廣域海洋船載集成式環(huán)境動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

摘" 要：基于海洋環(huán)境監(jiān)測技術(shù)知識，從系統(tǒng)組成、關(guān)鍵技術(shù)、應(yīng)用效果等方面梳理分析岸基固定式、浮標漂浮式和垂直斷面式3種常用集成式監(jiān)測系統(tǒng)形態(tài)，總結(jié)在應(yīng)用和研究上存在的問題。利用海上已有船舶資源為載體，從基礎(chǔ)物理感知、通信鏈路傳輸、平臺網(wǎng)絡(luò)獲取和數(shù)據(jù)分析應(yīng)用4層面，研究設(shè)計“集成式布設(shè)、多節(jié)點流動、一體式接收”的廣域海洋船載集成式海洋環(huán)境動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)拓撲架構(gòu)和工作原理，最后從監(jiān)測海域范圍、占地空間、用電方式、維護周期和維護人員上進行性能優(yōu)勢分析。

關(guān)鍵詞：廣域海洋；環(huán)境動態(tài)監(jiān)測；船載；集成式；環(huán)境動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

中圖分類號：U674.37" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）05-0130-04

Abstract： Based on the technical knowledge of marine environmental monitoring， the three commonly used integrated monitoring system forms， namely shore-based fixed type， buoy floating type and vertical section type， are sorted out and analyzed from the aspects of system composition， key technologies， and application effects， and the problems existing in application and research are summarized. Using existing ship resources at sea as carriers， a wide-area ocean with \"integrated layout， multi-node flow， and integrated reception\" has been studied and designed from four levels： basic physical sensing， communication link transmission， platform network acquisition， and data analysis and application. The topology and working principle of the ship-borne integrated marine environment dynamic monitoring system are analyzed. Finally， the performance advantages are analyzed in terms of monitoring sea area range， floor space， electricity consumption method， maintenance cycle and maintenance personnel.

Keywords： wide-area ocean; dynamic environmental monitoring; shipborne; integrated; dynamic environmental monitoring system

環(huán)境污染和氣候變化是當今全球面臨的兩大挑戰(zhàn)，碳排放持續(xù)增加對生物多樣性和生態(tài)穩(wěn)定有著巨大威脅，對社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生嚴重負面影響[1]。為此，世界各國組織頒布了一系列相關(guān)法規(guī)政策[2-3]：2009年，歐盟制定《二氧化碳捕獲與封存指令》；美國頒布地下注入控制計劃和安全碳封存技術(shù)行動條例；聯(lián)合國政府間氣候變化委員會（IPCC）也發(fā)布《氣候變化2021：自然科學(xué)基礎(chǔ)》，指出目前全球地表平均溫度較工業(yè)化前高出約1 ℃，人類活動已造成大氣、海洋和陸地變暖。我國先后頒布《大氣污染防治行動計劃》、《打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動計劃》和《二氧化碳捕集、利用與封存環(huán)境風(fēng)險評估技術(shù)指南（試行）》，2020年習(xí)近平主席在第75屆聯(lián)合國大會上宣布“二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和”目標后，又在氣候雄心峰會上進一步宣布了我國自主貢獻的一系列新舉措[4-5]。而海洋作為全球水汽循環(huán)和碳循環(huán)的重大載體[6]，其包含的葉綠素、泥沙含量等水色環(huán)境參數(shù)，溫度、鹽度、流速、流量、波浪和潮汐等動力環(huán)境參數(shù)，以及海底地形、海洋沉積物、凍土等地質(zhì)參數(shù)都會直接影響碳循環(huán)和碳交換，是全球氣候變化和維持生態(tài)平衡的關(guān)鍵因素。因此，深入剖析認知海洋環(huán)境，研究建立完備的海洋環(huán)境監(jiān)測體系可以為全球綠色低碳發(fā)展和實現(xiàn)“雙碳”目標提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。

海洋環(huán)境監(jiān)測技術(shù)作為認知海洋的重要手段，綜合采用機械、電子、能源、材料和信息等交叉學(xué)科知識，實現(xiàn)海洋動力、氣象、水文、生態(tài)、化學(xué)、海洋聲光電物理特性及海洋地質(zhì)地理等環(huán)境要素的監(jiān)、觀、勘測。近年來，我國積極建設(shè)能夠覆蓋一定海域范圍、長期自主工作、實時獲取海洋環(huán)境綜合信息的海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，但從長遠發(fā)展來看，海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)逐漸從單平臺到多平臺、從單一對象到多要素監(jiān)測方向發(fā)展，朝著高度集成化、綜合化、遠距離的具有信息自動處理能力的信息網(wǎng)絡(luò)發(fā)展。

1" 技術(shù)現(xiàn)狀及存在問題

1.1" 常用集成式海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

綜合文獻[7]—文獻[9]分析，目前集成式海洋環(huán)境監(jiān)測技術(shù)形態(tài)最具有代表性主要有岸基固定集成式、浮標漂浮集成式及垂直斷面集成式3種。

1.1.1" 岸基固定集成式海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

運用測量感知、自動控制、電子信息及計算機分析軟件技術(shù)實現(xiàn)水質(zhì)、水文等智能監(jiān)測，通過水樣取配及處理、電能供給、安全控制、數(shù)據(jù)采集及通信傳輸?shù)韧瓿赡繕藚?shù)檢測和獲取。系統(tǒng)在設(shè)計上較為成熟，應(yīng)用相對成熟，國內(nèi)運行站點數(shù)達數(shù)百臺套，主要用在距離海岸一般小于200 m近岸海域，通常占用土地空間需要8～20 m2，額定功率應(yīng)用在400 W以上，需要市電交流220 V接入和專業(yè)運維人員每周1次的定期維護保養(yǎng)。

1.1.2" 浮標漂浮集成式海洋環(huán)境監(jiān)測技術(shù)方案

運用測量感知、檢測控制、電子通信及計算機分析等技術(shù)將設(shè)備集成于水面浮體內(nèi)實現(xiàn)自動監(jiān)測，可同時測量氣象、水文、水質(zhì)等參數(shù)，主要由聚脲或鋼制浮體、單點錨系、供配電單元、數(shù)據(jù)采集單元、控制及傳輸單元、顯示單元和感知傳感儀器組成。系統(tǒng)設(shè)計主要用于距離海岸小于20 km的近海海域，采用單點錨系使得系統(tǒng)整體漂浮于一定范圍內(nèi)，主要采用光伏發(fā)電和蓄電池儲能實現(xiàn)能量供給，整體功率通常控制在50 W以內(nèi)，無需占地空間需求，但仍需要專業(yè)運維人員每月1次定期進行系統(tǒng)維護保養(yǎng)。

1.1.3" 垂直斷面集成式海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

系統(tǒng)通過水下纜系技術(shù)將“海面—海中—海底”設(shè)備連接實現(xiàn)海洋垂直斷面監(jiān)測，由海面漂浮單元、上端纜系單元、海中潛標單元、下端纜系單元和海底固定基站組成。其中，海面漂浮單元漂浮于海面之上，完成監(jiān)測表面水體環(huán)境和氣象等參數(shù)；海中潛標單元置于離海面20～50 m處位置，通過上端、下端纜系單元分別與海面漂浮單元及海底監(jiān)測基站連接。海底基站為海底水體監(jiān)測傳感儀器提供集成空間和能量，并獲取海底關(guān)鍵參數(shù)信息。系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用于近兩年剛剛起步，主要用于離岸大于20 km的較遠海域，對可靠性要求較高。系統(tǒng)所需能量供給主要通過海面漂浮單元上光伏和儲能模塊實現(xiàn)，監(jiān)測總功率有所上升，但總體通常控制在150 W以內(nèi)，需要極為專業(yè)運維人員每半年1次的定期維護保養(yǎng)。

1.2" 存在的問題

1.2.1" 區(qū)域監(jiān)測邊界定位單一，海洋監(jiān)測實施廣域多元化需要加強

固定式、漂浮式和垂直式等多種技術(shù)形態(tài)及應(yīng)用日漸增加，但監(jiān)測區(qū)域邊界定位單一，主要用于定點取樣監(jiān)測或監(jiān)測范圍受限。一是監(jiān)測概念需要發(fā)展。在社會主義生態(tài)文明建設(shè)及“雙碳”目標的大背景下，“點—線—面”概念和關(guān)系有待用發(fā)展的眼光去看待，從固定一點或一范圍來監(jiān)測海洋環(huán)境已難以充分展現(xiàn)整體環(huán)境狀況，廣域海洋下多元要素的環(huán)境監(jiān)測是新階段研究主體，是面向生態(tài)環(huán)境部“監(jiān)測先行”要求的重要體現(xiàn)。二是監(jiān)測技術(shù)需要改變。相較于傳統(tǒng)的固定式監(jiān)測技術(shù)，流動式監(jiān)測技術(shù)應(yīng)該被提升，內(nèi)河無人船、無人機等應(yīng)用無一不說明這一點，但針對廣域海洋而言，應(yīng)根據(jù)其實際特性及已有資源做好目標定位和措施保障。

1.2.2" 系統(tǒng)集成協(xié)同程度欠缺，海洋監(jiān)測系統(tǒng)一體智能化有待提升

現(xiàn)階段海洋環(huán)境監(jiān)測技術(shù)按照“分模塊—整體組合”模式設(shè)計，通過硬件連接實現(xiàn)，固定式岸基、漂浮式浮標、垂直斷面集成式技術(shù)中均是如此，各部件協(xié)同均有一定延時，致使集成程度有所欠缺。一是一體化設(shè)計理念不足。從模塊到整體的設(shè)計思路，缺乏“自上而下”即整體到模塊的相關(guān)理念，不能從宏觀統(tǒng)籌整體與部分的關(guān)系。二是智能協(xié)同軟連接流程研究缺乏。不同屬性模塊之間應(yīng)縮短硬件連接距離，增加軟連接流程和實施標準規(guī)范研究，實現(xiàn)部件間協(xié)同實效性。

1.2.3" 運維數(shù)字關(guān)聯(lián)應(yīng)用落后，海洋監(jiān)測運維簡便高效化相對薄弱

海洋環(huán)境監(jiān)測運維技術(shù)是保障監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用的長期有效的重要保障。常用技術(shù)形態(tài)目前運維操作相對復(fù)雜，基本是靠專業(yè)人員現(xiàn)場完成。一是技術(shù)設(shè)計偏向前端，未能有效向后端擴延，導(dǎo)致“頭重腳輕”。二是操作偏向傳統(tǒng)方式，數(shù)字化服務(wù)引入不夠。運維人員操作方式采用“互聯(lián)網(wǎng)+”遠程控制、大數(shù)據(jù)分析及處理等相對落后，使得操作簡便、高效相對薄弱。

2" 廣域海洋船載集成式環(huán)境動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

2.1" 系統(tǒng)拓撲架構(gòu)設(shè)計

廣域海洋船載集成式環(huán)境動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計利用海上已有航運船舶資源為載體，建立“集成式布設(shè)、多節(jié)點流動、一體式接收”的全海域環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)由多個單節(jié)點系統(tǒng)組成，單節(jié)點之間相互獨立工作，統(tǒng)一經(jīng)傳輸信道將數(shù)據(jù)傳輸至接收終端。單節(jié)點結(jié)構(gòu)按功能層級進行設(shè)計，分為感知設(shè)備層、采集控制層、能量供給層、標簽層、通信層和框架保護層，如圖1所示。

單節(jié)點為監(jiān)測系統(tǒng)的主體設(shè)計，各層相互協(xié)調(diào)，并行協(xié)作，完成水體信息的感知、采集、存儲及傳輸。

感知設(shè)備層由基礎(chǔ)水體感知儀器組成，通過與水體直接或間接接觸，應(yīng)用光學(xué)、聲學(xué)、電子等技術(shù)原理測量水體水質(zhì)、水文等環(huán)境特征參數(shù)信息，并具備外部數(shù)據(jù)傳輸接口。

能量供給層主要設(shè)計能量耦合及變換管理器，根據(jù)船舶實際配置條件，可耦合接入船舶供電或風(fēng)電等自然能轉(zhuǎn)換的電能，通過穩(wěn)壓、分壓變換、濾波等功能模塊實現(xiàn)所需電壓的各層級轉(zhuǎn)變，并采用繼電控制及電量監(jiān)測完成對系統(tǒng)其他終端設(shè)備所需電能管理分配。

采集控制層設(shè)計控制融合及數(shù)據(jù)采集器，負責(zé)對不同基礎(chǔ)水體感知儀器接口協(xié)議相互融合和數(shù)據(jù)多通道并行接收，并對感知儀器及系統(tǒng)其他設(shè)備下發(fā)控制命令，實現(xiàn)系統(tǒng)的自動運行工作，同時完成多種水體環(huán)境動態(tài)信息的匯聚、轉(zhuǎn)換和控制。

標簽層設(shè)計多點分布標簽識別及定位器，包括標簽識別和定位模塊，完成系統(tǒng)裝置的類別和位置標識功能，類別信息通過人工軟件代碼寫入編號實現(xiàn)，位置信息由北斗衛(wèi)星定位獲取經(jīng)緯度而獲得。

通信層設(shè)計通信傳輸自適應(yīng)調(diào)節(jié)器，主要應(yīng)用北斗衛(wèi)星及4G移動網(wǎng)絡(luò)通信，根據(jù)廣域海洋范圍內(nèi)現(xiàn)場信號范圍和采集的數(shù)據(jù)容量進行自動切換傳輸信道，完成指令的下發(fā)和水體數(shù)據(jù)上傳等信息傳輸工作。

框架保護層設(shè)計一體式垂直集成結(jié)構(gòu)平臺，外觀呈圓柱形，內(nèi)部進行垂直分層結(jié)構(gòu)及機械密封設(shè)計，實現(xiàn)電源、控制、數(shù)采、通信、定位及水體感知等儀器的集成安裝和結(jié)構(gòu)密封。

2.2" 工作流程原理設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計工作流程原理按照“自上而下、并行協(xié)作”模式進行設(shè)計，分為層內(nèi)模塊化工作，層級間聯(lián)動工作。工作原理圖如圖2所示。

能量耦合及變換管理器接入所處載體船舶內(nèi)電源（220VAC或48VDC）或風(fēng)電自然能轉(zhuǎn)換電源（48VDC），達到系統(tǒng)整體能量源的耦合輸入。系統(tǒng)能量源整體接入后，經(jīng)220VAC-48VDC或48VDC-48VDC、48V-24/12/5VDC兩級電源變換，完成下一層級設(shè)備所需能量的輸出。同時，下一層級設(shè)備能量輸出前設(shè)置電量監(jiān)測和繼電控制保護雙模塊，進一步對電源使用狀態(tài)進行監(jiān)控和控制，以保護下設(shè)備用電的有效和安全?；A(chǔ)水體感知儀器包括水質(zhì)、水文及水體生物動態(tài)感知儀器，監(jiān)測參數(shù)包括水溫、溶解氧、濁度、酸堿度（pH）、電導(dǎo)率（鹽度）、流速、流向及水面生物狀態(tài)等，并可根據(jù)實際水體信息監(jiān)測需要進行擴展。感知儀器通過與水體直接或間接接觸獲取水體特定參數(shù)信息，通過通信接口傳輸至系統(tǒng)上一層級控制融合及數(shù)據(jù)采集器。

控制融合及數(shù)據(jù)采集器持續(xù)接入上一層級能量輸出長時工作，在系統(tǒng)中起到上傳下達、中心處理的作用，包括控制量輸出、模擬量監(jiān)測、數(shù)據(jù)雙向傳輸及數(shù)據(jù)采集存儲處理模塊。控制量輸出模塊通過控制量信號的輸出實時或定時控制上一層級能量供給層與下一層級感知設(shè)備層的電源供給通斷；模擬量監(jiān)測模塊采集識別電壓、電流及溫濕度等系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)信息量判斷系統(tǒng)運行環(huán)境的良好情況；數(shù)據(jù)雙向傳輸模塊負責(zé)向上下級設(shè)備發(fā)送指令或接收信息；數(shù)據(jù)采集存儲及處理模塊負責(zé)獲取其他模塊采集的數(shù)據(jù)信息，完成初步處理與內(nèi)部儲存。

多點分布標簽與定位器通過定位模塊和標簽?zāi)K分別獲取系統(tǒng)當前類別編號和位置信息，分別連接采集控制層和通信層，實現(xiàn)信息的系統(tǒng)內(nèi)部識別存儲和遠程傳輸至接收端。通信傳輸自適應(yīng)調(diào)節(jié)器還與采集控制層直接連接，通過數(shù)據(jù)容量和信號覆蓋強度檢測，自動調(diào)節(jié)信息傳輸通道，完成系統(tǒng)所采集信息的發(fā)送傳輸。

2.3" 性能分析

廣域海洋船載集成式環(huán)境動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)以單節(jié)點船舶為載體，采用海上組網(wǎng)方式進行目標海域環(huán)境數(shù)據(jù)采集，集成光、電、結(jié)構(gòu)等模塊，掛于船舶側(cè)邊或尾部隨船舶流動性工作。在性能上，與常用的固定式岸基、漂浮式浮標、垂直式斷面3種集成式監(jiān)測系統(tǒng)相比較，從監(jiān)測海域范圍、占地空間、用電方式、維護周期和人員上分析如下。

1）監(jiān)測海域上，系統(tǒng)設(shè)計隨載體船舶流動，監(jiān)測范圍擴展至船舶流動區(qū)域，可以對全海域環(huán)境監(jiān)測，相較于固定式岸基監(jiān)測離岸200 m以內(nèi)區(qū)域、漂浮式浮標監(jiān)測離岸20 km內(nèi)海洋區(qū)域和垂直式斷面應(yīng)用于遠海（20 km以上）區(qū)域具有顯著優(yōu)勢。

2）占地空間上，系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用于海上已有船舶，無需使用土地資源，與漂浮式浮標和垂直式斷面性能一般，但相較于固定式岸基監(jiān)測系統(tǒng)所需8～20 m2有優(yōu)勢。

3）用電方式上，固定式岸基等常用集成式監(jiān)測系統(tǒng)采取單一的市電和光儲為系統(tǒng)提供能量，而船載集成式監(jiān)測系統(tǒng)采用船電和光儲雙能源方式，為系統(tǒng)正常運行提供雙重保障。

4）維護周期和維護人員上，不像常用的3種監(jiān)測系統(tǒng)需要專業(yè)人員定期進行維護，船載集成式系統(tǒng)采用一體設(shè)計隨船舶流動，維護可由船上人員進行維護，無需專業(yè)人員，時間上也更為靈活。

3" 結(jié)束語

廣域海洋船載集成式環(huán)境動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計基于海上已有船舶資源及海洋信息技術(shù)進行研究，旨在實現(xiàn)流動式、一體式集成全海域監(jiān)測，是海洋環(huán)境監(jiān)測技術(shù)向小型化、集成化再延伸和創(chuàng)新，為海洋建立具備廣域性、流動式、垂直化的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)提供基礎(chǔ)支撐。本研究提出了系統(tǒng)設(shè)計的架構(gòu)和工作原理、一體式垂直集成結(jié)構(gòu)、多點標簽識別定位等思路，但在實現(xiàn)電子、光學(xué)、信息、機械和密封等多學(xué)科交叉及海上特殊環(huán)境應(yīng)用理論方法，解決實現(xiàn)狹小空間下的能量轉(zhuǎn)換、控制傳輸并行功能整體集成和標簽算法完成海洋遠距離范圍內(nèi)設(shè)備定位及通信傳輸?shù)仍敿氃O(shè)計，以及系統(tǒng)的仿真模擬、實際應(yīng)用測試指標上尚未深入探究，這將是作者下一步努力的方向，也希望本文能夠給行業(yè)專家學(xué)者提供參考。

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