極地近岸海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的研制及應用

王項南，劉松堂，石建軍，田 川，朱 銳，麻常雷

（國家海洋技術中心，天津300112）

極地近岸海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的研制及應用

王項南，劉松堂，石建軍，田 川，朱 銳，麻常雷

（國家海洋技術中心，天津300112）

目前極地海洋環(huán)境監(jiān)測只能采用船基調(diào)查方式在南極夏季進行，在國家“十一五”863計劃的支持下，設計研制了極地近岸海洋環(huán)境自動監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠對包括溫度、鹽度、深度、pH、有效光合輻照度（PAR）、氧化還原電位（ORP）、葉綠素、海流等在內(nèi)的生態(tài)要素及動力要素進行自動長期監(jiān)測。該系統(tǒng)布放在南極長城站近岸海域，獲得了大量的連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)。文章主要介紹系統(tǒng)組成、結構設計、系統(tǒng)控制和系統(tǒng)通信以及現(xiàn)場試驗情況等。

極地；近岸；海洋環(huán)境；自動監(jiān)測

極地作為地球系統(tǒng)的重要組成部分是全球氣候變化的重要敏感區(qū)和驅動區(qū)。進行極地海洋環(huán)境的監(jiān)測與研究，對于揭示極地海洋環(huán)境的快速變化及其對地球變化的響應與反饋作用具有重要意義。但是受極地惡劣氣候條件的限制，目前對極地海洋環(huán)境的調(diào)查活動主要集中在南極無冰的夏季，采用傳統(tǒng)的船基調(diào)查方式開展。由于海冰的限制，對極地冰下（或水下）觀測手段還很缺乏，無法得到全年連續(xù)的監(jiān)測數(shù)據(jù)。這大大制約了對相關海洋科學過程的深入研究。為了能夠深入了解極地海洋的物理和生物學過程，分析生態(tài)系統(tǒng)與環(huán)境快速變化之間的相關性，以我國南極長城站近海作為試驗區(qū)，研制了一套適用于極區(qū)的站基海洋動力和生態(tài)環(huán)境自動監(jiān)測系統(tǒng)，并分別于2009年11月—2010年1月、2010年11月—2011年1月隨中國第26次、第27次南極考察隊在南極長城站長城灣海域進行了布放和運行。

1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)按功能分為水下測量系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸和供電系統(tǒng)、數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)三部分。水下測量系統(tǒng)對包括溫度、鹽度、深度、pH、有效光合輻照度（PAR）、氧化還原電位（ORP）、葉綠素、海流在內(nèi)的生態(tài)要素及動力要素進行長期連續(xù)監(jiān)測；數(shù)據(jù)傳輸和供電系統(tǒng)即數(shù)據(jù)傳輸和供電電纜，由岸站實驗室引出經(jīng)橋架進入潮間帶預埋管，之后沿著海底連接到水下數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，主要負責岸站到水下測量系統(tǒng)的供電傳輸，并將水下測量系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)傳至岸站實驗室的上位機；數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)由上位機及數(shù)據(jù)采集軟件組成，負責定時從水下測量系統(tǒng)讀取監(jiān)測數(shù)據(jù)（系統(tǒng)示意圖見圖1）。

水下測量系統(tǒng)由剖面測量部分和坐底測量部分組成。剖面測量部分主要由第一層剖面測量單元、第二層剖面測量單元、第三層剖面測量單元組成，其中第一層剖面測量單元、第二層剖面測量單元固定在承重纜上對溫度、鹽度、深度、葉綠素、PAR、ORP和pH七個參數(shù)進行測量，第三層剖面測量單元固定在坐底平臺上對溫度、鹽度、深度三個參數(shù)進行測量。坐底測量部分即測量海流的ADCP，固定在坐底平臺的常平架上。水下測量系統(tǒng)的示意圖如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)示意圖

2 結構設計

系統(tǒng)的結構設計主要包括系留部分及控制艙的設計。系留部分包括坐底平臺、Kevlar承重纜、主浮體、釋放機構、常平架以及系統(tǒng)連接裝置。

2.1 系留部分的設計

2.1.1 坐底平臺

坐底平臺有錨定整個系統(tǒng)、安裝常平架、控制艙、釋放機構等功能。為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定，坐底平臺必須有足夠的重量。但是考慮系統(tǒng)布放和回收的難度，坐底平臺不宜過重。坐底平臺采用“天圓地方”的框架結構，材料選用316L不銹鋼棒。平臺上除了安裝用于固定ADCP的常平架外，還要固定釋放機構、控制艙等。根據(jù)力學計算結果，通過增減錨塊調(diào)節(jié)坐底平臺的沉重。

圖2 水下測量系統(tǒng)示意圖

2.1.2 常平架

常平架又稱萬向環(huán)，由底盤、外轉環(huán)、內(nèi)轉環(huán)、轉軸和連接板四部分組成（見圖3）。本系統(tǒng)中常平架內(nèi)置于坐底平臺的頂部，其上固定ADCP，通過沿兩個垂直的轉軸旋轉保持ADCP豎直工作姿態(tài)。常平架的材料選用316L不銹鋼，其表面進行防腐噴涂處理。

圖3 常平架及ADCP

2.1.3 連接裝置

在系留系統(tǒng)中通過特殊材料加工的卸扣將主浮體、承重纜、測量單元、坐底平臺等依次連接。在主浮體和第一層剖面測量單元之間接入防腐材料制成的轉環(huán)以釋放海流帶給系統(tǒng)的扭矩。

2.2 控制艙的設計

控制艙（見圖4）用來放置控制電路、數(shù)據(jù)采集電路等。控制艙外殼選用耐腐蝕的聚甲醛材料，控制艙的設計考慮了耐壓、密封等問題。同時，由于控制電路放置于艙內(nèi)，故控制艙內(nèi)部結構設計采取了防電磁干擾措施。

圖4 控制艙

系統(tǒng)的結構設計完成后，其水下工作平臺示意圖如圖5所示。

圖5 坐底平臺及其搭載設備

3 系統(tǒng)控制

3.1 控制電路原理圖

系統(tǒng)采用單片機實現(xiàn)測量系統(tǒng)的電源控制和數(shù)據(jù)采集功能。電纜數(shù)據(jù)傳輸采用串行通信的方式，由于是長距離（傳輸距離1 km）傳輸，綜合考慮選用RS485總線實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸。

系統(tǒng)的測量傳感器包括第一層的SBE16-A，第二層的SBE16-B以及底層的SBE37和ADCP。測量數(shù)據(jù)通過雙4通道的模擬開關，再經(jīng)RS232接口芯片進入C8051單片機，然后由RS485接口芯片經(jīng)RS485/RS232轉換器傳輸?shù)缴衔粰C。為了提高數(shù)據(jù)的安全性，對第一層第二層傳感器附加儲存器對測量數(shù)據(jù)實時存儲。數(shù)據(jù)信息的傳輸過程見圖6。

3.2 系統(tǒng)供電

系統(tǒng)采用岸基有纜低壓直流傳輸方式供電，水下部分采用DC-DC電源模塊供電。由于電纜長期暴露在低溫環(huán)境中，要求其具有良好的抗低溫性能。為提高其耐磨性，防止海底對電纜內(nèi)部電源線和信號線造成損傷，外加兩層聚氨酯護套，中間采用鎧裝保護。

圖6 系統(tǒng)電路原理圖

3.3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集

從傳感器到控制艙間的傳輸，考慮到距離較長，第一層和第二層傳感器的數(shù)據(jù)采集采用RS485總線實現(xiàn)傳輸；底層的ADCP和CTD距控制艙較近，采用RS232串口傳輸。

軟件設計方面，根據(jù)數(shù)據(jù)類型和海水層的不同，對第一層和第二層傳感器采集數(shù)據(jù)進行時序設定，將兩層數(shù)據(jù)采集時間錯開，兩層的數(shù)據(jù)采集時間分別為t0和t1（圖7）。底層包括CTD和ADCP兩個傳感器，故也要分時進行數(shù)據(jù)采集（圖8）。

在采集數(shù)據(jù)時序劃分基礎上，進行軟件設計，對各個傳感器的采集數(shù)據(jù)是按照時序順序執(zhí)行，直到最后發(fā)送出去由上位機通過RS232接收，發(fā)送流程如圖9所示。

圖7 第一、二層傳感器數(shù)據(jù)采集時序

圖8 底層傳感器數(shù)據(jù)采集時序

圖9 下位機數(shù)據(jù)打包發(fā)送程序流程圖

4 系統(tǒng)通信

水下測量系統(tǒng)與岸站實驗室內(nèi)上位機之間的數(shù)據(jù)通信過程為上位機定時向水下采集系統(tǒng)發(fā)送采樣指令，水下采集系統(tǒng)接收到采樣指令后分時對各層傳感器單元進行數(shù)據(jù)采集，然后把采集到的各傳感器數(shù)據(jù)打包發(fā)送回上位機，上位機接收并處理數(shù)據(jù)。上位機軟件利用面向對象的編程語言Visual Basic 6.0開發(fā)。

上位機軟件包括三大功能：控制指令的發(fā)送及數(shù)據(jù)接收功能；自動發(fā)郵件功能；數(shù)據(jù)回放功能。前兩個功能為定時自動執(zhí)行，數(shù)據(jù)回放功能為手動執(zhí)行。上位機定時通過串口向下位機發(fā)送控制指令，下位機接收控制指令并依次采集各個傳感器數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)打包以后立即由串口發(fā)送至上位機，上位機接收數(shù)據(jù)包，在上位機軟件界面上顯示各傳感器測量數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)按固定格式分別儲存到指定路徑下的兩個文本文件：一個僅保存當日的采集數(shù)據(jù)；另一個保存所有采集到的數(shù)據(jù)，每次的采樣數(shù)據(jù)都追加保存。上位機自動把保存當日數(shù)據(jù)的文件以附件的形式發(fā)送到指定電子郵箱。

圖10 上位機軟件顯示界面

4.1 控制及數(shù)據(jù)接收功能設計

上位機通過“問答式”對下位機進行控制，上位機向下位機發(fā)送采樣指令，下位機接收到采樣指令后對進行分時采樣，然后把數(shù)據(jù)打包發(fā)回，上位機收到數(shù)據(jù)后進行儲存，同時在上位機軟件界面上顯示最近一次的采樣數(shù)據(jù)。上位機軟件界面如圖10所示。

上位機通過串口與下位機之間進行控制指令及監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸。在程序設計過程中，通過引用或設置MSComm控件的屬性、事件和方法，實現(xiàn)上位機與下位機的串口通信。上位機控制指令的發(fā)送及監(jiān)測數(shù)據(jù)接收流程如圖11所示。

上位機開始工作后，到達時間點后向下位機發(fā)送采樣指令，下位機開始將采樣數(shù)據(jù)包傳輸至上位機，接收完成后，上位機界面顯示各傳感器測量數(shù)據(jù)。采樣數(shù)據(jù)同時被保存為文本文件，如圖12所示。

圖11 控制及數(shù)據(jù)接收功能流程

4.2 自動發(fā)郵件功能設計

自動發(fā)郵件功能是定時把當日數(shù)據(jù)文件發(fā)送至指定郵箱。這樣科研人員能夠及時方便地獲取南極長城灣海域生態(tài)環(huán)境及動力要素的監(jiān)測數(shù)據(jù)。自動發(fā)郵件流程如圖13所示。

圖12 采樣數(shù)據(jù)在文本文件中的保存形式

圖13 自動發(fā)郵件功能流程

4.3 數(shù)據(jù)回放功能設計

上位機軟件將數(shù)據(jù)保存后，不能直觀查看某一傳感器測量值的變化趨勢。數(shù)據(jù)回放功能把各個測量值單獨繪制隨時間變化曲線，便于查看其隨時間的變化趨勢。選擇單日數(shù)據(jù)文件進行數(shù)據(jù)回放時，繪制當日數(shù)據(jù)曲線；選擇總的數(shù)據(jù)文件進行數(shù)據(jù)回放時，可以查看各個選定時間段內(nèi)的數(shù)據(jù)曲線。數(shù)據(jù)回放流程如圖14所示。

利用微軟MSChart控件繪制數(shù)據(jù)曲線圖。添加MSChart對象以后，通過 ChartType，Title，F(xiàn)ootnote，Plot等屬性對圖表類型和外觀顯示等信息進行設置。采樣數(shù)據(jù)按照圖12中的格式進行保存，把各傳感器數(shù)據(jù)從各次采樣的數(shù)據(jù)中提取形成一個按采樣時間排列的數(shù)組，再將數(shù)組賦值給MSChart對象的ChartData屬性繪制出對應傳感器數(shù)據(jù)的曲線圖。數(shù)據(jù)提取過程如圖15所示。

圖14 數(shù)據(jù)回放流程

圖15 提取傳感器數(shù)據(jù)流程

5 現(xiàn)場試驗

現(xiàn)場試驗的目的是要考核系統(tǒng)在南極環(huán)境中工作的可靠性，獲得長期監(jiān)測數(shù)據(jù)。2009年11月—2010年1月，2010年11月—2011年1月隨中國第26次、第27次南極科學考察隊赴中國南極長城站進行了系統(tǒng)的現(xiàn)場試驗。

第一次現(xiàn)場試運行以及第二次現(xiàn)場試驗期間，該系統(tǒng)一直工作穩(wěn)定。現(xiàn)場試驗結果表明系統(tǒng)能夠按照設計要求正常工作，水下測量系統(tǒng)到上位機的通訊正常，測量數(shù)據(jù)經(jīng)上位機軟件打包后能夠通過郵件形式在每天指定時間發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)上。

6 結論

極地近岸海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)是目前為止南極近岸海域唯一的自動連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)。使用期間，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，并連續(xù)獲得了數(shù)萬組有效數(shù)據(jù)。現(xiàn)場試驗表明該系統(tǒng)是克服南極惡劣環(huán)境、替代人工進行極區(qū)海洋環(huán)境監(jiān)測的有效嘗試。極地近岸海洋環(huán)境監(jiān)監(jiān)測系統(tǒng)的研制成功及業(yè)務化運行，不僅可以為極地海洋科學工作者提供連續(xù)的極區(qū)監(jiān)測數(shù)據(jù)，對深入研究極地海洋環(huán)境變化乃至于氣候變化都具有重要的科學意義。

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[7]Scavia D Sissenwine， McPhaden J J.NOAA′s Ocean Observing Programs[J].Oceanography,2003,16(4):61-67.

[8]Group on Earth Observations(GEO).http://earthobservations.org/

[9]Global Earth Observation System of Systems Tools.U.S.Environmental Protection Agency.http://www.epa.gov/geoss/eos/epa_eos.html

[10]The Global Observation System of Systems(GEOSS)10 Years Implementation Plan.http://www.earthobservation.org/

Development and Application of the Polar Coastal Marine Environment Monitoring System

WANG Xiang-nan,LIU Song-tang,SHI Jian-jun,TIAN Chuan,ZHU Rui,MA Chang-lei
（National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China）

Aimed at the limitation that the polar marine environment monitoring can only be carried at summer based on ship presently,a polar coastal marine environment monitoring automatic system has been developed sponsored by the Eleventh Five-year“863” project.The system could automatically monitor the parameters including C,T,D,pH,PAR,ORP,CHL,current continually.The system has been deployed in the coastal area at the Great Wall station of China.A large amount of continue monitoring data have been acquired.The system composition,machinery design,system controlling and system communication have been introduced.

polar;coastal;marine environment;automatic monitoring

P714

B

1003-2029（2011）02-0035-06

2011-03-22

國家高技術研究發(fā)展計劃（863計劃）資助項目（2007AA09Z121）