“黑珍珠”波浪滑翔器南海臺風觀測應用

孫秀軍, 王 雷, 桑宏強

“黑珍珠”波浪滑翔器南海臺風觀測應用

孫秀軍1, 2, 3, 王 雷1, 桑宏強4

（1. 河北工業(yè)大學 機械工程學院, 天津, 300130; 2. 中國海洋大學 物理海洋教育部重點實驗室, 山東 青島, 266100; 3. 青島海洋科學與技術試點國家實驗室 海洋動力過程與氣候功能實驗室, 山東 青島, 266237; 4. 天津工業(yè)大學 機械工程學院, 天津, 300387)

波浪滑翔器的臺風觀測技術在國外已經(jīng)十分成熟并獲得廣泛應用, 但在國內(nèi)仍處于技術層面。為拓展波浪滑翔器的應用范圍, 國內(nèi)學者利用“黑珍珠”波浪滑翔器在南海進行了為期17天的海試試驗,首次對波浪滑翔器進行了臺風觀測應用嘗試。文中介紹了“黑珍珠”波浪滑翔器的結構組成、工作原理及試驗情況, 利用搭載的波浪傳感器和聲學多普勒流速剖面儀(ADCP)獲取了臺風經(jīng)過時的波高、波周期和剖面流速等海洋動力環(huán)境數(shù)據(jù), 并與浮標數(shù)據(jù)進行比對分析, 發(fā)現(xiàn)兩者數(shù)據(jù)吻合度好、誤差低、相關度高, 驗證了波浪滑翔器所測數(shù)據(jù)的準確性, 證明了我國自主研制的“黑珍珠”波浪滑翔器具備極端海況觀測的潛能, 填補了我國波浪滑翔器在臺風觀測應用領域的空白。

波浪滑翔器; 臺風觀測; 波浪傳感器; 聲學多普勒流速剖面儀; 相關度

0 引言

波浪滑翔器是一種新型的海洋移動觀測平臺, 它能夠?qū)⒑Ｑ笾袩o窮無盡的波浪能轉(zhuǎn)化為自身前進的動能, 并具有長航時、智能化及清潔零排放等突出優(yōu)點。它可長期、自主地執(zhí)行水文調(diào)查、氣象預報、通信中繼及環(huán)境監(jiān)測等作業(yè)任務, 具有巨大的應用前景, 已成為滑翔器領域的研究熱點。

美國的Liquid Robotics公司對波浪滑翔器技術的研發(fā)已經(jīng)十分成熟, 其研發(fā)的SV2和SV3兩種型號波浪滑翔器實現(xiàn)了產(chǎn)品化, 在海洋科學、海洋工程甚至軍事領域得到了廣泛應用。在2007~2014年間, 美國使用波浪滑翔器對臺風進行了多次觀測[1-3]。波浪滑翔器不僅在臺風“弗洛西”、“桑迪”及“安娜”經(jīng)過的途中存活了下來, 還將與臺風相關的重要數(shù)據(jù)實時的回傳到了陸地, 為科研人員對臺風的解析提供了寶貴的數(shù)據(jù), 驗證了波浪滑翔器在極端海況條件下的應用潛力。

近年來, 國內(nèi)學者也陸續(xù)對波浪滑翔器技術開展了相關研究, 主要有孫秀軍[4]、吳小濤[5]和廖煜雷[6]等, 在波浪滑翔器負載能力、航行速度、航行精度、定點錨泊及海洋環(huán)境探測等方面取得了一定的研究成果, 但這些研究仍處于技術層面, 對臺風觀測的應用領域仍處于空白狀態(tài)。文中介紹了新近完成的我國自主研制的“黑珍珠”波浪滑翔器臺風觀測應用試驗, 通過對有關試驗結果的分析, 證明了該波浪滑翔器具備極端海況觀測的潛能, 擬為我國臺風觀測技術提供一種新的研究方向。

1 “黑珍珠”波浪滑翔器

“黑珍珠”波浪滑翔器是由中國海洋大學聯(lián)合天津工業(yè)大學研發(fā)的一種具有自主導航能力的海洋移動觀測平臺[7-9], 其優(yōu)點表現(xiàn)在: 前進的動力來自波浪; 測量、控制、導航和通信系統(tǒng)的能源來自太陽能; 可實現(xiàn)遠海大洋的長時期大范圍觀測; 可攜帶聲吶、氣象站、水下攝像機、溫鹽深儀、水聽器、生物或化學檢測儀器等多種傳感設備, 以完成各種觀測任務[10-16]; 具有銥星通信、全球定位系統(tǒng)(global positioning system, GPS)定位和自主導航控制功能, 可實現(xiàn)大范圍、遠距離的海氣界面環(huán)境數(shù)據(jù)觀測, 具有廣泛的應用前景。目前, 該滑翔器已經(jīng)完成了多項長航程測試試驗, 在青島千里巖海域刷新了運行時間最長(近100天)、航行里程最遠(達3 600 km)的自主觀測記錄, 并在南海海域經(jīng)歷了臺風極端海況測試(8.5 m浪高)。“黑珍珠”波浪滑翔器具有時間長、航程大、耐受極端海況等特點, 在海洋觀測中具有極大的應用潛能。

1.1 結構組成

“黑珍珠”波浪滑翔器整體結構如圖1所示。它由以下3部分組成了特殊的雙體結構:

1) 水面母船, 設計有低阻外形輪廓, 用作傳感、控制及通信的搭載平臺并為整體提供浮力;

2) 水下牽引機, 它是整體的動力推進系統(tǒng), 采用純機械傳動的工作模式, 使得水下牽引機具有無驅(qū)動、零排放的特點;

3) 柔性鎧裝纜, 它是水下牽引機與水面母船動力和信號的主要傳遞者。其結構參數(shù)如表1所示。

圖1 “黑珍珠”波浪滑翔器整體結構

1.2 工作原理

如圖2所示, 波浪滑翔器通過柔性鎧裝纜將母船隨波浪的起伏運動傳遞到水下牽引機, 使其上升與下降的過程中迫使水翼產(chǎn)生擺角[17], 同時, 海水的振幅在越靠近海面處就越大[1], 利用這一特性可讓母船與水下牽引機產(chǎn)生較大的振幅差, 將水翼所受水動力轉(zhuǎn)化為推力, 推動著牽引機向前運動, 并通過鎧裝纜拉拽母船前進。

表1 “黑珍珠”波浪滑翔器結構參數(shù)

圖2 波浪滑翔器工作原理

1.3 搭載傳感器

“黑珍珠”波浪滑翔器作為一個海洋移動觀測平臺, 可根據(jù)具體的任務需求搭載不同的高精密傳感設備, 通過配置測量和信息傳輸?shù)裙δ苣K獲取海洋環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)。為了探測南海海域的水文數(shù)據(jù), “黑珍珠”搭載了聲學多普勒流速剖面儀 (acoustic Doppler current profilers, ADCP)、波浪傳感器等海洋環(huán)境觀測傳感器, 具體參數(shù)指標如表2和表3所示。

表2 聲學多普勒流速剖面儀傳感器參數(shù)

表3 波浪傳感器參數(shù)

2 南海試驗

2.1 試驗過程

為保證波浪滑翔器可應用于臺風觀測中, 需對其生存能力進行驗證。由于無法人工模擬出臺風時相對應的海況、風速、風向及氣壓等試驗條件, 故直接將波浪滑翔器投入到真實環(huán)境, 通過海試得出一個真實、有效的結論?？紤]到夏季正值臺風多發(fā)時段, 決定將海試地點選取在南海東沙群島附近海域與臺風進行“偶遇”, 對“黑珍珠”波浪滑翔器的生存能力進行考驗。

2017年8月17日晚7點, 試驗船搭載“黑珍珠”波浪滑翔器從汕頭經(jīng)濟特區(qū)碼頭出發(fā), 前往180 km東沙群島海域(經(jīng)度118.000°、緯度22.000°)布放, 見圖3和圖4。設定波浪滑翔器航行路徑, 并對其進行航行速度、環(huán)境參數(shù)、波浪數(shù)據(jù)及可生存浪高等性能指標試驗。

2.2 臺風觀測

2017年8月18日~9月4日海試期間, “黑珍珠”波浪滑翔器先后經(jīng)歷了3次臺風(201713“天鴿”(Hato)、201714“帕卡”(Pakhar)及201716“瑪娃”(Mawar)), 從圖5可知, 3次臺風從生成至結束的運動軌跡均掠過東沙群島海域, 并在該海域風力逐漸上升, 臺風等級均達到10~13級, 為“黑珍珠”波浪滑翔器的性能測試提供了天然的試驗條件。

圖3 波浪滑翔器布放海域及設定路徑點

圖4 布放現(xiàn)場

圖5 臺風路徑

試驗中, 在“黑珍珠”波浪滑翔器行進軌跡 80 km處布置有臺灣東沙群島浮標, 其位置也在臺風的影響范圍之內(nèi), 在臺風經(jīng)過的途中記錄下了準確的波浪數(shù)據(jù), 為搭載的波浪傳感器所測數(shù)據(jù)的準確性驗證提供了依據(jù)。圖6給出了浮標、波浪滑翔器行進路線及臺風路徑軌跡的相對位置, 可看出臺風“天鴿”、“瑪娃”與波浪滑翔器和浮標位置靠得最近, 對其造成的影響也最大。

2.3 設備回收

2017年9月4日, 途經(jīng)東沙群島的“科學號”科考船回收了“黑珍珠”波浪滑翔器(見圖7), 經(jīng)檢查, 滑翔器結構保持完好, 通信及數(shù)據(jù)采集運行正常。

圖6 浮標、波浪滑翔器與臺風的相對位置

圖7 波浪滑翔器回收

3 試驗結果及分析

“黑珍珠”波浪滑翔器在試驗期間穩(wěn)定運行了17天, 累計航程約722.5 km, 并在臺風極端惡劣海況中成功將數(shù)據(jù)實時回傳到陸地, 為科研工作提供了數(shù)據(jù)支撐。

3.1 平臺狀態(tài)

圖8給出了“黑珍珠”波浪滑翔器各項機能在海試中的運行狀態(tài)。從圖3中可知設定的路徑點為直線型, 但由于臺風和海流的干擾, 使得波浪滑翔器的航行軌跡與目標點之間產(chǎn)生偏移, 出現(xiàn)如圖8(a)所示的曲線軌跡;為保證波浪滑翔器能準確到達設定位置, 導航控制系統(tǒng)會根據(jù)GPS實時回傳的坐標數(shù)據(jù)進行航位推算, 得出朝目標點運動的期望航向, 通過與羅盤反饋的當前航向進行對比, 其擬合程度可作為波浪滑翔器的航行是否精準的依據(jù), 從圖8(b)中可看出兩者擬合程度大體上相同, 在圖8(d)中的相關度達到了0.976 5, 誤差標準差為16.2°, 說明牽引機的響應速度很快, 可及時調(diào)整到正確航向; 另外, 圖8(c)的相對誤差大多在小范圍內(nèi)波動, 在某個時間段內(nèi)發(fā)生較大的突變, 通過對比牽引機的工作狀態(tài)(見圖8(e)~(f))可知, 當遇到較大海流干擾時, 牽引機會產(chǎn)生較大的運動幅度, 使得航向調(diào)節(jié)及位姿保持能力變?nèi)? 其航向精度也會受到較大影響, 導致誤差突增; 波浪滑翔器通過攜帶太陽能電池板及可充電鋰電池包來滿足其導航、控制、通信和有效載荷的電源需求, 其規(guī)格如表4所示。圖8(g)顯示了電池包在充放電狀態(tài)下的電壓變化, 從圖中電壓周期性的變化可看出, 充電系統(tǒng)狀態(tài)穩(wěn)定, 其各種參數(shù)如表4所示。另外, 從圖中可看出, 電壓的最低值為16.5 V左右, 距離欠壓恢復電壓14.4 V仍有一定的利用空間, 因此可以根據(jù)傳感器的耗能情況在船體上進行搭載。

圖8 “黑珍珠”波浪滑翔器運行狀態(tài)

表4 波浪滑翔器充放電系統(tǒng)參數(shù)

3.2 浪高分析

圖9給出了臺風從開始到結束浪高變化的全過程, 其中3次凸起對應的時刻與臺風登陸時間(“天鴿”于2017年8月23日登陸南海東北部海面、“帕卡”于8月27日進入南海東部海面、“瑪娃”于9月3日進入南海海面)剛好吻合, 并在此時達到最大波高。另外, 從圖中可知, “黑珍珠”波浪滑翔器在近9 m的浪高下仍能正常工作, 證明了我國研制的波浪滑翔器應用于臺風觀測的可行性。

圖9 波浪滑翔器載波浪傳感器測量的最大波高曲線圖

有效波高是按一定規(guī)律統(tǒng)計的實際波高值, 具有較好的海面波高代表性。圖10為波浪傳感器與浮標有效波高的數(shù)據(jù)對比。如圖10(a)所示, 兩者的曲線擬合程度較好, 從圖10(c)中可看出相關度達到了0.930 2, 數(shù)據(jù)標準差在0.5 m附近, 說明波浪傳感器所測數(shù)據(jù)具有較高的準確性。同時, 從圖10(b)中的有效波高誤差曲線中得知, 當浪高較小時對應的浪高誤差也很小, 標準差在0.5 m左右, 當浪高變大時浪高誤差也會隨之增大, 最大誤差達到了3.7 m。這是因為浮標可一直處于波峰位置, 而波浪滑翔器的母船與波峰之間會因海況的不同而拉開一段距離。由于波浪滑翔器會因牽引機的重力及所受水動力而潛入水中, 當海況很小時, 母船與波峰距離很小, 兩者所測數(shù)據(jù)誤差也相對較小; 但當海況較大時, 母船與波峰之間的距離會隨之加大, 使得兩者所測數(shù)據(jù)誤差變大, 同時, 波浪滑翔器與浮標之間的距離相距較遠, 波浪的起伏情況也會有所不同, 加大了兩者的數(shù)據(jù)誤差。

通過圖11(a)給出的浮標與波浪滑翔器所測波周期的數(shù)據(jù)對比可知, 波浪滑翔器與浮標所測波周期曲線擬合情況較好, 起伏一致, 圖11(c)中的數(shù)據(jù)相關度有0.879 4, 數(shù)據(jù)誤差標準差在0.5 s, 可看出波浪傳感器所測波周期數(shù)值具有一定的參考價值。另外, 從圖11(b)誤差曲線上來看, 臺風經(jīng)過的前后時間段內(nèi)兩者的誤差范圍大多保持在±1 s的區(qū)間內(nèi), 標準差為0.5 s; 在最大浪高附近的波周期誤差較大, 有2.6 s, 說明臺風的出現(xiàn)會局部導致誤差突增, 雖然傳感器波周期測量較為穩(wěn)定, 但測量精度仍需進一步提高。

3.3 海流分析

海流在劇烈臺風的強迫力場作用下, 流速發(fā)生異常變化, 繞著臺風中心呈環(huán)狀流動。圖12給出了海流不同流層流速、方向及密集程度的ADCP實測數(shù)據(jù), 可作為臺風強度、尺度分析研究基礎數(shù)據(jù)。

圖12 聲學多普勒流速剖面儀剖面測流

圖13 船速矢量分解

圖14 航行軌跡上的流向變化

4 結束語

“黑珍珠”波浪滑翔器在我國南海歷經(jīng)為期17天的海試試驗, 是我國波浪滑翔器近距離臺風觀測的首次嘗試, 填補了臺風觀測應用領域的空白。該試驗經(jīng)歷了3 次臺風海況, 創(chuàng)下了8.5 m的浪高記錄, 并成功獲取了海洋動力環(huán)境數(shù)據(jù), 環(huán)境測量數(shù)據(jù)可信, 驗證了“黑珍珠”波浪滑翔器在極端海況下的生存能力及臺風觀測的可行性, 標志著我國自主研制的波浪滑翔器已具備了一定的極端海況觀測能力。由于該試驗過程中未搭載氣象站及水面溫鹽等傳感器, 無法全方位描述臺風特征。后續(xù)研究中, 將根據(jù)臺風觀測需要, 針對“黑珍珠”波浪滑翔器做進一步改進。

[1] Hine R, Willcox S, Hine G, et al. The Wave Glider: A Wave-Powered Autonomous Marine Vehicle[C]//Institute of Electrical and Electronics Engineers, Marine Technology for Our Future: Global and Local Challenges(OCEANS 2009), Biloxi, MS, USA: IEEE, 2009.

[2] Wiggins S, Manley J, Brager E, et al. Monitoring Marine Mammal Acoustics Using Wave Glider[C]//Oceans. Seattle. WA, USA: IEEE, 2010:1-4.

[3] Manley J, Willcox S. The Wave Glider: A Persistent Platform for Ocean Science[C]//Oceans. Sydney, NSW, Austr- alia: IEEE, 2010: 1-5.

[4] 桑宏強, 李燦, 孫秀軍. 波浪滑翔器縱向速度與波浪參數(shù)定量分析[J]. 水下無人系統(tǒng)學報, 2018, 26(1): 16-22.Sang Hong-qiang, Li Can, Sun Xiu-jun. Quantitative Ana- lysis on Longitudinal Velocity and Wave Parameter of Wave Glider[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2018, 26(1): 16-22.

[5] 吳小濤. 由海洋環(huán)境要素預估波浪滑翔器速度[J]. 水雷戰(zhàn)與艦船防護, 2015, 23(1):70-76.Wu Xiao-tao. Predicting Wave Glider Speed from Environmental Measurements[J]. Mine Warfare & Ship Self-Defence, 2015, 23(1):70-76.

[6] 廖煜雷, 李曄, 劉濤, 等. 波浪滑翔器技術的回顧與展望[J]. 哈爾濱工程大學學報, 2016, 37(9): 1227-1236.Liao Yu-lei, Li Ye, Liu Tao. Unmanned Wave Glider Technology: State of the Art and Perspective[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2016, 37(9): 1227-1236.

[7] Manley J, Willcox S. The Wave Glider: A New Concept for Deploying Ocean Instrumentation[J]. IEEE Instrumenta- tion & Measurement Magazine, 2010, 13(6): 8-13.

[8] Daniel T, Manley J, Trenaman N. The Wave Glider: Enabling a New Approach to Persistent Ocean Observation and Research[J]. Ocean Dynamics, 2011, 61(10): 1509-1520.

[9] Li C, Sang H, Sun X, et al. Hydrographic and Meteorological Observation Demonstration with Wave Glider “Black Pearl”[C]//National Natural Science Foundation of China, Robotics and Applications: 10th International Conference. Wuhan, China: ICIRA, 2017.

[10] Willcox S, Meinig C, Sabine C L, et al. An Autonomous Mobile Platform for Underway Surface Carbon Measurements in Open-ocean and Coastal Waters[C]//Institute of Electrical and Electronics Engineers, Marine Technology for Our Future: Global and Local Challenges(OCEANS 2009). Biloxi, MS, USA: IEEE, 2009.

[11] Niiler P P, Sybrandy A S, Bi K, et al. Measurements of the Water-following Capability of Holey-sock and TRISTAR Drifters[J]. Deep Sea Research Part I Oceanographic Research, 1995, 42(11-12): 1951-1964.

[12] Ralph E A, Niiler P P. Wind-Driven Currents in the Tropical Pacific[J]. Journal of Physical Oceanography, 1999, 29(9): 2121-2129.

[13] Wiggins S, Manley J, Brager E, et al. Monitoring Marine Mammal Acoustics Using Wave Glider[C]//Oceans. Seattle, WA, USA: IEEE, 2010: 1-4.

[14] Frolov S, Bellingham J, Anderson W, et al. Wave Glider—A Platform for Persistent Monitoring of Algal Blooms[C]// Oceans. Waikoloa, HI, USA: IEEE, 2011: 1-5.

[15] Van L V, Baeye M. Wave Glider Monitoring of Sediment Transport and Dredge Plumes in a Shallow Marine Sandbank Environment[J]. Plos One, 2015, 10(6): e0128948.

[16] Bingham B, Kraus N, Howe B, et al. Passive and Active Acoustics Using an Autonomous Wave Glider[J]. Journal of Field Robotics, 2012, 29(6): 911-923.

[17] 李小濤, 王理, 吳小濤, 等. 波浪滑翔器原理和總體設計[J]. 兵器裝備工程學報, 2013, 34(12): 128-131.Li Xiao-tao, Wang Li, Wu Xiao-tao, et al. Principle and System Design of a Wave Glider[J]. Journal of Sichuan Ordnance, 2013, 34(12): 128-131.

Application of Wave Glider “Black Pearl” to Typhoon Observation in South China Sea

SUN Xiu-jun, WANG Lei, SANG Hong-qiang

(1.School of Mechanical Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300130, China; 2. Physical Oceanography Laboratory, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 3. Laboratory of Marine Dynamics and Climate Function,Pilot National Laboratory for Marine Science and Technology(Qingdao), Qingdao 266237, China; 4. School of Mechanical Engineering, Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387, China)

Typhoon observation technology of wave glider has been widely used abroad, however this technology is still at technical level in China. In order to expand the application scope of wave glider, the Chinese scholars carried out a 17-day sea trial of the wave glider “Black Pearl” in the South China Sea for typhoon observation. In this paper, the structure, working principle and test of the wave glider are introduced. The oceanic dynamic environment data such as wave height, wave period and cross-section velocity are acquired through the wave sensor and acoustic Doppler current profilers(ADCP). By comparing and analyzing the measured data with the buoy data, it is found that they agree well with low error and high correlation degree, verifying the measurement accuracy of the wave glider. This study proves that the wave glider “Black Pearl” developed independently by Chinese has potential application in extreme sea condition observation, and fills the gap of applying wave glider to typhoon observation in China.

wave glider; typhoon observation; wave sensor; acoustic Doppler current profilers(ADCP); correlation degree

TJ630; U674.941; O353.2

A

2096-3920(2019)05-0562-08

10.11993/j.issn.2096-3920.2019.05.012

孫秀軍, 王雷, 桑宏強. “黑珍珠”波浪滑翔器南海臺風觀測應用[J]. 水下無人系統(tǒng)學報, 2019, 27(5): 562-569.

2018-10-25;

2018-12-18.

國家重點研發(fā)計劃重點專項(2017YFC0305902); 青島海洋科學與技術國家實驗室“問海計劃”項目(2017WHZZB 0101); 天津市自然科學基金重點基金(18JCZDJC40100).

孫秀軍(1981-), 男, 教授, 主要研究方向為海洋移動觀測平臺技術.

(責任編輯: 楊力軍)