海洋儀器測試海區(qū)綜合環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)

姜靜波 , 王 鑫, 于 非 ,

(1. 中國科學(xué)院海洋研究所, 山東 青島 266071; 2. 中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049; 3. 中國科學(xué)院海洋大科學(xué)研究中心, 山東 青島 266071; 4. 國家海洋技術(shù)中心, 天津 300112; 5. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點國家實驗室海洋動力過程與氣候功能實驗室, 山東 青島 266237; 6. 中國科學(xué)院海洋環(huán)流與波動重點實驗室, 山東青島 266071)

由于海洋儀器設(shè)備通常工作于復(fù)雜的海洋環(huán)境(如高海況、高低溫、濕熱、霉菌、振動沖擊、腐蝕、高壓等嚴(yán)酷條件), 在海洋儀器裝備產(chǎn)業(yè)化和業(yè)務(wù)化應(yīng)用過程中, 實海況測試是對海洋儀器設(shè)備的可靠性、環(huán)境適應(yīng)性等進(jìn)行客觀評價的重要依據(jù),是檢驗設(shè)備和技術(shù)是否達(dá)到預(yù)定成果的終極途徑,是海洋高技術(shù)由實驗室走向?qū)嶋H應(yīng)用必不可少的重要環(huán)節(jié)。

當(dāng)前, 歐美等海洋發(fā)達(dá)國家在海洋儀器設(shè)備的現(xiàn)場測試技術(shù)研究方面總體處于世界領(lǐng)先地位。美國在蒙特雷灣建立了蒙特雷加速研究系統(tǒng)(Monterey Accelerated Research System), 為進(jìn)入美國海洋觀測網(wǎng)的海洋儀器與裝備提供易接入的、深海試驗與測試平臺, 并為研究人員在 MARS觀測系統(tǒng)附近開展物理、生物、地質(zhì)和化學(xué)觀測提供幫助; 加拿大在薩尼奇灣建立了海洋技術(shù)試驗場(Ocean Technology Test Bed), 幫助研究人員開展科學(xué)儀器原型設(shè)計、海洋技術(shù)開發(fā)和系統(tǒng)工程。

為了推進(jìn)海洋新技術(shù)盡快向產(chǎn)品轉(zhuǎn)化, 國家非常重視海洋儀器設(shè)備海上試驗場區(qū)或基地的建設(shè)。山東威海褚島海域憑借其自身優(yōu)良條件入選我國近海海洋儀器裝備實驗場。作為代表性的試驗場區(qū), 需要對本區(qū)域水文氣象、生物化學(xué)、底質(zhì)等環(huán)境信息進(jìn)行搜集和調(diào)查, 為海洋儀器設(shè)備的測試與評價工作提供翔實的環(huán)境背景數(shù)據(jù)。

本文提出一種在褚島海域搜集和管理環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)的研究方法, 在對測試試驗海域環(huán)境信息數(shù)據(jù)和精細(xì)化調(diào)查數(shù)據(jù)收集和深入分析的基礎(chǔ)上,實時掌握海域環(huán)境背景場的時空分布特征和變化規(guī)律, 開展數(shù)據(jù)查詢、統(tǒng)計等技術(shù)研究, 建立環(huán)境數(shù)據(jù)信息管理系統(tǒng), 實現(xiàn)各類海洋環(huán)境數(shù)據(jù)信息的有效管理, 服務(wù)于海洋儀器的測試與評價工作。

1 海域監(jiān)測站點布局設(shè)計及觀測內(nèi)容

監(jiān)測海區(qū)以褚島為基準(zhǔn), 一共建立了 6套監(jiān)測單元, 其中標(biāo)準(zhǔn)氣象站、驗潮站、多參數(shù)浮標(biāo)、波浪浮標(biāo)各1套, 海床基水下觀測平臺2套, 所有監(jiān)測單元均按照相關(guān)行業(yè)規(guī)范進(jìn)行布設(shè)。岸上設(shè)有陸基監(jiān)測平臺, 用于在線接收海區(qū)內(nèi)各單元傳回的實時數(shù)據(jù)。監(jiān)測單元布局圖如圖1所示。

圖1 海區(qū)監(jiān)測單元布局示意圖Fig. 1 Position of the marine monitoring units

氣象站建于褚島的制高點, 海拔 68 m, 架設(shè)風(fēng)速風(fēng)向傳感器、溫濕度傳感器、氣壓傳感器、降雨量傳感器、能見度傳感器, 收集整個海區(qū)的綜合氣象資料; 褚島東側(cè)建立驗潮站, 常年觀測海區(qū)潮位的信息; 多參數(shù)浮標(biāo)集成了小型海面綜合氣象站, 水下溫鹽深傳感器、水質(zhì)傳感器、化學(xué)傳感器, 獲取海區(qū)海面水層的水文水質(zhì)要素; 測波浮標(biāo)用于測量海區(qū)的波高、波向、波周期等波浪要素; 海床基水下觀測平臺為座底式系統(tǒng), 集成了多普勒剖面流速儀、溫鹽深傳感器、水質(zhì)傳感器, 獲取海區(qū)的剖面流速流向、海底處水文水質(zhì)要素。海島氣象站、多參數(shù)浮標(biāo)、測波浮標(biāo)所測量的數(shù)據(jù)通過北斗和CDMA網(wǎng)絡(luò)并行發(fā)送給陸基監(jiān)測平臺, 2臺海床基水下觀測平臺通過水下電纜將采集的信號傳送至驗潮站, 驗潮站的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接收到上述信號后, 連同本身采集的潮位信息, 一起通過北斗和 CDMA網(wǎng)絡(luò)并行發(fā)送給陸基監(jiān)測平臺, 精細(xì)化人工現(xiàn)場測量每季度開展一次, 主要完溫鹽、水質(zhì)等要素的走航式斷面調(diào)查,獲取的數(shù)據(jù)將以人工方式導(dǎo)入到陸基監(jiān)測平臺的數(shù)據(jù)庫中。功能框圖如圖2所示。

圖2 監(jiān)測系統(tǒng)整體功能框圖Fig. 2 Functional block diagram of the monitoring system

為做到監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時傳輸, 凡傳輸終端位于海面以上的站點, 均采用北斗網(wǎng)絡(luò)和CDMA網(wǎng)絡(luò)雙鏈路傳輸方式。北斗衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣闊, 可實現(xiàn)中國境內(nèi)的全覆蓋, 但受制于單次傳輸有限的數(shù)據(jù)量, 要實現(xiàn)大規(guī)模數(shù)據(jù)的傳輸, 通常需要分多個數(shù)據(jù)包完成傳輸, 需耗時數(shù)分鐘, 且資費較高; CDMA網(wǎng)絡(luò)資費低廉, 可實現(xiàn)單個數(shù)據(jù)包一次性傳輸完畢,但受制于陸地基站的建設(shè), 很多海區(qū)無CDMA網(wǎng)絡(luò),并且部分信號覆蓋海區(qū)受天氣影響, 相同地點在不同天氣條件下, 信號強(qiáng)度會有明顯差異。兩種傳輸方式各有利弊, 將其并行使用, 可以最大限度的保障數(shù)據(jù)的傳輸時效和完整率。表 1給出了兩種網(wǎng)絡(luò)各自的無線傳輸特征。

2 海域環(huán)境數(shù)據(jù)信息管理

測試試驗海域環(huán)境數(shù)據(jù)信息管理分為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用、數(shù)據(jù)可視化4個有機(jī)結(jié)合的功能模塊。

表1 北斗網(wǎng)絡(luò)和CDMA網(wǎng)絡(luò)無線傳輸特征表Tab. 1 Data transmission characteristics between BeiDou and CDMA networks

(1) 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。對測試試驗海域歷史數(shù)據(jù)、實時監(jiān)測數(shù)據(jù)、模擬與預(yù)報數(shù)據(jù)的存儲、安全訪問控制和備份等基本數(shù)據(jù)管理功能。

(2) 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制功能模塊。研究試驗場相關(guān)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法, 完成方法的軟件封裝, 建立數(shù)據(jù)質(zhì)量控制功能模塊, 在實測數(shù)據(jù)進(jìn)入基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫前,對數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾與篩查, 剔除無效數(shù)據(jù), 保證入庫數(shù)據(jù)質(zhì)量。

(3) 數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用功能模塊?；诨A(chǔ)數(shù)據(jù)庫,建立數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用功能模塊, 實現(xiàn)各測試試驗過程中所需的環(huán)境參數(shù)的統(tǒng)計分析和圖件繪制, 實現(xiàn)環(huán)境參數(shù)的多條件查詢與導(dǎo)出。

(4) 數(shù)據(jù)可視化功能模塊。基于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫, 應(yīng)用 GIS 技術(shù), 針對測試試驗需求, 建立數(shù)據(jù)可視化功能模塊, 實現(xiàn)覆蓋全測試試驗海域和全部數(shù)據(jù)信息的可視化展示。

數(shù)據(jù)信息綜合管理平臺由前端的人機(jī)交互界面和服務(wù)器端后臺數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)構(gòu)成, 整體上基于C/S 架構(gòu), 將上述4個功能模塊整合在一起。所有的站點采樣數(shù)據(jù)會以加密的字符串形式每小時通過無線網(wǎng)絡(luò)傳送至與服務(wù)器的網(wǎng)路端口, 數(shù)據(jù)庫管理程序?qū)⒆址饷芎? 完成各個觀測要素數(shù)據(jù)的智能解析與入庫操作。用戶或管理人員只需通過前端界面向服務(wù)器端提出請求, 利用分級秘鑰獲取服務(wù)器端返回的結(jié)果, 可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的查詢、檢索和管理。圖3給出了數(shù)據(jù)信息管理系統(tǒng)示意圖。

圖3 數(shù)據(jù)信息管理系統(tǒng)示意圖Fig. 3 Schematic of the data information management system

3 陸基綜合監(jiān)測平臺

綜合環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)站點眾多, 數(shù)據(jù)需要集中匯總到陸基數(shù)據(jù)庫, 并在陸基監(jiān)測平臺做界面化顯示, 其建設(shè)是一個復(fù)雜的工程。表2給出了各工作站點的工作模式。

表2 各工作站點數(shù)據(jù)傳輸信息表Tab. 2 Data information table for each worksite parameter

在各站點陸續(xù)布放投入使用后, 各站點將各自采集的數(shù)據(jù)分別發(fā)送至陸基服務(wù)器, 為避免數(shù)據(jù)同一時刻扎堆傳至服務(wù)器端口, 造成數(shù)據(jù)沖突乃至丟失, 為每個站點設(shè)計了特定的數(shù)據(jù)傳送時間。陸基服務(wù)器始終開放兩個端口, 分別接收北斗網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信號和CDMA網(wǎng)絡(luò)信號, 各站點的數(shù)據(jù)按照預(yù)設(shè)定的發(fā)送時間, 先后通過不同的網(wǎng)絡(luò)傳送至服務(wù)器對應(yīng)的端口。數(shù)據(jù)傳輸時序見圖4。

圖4 北斗網(wǎng)絡(luò)和CDMA網(wǎng)絡(luò)傳輸模式下數(shù)據(jù)傳輸時序圖Fig. 4 Sequence diagram of data transmission in the BeiDou and CDMA networkss

由圖4可見, 借助表2信息, 由于受制于北斗網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)字節(jié)的限制, 在該網(wǎng)絡(luò)下, 完成海上全部數(shù)據(jù)的傳輸所需時間為11 min, 遠(yuǎn)高于CDMA網(wǎng)絡(luò)完成數(shù)據(jù)傳輸所需的4 min。數(shù)據(jù)均在整點前完成傳輸, 并在整點時刻完成數(shù)據(jù)更新。因為CDMA網(wǎng)絡(luò)的通信鏈路受天氣影響較大, 因此, 終端顯示采用解析后的北斗網(wǎng)絡(luò)回傳數(shù)據(jù), CDMA網(wǎng)絡(luò)回傳數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)備份存在數(shù)據(jù)庫中。

完成傳輸后, 所獲取的數(shù)據(jù)需要在入庫存儲之前進(jìn)行篩選, 完成質(zhì)量控制。在此過程中, 嚴(yán)格按照監(jiān)測要素指標(biāo)要求執(zhí)行, 對不符合數(shù)值范圍的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選和剔除, 呈現(xiàn)可靠有效的監(jiān)測數(shù)據(jù)。通過分析該海區(qū)的實際歷史環(huán)境信息資料, 對其環(huán)境數(shù)據(jù)資料做了如下質(zhì)量控制, 如表3所示。

表3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制表Tab. 3 Data quality control

陸基服務(wù)器端口在收到各站點傳過來的數(shù)據(jù)后第一時間先以文本形式存儲原始記錄, 緊接著進(jìn)行數(shù)據(jù)解析, 各個環(huán)境信息要素經(jīng)過解析后的值, 如果不符質(zhì)量控制表里的條件, 將被認(rèn)為是無效數(shù)據(jù),不予存儲。在數(shù)據(jù)的處理后臺管理的方法上, 增加了人工復(fù)檢的第二步的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法, 將程序篩選后的入庫數(shù)據(jù)進(jìn)行了二次檢查, 引入此步驟, 可以提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)有效率, 增強(qiáng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的科學(xué)性與可靠性。

數(shù)據(jù)經(jīng)一系列處理之后, 完成入庫, 將通過人機(jī)交互界面呈現(xiàn)出來。通過軟件界面, 可以看到各個參數(shù)最近時刻更新的數(shù)據(jù)。軟件具有良好的可擴(kuò)展性和易維護(hù)性, 具備分級顯示、用戶訪問權(quán)限管理等功能。通過站號的選擇, 可以方便切換到目標(biāo)站點的信息; 通過查詢功能, 可以根據(jù)需求按條件檢索信息; 具備數(shù)據(jù)管理和報表生成功能, 方便業(yè)務(wù)化管理的需求。

軟件界面見圖5。

圖5 數(shù)據(jù)采集軟件界面Fig. 5 Interface of the acquisition software

圖6 給出了2020年2月6日至2月13日期間波浪浮標(biāo)最大波高、對應(yīng)波周期和測風(fēng)塔的最大風(fēng)速數(shù)據(jù)曲線, 可以方便科研人員通過軟件進(jìn)行階段性的數(shù)據(jù)查詢和展示。

圖6 一周內(nèi)最大風(fēng)速、最大波高、最大波周期的數(shù)據(jù)曲線Fig. 6 Data curve of maximum wind speed, maximum waveheight, and maximum wave period in a week

4 小結(jié)與展望

6個站點自 2018年以來, 陸續(xù)布放于褚島海洋儀器測試海區(qū), 取得了連續(xù)的實時觀測數(shù)據(jù)。作為海洋儀器裝備性能測試與評價的背景場數(shù)據(jù), 為海洋儀器設(shè)備在定點、長期、連續(xù)的實海況下, 穩(wěn)定性、可靠性、環(huán)境適應(yīng)性和可維修性的測試與評價工作,提供了翔實的環(huán)境背景數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)信息服務(wù)。特別是在2020年冬天, 獲取了連續(xù)寒潮過境時的綜合環(huán)境信息, 更是為場區(qū)積累了極端天氣下的寶貴氣象水文數(shù)據(jù),

通過調(diào)取一段時間內(nèi)的數(shù)據(jù), 科研人員可以按需求檢索測試海區(qū)內(nèi)的海洋環(huán)境信息, 了解季節(jié)性的海況變化, 為儀器的海上測試工作制定計劃。環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)在后期將與數(shù)值預(yù)報與分析手段相結(jié)合, 發(fā)揮小區(qū)域、多站點觀測的優(yōu)勢, 創(chuàng)新數(shù)據(jù)分析與處理方法, 利用測試試驗海域環(huán)境數(shù)值模擬與預(yù)報系統(tǒng), 實時掌握海域環(huán)境背景場的時空分布特征和變化規(guī)律, 為儀器設(shè)備測試試驗的時間窗口、試驗周期、試驗區(qū)域選擇等試驗方案制定、儀器設(shè)備測試與評價提供依據(jù)。