹽(CTD)和海嘯信號等寶貴數(shù)據(jù)[7-8]，但布放5個月后海底網(wǎng)節(jié)點被拖網(wǎng)破壞，另外東海區(qū)“908”專項潛標(biāo)觀測也因漁船拖網(wǎng)損失慘重[9]。為有效保證海底觀測的安全性，本文設(shè)計了一套多警戒浮標(biāo)的實時監(jiān)控系統(tǒng)，形成警戒浮標(biāo)組網(wǎng)，該技術(shù)已在東海海底觀測網(wǎng)安全保護中成功運行，該警戒浮標(biāo)實時監(jiān)控系統(tǒng)可以保障東海海底試驗網(wǎng)的安全運行和為其他海底觀測安全警戒提供技術(shù)支持，同時可以填補國內(nèi)預(yù)警浮標(biāo)遠程無法監(jiān)控的空白。

1 試驗海區(qū)概況

東海海底觀測網(wǎng)(國內(nèi)第一個完整的海底觀測網(wǎng))位于浙江北部舟山東部海域，登陸點位于朱家尖島，向東北方向延伸50 km(海纜埋深3～4 m，提供能源和數(shù)據(jù)傳輸)，終端節(jié)點的平均水深約45 m(圖1)，節(jié)點布設(shè)于海底。舟山群島附近海域是強潮海域，為不正規(guī)半日潮，潮差西側(cè)大而東側(cè)小，西側(cè)大多為4～5 m以上，東側(cè)僅為2 m；潮流作用顯著，最大流速大于100 cm/s[10]，海域水文動力復(fù)雜，主要受長江沖淡水和浙閩沿岸流的控制[11-12]。長江沖淡水?dāng)U散存在明顯的季節(jié)性變化，6-8月為朝東北方向擴展時期，10月至次年4月為沿岸南下時期，5月和9月分別為沖淡水由南下轉(zhuǎn)向東北和由東北轉(zhuǎn)向南下的過渡時期[13]。浙閩沿岸流也受季風(fēng)顯著影響，夏季沿閩浙沿岸自西南向東北流，流幅較寬，流速較強，一般為20 cm/s左右[14]，冬季受偏北季風(fēng)控制，它貼岸南流，流幅變窄，流速較弱[15]。該海域為臺風(fēng)多發(fā)區(qū)，最近10年，影響東南沿海的熱帶氣旋年均8個，占影響我國熱帶氣旋總數(shù)的35%，每年4-11月都會受到臺風(fēng)影響，其中7-9月臺風(fēng)侵襲頻繁，約占全年總數(shù)的84%。

圖1 東海海底觀測網(wǎng)位置和海底觀測網(wǎng)節(jié)點示意Fig. 1 Location of East China Sea seafloor observatory network (left) and the node of the seafloor network(right)

2 海底觀測安全保護方法

東海海底觀測網(wǎng)建設(shè)在東海的淺海區(qū)(圖1)，該海域為傳統(tǒng)的漁業(yè)捕撈作業(yè)區(qū)，拖網(wǎng)較為頻繁，拖網(wǎng)作業(yè)是海底觀測網(wǎng)儀器安全的最大威脅。因此，海底觀測尤其是長期觀測難度和風(fēng)險很大。海纜埋設(shè)在海底3～4 m深，可以避免一般漁船拖網(wǎng)和船舶拋錨的影響。海底網(wǎng)終端(節(jié)點)為水下儀器設(shè)備的安放點，節(jié)點座于海底，高出底床0.5～1.0 m。因此節(jié)點區(qū)域為最主要的保護區(qū)域。

海底觀測為防止拖網(wǎng)破壞，通常使用防拖網(wǎng)架的方式避免拖網(wǎng)，同時在防拖網(wǎng)架上加上高強度的防護罩防止拖網(wǎng)對頂部儀器的破壞，但防護罩只能對節(jié)點儀器在意外墜落物方面起保護作用，對東海區(qū)漁業(yè)生產(chǎn)拖網(wǎng)作業(yè)起不到警戒和保護作用。在東海漁業(yè)生產(chǎn)期間，同一海區(qū)將會頻繁進行拖網(wǎng)作業(yè)，拖網(wǎng)船網(wǎng)具大、馬力大，當(dāng)拖網(wǎng)經(jīng)過節(jié)點時會將節(jié)點儀器連架子一起拖走[9]，儀器架與海纜連接的部位也會被拉斷。因此，必須采用水面警戒防止?jié)O船進入節(jié)點附近海域的保護方式。在小衢山海底試驗站安全保護技術(shù)經(jīng)驗[6]的基礎(chǔ)上，對海底網(wǎng)安全警戒保護進行了設(shè)計，在節(jié)點周圍海域設(shè)置警戒標(biāo)志浮標(biāo)，告警漁業(yè)作業(yè)船只不要進入該區(qū)域拖網(wǎng)作業(yè)及錨泊作業(yè)，可有效避免漁業(yè)生產(chǎn)對海底觀測造成干擾，達到保護海底網(wǎng)節(jié)點儀器安全的效果。

安全保護站點設(shè)置。以海底網(wǎng)節(jié)點為中心，設(shè)計了三角形、正方形和正五邊形的警戒浮標(biāo)網(wǎng)(圖2)，形成節(jié)點浮標(biāo)圍欄，保證各個方向的漁船至少可觀察到2個警戒浮標(biāo)，從而保護節(jié)點工作安全，可根據(jù)安全保護需要和經(jīng)費情況選擇預(yù)警浮標(biāo)的數(shù)量。浮標(biāo)錨鏈的長度不小于站位3倍水深。警戒浮標(biāo)布設(shè)點與海底網(wǎng)節(jié)點之間的距離不小于警戒浮標(biāo)錨系長度，例如站點水深為45 m時，浮標(biāo)站點離海底觀測節(jié)點為200～300 m左右。這主要因為警戒浮標(biāo)不能距節(jié)點太遠，遠了起不到預(yù)警作用，漁業(yè)作業(yè)船只將可能從保護區(qū)域中間通過；太近時，預(yù)警浮標(biāo)錨系可能會干擾海底觀測儀器的正常工作。

圖2 海底觀測節(jié)點保護警戒浮標(biāo)設(shè)置示意Fig. 2 Sketch map of the alert and protection buoys set for seafloor observatory network node

3 警戒浮標(biāo)關(guān)鍵技術(shù)

警戒浮標(biāo)具備一般的海洋航行預(yù)警能力，同時可獲取警戒浮標(biāo)本身的工作狀態(tài)，能實時、動態(tài)、連續(xù)地將警戒浮標(biāo)的運行狀態(tài)發(fā)送至陸基岸站，實現(xiàn)對警戒海域的實時監(jiān)控，也可對系統(tǒng)進行擴充，實現(xiàn)對常規(guī)海洋環(huán)境要素的觀測，對海底觀測數(shù)據(jù)進行有效補充。

3.1 警戒浮標(biāo)主體設(shè)計

標(biāo)體的設(shè)計充分考慮了海域強潮流的影響。海底觀測網(wǎng)布設(shè)在東海近海，海流較強，受漲落潮的影響較大[16]，警戒浮標(biāo)標(biāo)體在設(shè)計時充分考慮了潮流對標(biāo)體的影響，特別是在漲急落急時，海流對警戒浮標(biāo)體的橫向推力很大，為了減輕潮流對警戒浮標(biāo)體的作用，將警戒浮標(biāo)體設(shè)計成圓盤型，浮標(biāo)底部為錐型(圖3)，以降低潮流對浮標(biāo)體的作用面積和作用力。浮標(biāo)體的甲板上設(shè)計有錨樁、起重眼板，以方便拖帶和起吊浮標(biāo)體。

浮標(biāo)體由主浮體、上部建筑兩部分組成，是浮標(biāo)采集系統(tǒng)的載體。主浮體采用CCSB船用鋼板遵循船體水密隔艙要求建造，四周設(shè)浮力艙，浮力艙相互之間進行分隔，保持其獨立性(圖4)，即使兩個浮力艙破損進水，仍有水密艙壁阻隔，儀器艙內(nèi)不會進水，浮標(biāo)仍可安全浮在水面，不至于傾覆。為發(fā)揮警戒浮標(biāo)在海洋觀測中的作用，在浮標(biāo)外圍浮力艙內(nèi)對稱開設(shè)兩個水下井，一個可安裝聲學(xué)多普勒流速剖面儀，另一個可同時并列安裝溫鹽傳感器、葉綠素濁度傳感器、溶解氧傳感器等。上部建筑采用特種鋁鎂系防銹鋁合金LF4或LF6制作。警戒浮標(biāo)直徑為2.4～3.0 m，型深0.95 m，排水量為3.5 t左右，通過壓載重置在極限條件下穩(wěn)性衡準(zhǔn)數(shù)K>1，可抗12級臺風(fēng)，在浪高15 m以內(nèi)不傾覆。

系留系統(tǒng)是浮標(biāo)在位工作的重要部件。本系留系統(tǒng)采用全錨鏈結(jié)構(gòu)，單點系留錨泊，錨系采用Φ38 mm，錨采用1 t丹福爾大抓力錨，警戒浮標(biāo)在站位錨泊1年以上。為防止錨鏈在釋放和在位運行期間不打結(jié)，錨鏈之間加裝轉(zhuǎn)環(huán)，以隨時釋放浮標(biāo)的旋轉(zhuǎn)扭矩。

圖3 警戒浮標(biāo)標(biāo)體主尺度示意Fig. 3 Sketch of the main body of alert buoys

圖4 浮標(biāo)體艙室劃分與布局Fig. 4 Buoyancy tank division and layout of buoy body

3.2 警戒浮標(biāo)電源設(shè)計

浮標(biāo)電源是浮標(biāo)穩(wěn)定持續(xù)工作的基礎(chǔ)。警戒浮標(biāo)配備電源系統(tǒng)，采用蓄電池與太陽能電池板組合供電方式，保證預(yù)警浮標(biāo)有足夠的電能供給。該浮標(biāo)總體設(shè)計考慮了浮標(biāo)的電源安裝、蓄電池重量等技術(shù)問題，合理使用有限的浮標(biāo)空間及浮標(biāo)承載能力，對浮標(biāo)采集系統(tǒng)、傳感器和航標(biāo)燈等用電負荷進行了統(tǒng)計和計算。設(shè)計浮標(biāo)的蓄電池組為14 V/1 000 Ah的電容量，浮標(biāo)標(biāo)體上部塔架四個面可安裝太陽能發(fā)電板的總發(fā)電量為180 W；在日光充足的條件下，太陽能日發(fā)電量不小于200 Wh，浮標(biāo)日耗電量小于100 Wh，多余的電量給蓄電池組浮充，因電池組容量大，不會導(dǎo)致蓄電池組過充，保證蓄電池正常運行。在利用塔架的高度與斜率的基礎(chǔ)上，增加太陽能板安裝支架的傾斜角，增加太陽能板的受光面，提高太陽能板的發(fā)電效率，保障蓄電池組有足夠的電能補充。供電系統(tǒng)為浮標(biāo)系統(tǒng)提供單一工作電壓，在連續(xù)陰天的情況下可保證警戒浮標(biāo)系統(tǒng)運行100天。

3.3 數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)

采集系統(tǒng)是警戒浮標(biāo)的核心。為保障警戒浮標(biāo)在海上的正常運行，及時了解警戒浮標(biāo)的工作狀態(tài)，引入了全新的警戒浮標(biāo)遠程實時監(jiān)控系統(tǒng)，在陸基岸站可及時了解預(yù)警浮標(biāo)的工作和錨泊狀態(tài)。警戒浮標(biāo)安全要素采集系統(tǒng)由多個部分組成，主要包括安全狀態(tài)信息數(shù)據(jù)采集器、水警傳感器、航標(biāo)燈狀態(tài)檢測、安全狀態(tài)信息發(fā)送等(圖5)。采集處理系統(tǒng)采取集成度高的SOC主板，由電源、時鐘值守電路、CPU主板、接口電路以及繼電器控制電路等組成，為整個浮標(biāo)系統(tǒng)的核心。為了保障警戒浮標(biāo)系統(tǒng)可靠穩(wěn)定運行，采集處理系統(tǒng)基于89C51為核心的低功耗高集成度的單片機制作，設(shè)置多路接口收集警戒浮標(biāo)安全狀態(tài)信息和發(fā)送安全狀態(tài)信息。

圖5 安全要素信息系統(tǒng)示意Fig. 5 Schematic diagram of safety factors of information system

為了保障警戒浮標(biāo)系統(tǒng)在海上長期穩(wěn)定可靠的運行，系統(tǒng)電源供給非常重要。系統(tǒng)設(shè)計了節(jié)電模式，即系統(tǒng)采用定時數(shù)據(jù)采集和應(yīng)急采集兩種模式，當(dāng)系統(tǒng)采集到的狀態(tài)要素異常時，即時發(fā)送數(shù)據(jù)到岸站，以便進行應(yīng)急處置，平時以1小時的時間間隔發(fā)送到岸站，以實時掌握預(yù)警浮標(biāo)的電量、航標(biāo)燈、GPS等要素狀態(tài)。

警戒浮標(biāo)數(shù)據(jù)傳輸采用北斗通信機進行，實時將警戒浮標(biāo)采集到的各種信息發(fā)送到陸地岸站，陸地岸站接收到預(yù)警浮標(biāo)的信息后，由計算機及時儲存數(shù)據(jù)并即時解譯顯示，岸站接收軟件可通過查詢方式對預(yù)警浮標(biāo)的歷史數(shù)據(jù)信息進行查詢，為預(yù)警浮標(biāo)海上維護、更替提供依據(jù)。

警戒浮標(biāo)系統(tǒng)具有海洋觀測功能可擴展性。浮標(biāo)的標(biāo)體和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在設(shè)計時預(yù)留了常規(guī)水文氣象的安裝實施條件。浮標(biāo)標(biāo)體預(yù)留了海流、溫鹽、水質(zhì)等要素的傳感器安裝位置，根據(jù)需要可增加相關(guān)要素的觀測，實現(xiàn)海底至水面的立體觀測，更好發(fā)揮海洋觀測數(shù)據(jù)的價值，讓布設(shè)海域成為“透明”海域。

3.4 安全防護和報警技術(shù)

為防止浮標(biāo)遭受意外和人為破壞，設(shè)計了多項防護措施。為了使警戒浮標(biāo)在海上有足夠“醒目”，能夠第一時間起到警示作用，安裝了航標(biāo)燈、雷達反射器、避雷針等附件。設(shè)置醒目的專用警示標(biāo)志，本預(yù)警浮標(biāo)參照《中國海區(qū)水上助航標(biāo)志》GB4696-1999中專用標(biāo)要求的顏色、頂標(biāo)進行設(shè)計，浮標(biāo)主浮體顏色為黃色(氯化橡膠605-3桔黃色)；采用X形黃色頂標(biāo)。浮標(biāo)頂部安裝雷達反射器和航標(biāo)燈，航標(biāo)燈為黃色燈色，莫爾斯“O”碼閃光節(jié)奏，周期12 s，作用距離為5海里，符合國際海洋工程測量標(biāo)準(zhǔn)。為防碰撞，設(shè)置防碰護舷，浮標(biāo)體外圍上方設(shè)有周向一整圈D型防碰護舷，可有效保護浮標(biāo)，同時對于靠標(biāo)維護的船只也起到保護作用。

在安全狀態(tài)數(shù)據(jù)異常時設(shè)計了多項報警措施。艙蓋開啟報警，為提高浮標(biāo)海上運行的安全性，當(dāng)浮標(biāo)儀器艙蓋被開啟時，浮標(biāo)系統(tǒng)可直接啟動報警系統(tǒng)，并通過通信系統(tǒng)，實時將報警信息傳輸?shù)桨墩?。事故報警，主要包括艙體進水報警、浮標(biāo)移位報警。艙進水報警由液位傳感器構(gòu)成，也是直接啟動報警系統(tǒng)，實時將報警信息傳輸?shù)桨墩?；浮?biāo)移位報警由接收岸站根據(jù)浮標(biāo)站位和GPS實時數(shù)據(jù)對比得出。故障報警，主要檢測航標(biāo)燈是否正常，如不正常，則在半小時內(nèi)向陸基岸站發(fā)送航標(biāo)燈故障報警信息。

4 警戒浮標(biāo)的示范應(yīng)用

東海海底觀測網(wǎng)于2015年8月布設(shè)在計劃海域(圖1)，系統(tǒng)布設(shè)的同時布設(shè)了該警戒浮標(biāo)(2.6 m直徑)進行保護。為保證警戒浮標(biāo)的警戒效果和范圍，在布放海底網(wǎng)節(jié)點后，采用精確定位布放，在不影響和干擾海底網(wǎng)節(jié)點儀器安全的情況下盡量減少浮標(biāo)之間的距離。為提高節(jié)點警戒浮標(biāo)效果，在海底網(wǎng)節(jié)點為中心250 m直徑的圓上均勻布設(shè)五個浮標(biāo)(圖2)，提高安全警戒圍欄的密度，增加拖網(wǎng)作業(yè)船的穿越難度。至今，警戒浮標(biāo)在海上已正常工作6個月以上，保證了海底觀測網(wǎng)的長期穩(wěn)定觀測，同時也驗證了警戒浮標(biāo)系統(tǒng)的安全性能指標(biāo)。

為了解海底網(wǎng)觀測系統(tǒng)海域的實時海況，在警戒浮標(biāo)上安裝了風(fēng)和波浪傳感器，實時采集風(fēng)速風(fēng)向、波高波向等等風(fēng)和波浪要素，可作為海底觀測系統(tǒng)數(shù)據(jù)的有效補充，提高數(shù)據(jù)的實用性。從圖6可看出，浮標(biāo)在位保護期間，風(fēng)和波浪要素觀測連續(xù)完整，風(fēng)和有效波高具有很好的相關(guān)性，平均風(fēng)速為5.9 m/s，最大為14.9 m/s，最大風(fēng)速為17.6 m/s；有效波高平均為1.3 m，最大為3.9 m。

警戒浮標(biāo)觀測資料的連續(xù)性，說明了浮標(biāo)的正常運行，對海底觀測進行了有效保護，同時該觀測資料可為海底觀測數(shù)據(jù)的有效補充，為海底觀測數(shù)據(jù)的解譯和海洋現(xiàn)象和過程的研究提供實時海況數(shù)據(jù)支持。

圖6 警戒浮標(biāo)布放期間平均風(fēng)速和有效波高的時間序列圖Fig. 6 Time-series of averge wind speed and significant wave during the observation period

5 結(jié) 語

針對近海海底觀測風(fēng)險較大易受漁船拖網(wǎng)損壞的問題，設(shè)計了一套多警戒浮標(biāo)的實時監(jiān)控系統(tǒng)，浮標(biāo)采用直徑為2.4～3.0 m小型浮標(biāo)，警戒浮標(biāo)可獲取浮標(biāo)本身工作狀態(tài)，能實時、動態(tài)、連續(xù)的將警戒浮標(biāo)的運行狀態(tài)發(fā)送到陸基岸站，實現(xiàn)對保護海域的實時監(jiān)控，該警戒浮標(biāo)技術(shù)已在東海海底觀測網(wǎng)保護中取得良好效果(已正常運行6個月以上)，該技術(shù)可以為近海海海底網(wǎng)觀測或其他海底觀測的安全運行提供技術(shù)保障。

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Real-time monitoring system of alert buoys for offshore observation

LI Peng, JIANG Enzhu, WANG Sijian, LI Yangang

(Forecast Center for East China Sea, SOA, Shanghai 200136, China)

P715

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2016.06.016

1005-9865(2016)06-0131-06

2016-02-23

上海市科委科研計劃項目(10dz1210502)；海洋公益性行業(yè)科研專項(201105030)；“863”計劃專項(2012AA09A407)

李 鵬(1978-)，男，山東菏澤人，博士，高級工程師，主要從事河口海岸環(huán)境研究。E-mail：lipeng827@126.com