張玉潔，安忠亮，高 林，涂愛琴，宋傳經(jīng)

（1.山東省氣象局大氣探測(cè)技術(shù)保障中心，濟(jì)南 250031；2.山東省氣象局，濟(jì)南 250031）

船舶自動(dòng)氣象站分類標(biāo)準(zhǔn)及儀器布設(shè)原則

張玉潔1，安忠亮2，高 林1，涂愛琴1，宋傳經(jīng)2

（1.山東省氣象局大氣探測(cè)技術(shù)保障中心，濟(jì)南 250031；2.山東省氣象局，濟(jì)南 250031）

此文在研究分析各類船舶的基礎(chǔ)上，對(duì)船舶自動(dòng)氣象站（船舶站）的基本構(gòu)成和采集要素進(jìn)行了分類，提出了船舶站構(gòu)成的分類標(biāo)準(zhǔn)，解決了不同船舶選取安裝不同要素自動(dòng)站選擇依據(jù)不足的問題，詳述了船舶站的構(gòu)成。以典型船舶站為例，詳述了溫、壓、濕、風(fēng)、降水、能見度、輻射等觀測(cè)要素的安裝位置選擇，為船舶站的設(shè)計(jì)和安裝提供參考依據(jù)。

船舶；自動(dòng)氣象站；儀器布設(shè)原則

引言

海洋可為人類提供生存物質(zhì)和發(fā)展空間［1］，其開發(fā)和利用的前提是更好地觀測(cè)海洋，而船舶氣象觀測(cè)則是海洋綜合氣象觀測(cè)的重要組成部分。船舶自動(dòng)氣象站（以下簡(jiǎn)稱船舶站）是利用船舶為載體的自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)，通過對(duì)船舶航行過程中的海面以上、海氣界面以及與海洋氣象災(zāi)害相關(guān)的海面以下氣象、水文和環(huán)境等要素進(jìn)行長(zhǎng)期、穩(wěn)定、持續(xù)的觀測(cè)，為海上氣象預(yù)報(bào)和氣候變化監(jiān)測(cè)研究提供高時(shí)空密度的觀測(cè)數(shù)據(jù)，為海上航運(yùn)、航空、海洋生產(chǎn)作業(yè)安全、海防安全、軍事活動(dòng)等提供氣象保障基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，同時(shí)也為衛(wèi)星、雷達(dá)等遙感信息驗(yàn)證和訂正提供依據(jù)。目前中國尚無針對(duì)不同船舶安裝不同觀測(cè)要素構(gòu)成的自動(dòng)氣象站的標(biāo)準(zhǔn)，此文的研究有效解決了不同船舶選取安裝不同要素自動(dòng)站選擇依據(jù)不足的問題，也為不同類型船舶安裝自動(dòng)氣象站選取有效氣象觀測(cè)要素提供了依據(jù)。

1　船舶站基本構(gòu)成分類

1.1船舶站基本分類

自2007年以來，寧波、溫州、煙臺(tái)、青島、威海、海南等地的氣象部門先后在幾十條船上安裝了自動(dòng)氣象觀測(cè)設(shè)備，由于安裝船的種類比較多，小的有漁船，稍大點(diǎn)的有海上急救船，更大的有渡輪和萬噸級(jí)別的運(yùn)輸船，如何在不同類型的船舶上安裝適宜的氣象觀測(cè)要素，目前沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和參考依據(jù)。為了解決不同類型船舶站的基本構(gòu)成分類問題，文章對(duì)煙臺(tái)、威海、海南、寧波、福建等地的船舶站的建設(shè)情況進(jìn)行了詳細(xì)的調(diào)研（表1）。同時(shí)對(duì)山東省已建設(shè)船舶站的安裝環(huán)境進(jìn)行了分析和評(píng)估，通過對(duì)調(diào)查內(nèi)容的研究分析并結(jié)合《設(shè)計(jì)船型尺寸及典型船舶尺寸》中船舶噸級(jí)DWT（t）表，將適宜安裝自動(dòng)氣象站的船舶進(jìn)行初步歸類，提出了不同類型船只安裝船舶站的基本構(gòu)成分類標(biāo)準(zhǔn)，為船舶站的設(shè)計(jì)提供參考。用戶也可根據(jù)實(shí)際需要作相應(yīng)的變更選擇。如：煙臺(tái)的北海救助船，根據(jù)救助的需要，都增加了相應(yīng)的能見度觀測(cè)要素，而煙臺(tái)的渤海號(hào)船舶站因?yàn)榻ㄔO(shè)時(shí)間較早，安裝初期都沒有布設(shè)能見度觀測(cè)要素。不同類型船舶的具體觀測(cè)要素類型見表2，各觀測(cè)要素傳感器類型見表3。

表1　全國部分船舶站布設(shè)情況統(tǒng)計(jì)表

表2　不同類型船舶安裝船舶站觀測(cè)要素表

表3　不同觀測(cè)要素傳感器型號(hào)

1.2船舶站構(gòu)成

船舶站由硬件和軟件兩部分組成。

硬件部分包括數(shù)據(jù)采集器、傳感器和外圍設(shè)備，其中外圍設(shè)備包括通信設(shè)備、電源系統(tǒng)、航向航速測(cè)量?jī)x、本地終端（微機(jī)）等。

軟件部分包括嵌入式軟件（數(shù)據(jù)采集器內(nèi)）和業(yè)務(wù)應(yīng)用軟件（微機(jī)內(nèi)）。

（1）硬件系統(tǒng)：船舶自動(dòng)氣象站基于 CAN總線技術(shù)，在硬件上采用“積木式”架構(gòu)，主采集器可以支持常規(guī)的風(fēng)向、風(fēng)速、溫度、濕度、氣壓、雨量和航向航速測(cè)量?jī)x。能見度和其他可能掛接的傳感器則通過分采集器實(shí)現(xiàn)。

（2）通訊系統(tǒng)：遠(yuǎn)程通訊系統(tǒng)有 GPRS，CDMA，DCP衛(wèi)星通訊三種方式。需要根據(jù)船只的運(yùn)行路線、通信狀況選擇適合的通訊方式。其中DCP衛(wèi)星通訊適用于GPRS和CDMA無信號(hào)或者信號(hào)不穩(wěn)定的環(huán)境。

（3）供電系統(tǒng)：船舶自動(dòng)氣象站現(xiàn)有的供電系統(tǒng)分為船用直流電源供電、船用220V交流供電和太陽能供電三種。船用直流電源供電一般適合于小型的漁船，對(duì)于較大的船只，可視具體情況采用船用220V交流供電或太陽能供電。

（4）軟件系統(tǒng)：嵌入式軟件在UCOS嵌入式操作系統(tǒng)上進(jìn)行編程，完成各個(gè)采集器的功能，主采集器和分采集器之間采用CAN通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，其特點(diǎn)是傳輸距離遠(yuǎn)，抗電磁干擾能力強(qiáng)，能較好適應(yīng)船舶航行時(shí)的復(fù)雜環(huán)境［2-5］。業(yè)務(wù)應(yīng)用軟件可處理氣象觀測(cè)業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)本地和遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)采集和處理。

船舶站構(gòu)成框圖見圖1。

圖1　船舶站構(gòu)成框圖

2　船舶站儀器布設(shè)原則

利用山東省已建客運(yùn)船舶站、救助船舶站及捕撈船舶站數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)質(zhì)量及運(yùn)行穩(wěn)定性等情況資料，分析船舶站運(yùn)行情況、觀測(cè)數(shù)據(jù)與安裝位置周圍遮擋物、船舶類型以及主要活動(dòng)海域等因素的關(guān)系，提出了船舶站儀器的布設(shè)原則，為船舶站的合理布設(shè)提供依據(jù)。

2.1儀器布設(shè)原則

由于船舶頂甲板一般很狹小，且船舶自身需要安裝各種設(shè)備、天線，可以利用的空間很小，因此，船舶站儀器布設(shè)應(yīng)盡量保證各儀器之間距離，保證各儀器和傳感器的代表性。

風(fēng)傳感器盡量靠近船首部并高于最高的艙室，可考慮前主桅桿或頂甲板前部。溫濕傳感器盡量避免煙囪及其他熱源的影響，四周不應(yīng)有特別潮濕和反射率較強(qiáng)的物體，下墊面應(yīng)裝木質(zhì)甲板并涂敷綠色的油漆。氣壓傳感器安裝在避開熱源、不直接通風(fēng)、沒有陽光直接照射且搖擺震動(dòng)較輕的部位，可在進(jìn)氣口增加靜壓裝置，保證氣壓的觀測(cè)精度。精密GPS定位儀安裝在風(fēng)桿附近，定向設(shè)備安裝方向應(yīng)與船舶的中心軸方向保持一致。所有設(shè)備、管線必須連接牢固，不得有松動(dòng)、晃動(dòng)現(xiàn)象，使傳感器能在海上高鹽霧環(huán)境和船舶搖晃狀態(tài)下保持正常工作。

2.2安裝位置選擇

典型船舶站的安裝位置如圖2所示。

圖2　典型船舶站安裝位置示意圖

理想情況下，傳感器測(cè)量的是未經(jīng)過船上甲板及船上障礙物的大氣狀況。在圖2中，A位置通常是安裝氣象傳感器的最佳位置，也可以在前甲板的B處安裝支架以安裝傳感器。如果A，B兩種情況都不能實(shí)現(xiàn)時(shí)，最后的選擇是位于駕駛室上部的C處。若只安裝一套觀測(cè)設(shè)備，A，B，C都是比較好的安裝位置，如果需要安裝兩套觀測(cè)設(shè)備，則宜安裝在船舶的兩側(cè)，D，E是比較好的安裝位置。

（1）輻射觀測(cè)儀器

適合安裝在不受其他陰影影響的位置，圖 2 中F是最佳的安裝位置，其次G位置可以作為一個(gè)選擇。如果不考慮風(fēng)、氣溫等要素，H位置也可以安裝輻射觀測(cè)設(shè)備，安裝高度應(yīng)不受煙囪的影響。

（2）風(fēng)傳感器

應(yīng)盡量安裝到船的最高部位，傳感器距船上天線、桅桿的距離不少于它們直徑的 10倍，安裝高度距甲板不低于 2m，對(duì)于大型船只不能滿足此要求時(shí)，可在桅桿兩側(cè)各安裝一傳感器，觀測(cè)時(shí)使用迎風(fēng)一側(cè)的傳感器。

（3）溫濕傳感器

盡量避免熱源和強(qiáng)反射體影響，可借助風(fēng)桿上伸出橫臂，用于安裝溫濕度傳感器，儀器的感應(yīng)部分與甲板的垂直距離應(yīng)在1.5～2.0m之間。

（4）氣壓傳感器

要避開熱源和迎風(fēng)面，避免太陽直射，可以安裝在船舶橫梁、船上實(shí)驗(yàn)室或與其他傳感器一起安裝在桅桿上，但氣壓進(jìn)氣口應(yīng)不受外部風(fēng)和內(nèi)部空調(diào)等氣流擾動(dòng)的影響，也不要直接安裝到甲板上。

（5）降水傳感器

由于受風(fēng)及船舶搖擺的影響，需進(jìn)行相對(duì)風(fēng)訂正，其安裝位置最好和風(fēng)傳感器安裝在同一位置。

（6）精密GPS定位儀

要安裝在風(fēng)桿附近，盡量避開四周金屬物，應(yīng)保持GPS定位天線上方無遮擋。

（7）能見度儀

要盡量安裝到船的中軸線附近，安裝高度距離安裝位置處下方甲板位置應(yīng)不低于 2m，并盡量避免熱源和強(qiáng)反射體影響。

3　結(jié)語

利用船舶作為載體建設(shè)自動(dòng)氣象站，可以實(shí)時(shí)探測(cè)船舶活動(dòng)海區(qū)的氣象要素，特別是備受關(guān)注的海上重要航道沿線區(qū)域和漁業(yè)捕撈作業(yè)區(qū)域內(nèi)氣象資料，這是大幅降低單獨(dú)建設(shè)海洋氣象觀測(cè)站成本、有效獲取海洋氣象資料的重要手段，也是提高重點(diǎn)關(guān)注海洋區(qū)域氣象預(yù)報(bào)服務(wù)質(zhì)量的有力支撐。此文通過對(duì)已建船舶站的運(yùn)行情況、觀測(cè)數(shù)據(jù)與安裝位置周圍遮擋物、船舶類型以及主要活動(dòng)海域等因素的關(guān)系的研究，提出了不同類型船舶站的基本分類、構(gòu)成、儀器布設(shè)原則，為船舶站的建設(shè)和安裝提供參考依據(jù)，也對(duì)船舶氣象觀測(cè)站的有序健康發(fā)展產(chǎn)生影響。

［1］ 李揚(yáng).基于ARM和嵌入式Linux的志愿船自動(dòng)測(cè)報(bào)儀的設(shè)計(jì)與開發(fā)［D］.青島：中國海洋大學(xué)，2008.

［2］ 鄔寬明.CAN總線原理和應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1996：188-189.

［3］ 饒運(yùn)濤，鄒斷軍，鄭通蕓.現(xiàn)場(chǎng)總線CAN原理與應(yīng)用技術(shù)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003：18-19.

［4］ 莊景齊，吳雁.基于CAN總線的溫濕采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.中國科技信息，2009（2）：139-140.

［5］ 牛濤.基于CAN總線的船舶自動(dòng)氣象站的研究［J］.武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2011（6）：22-23.

P415.1

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1005-0582（2015）03-0040-04

2014-12-24

“探測(cè)設(shè)備社會(huì)化保障管理平臺(tái)”（2014sdqxm05）資助

張玉潔（1972—），女，山東煙臺(tái)人，碩士，高級(jí)工程師，主要從事裝備保障及氣象現(xiàn)代化建設(shè)工作。