海上警戒浮標實時監控系統

李 鵬，江恩祝，王思薦，李延剛

(國家海洋局 東海預報中心，上海 200136)

海上警戒浮標實時監控系統

李 鵬，江恩祝，王思薦，李延剛

(國家海洋局 東海預報中心，上海 200136)

為有效保護近海海底觀測網觀測安全，免受漁船拖網和拋錨等損壞的問題，設計了一套多警戒浮標(直徑2.4～3.0 m)的實時監控系統，該警戒浮標可獲取浮標本身工作狀態，并能實時、動態、連續的將警戒浮標的運行狀態發送到陸基岸站，實現對保護目標海域的實時監控，同時該浮標系統可進行擴充實現對海洋環境要素的觀測。警戒浮標布設采用正多邊形(三角形、正方形和正五邊形等)預警保護方式，浮標以保護節點為中心等距布放，組網形成有效的海上保護圍欄，保障海底觀測系統的安全運行；供電系統采用太陽能電池和蓄電池組合供能方式，可保證在連續陰天的情況下警戒浮標系統運行100天。該警戒浮標技術已在東海海底觀測網保護中成功示范運行6個月，該技術可為近海海底觀測保護提供有效技術保障。

海底觀測保護；警戒保護技術；浮標

Abstract: To effectively protect the safety of offshore seafloor observatory network from fishing boats trawl and droping anchor damage problems, etc., we designed a set of real-time monitoring system using multi alert buoys (2.4 ～ 3.0 m in diameter). Each alert buoy can record its working condition, and send the corresponding data to the land-based terminal real-timely, dynamically and continuously, so as to realize real-time monitoring of the protection targets in sea area. Meanwhile, the buoy-system can be expanded to conduct marine environmental observation. In order to protect the node effectively, the shape of the network is designed to be regular polygon (triangle, square and pentagon, etc.), and the buoy is located at the center of the node. The alert-buoy network forms an effective maritime protection fence to protect the seafloor observatory network. Power supply system, which consists of solar battery and storage battery, makes sure that the alert-buoy system can continuously work for 100 days even in cloudy weather. This alert-buoy technique has been successfully run as a demonstration for six months in the East China Sea seafloor observatory protection network. This technology can provide effective support for offshore seafloor observatory protection.

Keywords: protection of seafloor observatory; technology of warnning and protection; alert buoy

海洋科學是一門以觀測為基礎的科學，觀測技術手段決定了數據質量和對海洋研究的深入程度，隨著科技的發展，海洋觀測已經實現了從局部大面、從短時到長期和從海表到海底的綜合觀測。其中遙感、漂流浮標、錨系浮標、雷達、海床基和海底觀測網等為目前較為有效的觀測手段[1-4]。海底觀測是較具前景和穩定的觀測方式，標志海洋開發和研究的新階段[5-6]，但是觀測儀器設備運行期間的安全性一直是近海海底長期觀測的最大威脅，其中拖網作業為最大威脅，例如上海市已開展了海底網的研究，東海海底觀測小衢山試驗站已成功試運行，也取得了懸沙濃度(OBS)、海流(ADCP)、溫鹽(CTD)和海嘯信號等寶貴數據[7-8]，但布放5個月后海底網節點被拖網破壞，另外東海區“908”專項潛標觀測也因漁船拖網損失慘重[9]。為有效保證海底觀測的安全性，本文設計了一套多警戒浮標的實時監控系統，形成警戒浮標組網，該技術已在東海海底觀測網安全保護中成功運行，該警戒浮標實時監控系統可以保障東海海底試驗網的安全運行和為其他海底觀測安全警戒提供技術支持，同時可以填補國內預警浮標遠程無法監控的空白。

1 試驗海區概況

東海海底觀測網(國內第一個完整的海底觀測網)位于浙江北部舟山東部海域，登陸點位于朱家尖島，向東北方向延伸50 km(海纜埋深3～4 m，提供能源和數據傳輸)，終端節點的平均水深約45 m(圖1)，節點布設于海底。舟山群島附近海域是強潮海域，為不正規半日潮，潮差西側大而東側小，西側大多為4～5 m以上，東側僅為2 m；潮流作用顯著，最大流速大于100 cm/s[10]，海域水文動力復雜，主要受長江沖淡水和浙閩沿岸流的控制[11-12]。長江沖淡水擴散存在明顯的季節性變化，6-8月為朝東北方向擴展時期，10月至次年4月為沿岸南下時期，5月和9月分別為沖淡水由南下轉向東北和由東北轉向南下的過渡時期[13]。浙閩沿岸流也受季風顯著影響，夏季沿閩浙沿岸自西南向東北流，流幅較寬，流速較強，一般為20 cm/s左右[14]，冬季受偏北季風控制，它貼岸南流，流幅變窄，流速較弱[15]。該海域為臺風多發區，最近10年，影響東南沿海的熱帶氣旋年均8個，占影響我國熱帶氣旋總數的35%，每年4-11月都會受到臺風影響，其中7-9月臺風侵襲頻繁，約占全年總數的84%。

圖1 東海海底觀測網位置和海底觀測網節點示意Fig. 1 Location of East China Sea seafloor observatory network (left) and the node of the seafloor network(right)

2 海底觀測安全保護方法

東海海底觀測網建設在東海的淺海區(圖1)，該海域為傳統的漁業捕撈作業區，拖網較為頻繁，拖網作業是海底觀測網儀器安全的最大威脅。因此，海底觀測尤其是長期觀測難度和風險很大。海纜埋設在海底3～4 m深，可以避免一般漁船拖網和船舶拋錨的影響。海底網終端(節點)為水下儀器設備的安放點，節點座于海底，高出底床0.5～1.0 m。因此節點區域為最主要的保護區域。

海底觀測為防止拖網破壞，通常使用防拖網架的方式避免拖網，同時在防拖網架上加上高強度的防護罩防止拖網對頂部儀器的破壞，但防護罩只能對節點儀器在意外墜落物方面起保護作用，對東海區漁業生產拖網作業起不到警戒和保護作用。在東海漁業生產期間，同一海區將會頻繁進行拖網作業，拖網船網具大、馬力大，當拖網經過節點時會將節點儀器連架子一起拖走[9]，儀器架與海纜連接的部位也會被拉斷。因此，必須采用水面警戒防止漁船進入節點附近海域的保護方式。在小衢山海底試驗站安全保護技術經驗[6]的基礎上，對海底網安全警戒保護進行了設計，在節點周圍海域設置警戒標志浮標，告警漁業作業船只不要進入該區域拖網作業及錨泊作業，可有效避免漁業生產對海底觀測造成干擾，達到保護海底網節點儀器安全的效果。

安全保護站點設置。以海底網節點為中心，設計了三角形、正方形和正五邊形的警戒浮標網(圖2)，形成節點浮標圍欄，保證各個方向的漁船至少可觀察到2個警戒浮標，從而保護節點工作安全，可根據安全保護需要和經費情況選擇預警浮標的數量。浮標錨鏈的長度不小于站位3倍水深。警戒浮標布設點與海底網節點之間的距離不小于警戒浮標錨系長度，例如站點水深為45 m時，浮標站點離海底觀測節點為200～300 m左右。這主要因為警戒浮標不能距節點太遠，遠了起不到預警作用，漁業作業船只將可能從保護區域中間通過；太近時，預警浮標錨系可能會干擾海底觀測儀器的正常工作。

圖2 海底觀測節點保護警戒浮標設置示意Fig. 2 Sketch map of the alert and protection buoys set for seafloor observatory network node

3 警戒浮標關鍵技術

警戒浮標具備一般的海洋航行預警能力，同時可獲取警戒浮標本身的工作狀態，能實時、動態、連續地將警戒浮標的運行狀態發送至陸基岸站，實現對警戒海域的實時監控，也可對系統進行擴充，實現對常規海洋環境要素的觀測，對海底觀測數據進行有效補充。

3.1 警戒浮標主體設計

標體的設計充分考慮了海域強潮流的影響。海底觀測網布設在東海近海，海流較強，受漲落潮的影響較大[16]，警戒浮標標體在設計時充分考慮了潮流對標體的影響，特別是在漲急落急時，海流對警戒浮標體的橫向推力很大，為了減輕潮流對警戒浮標體的作用，將警戒浮標體設計成圓盤型，浮標底部為錐型(圖3)，以降低潮流對浮標體的作用面積和作用力。浮標體的甲板上設計有錨樁、起重眼板，以方便拖帶和起吊浮標體。

浮標體由主浮體、上部建筑兩部分組成，是浮標采集系統的載體。主浮體采用CCSB船用鋼板遵循船體水密隔艙要求建造，四周設浮力艙，浮力艙相互之間進行分隔，保持其獨立性(圖4)，即使兩個浮力艙破損進水，仍有水密艙壁阻隔，儀器艙內不會進水，浮標仍可安全浮在水面，不至于傾覆。為發揮警戒浮標在海洋觀測中的作用，在浮標外圍浮力艙內對稱開設兩個水下井，一個可安裝聲學多普勒流速剖面儀，另一個可同時并列安裝溫鹽傳感器、葉綠素濁度傳感器、溶解氧傳感器等。上部建筑采用特種鋁鎂系防銹鋁合金LF4或LF6制作。警戒浮標直徑為2.4～3.0 m，型深0.95 m，排水量為3.5 t左右，通過壓載重置在極限條件下穩性衡準數K>1，可抗12級臺風，在浪高15 m以內不傾覆。

系留系統是浮標在位工作的重要部件。本系留系統采用全錨鏈結構，單點系留錨泊，錨系采用Φ38 mm，錨采用1 t丹福爾大抓力錨，警戒浮標在站位錨泊1年以上。為防止錨鏈在釋放和在位運行期間不打結，錨鏈之間加裝轉環，以隨時釋放浮標的旋轉扭矩。

圖3 警戒浮標標體主尺度示意Fig. 3 Sketch of the main body of alert buoys

圖4 浮標體艙室劃分與布局Fig. 4 Buoyancy tank division and layout of buoy body

3.2 警戒浮標電源設計

浮標電源是浮標穩定持續工作的基礎。警戒浮標配備電源系統，采用蓄電池與太陽能電池板組合供電方式，保證預警浮標有足夠的電能供給。該浮標總體設計考慮了浮標的電源安裝、蓄電池重量等技術問題，合理使用有限的浮標空間及浮標承載能力，對浮標采集系統、傳感器和航標燈等用電負荷進行了統計和計算。設計浮標的蓄電池組為14 V/1 000 Ah的電容量，浮標標體上部塔架四個面可安裝太陽能發電板的總發電量為180 W；在日光充足的條件下，太陽能日發電量不小于200 Wh，浮標日耗電量小于100 Wh，多余的電量給蓄電池組浮充，因電池組容量大，不會導致蓄電池組過充，保證蓄電池正常運行。在利用塔架的高度與斜率的基礎上，增加太陽能板安裝支架的傾斜角，增加太陽能板的受光面，提高太陽能板的發電效率，保障蓄電池組有足夠的電能補充。供電系統為浮標系統提供單一工作電壓，在連續陰天的情況下可保證警戒浮標系統運行100天。

3.3 數據采集控制系統

采集系統是警戒浮標的核心。為保障警戒浮標在海上的正常運行，及時了解警戒浮標的工作狀態，引入了全新的警戒浮標遠程實時監控系統，在陸基岸站可及時了解預警浮標的工作和錨泊狀態。警戒浮標安全要素采集系統由多個部分組成，主要包括安全狀態信息數據采集器、水警傳感器、航標燈狀態檢測、安全狀態信息發送等(圖5)。采集處理系統采取集成度高的SOC主板，由電源、時鐘值守電路、CPU主板、接口電路以及繼電器控制電路等組成，為整個浮標系統的核心。為了保障警戒浮標系統可靠穩定運行，采集處理系統基于89C51為核心的低功耗高集成度的單片機制作，設置多路接口收集警戒浮標安全狀態信息和發送安全狀態信息。

圖5 安全要素信息系統示意Fig. 5 Schematic diagram of safety factors of information system

為了保障警戒浮標系統在海上長期穩定可靠的運行，系統電源供給非常重要。系統設計了節電模式，即系統采用定時數據采集和應急采集兩種模式，當系統采集到的狀態要素異常時，即時發送數據到岸站，以便進行應急處置，平時以1小時的時間間隔發送到岸站，以實時掌握預警浮標的電量、航標燈、GPS等要素狀態。

警戒浮標數據傳輸采用北斗通信機進行，實時將警戒浮標采集到的各種信息發送到陸地岸站，陸地岸站接收到預警浮標的信息后，由計算機及時儲存數據并即時解譯顯示，岸站接收軟件可通過查詢方式對預警浮標的歷史數據信息進行查詢，為預警浮標海上維護、更替提供依據。

警戒浮標系統具有海洋觀測功能可擴展性。浮標的標體和數據采集系統在設計時預留了常規水文氣象的安裝實施條件。浮標標體預留了海流、溫鹽、水質等要素的傳感器安裝位置，根據需要可增加相關要素的觀測，實現海底至水面的立體觀測，更好發揮海洋觀測數據的價值，讓布設海域成為“透明”海域。

3.4 安全防護和報警技術

為防止浮標遭受意外和人為破壞，設計了多項防護措施。為了使警戒浮標在海上有足夠“醒目”，能夠第一時間起到警示作用，安裝了航標燈、雷達反射器、避雷針等附件。設置醒目的專用警示標志，本預警浮標參照《中國海區水上助航標志》GB4696-1999中專用標要求的顏色、頂標進行設計，浮標主浮體顏色為黃色(氯化橡膠605-3桔黃色)；采用X形黃色頂標。浮標頂部安裝雷達反射器和航標燈，航標燈為黃色燈色，莫爾斯“O”碼閃光節奏，周期12 s，作用距離為5海里，符合國際海洋工程測量標準。為防碰撞，設置防碰護舷，浮標體外圍上方設有周向一整圈D型防碰護舷，可有效保護浮標，同時對于靠標維護的船只也起到保護作用。

在安全狀態數據異常時設計了多項報警措施。艙蓋開啟報警，為提高浮標海上運行的安全性，當浮標儀器艙蓋被開啟時，浮標系統可直接啟動報警系統，并通過通信系統，實時將報警信息傳輸到岸站。事故報警，主要包括艙體進水報警、浮標移位報警。艙進水報警由液位傳感器構成，也是直接啟動報警系統，實時將報警信息傳輸到岸站；浮標移位報警由接收岸站根據浮標站位和GPS實時數據對比得出。故障報警，主要檢測航標燈是否正常，如不正常，則在半小時內向陸基岸站發送航標燈故障報警信息。

4 警戒浮標的示范應用

東海海底觀測網于2015年8月布設在計劃海域(圖1)，系統布設的同時布設了該警戒浮標(2.6 m直徑)進行保護。為保證警戒浮標的警戒效果和范圍，在布放海底網節點后，采用精確定位布放，在不影響和干擾海底網節點儀器安全的情況下盡量減少浮標之間的距離。為提高節點警戒浮標效果，在海底網節點為中心250 m直徑的圓上均勻布設五個浮標(圖2)，提高安全警戒圍欄的密度，增加拖網作業船的穿越難度。至今，警戒浮標在海上已正常工作6個月以上，保證了海底觀測網的長期穩定觀測，同時也驗證了警戒浮標系統的安全性能指標。

為了解海底網觀測系統海域的實時海況，在警戒浮標上安裝了風和波浪傳感器，實時采集風速風向、波高波向等等風和波浪要素，可作為海底觀測系統數據的有效補充，提高數據的實用性。從圖6可看出，浮標在位保護期間，風和波浪要素觀測連續完整，風和有效波高具有很好的相關性，平均風速為5.9 m/s，最大為14.9 m/s，最大風速為17.6 m/s；有效波高平均為1.3 m，最大為3.9 m。

警戒浮標觀測資料的連續性，說明了浮標的正常運行，對海底觀測進行了有效保護，同時該觀測資料可為海底觀測數據的有效補充，為海底觀測數據的解譯和海洋現象和過程的研究提供實時海況數據支持。

圖6 警戒浮標布放期間平均風速和有效波高的時間序列圖Fig. 6 Time-series of averge wind speed and significant wave during the observation period

5 結 語

針對近海海底觀測風險較大易受漁船拖網損壞的問題，設計了一套多警戒浮標的實時監控系統，浮標采用直徑為2.4～3.0 m小型浮標，警戒浮標可獲取浮標本身工作狀態，能實時、動態、連續的將警戒浮標的運行狀態發送到陸基岸站，實現對保護海域的實時監控，該警戒浮標技術已在東海海底觀測網保護中取得良好效果(已正常運行6個月以上)，該技術可以為近海海海底網觀測或其他海底觀測的安全運行提供技術保障。

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Real-time monitoring system of alert buoys for offshore observation

LI Peng, JIANG Enzhu, WANG Sijian, LI Yangang

(Forecast Center for East China Sea, SOA, Shanghai 200136, China)

P715

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2016.06.016

1005-9865(2016)06-0131-06

2016-02-23

上海市科委科研計劃項目(10dz1210502)；海洋公益性行業科研專項(201105030)；“863”計劃專項(2012AA09A407)

李 鵬(1978-)，男，山東菏澤人，博士，高級工程師，主要從事河口海岸環境研究。E-mail：lipeng827@126.com