基于錨泊式試驗(yàn)平臺的海上儀器裝備試驗(yàn)方法研究

夏 嵐，王 鑫，石建軍，朱曉陽

（國家海洋技術(shù)中心，天津 300112）

我國擁有綿長的海岸線，管轄海域面積約300萬平方千米[1-2]。海洋儀器設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)與相關(guān)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化是利用海洋資源、推動海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵。在國家政策的引導(dǎo)下，國產(chǎn)海洋儀器設(shè)備的發(fā)展步入快車道，但產(chǎn)品精度、可靠性以及環(huán)境適應(yīng)性距離世界先進(jìn)水平尚有較大差距，導(dǎo)致國外海洋儀器設(shè)備以高昂的價格占領(lǐng)國內(nèi)市場，嚴(yán)重影響我國海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展與海洋環(huán)境信息安全[3-6]。

海洋儀器設(shè)備經(jīng)常工作在復(fù)雜、惡劣的海洋環(huán)境中，基于海上試驗(yàn)場的實(shí)海況測試作為校驗(yàn)海洋儀器設(shè)備性能的重要手段，是改善相應(yīng)設(shè)計，提升設(shè)備穩(wěn)定性、可靠性以及環(huán)境適應(yīng)性的關(guān)鍵[7-8]。目前英國、美國和愛爾蘭等國家已經(jīng)具備了從海洋儀器設(shè)備關(guān)鍵部件與子系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室測試到整體系統(tǒng)基于試驗(yàn)平臺進(jìn)行實(shí)海況測試的能力，并開展了大量的儀器裝備試驗(yàn)，這些測試平臺極大的支撐了海洋產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[9-12]。而國內(nèi)海上試驗(yàn)場目前主要面向海洋儀器設(shè)備的設(shè)計與研發(fā)，缺乏權(quán)威、公平、便利化、低成本的海上試驗(yàn)測試平臺[13-14]。針對這一薄弱環(huán)節(jié)，國家重點(diǎn)研發(fā)計劃支持了“基于固定平臺的規(guī)范化海上試驗(yàn)研究與示范”項(xiàng)目，在國家海洋綜合試驗(yàn)場（威海）建造并投入使用錨泊式海上試驗(yàn)平臺，并制定《海洋儀器設(shè)備海上試驗(yàn)管理規(guī)范》等文件，為推進(jìn)我國海洋儀器設(shè)備的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程提供有利條件。

1 錨泊式海上試驗(yàn)平臺

錨泊式海上試驗(yàn)平臺于2019年9月布放于山東省威海市褚島附近的國家海洋綜合試驗(yàn)場，如圖1所示。本文首先介紹平臺錨泊海域的海洋資源及試驗(yàn)平臺的結(jié)構(gòu)。

圖1 錨泊式海上試驗(yàn)平臺

1.1 平臺所在海域的海洋環(huán)境條件

褚島北部試驗(yàn)場海域的波浪能、潮流能資源豐富。豐富的水深地形和規(guī)律的水文資源可以為海洋儀器裝備的試驗(yàn)和測試提供良好的海洋環(huán)境條件。

（1）水深以及地質(zhì)條件：錨泊式海上試驗(yàn)平臺所在海域存在一條長2 500 m、寬500 m的海溝，海溝部分地區(qū)的深度超過60 m，最深處的海水深度約為70 m，海溝到褚島北部海岸線距離為700～1 200 m，是我國淺海大陸架中難得的近岸深水區(qū)域。海底地質(zhì)存在以淤泥和黏土為主的、約0～5 m厚的沉積物。海域最大潮差3.08 m，平均潮差1.73 m。

（2）潮流：受特殊地理位置因素的影響，試驗(yàn)海域主要呈現(xiàn)不正規(guī)半日潮流，流向?yàn)闁|西向往復(fù)流?？拷覎u一側(cè)海域受地形影響，潮流流向主要為東西方向；遠(yuǎn)離褚島一側(cè)海域的潮流流向仍然以東西流向?yàn)橹?，但SE-NW和NE-SW向也略明顯?？拷覎u一側(cè)海域的潮流受陸地擠壓的影響，流速明顯高于遠(yuǎn)離褚島一側(cè)的海域，且底部流速較強(qiáng)，垂向一致性較好；觀測期間，靠近褚島一側(cè)的海域最大潮流流速可達(dá)1.28 m/s，流速高于0.5 m/s出現(xiàn)的概率在30%左右。

（3）波浪：平臺所在海域的波浪方向以偏北向和東向浪為主，其中北向、東北以及西北向浪共占了約58.5%，東向浪占了約37%。年平均有效波高為0.6～0.7 m，且季節(jié)性差異較為明顯。在冬季受季風(fēng)影響顯著，風(fēng)浪較大且以北向?yàn)橹鳎?1月至次年2月的平均有效波高可達(dá)1 m。

（4）氣象：據(jù)威海氣象臺統(tǒng)計，平臺所處海域年平均氣溫12.1°C，最熱月為8月，月平均氣溫24.6°C。最冷月為1月，月平均氣溫-1.5°C，且該海域無冰期；年平均降雨量為793.4 mm，主要集中在7—8月，占年降水總量的49%；常見風(fēng)向?yàn)槲鞅焙臀鞅逼毕?，?qiáng)風(fēng)向?yàn)槲鞅逼焙臀髂舷颍昶骄L(fēng)速為4.1 m/s，最大風(fēng)速為22 m/s。

1.2 錨泊式海上試驗(yàn)平臺的結(jié)構(gòu)

錨泊式海上試驗(yàn)平臺布放位置水深69 m，距離最近碼頭約3.7 km。平臺參數(shù)如表1所示，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計平面圖

表1 平臺主要參數(shù)

（1）試驗(yàn)空間：平臺設(shè)面積不小于20 m2的一個休息室和三個試驗(yàn)室，同時，留有約200 m2的甲板操作空間。

（2）試驗(yàn)月池：在船體中部設(shè)計有10 m長，3.4 m寬的月池，用于大型海洋儀器裝備投放。

（3）起吊裝置：平臺配有1臺安全工作負(fù)荷5 t、臂展10 m的旋轉(zhuǎn)吊機(jī)，主要用于大型海洋儀器設(shè)備的吊裝與調(diào)試工作；2臺載重0.5 t、臂展3 m的輔助旋轉(zhuǎn)吊機(jī)，用以小型設(shè)備的吊裝、調(diào)試以及儀器設(shè)備的剖面測量試驗(yàn)。

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（4）卷揚(yáng)升降系統(tǒng)：采用鋼索絞車通過滑輪組的結(jié)構(gòu)形式實(shí)現(xiàn)搭載平臺的升降操作。搭載平臺最大可浸沒水深5.8 m，最大起升高度位于甲板以上2.5 m，靜載重13 t。方便試驗(yàn)設(shè)備的安裝、維護(hù)與回收。

（5）電力系統(tǒng)：平臺配備柴油發(fā)電機(jī)2臺，包括50 kW主發(fā)電機(jī)組和12 kW停泊發(fā)電機(jī)組。實(shí)驗(yàn)室設(shè)置3相380 V、單相220 V及直流24 V電源，滿足試驗(yàn)裝置供電需求。

（6）保障設(shè)施：平臺處于移動網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)，為用戶提供網(wǎng)絡(luò)支持及數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸；平臺安裝紅外視頻監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)平臺及試驗(yàn)場海域目標(biāo)的不間斷巡視和取證，保障試驗(yàn)設(shè)施安全。

1.3 搭載錨泊式海上試驗(yàn)平臺進(jìn)行海洋儀器設(shè)備測試的優(yōu)勢

（1）錨泊式海上試驗(yàn)平臺為鋼制漂浮式綜合試驗(yàn)平臺，采用雙浮體船型，具有較好的抗風(fēng)浪性能。在平臺功能方面，充分考慮了各種類型的海洋儀器設(shè)備海上試驗(yàn)的需求。

（2）威海淺海試驗(yàn)場海域具備適宜的海洋環(huán)境，結(jié)合該試驗(yàn)平臺，可以同時開展多類型海洋儀器設(shè)備和海洋能發(fā)電裝置模型的海上試驗(yàn)與觀測。

（3）該平臺可以在特定的試驗(yàn)海域?yàn)楹Ｑ髢x器設(shè)備提供連續(xù)、長時間序列的海上測試，可以較好地滿足相應(yīng)海洋儀器設(shè)備的試驗(yàn)需求。在許可海況下，可以對試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行隨時組裝、拆卸以及調(diào)試維護(hù)，使海上試驗(yàn)更加方便的同時，較好的降低試驗(yàn)成本。

2 海洋儀器設(shè)備的搭載與測試

2.1 水平軸潮流能發(fā)電裝置

潮流能發(fā)電裝置海上試驗(yàn)依托于海上試驗(yàn)平臺，如圖3所示，對潮流能發(fā)電裝置在實(shí)海況下的工作性能進(jìn)行測試與驗(yàn)證。在圖3中可以看出，測試平臺安裝有吊機(jī)以及潮流水輪機(jī)升降系統(tǒng)。潮流發(fā)電裝置拖運(yùn)至平臺附近后，由吊機(jī)將測試設(shè)備吊裝至水輪機(jī)位置A，進(jìn)一步完成測試設(shè)備在平臺上的安裝固定。然后控制升降系統(tǒng)將測試設(shè)備浸沒至水輪機(jī)位置B，開始海上試驗(yàn)測試。升降系統(tǒng)最大行程（水輪機(jī)位置A到水輪機(jī)位置B）為11 m。其中，水輪機(jī)位置B距離海水表面5.8 m。

圖3 基于海上試驗(yàn)平臺的水平軸潮流能發(fā)電裝置測試 設(shè)置示意圖

考慮到潮流能發(fā)電裝置測試位置（水輪機(jī)位置B）與海水表面距離較小，比例樣機(jī)試驗(yàn)過程中，波浪等其他因素對潮流發(fā)電裝置性能測試有所影響。因此，試驗(yàn)平臺周圍布設(shè)波浪騎士浮標(biāo)、水下座底式觀測平臺、綜合多參數(shù)浮標(biāo)等儀器設(shè)備，為試驗(yàn)測試提供實(shí)時資源觀測數(shù)據(jù)。所以，潮流能發(fā)電裝置海上試驗(yàn)監(jiān)測系統(tǒng)主要由氣象子系統(tǒng)、水文子系統(tǒng)以及潮流發(fā)電裝置輸出監(jiān)測子系統(tǒng)三部分組成。其中，氣象子系統(tǒng)通過風(fēng)速傳感器、溫度與氣壓傳感器、相對濕度傳感器以及降水量傳感器測量試驗(yàn)區(qū)域的氣象信息。水文子系統(tǒng)的監(jiān)測內(nèi)容主要有兩部分，一部分是通過波浪騎士測量試驗(yàn)海域的波高以及波向；另一部分則是通過座底式ADCP測量潮流渦輪附近的潮流流速與流向，為下一部分析潮流渦輪性能奠定基礎(chǔ)。潮流能發(fā)電裝置輸出監(jiān)測子系統(tǒng)則是對潮流發(fā)電裝置輸出的電壓、電流、功率以及渦輪轉(zhuǎn)速等信息進(jìn)行監(jiān)測。以上三部分子系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)測的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集器輸出至數(shù)據(jù)處理控制子系統(tǒng)，由該子系統(tǒng)處理、存儲以及顯示相應(yīng)監(jiān)測數(shù)據(jù)，自動生成報文、月報表等文件，并將數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)。潮流能發(fā)電裝置海上試驗(yàn)監(jiān)測系統(tǒng)如圖4所示。依托試驗(yàn)平臺，潮流發(fā)電裝置海上試驗(yàn)方法的應(yīng)用，進(jìn)一步促進(jìn)潮流能產(chǎn)業(yè)的研發(fā)與技術(shù)成果轉(zhuǎn)化。

圖4 潮流能發(fā)電裝置海上試驗(yàn)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計框圖

2.2 溫鹽深測量儀（CTD）

CTD作為一種常用長時間序列監(jiān)測的海洋儀器設(shè)備，依托海上試驗(yàn)平臺開展對CTD進(jìn)行近海岸、長期有效的測試與監(jiān)測，可提升該類型/相似類型設(shè)備的穩(wěn)定性、可靠性、環(huán)境適應(yīng)性，以及在我國北方典型海域夏季生物生長茂盛期的抗污染能力，促進(jìn)其國產(chǎn)化進(jìn)程與相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。

CTD性能海上試驗(yàn)方法參考《海洋儀器研制質(zhì)量管理規(guī)范》《海洋儀器設(shè)備海上試驗(yàn)管理規(guī)范》《海洋儀器海上試驗(yàn)規(guī)范》（HYT 141—2001）《“規(guī)范化海上試驗(yàn)”質(zhì)量控制通用規(guī)范》等。測試方法為：首先，搭建比測平臺。根據(jù)被測海洋儀器設(shè)備類型，選擇相應(yīng)國際先進(jìn)的產(chǎn)品作為比測目標(biāo)。針對抗污染CTD，本文選取海鳥SEB37 CTD；其次，將被測抗污染CTD與海鳥SEB37 CTD安裝放入同一比測架內(nèi)，以相同的數(shù)據(jù)采樣方式進(jìn)行工作，比測架以及兩種CTD安裝如圖5所示；然后，通過錨鏈一端連接至錨泊式海上試驗(yàn)平臺，一端連接比測架，實(shí)現(xiàn)比測架與測試海洋儀器設(shè)備的投放以及長時間測試；最后進(jìn)行設(shè)備回收，并進(jìn)行第三方檢測認(rèn)證。在本文抗污染CTD測試中，設(shè)備回收后的狀態(tài)如圖6所示，交由第三方檢測機(jī)構(gòu)復(fù)檢結(jié)果顯示：長時間海上測試后參試設(shè)備電導(dǎo)率最大漂移為0.023 5 mS/cm。

圖5 近海岸CTD海試比測架安裝示意圖

圖6 近海岸CTD海試設(shè)備回收后狀態(tài)圖

2.3 有纜海洋儀器設(shè)備

有纜海洋儀器設(shè)備能夠給科研工作者提供實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)，在海洋環(huán)境監(jiān)測以及水下機(jī)器人（ROV）等方向有較為廣泛的應(yīng)用。本文基于錨泊式海上試驗(yàn)平臺，結(jié)合已測試的有纜海洋儀器設(shè)備，探索該類有纜設(shè)備的海上測試方法。

2.3.1 有纜聲學(xué)多普勒流速剖面儀（ADCP）

針對有纜、固定式ADCP，參考《海洋儀器設(shè)備海上試驗(yàn)管理規(guī)范》《海洋儀器海上試驗(yàn)規(guī)范》（HYT 141—2001）《“規(guī)范化海上試驗(yàn)”質(zhì)量控制通用規(guī)范》等，探索海試的方法。測試前準(zhǔn)備有：首先，研制比試平臺，同時搭載定位浮球釋放器、被測ADCP以及比測ADCP，并以水密接頭的形式連接鎧裝電纜；其次，通過船舶將比試平臺運(yùn)輸至試驗(yàn)海域，并將其安全投放至指定區(qū)域。投放完成后，運(yùn)輸船舶需將鎧裝電纜輸送至錨泊式試驗(yàn)平臺，有纜、固定式ADCP海試布局如圖7所示。

圖7 有纜ADCP海上測試布置示意圖

針對不同需求，設(shè)置兩種數(shù)據(jù)接收模式，分別為：（1）試驗(yàn)平臺內(nèi)短期、連續(xù)測試。該方式將測試設(shè)備通過鎧裝電纜直連位于錨泊式海上試驗(yàn)平臺的數(shù)據(jù)接受以及顯示儀器，在觀測試驗(yàn)設(shè)備運(yùn)行安全性的同時，可實(shí)現(xiàn)短期內(nèi)持續(xù)監(jiān)測被測設(shè)備的工作狀態(tài)以及性能；（2）實(shí)時長期、連續(xù)測試。該方式需要在錨泊式海上試驗(yàn)平臺內(nèi)安裝數(shù)據(jù)傳輸單元（DTU）。因此該種方式的連接模式需要被測設(shè)備首先通過鎧裝電纜連接DTU，然后通過DTU進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，通過遠(yuǎn)端上位機(jī)接受，進(jìn)而進(jìn)行長期有效的連續(xù)測試以及實(shí)時監(jiān)測。測試完成后，按照標(biāo)準(zhǔn)《聲學(xué)多普勒流速剖面儀》（GB/T24558—2009）和《聲學(xué)多普勒流速剖面儀檢測方法》（HY/T102—2007）對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。

2.3.2 有纜水下機(jī)器人（ROV）

基于錨泊式海上試驗(yàn)平臺進(jìn)行有纜水下機(jī)器人（ROV）的測試，可對ROV系統(tǒng)性能、工作穩(wěn)定性以及可靠性進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，并為后續(xù)深遠(yuǎn)海域測試做好準(zhǔn)備。

ROV海上測試方法主要有以下內(nèi)容：（1）ROV通過船舶運(yùn)輸?shù)跹b至錨泊式海上試驗(yàn)平臺后，首先在不上電的前提下檢測ROV的本體，確保ROV本體沒有發(fā)生損壞以及海試作業(yè)安全；（2）在海上試驗(yàn)平臺甲板上對測試ROV上電，觀察儀器各部件可安全穩(wěn)定運(yùn)行，并且與上位機(jī)通信良好；（3）通過海上試驗(yàn)平臺吊機(jī)將被測ROV吊裝至海平面，但不放開吊纜，進(jìn)一步測試ROV在海洋環(huán)境中各部件的運(yùn)行穩(wěn)定性以及與上位機(jī)的通信狀態(tài)；（4）放開吊纜，實(shí)現(xiàn)被測ROV的自主作業(yè)，觀察ROV的工作狀態(tài)與性能；（5）通過纜繩與吊機(jī)實(shí)現(xiàn)被測ROV的回收，進(jìn)一步檢查ROV各部件的狀態(tài)，完成海上測試。依托錨泊式海上試驗(yàn)平臺的ROV測試如圖8所示。

圖8 有纜水下機(jī)器人（ROV）海上測試圖

在以上測試方法描述中可以看出，依托錨泊式海上試驗(yàn)平臺，ROV性能測試過程中無需輔助船舶。在保證試驗(yàn)人員以及測試儀器安全的前提下，可以對被測儀器進(jìn)行實(shí)時、連續(xù)的測試。

3 結(jié) 論

錨泊式海上試驗(yàn)平臺的投放與使用，為我國海上儀器設(shè)備的測試提供了權(quán)威、公平、便利化、低成本的海上試驗(yàn)測試環(huán)境，數(shù)個國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項(xiàng)目已在試驗(yàn)場區(qū)依托海上試驗(yàn)平臺進(jìn)行設(shè)備試驗(yàn)和測試。本文結(jié)合現(xiàn)有設(shè)備和已開展的試驗(yàn)測試，探索并提出不同類型海洋儀器設(shè)備的試驗(yàn)方法，具有較高的可行性與適用性。錨泊式海上試驗(yàn)平臺可長期應(yīng)用并服務(wù)于淺海綜合試驗(yàn)場，有效促進(jìn)我國海洋儀器設(shè)備的研發(fā)與技術(shù)成果轉(zhuǎn)化。