自組網(wǎng)的小尺度海域水動(dòng)力分析

曹澤祥，萬隆君，徐軼群

(1.集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，福建 廈門 361021；2.福建省船舶與海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門 361021)

0 引言

隨著海洋經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類的海洋活動(dòng)日益頻繁，海洋環(huán)境保護(hù)、海洋的高效開發(fā)和利用，以及海洋作業(yè)安全等需求日益迫切，掌握海洋動(dòng)力環(huán)境信息具有重要意義。目前，對(duì)海域的動(dòng)力監(jiān)測(cè)方法包括利用數(shù)值模擬分析監(jiān)測(cè)、物理模型分析監(jiān)測(cè)、固定基站監(jiān)測(cè)、浮標(biāo)監(jiān)測(cè)等。綦夢(mèng)楠等[1]采用區(qū)域海洋數(shù)值模式(ROMS)，對(duì)廈門灣及鄰近海域的潮汐、潮流進(jìn)行數(shù)值模擬；溫生輝等[2]采用基于Casulh的三維淺水模型，參考POM模型和BOM模型，加入簡(jiǎn)化紊流閉合模型，描述廈門海域淺灘三維潮流場(chǎng)；謝森揚(yáng)等[3]采用環(huán)境流體動(dòng)力學(xué)模型研究九龍江口-廈門灣潮汐潮流和鹽度場(chǎng)的時(shí)空變化過程。但面對(duì)千變?nèi)f化的海域環(huán)境，數(shù)值模擬手段具有局限性，特別是在海流較弱的情況下，誤差較大。陳家揚(yáng)等[4]采用都江堰卵石推移質(zhì)模型研究泥沙運(yùn)行規(guī)律。采用物理模型，需要大量人力、物力、財(cái)力，且模型只能適用于特定水域，無法適應(yīng)水域環(huán)境的變化。張世民等[5]根據(jù)收集的廈門灣實(shí)測(cè)潮流、海面風(fēng)觀測(cè)資料分析廈門灣潮流性質(zhì)、運(yùn)動(dòng)形式，但潮流站位非同步觀測(cè)，且使用觀測(cè)資料無法在短時(shí)間內(nèi)快速分析潮流特性。吳維等[6]采用基于北斗系統(tǒng)的Argo浮標(biāo)。采集海洋水文數(shù)據(jù)，但是Argo浮標(biāo)體積較大，成本高，投放數(shù)量有限，主要用于大洋環(huán)流的觀測(cè)。因此需要一種成本低、精度高、速度快、覆蓋范圍廣的組網(wǎng)和實(shí)測(cè)方法，即使在海流較弱的小尺度海域也能較為精確的監(jiān)測(cè)海域動(dòng)力信息。

本文應(yīng)用窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在廈門灣海域投放大量微型浮標(biāo)，利用微型浮標(biāo)與基站，構(gòu)建無線自組網(wǎng)絡(luò)，用于采集該海域水動(dòng)力學(xué)參數(shù)。構(gòu)建海域動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)，集中接收和處理數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享及小尺度海域水動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。

1 水面自組網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及裝備

本文構(gòu)建的水面自組網(wǎng)主要包括數(shù)據(jù)采集層、傳輸層、應(yīng)用層，其架構(gòu)圖如圖1所示。

數(shù)據(jù)采集層：主要由微型浮標(biāo)和基站組成，微型浮標(biāo)可裝配多種傳感器，采集海域動(dòng)力數(shù)據(jù)，通過Mesh組網(wǎng)可以構(gòu)建覆蓋半徑100 km的海域無線網(wǎng)絡(luò)。

傳輸層：海面?zhèn)鬏斣O(shè)備由微型浮標(biāo)、海上基站、微動(dòng)力裝置組成；陸地傳輸由岸基基站網(wǎng)絡(luò)組成；空中由衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)組成。最終將采集到的數(shù)據(jù)傳送到大數(shù)據(jù)處理中心。

應(yīng)用層：通過海洋動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析及挖掘，應(yīng)用于海漂垃圾追蹤、泥沙沉積追蹤、海洋漁業(yè)指導(dǎo)等方面。

通過LoRa窄帶物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備及Mesh組網(wǎng)方式實(shí)現(xiàn)快速組網(wǎng)，利用自組網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)海陸空無縫隙鏈接，達(dá)到LoRa、衛(wèi)星、網(wǎng)絡(luò)的綜合性廣覆蓋組網(wǎng)。通過多次在同一海域投放大量微型浮標(biāo)，高密度采集該海域水動(dòng)力學(xué)參數(shù)，結(jié)合大數(shù)據(jù)和模擬仿真，構(gòu)建該海域水動(dòng)力模型，實(shí)現(xiàn)一種精度高、速度快、覆蓋范圍廣的組網(wǎng)方式。圖2為自主研發(fā)的基于LoRa無線通信機(jī)制的微型浮標(biāo)和岸基、船基基站。

微型浮標(biāo)：帶北斗和GPS雙模定位，按設(shè)定周期將浮標(biāo)的位置、航速、航向等數(shù)據(jù)主動(dòng)發(fā)送到基站。帶485通信接口，可以連接海洋監(jiān)測(cè)傳感器，用于監(jiān)測(cè)海水溫度、PH值、鹽度等。

岸基、船基基站：偵聽并接受微型浮標(biāo)發(fā)送來的信息，單一基站通信半徑20 km，多基站之間通過Mesh組網(wǎng)，可實(shí)現(xiàn)半徑100 km數(shù)據(jù)傳輸。按1 min采集周期，單一基站最多能夠容納4 096個(gè)微型浮標(biāo)。

2 海域動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)公共服務(wù)平臺(tái)的構(gòu)建

自主研發(fā)的海域動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)公共服務(wù)平臺(tái)如圖3所示。

平臺(tái)具有以下功能。

1)試驗(yàn)設(shè)計(jì)：用戶根據(jù)試驗(yàn)需求，錄入海域、測(cè)試項(xiàng)目名稱、微型浮標(biāo)編號(hào)、批次、參與人員等信息。

2)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)：實(shí)時(shí)顯示試驗(yàn)期間微型浮標(biāo)位置、微型浮標(biāo)航速和航向、基站位置信息，且可隨時(shí)刷新頁面獲取最新數(shù)據(jù)。

據(jù)介紹，種植之前技術(shù)員為種植戶提供測(cè)土服務(wù)，以土壤檢測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)，制定種植的底肥方案和追肥方案，底肥采用二銨或者復(fù)合肥?！敖衲暌泊竺娣e示范不施底肥，全程追施液體肥。追肥采用配肥站提供的液體配方肥。液體配肥站采用工廠生產(chǎn)好的高濃縮的大量元素水溶肥、中量元素水溶肥、微量元素水溶肥為原料，根據(jù)不同作物的不同生產(chǎn)階段的養(yǎng)分需求，應(yīng)合作社和農(nóng)戶的要求，現(xiàn)場(chǎng)配置成液體配方肥，配好的配方肥直接進(jìn)入田間使用。”

3)基本數(shù)據(jù)建檔：通過設(shè)備管理、海域管理、測(cè)試項(xiàng)目管理、原始數(shù)據(jù)管理、人員管理5個(gè)菜單建立試驗(yàn)基本數(shù)據(jù)。

4)歷史數(shù)據(jù)查詢：用戶通過選擇海域、測(cè)試項(xiàng)目、批次、時(shí)間及微型浮標(biāo)代號(hào)等信息查詢選定項(xiàng)目歷史數(shù)據(jù)。

5)數(shù)據(jù)分析：一是對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)、糾錯(cuò)、插值、查詢等處理，同時(shí)平臺(tái)數(shù)據(jù)可以輸出csv、txt的格式文件；二是將微型浮標(biāo)數(shù)據(jù)統(tǒng)一傳送到公共服務(wù)器，不同用戶通過統(tǒng)一入口登錄，完成數(shù)據(jù)分析和挖掘應(yīng)用，采用云儲(chǔ)存技術(shù)，將數(shù)據(jù)存放在由第三方托管的多臺(tái)虛擬服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)資源共享，最終通過大數(shù)據(jù)和對(duì)數(shù)據(jù)處理算法構(gòu)建海域的精細(xì)化水動(dòng)力學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)可視化展示。

3 海域水動(dòng)力學(xué)建模

建立廈門灣海域水動(dòng)力學(xué)模型，選取東經(jīng)117.892 915°～118.290 756°；北緯24.349 057°～24.630 019°所覆蓋的廈門灣海域?yàn)閷?shí)驗(yàn)海域。

3.1 建模方法

利用美國新澤西羅格斯大學(xué)與加州大學(xué)洛杉磯分校共同研發(fā)的區(qū)域海洋動(dòng)力模型建模方法構(gòu)建ROMS(regional ocean modeling system)模型[8]。ROMS模型可以進(jìn)行單獨(dú)的海洋模式計(jì)算，也可以與大氣模式等進(jìn)行耦合計(jì)算。

由于廈門灣的水深較淺，水體性質(zhì)垂向均勻，因此采用了ROMS中的二維模塊進(jìn)行模擬，即將問題簡(jiǎn)化為二維的淺水模式，其控制方程組如下。

垂向平均的動(dòng)量方程組：

?U/?t+U?U/?x+V?U/?y-fV=-g?η/?x+Am?2U/?x2+τbx；

(1)

(2)

垂向平均的連續(xù)性方程為

?η/?t+?(DU)/?x+?(DV)/?y=0。

(3)

其中：U、V分別為x與y方向的垂向平均海水流速分量；D=H+η，η為水位，H為平均水深，D為總水深；f為科氏參數(shù)；Am為水平方向的渦動(dòng)粘滯系數(shù)；τb=-rU|U| 為底部摩擦應(yīng)力，r為摩擦系數(shù)；t為時(shí)間。

3.2 廈門灣海域模型配置與模擬

建立廈門灣二維海流模型，對(duì)廈門灣的潮位和潮流進(jìn)行模擬，模擬區(qū)域如圖4所示。

應(yīng)用ROMS模型得出廈門灣海域流場(chǎng)分布和潮位變化圖，如圖5所示,圖5b圖中箭頭代表水流方向。根據(jù)水動(dòng)力學(xué)模型的計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在廈門大橋附近海域存在海域水動(dòng)力平衡區(qū)域，因此選取廈門大橋區(qū)域低平潮時(shí)刻(2018年11月26日11時(shí))作為起始時(shí)間，分別在廈門大橋兩側(cè)布放微型浮標(biāo)。該時(shí)刻對(duì)應(yīng)的潮高如圖5中紅色標(biāo)記所示。

4 廈門灣水動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)與分析

4.1 水動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)

首先，根據(jù)基站通訊半徑以及廈門灣地形，構(gòu)建廈門灣海域無線自組網(wǎng)絡(luò)，基站位置如圖6所示(圈中為基站覆蓋范圍)。微型浮標(biāo)通過自組網(wǎng)系統(tǒng)，按1 min采集周期，向基站發(fā)送位置和速度數(shù)據(jù)。

依據(jù)圖5，試驗(yàn)時(shí)間段選擇2018年11月26日11時(shí)至15時(shí)，并于1時(shí)，分別在廈門大橋東、西兩側(cè)各投放6個(gè)微型浮標(biāo)，如圖7a所示。15時(shí)平潮，微型浮標(biāo)位置如圖7b所示。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.2.1 微型浮標(biāo)軌跡分析

浮標(biāo)軌跡及速度如圖8所示。11時(shí)在廈門大橋兩側(cè)分別放置微型浮標(biāo)，待漲潮時(shí)，左側(cè)微型浮標(biāo)由靜止開始做加速運(yùn)動(dòng)，最大速度達(dá)到0.667 m/s；1 h后微型浮標(biāo)到達(dá)距離杏林大橋2.0 km的位置，然后開始減速；1 h后微型浮標(biāo)到達(dá)距離杏林大橋0.37 km(位置①)處，然后開始轉(zhuǎn)向，之后先加速后減速，最大速度0.116 m/s，最終到達(dá)距離杏林大橋1.0 km的位置。右側(cè)微型浮標(biāo)在漲潮時(shí)先加速后減速，最大速度0.196 m/s；2 h后到達(dá)距離廈門大橋2.3 km(位置②)處，然后開始轉(zhuǎn)向；40 min后加速，最大速度達(dá)到0.625 m/s，1 h后到達(dá)岸邊。值得一提的是，廈門大橋兩側(cè)布放的微型浮標(biāo)雖經(jīng)過了漲潮但并未相遇。

通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，投放在廈門大橋兩側(cè)的微型浮標(biāo)均未穿越廈門大橋下海域，可知杏林大橋與廈門大橋之間存在圖8中紅圈所示的海水潮汐動(dòng)力平衡區(qū)域，與模擬結(jié)果吻合。該平衡區(qū)域產(chǎn)生的主要原因是，由于廈門東、西海域的潮波在此處匯潮，海水的輻聚使得其勢(shì)能增加，動(dòng)能減小，形成“動(dòng)力堤”，正是由于“動(dòng)力堤”的存在，阻礙了廈門大橋兩側(cè)海水的交換。

4.2.2 匯潮區(qū)表層水體擴(kuò)散系數(shù)及尺度計(jì)算

其中：xi(t)和yi(t)是第i個(gè)微型浮標(biāo)在時(shí)刻t上的水平位置，t為時(shí)間；N為微型浮標(biāo)的數(shù)量。

通過計(jì)算分析得知，圖8位置①處表層水體擴(kuò)散系數(shù)ka為0.753 1～1.086 2 m2/s，擴(kuò)散尺度l為40.249 2～48.433 1 m；位置②處表層水體擴(kuò)散系數(shù)ka為0.682 3～1.094 5m2/s,擴(kuò)散尺度l為40.249 2～48.433 1 m；位置③處表層水體擴(kuò)散系數(shù)ka為50.219 8～66.083 3 m2/s,擴(kuò)散尺度l為658.710 3～755.618 8 m；位置④處表層水體擴(kuò)散系數(shù)ka為48.812 5～65.156 3 m2/s,擴(kuò)散尺度l為649.415 1～750.300 2 m。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)位置③、④流速較快，其表層水體擴(kuò)散系數(shù)及擴(kuò)散尺度明顯大于處于海水潮汐動(dòng)力平衡區(qū)域處的位置①、②，說明位置③、④處海水交換能力強(qiáng)于位置①、②處，這與試驗(yàn)結(jié)果吻合。

5 結(jié)論

應(yīng)用窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建一定海域的無線自組網(wǎng)絡(luò)，通過投放大量微型浮標(biāo)，高密度采集一定海域水動(dòng)力學(xué)參數(shù)，并與模擬仿真相結(jié)合，可以獲得該海域精細(xì)化水動(dòng)力學(xué)模型。在廈門灣海域進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明，利用無線自組網(wǎng)微型浮標(biāo)采集海域水動(dòng)力學(xué)參數(shù)的方法是行之有效的，與傳統(tǒng)方法相比，該方法成本低廉、組網(wǎng)速度快、精度高、覆蓋范圍廣，可應(yīng)對(duì)快速變化的海域環(huán)境，尤其適合對(duì)近海海流較弱的小尺度海域進(jìn)行實(shí)時(shí)有效監(jiān)測(cè)。