海底观测系统关键技术研究

为实现海底观测系统长期连续观测,设计一套基于水下接驳技术的的海底观测系统水槽工程样机,通过分析海底观测系统的体系结构,结合在研项目的技术经验,详细论述的开发过程中涉及到的海底观测系统关键技术如电能传输与转换技术、信息传输与管理技术、机电集成封装技术、状态监测与控制技术、防护结构的三防设计等关键技术,通过水槽试验,验证了海底观测系统工程样机可以在水槽环境下吃寻正常工作,并得到了具有指导意义的结论,为实现海况的海底观测网络的连续观测提供了技术支撑。     

海底原位在线观测节点电能管理系统设计

为了保证海底原位在线观测节点安全、稳定运行,研制了一套电能管理系统,该系统由电能分配模块、节能控制模块、参数采集模块、控制模块、故障隔离模块、管理软件模块组成。方案设计中首次采用含有现场可编程逻辑门阵列(FPGA)的嵌入式控制器,实现远程供电和管理、运行状态实时监控以及突发故障快速隔离。文中重点介绍了电能管理系统参数采集、电能分配、节能控制以及故障隔离等模块的硬件和软件设计。观测节点在蓬莱海域成功布放后,在两个月的试验期内电能管理系统稳定运行。海试结果证明,电能管理系统达到了功能设计要求。     

基于双冗余以太网通信的气象实时观测数据采集网络传输系统的设计与实现

随着以太网技术应用的日趋成熟,在海洋和大气观测领域,人们希望对传统不具备网络通讯能力的观测仪器进行智能化和网络节点化改造。设计和实现了一套气象实时观测数据采集与网络传输系统。该系统采用基于ARM的嵌入式系统集成设计方案,实现了对外部传感器实时观测数据的采集和以太网通信。作为多级网络系统中的一个网络节点,该采集传输系统采用双冗余以太网通信接口设计,使系统中的双路以太网在一路局部故障或线路受损时可以自动冗余切换。这一设计特点大幅提高了作为网络节点的数据采集传输系统在与外部其他设备通信时数据传输的可靠性。通过在以太网条件下,网络闭环控制运行试验等测试,证明所开发的气象实时观测数据采集网络传输系统运行稳定可靠,双冗余以太网接口切换正常,数据采集传输及时准确,可完全满足实际应用的需要。     

海底有缆观测站数据采集、管理系统设计与海底运行验证

文中设计了一套用于海底观测网的信息采集系统。提出了一种基于事件触发和定时驱动相结合的通过光网传送IP包的信息监控系统运行机制;提出了由岸站监控中心层、光传输主干层、海洋数据采集层组成的监控和信息采集监控系统总体构架;设计了通讯控制策略及自定义的通讯协议。采用该信息采集系统的海底观测网在试验海域进行了海底布放。经过8个月的海底连续运行,数据采集系统运行稳定,能够正确地采集海洋传感器和自身系统运行数据。     

海底有缆在线观测系统研究与应用综述

获取高质量海洋观测数据是维护国家安全和权益、保障人类生存与可持续发展、应对全球气候变化、开发利用海洋资源、防灾减灾等的重要基础。随着海底观测技术的发展,海底有缆观测已成为地球观测的第三个平台。通过借鉴国内外海底观测网的成熟技术,设计研发单节点海底有缆在线观测系统,主要包含海底观测、电力信息传输和陆上人机交互信息管理等三个子系统,具有高度可扩展性,可根据监测需求集成安装常用的各类海洋观测仪器和水下高清摄像头,从而实现海洋环境和水下生物资源的原位、长期、连续、稳定的在线观测。研发的海底有缆在线观测系统构造简单、扩展性强、经济成本低,已广泛应用于山东省海洋牧场观测网的海洋生态环境和渔业资源、辽东湾的冬季海冰、海洋牧场与海上风电的融合效应、河流入海口水质、海上溢油等不同领域的业务化监测中,为我国海洋生态环境保护与修复、海洋资源开发利用、海洋防灾减灾等提供了高质量的科学数据支撑。海底有缆在线观测系统是业务化海洋在线观测技术领域里的创新研究,具有重要科学意义和广泛应用前景。     

一种基于波浪能的海洋立体观测系统及应用

随着海洋波浪能发电技术的发展和成熟,其在海洋观测领域的应用受到关注和研究。自主设计并研制了一种集波浪能发电、海表/海底同步观测、实时4G 通信传输、远程无线控制于一体的海洋立体观测系统,于2021 年7 月在珠江口万山岛海域通过锚泊系留方式布放,开展海上波浪能供电和观测应用试验。海试期间连续获取了海底原位观测视频数据,以及海表波浪变化和波浪能发电参数等监测数据,并对波浪能发电电流、电压和功率进行了统计分析,讨论了波浪能发电水平受波浪变化的影响,分析了两者之间的相关性。试验结果表明：利用波浪能供电的海洋观测系统具备连续、长周期、全天候观测的优势和潜力,源源不断的波浪能可保障海洋观测系统的稳定观测和数据可靠传输,实现了海洋观测系统长期独立运行所需的绿色高效供能,验证了波浪能在海洋观测领域应用的可行性和先进性。     

基于双卫星智能通讯的船载水文气象系统设计

为了解决船载水文气象系统中北斗卫星信号不能全球覆盖和国外卫星通讯资费较高的矛盾,本文设计了一种以北斗卫星为主铱星为辅的智能实时船载水文气象系统,阐述了观测设备组成,双卫星智能传输模块的硬件电路设计、软件设计和数据通讯协议,陆地数据中心组成及管理软件接收处理北斗、铱星数据流程。并在实际项目中应用,通过对应用中的北斗、铱星数据到报率统计与分析,表明该系统的数据传输率,能够满足实际需求,即达到了有效降低数据通讯费用,又能保证数据安全、有效传输的目的,该系统可广泛应用于近海、远海的船舶海洋水文气象辅助观测。     

海底观测网技术进展与发展趋势

海底观测网络由于其特有的能源供给与信息传输优势,受到了广泛关注与重视。文中简要回顾了国内外海底观测网技术的发展现状,并就海底观测网技术发展趋势进行了探讨。     

可控源电磁发射系统运行参数实时监测技术

海洋可控源电磁(MCSEM)是应用地球物理方法探测海底油气资源的新方法,由于海上工作环境的特殊性,监测甲板温度、湿度以及船上装备的相关参数对安全、有效生产意义重大。基于对MCSEM生产工作和甲板工作模式的研究,设计了一套适用于MCSEM工作的甲板监控系统开发方法。主要是基于.NET Framework类库,应用C#和C++语言进行了监控软件的研发,设计了软件的网络结构、数据存储和用户界面,综合运用了Socket网络编程技术、多线程技术、ADO.NET数据库技术以及GDI+和OSG结合的显示技术,较好地实现了海洋可控源电磁勘探生产过程的监控。     

山东省GPS/MET实时监控报警系统

为了有效监控山东省气象部门GPS/MET数据的传输情况,及时发现资料传输异常情况并报警,开发了山东省GPS/MET资料实时监控报警系统。介绍了系统的设计思路、结构模型、流程图等。该系统结合实际工作及应用需求开发,可实现实时监控、文件查询、数据库查询等功能。     

海洋观测数据通信与管理系统标准化构想

近年来随着海洋事业的大力发展,在国家"863"计划和专项支持下,建立了多个区域性的海洋观测集成示范系统,并制定了多项海洋环境观测仪器设备标准,但目前尚未制定出针对海洋观测数据通信与管理系统的设计、建设、运行管理等相关标准和规范。文章针对海洋观测数据通信与管理系统的组成结构和实现流程分析了该系统标准化的实际需求,并以海洋观测数据通信与管理系统专业化、标准化、业务化为目标,提出了关于该系统标准化的初步构想并说明了其涉及的主要内容,为海洋观测数据通信与管理系统的标准化工作提供参考。     

海洋观测数据管理系统的设计与实现

针对我国目前海洋环境监测工作对海洋观测数据从人工到计算机智能化管理的实际需求,设计开发了一套切实可行的海洋观测数据管理系统。系统利用先进的计算机软件技术和数据库管理技术,整合了现有的观测设备数据,实现了海洋观测数据的智能化管理,有效降低了海洋观测系统的管理成本,同时系统为海洋信息动态发布网站提供了更多的数据信息和资源。系统在国家海洋局闽东海洋环境监测中心站试运行半年,稳定可靠,综合效益明显。现场应用表明,该系统较好的完成了预期任务,具有较大的推广价值和应用前景。     

坐底式潜标观测系统及其在天然气水合物区的试验性应用

为满足天然气水合物调查区对海底环境长期原位监测的需求,研发了坐底式潜标观测系统(海底观测基站),该系统是研究海底尤其是天然气水合物区海底环境特征的关键技术手段,可用于采集海底边界层位长期连续环境参数,评估天然气水合物开采可能引发的环境影响,为安全有效地使用天然气水合物资源提供科学依据。坐底式潜标观测系统采用坐底式设计,最大工作深度4 000m,搭载了甲烷、二氧化碳、温盐深、溶解氧、浊度计、透射计、声学多普勒剖面仪以及定点海流计等传感器,通过声学释放器丢弃抛载锚完成上浮回收。研制完成后,成功在南海北部陆坡区进行了试验性应用,顺利完成回收,并采集到试验站位海底边界层位预定观测的各海洋物理化学环境参数。本系统在水下连续工作时间不小于180天,并可根据需求增加电池仓,延长观测周期,使长期监测能力覆盖整个水合物开采周期,可对开采前、中、后海底甲烷的泄漏情况进行对比,并对甲烷的来源进行分析,具有重要的现实意义和良好的应用前景。     

基于CDMA的海岸带地下水自动监测系统

针对当前海岸带地下水监测现场分散、采集费用高、分析和信息发布滞后等问题,基于CDMA无线传输技术、传感器技术、计算机技术,研制了海岸带地下水自动监测系统。系统通过探头传感器实时获取海岸带地下水矿化度、温度、压力等监测数据,通过自主研发的监控主机获取站点位置、视频图像、传感器电量,并基于CDMA网络和CDMA DTU无线数传模块实现远程传输、自动解析存储,通过网络在线服务软件进行数据的发布共享、设备异常报警和远程操控。系统具有传输效率高、稳定可靠、成本低、扩展灵活等特点,已经在山东半岛地区进行了部署,满足了对海岸带地下水自动监测数字化和网络化要求,有效地提高了该地区海岸带地下水监测工作质量和效率,可以为海岸带地区地下水资源实时监测及管理提供服务。重点介绍了系统总体结构、无线传输方式、现场监测设备及远程监控平台,同时介绍了系统扩展性及安全性设计。     

国际海洋观测技术发展趋势与中国深海台站建设实践

20世纪80年代以来,海洋观测呈现"多元化、立体化、实时化"的发展趋势,地区和国家的海洋观测系统在关键海域发挥着重要作用。随着技术的发展和理念的创新,区域海洋观测系统被广泛应用并得到不断完善。国际海洋观测台站如英国爱尔兰海区域、美国卡罗来纳州海区和加拿大维多利亚海底实验观测网的多元化观测系统(VENUS)都是值得借鉴的例子,他们把多元化、立体化的实时测量数据与海洋物理、生态和生物化学模式紧密结合起来,实现了海洋环境的可预报性。同时,美国、英德法等国和日本实施的一系列海底观测系统,使海洋观测更加完备化。在这种国际大背景下,我国积极推进的海洋观测研究网络工程中的第一个深海台站——西沙海洋观测研究站在2008年已经建设完成并投入运行,该台站实现了长时效的多参数海洋环境实时监控。西沙观测系统主要包括自动气象站、岛屿外缘坐底式海底和海底边界层观测子系统、生物捕获器、西沙上层海洋环境观测子系统和海洋光学监测子系统等。由于海洋环境结构复杂、工作环境恶劣以及资源缺乏等因素的影响,海洋观测一直是高风险的工作。最后希望通过比较国内外观测系统,中国海洋观测事业能够学习国外先进的思路和技术,自身取得更大进步。     

自主式深海海底溶质通量原位观测站研究进展

针对深入了解深海海底界面的物理、化学和生物动态变化过程及机制的观测需求,综述了自主式海底观测站(着陆器,lander)在深海海底溶质通量监测的研究进展。探讨了海底观测站的设计与实施技术,分析总结了深海自主式原位观测站在沉积物-水界面化学组分通量的观测机理,讨论了自主式海底观测站的国内外发展现状。自主式海底观测站具有可灵活机动选择观测地点、操作简单、便于多参数综合测量的特点,为获取深海海底长时空尺度综合参数资料提供了有效的技术支撑。根据目前深海生物地球化学循环研究特点,提出了自主式海底观测站面临的问题与发展建议。     

基于PCA/LSTM的海底观测网电力系统 供电海缆故障定位

海底观测网电力系统供电海缆易发生绝缘故障,由于其在海底极端环境下运行,实现高精度的电缆故障定位,对于降低其维修成本至关重要。基于海底观测网电能监控系统实时采集的电气测量参数,本文提出了基于主成分分析(Principal Components Analysis, PCA)和长短期记忆(Long Short-Term Memory, LSTM)网络的供电海缆高阻故障定位方法,先使用PCA进行数据降维,再将处理后的数据输入LSTM网络进行训练,捕获多源数据的时间特征,挖掘电力系统故障特征与电气参数之间的对应关系,实现海缆故障精确定位。通过在海底观测网原型系统上的实验证明,该方法经K折交叉验证方法(K-fold Cross Validation, K-CV)验证,准确率可达91%左右,故障定位误差约为0.4 km。     

天津滨海新区风暴潮监测预报预警数据通讯网络设计与实现

首先概述了"天津滨海新区风暴潮监测预报预警技术与示范"项目的背景,然后介绍使用GPRS-APN数据传输网络和3G网络通讯技术实现测站观测数据和视频图像传输、控制功能,最后介绍了项目数据通讯网络的运行情况。     

海底三维声学图像实时处理系统设计

结合多核CPU硬件PC平台,设计了一种海底三维声学图像实时处理系统,主要包括声学前端信号处理子系统、数据传输控制子系统和PC客户端图像处理系统三个部分。声学前端信号处理子系统统根据接收到的多路声学换能器信号,通过两级FPGA信号处理,采集多通道水声信号,进行实时电子聚焦波束形成。为了解决海量声学数据快速传输问题,数据传输控制子系统未采用传统用户空间TCP/IP传输机制,而是直接通过嵌入式PowerPC处理器在Linux内核态采用DMA通道进行声学数据转发,减少系统调用和数据拷贝开销,有效提高网络传输效率。针对海量声学数据实时处理需求,PC客户端图像处理系统通过对复杂、耗时的单帧重建和数据拼接算法模块根据声学数据点的角度范围进行等分分割,对每个子范围声纳数据采用多线程并行处理,均衡多个CPU核之间负载,实现高性能三维声学图像实时处理。通过室内水池和湖试实验,结果表明该系统能够实时高效地进行三维声学图像采集、传输与处理。     

天然气水合物赋存区近海底环境原位观测系统集成与实现

天然气水合物资源将是21世纪最具潜力的洁净能源之一。对天然气水合物的勘探和试开采,必须对天然气水合物海底环境变化规律和试开采的环境效应先行研究。介绍了一种适用天然气水合物赋存地区而研发的海底环境原位观测系统,并对该观测系统的设计原则、系统组成及工作原理、系统的集成与实现等方面进行了详细阐述。该系统的应用将为天然气水合物海底环境变化规律研究和试开采环境效应研究提供可靠的原始数据,这是进行海底长时间原位观测的良好解决方案。