国家海底观测网十米浮标平台系统研究与应用.pdf
《国家海底观测网十米浮标平台系统研究与应用.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《国家海底观测网十米浮标平台系统研究与应用.pdf(7页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、国家海底观测网十米浮标平台系统研究与应用 李 清1,陆 海2,韩 睿1,王建军2(1.上海外高桥造船海洋工程有限公司,上海 2 0 1 3 0 6;2.同济大学国家海底科学观测系统项目办公室,上海 2 0 1 3 0 6)摘要 国家海底科学观测网是经国家发改委批准的重大科技基础设施建设项目,旨在全方位、多领域、立体观测海洋。与业务化运行的浮标网不同,海底科学观测网对浮标平台的数据采集和控制系统、水声通信、系统的防护和国产仪器实验平台等方面提出了新的更高的要求。针对这些科学目标的工程实现,探讨对现有浮标的改进和功能增删以满足整个海底观测网的需求。关键词 国家海底科学观测网;海洋资料浮标;数据采集
2、和控制系统;水声通信中图分类号:P 7 1 4 文献标志码:A 文章编号:2 0 9 5 7 2 9 7(2 0 2 3)0 1 1 9 0 7d o i:1 0.1 2 0 8 7/o e e t.2 0 9 5-7 2 9 7.2 0 2 3.0 2.1 9D e s i g n o f C h i n a N a t i o n a l S c i e n t i f i c S e a f l o o r O b s e r v a t o r y B u o y P l a t f o r mL I Q i n g1,L U H a i2,HA N R u i1,WA N G J i
3、 a n j u n2(1.S h a n g h a i W a i g a o q i a o S h i p b u i l d i n g&O f f s h o r e C o.,L t d.,S h a n g h a i 2 0 1 3 0 6,C h i n a;2.P r o j e c t M a n a g e m e n t O f f i c e o f C h i n a N a t i o n a l S c i e n t i f i c S e a f l o o r O b s e r v a t o r y,T o n g j i U n i v e r
4、s i t y,S h a n g h a i 2 0 1 3 0 6,C h i n a)A b s t r a c t C h i n a N a t i o n a l S c i e n t i f i c S e a f l o o r O b s e r v a t o r y(C N S S O)i s a m a j o r s c i e n c e a n d t e c h n o l o g y i n f r a s t r u c t u r e p r o j e c t a p p r o v e d b y t h e N a t i o n a l D e
5、v e l o p m e n t a n d R e f o r m C o mm i s s i o n(N D R C),w h i c h a i m s t o o b s e r v e t h e o c e a n f r o m v a r i o u s a s p e c t s a n d f i e l d s.U n l i k e t h e b u o y n e t w o r k o p e r a t e d b y t h e g o v e r n m e n t,C N S S O r e q u i r e s s m a r t d a t a
6、a c q u i s i t i o n a n d c o n t r o l s y s t e m,u n d e r w a t e r a c o u s t i c c o mm u n i c a t i o n,s y s t e m p r o t e c t i o n a n d d o m e s t i c i n s t r u m e n t e x p e r i m e n t p l a t f o r m.I n r e s p o n s e t o t h e r e a l i z a t i o n o f t h e s e s c i e n
7、 t i f i c g o a l s,i m p r o v e m e n t s n e e d s t o b e m a d e f o r t h e b u o y p l a t f o r m t o m e e t t h e r e q u i r e m e n t o f C N S S O.K e y w o r d s C N S S O;b u o y;d a t a a c q u i s i t i o n a n d c o n t r o l s y s t e m;u n d e r w a t e r a c o u s t i c c o mm
8、u n i c a t i o n0 引 言长期以来,人们对于海洋观测的认识局限于岸边和表层,对于海洋内部的认识比较少。而随着科学研究的需要和工程技术的进步,众多国家开始建立第三代海洋观测平台 海底科学观测网。相比于调查船测量和卫星遥感,海底科学观测网可以深入海洋内部,提供定点、长期、连续的观测数据,有助于更加深入理解海洋随时间的变化1。在海底科学观测网中,浮标观测平台能够获取海气界面的科学数据,包括大气数据和近海面水体参数,是观测网系统的重要组成部分。本文将从浮标平台的发展现状、海底观测网的功能需求分析、平台设计探讨、柴发 太阳能混合能源系统4个部分来阐述。1 浮标观测平台的发展现状根据功能
9、的不同,浮标观测平台可以包括浮标基金项目:同济大学国家海底科学观测系统。作者简介:李清(1 9 8 0),男,大学本科,高级工程师,主要从事船舶与海洋工程装备制造生产管理方面的研究。E-m a i l:l i q i n g c h i n a s w s.c o m。第1 0卷 第2期 2 0 2 3年6月海洋工程装备与技术O C E A N E N G I N E E R I N G E QU I P ME N T A N D T E C HN O L O G YV o l.1 0,N o.2J u n.,2 0 2 31 2 0 海洋工程装备与技术第1 0卷体、锚系、传感器系统、数据采集
10、和控制系统、能源管理系统和通信系统。1.1 浮标体浮标体是整个平台的载体,可以为系统提供足够的浮力,与锚系共同确保整个平台在海洋环境中的稳定工作。按照结构类型划分,浮标体可以分为圆盘型、船型和柱型等结构。其中,应用最广泛的、历史最悠久的是圆盘型浮标。圆盘型浮标通常按照直径分为大型、中型和小型3种类型。国外的浮标平台使用源于2 0世纪6 0年代,当时多采用1 2m直径和1 0m直径的大型浮标2。随着材料技术的进步,美国的国家数据浮标中心(N a t i o n a l D a t a B u o y C e n t e r,N D B C)逐渐发展出了直径3m的标准浮标,成为美国浮标观测网的主力
11、浮标3。我国的海洋浮标研制起步较晚,现在也进入了业务化运行阶段。我国已经初步建立了包含约1 3 0个浮标的近海浮标观测网,包括1 0m大型浮标、6m中型浮标和3m小型浮标,主要型号是1 0m大型浮标4。究其原因,我国近海渔业活动频繁,采用大型浮标可以降低丢失和损坏的风险,能够提高浮标系统的稳定性。而国外的海况比较良好,渔业活动较国内稀少,因此,采用易于运输和维护的3m小型浮标,只有在比较恶劣的海况才使用大型浮标。1.2 锚系锚系通常由锚和系缆组成,能够为整个浮标系统提供足够的系泊力,与浮标体共同保证系统的稳定运行。根据系留方式的不同,锚系可以分为单点系留和多点系留。其中,单点系留又可以分为全锚
12、链式系留、拉紧式系留、半拉紧式系留、倒S型系留和弹性系留系统5。锚的类型有有杆锚、无杆锚、大抓力锚和特种锚。系缆的材料类型有锚链、钢丝绳、化纤缆绳和弹性系缆原件。弹性系留是比较新的系留方式,可以降低海流导致的系缆运动,改善浮标的随波状态,提高浮标的数据质量6。1.3 数据采集和控制系统数据采集和控制系统是整个浮标系统的控制中心和数据处理中心,能够完成对传感器的数据采集、远程控制和电源管理。数据采集系统结构可以分为采集电路、控制芯片、存储设备和相应软件等。当前,我国浮标平台普遍采用的数据采集和控制系统主要支持海洋气象、物理海洋和少量海洋传感器的采集和控制,满足国家海洋局、气象局等单位的业务化运行
13、需要。对于这些业务化运行的浮标平台,增减传感器数量和种类都需要重新设计,增加了工作量。国外的发展趋势是,研制可以应用浮标、潜标和水下滑翔机等多种平台的低功耗的智能型数据采集和控制系统7,其关键是模块化设计和标准化设计。国内的各个机构,包括中国海洋大学、山仪所、中船重工七一五所等都设计了自身的基于C A N总线的数据采集和控制系统8、9,具有较好的扩展性。1.4 电源管理系统电源管理系统是数据采集控制系统、通信系统和传感器系统的能量来源,能够实现电源的补充和管理。通常,浮标平台采用太阳能和蓄电池结合的方式实现能量的采集和存储。在阳光充足的时候,太阳能电池板可以将光能转化成电能,除了供应传感器消耗
14、之外,将多余的电能储存在蓄电池中。在没有阳光的时候,蓄电池中的能量可以满足整个系统的运行。其中,电源管理模块可以监测并显示电池的电压、电流和温度等要素,防止蓄电池过充、过放和过热等1 0,最终,实现系统的长期平稳运行。1.5 通信系统通信系统是浮标平台和岸基站之间的联系通道,可以实现数据和控制指令的双向传输。浮标上常用的通信方式有VH F、C DMA、G P R S、北斗卫星和海事卫星等多种方式。在近海和湖泊中,手机信号比较强,采用C DMA或者G P R S信号通信具有速度快、费用低和稳定的特点。在离岸较远的区域,通信基站较少,卫星通信成为唯一的方式。为了避免数据的泄露和高昂的流量费,国内的
15、浮标平台普遍采用北斗卫星通信,其在寻址方式、信道畅通率、用户容量、通信实时性和价格方面都优于国际海事卫星通信,但是一次只能传递7 8个字节,每次通信需要分成多个数据包才能完成1 1。1.6 传感器系统传感器系统是整个浮标系统的工作部分,可以实现对多种海洋环境参数的测量。根据观测的科学目标的不同,搭载的传感器包括气象传感器、物理海洋传感器、海洋化学传感器和海洋生物传感器等。目前,国内浮标观测网搭载的传感器一般采用国外的产品,价格昂贵,维护比较麻烦。而国产传第2期李清,等:国家海底观测网十米浮标平台系统研究与应用1 2 1 感器的问题在于,没有相应的产品,产品精度不能达到使用要求,或者没有在浮标上
16、的使用经验。这些问题限制了国产传感器的研发和使用,导致与国外传感器产品差距越来越大,最终国内传感器产业萎缩甚至消失。2 海底科学观测网浮标平台功能性分析 在东海海域,海底科学观测网需要从海面到海底,全方位立体协同观测,从而深入理解人类活动影响下的长江口 东海的物质交换及其生态环境效应,研究东海低氧区的形成机制、生物地球化学过程及对生态环境的影响,探索长江冲淡水与西太平洋边界海流的相互作用。因此,海底观测网的浮标平台提出了新的更高的要求。2.1 搭载的传感器数量多、学科全、控制要求高 业务化运行的浮标平台一般搭载海洋气象传感器、海洋物理传感器和少量海洋化学传感器,主要测量指定海域的气象特征、温度
17、盐度深度和流速等水文特征。而海底科学观测网的目标在于对东海的全方位观测,不局限于气象和水文特征。因此,海底观测网的浮标平台除了搭载常见的海洋气象传感器(风速、风向、气压、气温、湿度等)、物理海洋传感器(流速、流向、水温、波浪等)外,还要搭载众多的海洋化学传感器,比如用于测量p H值、溶解氧、水气C O2、硝酸盐、甲烷等的传感器。另外,浮标平台还要搭载激光粒度仪、光合辐射仪、三波长荧光计、光量子效率仪和浮游生物成像和分类系统,来观察水体中的浊度、光合作用、叶绿素、有机质和生物丰富度。如此多的传感器,对浮标系统的测量项目、传输方式及接口、防护等级、供电及功耗、体积与安装、连续工作时间与维护周期等方
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 国家 海底 观测 十米 浮标 平台 系统 研究 应用
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。