基于錨泊式試驗平臺的海上儀器裝備試驗方法研究

夏 嵐，王 鑫，石建軍，朱曉陽

（國家海洋技術中心，天津 300112）

我國擁有綿長的海岸線，管轄海域面積約300萬平方千米[1-2]。海洋儀器設備關鍵技術的研發與相關技術的產業化是利用海洋資源、推動海洋經濟發展的關鍵。在國家政策的引導下，國產海洋儀器設備的發展步入快車道，但產品精度、可靠性以及環境適應性距離世界先進水平尚有較大差距，導致國外海洋儀器設備以高昂的價格占領國內市場，嚴重影響我國海洋經濟發展與海洋環境信息安全[3-6]。

海洋儀器設備經常工作在復雜、惡劣的海洋環境中，基于海上試驗場的實海況測試作為校驗海洋儀器設備性能的重要手段，是改善相應設計，提升設備穩定性、可靠性以及環境適應性的關鍵[7-8]。目前英國、美國和愛爾蘭等國家已經具備了從海洋儀器設備關鍵部件與子系統實驗室測試到整體系統基于試驗平臺進行實海況測試的能力，并開展了大量的儀器裝備試驗，這些測試平臺極大的支撐了海洋產業的發展[9-12]。而國內海上試驗場目前主要面向海洋儀器設備的設計與研發，缺乏權威、公平、便利化、低成本的海上試驗測試平臺[13-14]。針對這一薄弱環節，國家重點研發計劃支持了“基于固定平臺的規范化海上試驗研究與示范”項目，在國家海洋綜合試驗場（威海）建造并投入使用錨泊式海上試驗平臺，并制定《海洋儀器設備海上試驗管理規范》等文件，為推進我國海洋儀器設備的研發與產業化進程提供有利條件。

1 錨泊式海上試驗平臺

錨泊式海上試驗平臺于2019年9月布放于山東省威海市褚島附近的國家海洋綜合試驗場，如圖1所示。本文首先介紹平臺錨泊海域的海洋資源及試驗平臺的結構。

圖1 錨泊式海上試驗平臺

1.1 平臺所在海域的海洋環境條件

褚島北部試驗場海域的波浪能、潮流能資源豐富。豐富的水深地形和規律的水文資源可以為海洋儀器裝備的試驗和測試提供良好的海洋環境條件。

（1）水深以及地質條件：錨泊式海上試驗平臺所在海域存在一條長2 500 m、寬500 m的海溝，海溝部分地區的深度超過60 m，最深處的海水深度約為70 m，海溝到褚島北部海岸線距離為700～1 200 m，是我國淺海大陸架中難得的近岸深水區域。海底地質存在以淤泥和黏土為主的、約0～5 m厚的沉積物。海域最大潮差3.08 m，平均潮差1.73 m。

（2）潮流：受特殊地理位置因素的影響，試驗海域主要呈現不正規半日潮流，流向為東西向往復流。靠近褚島一側海域受地形影響，潮流流向主要為東西方向；遠離褚島一側海域的潮流流向仍然以東西流向為主，但SE-NW和NE-SW向也略明顯。靠近褚島一側海域的潮流受陸地擠壓的影響，流速明顯高于遠離褚島一側的海域，且底部流速較強，垂向一致性較好；觀測期間，靠近褚島一側的海域最大潮流流速可達1.28 m/s，流速高于0.5 m/s出現的概率在30%左右。

（3）波浪：平臺所在海域的波浪方向以偏北向和東向浪為主，其中北向、東北以及西北向浪共占了約58.5%，東向浪占了約37%。年平均有效波高為0.6～0.7 m，且季節性差異較為明顯。在冬季受季風影響顯著，風浪較大且以北向為主，11月至次年2月的平均有效波高可達1 m。

（4）氣象：據威海氣象臺統計，平臺所處海域年平均氣溫12.1°C，最熱月為8月，月平均氣溫24.6°C。最冷月為1月，月平均氣溫-1.5°C，且該海域無冰期；年平均降雨量為793.4 mm，主要集中在7—8月，占年降水總量的49%；常見風向為西北和西北偏北向，強風向為西北偏北和西南向，年平均風速為4.1 m/s，最大風速為22 m/s。

1.2 錨泊式海上試驗平臺的結構

錨泊式海上試驗平臺布放位置水深69 m，距離最近碼頭約3.7 km。平臺參數如表1所示，結構如圖2所示。

圖2 平臺結構設計平面圖

表1 平臺主要參數

（1）試驗空間：平臺設面積不小于20 m2的一個休息室和三個試驗室，同時，留有約200 m2的甲板操作空間。

（2）試驗月池：在船體中部設計有10 m長，3.4 m寬的月池，用于大型海洋儀器裝備投放。

（3）起吊裝置：平臺配有1臺安全工作負荷5 t、臂展10 m的旋轉吊機，主要用于大型海洋儀器設備的吊裝與調試工作；2臺載重0.5 t、臂展3 m的輔助旋轉吊機，用以小型設備的吊裝、調試以及儀器設備的剖面測量試驗。

I’d like to congratulate all the students who are here today.（我想要恭喜今天在這兒的所有學生。）who在定語從句中做主語。

（4）卷揚升降系統：采用鋼索絞車通過滑輪組的結構形式實現搭載平臺的升降操作。搭載平臺最大可浸沒水深5.8 m，最大起升高度位于甲板以上2.5 m，靜載重13 t。方便試驗設備的安裝、維護與回收。

（5）電力系統：平臺配備柴油發電機2臺，包括50 kW主發電機組和12 kW停泊發電機組。實驗室設置3相380 V、單相220 V及直流24 V電源，滿足試驗裝置供電需求。

（6）保障設施：平臺處于移動網絡覆蓋區，為用戶提供網絡支持及數據遠程傳輸；平臺安裝紅外視頻監測系統，實現平臺及試驗場海域目標的不間斷巡視和取證，保障試驗設施安全。

1.3 搭載錨泊式海上試驗平臺進行海洋儀器設備測試的優勢

（1）錨泊式海上試驗平臺為鋼制漂浮式綜合試驗平臺，采用雙浮體船型，具有較好的抗風浪性能。在平臺功能方面，充分考慮了各種類型的海洋儀器設備海上試驗的需求。

（2）威海淺海試驗場海域具備適宜的海洋環境，結合該試驗平臺，可以同時開展多類型海洋儀器設備和海洋能發電裝置模型的海上試驗與觀測。

（3）該平臺可以在特定的試驗海域為海洋儀器設備提供連續、長時間序列的海上測試，可以較好地滿足相應海洋儀器設備的試驗需求。在許可海況下，可以對試驗設備進行隨時組裝、拆卸以及調試維護，使海上試驗更加方便的同時，較好的降低試驗成本。

2 海洋儀器設備的搭載與測試

2.1 水平軸潮流能發電裝置

潮流能發電裝置海上試驗依托于海上試驗平臺，如圖3所示，對潮流能發電裝置在實海況下的工作性能進行測試與驗證。在圖3中可以看出，測試平臺安裝有吊機以及潮流水輪機升降系統。潮流發電裝置拖運至平臺附近后，由吊機將測試設備吊裝至水輪機位置A，進一步完成測試設備在平臺上的安裝固定。然后控制升降系統將測試設備浸沒至水輪機位置B，開始海上試驗測試。升降系統最大行程（水輪機位置A到水輪機位置B）為11 m。其中，水輪機位置B距離海水表面5.8 m。

圖3 基于海上試驗平臺的水平軸潮流能發電裝置測試 設置示意圖

考慮到潮流能發電裝置測試位置（水輪機位置B）與海水表面距離較小，比例樣機試驗過程中，波浪等其他因素對潮流發電裝置性能測試有所影響。因此，試驗平臺周圍布設波浪騎士浮標、水下座底式觀測平臺、綜合多參數浮標等儀器設備，為試驗測試提供實時資源觀測數據。所以，潮流能發電裝置海上試驗監測系統主要由氣象子系統、水文子系統以及潮流發電裝置輸出監測子系統三部分組成。其中，氣象子系統通過風速傳感器、溫度與氣壓傳感器、相對濕度傳感器以及降水量傳感器測量試驗區域的氣象信息。水文子系統的監測內容主要有兩部分，一部分是通過波浪騎士測量試驗海域的波高以及波向；另一部分則是通過座底式ADCP測量潮流渦輪附近的潮流流速與流向，為下一部分析潮流渦輪性能奠定基礎。潮流能發電裝置輸出監測子系統則是對潮流發電裝置輸出的電壓、電流、功率以及渦輪轉速等信息進行監測。以上三部分子系統實時監測的數據通過數據采集器輸出至數據處理控制子系統，由該子系統處理、存儲以及顯示相應監測數據，自動生成報文、月報表等文件，并將數據傳輸至數據傳輸網。潮流能發電裝置海上試驗監測系統如圖4所示。依托試驗平臺，潮流發電裝置海上試驗方法的應用，進一步促進潮流能產業的研發與技術成果轉化。

圖4 潮流能發電裝置海上試驗監測系統設計框圖

2.2 溫鹽深測量儀（CTD）

CTD作為一種常用長時間序列監測的海洋儀器設備，依托海上試驗平臺開展對CTD進行近海岸、長期有效的測試與監測，可提升該類型/相似類型設備的穩定性、可靠性、環境適應性，以及在我國北方典型海域夏季生物生長茂盛期的抗污染能力，促進其國產化進程與相關技術的發展。

CTD性能海上試驗方法參考《海洋儀器研制質量管理規范》《海洋儀器設備海上試驗管理規范》《海洋儀器海上試驗規范》（HYT 141—2001）《“規范化海上試驗”質量控制通用規范》等。測試方法為：首先，搭建比測平臺。根據被測海洋儀器設備類型，選擇相應國際先進的產品作為比測目標。針對抗污染CTD，本文選取海鳥SEB37 CTD；其次，將被測抗污染CTD與海鳥SEB37 CTD安裝放入同一比測架內，以相同的數據采樣方式進行工作，比測架以及兩種CTD安裝如圖5所示；然后，通過錨鏈一端連接至錨泊式海上試驗平臺，一端連接比測架，實現比測架與測試海洋儀器設備的投放以及長時間測試；最后進行設備回收，并進行第三方檢測認證。在本文抗污染CTD測試中，設備回收后的狀態如圖6所示，交由第三方檢測機構復檢結果顯示：長時間海上測試后參試設備電導率最大漂移為0.023 5 mS/cm。

圖5 近海岸CTD海試比測架安裝示意圖

圖6 近海岸CTD海試設備回收后狀態圖

2.3 有纜海洋儀器設備

有纜海洋儀器設備能夠給科研工作者提供實時監測數據，在海洋環境監測以及水下機器人（ROV）等方向有較為廣泛的應用。本文基于錨泊式海上試驗平臺，結合已測試的有纜海洋儀器設備，探索該類有纜設備的海上測試方法。

2.3.1 有纜聲學多普勒流速剖面儀（ADCP）

針對有纜、固定式ADCP，參考《海洋儀器設備海上試驗管理規范》《海洋儀器海上試驗規范》（HYT 141—2001）《“規范化海上試驗”質量控制通用規范》等，探索海試的方法。測試前準備有：首先，研制比試平臺，同時搭載定位浮球釋放器、被測ADCP以及比測ADCP，并以水密接頭的形式連接鎧裝電纜；其次，通過船舶將比試平臺運輸至試驗海域，并將其安全投放至指定區域。投放完成后，運輸船舶需將鎧裝電纜輸送至錨泊式試驗平臺，有纜、固定式ADCP海試布局如圖7所示。

圖7 有纜ADCP海上測試布置示意圖

針對不同需求，設置兩種數據接收模式，分別為：（1）試驗平臺內短期、連續測試。該方式將測試設備通過鎧裝電纜直連位于錨泊式海上試驗平臺的數據接受以及顯示儀器，在觀測試驗設備運行安全性的同時，可實現短期內持續監測被測設備的工作狀態以及性能；（2）實時長期、連續測試。該方式需要在錨泊式海上試驗平臺內安裝數據傳輸單元（DTU）。因此該種方式的連接模式需要被測設備首先通過鎧裝電纜連接DTU，然后通過DTU進行數據轉發，通過遠端上位機接受，進而進行長期有效的連續測試以及實時監測。測試完成后，按照標準《聲學多普勒流速剖面儀》（GB/T24558—2009）和《聲學多普勒流速剖面儀檢測方法》（HY/T102—2007）對試驗數據進行對比分析。

2.3.2 有纜水下機器人（ROV）

基于錨泊式海上試驗平臺進行有纜水下機器人（ROV）的測試，可對ROV系統性能、工作穩定性以及可靠性進行實時監測，并為后續深遠海域測試做好準備。

ROV海上測試方法主要有以下內容：（1）ROV通過船舶運輸吊裝至錨泊式海上試驗平臺后，首先在不上電的前提下檢測ROV的本體，確保ROV本體沒有發生損壞以及海試作業安全；（2）在海上試驗平臺甲板上對測試ROV上電，觀察儀器各部件可安全穩定運行，并且與上位機通信良好；（3）通過海上試驗平臺吊機將被測ROV吊裝至海平面，但不放開吊纜，進一步測試ROV在海洋環境中各部件的運行穩定性以及與上位機的通信狀態；（4）放開吊纜，實現被測ROV的自主作業，觀察ROV的工作狀態與性能；（5）通過纜繩與吊機實現被測ROV的回收，進一步檢查ROV各部件的狀態，完成海上測試。依托錨泊式海上試驗平臺的ROV測試如圖8所示。

圖8 有纜水下機器人（ROV）海上測試圖

在以上測試方法描述中可以看出，依托錨泊式海上試驗平臺，ROV性能測試過程中無需輔助船舶。在保證試驗人員以及測試儀器安全的前提下，可以對被測儀器進行實時、連續的測試。

3 結 論

錨泊式海上試驗平臺的投放與使用，為我國海上儀器設備的測試提供了權威、公平、便利化、低成本的海上試驗測試環境，數個國家重點研發計劃項目已在試驗場區依托海上試驗平臺進行設備試驗和測試。本文結合現有設備和已開展的試驗測試，探索并提出不同類型海洋儀器設備的試驗方法，具有較高的可行性與適用性。錨泊式海上試驗平臺可長期應用并服務于淺海綜合試驗場，有效促進我國海洋儀器設備的研發與技術成果轉化。