基于敏感測(cè)溫點(diǎn)的浮標(biāo)艙溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

齊勇，劉世萱，苗斌，張可可，鄭珊珊，張繼明，林航，張友權(quán)，劉建軍

(1.山東省海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266001;2.福建省海洋預(yù)報(bào)臺(tái)，福建 福州 350003;3.海洋石油工程(青島)有限公司，山東 青島 266555)

目前，在我國(guó)沿海海域服役的大型海洋浮標(biāo)已將近200套，而且正在呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)［1－2］。隨著浮標(biāo)網(wǎng)建設(shè)的擴(kuò)展和海上運(yùn)輸、捕撈活動(dòng)日益頻繁，經(jīng)常發(fā)生浮標(biāo)被撞、被盜等事故，以及由此造成的浮標(biāo)體進(jìn)水、電源短路以及設(shè)備燒毀等現(xiàn)象。實(shí)時(shí)掌握艙溫變化是保障浮標(biāo)安全運(yùn)行的重要技術(shù)之一，國(guó)內(nèi)外對(duì)該技術(shù)的相關(guān)研究較少。目前一般都采用粗略單點(diǎn)測(cè)溫的方法，該方法適用于小型浮標(biāo)或者只有一個(gè)艙室的浮標(biāo)，無(wú)法實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)大型浮標(biāo)不同艙室的溫度。以我國(guó)FZF3－1型大浮標(biāo)［3－4］為例，除了儀器艙以外，還有電池艙、桅桿筒和3個(gè)浮力艙，所有艙室機(jī)箱均為密封設(shè)計(jì)。其中，電池艙內(nèi)放置有多組蓄電池，儀器艙內(nèi)有配電機(jī)箱和采集機(jī)箱、通訊機(jī)箱等儀器設(shè)備。由于受到太陽(yáng)輻射、冰雪覆蓋、海浪侵襲以及設(shè)備發(fā)熱等影響，浮標(biāo)體同一艙室內(nèi)不同部位的溫度并不相同，而不同艙室、不同機(jī)箱內(nèi)溫度差異可能更大。一旦浮標(biāo)被撞，發(fā)生透水、設(shè)備短路等事故，將造成局部溫度的劇烈變化，傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)溫方法無(wú)法及時(shí)、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)上述問(wèn)題。因此，本文設(shè)計(jì)了一種基于敏感測(cè)溫點(diǎn)的浮標(biāo)艙遇監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大型浮標(biāo)體內(nèi)不同位置的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔美觀、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、易于安裝維護(hù)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Illustration of system structure

1 浮標(biāo)艙溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 工作原理

本文設(shè)計(jì)的浮標(biāo)艙溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基于網(wǎng)絡(luò)化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的設(shè)計(jì)思想，將溫度探頭布設(shè)在大浮標(biāo)內(nèi)的多個(gè)敏感測(cè)溫點(diǎn)上，組成測(cè)溫網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了浮標(biāo)艙溫由單點(diǎn)監(jiān)測(cè)到網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)的轉(zhuǎn)換。為使浮標(biāo)測(cè)溫系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，選用了具有單總線特性［5－10］和寄生電源供電技術(shù)［11］的溫度傳感器。在每個(gè)測(cè)溫點(diǎn)布設(shè)一枚溫度傳感器，用一條電纜將浮標(biāo)內(nèi)所有溫度傳感器串聯(lián)在一起，構(gòu)成單總線測(cè)溫鏈，將其掛接到浮標(biāo)采集系統(tǒng)的核心單元MCU上。這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、美觀，安裝方便。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。

圖1中電源模塊負(fù)責(zé)為系統(tǒng)供電，MCU為系統(tǒng)核心單元微控制器。1到N為溫度傳感器，將其埋設(shè)在大浮標(biāo)各個(gè)艙室內(nèi)的敏感測(cè)溫點(diǎn)處。敏感測(cè)溫點(diǎn)選擇浮標(biāo)內(nèi)部溫度敏感或關(guān)鍵區(qū)域，如通氣孔、配電機(jī)箱、采集機(jī)箱、通訊機(jī)箱內(nèi)部，浮標(biāo)艙門(mén)以及艙蓋附近等。為加強(qiáng)對(duì)浮標(biāo)電源的安全性監(jiān)測(cè)，給每一組蓄電池設(shè)置一個(gè)測(cè)溫點(diǎn)。MCU采集到的溫度數(shù)據(jù)，進(jìn)行編報(bào)、存儲(chǔ)，通過(guò)通訊模塊發(fā)送到浮標(biāo)岸站。

1.2 工作流程

圖2 系統(tǒng)工作流程圖Fig.2 The system flow chart

溫度傳感器在布設(shè)之前需要設(shè)置測(cè)溫高溫限TH和低溫限TL，進(jìn)行測(cè)溫時(shí)由微控制器依次向各測(cè)溫點(diǎn)發(fā)送溫度采集命令。溫度傳感器收到命令自動(dòng)開(kāi)始溫度轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果通過(guò)單總線傳送到微控制器進(jìn)行處理。當(dāng)某個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的溫度超限，立即發(fā)送報(bào)警信號(hào)。MCU檢測(cè)到報(bào)警信號(hào)后，判斷溫度異常測(cè)溫點(diǎn)，同時(shí)再讀取一次所有傳感器的溫度［12－14］，確定故障后向浮標(biāo)岸站發(fā)送報(bào)警信息。造成故障報(bào)警的原因有兩個(gè):一是溫度傳感器故障，二是極端天氣或事故導(dǎo)致數(shù)據(jù)超限。對(duì)于高溫限TH和低溫限TL，根據(jù)浮標(biāo)環(huán)境信息動(dòng)態(tài)設(shè)定，使之處于一個(gè)動(dòng)態(tài)的合理范圍，出現(xiàn)異常溫度及時(shí)報(bào)警，方便對(duì)浮標(biāo)測(cè)溫網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)控。岸站收到有效數(shù)據(jù)后，還要將同時(shí)刻的所有測(cè)溫點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，如果發(fā)現(xiàn)某個(gè)測(cè)溫點(diǎn)數(shù)據(jù)明顯異常，則進(jìn)行定位提示，便于管理人員及早發(fā)現(xiàn)和及時(shí)處理。系統(tǒng)工作流程圖見(jiàn)圖2。

2 系統(tǒng)框圖

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)框圖如圖3所示，CPU作為核心控制器。T1～Tn為n個(gè)溫度傳感器，通過(guò)單總線分別布設(shè)于浮標(biāo)內(nèi)設(shè)定的敏感測(cè)溫點(diǎn)。寄生電源與CPU和單總線連接，負(fù)責(zé)給總線供電。系統(tǒng)電源負(fù)責(zé)給整個(gè)艙溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)供電，CPU對(duì)艙溫進(jìn)行采集計(jì)算后，先將結(jié)果保存到外部存儲(chǔ)器中，然后通過(guò)通訊設(shè)備傳輸?shù)桨墩尽?/p>

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

將本文設(shè)計(jì)的艙溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝于某大浮標(biāo)上，進(jìn)行海試。分別在浮力艙、電池倉(cāng)、儀器艙和桅桿筒內(nèi)的溫度敏感點(diǎn)布設(shè)溫度傳感器，其中電池倉(cāng)測(cè)溫點(diǎn)位于蓄電池組附近。浮力艙1、浮力艙2、浮力艙3分別表示3個(gè)浮力艙。正常情況下，每一個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的溫度變化趨勢(shì)一致，但溫度值會(huì)有±2℃左右的差異，并且這個(gè)差異隨時(shí)間變化。但在突發(fā)電池短路、浮標(biāo)體透水等事故時(shí)，局部艙溫將發(fā)生驟變，抓住這個(gè)溫度驟變過(guò)程可以有效地進(jìn)行事故原因研判和過(guò)程分析反演。圖4為該浮標(biāo)接收到的某事故時(shí)段的溫度數(shù)據(jù)。

由數(shù)據(jù)分析可知，事故發(fā)生當(dāng)日22:10，位于浮標(biāo)電池組附近的敏感測(cè)溫點(diǎn)的溫度從－2.5℃上升到2.6℃，10min之內(nèi)升高了 5.1℃。22:30，溫度降到 －0.1 ℃。22:40，溫度降到 －1.5 ℃，22:50降到－2.4℃，此后逐漸恢復(fù)正常水平。分析這一溫度突變的過(guò)程，判斷很可能是浮標(biāo)遭到大船撞擊，小平臺(tái)受損，部分太陽(yáng)能板全部或部分脫落，導(dǎo)致電池組短路，引起電源纜發(fā)熱熔化，甚至可能發(fā)生蓄電池爆炸。結(jié)合浮標(biāo)的其他數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合研判，進(jìn)一步支持了上述結(jié)論。后經(jīng)調(diào)查，該浮標(biāo)于當(dāng)日夜間22:00遭到萬(wàn)噸貨輪撞擊，傳感器系統(tǒng)和電源系統(tǒng)均遭嚴(yán)重破壞。電池組發(fā)生短路，多節(jié)電池爆裂，電源纜燒毀，電池艙壁有煙熏痕跡。事故發(fā)生后浮標(biāo)自動(dòng)切換備用電源繼續(xù)工作，岸站繼續(xù)接收部分正常數(shù)據(jù)。

本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為事故處理工作提供了證據(jù)，同時(shí)，也證明了對(duì)浮標(biāo)艙溫進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測(cè)的研究意義和應(yīng)用價(jià)值。如果使用傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)溫系統(tǒng)將無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到本次事故，更無(wú)法對(duì)異常測(cè)溫點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確定位。

圖3 艙溫檢測(cè)系統(tǒng)框圖Fig.3 Block diagram of tank temperature monitoring system

圖4 某大型浮標(biāo)艙溫?cái)?shù)據(jù)Fig.4 Tank temperature data of a large－scale buoy

4 結(jié)論

基于敏感測(cè)溫點(diǎn)的浮標(biāo)艙溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)在大浮標(biāo)各個(gè)艙室內(nèi)設(shè)定一系列敏感測(cè)溫點(diǎn)，能夠全面監(jiān)測(cè)浮標(biāo)的艙溫信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)多種事故早發(fā)現(xiàn)、早應(yīng)對(duì)。與傳統(tǒng)的單點(diǎn)定位測(cè)溫方式相比，該設(shè)計(jì)既可以得到更為豐富精細(xì)的溫度數(shù)據(jù)，又可以方便地組成簡(jiǎn)單、可靠、低成本、高精度的測(cè)溫網(wǎng)絡(luò)［15］，因此在大型浮標(biāo)艙溫測(cè)量領(lǐng)域具有顯著的優(yōu)勢(shì)。

本文是對(duì)網(wǎng)絡(luò)化艙溫監(jiān)測(cè)的一次嘗試，在測(cè)溫點(diǎn)的布設(shè)、傳感器封裝、測(cè)溫網(wǎng)的密度和采集頻率等方面還需要進(jìn)一步的研究。后續(xù)工作將對(duì)每一節(jié)蓄電池進(jìn)行定位跟蹤監(jiān)測(cè)，使浮標(biāo)電源系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)更加精確。另外還計(jì)劃在該系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，將測(cè)溫網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展到浮標(biāo)的氣溫和水溫監(jiān)測(cè)，形成一套獨(dú)立完整的網(wǎng)絡(luò)化浮標(biāo)水氣艙溫測(cè)系統(tǒng)。

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