曹澤祥，徐軼群,2

（1.集美大學(xué) 輪機工程學(xué)院，福建 廈門 361021；2.福建省船舶與海洋工程重點實驗室，福建 廈門 361021）

0 引 言

海洋數(shù)據(jù)包羅萬千，其背后隱藏了極為豐富的有效信息，但由于對海量海洋數(shù)據(jù)的采集和分析手段較少，人們很難準(zhǔn)確地獲取隱藏信息和規(guī)律。當(dāng)下迫切需求一種低成本、高精度、覆蓋領(lǐng)域廣的組網(wǎng)和監(jiān)測方法來采集并分析海量海洋數(shù)據(jù)。近年來，隨著我國構(gòu)建海洋命運共同體等海洋強國戰(zhàn)略的實施，海洋監(jiān)測技術(shù)在海洋領(lǐng)域逐漸得到廣泛的應(yīng)用。

吳迪等人利用新型半潛式無人艇進(jìn)行海洋環(huán)境監(jiān)測，通信方式采用全球定位系統(tǒng)以及北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的組合系統(tǒng)，利用電子羅盤提供高精度位置和艏向信息。李涼海等人采用SAR衛(wèi)星的組網(wǎng)觀測使海上動態(tài)目標(biāo)遙感跟蹤監(jiān)測成為可能，實現(xiàn)了船只從傳統(tǒng)的單星檢測到跟蹤的跨越。耿銘晨等人采用將ZigBee通信與GPRS相結(jié)合的技術(shù)方法，構(gòu)建了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。高詩堯等人基于BDS開發(fā)應(yīng)用于海域環(huán)境監(jiān)測浮標(biāo)的定位通信裝置。楊軍平等人利用基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)對海洋環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測。陳洪濱等人借助一種基于太陽能無人艇構(gòu)建的新型高智能化海上氣象水文觀測系統(tǒng)進(jìn)行天氣和海洋環(huán)境預(yù)報。陳慧蓉等人采用基于GIS的船載海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)對海洋生態(tài)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測。張娜等人采用ZigBee技術(shù)搭建水質(zhì)監(jiān)測服務(wù)平臺，將監(jiān)測數(shù)據(jù)通過ZigBee傳輸?shù)街鳈C，使用手機APP或Web遠(yuǎn)程監(jiān)控每臺設(shè)備的數(shù)據(jù)。

為了有效實現(xiàn)海域水動力數(shù)據(jù)可視化及小尺度海域環(huán)境監(jiān)測，本文應(yīng)用窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在一定海域內(nèi)構(gòu)建基于LoRa通信方式的水面無線自組網(wǎng)絡(luò)。為了驗證本文方法的有效性，以九龍江口海域為研究區(qū)域，建立水動力學(xué)仿真模型；并在九龍江海域投放大量可隨潮流運動的帶北斗定位功能的微型浮標(biāo)，對海域水面水動力學(xué)參數(shù)進(jìn)行采集，最后對仿真數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析模擬。

1 水面自組網(wǎng)架構(gòu)簡述分析

系統(tǒng)基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立水面快速自組網(wǎng)，該網(wǎng)絡(luò)是在Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)、無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上利用自組網(wǎng)特性結(jié)合水面的復(fù)雜環(huán)境、多樣的數(shù)據(jù)構(gòu)成。構(gòu)成自組網(wǎng)的硬件采用多種適應(yīng)水面數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)發(fā)、傳輸?shù)脑O(shè)備。水面快速自組網(wǎng)無線通信采用低頻段系列，以420～450 MHz為標(biāo)準(zhǔn)參考頻段?？赏ㄟ^調(diào)節(jié)擴頻因子、錯頻因子等來調(diào)節(jié)通道。本文采用的是433 MHz頻段。

如圖1所示，水面快速自組網(wǎng)包括低頻自組局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)。其中低頻自組局域網(wǎng)是由岸基基站、船載基站、微型浮標(biāo)、無人機便攜式基站構(gòu)成，通過數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃惴ê鸵?guī)則實現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效采集和傳輸。廣域網(wǎng)由衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)、GPRS、有線網(wǎng)絡(luò)組成，與低頻自組局域網(wǎng)形成綜合性組網(wǎng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)在相應(yīng)海域環(huán)境下無死角覆蓋地實時傳輸。

圖1 組網(wǎng)模擬圖

系統(tǒng)整體架構(gòu)可分為傳感層、通信層、應(yīng)用層三個層面，如圖2所示。

圖2 水面自組網(wǎng)架構(gòu)

傳感層：由微型浮標(biāo)、船基基站、岸基基站、無人機便攜式基站組成。微型浮標(biāo)可攜帶不同傳感器，包括溫度、PH值、鹽度、溶氧量等傳感器，可以采集海洋數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)酱?、岸基基站以及無人機便攜式基站。

通信層：主體由LoRa自組網(wǎng)構(gòu)成，通過基站、采集網(wǎng)關(guān)等數(shù)據(jù)采集裝置采集傳感層的傳感數(shù)據(jù)，并通過最優(yōu)路徑上傳數(shù)據(jù)。由LoRa自組網(wǎng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)最終通過公共網(wǎng)（衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)、以太網(wǎng)絡(luò)、GPRS網(wǎng)絡(luò)等）將數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器。通過水面自組網(wǎng)絡(luò)相關(guān)設(shè)備達(dá)到數(shù)據(jù)在海洋、陸地、天空無縫鏈接，并實現(xiàn)自動、快速、高效的LoRa自組網(wǎng)以及衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的綜合性組網(wǎng)。

應(yīng)用層：本文使用的自組網(wǎng)系統(tǒng)可以應(yīng)用到海洋漂浮垃圾監(jiān)測、溢油監(jiān)測等方面。

2 水動力學(xué)模擬仿真及試驗

為了使海洋數(shù)據(jù)采集試驗更科學(xué)，首先對廈門島海域進(jìn)行海洋水動力仿真建模，在仿真模型的基礎(chǔ)上開展海洋數(shù)據(jù)采集試驗。

2.1 海洋水動力學(xué)仿真建模

本文基于區(qū)域海洋動力模式ROMS（Regional Ocean Modeling System）對測試海域進(jìn)行模擬仿真。

ROMS模式可以與大氣模式等進(jìn)行耦合計算，也可以單獨進(jìn)行海洋模式計算。它是一個自由海面、三維以及在地形的基礎(chǔ)上跟隨坐標(biāo)的非線性斜壓原始方程模式，在水平方向使用曲線的Arakawa C網(wǎng)格，垂直方位采用跟隨地形、可伸縮的S坐標(biāo)系統(tǒng)，它的獨特之處在于能夠根據(jù)研究的需求采用不同的坐標(biāo)來轉(zhuǎn)換函數(shù)以及拉伸函數(shù)最終實現(xiàn)垂向加密。

ROMS能夠提供多種原始方程中各項的離散方案、多種水平擴散和垂向混合方案以及邊界處理方案，這得益于其基于模塊化設(shè)計，它能夠與多種模塊耦合，例如大氣、生態(tài)、海浪以及沉積物運輸?shù)?，這使它能夠滿足不同研究的需要。ROMS模式的構(gòu)造原理如下。

笛卡爾坐標(biāo)系下的原始方程為：

平流擴散方程控制標(biāo)準(zhǔn)濃度場(,,,)（鹽度、溫度等）隨時間變化的方程為：

狀態(tài)方程為：

在浮力垂直動量方程中考慮到密度變化，在靜水近似中假設(shè)垂直壓力梯度平衡浮力為：

其中：=(,,)代表流速向量；代表水的局部密度；代表海水溫度；代表海水鹽度；代表海水壓力；ρ代表海水的參考密度；代表科氏參數(shù)；代表重力加速度；代表動力壓力；(D,D,D)代表對應(yīng)變量的耗散項；(F,F,F)代表施加的強迫項。

不可壓縮流體的連續(xù)方程為：

則垂直邊界條件的頂部邊界條件為：

熱力學(xué)邊界條件為：

其中：K、K分別代表溫度和鹽度的擴散系數(shù)；Q代表海表面熱通量；-代表淡水通量；代表海面參考溫度；Q代表海面溫度的函數(shù)。

海表面垂向運動的邊界條件為：

垂直邊界條件的底部邊界條件如下。

動力學(xué)邊界條件為：

熱力學(xué)邊界條件為：

海底垂向運動的邊界條件為：

ROMS模型存在多種邊界條件，包括開邊界條件、閉合邊界條件、定期邊界條件等。設(shè)置邊界條件需要提供邊界條件點的值，既可使用解析表達(dá)式計算，又可直解。

本文中模型區(qū)域包括117.90～118.20°E、24.35～24.65°N。模型的水平網(wǎng)格分辨率為200 m，垂向分為10層。

模型的開邊界驅(qū)動方式以8個主要分潮（M2，S2，N2，K2，K1，O1，P1，Q1）的潮流進(jìn)行，其中各分潮的調(diào)和數(shù)據(jù)采用Oregon大學(xué)OTPS模式下的潮汐調(diào)和常數(shù)。

由于廈門灣的水深較淺，水體性質(zhì)呈現(xiàn)垂向均勻，因此采用ROMS中的二維模塊進(jìn)行模擬，將問題簡化為二維的淺水模式，其控制方程組如下。

（1）垂向平均的動量方程組為：

（2）垂向平均的連續(xù)性方程為：

其中：、為和方向的垂向平均流速分量；=+，為水位，為平均水深，為總水深；為科氏參數(shù)；A為水平方位的渦動粘滯系數(shù)；τ=-||為底部摩擦應(yīng)力，為摩擦系數(shù)。

2.2 九龍江口泥沙沉積追蹤測試

在廈門灣九龍江口有大量漂浮垃圾流向鼓浪嶼海域，這也反映出了九龍江口泥沙的流向。為了繼續(xù)追蹤九龍江口泥沙流動軌跡，選擇在臨近鼓浪嶼的海滄大橋下投放微型浮標(biāo)。配置2個岸基基站，分別放置于廈門象嶼五金機電物流中心附近，坐標(biāo)為（118.10°E，24.54°N）；廈門杏?xùn)|公園附近，坐標(biāo)為（118.05°E，24.56°N）。微型浮標(biāo)的投放位置位于廈門海滄大橋附近，如圖3所示。

圖3 九龍江口泥沙沉積追蹤測試

2.3 分析

在仿真模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行海洋數(shù)據(jù)采集試驗，試驗過程中發(fā)現(xiàn)，在海滄大橋附近投放微型浮標(biāo)后，漲潮過程中微型浮標(biāo)隨海流漂浮，途經(jīng)紅嶼和寶珠島，至杏林高浦村海域后大部分浮標(biāo)速度趨于0 m/s并停滯于此，小部分浮標(biāo)伴隨退潮折返，說明此處水流速度變慢，泥沙隨即沉積。根據(jù)衛(wèi)星圖像顯示，發(fā)現(xiàn)在杏林高浦村附近海域灘頭較高，有大量泥沙沉積，這說明來自九龍江口的海水?dāng)y帶大量泥沙隨著潮流運動，沉積于杏林高浦村附近海域，這與測試結(jié)果所反映的情況比較吻合。

3 結(jié) 語

本文應(yīng)用窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，選用433 MHz頻段，構(gòu)建一定海域的無線水面快速自組網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)是在Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)、無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上利用自組網(wǎng)特性結(jié)合水面的復(fù)雜環(huán)境、多樣的數(shù)據(jù)構(gòu)成，硬件采用多種適應(yīng)水面數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)發(fā)、傳輸?shù)脑O(shè)備，以此實現(xiàn)海洋環(huán)境的智能監(jiān)測。通過在九龍江口海域投放微型浮標(biāo)，大量采集海洋數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)可視化，與模擬仿真相結(jié)合，可以得到該海域精細(xì)化水動力學(xué)模型。試驗結(jié)果表明，利用無線水面自組網(wǎng)采集海域水動力學(xué)參數(shù)的方法是有效的，該方法組網(wǎng)速度快、可靠性強、覆蓋范圍廣，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)在一定尺度的海洋環(huán)境下無死角最優(yōu)路徑傳輸，最終實現(xiàn)海洋數(shù)據(jù)經(jīng)濟(jì)有效地實時共享，對于海洋環(huán)境監(jiān)測和海洋資源的開發(fā)利用具有應(yīng)用價值。