港口岸線水環(huán)境多參數(shù)剖面監(jiān)測(cè)及預(yù)警技術(shù)的應(yīng)用

張美燕，蔡文郁, 周莉萍

(1.浙江水利水電學(xué)院 電氣工程學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.杭州電子科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，浙江 杭州 310018)

0 引 言

港口岸線是指已有港區(qū)、規(guī)劃港區(qū)和其他用于港航設(shè)施建設(shè)的一定范圍的水域與陸域[1-3].港口岸線是港口建設(shè)的基礎(chǔ)性資源，是國(guó)家的寶貴戰(zhàn)略資源.港口岸線是不可再生的稀缺資源，也是港口經(jīng)濟(jì)發(fā)展的生命線，對(duì)于海洋資源的開發(fā)與保護(hù)要從對(duì)港口岸線的開發(fā)與保護(hù)開始.港口岸線的水環(huán)境多參數(shù)實(shí)時(shí)剖面監(jiān)測(cè)及預(yù)警技術(shù)可以完善海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)體系、防災(zāi)減災(zāi)預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)、重大海洋污染事件應(yīng)急處理機(jī)制等，因此具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義[2].

港口岸線水環(huán)境剖面監(jiān)測(cè)技術(shù)作為現(xiàn)代海洋開發(fā)的技術(shù)基礎(chǔ)，是我國(guó)海洋高新技術(shù)的重要組成部分，在數(shù)字化港口經(jīng)濟(jì)開發(fā)、近海污染防治及災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警等領(lǐng)域均具有重要的先行基礎(chǔ)地位.目前我國(guó)大部分的港口岸線水環(huán)境參數(shù)主要依靠船載拖曳式或周期式采集海洋表層或有限水層要素?cái)?shù)據(jù)的方式獲取，對(duì)水文、生態(tài)等評(píng)估都是只在一個(gè)階段時(shí)間進(jìn)行的，幾乎沒有什么有效的技術(shù)手段來(lái)獲取海洋垂直剖面任意水層連續(xù)、實(shí)時(shí)序列觀測(cè)數(shù)據(jù)，而僅僅依靠短期表層或有限水層的要素?cái)?shù)據(jù)難以對(duì)我國(guó)廣闊海域的物理、生物、化學(xué)環(huán)境等多方面狀況進(jìn)行深入了解，無(wú)法在對(duì)港口岸線評(píng)估、規(guī)劃、開發(fā)和利用的全過(guò)程中實(shí)現(xiàn)水環(huán)境多參數(shù)剖面監(jiān)測(cè)，也不能適應(yīng)我國(guó)海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展和防災(zāi)減災(zāi)的需要.在港口岸線開發(fā)利用過(guò)程中，也無(wú)法對(duì)潛在的危險(xiǎn)和危害進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警，因此無(wú)法滿足“智慧海洋”的建設(shè)預(yù)期.因此，如何實(shí)時(shí)、自動(dòng)、便捷地獲取港口岸線垂直剖面的水環(huán)境要素?cái)?shù)據(jù)已成為我國(guó)海洋環(huán)境立體監(jiān)測(cè)中的關(guān)鍵技術(shù)難題.本文提出了一種港口岸線水環(huán)境多參數(shù)剖面監(jiān)測(cè)及預(yù)警技術(shù)集成的完整系統(tǒng)，

1 相關(guān)研究綜述

目前國(guó)內(nèi)外獲取海洋環(huán)境垂直剖面數(shù)據(jù)主要采用ARGO浮標(biāo)和定點(diǎn)浮標(biāo)方式.ARGO(Array for Real-time Geostrophic Oceanography)浮標(biāo)即地轉(zhuǎn)海洋學(xué)實(shí)時(shí)觀測(cè)陣，是全球海洋觀測(cè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)計(jì)劃(Global Ocean Observing System, GOOS)中的一個(gè)針對(duì)深海區(qū)溫鹽結(jié)構(gòu)觀測(cè)的子計(jì)劃.ARGO觀測(cè)系統(tǒng)因其特有的優(yōu)勢(shì)而被世界各國(guó)海洋學(xué)家廣泛應(yīng)用，目前大部份的海洋垂直剖面觀測(cè)資料均來(lái)源于此系統(tǒng).每個(gè)ARGO浮標(biāo)借助液壓動(dòng)力改變浮標(biāo)自身體積以便在0～2 000 m深的海水中下沉與上浮，浮標(biāo)上配有多個(gè)傳感器，在上浮過(guò)程中可以進(jìn)行剖面測(cè)量.但是ARGO也有一定的應(yīng)用局限性：首先，ARGO浮標(biāo)是隨波逐流式探測(cè)，不能實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)探測(cè)，因而難以獲得指定觀測(cè)點(diǎn)長(zhǎng)期變化的環(huán)境觀測(cè)數(shù)據(jù)；其次，ARGO浮標(biāo)采用拋棄式設(shè)計(jì)，使用后無(wú)法回收，因而其使用成本很高，每個(gè)ARGO浮標(biāo)的平均費(fèi)用約為3萬(wàn)美元，并且為了控制成本，ARGO浮標(biāo)一般只能攜帶低成本的傳感器；再次，ARGO浮標(biāo)有嚴(yán)格的載重限制，很多自動(dòng)原位檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用都受到限制，特別是針對(duì)生物和化學(xué)參數(shù)的原位檢測(cè)技術(shù).

定點(diǎn)浮標(biāo)方案通過(guò)在定點(diǎn)布放的浮標(biāo)(或潛標(biāo))上懸掛鏈狀傳感器方式實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋垂直剖面環(huán)境參數(shù)的獲取.國(guó)際上定點(diǎn)浮標(biāo)系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于海洋調(diào)查、科學(xué)研究、軍事活動(dòng)、海洋開發(fā)等多個(gè)領(lǐng)域.由于鏈狀傳感器在水下展開時(shí)，其上的每個(gè)傳感器均位于不同的深度，將每一個(gè)傳感器獲取的環(huán)境參數(shù)結(jié)合起來(lái)就構(gòu)成了離散的垂直剖面參數(shù).由于其特有的優(yōu)勢(shì)，定點(diǎn)浮標(biāo)是目前使用最為廣泛的獲取海洋垂直剖面環(huán)境數(shù)據(jù)的方法，但是如何利用定點(diǎn)浮標(biāo)實(shí)時(shí)、可靠、便捷地獲取多個(gè)水下傳感器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn).傳統(tǒng)獲取水下傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的方法有兩種：自容式存儲(chǔ)方式和水聲通信傳輸方式，自容式存儲(chǔ)無(wú)法實(shí)現(xiàn)水下傳感器數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)獲取，水聲通信機(jī)價(jià)格異常昂貴，而且由于水聲信道是一個(gè)十分復(fù)雜的隨機(jī)多徑信道，存在著信道噪聲大、通信帶寬狹窄、傳播速率低、起伏和傳輸時(shí)延大等諸多不利因素，所以水聲通信帶寬非常小，水聲通信延時(shí)和延時(shí)抖動(dòng)非常大，因此利用水聲通信傳輸方式獲取多個(gè)水下傳感器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)也是不實(shí)用的.美國(guó)YSI公司的水質(zhì)垂直剖面自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是目前最為成功的淺海水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(見圖1)，利用太陽(yáng)能和蓄電池供電，可自動(dòng)監(jiān)測(cè)目標(biāo)水域中0～100 m不同水層的水質(zhì)狀況和風(fēng)向情況，包括溫度、電導(dǎo)率、鹽度、酸堿度、氧化還原電位、溶解氧、濁度、葉綠素、藍(lán)綠藻等水質(zhì)參數(shù)，但是該產(chǎn)品無(wú)法實(shí)現(xiàn)不同水深剖面的同時(shí)長(zhǎng)期實(shí)時(shí)觀測(cè)，而且進(jìn)口整套系統(tǒng)的價(jià)格異常昂貴.國(guó)外的Seabird公司研制了一種基于Inductive Moorings原理的水下傳感數(shù)據(jù)獲取技術(shù)(見圖2)，該技術(shù)在傳統(tǒng)耦合感應(yīng)傳輸(ICL)[4]的基礎(chǔ)上進(jìn)行了擴(kuò)展，具有傳輸穩(wěn)定、使用方便、可操作性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但是由于核心技術(shù)掌握在發(fā)達(dá)國(guó)家手里，技術(shù)壟斷價(jià)格異常昂貴.

圖1 美國(guó)YSI公司的水質(zhì)垂直剖面自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

圖2 Seabird錨系耦合鏈通信裝置

針對(duì)港口岸線或特定的近海海域，獲取定點(diǎn)的、長(zhǎng)期的、實(shí)時(shí)的水體表層以下垂直剖面的環(huán)境參數(shù)信息，目前還不存在高效穩(wěn)定并且成本較低的可行方案.本文利用風(fēng)光互補(bǔ)能源供給、非接觸式耦合通信、無(wú)線多跳中繼通信等幾種先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行集成創(chuàng)新，研制了一種基于風(fēng)光互補(bǔ)供電的港口岸線水環(huán)境多參數(shù)實(shí)時(shí)剖面鏈監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng).

2 系統(tǒng)構(gòu)架

基于耦合鏈通信的港口岸線水環(huán)境多參數(shù)剖面鏈實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)(見圖3).港口岸線不同深度剖面的水環(huán)境多參數(shù)傳感器數(shù)據(jù)通過(guò)耦合數(shù)據(jù)采集傳輸模塊進(jìn)行高速實(shí)時(shí)多路采集，然后將信號(hào)耦合到塑包纜，利用海水耦合通信方式將傳感數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)搅硪粋€(gè)耦合數(shù)據(jù)采集傳輸模塊，最后通過(guò)電纜將數(shù)據(jù)傳輸?shù)礁?biāo)平臺(tái).浮標(biāo)平臺(tái)利用風(fēng)光互補(bǔ)供電作為能源系統(tǒng)，利用自行研制的風(fēng)光互補(bǔ)控制器實(shí)現(xiàn)浮標(biāo)系統(tǒng)的能量管理，為浮標(biāo)平臺(tái)無(wú)線通信模塊、GPS模塊和處理模塊等提供電能.浮標(biāo)平臺(tái)接收到的數(shù)據(jù)通過(guò)陸地?zé)o線中繼站進(jìn)行多跳中繼，遠(yuǎn)程傳輸?shù)桨痘鶖?shù)據(jù)服務(wù)端，浮標(biāo)平臺(tái)與陸地?zé)o線中繼站之間采用射頻通信技術(shù).下文將對(duì)本系統(tǒng)中關(guān)鍵技術(shù)及部件進(jìn)行詳細(xì)描述.

2.1 基于耦合鏈通信的數(shù)據(jù)采集耦合傳輸系統(tǒng)

由于海水的高鹽度導(dǎo)致海水電導(dǎo)率較大，因此塑包纜兩端裸露浸入海水后便形成了一個(gè)大的導(dǎo)電回路(見圖4)，在發(fā)送端交變的信號(hào)(即發(fā)送數(shù)據(jù)的調(diào)制信號(hào))加到線圈時(shí)，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，在磁環(huán)中產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)，交變的磁場(chǎng)在海水耦合鏈回路中產(chǎn)生交變的電流，接收端根據(jù)交變的電流可以感應(yīng)出磁環(huán)中交變的磁場(chǎng)，交變的磁場(chǎng)感應(yīng)交變的電流波形，由此接收端就可獲得發(fā)送端數(shù)據(jù)，這就是基于海水耦合鏈進(jìn)行無(wú)接觸式數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕驹?本項(xiàng)目中接收端和發(fā)送端采用具有相同硬件結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)采集耦合傳輸模塊，負(fù)責(zé)海洋多參數(shù)傳感數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲(chǔ)和耦合傳輸.由于DPSK調(diào)制的抗干擾噪聲性能及通頻帶的利用率均優(yōu)先于ASK和FSK，因此根據(jù)海洋電磁傳播環(huán)境的特點(diǎn)，本方案中選擇以差分移相調(diào)制(DPSK)[5]作為耦合鏈通信的調(diào)制方式，并利用高速FPGA實(shí)現(xiàn)信號(hào)調(diào)制與處理，數(shù)據(jù)耦合傳輸模塊結(jié)構(gòu)框圖(見圖5).

圖3 港口岸線水環(huán)境1多參數(shù)剖面鏈實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)

圖4 利用海水耦合實(shí)現(xiàn)非接觸式通信的技術(shù)原理

圖5 數(shù)據(jù)耦合傳輸模塊結(jié)構(gòu)框圖

2.2 水下嵌入式低功耗多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

水下嵌入式低功耗多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(見圖6).信號(hào)調(diào)理模塊、多串口擴(kuò)展模塊、耦合通訊模塊、自檢報(bào)警模塊、存儲(chǔ)模塊、IO驅(qū)動(dòng)模塊主要采用硬件手段開發(fā)；采集處理模塊、協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊、任務(wù)調(diào)度模塊、RTC模塊主要采用軟件方式實(shí)現(xiàn).嵌入式數(shù)據(jù)采集耦合傳輸模塊是實(shí)現(xiàn)耦合鏈通信的關(guān)鍵，由于水下系統(tǒng)必須采用蓄電池供電方式，所以在小型化數(shù)據(jù)采集耦合傳輸模塊的前提下還要盡量降低其功耗水平.本方案中采用MSP430微功耗單片機(jī)作為處理器，實(shí)現(xiàn)水下系統(tǒng)的微功耗，最大限度延長(zhǎng)使用周期.

圖6 水下嵌入式系統(tǒng)框圖

2.3 風(fēng)光互補(bǔ)浮標(biāo)電源智能管理系統(tǒng)

通過(guò)對(duì)港口岸線應(yīng)用場(chǎng)景的調(diào)研，選擇合適功率的風(fēng)機(jī)、太陽(yáng)能電板和蓄電池，自行研制了風(fēng)光互補(bǔ)供電控制器，通過(guò)風(fēng)光互補(bǔ)供電控制器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)和太陽(yáng)能板聯(lián)合供電的協(xié)調(diào)優(yōu)化，為整個(gè)浮標(biāo)系統(tǒng)提供安全智能的能源管理.風(fēng)光互補(bǔ)供電控制器可以控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)和太陽(yáng)能電池對(duì)蓄電池進(jìn)行安全高效的充電，以滿足對(duì)港口岸線進(jìn)行長(zhǎng)期不間斷監(jiān)測(cè)的需要，岸基數(shù)據(jù)服務(wù)端還可以對(duì)浮標(biāo)系統(tǒng)的供電情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控.本文研制的風(fēng)光互補(bǔ)控制器擬采用最大功率點(diǎn)跟蹤方式(MPPT)[6]控制風(fēng)機(jī)和太陽(yáng)能板對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(見圖7)，同時(shí)設(shè)計(jì)太陽(yáng)能電池防反沖、太陽(yáng)能電池防反接、蓄電池過(guò)充電、蓄電池過(guò)放電、負(fù)載短路、過(guò)載、防雷、風(fēng)機(jī)限流、風(fēng)機(jī)自動(dòng)剎車等保護(hù)功能，保證整體系統(tǒng)的長(zhǎng)期可靠運(yùn)行.所用的太陽(yáng)能電池仿真U-I與P-U曲線(見圖8).

圖7 浮標(biāo)系統(tǒng)風(fēng)光互補(bǔ)控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖8 太陽(yáng)能電池仿真U-I與P-U曲線

2.4 測(cè)浮標(biāo)通信距離延伸的無(wú)線多跳中繼站系統(tǒng)

本項(xiàng)目中無(wú)線通信擬采用Digi公司的Xtend無(wú)線發(fā)射模塊，傳輸距離40—50Km，通過(guò)2跳后最大傳輸距離可達(dá)80—100Km，能夠滿足一般情況下的數(shù)據(jù)覆蓋限制.無(wú)線中繼站借鑒無(wú)線Zigbee路由協(xié)議，將接收到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行本地緩存，依靠數(shù)據(jù)包的地址信息將數(shù)據(jù)包向下一個(gè)無(wú)線中繼站轉(zhuǎn)發(fā)，在遇到數(shù)據(jù)發(fā)送故障時(shí)還可以將本地緩存的數(shù)據(jù)進(jìn)行重發(fā).同時(shí)無(wú)線路由協(xié)議必須實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的糾錯(cuò)和重發(fā)功能，以實(shí)現(xiàn)高效可靠的無(wú)線數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程采集.在無(wú)線多跳路由協(xié)議設(shè)計(jì)上，考慮多個(gè)無(wú)線中繼站之間的無(wú)縫切換，即使監(jiān)測(cè)浮標(biāo)出現(xiàn)無(wú)線覆蓋區(qū)域的變化，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)仍能可靠地傳輸?shù)椒?wù)端.通過(guò)在港口岸線設(shè)置幾個(gè)固定的無(wú)線中繼站，監(jiān)測(cè)浮標(biāo)只需在任意一個(gè)無(wú)線中繼站的通信覆蓋范圍內(nèi)，就能將傳感數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)綌?shù)據(jù)服務(wù)端.由于監(jiān)測(cè)浮標(biāo)一般固定在港口岸線的河床上，可移動(dòng)的范圍不大，因此依靠幾個(gè)固定在岸基的無(wú)線中繼站就可以實(shí)現(xiàn)浮標(biāo)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸.

3 實(shí)物結(jié)果

本系統(tǒng)中所涉及的主要模塊、部件實(shí)物圖以及監(jiān)測(cè)軟件界面(見圖9).

圖9 海洋監(jiān)測(cè)浮標(biāo)海試

4 結(jié) 語(yǔ)

本文研制了一種適用于港口岸線應(yīng)用場(chǎng)景的水環(huán)境多參數(shù)剖面鏈實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)，為我省港口岸線的科學(xué)監(jiān)測(cè)、合理利用與實(shí)時(shí)保護(hù)提供一種實(shí)用方案和成熟產(chǎn)品.港口岸線水環(huán)境多參數(shù)剖面鏈實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用非常廣泛，可應(yīng)用于我國(guó)近海資源探測(cè)和海洋水體調(diào)查監(jiān)測(cè)、近海岸與河流污染監(jiān)測(cè)及災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)警、近海漁業(yè)養(yǎng)殖細(xì)粒度監(jiān)測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域.

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