波浪能、潮流能海上試驗場現場監測系統設計

楊 磊，王項南，王 鑫，李 彥，吳 迪，路 寬，周 達

（國家海洋技術中心，天津 300112）

在海洋能裝置實海況試驗的前期，需對試驗海域的海洋能資源狀況、水文氣象環境以及海底底質等進行較長時間的調查，這將耗費大量的人力物力，大大增加了海洋能裝置實海況試驗的實驗成本與試驗周期。因此，在試驗場設計并安放一套系統的現場監測設備是解決這一問題的最有效途徑。

目前，國內外開展了許多不同目的、不同環境的觀測網絡技術研究，例如加拿大的“海王星”海底觀測網[1]，通過海底光纜連接安裝在海底的儀器設備，進行實時、連續的觀測，并通過光電纜將觀測信息傳回陸地實驗室；日本伊豆半島海域鋪設的實時海底觀測網[2]，即地震-海嘯觀測監測系統（DONET），由20個觀測點密集展布，各觀測點都設置有寬頻帶地震儀、強震儀、高精度水壓儀、壓差儀、水中地震檢波器、溫度計等傳感器，對日本東南海域地震源區進行測量；美國海洋研究領導委員會制定建立的永久性海洋觀測系統（IOOS），計劃將分屬各涉海部門的現有觀測系統集成為一個面向全美的綜合性海洋觀測系統[3]。我國在渤海、東海和南海也開展了立體監測系統的示范試驗[4-5]，并制定了研究方法[6]。

在海洋可再生能源專項的支持下，國家海洋技術中心開展了全國首個波浪能、潮流能海上試驗場的選址論證及設計建設，根據試驗場需求和場區環境條件開展了試驗場監測系統的設計和研制。本文提出的波浪能、潮流能海上試驗場現場監測系統，將極大方便海洋能發電裝置的海上試驗。

1 系統總體設計

1.1 需求分析

國內大部分波浪能、潮流能發電裝置要求試驗場區海面開闊，無島礁與大型海上構筑物的遮擋，底質平坦少巖石，同時波浪能、潮流能資源儲量豐富。針對這些裝置的要求，確定了成山頭波浪能、潮流能試驗場，場區位于成山頭至龍須島離岸1.5 km，面積約7.0 km2的區域。該區域地質結構穩定，海底相對平緩，沉積物以粉砂為主。表1列出了波浪能和潮流能發電裝置對環境的要求與備選場區環境條件對比。

表1 波浪能、潮流能裝置對環境要求和備選場區環境條件對比

本文提出的現場監測系統可測量波浪、表層流、剖面流等能量相關參數，同時其測量的風、溫濕、潮位等參數也直接影響發電裝置的運行環境。

1.2 系統組成

根據試驗場的環境條件和發電裝置對監測要素的需求，設計試驗場現場監測系統的總體結構包括岸站水文氣象觀測系統、波浪騎士、中型多參數監測浮標和大型海洋資料浮標，各子系統的測量數據由岸上的數據庫統一存儲管理，并可通過電信專線遠程訪問。

圖1 試驗場現場監測系統組成圖

2 岸站水文氣象觀測系統設計

岸站觀測系統可長期監測試驗場區的潮汐、溫鹽、風速、風向、氣溫、氣壓、溫度、相對濕度等參數。該系統依托海洋站，采用最新型的XZY3型自動觀測系統，對數據的采集、處理和存儲完全符合《海濱觀測規范》（GB/T 14914-2006）的要求。岸站系統由氣象子系統、水文子系統和數據處理控制子系統三部分組成，還包括通信模塊與供電模塊，如圖2。

2.1 主要功能及技術指標

2.1.1 氣象子系統子系統自動采集、處理和存儲風速、風向、氣溫、氣壓和降水量數據，向數據處理控制子系統傳輸數據。

2.1.2 水文子系統

子系統自動采集、處理和存儲表層水溫、表層鹽度和潮汐數據，向數據處理控制子系統傳輸數據。

圖2 岸站系統框圖

表2 系統測量要素、范圍和準確度

2.1.3 數據處理控制子系統

子系統自動接收、處理、存儲、顯示各子系統傳來的數據；自動生成報文、月報表等文件，并將數據傳入數據傳輸網。

2.1.4 測量要素、范圍和準確度

測量參數技術指標如表2所示。

2.2 監測系統設計

氣象參數通過設立在岸站上的高性能傳感器進行測量，潮位和表層溫鹽等水文參數通過岸站配置的“驗潮井”和“溫鹽井”測量。測得數據通過數據采集器分類，傳輸給數據中心，其集成方式是由安裝在值班室的工控機采用專線方式連接各子系統。

風速傳感器采用WS425A型超聲風傳感器，其加熱功率可達到150 W，保證在室外寒冷環境不出現凝露、凍結等情況；三變換探頭避免了風向變換對數據精度的影響；數據通信采用專用光纜，保證數據傳輸可靠。

溫度、相對濕度傳感器采用HMP155A型傳感器，該傳感器外殼為聚碳酸酯材料，外殼防護等級為IP66，可有效防止灰塵進入傳感器內部，并具有良好的防濺水性能。內部相對濕度傳感器為HUMICAP 180R，這種聚合電容薄膜傳感器測量準確度高，使用壽命長。

降水量由VRG101型雨量計測量，可在全天候條件下使用，在傳統雨量計效果不佳的最惡劣的氣象環境下，也能有效測量降水情況。

氣壓傳感器采用PTB210氣壓傳感器，外殼采用IP65保護，防水濺。

水位計選用VE211254雷達水位計，表層溫鹽儀選用ACTW-RS型溫鹽儀。

2.3 數據采集通信與處理系統設計

由測量儀器、氣象子系統數據采集器、水文子系統數據采集器和數據處理控制子系統構成了岸站系統數據實時傳輸鏈路，數據通信采用專用電纜形式，保證了數據傳輸的可靠性。氣象子系統和水文子系統每隔1 h采集一組數據并通過數據實時傳輸鏈路將最新數據傳送回值班室的數據處理控制子系統。

各子系統的數據采集器可對各個測量儀器測得數據進行存儲，同時數據處理控制子系統存儲并處理各子系統傳輸的數據。這種在采集端和終端均進行數據存儲，互為備份的方式可保證測量數據的完整性。

數據處理控制子系統由ASC-2428P工控機實現實時測量儀器控制與數據處理，并通過監測系統軟件實時顯示當前全部測量數據的時間序列圖，同時對接收的數據進行初步質量控制，內容包括剔除粗大誤差、測量值上下限檢查、時間連續性檢查、傳感器不變性檢查等。這種方式可提高測量數據的質量，保證分析結果的有效性。

2.4 供電模塊設計

岸站系統的供電采用系統供電和太陽能供電雙備份的供電方式，輔以一定容量的蓄電池組，保證采集系統的正常工作和采集數據的完整性。選用的ZYG4型電源由蓄電池、充電控制器、太陽能電池板和機箱組成，電池容量100 Ah。

3 波浪騎士

波浪騎士是波高和波向測量的世界標準。它具有精確的穩定平臺傳感器，采用一個加速度計測量波高。在波向方面，直接測量縱橫搖而不需積分。

3.1 系統組成

系統的基本組成包括：浮標體、Datawell穩定平臺傳感器、3D磁通量羅經、X/Y加速度計、溫度傳感器、512 MB閃存盤、LED閃光燈、GPS、高頻發射器、太陽能供電系統、雷達反射器和電池。

3.2 主要功能及技術指標

（1）實時波高測量，每0.5 h向岸站輸出波高和波向譜數據；

（2）高頻通信范圍高達50 km，可覆蓋整個試驗場區；

（3）配有GPS，可實時測定浮標位置，并通過遠程控制軟件觀測；

（4）大容量電池可在所有波浪條件和天氣環境下安全可靠地連續工作1 a，無需更換；

表3 波浪騎士測量參數分辨率及精度

（5）原電池系統結合太陽能板，可以使工作時間延長至少100%；

（6）測量參數技術指標如表3所示。

4 中型多參數監測浮標設計

中型浮標系統通過搭載的傳感器進行各種環境參數的測量，由浮標數據采集處理控制系統完成數據采集、處理、存儲、傳輸和過程控制，數據由通信系統發射到岸站接收，以完成海洋環境參數的現場測量和實時數據傳輸。

4.1 系統組成

圖3 浮標系統的組成框圖

浮標系統的基本組成：浮標體及系留系統、監測系統、數據采集處理控制系統、通信系統、供電系統和岸站的數據接收處理部分如圖3所示。

4.2 主要功能及技術指標

（1）標體直徑：2.4 m；

（2）水表儀器安裝井：4個；

（3）最大搖擺角≤35°；

（4）錨系方式：單點系留；

表4 中型多參數綜合監測浮標使用環境

（5）數據通信：CDMA通信，北京時間正點采集；

（6）數據接受率：正常情況下（指布放站位具備良好的通信信號），全年數據平均有效接收率≥95%；

（7）海上連續工作時間：1 a；

（8）浮標使用的環境參數如表4所示。

4.3 浮標體及系留系統設計

標體采用圓盤型泡沫材料，既具備圓盤形浮標隨波性好、儲備浮力大、抗惡劣環境能力強的特點，同時下部的收縮圓臺保證了浮標能較好地保持垂直姿態和穩性，減少搖擺對數據傳輸和參數測量的影響。

標體主要由上壓板、儀器艙、浮體和支撐座組成。上壓板為圓形高強度鋁板，其四周設有4個圓孔。儀器艙為一個密封圓筒，底部設有蓄電池固定裝置，其上部設有波浪傳感器安裝基座；儀器艙兩側設有電源控制系統和數據采集控制系統的固定座，頂端設有艙蓋。浮體由不吸水閉胞彈性泡沫材料制造，外表面噴涂聚脲彈性材料，內有合金骨架，增強浮體的強度，使浮體具有良好的抗擠壓和撞擊能力，重量輕，便于安裝及維護。為增加浮標的穩性，在浮標體下方設計一個支撐座，由鋼質材料的圓管連接組成一個支架來支撐浮標。

圖4 2.4 m 浮標體結構示意圖

標體上部的塔架由高強防銹鋁合金型材構成，基架上部配有儀器安裝平臺，可用于安裝風傳感器、通信天線、航標燈、避雷針等。太陽能電池板緊貼標體甲板安裝，減小了風阻力對浮標垂直向上姿態的影響。具體的結構示意圖如圖4所示。

系留系統為單點系泊，錨系結構為半拉緊式。系留系統由包塑鋼絲繩、轉環、連接件、錨鏈、錨等組成。它的作用是提供一個穩定的系泊力，使系統能夠在惡劣的海洋環境中長期系泊定位，不走錨，不斷纜。

整個浮標采用模塊設計，塔架、儀器艙、浮體、支撐座和錨系各自獨立，為浮標的運輸、布放和后期維護提供了便利。

4.4 監測系統設計

監測系統由3部分組成：

（1）搭載在浮標上部塔架的氣象子系統用于測量海上風速、風向、氣溫、相對濕度、氣壓等數據。風速風向傳感器采用我中心生產的XFY3-1B型傳感器，其風速測量用螺旋槳帶動六磁極轉動，感應出交流正弦波信號，頻率與風速成正比，風向測量用精密導電塑料電位器，尾翼轉動時，電位器輸出與風向對應的直流電壓。相對濕度、溫度測量使用41382型傳感器，其相對濕度采用高精度的電容式傳感器，溫度采用RTD鉑電阻傳感器。氣壓傳感器采用61202型傳感器。

（2）儀器艙以及錨系上安裝的波浪傳感器、溫鹽傳感器和海流計用于測量表層溫鹽、表層海流、波浪、剖面溫鹽和剖面海流等水文參數。波浪測量采用SBY1-1型波浪傳感器，該儀器使用先進的三軸加速度計與數字積分算法，精度高、可靠性高、穩定性好、功耗低。海流表層測量采用Nortek“小闊龍”聲學多普勒流速儀，海流剖面測量采用聲學多譜勒剖面海流計RDCP600。表層溫鹽和剖面溫鹽的測量采用國家海洋技術中心生產的SZC15-2IM感應傳輸式溫鹽深傳感器，傳感器由溫度探頭、三電極電導池、數據采集板、感應耦合數據傳輸模塊組成。

（3）塔架上安裝的TCM2.5傾斜補償式3軸羅盤可用于測定浮標方位。

具體測量參數技術指標如表5所示。

4.5 數據采集處理與控制系統設計

浮標系統可對傳感器和電源設備進行檢測，并利用檢測器完成對數據采集處理控制系統的初始化設定。數據采集處理控制系統在預定的時間內，給傳感器加電，指示傳感器開始進行測量，傳感器測量結束后，自動把測量數據傳輸給數據采集控制系統。隨后，系統按規定的時序和時間給處理模塊加電，處理數據，計算各平均值、特征量，并存儲數據處理結果，按格式組織編排報文。最后，給發射模塊加電預熱，到規定的時間將處理模塊組織的數據發射至岸站，完成了一次數據的采集處理與傳輸。工作流程如圖5所示。

空閑時數據采集控制系統僅有值班電路工作，其余部分關閉，傳感器每采集完一次數據就會切斷電源，同樣數據處理和數據發射過程結束之后也會切斷相應模塊的電源。這樣設計可以有效降低功耗，延長系統電池使用壽命。

4.6 通信系統設計

浮標系統在數據采集處理完成后，將數據和浮標狀態參數傳送至岸站。監測數據采用實時存儲，定時發送方式；數據采集周期為1 h，數據通信時間為每小時的正點，每小時發送一次。同時考慮浮標主要工作在近岸海域，因此在通信方式上采用目前國內比較成熟的CDMA通信網絡。CDMA通信工作在800 MHz頻段，可以使用較短天線，便于浮標設計，同時我國近岸和島嶼上通常建有基站，CDMA通信方式基本可以覆蓋50 km海域。

表5 中型浮標測量要素、范圍和準確度

圖5 數據采集處理控制系統工作流程圖

4.7 供電系統設計

為確保浮標系統在較惡劣海況下能夠連續、可靠地工作，供電系統由高容量、高質量、體積小、可充電的蓄電池和太陽能電池板組成。蓄電池放置在儀器艙內，太陽能電池板安裝在浮標塔架周圍。太陽能電池板為蓄電池充電，保證蓄電池為浮標上各種電氣設備的供電。綜合考慮浮標搭載儀器及數據采集通信設備的功耗，共需4塊60 W太陽能電池板為4塊200 Ah的蓄電池充電。供電系統組成如圖6所示。

圖6 供電系統組成

5 大型海洋資料浮標設計

大型海洋環境監測浮標標體直徑為10 m、全錨鏈、單點系泊，用于測量試驗場平均風速、平均風向、瞬時最大風速、氣壓、氣溫、相對濕度、波高、波周期、波向、多層水溫、鹽度、海流剖面、水質和濁度等海洋環境參數。浮標采用低功耗微機控制，對各觀測項目進行數據采集、處理后，將數據通過衛星通信系統實時傳輸給岸站。

5.1 主要功能及技術指標

浮標每天整點工作8次，當風速或波高超過某一閥值時，則自動加密觀測改為每小時工作1次，超限值可人工設置；與岸站實時通信，數據接受率≥95%；海上連續工作時間不少于2 a。

浮標體主尺寸及參數：

頂面直徑：10 m；底面直徑：6.5 m；排水量：約51 t；吃水：0.95 m；型深：2.2 m；穩性衡準數>1.6；自搖周期<3.0 s；拖曳速度：8 kn。

5.2 結構設計

浮標采用單點系泊方式，錨泊系統為全鏈式錨系。錨系在現代的錨系技術發展基礎上進行了優化設計,并考慮了水下儀器的吊掛及收放。浮標體設有ADCP海流計井、溫鹽鏈投放井以及潮位傳感器安裝井,浮標的上層部分為適應多層氣象參數觀測要求進行設計,并充分考慮了浮標的穩性、強度和安全要求。浮標結構圖如圖7所示。

圖7 浮標結構圖

5.3 數據采集與通信系統設計

數據采集處理系統采用PC/104總線、INTEL CPU完成對各種傳感器和通信設備的數據采集、發送、接收及加斷電控制，采用PCMCIA存儲卡作為浮標非實時數據的存儲設備。采用Inmarsat-C衛星通信方式,保證實時資料的有效接收率可達到95%以上。數據傳輸內容包括有效波高、1/100最大波高、有效波周期、最大波周期、瞬時最大風速、10 min平均風速、風向氣溫、氣壓、水溫、艙溫、方位表層流速、流向錨燈狀態、門警、水警、電池電壓等要素。

5.4 供電系統設計

供電系統采用太陽能電池配合大容量免維護蓄電池的電源組合方式。單一直流供電，電壓范圍：14 V±2 V。設備總功耗日耗電不大于60 Ah。

6 海上應用

本文設計了一套由多個監測系統組成的多參數立體海洋環境監測系統，該系統布放于我國首個波浪能、潮流能試驗場，試驗場區選址在成山頭海域，波浪能、潮流能資源儲量豐富。

系統在設計上充分考慮了試驗場的水文、氣象條件，可以長期有效地監測試驗場區的海洋環境參數，尤其是波浪和潮流兩個能源相關參數，以及會對波浪能、潮流能發電裝置試驗與使用產生影響的環境參數，為試驗場正常運行提供保障。

7 結論與展望

本文對波浪能、潮流能海上試驗場現場監測系統中各項關鍵技術進行了深入研究，設計了一套適用于試驗場環境條件的多參數多子系統的現場監測系統。系統具有較高的可靠性和環境適應性，可以長期服務于試驗場。在實際應用中，可以調整傳感器配置，為特定條件的環境監測提供服務。該系統的建成將極大促進我國首個波浪能、潮流能海上試驗場建設，促進我國波浪能、潮流能技術成果的轉化。

[1]李建如，徐惠平.加拿大“海王星”海底觀測網[J].地球科學進展，2006,26(6):86-91.

[2]金田義行.日本先進的實時海底觀測網[J].國際地震動態，2011(11):5-6.

[3]Ocean.US.An Integrated and Sustained Ocean Observing System For the United States:Design and Implementation[Z].http://www.ocean.us,May,2002.

[4]國家海洋技術中心.海洋環境立體監測系統和示范試驗技術總結報告[R].天津：國家海洋技術中心，2000.

[5]國家海洋技術中心.臺灣海峽及毗鄰海域海洋動力環境實時立體監測系統技術總結報告[R].天津：國家海洋技術中心，2005.

[6]羅續業,周智海,曹東,等.海洋環境立體監測系統的設計方法[J].海洋通報，2006，25(4):69-77.