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(dòng)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(jià)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(jì),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(tái)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(tái)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(jì)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(tái)[13-14]。針對這一薄弱環(huán)節(jié),國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃支持了“基于固定平臺(tái)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(tái),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。
錨泊式海上試驗(yàn)平臺(tái)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(tái)錨泊海域的海洋資源及試驗(yàn)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)。
圖1 錨泊式海上試驗(yàn)平臺(tái)
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(tái)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?cái)D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(tái)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(tái)統(tǒng)計(jì),平臺(tái)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。
錨泊式海上試驗(yàn)平臺(tái)布放位置水深69 m,距離最近碼頭約3.7 km。平臺(tái)參數(shù)如表1所示,結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)平面圖
表1 平臺(tái)主要參數(shù)
(1)試驗(yàn)空間:平臺(tái)設(shè)面積不小于20 m2的一個(gè)休息室和三個(gè)試驗(yàn)室,同時(shí),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(jì)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(tái)配有1臺(tái)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(tái)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(tái)的升降操作。搭載平臺(tái)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(tái)配備柴油發(fā)電機(jī)2臺(tái),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(tái)處于移動(dòng)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(tái)安裝紅外視頻監(jiān)測系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)平臺(tái)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)錨泊式海上試驗(yàn)平臺(tái)為鋼制漂浮式綜合試驗(yàn)平臺(tái),采用雙浮體船型,具有較好的抗風(fēng)浪性能。在平臺(tái)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(tái),可以同時(shí)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(tái)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(shí)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(shí)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(shí),較好的降低試驗(yàn)成本。
潮流能發(fā)電裝置海上試驗(yàn)依托于海上試驗(yàn)平臺(tái),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(tái)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(tái)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(tái)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(tái)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(tái)周圍布設(shè)波浪騎士浮標(biāo)、水下座底式觀測平臺(tái)、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(shí)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(shí)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(chǔ)以及顯示相應(yīng)監(jiān)測數(shù)據(jù),自動(dòng)生成報(bào)文、月報(bào)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(tái),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(jì)框圖
CTD作為一種常用長時(shí)間序列監(jiān)測的海洋儀器設(shè)備,依托海上試驗(yàn)平臺(tái)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(tái)。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(tái),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(shí)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(shí)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
有纜海洋儀器設(shè)備能夠給科研工作者提供實(shí)時(shí)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(tái),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(tái),同時(shí)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(tái)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(tái),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(tái)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(tái)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(shí),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(shí)長期、連續(xù)測試。該方式需要在錨泊式海上試驗(yàn)平臺(tái)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(shí)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(tái)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(shí)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(tái)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(tái)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(tái)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(tái)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(tái),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(shí)、連續(xù)的測試。
錨泊式海上試驗(yàn)平臺(tái)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(gè)國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目已在試驗(yàn)場區(qū)依托海上試驗(yàn)平臺(tái)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(tái)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。