基于敏感測溫點的浮標艙溫監測系統設計

齊勇，劉世萱，苗斌，張可可，鄭珊珊，張繼明，林航，張友權，劉建軍

(1.山東省海洋環境監測技術重點實驗室，山東省科學院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266001;2.福建省海洋預報臺，福建 福州 350003;3.海洋石油工程(青島)有限公司，山東 青島 266555)

目前，在我國沿海海域服役的大型海洋浮標已將近200套，而且正在呈現快速增長的趨勢［1－2］。隨著浮標網建設的擴展和海上運輸、捕撈活動日益頻繁，經常發生浮標被撞、被盜等事故，以及由此造成的浮標體進水、電源短路以及設備燒毀等現象。實時掌握艙溫變化是保障浮標安全運行的重要技術之一，國內外對該技術的相關研究較少。目前一般都采用粗略單點測溫的方法，該方法適用于小型浮標或者只有一個艙室的浮標，無法實時、準確地監測大型浮標不同艙室的溫度。以我國FZF3－1型大浮標［3－4］為例，除了儀器艙以外，還有電池艙、桅桿筒和3個浮力艙，所有艙室機箱均為密封設計。其中，電池艙內放置有多組蓄電池，儀器艙內有配電機箱和采集機箱、通訊機箱等儀器設備。由于受到太陽輻射、冰雪覆蓋、海浪侵襲以及設備發熱等影響，浮標體同一艙室內不同部位的溫度并不相同，而不同艙室、不同機箱內溫度差異可能更大。一旦浮標被撞，發生透水、設備短路等事故，將造成局部溫度的劇烈變化，傳統的單點測溫方法無法及時、準確地發現上述問題。因此，本文設計了一種基于敏感測溫點的浮標艙遇監測系統，可以實現對大型浮標體內不同位置的溫度進行實時監測，而且結構簡潔美觀、運行穩定可靠、易于安裝維護。

圖1 系統結構示意圖Fig.1 Illustration of system structure

1 浮標艙溫監測系統設計

1.1 工作原理

本文設計的浮標艙溫監測系統基于網絡化實時監測的設計思想，將溫度探頭布設在大浮標內的多個敏感測溫點上，組成測溫網絡，實現了浮標艙溫由單點監測到網絡監測的轉換。為使浮標測溫系統的網絡拓撲結構簡潔，選用了具有單總線特性［5－10］和寄生電源供電技術［11］的溫度傳感器。在每個測溫點布設一枚溫度傳感器，用一條電纜將浮標內所有溫度傳感器串聯在一起，構成單總線測溫鏈，將其掛接到浮標采集系統的核心單元MCU上。這種設計的優點是結構簡潔、美觀，安裝方便。系統結構示意圖見圖1。

圖1中電源模塊負責為系統供電，MCU為系統核心單元微控制器。1到N為溫度傳感器，將其埋設在大浮標各個艙室內的敏感測溫點處。敏感測溫點選擇浮標內部溫度敏感或關鍵區域，如通氣孔、配電機箱、采集機箱、通訊機箱內部，浮標艙門以及艙蓋附近等。為加強對浮標電源的安全性監測，給每一組蓄電池設置一個測溫點。MCU采集到的溫度數據，進行編報、存儲，通過通訊模塊發送到浮標岸站。

1.2 工作流程

圖2 系統工作流程圖Fig.2 The system flow chart

溫度傳感器在布設之前需要設置測溫高溫限TH和低溫限TL，進行測溫時由微控制器依次向各測溫點發送溫度采集命令。溫度傳感器收到命令自動開始溫度轉換，并將轉換結果通過單總線傳送到微控制器進行處理。當某個測溫點的溫度超限，立即發送報警信號。MCU檢測到報警信號后，判斷溫度異常測溫點，同時再讀取一次所有傳感器的溫度［12－14］，確定故障后向浮標岸站發送報警信息。造成故障報警的原因有兩個:一是溫度傳感器故障，二是極端天氣或事故導致數據超限。對于高溫限TH和低溫限TL，根據浮標環境信息動態設定，使之處于一個動態的合理范圍，出現異常溫度及時報警，方便對浮標測溫網絡進行監控。岸站收到有效數據后，還要將同時刻的所有測溫點數據進行比對，如果發現某個測溫點數據明顯異常，則進行定位提示，便于管理人員及早發現和及時處理。系統工作流程圖見圖2。

2 系統框圖

本文設計的系統框圖如圖3所示，CPU作為核心控制器。T1～Tn為n個溫度傳感器，通過單總線分別布設于浮標內設定的敏感測溫點。寄生電源與CPU和單總線連接，負責給總線供電。系統電源負責給整個艙溫監測系統供電，CPU對艙溫進行采集計算后，先將結果保存到外部存儲器中，然后通過通訊設備傳輸到岸站。

3 實驗數據

將本文設計的艙溫監測系統安裝于某大浮標上，進行海試。分別在浮力艙、電池倉、儀器艙和桅桿筒內的溫度敏感點布設溫度傳感器，其中電池倉測溫點位于蓄電池組附近。浮力艙1、浮力艙2、浮力艙3分別表示3個浮力艙。正常情況下，每一個測溫點的溫度變化趨勢一致，但溫度值會有±2℃左右的差異，并且這個差異隨時間變化。但在突發電池短路、浮標體透水等事故時，局部艙溫將發生驟變，抓住這個溫度驟變過程可以有效地進行事故原因研判和過程分析反演。圖4為該浮標接收到的某事故時段的溫度數據。

由數據分析可知，事故發生當日22:10，位于浮標電池組附近的敏感測溫點的溫度從－2.5℃上升到2.6℃，10min之內升高了 5.1℃。22:30，溫度降到 －0.1 ℃。22:40，溫度降到 －1.5 ℃，22:50降到－2.4℃，此后逐漸恢復正常水平。分析這一溫度突變的過程，判斷很可能是浮標遭到大船撞擊，小平臺受損，部分太陽能板全部或部分脫落，導致電池組短路，引起電源纜發熱熔化，甚至可能發生蓄電池爆炸。結合浮標的其他數據進行聯合研判，進一步支持了上述結論。后經調查，該浮標于當日夜間22:00遭到萬噸貨輪撞擊，傳感器系統和電源系統均遭嚴重破壞。電池組發生短路，多節電池爆裂，電源纜燒毀，電池艙壁有煙熏痕跡。事故發生后浮標自動切換備用電源繼續工作，岸站繼續接收部分正常數據。

本次實驗數據為事故處理工作提供了證據，同時，也證明了對浮標艙溫進行網絡化監測的研究意義和應用價值。如果使用傳統的單點測溫系統將無法實時監測到本次事故，更無法對異常測溫點進行準確定位。

圖3 艙溫檢測系統框圖Fig.3 Block diagram of tank temperature monitoring system

圖4 某大型浮標艙溫數據Fig.4 Tank temperature data of a large－scale buoy

4 結論

基于敏感測溫點的浮標艙溫監測系統，通過在大浮標各個艙室內設定一系列敏感測溫點，能夠全面監測浮標的艙溫信息，實現對多種事故早發現、早應對。與傳統的單點定位測溫方式相比，該設計既可以得到更為豐富精細的溫度數據，又可以方便地組成簡單、可靠、低成本、高精度的測溫網絡［15］，因此在大型浮標艙溫測量領域具有顯著的優勢。

本文是對網絡化艙溫監測的一次嘗試，在測溫點的布設、傳感器封裝、測溫網的密度和采集頻率等方面還需要進一步的研究。后續工作將對每一節蓄電池進行定位跟蹤監測，使浮標電源系統的監測更加精確。另外還計劃在該系統的基礎上，將測溫網絡擴展到浮標的氣溫和水溫監測，形成一套獨立完整的網絡化浮標水氣艙溫測系統。

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