海洋動力環境觀測設備綜合測試平臺技術研究

李博，成方林，葉穎，張翼飛，閆秦

(國家海洋技術中心 天津 300112)

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海洋動力環境觀測設備綜合測試平臺技術研究

李博，成方林，葉穎，張翼飛，閆秦

(國家海洋技術中心 天津 300112)

隨著海洋觀測預報事業的不斷發展，建立一套針對海洋觀測儀器設備進行驗證、測試、評估的入網認證體系越發重要。構建海洋觀測儀器綜合測試平臺對推進海洋觀測儀器標準化工作有著極大的幫助，是對海洋觀測儀器設備標準化檢驗的有益探索。通過該平臺可對海洋觀測網中的設備進行入網前的檢驗與業務考核，提升入網設備的可靠性指標并對提升海洋觀測網的整體魯棒性具有積極意義。

綜合測試；可靠性；海洋觀測網；標準化

On the Complex Experimental Platform Technique for Marine

海洋觀測是一項基礎性公益事業，在世界沿海各國得到了廣泛重視和發展。海洋高溫、高濕、鹽霧、海流、波浪和潮汐的特殊環境[1]要求海洋觀測儀器設備具有較高的可靠性和測量準確性，對海洋觀測儀器設備使用之前進行測試驗證是海洋觀測網可靠運行的重要保證。

美國海洋與大氣管理局2001年就提出了海洋觀測系統測試與評估發展規劃[2](OSTEP)，對新研制的海洋觀測儀器設備的測量性能和可靠性等方面進行權威測試和評估，確定儀器設備能否達到實際使用要求，同時建立測試、評估的信息系統。英國海事研究所、挪威水工實驗室等也建立了各種形式的海洋自動觀測儀器檢測技術體系[3]，開展海洋自動觀測儀器的檢測工作，實現對海洋自動觀測儀器的質量技術評價。然而，我國海洋觀測儀器檢測技術體系尚不成熟[4]，缺乏有效的儀器設備測試、驗證和評估機制，致使海洋觀測網中儀器種類繁雜，觀測數據質量難以保證。

本研究以海洋動力環境觀測體系中5種典型設備[5](海洋站自動觀測系統、船舶自動測報系統、波浪浮標、XBT(拋棄式溫深計)和CTD(溫鹽深儀))為對象，研究其溫度、濕度、鹽霧、振動、沖擊、搖擺等惡劣海洋環境的適應性、可靠性以及測量準確性的檢測裝置和配套方法[6]，實現對海洋觀測網[7]中典型儀器設備的現場測試和評估。

1 綜合測試平臺概述

綜合測試平臺主要包括以下幾部分：可靠性測試平臺、基于溫鹽躍層的剖面測量儀器設備動態響應仿真測試平臺、多功能剖面測量儀器設備動態性能測試平臺、儀器設備接口測試儀及技術規程、綜合管理信息系統。在此基礎上，為驗證綜合測試平臺的有效性，還將開展儀器設備綜合測試技術規程和驗證、評估方法，研究，進行儀器設備綜合測試、驗證和評估的應用示范及相關海上試驗。

儀器設備綜合測試技術規程和驗證、評估方法為實驗室綜合測試應用提供測試方法和測試依據；綜合管理信息系統自動采集各個測試平臺的測試信息，以綜合測試、驗證、評估方法為依據，自動生成儀器設備的測試、驗證和評估報告。綜合測試技術規程及驗證、評估方法，各測試平臺以及綜合管理信息系統三者形成一個完整的儀器設備實驗室綜合測試、驗證和評估體系。海上現場試驗則為實驗室綜合測試的一個補充，是儀器設備入網測試的一個重要且不可缺少的環節。

2 綜合測試平臺的組成及其關鍵技術

2.1 可靠性測試平臺

海洋觀測儀器設備工作環境惡劣，要經受高溫、高濕、海浪和鹽霧等惡劣條件[8]考驗。浮標和船基觀測儀器設備還需要經受振動、傾斜、搖擺的考驗。因此，可靠性綜合測試平臺主要是研究溫度、濕度、振動、沖擊和搖擺等多參量模擬技術，具備模擬船載儀器和浮標的現場使用條件的能力，可模擬溫度-濕度-振動、溫度-濕度-搖擺等海表面綜合環境，鹽霧試驗則使用單獨的試驗設備。因此，可靠性測試平臺由振動、沖擊試驗系統，傾斜、搖擺試驗系統和高低溫、濕熱試驗系統3部分組成，可以同時進行高低溫、濕熱、振動、沖擊試驗或高低溫、濕熱、傾斜、搖擺試驗，即“三綜合”試驗。

2.2 基于溫鹽躍層的剖面測量儀器設備動態響應仿真測試平臺

該平臺可為 XCTD、AROG探測浮標、湍流測量儀、拖曳體等各種不同運動速度的海洋儀器的研制提供性能測試環境。該試驗平臺基于雙擴散對流原理[9]，將較冷的淡水通過系統作用覆蓋于高溫度、高鹽度的海水之上，水槽上層降溫，下層升溫，溫鹽擴散的聯合效應，導致兩種水體在交界面上下分別產生對流混合，進而在界面處產生非常大的溫度和鹽度梯度。鹽度差異保證了系統的靜力穩定性；而溫度差異驅動的對流，保證了上下兩層水體溫鹽的均一性，可在界面處產生溫鹽躍層。平臺結構及溫躍層如圖1所示。

圖1 溫度鹽度躍層系統示意圖

2.3 多功能剖面測量儀器設備動態性能測試平臺

該平臺以在實驗室內對XBT、ARGO等投棄式儀器的工作狀態進行長期、連續觀測，并測量其深度、精度指標要求為目的。實現海洋剖面監測儀器在一定測量深度范圍內(0～20 m)測量過程的動態全過程跟蹤觀測、水中運動速度測量以及儀器設備運動姿態等觀測。該平臺可以模擬水位變化，對驗潮儀驗潮功能進行檢驗。

平臺設計高度為20 m，圓形且直徑為2 m。投棄式探頭在15 m左右進入下降速度穩定段[10]，因此可以較好地滿足投棄式儀器水下降速度測量需要。同時，該平臺既可以測試速度急變段的速度變化情況，也可以得到最大下降速度這一重要指標，可對投棄式儀器深度計算指標進行有效檢驗。試驗平臺底部可升降，用升降臺方便儀器回收。

2.4 儀器設備接口測試平臺

根據海洋站自動觀測系統、船舶自動測報系統、波浪浮標、XBT、CTD等典型海洋觀測儀器設備實際業務化應用的要求[11]，完成對上述典型設備接口的可靠性、通信性能進行測試。接口可靠性測試實現對被測儀器在數據丟包后是否具有數據重傳機制以及測量數據重傳效率等，實現測試儀器通信協議的可靠性分析。通信性能測試實現了采樣周期精確性測試、接口通信編碼效率測試以及通信反饋延遲測試等。此外，為了對海洋觀測儀器設備進行統一規范測試，構建儀器設備接口測試系統，該系統包括兩部分內容：儀器設備接口測試儀和配置客戶端，其拓撲結構如圖2所示。

圖2 接口測試儀拓撲結構

2.5 綜合管理信息系統

綜合管理信息系統從可靠性綜合測試平臺、基于溫鹽躍層動態響應仿真測試平臺、多功能剖面測量儀器設備動態性能測試平臺、接口測試儀獲取數據，生成被檢測設備測試報告并存儲。實現對儀器設備測試驗證評價的輔助支持、數字化測試驗證規程的制作查詢與管理、測試儀器設備管理及測試平臺輔助管理等。在此基礎上，構建典型海洋觀測儀器設備的數據庫管理、存儲機制，實現基于大數據[12]技術的信息保存、查詢、評估，構建被測設備數字評估模型等數學模型，根據數學模型生成被測設備測試報告等，綜合管理信息系統業務流程如圖3所示。

圖3 綜合管理信息系統業務流程

2.6 綜合測試技術規程及驗證、評估方法研究

對海洋站自動觀測系統、船舶測報系統、波浪浮標、XBT、CTD等典型海洋動力環境觀測儀器的綜合測試技術及儀器設備的驗證、評估方法研究等主要有兩方面內容：①根據儀器設備的功能和工作環境特點以及業務化運行對可靠性、測量性能的要求，確定儀器設備的技術要求。②根據儀器設備的技術要求和功能，并結合各類測試平臺的性能，確定儀器設備的綜合測試方法及驗證、評估方法。

海洋站自動觀測系統、船舶測報系統、波浪浮標的綜合測試技術及驗證、評估方法研究以可靠性試驗為基礎，由可靠性測試平臺進行儀器設備可靠性綜合試驗為理論指導。主要試驗科目有低溫、高溫、高低溫循環、濕熱、霉菌、振動、沖擊、傾斜搖擺、壓力及各種應力環境綜合試驗等。根據試驗所獲得的數據，統計可靠性試驗相關失效數及計算設備平均無故障時間等置信值，確定設備設計、研制等的可靠性要求。如果可靠性指標為平均無故障時間、失效率或可靠度等參數時，以完成試驗時間作為主要考核指標進行方案設計。如果可靠性指標為成功率時，以試驗次數、失效次數或試驗設備總數、失效設備數等為主要考核指標進行方案設計。

對于CTD設備主要是利用基于溫鹽躍層的剖面測量儀器設備動態響應仿真測試平臺檢驗傳感器的時間響應性能、傳感器測量精度等。

對于XBT設備主要是利用多功能剖面儀器設備動態性能測試平臺驗證設備的動態性能及下降過程的運動姿態等。

3 五種典型儀器設備的應用示范

對海洋站自動觀測系統、船舶測報系統、波浪浮標、XBT、CTD等典型海洋動力環境觀測設備進行可靠性試驗、傳感器精度及響應時間試驗后，在特定海域對典型儀器設備開展應用示范可以進一步檢驗儀器設備的業務化運行水平及性能，是對實驗室綜合測試的一個有益補充，更是對儀器設備入網測試的一個重要環節。

3.1 海洋站自動觀測系統應用示范

將海洋站自動觀測系統在可靠性測試平臺上進行可靠性試驗，隨后再進行現場比對試驗。為保證現場試驗結果的有效性、準確性、適用性及代表性，并對系統測量準確性進行試驗。以小麥島海洋站作為海洋站自動觀測系統的安裝站位，對該站現有基建設施和線路進行改造或增設，確保該站現有系統與示范系統中相同傳感器處于同一環境條件下，將非儀器誤差降低到最小。系統應用示范時間不少于3個月，主要觀測要素有：風速、風向、氣溫、相對濕度、氣壓、降水量等氣象要素，潮位、表層水溫和表層鹽度等水文要素。應用示范完成后，將兩套系統獲取的數據進行比對，并對測量準確度進行評價[13]。

3.2 船舶測報系統應用示范

將船舶測報系統在可靠性測試平臺上進行可靠性試驗，再選取一條遠洋志愿船，將船舶自動測報系統安裝在船舶上，進行3個月的海上現場試驗，試驗完畢提交現場測試試驗報告。

3.3 波浪浮標應用示范

將波浪浮標在可靠性綜合測試平臺上進行可靠性試驗。隨后再進行為期3個月的海上試驗。波浪浮標測量系統包括錨鏈、自重錨、橡皮纜、潛標、浮標和保護標，測波系統如圖4所示。選定測量系統布放位置和數據實時接收站位置，建立波浪數據實時接收站。定期動用船只和人員對波浪測量系統進行維護，及時回收下載波浪資料。三個月觀測結束后，回收測波系統并提交最終的試驗報告。

圖4 浮標布放示意圖

3.4 CTD應用示范

對CTD進行應用示范主要分為兩方面：①進行可靠性試驗。試驗模擬設備運輸、儲存等使用過程，檢驗設備在公路運輸、船只運輸等過程的環境適應性。②進行基于溫鹽躍層的剖面測量儀器設備動態響應仿真測試平臺的同步測量試驗，快速獲取海洋儀器的動態響應特性數據，并將上述數據進行分析和處理，完成比對報告。

3.5 XBT應用示范

對XBT進行應用示范與CTD的應用示范類似，首先，依托可靠性測試平臺對其進行包裝、運輸、存儲的環境適應性試驗。其次，進行基于多功能剖面測量儀器設備動態性能測試平臺的業務化應用相關的測試。實現在0～20 m范圍內測量過程動態全過程跟蹤觀測、水中運動速度測量及儀器設備運動姿態觀測等。實現對平臺內部待測儀器運動姿態的監視，并測量目標垂直方向下降的速度。

4 綜合測試平臺業務化應用探索

利用綜合測試平臺對海洋觀測設備進行業務化考核的主要內容分為以下幾個方面：①進行儀器設備接口性能測試，對儀器接口的吞吐性能等進行評判。②利用可靠性測試平臺對儀器設備的運輸、存儲等過程進行環境適應性試驗。③根據各種設備的實際業務應用需求進行與業務相關的測試。對于海洋站自動觀測系統、船舶測報系統以及波浪浮標，利用可靠性測試平臺模擬設備的實際使用情況，在通電環境下進行環境適應性試驗。CTD利用基于溫鹽躍層的剖面測量儀器設備動態響應仿真測試平臺進行測量精度及數據采集數據頻率的試驗。XBT等投棄式設備，利用多功能剖面測量儀器設備動態性能測試平臺，對其下沉姿態等進行監控，獲取其在高速下沉過程中的運動姿態、下降速度等數據。最后，將上述測試結果通過以太網傳輸至綜合管理信息系統，進行數據的存儲、處理、分析，利用相應的數學模型對被測設備進行評判，給出測試結果。

5 結語

當前我國海洋觀測儀器檢測技術體系落后，缺乏針對海洋觀測設備準入、評估、業務考核的機制和方法，已成為制約我國海洋觀測預報事業發展的“瓶頸”性問題。建設海洋動力環境觀測設備綜合測試平臺，完成對典型海洋觀測設備的綜合測試與評估，是解決上述問題的一個有益探索。同時，將本測試平臺系統與國家海洋技術中心已建或在建的海上試驗場、海洋動力環境試驗水槽等相結合，逐步形成一個完整的海洋儀器設備業務測試體系，勢必對增強我國海洋觀測網中設備的標準化水平，提升我國海洋觀測網的整體性能具有積極的意義。

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Dynamic Environmental Observation Equipment

LI Bo，CHENG Fanglin，ZHANG Yifei，YAN Qin

(National Ocean Technology Center，TianJin，300112)

With the rapid development of marine observation and forecasting，it is much more important to test，verify and evaluate the classical observation equipment deployed in the marine observation networks.The construction and research of the complex experimental platform has a great function of standardization for marine observation equipment，which can be viewed as a grope for the rule of equipment verifying method.The platform can improve the quality and standardization of equipment in china’s marine observation networks，and promote the observation networks to a more and more scientific and advanced level，which would provide better services for marine calamity prevention and reducing.

Complex experimental platform，Reliability，Marine observation networks，Standardization.

國家海洋公益性行業科研專項重點資助項目(201305033).

李博，工程師，碩士，研究方向為海洋觀測技術，電子信箱：tjut001@126.com

P715

A

1005-9857(2016)01-0068-05