近岸水域海流在線監測系統研究

張磊　石巖　陳勝利

摘? 要：有效監測緬甸某港口的海流情況，解決該港口基礎潮流數據缺失的問題，保障港口的安全運作。在該港口建立近岸水域海流在線監測系統，利用剖面海流計在線監測技術和光纖遠距離傳輸技術，對港口海流進行在線分層監測，并通過自主研發的ADCP海流計采集程序，實現對該港口海流數據的采集、顯示、回放、存儲和篩選等功能。近岸水域海流在線監測系統獲取的海流數據與現場觀察到的海流情況相符，海流數據趨勢與我國國內近岸海域海流的基本趨勢相符。近岸水域海流在線監測系統是一套運行可靠的監測系統，能夠準確地獲取并分析緬甸某港口的海流數據，為港口正常運營提供了有效保障。

關鍵詞：海流監測? 在線監測? 近岸水域海流? 海流分層監測

中圖分類號：P715? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2021）06（c）-0061-08

Abstract： To effectively monitor the current situation of a port in Myanmar， solve the problem of lack of basic tide data of the port， and ensure the safe operation of the port. Methods： An online current monitoring system for coastal waters was established in the port. The on-line layered monitoring of the port current was carried out by using the profile current meter on-line monitoring technology and optical fiber long-distance transmission technology， and the functions of collecting， displaying， playback， storage and screening of the port current data were realized through the ADCP current meter acquisition program independently developed. The current data obtained by the on-line current monitoring system in coastal waters are consistent with the current observed on site， and the trend of current data is consistent with the basic trend of current in domestic coastal waters. The online current monitoring system for coastal waters is a reliable monitoring system， which can accurately obtain and analyze the current data of a port in Myanmar， and provide a powerful guarantee for the daily operation of the port.

Key Words： Current monitoring; Online monitoring; Coastal currents; Current stratified monitoring

1? 引言

1.1 研究意義

緬甸某港口位于緬甸西海岸皎瞟灣內，由于技術能力限制，該港口只能獲取到潮汐數據，尚無法獲得海流流速、流向數據。

1.2 前人研究進展

海流計通常有兩種布放方式，即潛標式和絞車懸掛式。潛標式布放采用自容式數據存儲方式，該種布放方式通過定期回收海流計獲得數據，無法實現數據的實時讀取;絞車懸掛式利用復合纜技術采集數據，已經具備數據在線采集的能力，但受限于海流計自帶的采集軟件，目前仍無法直觀讀取數據。絞車懸掛式的另一個弊端是出于安全考慮，海流計懸掛區域內船只無法通行。

1.3 本研究切入點

針對緬甸某港口無法獲取海流流速、流向數據的現狀，結合近岸水域的特點，開發一套海流在線監測系統，用較低的成本實現該港口的海流觀測。

1.4 擬解決的關鍵問題

為了滿足該港口現場對海流數據的基本需求，擬開發的海流在線監測系統需同時具備3個功能：運算并顯示海流計返回的原始數據;儲存原始數據和處理后的數據;數據回放和最大值篩選功能。

2? 材料與方法

2.1 海流計觀測原理

多普勒海流計（ADCP）是最常用的海流測量設備，如圖1所示，其硬件主要由超聲多普勒海流計外殼和超聲多普勒海流計硬件電路兩部分組成，軟件部分由流速測量、發射接收程序、海流計算程序等各主要功能模塊及主程序構成[1]。ADCP利用聲學多普勒原理測量水流剖面流速，首先將水體中顆粒物與海水視為一體進行運動，即水體中顆粒物與海水流速相同。在此假定下，利用聲學多普勒頻移測量出顆粒物的流速，從而得到海水流速。常見的ADCP配有4個換能器，每個換能器都具備發射和接收的功能。發射功能主要的作用是向海水中發射聲波;而接收功能主要的作用是接收發射功能所產生聲波的回波。當顆粒物隨水體流動接近換能器時，換能器接收到的顆粒物反射回來的聲波，其頻率高于發射聲波;而當顆粒物隨水體流動遠離換能器時，換能器接收到的顆粒物反射回來的聲波，其頻率低于發射聲波。發射波和接收波頻率產生差異的現象，在聲學上被稱作多普勒頻移[2]。

由于水團運動處于不斷變化中，即使是同一地點，聲速剖面在不同時刻也會有較大的變化[3]。多普勒海流計具有4個獨立的換能器，換能器的4個軸線是4個聲束坐標的流速。海流計上任意3個換能器的軸線組成相互獨立的空間聲束坐標系。多普勒海流計本身定義x-y-z直角坐標系。在直角坐標系中，多普勒海流計軸線與Z坐標方向一致。當海流計工作時，沿各個聲束坐標上的流速分量會首先被捕捉到，隨后，測得的聲束坐標系下的流速分量依據x-y-z坐標和聲束坐標的轉換關系獲得。傾斜數據則由羅盤指示的方向、傾斜儀獲得，最后將x-y-z坐標系下的流速分量再轉換為地球坐標系下的流速分量。利用4個換能器的波束測量流速，目的在于消除船只晃動所引起的測量誤差，提高流速測量的精度。

2.2 海流監測系統設計

2.2.1 現場情況及系統結構

緬甸某港口位于緬甸西海岸皎瞟灣內，港口長度約480t，可供30萬t級大型油輪靠泊。港池內水深25～30t，海底地質多為松軟的淤積泥沙，大潮期落潮最大流速可達4～5節，淤積現象不嚴重。

根據現場實際情況，將海流監測點設置在原油碼頭1號水泥墩向前延伸10m處，如圖2所示，ADCP電纜在1號水泥墩取電。工控機接口的通訊協議是RS-232，接收終端和數據中心采用的通訊協議是R-S422。R-S422標準是一種業界最常用的串行數據通信接口標準，其抗共模干擾能力強、信號容差性好，目前被廣泛應用于多種工控數據通信場合[4]。RS-422通訊協議的最大傳輸距離約1000m[5]，由于海流計所在位置距離數據中心處較遠，RS-422通訊協議無法滿足傳輸距離要求。光纖通信通信容量大、傳輸距離遠，無中繼傳輸距離可達幾十公里、甚至上百公里[6]。因此監測系統采用了RS-422傳輸轉光纖傳輸再轉回RS-232傳輸的通訊方式，ADCP到1號墩是RS-422通訊傳輸，1號墩到數據中心是光纖傳輸，數據中心到工控機是RS-232傳輸。

2.2.2 系統組成

本套近岸水域海流在線監測系統采用坐底式觀測平臺，系統主要由海底觀測平臺、ADCP海流計、通訊電纜和工控機等組成。座底式剖面海流觀測在觀測過程中不受船只運動及表層海流的影響，其數據質量更好，是淺海定點海流觀測中首選的觀測方式[7]。

海底觀測平臺長1.5m，寬1.5m，高0.5m，如圖3所示。觀測平臺呈金字塔形結構，頂端為ADCP固定架和布放吊點，底部為支撐架?；诮端虻奶匦?，本套系統的海底平臺設置兩塊配重，各重250kg，總計配重500kg，相較遠海海域降低了海底平臺配重的重量。

依據ADCP工作原理，在海底觀測平臺布放結束后，必須保證海流計垂直向上進行觀測，不可傾斜或倒置，否則將無法準確獲取到海流數據[8]。由于海底并非平整表面，實際布放中，觀測平臺受海底地形影響會產生略微傾斜，無法做到完全垂直于海底表面。因此該套監測系統的ADCP固定架采用了水平穩定架（圖3中的水平機構，圖4是水平機構的俯視圖），使得ADCP發射器可以不受海底地形影響，始終垂直于海面，進而保證了海流觀測數據的準確性。布放吊點架固定于海底觀測平臺，布放時吊點架為垂直結構，吊點位于觀測平臺正上方。待海底觀測平臺觸底后，布放吊點架可進行130°自由翻轉，從而做到不影響ADCP的觀測效果。

由于現場情況復雜，海底的石堆等易造成電纜損壞，因此該套監測系統選用了帶鎧裝的加長水密電纜，并在水密電纜外安裝了塑料護管。水密電纜橡膠護套與金屬接頭的粘合處往往是強大水壓環境下海水泄漏的薄弱環節[9]，ADCP配有7芯水密接口，加長電纜與ADCP自帶電纜的連接處采用了硫化操作，并用硅脂進行了水密處理，以保證水下部分的防水等級。

受海流作用影響，水密電纜在水下易產生晃動，從而導致電纜與設備底蓋邊緣處發生摩擦影響到電纜的使用壽命。通過在ADCP底部加裝固定封裝蓋，并在出線處進行特殊固定處理，確保水密電纜固定于限定位置（見圖5），減少水密電纜與設備底部之間的摩擦。

2.2.3 系統布放及回收保養

利用船舶進行海流監測系統的現場布放和回收，船舶上需安裝一個安全負荷不小于1t的支架、一臺電動絞車，并預留出不小于10m2的甲板面積作為系統布放的操作空間。近岸水域水流沖擊力較小，潛水人員易進行水下操作，因此安排潛水人員協助系統布放。

如圖6所示，系統布放時，先將布放繩固定在海底觀測平臺的布放吊點上，然后將通訊電纜全部布放于甲板上，布放繩穿過支架上的滑輪后纏繞在絞車上。船舶在布放點上方就位后，緩慢釋放布放繩，待海底監測平臺入水后，將通訊電纜放入水中，同時由潛水員輔助，不斷調整海流計的位置和姿態。待測量平臺觸底后，在岸邊調整通訊電纜的位置并進行固定。布放繩加裝配重塊后系于碼頭上，以便日后對海流監測系統進行回收。

如圖7所示，系統回收時，對作業船只的要求與系統布放時相同。首先松開固定在岸邊的電纜，在潛水員的協助下回收布放繩，并利用船舶上的絞車、支架等將觀測平臺提升至水面，待海流計平穩放置于船只或岸上時，對設備進行保養。保養完成后，按照布放流程再次進行布放作業。

2.3 ADCP配套軟件研發與功能設計

海流計自帶的程序只具備顯示現場基礎數據的功能，不具備存儲和分析數據的功能，無法實時解讀現場數據中包含的海流信息，不能滿足現場的要求。為支持現場作業活動，自主研發一套與ADCP設備配套的數據采集軟件。

本套自主研發的ADCP配套軟件可以實時顯示采集到的海流數據，并具備數據回看、最大值篩選等功能，軟件代碼利用C#語言編寫。海流監測系統采取的是分層采樣，層與層之間間隔3.5m。為方便現場分析和回看數據，本套自主研發的ADCP配套軟件主界面只對上層（18m）、中層（11m）和下層（4m）的海流數據進行顯示、分析。

2.3.1 數據實時顯示功能

軟件的主顯示界面如圖8所示，軟件運行時接收從海流計傳回的數據，并可根據現場需要，從數據中自動篩選出所關注層的數據。通過軟件內部程序的計算，可獲得所關注層的海流流速、流向數據。海流流速、流向數據實時顯示在軟件主界面的儀表盤上，儀表盤右側的曲線表示流速、流向的變化趨勢。當鼠標放在曲線的某個點上時，會自動顯示該時刻的海流流速和流向數據。

2.3.2 數據回放功能

通過點擊軟件主界面左側的“歷史數據”按鈕，可以調取、回放特定時間段的海流數據，如圖9所示，鼠標放在曲線的某個點上時，會自動顯示該時刻的海流流速和流向數據。

2.3.3 數據存儲功能

通過點擊軟件主界面左側的“數據目錄”按鈕，可以打開數據的存儲目錄。目錄分為“結果數據”和“原始數據”兩部分，“結果數據”文件夾中存儲的是可以直觀讀取的處理后的海流數據，方便現場工作人員查看，從而了解現場的海流情況，海流計結果數據示例如表1所示;“原始數據”文件夾中存儲的是海流計獲取的未經處理的數據，方便專業人員對現場海水流動的情況做進一步分析，海流計原始數據示例如表2所示。

2.3.4 最大值篩選功能

緬甸該港口對海流的7日最大值數據比較關注，因此在軟件開發過程中設計了數據最大值的篩選功能，以方便現場用最快速度獲取某一時間段的流速最大值。通過點擊軟件主界面左側的“最大值”按鈕，可以進入最大值篩選界面，選取需要分析的時間段，軟件會自動篩選出該段時間內上、中、下三層海流流速數據的最大值，如圖10所示。

3? 結果與分析

3.1 日流速趨勢分析

該套海流在線監測系統2020年2月10日采集到的港口海流數據如圖11所示，以該日數據為例分析日流速趨勢。日流速數據顯示，全日流速峰值時刻為1∶46、7∶33、14∶00和19∶01，且1∶46、14∶00兩個時刻的流速大于7∶33、19∶01兩個時刻，具有半日潮特點，并呈現出潮汐不對稱性，即潮波傳至河口海岸區域，潮波變形導致漲潮、落潮歷時不相等，與我國國內近岸海域海流的基本趨勢相符[10]。為進一步驗證該套海流監測系統獲取到的海流數據的準確性，現場人員在當日8時、12時、16時進行了海流現場觀測，觀測到的情況與系統獲取到的海流日流速數據規律相符。

3.2 層數據對比分析

該套海流在線監測系統2020年2月10日采集到的上、中、下3層的海流數據的最大值如圖12所示，以該日數據為例分析不同層海流流速規律。數據顯示，該日上層、中層和下層海流流速最大值分別為1.84節、2.13節和2.26節，符合同一時間段流速差別不大、下層流速快于上層流速的規律，且同一天內上、中、下三層的流速變化趨勢有明顯的相關性，與實際規律相符。

4? 結語

本文以解決緬甸某港口基礎潮流數據缺失的實際問題為出發點，結合該港口近岸水域的特點及港口現場對海流數據的實際需求，設計了一套用于近岸水域的海流在線監測系統。該套近岸水域海流在線監測系統通過RS-422通訊轉光纖通信，有效解決了數字信號衰減的問題，在極大程度上延長了海流數據的傳輸距離;并利用自主研發的海流計配套軟件，實現了海流數據的實時顯示、數據回看和最大值篩選等功能。系統成功運用于緬甸某港口，至今平穩運行一年有余，數據準確度高，實時性好，極好地實現了預期目標。系統在港口的成功應用，驗證了系統的可靠性，為今后近岸水域海流在線監測提供了新的建設思路和理論依據，具有較大的應用價值和應用前景。

參考文獻

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