三錨式浮標(biāo)綜合觀測(cè)平臺(tái)的研究和應(yīng)用

劉長(zhǎng)華, 張曙偉 , 王 旭, 萬(wàn)曉正 , 賈思洋, 趙環(huán)宇 , 王春曉, 劉 野 , 齊 勇 , 范秀濤 , 劉世萱

(1. 中國(guó)科學(xué)院海洋研究所, 山東 青島 266071; 2. 齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院)海洋儀器儀表研究所, 山東 青島 266061; 3. 山東省海洋監(jiān)測(cè)儀器裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266061)

海洋科學(xué)的發(fā)展依賴(lài)于海洋觀測(cè)技術(shù)的進(jìn)步, 海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)獲得的多寡和數(shù)據(jù)類(lèi)型的豐富是海洋科學(xué)研究取得開(kāi)創(chuàng)性成果的前提和基礎(chǔ), 早期基于船舶的走航式調(diào)查為海洋科學(xué)的發(fā)展起到了巨大的推動(dòng)作用[1], 而后基于錨系式定點(diǎn)的海洋觀測(cè)[2-3]、基于衛(wèi)星的遙感觀測(cè)[4]和游弋式的水體觀測(cè)[5]得到迅猛發(fā)展, 其所獲取的觀測(cè)數(shù)據(jù)極大促進(jìn)了海洋科學(xué)研究的進(jìn)步, 使人類(lèi)對(duì)海洋有了更加全面的理解和認(rèn)知。

目前, 海洋觀測(cè)技術(shù)的一個(gè)重要分支為水體剖面觀測(cè)技術(shù), 隨著海洋學(xué)科本身的發(fā)展, 對(duì)水體剖面數(shù)據(jù)的獲取不僅僅停留在基于船舶的瞬時(shí)性剖面數(shù)據(jù)的獲取, 科學(xué)家也不滿(mǎn)足于數(shù)據(jù)延時(shí)獲取的現(xiàn)狀, 而且對(duì)水體剖面參數(shù)也越來(lái)越傾向于多而全, 不僅僅是原來(lái)容易觀測(cè)的剖面海流, 還要包括水溫、鹽度、濁度、溶解氧、葉綠素等水質(zhì)生態(tài)數(shù)據(jù), 甚至一直被視為難以長(zhǎng)期連續(xù)獲取的pH值和營(yíng)養(yǎng)鹽等參數(shù), 也成為了目前海洋科學(xué)家研究海洋水體所關(guān)注的重要參數(shù)[6-7]。

然而, 我國(guó)大部分的海洋水體剖面觀測(cè)至今仍然依靠船舶走航式觀測(cè)和臺(tái)站定點(diǎn)觀測(cè)技術(shù)周期性的采集海洋表層或有限水層的要素?cái)?shù)據(jù), 缺少對(duì)海洋次表層以及深層水體進(jìn)行長(zhǎng)期連續(xù)的剖面觀測(cè), 這主要是實(shí)施連續(xù)剖面觀測(cè)的有效技術(shù)手段缺乏所致[8-9]。國(guó)際上已經(jīng)試驗(yàn)成功并取得大量水體剖面觀測(cè)數(shù)據(jù)的設(shè)備和技術(shù)手段在我國(guó)也存在明顯“水土不服”的問(wèn)題, 極易遭受破壞, 受到各種安全因素的限制, 很難進(jìn)行長(zhǎng)期和廣泛應(yīng)用[7,10], 原因在于我國(guó)近海隨意捕撈的情況仍然比較普遍, 漁民經(jīng)常違規(guī)作業(yè), 對(duì)海洋觀測(cè)設(shè)備的保護(hù)意識(shí)也比較弱, 導(dǎo)致經(jīng)常發(fā)生各類(lèi)海洋觀測(cè)設(shè)備遭受漁船撞擊或漁網(wǎng)拖曳甚至人為破壞的現(xiàn)象, 嚴(yán)重影響觀測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)有效獲取[11-12]。

因此設(shè)計(jì)研發(fā)一種適合于我國(guó)近海海域, 可進(jìn)行長(zhǎng)期、穩(wěn)定、連續(xù)、定點(diǎn)、實(shí)時(shí)的水體剖面數(shù)據(jù)觀測(cè), 并且能長(zhǎng)期安全運(yùn)行的觀測(cè)設(shè)備十分迫切, 中國(guó)科學(xué)院海洋研究所黃東海浮標(biāo)觀測(cè)站在多年實(shí)際觀測(cè)經(jīng)驗(yàn)積累的基礎(chǔ)上, 研制完成一種新型的適用于近海水體剖面觀測(cè)的三錨式浮標(biāo)綜合觀測(cè)平臺(tái), 該平臺(tái)充分繼承了海上大型錨系式浮標(biāo)的優(yōu)點(diǎn), 又創(chuàng)新性地進(jìn)行了智能化和水體剖面觀測(cè)設(shè)計(jì), 在我國(guó)近海具有廣泛的適用性。

1 三錨式浮標(biāo)綜合觀測(cè)平臺(tái)的設(shè)計(jì)思路

三錨式浮標(biāo)綜合觀測(cè)平臺(tái)的核心目的是實(shí)現(xiàn)一定水深范圍內(nèi)的水體剖面長(zhǎng)期、連續(xù)、定點(diǎn)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定獲取, 并保障觀測(cè)設(shè)施的安全, 因此在設(shè)計(jì)思路的選擇上主要考慮借用目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)廣泛使用, 并且得到實(shí)踐證明較為安全的直徑10 m的大型浮標(biāo)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn), 在這個(gè)基礎(chǔ)上, 從更加穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì), 更加充足的能源供給, 更加高效、穩(wěn)定的水下觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸方式等方面進(jìn)行三錨式浮標(biāo)綜合觀測(cè)平臺(tái)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

如何實(shí)現(xiàn)水體剖面觀測(cè)是一個(gè)核心問(wèn)題, 實(shí)踐證明, 在錨系上系留自容式傳感器進(jìn)行水體剖面觀測(cè)具有一定可行性, 但是限制因素較多, 如果不采用水下機(jī)器人操作, 僅用潛水員下潛進(jìn)行系留設(shè)備, 剖面水深受限于潛水員下潛深度, 并且人員的危險(xiǎn)性極大, 更重要的一點(diǎn)是剖面數(shù)據(jù)仍停留在自容模式, 不能獲取實(shí)時(shí)的水體剖面數(shù)據(jù)[12-13]。在已有的10 m直徑浮標(biāo)體上通過(guò)原有的設(shè)備井自由懸掛可實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸Ю|直讀式傳感器, 經(jīng)實(shí)踐證明極易與浮標(biāo)的錨系發(fā)生纏繞, 造成設(shè)備損失。因此需要在結(jié)構(gòu)上考慮將浮標(biāo)體擴(kuò)大, 在浮標(biāo)體下面留出足夠空間, 采用絞車(chē)帶動(dòng)觀測(cè)設(shè)備, 進(jìn)行上下連續(xù)升降式的方式實(shí)現(xiàn)水體剖面觀測(cè), 經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的實(shí)驗(yàn)和實(shí)際海上實(shí)踐, 最終證明這是一個(gè)較合理的優(yōu)選方案, 可以實(shí)現(xiàn)我國(guó)近海海域一定水深范圍內(nèi)的水體剖面長(zhǎng)期、連續(xù)、實(shí)時(shí)、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)獲取。

1.1 三錨式浮標(biāo)綜合觀測(cè)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

三錨式浮標(biāo)綜合觀測(cè)平臺(tái)的主浮標(biāo)體采用直徑15 m圓盤(pán)型結(jié)構(gòu), 外圍配置3個(gè)錨系浮筒與主浮標(biāo)體鏈接, 錨系浮筒主要起到固定與系留作用, 也稱(chēng)之為保護(hù)浮鼓(圖1)。按照功能劃分, 三錨式浮標(biāo)綜合觀測(cè)平臺(tái)主要由主浮標(biāo)體、三錨系留系統(tǒng)、常規(guī)觀測(cè)系統(tǒng)、水體剖面觀測(cè)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、安保系統(tǒng)、數(shù)據(jù)接收處理系統(tǒng)等部分組成。按照結(jié)構(gòu)劃分, 三錨式浮標(biāo)綜合觀測(cè)平臺(tái)主要由水面主浮標(biāo)體和三錨系留系統(tǒng)兩部分組成, 主浮標(biāo)體浮于海面之上, 是實(shí)現(xiàn)水體剖面觀測(cè)的主體, 三錨系留系統(tǒng)為海面主浮標(biāo)的海上固定和定位提供保證。

圖1 三錨式浮標(biāo)綜合觀測(cè)平臺(tái)整體效果 Fig. 1 Design sketch of three-anchor buoy integrated observation platform

1.1.1 主浮標(biāo)體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主浮標(biāo)體的圓盤(pán)形結(jié)構(gòu), 保證了其各項(xiàng)受力均勻, 且穩(wěn)性衡準(zhǔn)數(shù)K設(shè)計(jì)大于1, 確保主浮標(biāo)體在極限條件下生存。主浮標(biāo)體甲板設(shè)計(jì)周向?yàn)?層結(jié)構(gòu), 從外向內(nèi)依次為護(hù)舷、外圍浮力艙、內(nèi)部?jī)x器艙和電池艙、內(nèi)部浮力艙, 其中內(nèi)部浮力艙中間為直徑2.5 m的透水區(qū), 為中央觀測(cè)井, 是實(shí)現(xiàn)水體剖面觀測(cè)結(jié)構(gòu)部分, 中央觀測(cè)井呈圓筒狀, 底部為喇叭型開(kāi)口, 便于水下剖面觀測(cè)單元的升降。

主浮標(biāo)體外側(cè)圍繞防護(hù)舷材, 以增加標(biāo)體的抗碰撞能力, 標(biāo)體內(nèi)設(shè)計(jì)有若干全密閉浮力艙, 理論上即使某幾個(gè)浮力艙破損或進(jìn)水, 仍有水密艙壁同中間浮力艙阻隔, 浮標(biāo)仍可安全地浮在水面, 不至于傾覆。在外圍浮力艙內(nèi)主要是進(jìn)行供電電池、數(shù)據(jù)采集控制器、通訊設(shè)備等儀器設(shè)備的布設(shè)與安裝。根據(jù)主浮標(biāo)體進(jìn)行常規(guī)海表觀測(cè)的需要, 在標(biāo)體中間浮力艙內(nèi)開(kāi)設(shè)3個(gè)設(shè)備安裝井, 可滿(mǎn)足浮標(biāo)水文參數(shù)的監(jiān)測(cè)需求。

主浮標(biāo)體由于為圓盤(pán)形, 前后左右對(duì)稱(chēng), 所以水動(dòng)力學(xué)性能主要體現(xiàn)在橫搖性和垂蕩性?xún)蓚€(gè)方面: 主浮標(biāo)體橫搖性能經(jīng)過(guò)計(jì)算, 其單位波幅橫搖幅(response amplitude operator, 縮寫(xiě)為RAO)較為平緩, 峰值在固有周期3.9 s左右, 峰值突出不大。在實(shí)際海況中, 短周期波的波周期(T<5 s)中, 主浮標(biāo)體搖擺幅度較其他小型浮標(biāo)明顯變小, 長(zhǎng)周期波的波周期(T>5 s)中, 浮標(biāo)搖擺平緩, 幅度適中。主浮標(biāo)體的垂蕩性特點(diǎn)為, 在周期大于6 s的波中, 垂蕩幅值可達(dá)到波幅的90%以上(圖2)。通過(guò)計(jì)算, 充分說(shuō)明浮標(biāo)體隨直徑增大, 隨波性比小型浮標(biāo)有所減弱, 穩(wěn)性變強(qiáng)。

圖2 主浮標(biāo)體單位幅值橫搖和垂蕩響應(yīng)曲線(xiàn) Fig. 2 The curves of main buoy body’s response amplitude operator (RAO)

圖3 剖面觀測(cè)設(shè)備與鏈接錨鏈和固定錨系的相對(duì)位置示意圖 Fig. 3 The diagram of the relative position between profile observation equipment and link- chain & anchor-chain

1.1.2 三錨系留系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

采用三錨系留系統(tǒng)是解決剖面觀測(cè)設(shè)備在進(jìn)行上下升降式水體剖面觀測(cè)時(shí), 有效避免剖面觀測(cè)設(shè)備與浮標(biāo)錨系纏繞的一個(gè)優(yōu)化方案, 三錨系留法將主浮標(biāo)與3套錨系分開(kāi), 即浮標(biāo)本身不直接與固定其的3套錨系相連, 3套錨系分別鏈接于3個(gè)保護(hù)浮鼓上, 這3只保護(hù)浮鼓再用錨鏈與主浮標(biāo)體相連, 3套錨系按照夾角120°均布分布于主浮標(biāo)體周?chē)暮５? 在理想狀態(tài)下, 漂浮于海面的保護(hù)浮鼓也以?shī)A角120°的狀態(tài), 等距離均布分布于主浮標(biāo)體周?chē)Ｃ?圖1)。但是隨著風(fēng)、浪、流等海洋復(fù)雜因素的影響, 實(shí)際的狀況為3個(gè)保護(hù)浮鼓與主浮標(biāo)體之間的距離是隨時(shí)變化的, 保護(hù)浮鼓與主浮標(biāo)體之間的鏈接錨鏈隨風(fēng)、浪、流條件的變化而張緊或松弛、懸垂(圖3)。因此, 在設(shè)計(jì)時(shí)須考慮兩個(gè)位置處會(huì)發(fā)生剖面觀測(cè)設(shè)備被纏繞的情況, 即剖面觀測(cè)設(shè)備升降至與保護(hù)浮鼓鏈接錨鏈可能發(fā)生纏繞的位置(圖中A0位置)和剖面觀測(cè)設(shè)備升降至下層水深與保護(hù)浮鼓錨系可能纏繞的位置(圖中A1位置), 理論上計(jì)算采取極端條件下, 只要控制了主浮標(biāo)體與保護(hù)浮鼓之間的距離, 即L0的長(zhǎng)度, 就可以確定A0位置時(shí)L1的距離, 同時(shí)也可以確定A1位置時(shí)L3的距離。所以L(fǎng)0的距離是防止剖面觀測(cè)設(shè)備上下升降時(shí)與鏈接錨鏈和保護(hù)浮鼓錨系纏繞的關(guān)鍵, 采用懸鏈線(xiàn)理論計(jì)算浮體靜平衡位置以及錨系幾何形狀, 設(shè)置初始條件設(shè)定剖面觀測(cè)設(shè)備升降的路徑形狀, 綜合考慮流速剖面、設(shè)備和系泊線(xiàn)參數(shù), 通過(guò)靜力學(xué)分析, 可確定L0、L1。結(jié)合常規(guī)觀測(cè)參數(shù)獲取的東海實(shí)驗(yàn)觀測(cè)海域環(huán)境條件, 設(shè)置的極限海況的計(jì)算條件為: 風(fēng)速: 10 m/s, 流速: 1.5 m/s, 浪高: 最大波高2.5 m, 采用Jonswap波浪譜, 有效波高2 m, 譜峰周期4 s?？紤]觀測(cè)水深的條件, 給出兩種主浮標(biāo)體與保護(hù)浮鼓的鏈接情況, 情況1為1節(jié)錨鏈鏈接, 長(zhǎng)度27.5 m, 水深范圍為10~30 m; 情況2為2節(jié)錨鏈鏈接, 長(zhǎng)度為55 m, 水深范圍為40~60 m(表1), 更深的水深情況可參照此方法進(jìn)行計(jì)算和設(shè)定。通過(guò)理論計(jì)算, 可以看出此種設(shè)計(jì)方案在設(shè)定安全的極限閾值海況下, 剖面觀測(cè)設(shè)備進(jìn)行上下升降式觀測(cè)時(shí), 不存在與鏈接錨鏈和固定錨系纏繞的情況, 可以進(jìn)行穩(wěn)定的實(shí)時(shí)水體剖面數(shù)據(jù)獲取。

表1 兩種情況下理論計(jì)算L0、L1和L2(水深10~60 m) Tab. 1 The theoretical values of L0、L1 and L2 in both cases (water depth 10~60 m)

1.2 三錨式浮標(biāo)綜合觀測(cè)平臺(tái)能源供給的設(shè)計(jì)

三錨式浮標(biāo)綜合觀測(cè)平臺(tái)因其功能多, 集成了目前錨系式浮標(biāo)觀測(cè)的先進(jìn)理念, 因此其所需要的能源較大, 所以需要充分考慮能源的供給方式, 在設(shè)計(jì)之初曾考慮采用風(fēng)能-波浪能-太陽(yáng)能三者互補(bǔ)的發(fā)電技術(shù), 與蓄電池組合供電, 對(duì)三錨式浮標(biāo)綜合觀測(cè)平臺(tái)提供能源。后期在實(shí)際的研發(fā)中, 考慮安全和高效性等因素, 最終采用了太陽(yáng)能電池和蓄電池組合供電方式, 對(duì)整套系統(tǒng)提供工作能源。

三錨式浮標(biāo)綜合觀測(cè)平臺(tái)的主要電源系統(tǒng)分為兩部分: 浮標(biāo)常規(guī)供電系統(tǒng)和剖面觀測(cè)供電系統(tǒng)。浮標(biāo)常規(guī)供電部分與傳統(tǒng)大型浮標(biāo)供電系統(tǒng)類(lèi)似, 通過(guò)蓄電池為各系統(tǒng)提供能源, 蓄電池的電量由太陽(yáng)能板進(jìn)行及時(shí)補(bǔ)充充電, 太陽(yáng)能電池板選用單晶硅材料, 充電控制器充電效率在90%以上, 由于預(yù)布放海域?yàn)槎嘤甑牡貐^(qū), 在春夏之交會(huì)有長(zhǎng)時(shí)間的陰雨天氣, 會(huì)造成太陽(yáng)能充電不及時(shí), 最終導(dǎo)致蓄電池放電過(guò)多, 造成觀測(cè)設(shè)備停止運(yùn)行, 因此在設(shè)計(jì)蓄電池容量時(shí), 需考慮足夠的冗余。絞車(chē)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)水體剖面觀測(cè)核心系統(tǒng), 因此其供電的穩(wěn)定和有效成為關(guān)鍵的一環(huán)。絞車(chē)供電系統(tǒng)采用更大容量蓄電池, 且由于絞車(chē)功率的需要, 將直流電經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)換為220 V交流電給絞車(chē)電機(jī)供電。

1.3 三錨式浮標(biāo)綜合觀測(cè)平臺(tái)通訊的設(shè)計(jì)

三錨式浮標(biāo)綜合觀測(cè)平臺(tái)數(shù)據(jù)通訊主要包括兩部分, 傳統(tǒng)的浮標(biāo)上獲取觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸采用CDMA/ GPRS或者北斗通訊方式, 另一部分通訊是水體剖面觀測(cè)數(shù)據(jù)與浮標(biāo)上數(shù)據(jù)采集器的通訊, 實(shí)時(shí)或者近實(shí)時(shí)地將剖面觀測(cè)設(shè)備獲取的數(shù)據(jù)傳輸?shù)礁?biāo)主體的數(shù)據(jù)采集器上, 再由浮標(biāo)數(shù)據(jù)采集器將數(shù)據(jù)打包, 通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)方式傳輸?shù)疥懙貙?shí)驗(yàn)室。三錨式浮標(biāo)觀測(cè)平臺(tái)的水體剖面觀測(cè)數(shù)據(jù)通訊方式采用了短波通訊, 即水下剖面觀測(cè)設(shè)備完成剖面觀測(cè)后, 上升到水面, 將短波通訊天線(xiàn)露出水面, 與浮標(biāo)平臺(tái)上的短波接收裝置進(jìn)行信號(hào)握手后, 進(jìn)行剖面數(shù)據(jù)的傳輸, 實(shí)現(xiàn)水體剖面觀測(cè)數(shù)據(jù)的獲取。

2 三錨式浮標(biāo)綜合觀測(cè)平臺(tái)水體剖面觀測(cè)的實(shí)現(xiàn)方式

三錨式浮標(biāo)綜合觀測(cè)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)水體剖面觀測(cè)的主要技術(shù)方案是采用絞車(chē)驅(qū)動(dòng), 絞車(chē)帶動(dòng)鋼纜在水體中進(jìn)行上下升降, 鋼纜末端配置有多參數(shù)傳感器, 隨著鋼纜的上下升降, 傳感器實(shí)時(shí)獲取水體的剖面數(shù)據(jù)。因此, 水體剖面觀測(cè)組成包含有絞車(chē)、絞車(chē)控制器、剖面觀測(cè)單元、短波通訊模塊等核心部件, 絞車(chē)控制器控制絞車(chē)帶動(dòng)剖面觀測(cè)單元按照既定時(shí)序?qū)Ｋ拭孢M(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè), 當(dāng)剖面觀測(cè)單元完成一個(gè)往復(fù)剖面觀測(cè)后, 上升到達(dá)主浮標(biāo)體甲板附近時(shí), 通過(guò)短波通訊模塊將水下剖面數(shù)據(jù)傳輸至交換機(jī), 并實(shí)時(shí)通過(guò)主無(wú)線(xiàn)路由器發(fā)送至岸基系統(tǒng)(圖4)。進(jìn)行水體剖面觀測(cè)的水下觀測(cè)單元獲取的參數(shù)包括水溫、鹽度、葉綠素、濁度、溶解氧、pH值、深度。

圖4 剖面觀測(cè)系統(tǒng)組成圖 Fig. 4 The module diagram of profile observation system

絞車(chē)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況視海況而定, 具有智能判斷和控制功能, 這部分是三錨式浮標(biāo)綜合觀測(cè)平臺(tái)的一個(gè)特殊設(shè)計(jì), 最主要目的是保護(hù)剖面觀測(cè)設(shè)備在安全的前提下, 長(zhǎng)期、穩(wěn)定、實(shí)時(shí)地獲取水體剖面數(shù)據(jù)。當(dāng)海況十分良好時(shí), 絞車(chē)以設(shè)計(jì)的最慢速度進(jìn)行上下升降, 進(jìn)行高密度的水體剖面數(shù)據(jù)采集, 當(dāng)海況一般時(shí), 絞車(chē)以設(shè)計(jì)的中等速度進(jìn)行上下升降, 進(jìn)行中等密度的水體剖面數(shù)據(jù)采集, 當(dāng)海況較差時(shí), 絞車(chē)以設(shè)計(jì)的最快速度進(jìn)行上下升降, 進(jìn)行低密度的水體剖面數(shù)據(jù)采集, 當(dāng)遇到極端惡劣海況時(shí), 絞車(chē)則停止工作, 不再進(jìn)行水體剖面的觀測(cè)。海況好壞的判斷數(shù)據(jù)是來(lái)自主浮標(biāo)體常規(guī)觀測(cè)數(shù)據(jù), 絞車(chē)控制器與主浮標(biāo)體的數(shù)據(jù)采集器之間可進(jìn)行交互通信, 常規(guī)觀測(cè)的風(fēng)、浪、流、浮標(biāo)姿態(tài)等主要數(shù)據(jù)會(huì)及時(shí)發(fā)送到絞車(chē)控制器, 絞車(chē)控制器根據(jù)預(yù)先設(shè)定的閾值判斷絞車(chē)將采取何種運(yùn)動(dòng)方式, 包括慢速運(yùn)動(dòng)、中等速度運(yùn)動(dòng)、快速運(yùn)動(dòng)或不運(yùn)動(dòng), 并據(jù)此自動(dòng)確定水體剖面觀測(cè)的上下升降周期。智能控制中所需的風(fēng)、波浪、海流及浮標(biāo)姿態(tài)的閾值須在具體觀測(cè)海域的長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不斷修正和調(diào)整, 盡可能保障剖面觀測(cè)的可靠性和安全性(圖5)。

圖5 絞車(chē)智能判斷方案 Fig. 5 The intelligent judgment scheme of winch

3 三錨式浮標(biāo)綜合觀測(cè)平臺(tái)的實(shí)際應(yīng)用

3.1 研制過(guò)程

三錨式浮標(biāo)綜合觀測(cè)平臺(tái)實(shí)際研制周期近5年時(shí)間, 從2013年開(kāi)始構(gòu)思, 研討相關(guān)方案, 2017年立項(xiàng), 至2018年4月17完成主浮標(biāo)體建造, 2018年7月21日全部完成調(diào)試和岸邊拷機(jī), 并布放至實(shí)驗(yàn)海域, 開(kāi)始為期一年時(shí)間的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)[14]。

三錨式浮標(biāo)綜合觀測(cè)平臺(tái)在進(jìn)行海上實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的過(guò)程中, 設(shè)置了完善的安全保護(hù)系統(tǒng), 以確保整體系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行, 包括人員闖入報(bào)警和事故報(bào)警等。主浮標(biāo)體上安裝AIS系統(tǒng)和獨(dú)立北斗定位系統(tǒng), 可對(duì)浮標(biāo)站位進(jìn)行有效監(jiān)控, 防止跑標(biāo), 有效保障浮標(biāo)安全。另外, 整套系統(tǒng)還配置了視頻監(jiān)控系統(tǒng), 即可進(jìn)行浮標(biāo)運(yùn)行狀態(tài)和周?chē)r的視頻查看、研究, 也可進(jìn)行浮標(biāo)系統(tǒng)的安全保障。

三錨式浮標(biāo)綜合觀測(cè)平臺(tái)的數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)包括常規(guī)數(shù)據(jù)接收處理系統(tǒng)和剖面數(shù)據(jù)接收處理系統(tǒng), 兩者均對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)校驗(yàn), 只有校驗(yàn)正確的數(shù)據(jù)才被處理, 保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠, 數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)具有良好的安全性、容錯(cuò)性、成熟性, 采用標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)質(zhì)量檢驗(yàn)流程和先進(jìn)的數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)系統(tǒng), 可實(shí)現(xiàn)對(duì)接收數(shù)據(jù)的查詢(xún)和曲線(xiàn)分析功能, 并且軟件設(shè)計(jì)和采用的數(shù)據(jù)庫(kù)都具有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性, 以保證后續(xù)功能的擴(kuò)展開(kāi)發(fā)。

三錨式浮標(biāo)綜合觀測(cè)平臺(tái)在海上實(shí)驗(yàn)海區(qū)運(yùn)行的一年時(shí)間內(nèi), 經(jīng)歷了多個(gè)惡劣天氣, 其中包括2018年的第10 號(hào)臺(tái)風(fēng)“安比”[15], 2019年的第5號(hào)臺(tái)風(fēng)“丹娜絲”和第9號(hào)臺(tái)風(fēng)“利奇馬”等, 在臺(tái)風(fēng)經(jīng)過(guò)期間, 水體剖面觀測(cè)設(shè)備根據(jù)主浮標(biāo)體上常規(guī)觀測(cè)設(shè)備實(shí)時(shí)測(cè)得的風(fēng)、浪、流、浮標(biāo)姿態(tài)等數(shù)據(jù)進(jìn)行了智能判斷, 保證了水體剖面觀測(cè)設(shè)備在不同海況下的安全穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài), 同時(shí)也充分證明了三錨式浮標(biāo)綜合觀測(cè)平臺(tái)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。

3.2 三錨式浮標(biāo)綜合觀測(cè)平臺(tái)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲取情況

三錨式浮標(biāo)綜合觀測(cè)平臺(tái)獲取數(shù)據(jù)主要包括兩部分, 一部分傳統(tǒng)意義上的海表觀測(cè)數(shù)據(jù), 這類(lèi)數(shù)據(jù)一般10 m的大型綜合觀測(cè)浮標(biāo)和小型的綜合觀測(cè)浮標(biāo)均可以獲取到, 另一部分為僅僅依靠三錨式浮標(biāo)綜合觀測(cè)平臺(tái)才能獲取到的連續(xù)水體剖面觀測(cè)數(shù)據(jù)。三錨式浮標(biāo)綜合觀測(cè)平臺(tái)自2018年8月15日12: 00開(kāi)始進(jìn)行水體剖面觀測(cè), 至2019年10月28日12: 00截止, 按照設(shè)定程序, 水體剖面觀測(cè)設(shè)備獲取的剖面參數(shù)共9項(xiàng), 包括水深、濁度、葉綠素、溶解氧、pH值、水溫、電導(dǎo)率(鹽度)、采集時(shí)間、接收時(shí)間, 理論計(jì)算應(yīng)采集數(shù)據(jù)55 968條, 但是由于進(jìn)行水體剖面觀測(cè)的絞車(chē)系統(tǒng)具有智能判斷功能, 不利的海況下絞車(chē)停止工作, 對(duì)剖面觀測(cè)系統(tǒng)起到了很好的保護(hù)作用, 因此, 實(shí)際獲取有效觀測(cè)數(shù)據(jù)量為41 048條, 對(duì)這些有效觀測(cè)數(shù)據(jù)同時(shí)進(jìn)行了多次的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)比測(cè), 證明獲取到的觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量良好。

智能判斷閾值的設(shè)定是保證水體剖面觀測(cè)安全穩(wěn)定運(yùn)行的一個(gè)關(guān)鍵, 經(jīng)過(guò)不斷修正和優(yōu)化, 在觀測(cè)試驗(yàn)海域, 最終確定的閾值條件如圖6所示, 實(shí)際的運(yùn)行中智能判斷涵蓋以下4種條件, 條件1: 四級(jí)風(fēng)速為14.4 m/s, 四級(jí)波高為1.6 m, 四級(jí)流速為1.6 m/s, 當(dāng)風(fēng)、浪、流有任意一項(xiàng)參數(shù)大于等于四級(jí)時(shí), 絞車(chē)停止工作; 條件2: 三級(jí)風(fēng)速為12.6 m/s, 三級(jí)波高為1.4 m, 三級(jí)流速為1.4 m/s, 當(dāng)風(fēng)、浪、流所有參數(shù)小于四級(jí), 且有一項(xiàng)參數(shù)大于三級(jí)時(shí), 絞車(chē)排纜收放速度為5 m/min, 使得絞車(chē)運(yùn)行速度加快, 盡快觀測(cè)完畢收回至甲板位置; 條件3: 二級(jí)風(fēng)速為10.8 m/s, 二級(jí)波高為1.2 m, 二級(jí)流速為1.2 m/s, 當(dāng)風(fēng)、浪、流所有參數(shù)小于三級(jí), 且有一項(xiàng)參數(shù)大于二級(jí)時(shí), 絞車(chē)排纜收放速度為4 m/min; 條件4: 一級(jí)風(fēng)速為9 m/s, 一級(jí)波高為 1 m, 一級(jí)流速為1 m/s, 當(dāng)風(fēng)、浪、流所有參數(shù)小于二級(jí)時(shí), 絞車(chē)排纜收放速度為3 m/min。智能絞車(chē)進(jìn)行海況判斷所依據(jù)的常規(guī)數(shù)據(jù)主要選取絞車(chē)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)次的前三個(gè)點(diǎn)次獲取的風(fēng)、浪、流數(shù)據(jù)。

在一年時(shí)間的試運(yùn)行中, 智能絞車(chē)判斷功能的有效性得到了充分證明, 表2所選取的即是具體智能判斷的實(shí)例, 所以絞車(chē)停止運(yùn)行。同時(shí)也可以看出, 智能判斷功能中通過(guò)閾值判斷從而停止水體剖面觀測(cè)進(jìn)行的時(shí)間主要集中在臺(tái)風(fēng)期間和農(nóng)歷大潮汛期間, 這對(duì)于剖面觀測(cè)系統(tǒng)的安全性起到了很好的保護(hù)作用。

圖6 三錨平臺(tái)設(shè)定的智能控制閾值 Fig. 6 The setting Intelligent control threshold of three-anchor buoy integrated observation platform

表2 通過(guò)智能判斷閾值停止絞車(chē)工作的部分案例 Tab. 2 Some cases of the winch immobility by intelligence judgement threshold

當(dāng)然, 以上的智能判斷閾值僅僅適用于觀測(cè)試驗(yàn)海域, 不具有通用性。三錨式浮標(biāo)綜合觀測(cè)平臺(tái)布放于哪一個(gè)海域, 通過(guò)歷史資料或者現(xiàn)場(chǎng)獲取的一段時(shí)間長(zhǎng)度的常規(guī)觀測(cè)數(shù)據(jù), 結(jié)合浮標(biāo)姿態(tài)不斷優(yōu)化、調(diào)整, 最終才可以確定目標(biāo)觀測(cè)海域的智能判斷閾值, 不是所有海域均使用一套判斷閾值, 這在其控制數(shù)據(jù)采集器中也融合了AI(Artificial Intelligence, 人工智能)技術(shù)中的機(jī)器學(xué)習(xí)功能。

4 小結(jié)

三錨式浮標(biāo)綜合觀測(cè)平臺(tái)在海洋觀測(cè)技術(shù)領(lǐng)域是一個(gè)嶄新的應(yīng)用, 同時(shí)也是一項(xiàng)系統(tǒng)性的創(chuàng)新研究, 觀測(cè)內(nèi)容和方式上具有海氣界面觀測(cè)、通量觀測(cè)、水面觀測(cè)、水體觀測(cè)、海底觀測(cè)等多項(xiàng)綜合觀測(cè)以及應(yīng)急生態(tài)災(zāi)害專(zhuān)項(xiàng)監(jiān)測(cè)諸多功能于一體的特點(diǎn)。

概括而言, 三錨式浮標(biāo)綜合觀測(cè)平臺(tái)與現(xiàn)有的直徑10 m的大型海洋綜合觀測(cè)浮標(biāo)系統(tǒng)相比, 還具有以下顯著特點(diǎn):

1) 采用錨系+保護(hù)浮鼓組合成三錨系留系統(tǒng), 增強(qiáng)了抗惡劣環(huán)境的能力, 極大提高了浮標(biāo)的錨泊安全可靠性。

2) 三錨系統(tǒng)呈120°均布, 通過(guò)保護(hù)浮鼓的浮力拉緊主浮標(biāo)體, 極大的限制了主浮標(biāo)體的旋轉(zhuǎn)自由度, 使主浮標(biāo)體具有極高穩(wěn)定性。

3) 主浮標(biāo)體穩(wěn)定性和可靠性高, 減少了浮標(biāo)的旋轉(zhuǎn)和搖擺角度, 從而提高了觀測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度, 同時(shí)通訊設(shè)備的姿態(tài)保持良好, 也大大提高了數(shù)據(jù)的傳輸準(zhǔn)確率。

目前三錨式浮標(biāo)綜合觀測(cè)平臺(tái)雖然在近海有限的水深下取得了試驗(yàn)成功, 但是仍然存在許多問(wèn)題亟待解決, 有些問(wèn)題甚至是與其顯著特點(diǎn)相伴生的, 諸如需要充足的安全可靠的能源供給、在更大水深下剖面觀測(cè)的安全性、新技術(shù)視頻和遠(yuǎn)程監(jiān)控的穩(wěn)定性等, 還有由于標(biāo)體增大和三錨系留結(jié)構(gòu)導(dǎo)致整體系統(tǒng)隨波性差, 對(duì)波浪的測(cè)量能力弱等自身問(wèn)題, 尤其是三錨式浮標(biāo)綜合觀測(cè)平臺(tái)海上布放和回收的施工難度極大等, 這些方面都需要進(jìn)一步的技術(shù)研發(fā), 逐漸予以解決。水體剖面觀測(cè)數(shù)據(jù)的近實(shí)時(shí)情況也是一項(xiàng)亟待解決的問(wèn)題, 目前已經(jīng)著手進(jìn)行具有通信、供電和高強(qiáng)度、高耐磨性的新型水下鎧裝電纜的研究和設(shè)計(jì), 隨著技術(shù)和加工工藝的逐漸成熟, 今后有望采用新型水下鎧裝電纜取代短波通信結(jié)合普通鋼纜的水體剖面實(shí)現(xiàn)方案, 從而實(shí)現(xiàn)三錨式浮標(biāo)綜合觀測(cè)平臺(tái)對(duì)近海水體剖面觀測(cè)數(shù)據(jù)真正的實(shí)時(shí)、長(zhǎng)期、穩(wěn)定、連續(xù)的安全獲取。

即使三錨式浮標(biāo)綜合觀測(cè)平臺(tái)尚有許多亟待解決的技術(shù)難題, 但實(shí)踐證明, 目前該技術(shù)方式對(duì)于近海水體剖面數(shù)據(jù)的獲取十分有效, 且該平臺(tái)預(yù)留多種觀測(cè)井、儀器艙, 如果出現(xiàn)突發(fā)生態(tài)災(zāi)害或根據(jù)實(shí)際應(yīng)用和科學(xué)需求, 短期駐留海上試驗(yàn)人員, 可以進(jìn)行綜合的海上觀測(cè)試驗(yàn), 是簡(jiǎn)易、實(shí)用的海上試驗(yàn)綜合觀測(cè)平臺(tái), 可大大豐富近海水體數(shù)據(jù)的獲取方式及相應(yīng)的數(shù)據(jù)量, 對(duì)于精細(xì)化的研究近海問(wèn)題, 諸如沿岸流特征、低氧、酸化、赤潮、綠藻等生態(tài)問(wèn)題[16-20], 提供更加有力的科學(xué)數(shù)據(jù)支撐。