何志強 趙聰蛟 李靜

（1.第七一五研究所，杭州，310023；2.浙江省海洋監(jiān)測預(yù)報中心，杭州，310007）（3.海軍702廠，上海，200072）

保護海洋環(huán)境，合理開發(fā)海洋資源，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展是當今社會亟待解決的難題。要想有效地解決海洋生態(tài)環(huán)境問題，就需要監(jiān)測海洋環(huán)境。建立近岸海域浮標實時監(jiān)測系統(tǒng)，及時準確地掌握相關(guān)的海洋環(huán)境數(shù)據(jù)，全程監(jiān)視整個事件的發(fā)展過程，為災(zāi)害預(yù)警預(yù)報、災(zāi)害調(diào)查評估、應(yīng)急決策等提供科學依據(jù)。近年來，依托國家863計劃、908海洋類科技攻關(guān)項目的帶動，我國海洋自動監(jiān)測技術(shù)的研究與應(yīng)用取得了巨大的進步，涌現(xiàn)了大批成果與海洋科技產(chǎn)品，在此基礎(chǔ)上，我國逐步建立起海洋監(jiān)測臺站、浮標、調(diào)查船、衛(wèi)星遙感及航空遙感等組成的海洋環(huán)境立體監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。本文提出一種近岸海域浮標實時監(jiān)測系統(tǒng)，供同行參考。

1 系統(tǒng)設(shè)計思路

1.1 設(shè)計原則

1.1.1 堅持統(tǒng)一技術(shù)、統(tǒng)一標準的原則

近岸海域浮標實時監(jiān)測系統(tǒng)必須遵循智能化、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化、多功能化、標準化和規(guī)范化的技術(shù)要求，統(tǒng)一技術(shù)路線、技術(shù)指標、技術(shù)標準、數(shù)據(jù)格式、分析與評價方法，以實現(xiàn)實時監(jiān)測、數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)處理與信息產(chǎn)品開發(fā)、數(shù)據(jù)共享與信息服務(wù)等功能，構(gòu)建一體化的近岸海域?qū)崟r監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)體系。

1.1.2 堅持制度先行、評價同步的原則

在取得試點監(jiān)測成功經(jīng)驗的同時，開展制度建設(shè)，建立統(tǒng)一的監(jiān)測與評價技術(shù)規(guī)范和標準及配套運行管理制度，并在后續(xù)建設(shè)過程中加以驗證和不斷改進，為構(gòu)建有效的浮標海洋環(huán)境實時監(jiān)測與動態(tài)評價體系提供技術(shù)依據(jù)。

1.1.3 數(shù)據(jù)安全原則

海洋環(huán)境由?？眨òǖ蛯哟髿獾脑啤⒂?、霧、氣壓、氣溫等）、海表（風、浪、流、冰、風暴潮、鹽霧、日光輻射、水溫、潮汐等）、海體（包括淺海、深海中的內(nèi)波、環(huán)流、躍層、聲道、密度、鹽度、溫度、深度、電導等）和海底（地質(zhì)、地貌、磁場等）三維的、多種類海洋要素和人為現(xiàn)象(如艦艇噪聲、戰(zhàn)場煙霧等)所組成。 不論是對于海洋開發(fā)還是海戰(zhàn)場準備，獲取的這些海洋現(xiàn)象和海洋環(huán)境數(shù)據(jù)都是非常重要的，必須確保這些數(shù)據(jù)的安全性。

1.2 主要技術(shù)要求

（1）海上自動監(jiān)測浮標系統(tǒng)免維護工作周期大于15天；

（2）傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量和質(zhì)量合格率在75%以上；

（3）網(wǎng)絡(luò)連接率大于90%；

（4）信息系統(tǒng)。

—— 提供一種符合海洋環(huán)境監(jiān)測特征的時空表達模型和算法，并實現(xiàn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的一體化組織、存儲和管理。

—— 實現(xiàn)高效的空間數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)。

—— 實現(xiàn)多源海洋數(shù)據(jù)三維橢球表達。

—— 建立海洋環(huán)境場景，實現(xiàn)水體、海底的真實感繪制。

—— 建立監(jiān)測信息服務(wù)自發(fā)布系統(tǒng)，實現(xiàn)監(jiān)測產(chǎn)品的準實時發(fā)布。

—— 具有用戶自定義監(jiān)測結(jié)果專題圖制作功能。

1.3 系統(tǒng)組成

近岸海域浮標實時監(jiān)測系統(tǒng)由海上自動監(jiān)測浮標系統(tǒng)、數(shù)字化監(jiān)控平臺、近岸海域?qū)崟r監(jiān)測與信息管理系統(tǒng)等三部分組成。海上自動監(jiān)測系統(tǒng)布放于海上，用于采集海洋環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，并通過GPRS/CDMA/衛(wèi)星等方式傳輸至數(shù)字化監(jiān)控平臺。數(shù)字化監(jiān)控平臺用于接收、存貯、顯示監(jiān)測數(shù)據(jù)，并對海上自動監(jiān)測浮標進行管理。近岸海域?qū)崟r監(jiān)測與信息管理系統(tǒng)是對系統(tǒng)進行業(yè)務(wù)化運行的重要組成部分，是對系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行處理、分析、發(fā)布的平臺。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 近岸海域浮標實時監(jiān)測系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)設(shè)計概要

2.1 海上自動監(jiān)測浮標

海上浮標自動監(jiān)測技術(shù)是隨著海洋監(jiān)測的不斷深化和生態(tài)環(huán)境監(jiān)測的迫切要求而發(fā)展起來的一種新的海洋環(huán)境監(jiān)測技術(shù)，是實現(xiàn)海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測自動化、網(wǎng)絡(luò)化及實時連續(xù)監(jiān)測的最有效技術(shù)。海上浮標自動監(jiān)測技術(shù)彌補了傳統(tǒng)監(jiān)測手段的不足與缺陷，實現(xiàn)從靜態(tài)定性評價向動態(tài)定量評價的發(fā)展，提升了海洋環(huán)境監(jiān)測與預(yù)警能力，可有效避免和降低因為溢油、赤潮等海洋災(zāi)害對海洋生態(tài)環(huán)境的污染。

海上自動監(jiān)測浮標設(shè)計的主要思路如下：（1）浮標體由浮體、支架、防撞橡膠和防撞裝置組成，為便于今后擴展監(jiān)測內(nèi)容，可預(yù)留傳感器端口。海上自動監(jiān)測浮標照片見圖1。（2）監(jiān)測傳感器由氣象、常規(guī)水質(zhì)要素、營養(yǎng)鹽和有機污染物（碳氫化合物）等四類傳感器組成，可根據(jù)需要增減傳感器，實現(xiàn)多個參數(shù)同時、連續(xù)采集；選擇耐腐蝕、防海生物、維護周期長、工作穩(wěn)定的傳感器。（3）供電設(shè)備由太陽能、充電控制器和蓄電池組成，無需外部供電。（4）采集傳輸控制設(shè)備由數(shù)據(jù)采集加密控制模塊、GPRS/CDMA/北斗傳輸系統(tǒng)組成，數(shù)據(jù)加密傳輸，提高數(shù)據(jù)安全性。（5）防護設(shè)備由GPS、雷達反射器、警示燈、AIS終端和攝像頭等組成，多種措施確保設(shè)備安全。（6）錨系設(shè)備由系留環(huán)、錨鏈和錨組成，采用雙錨固定方式。自動監(jiān)測浮標布放示意圖參見圖2。

圖2 海上自動監(jiān)測浮標

圖3 海上自動監(jiān)測浮標布放示意圖

海上自動監(jiān)測浮標系統(tǒng)具有集成度高、防腐、防海洋生物附著、防臺、防碰、防盜、防丟失、實時在線監(jiān)測安全、數(shù)據(jù)傳輸安全（數(shù)據(jù)加密和防泄密）、低成本維護等優(yōu)點。

2.2 數(shù)字化監(jiān)控分析平臺設(shè)計

數(shù)字化監(jiān)控平臺應(yīng)用在中央監(jiān)控室。配置服務(wù)器、電子顯示屏和若干臺高性能商用計算機及其他輔助設(shè)備等。服務(wù)器通過Internet和GPRS與浮標聯(lián)網(wǎng)，服務(wù)器、計算機和顯示屏構(gòu)成一套完整的實時在線監(jiān)控系統(tǒng)，各浮標的監(jiān)測數(shù)據(jù)通過加密處理后自動輸入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，并按浮標編號、地理坐標和時間存貯。能集中監(jiān)視、操作和管理，達到管理與現(xiàn)場分離，更能綜合化和系統(tǒng)化。通過人機接口，可對遠程監(jiān)測設(shè)備進行實時采集、分析、記錄、監(jiān)視和操作控制，以及在線巡檢、動態(tài)配置等。圖 4為浮標地理位置分布圖，圖5為浮標實時數(shù)據(jù)監(jiān)控界面。

圖4 浮標地理坐標分布圖

圖5 浮標實時數(shù)據(jù)監(jiān)控界面

2.3 近岸海域?qū)崟r監(jiān)測與信息管理系統(tǒng)

以海洋環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)為主線，集合了現(xiàn)代監(jiān)測技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、數(shù)據(jù)倉庫技術(shù)和數(shù)據(jù)分析技術(shù)，對全市近岸海域各類監(jiān)測數(shù)據(jù)進行安全存儲和處理，提供多源數(shù)據(jù)資料處理、監(jiān)測數(shù)據(jù)產(chǎn)品網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用服務(wù)，構(gòu)建基于虛擬海洋環(huán)境的立體化監(jiān)測與信息服務(wù)平臺，實現(xiàn)多層次、全方位的海洋環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測、傳輸、管理、分析發(fā)布功能。各級監(jiān)控平臺和終端授權(quán)用戶可通過服務(wù)器登錄本系統(tǒng)瀏覽和訪問。系統(tǒng)總體構(gòu)架如圖6所示，管理員對服務(wù)器的數(shù)據(jù)進行管理、分析、發(fā)布，各級、各部門用戶的手機、計算機、便攜電腦可通過登錄服務(wù)器方式等實時了解海洋環(huán)境信息。

圖6 近岸海域?qū)崟r監(jiān)測與信息管理系統(tǒng)構(gòu)架

2.4 監(jiān)測參數(shù)的選擇

浮標實時監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測參數(shù)主要包括海面氣象和水質(zhì)、生態(tài)等要素，以實現(xiàn)多介質(zhì)、多參數(shù)的同步實時監(jiān)測。

2.4.1 氣象參數(shù)的選擇

相對而言，海面氣象自動監(jiān)測技術(shù)比較成熟，氣象傳感器性能穩(wěn)定可靠，免維護周期長。根據(jù)系統(tǒng)建設(shè)關(guān)注的海洋環(huán)境問題，海面氣象監(jiān)測選擇的參數(shù)包括氣溫、濕度、風速、風向、氣壓、光照度和降雨量等7項。

2.4.2 水質(zhì)參數(shù)的選擇

目前能夠?qū)崿F(xiàn)自動監(jiān)測的水質(zhì)參數(shù)主要有水溫、pH、溶解氧、鹽度、溫度、電導率、磷酸鹽、硝酸鹽氮、氨氮、亞硝酸鹽氮、葉綠素、碳氫化合物等。其中水溫、pH、溶解氧、鹽度、溫度、電導率和葉綠素等指標是目前國內(nèi)外浮標自動監(jiān)測普遍選擇的水質(zhì)指標，這些常規(guī)水質(zhì)指標傳感器性能較可靠，技術(shù)比較成熟并能反映綜合水質(zhì)狀況。長期連續(xù)的監(jiān)測數(shù)據(jù)對研究各參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系、探索海水細微結(jié)構(gòu)和污染水平具有重要作用。

3 結(jié)論

近岸海域浮標實時監(jiān)測系統(tǒng)采用海上自動監(jiān)測浮標作為連續(xù)、實時、長期獲取海洋環(huán)境監(jiān)測參數(shù)的手段，可以減少大量的人力、物力和財力。浙江省根據(jù)不同海洋功能區(qū)、生態(tài)敏感脆弱區(qū)、溢油事故高風險區(qū)布放了 10多套海上自動監(jiān)測浮標，從運行情況看，實現(xiàn)了對浙江省近岸海域赤潮、海上溢油等災(zāi)害進行實時有效的監(jiān)測，對海洋環(huán)境保護和海洋減災(zāi)防災(zāi)意義重大。海上自動監(jiān)測浮標還將陸續(xù)投放，以便構(gòu)建近岸海域?qū)崟r監(jiān)測與信息管理系統(tǒng)。為確保數(shù)據(jù)的有效性和可追溯性，須每月對數(shù)據(jù)進行比測分析。

[1]李俊. 海洋環(huán)境在線監(jiān)測及赤潮災(zāi)害預(yù)報系統(tǒng)研究[D].山東大學, 2007: 9-12.