在線浪流監(jiān)測浮標(biāo)研制及其在深中通道施工海域的應(yīng)用

黃 樺，劉同木，3*，張金尚

（1.國家海洋局南海調(diào)查技術(shù)中心，廣東 廣州 510310；2.自然資源部海洋環(huán)境探測技術(shù)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510310；3.天津大學(xué)水利工程仿真與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072）

海洋環(huán)境監(jiān)測是研究海洋、開發(fā)海洋和利用海洋的基礎(chǔ)[1]。海洋觀測浮標(biāo)能在不同時(shí)間、空間尺度和復(fù)雜的海洋環(huán)境中定點(diǎn)、長期、連續(xù)進(jìn)行海洋環(huán)境資料的收集，已經(jīng)成為最主要的海洋環(huán)境監(jiān)測手段之一[2-3]。

海洋浮標(biāo)觀測技術(shù)的發(fā)展始于20 世紀(jì)40 年代末至50 年代初的歐美發(fā)達(dá)國家[4]，隨著海洋資源開發(fā)的興起和計(jì)算機(jī)技術(shù)、衛(wèi)星通信技術(shù)在浮標(biāo)上的應(yīng)用，浮標(biāo)已經(jīng)在全球海洋監(jiān)測中發(fā)揮著不可或缺的作用[1，5]。20 世紀(jì)80 年代，隨著觀測技術(shù)的發(fā)展，各種專用型浮標(biāo)在海洋工程建設(shè)過程中，也承擔(dān)著重要的角色。我國波浪測量技術(shù)始于20 世紀(jì)60 至70 年代，經(jīng)歷了船用自記儀、測波儀、遙測波浪浮標(biāo)等發(fā)展階段；20 世紀(jì)90 年代中期，基于重力加速度原理的測波浮標(biāo)得到深入發(fā)展。然而傳統(tǒng)的專用型波浪浮標(biāo)存在一定的不足：體積太小，易被漁船破壞；電池容量太小，需要定期更換電池；沒有對應(yīng)的安裝空間和預(yù)留接口，無法直接搭載剖面海流等其他傳感器[6-7]。在實(shí)際工程應(yīng)用中，除了要保障數(shù)據(jù)的科學(xué)、可靠，設(shè)備長期運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性也至關(guān)重要。

深中通道是繼港珠澳大橋之后又一世界級“橋、島、隧、地下互通”超大集群工程，總長約24 km，沉管隧道為世界首例雙向八車道海底沉管隧道，長約6.8 km，為目前世界上最寬的海底沉管隧道。深中通道標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)重達(dá)8 萬噸，排水量相當(dāng)于一艘中型航母；從珠海桂山島的預(yù)制工廠到西人工島的沉放安裝區(qū)域，浮運(yùn)距離約50 km，途徑7次航道變換。在往來船只繁忙的伶仃主航道上布設(shè)實(shí)時(shí)觀測的浮標(biāo)系統(tǒng)，既要保證過往船只的安全，也要保證在位浮標(biāo)的安全，還需兼顧數(shù)據(jù)加密觀測后實(shí)時(shí)回傳的接收率。本文通過對在線浪流監(jiān)測浮標(biāo)的研制與應(yīng)用過程予以介紹，為同類專用型觀測浮標(biāo)的研究提供參考。

1 技術(shù)要求與難點(diǎn)

1.1 技術(shù)要求

浪流監(jiān)測浮標(biāo)主要技術(shù)指標(biāo)如表1 所示。

表1 在線浪流監(jiān)測浮標(biāo)主要技術(shù)指標(biāo)

1.2 研制難點(diǎn)

根據(jù)深中通道施工海域環(huán)境監(jiān)測的需求和監(jiān)測站點(diǎn)的地理特點(diǎn)，在線浪流監(jiān)測浮標(biāo)的研制難點(diǎn)一在于對實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的獲取率和回傳頻率有較高的要求，南海海域常規(guī)業(yè)務(wù)化運(yùn)行浮標(biāo)1 h 的回傳頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足；難點(diǎn)二在于伶仃航道往來船舶繁忙[8]，如何盡可能避免浮標(biāo)遭受船舶碰撞，浮標(biāo)遭受意外碰撞故障后如何保障系統(tǒng)能“損傷”最小化和修復(fù)最快化。

2 浮標(biāo)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 浮標(biāo)體

浮標(biāo)體是浮標(biāo)上部框架和各類傳感器在海上的承載體，也為浮標(biāo)提供浮力支撐，是浮標(biāo)系統(tǒng)在海上長期安全、穩(wěn)定運(yùn)行的保障。同等排水量下主浮體直徑的增加可提高浮標(biāo)的耐波性，其初穩(wěn)心也會(huì)隨之增高，同時(shí)考慮到浮標(biāo)站點(diǎn)均毗鄰航道，浮標(biāo)體過大容易影響航道安全，最終采用浮標(biāo)直徑為3 m。同等海況條件下，與傳統(tǒng)錐形和圓柱形浮標(biāo)體相比，半球形浮標(biāo)體的橫搖響應(yīng)最小，垂蕩性能最佳[9]，考慮實(shí)際加工難度，浮標(biāo)體半球曲面使用錐面進(jìn)行替代，浮標(biāo)體和標(biāo)體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1、圖2 所示。

圖1 浮標(biāo)系統(tǒng)標(biāo)體結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 浮標(biāo)系統(tǒng)標(biāo)體

在小傾角條件下，穩(wěn)心半徑R的計(jì)算方法[10]見式（1）。

式中，Zs為穩(wěn)心垂向坐標(biāo)；Zb為浮心垂向坐標(biāo)；IX為浮標(biāo)水線處橫截面積對其形心X軸的面積慣性矩；V為浮標(biāo)的排水體積。

浮標(biāo)水線處橫截面積對其形心X軸的面積慣性矩的計(jì)算方法[10]見式（2）。

式中，A為浮標(biāo)在水線處的橫截面積；y為水線到X軸的距離；D1為浮標(biāo)水線處直徑。

初穩(wěn)心高度H的計(jì)算方法[10]見式（3）。

式中，Zg為重心垂向坐標(biāo)。

計(jì)算可得浮標(biāo)的初穩(wěn)心高度為0.49 m，滿足《國內(nèi)航行海船法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則（2011）》中海洋浮式結(jié)構(gòu)初穩(wěn)性對浮體初穩(wěn)心高度不小于0.15 m 的要求[11]，說明浮標(biāo)體的設(shè)計(jì)滿足穩(wěn)定性要求。

浮標(biāo)體主要由護(hù)圈、桅桿及上部框架、儀器艙、主浮體、下部支柱幾部分組成。浮標(biāo)體采用分體組裝的結(jié)構(gòu)形式，主框架采用優(yōu)質(zhì)鋁合金建造，以保證浮標(biāo)在海上具有良好的抗腐蝕能力。主浮體采用輕型高分子材料乙烯—醋酸乙烯共聚物（Ethylene Vinyl Acetate，EVA）彈性體材料制作，具有超強(qiáng)的耐應(yīng)力開裂性、良好的緩沖和抗震等優(yōu)點(diǎn)[12]，其防震性能優(yōu)于聚苯乙烯（泡沫） 等傳統(tǒng)包裝材料，且符合環(huán)保要求[13]。

浮標(biāo)體表面采用聚脲彈性體（Polyurea Elastomer，PE）噴涂。噴涂PE 技術(shù)是近年來研制、開發(fā)的一種“新型無溶劑、無污染的綠色施工技術(shù)”[14]。PE 涂層具有柔韌有余、剛性十足、快速固化，致密、連續(xù)、無接縫，完全隔絕空氣中水分和氧氣的滲入，防腐和防護(hù)性能良好等特點(diǎn)。它同時(shí)還具有耐磨、防水、抗沖擊、抗疲勞、耐老化、耐高溫、耐核輻射等多種功能[14-15]。

2.2 系留系統(tǒng)

浮標(biāo)布放站點(diǎn)水深較淺，布放時(shí)間長。為保障浮標(biāo)安全，系留系統(tǒng)采用鏈?zhǔn)綉益滃^系結(jié)構(gòu)[9]，考慮鏈的重量和耐久性，采用直徑28 mm 的AM2 錨鏈（二級有檔錨鏈），錨鏈拉力試驗(yàn)負(fù)荷321 kN，拉斷試驗(yàn)負(fù)荷449 kN。根據(jù)《小型海洋環(huán)境監(jiān)測浮標(biāo)》（HY/T 143—2011）標(biāo)準(zhǔn)，錨鏈總長度以3 倍水深配置，浮標(biāo)與錨鏈連接處配有5 t 轉(zhuǎn)子，釋放浮標(biāo)與系留系統(tǒng)之間的扭矩；底部配有500 kg 自重錨與250 kg 霍爾錨[16]。系留系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 浮標(biāo)系留系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 主控系統(tǒng)

在線浪流監(jiān)測浮標(biāo)的主控系統(tǒng)以CR1000 數(shù)據(jù)采集器為核心，進(jìn)行外圍模塊和傳感器的集成。主控系統(tǒng)組成如圖4 所示。

圖4 主控系統(tǒng)組成框圖

按照設(shè)定的工作時(shí)序，自動(dòng)、定時(shí)采集搭載的不同類型傳感器數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理和存儲(chǔ)，并將處理后數(shù)據(jù)通過北斗和4G 雙通信模式實(shí)時(shí)發(fā)送至岸站。

2.4 觀測系統(tǒng)

在線浪流監(jiān)測浮標(biāo)的主要傳感器及相關(guān)技術(shù)指標(biāo)見表2。

表2 在線浪流監(jiān)測浮標(biāo)觀測傳感器及主要技術(shù)指標(biāo)

海流觀測采用浮標(biāo)懸掛剖面流速儀方式，向下觀測流速流向。主浮體吃水線為0.3 m，海流計(jì)安裝支架距離主浮體底部0.35 m，將剖面流速儀固定在浮標(biāo)底下，如圖5 所示。通過調(diào)整安裝角度，避免打到浮標(biāo)底架，影響換能器探頭發(fā)射接收聲波。按此計(jì)算闊龍剖面流速儀的最上面一層距水面高度計(jì)算方法見式（4）。

圖5 剖面流速儀安裝方式

式中，l為主浮體吃水線；Le為換能器到主浮體底部距離；LB為闊龍剖面流速儀盲區(qū)；Ce為闊龍剖面流速儀設(shè)置深度單元。

通過計(jì)算，可得闊龍剖面流速儀觀測到的第一層數(shù)據(jù)距離海表面為2.05 m。

剖面流速儀設(shè)置參數(shù)如表3 所示。

表3 剖面流速儀設(shè)置參數(shù)

波浪儀安裝在浮標(biāo)體內(nèi)，位于浮標(biāo)重心位置。波浪儀在正點(diǎn)前的21 分開始工作，采樣間隔為0.25 s，連續(xù)采樣17 min，數(shù)據(jù)處理后形成波浪特征值，每一小時(shí)測量一次。采集數(shù)據(jù)包括時(shí)序，最大波高，最大波周期，有效波高，有效波周期，1/10波高，1/10 波周期，平均波高，平均波周期，波數(shù)，主波向及主波向的16 方位分布等。

3 浮標(biāo)安全與防護(hù)

在線浪流監(jiān)測浮標(biāo)的防護(hù)主要包括：浮標(biāo)運(yùn)行的安全問題和浮標(biāo)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控[17]。

3.1 碰撞防護(hù)

3.1.1 抗碰撞浮體材料

浮標(biāo)無需添加橡膠護(hù)舷，主浮體采用輕型EVA材料制作，具有很強(qiáng)的抗碰撞能力[7]。如果浮標(biāo)遭到撞擊，首先撞擊的是主浮體，能夠起到很好的緩沖作用。同時(shí)主浮體還可提供很大的儲(chǔ)備浮力，只要主浮體沒有破碎可以保證浮標(biāo)永不會(huì)沉沒。

3.1.2 雙錨燈系統(tǒng)

浮標(biāo)部署位點(diǎn)毗鄰航道，過往船舶較多，且浮標(biāo)體型較小，容易遭受過往船舶碰撞，尤其是晚上燈光微弱，目標(biāo)不明顯。針對此情況設(shè)計(jì)了雙錨燈系統(tǒng)，兩臺(tái)錨燈獨(dú)立供電的一體化設(shè)計(jì)航標(biāo)燈，防水等級IP67，最小自治時(shí)間可達(dá)200 h。燈光顏色為橙黃色，燈質(zhì)為莫（O）黃12 s，夜間燈光可視距離大于3 nm。錨燈均引出信號線連接主控系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)傳輸信號至值班室反饋錨燈運(yùn)行狀態(tài)。

3.1.3 航行通告

浮標(biāo)部署位點(diǎn)經(jīng)論證后，將相關(guān)材料報(bào)送至中華人民共和國廣東海事局，由廣東海事局深中辦協(xié)商在交通運(yùn)輸部海事局網(wǎng)站、公眾號等官網(wǎng)、官微上發(fā)布正式的航行通告，提醒過往船舶加強(qiáng)瞭望，密切關(guān)注浮標(biāo)動(dòng)態(tài)，注意避讓。

3.1.4 海上專用標(biāo)志增設(shè)

按照海事要求，浮標(biāo)桅桿上方增設(shè)海上專業(yè)工作區(qū)標(biāo)志（30×50 cm 不銹鋼矩形鋼板）并進(jìn)行噴漆（紅白相間，如圖6 所示），提醒過往船只注意避讓，增加浮標(biāo)可視性和維護(hù)時(shí)的安全性；浮標(biāo)標(biāo)體上標(biāo)注有“海洋觀測浮標(biāo)”標(biāo)語及聯(lián)系電話，保證發(fā)生緊急情況（如船舶意外碰撞，浮標(biāo)漂移等）后可及時(shí)聯(lián)系到值班人員。

圖6 海上專業(yè)工作區(qū)標(biāo)識(shí)

3.2 岸站監(jiān)控系統(tǒng)

根據(jù)浪流監(jiān)測浮標(biāo)的觀測要素和采集頻率，開發(fā)設(shè)計(jì)了一套接收軟件系統(tǒng)，如圖7、圖8 和圖9所示，部署于數(shù)據(jù)接收室。波浪以每小時(shí)1 組，海流、GPS、錨燈狀態(tài)、位移警告、進(jìn)水警告等相應(yīng)參數(shù)以10 min 1 組的頻率實(shí)時(shí)回傳至值班室，值班室安排專人24 h 值班做好數(shù)據(jù)接收記錄和浮標(biāo)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控工作。接收軟件有自動(dòng)預(yù)警功能，浮標(biāo)一旦發(fā)生位移、進(jìn)水或連續(xù)3 組數(shù)據(jù)（30 min）未能成功接收，將會(huì)通過接收界面告警和發(fā)送郵件兩種形式預(yù)警，以便第一時(shí)間判斷浮標(biāo)運(yùn)行狀態(tài)。值班室裝有UPS 電源，保證岸站接收系統(tǒng)在斷電48 h內(nèi)仍可以正常工作。

圖7 浮標(biāo)位置、狀態(tài)查詢示意圖

圖8 海流數(shù)據(jù)接收示意圖

圖9 波浪、表層海流生成示意圖

4 創(chuàng)新性設(shè)計(jì)

在線浪流浮標(biāo)的設(shè)計(jì)最終為了服務(wù)于項(xiàng)目施工海域監(jiān)測的需求?；跀?shù)據(jù)回傳的高標(biāo)準(zhǔn)和臨近航道的高碰撞風(fēng)險(xiǎn)，針對浮標(biāo)通訊、浮標(biāo)供電冗余和智能安防監(jiān)控，盡可能保障浮標(biāo)數(shù)據(jù)回傳的可靠性、穩(wěn)定性，以及對浮標(biāo)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控反饋。

4.1 通信系統(tǒng)

為保證數(shù)據(jù)回傳的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性，在線浪流監(jiān)測浮標(biāo)采用了多種通信方式：CDMA 網(wǎng)絡(luò)通信和北斗衛(wèi)星通信，同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，對應(yīng)參數(shù)如表4所示。每10 min 將浮標(biāo)觀測的數(shù)據(jù)和航標(biāo)燈、水警等狀態(tài)數(shù)據(jù)（波浪每小時(shí)一次）實(shí)時(shí)發(fā)送到岸站，同時(shí)將采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)采集器存儲(chǔ)介質(zhì)內(nèi)。

表4 通信系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)

考慮到浮標(biāo)站位存在網(wǎng)絡(luò)通訊不穩(wěn)定的情況，CDMA 數(shù)據(jù)組幀采用了堆棧方式。每組數(shù)據(jù)包含6個(gè)時(shí)次海流和2 個(gè)時(shí)次波浪共計(jì)1 985 字節(jié)的采樣數(shù)據(jù)，組幀時(shí)刻數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分別將最新一個(gè)時(shí)次的海流和波浪采集數(shù)據(jù)放入棧頂，將最早一組數(shù)據(jù)壓出棧，保證了每組CDMA 數(shù)據(jù)都是最近6 組采集數(shù)據(jù)，即使某個(gè)時(shí)刻由于網(wǎng)絡(luò)通訊不穩(wěn)定造成數(shù)據(jù)未能回傳，只要CDMA 網(wǎng)絡(luò)中斷不超過1 h，仍能補(bǔ)全缺失數(shù)據(jù)，保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾浴?/p>

北斗終端通信采用ASCII 碼傳輸，數(shù)據(jù)接口協(xié)議采用《北斗用戶機(jī)數(shù)據(jù)接口協(xié)議（4.0 版）》。受民用北斗每條信息傳輸字節(jié)數(shù)所限，海流數(shù)據(jù)分為4 個(gè)包，分別為77、75、77 和78 個(gè)字節(jié)，每個(gè)數(shù)據(jù)包間隔時(shí)間為1 min。每10 min 由單片機(jī)給北斗模塊加電，分4 個(gè)包轉(zhuǎn)發(fā)至接收終端，第5 分鐘至第9 分鐘為補(bǔ)發(fā)階段，發(fā)送失敗的某個(gè)數(shù)據(jù)包會(huì)在補(bǔ)發(fā)階段由北斗終端重新發(fā)送，提高數(shù)據(jù)接收率。

4.2 供電系統(tǒng)

供電系統(tǒng)采用太陽能板和蓄電池組合供電方式，對浮標(biāo)系統(tǒng)提供單一工作電壓。主要由太陽能電池板、太陽能充放電控制器、大容量免維護(hù)蓄電池、過壓過流保護(hù)電路板、DC-DC 電源變換電路組成，如圖10 所示。電池艙采用316L 不銹鋼制成，艙內(nèi)四周為防震橡膠墊片，起減震和增加摩擦力的作用，艙上方有壓條固定電池，避免電池產(chǎn)生位移影響供電。

圖10 供電系統(tǒng)

基于對實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的高獲取率和高回傳頻率，為保障浮標(biāo)供電系統(tǒng)具備充足的電量冗余，區(qū)別于常規(guī)的電量估算法和經(jīng)驗(yàn)法，綜合考慮蓄電池放電深度，太陽能板相關(guān)修正系數(shù)、太陽能日輻射量轉(zhuǎn)換系數(shù)和浮標(biāo)部署區(qū)域的年平均日輻射量，對電量進(jìn)行了詳盡的計(jì)算。

供電采用2 塊12 V（每塊電池容量100 Ah）免維護(hù)鉛酸蓄電池作為主電源，并聯(lián)安裝在密封的電池艙中；同時(shí)使用獨(dú)立的4 塊12 V（每塊電池容量20 Ah）并聯(lián)安裝于電池架上作為備用電源。鉛酸蓄電池實(shí)際可用總?cè)萘坑?jì)算方法[18]見公式（5）。

式中，Qe為蓄電池額定容量；Ce為蓄電池放電深度，一般鉛酸蓄電池取0.75。

太陽能板輸出端使用太陽能控制器對電池充放電進(jìn)行控制保護(hù)，太陽能控制B1 模式下，額定充電電流為10 A，浮充電壓為14.6 V。太陽能板每塊工作電流9 A，工作電壓17 V。每塊太陽能板日均發(fā)電量計(jì)算方法[18，19]見公式（6）。

式中，Ie為太陽能板工作電流；Kop為太陽能板斜面修正系數(shù)，在浮標(biāo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，4 塊太陽能板水平安裝且無遮擋，故此處Kop取0.99；CZ為修正系數(shù)，主要為組合、衰減、灰塵、充電效率等損失，一般取0.8；KR為輻射轉(zhuǎn)換系數(shù)，將太陽能日輻射量轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)光照強(qiáng)度條件下平均日輻射小時(shí)數(shù)的轉(zhuǎn)換系數(shù)，一般取2.778/10 000（h·m2/kJ）；HR為太陽能日輻射量，趙春霞等[20]統(tǒng)計(jì)得廣州半個(gè)世紀(jì)以來年平均日總輻射量為11.66 MJ/（m2·d），故此處取11 660 kJ/m2。

計(jì)算可得4 塊太陽能板日均發(fā)電量為92.4 Ah。

浮標(biāo)設(shè)備工作參數(shù)如表5 所示。

表5 浮標(biāo)系統(tǒng)設(shè)備工作參數(shù)

按設(shè)計(jì)觀測方式，浮標(biāo)設(shè)備日平均功耗如表6所示。

表6 浮標(biāo)系統(tǒng)設(shè)備日均功耗

整套浮標(biāo)系統(tǒng)日均功耗約為12.6 Ah，遠(yuǎn)小于太陽能供電系統(tǒng)的日均發(fā)電量，供電系統(tǒng)足以支撐整套浮標(biāo)系統(tǒng)運(yùn)行。連續(xù)陰雨天的極限情況下，浮標(biāo)系統(tǒng)最小自治時(shí)間大于16 d，滿足《海洋資料浮標(biāo)作業(yè)規(guī)范》（HY/T 037—2017）中，有能源補(bǔ)充的浮標(biāo)供電系統(tǒng)，“在無能源補(bǔ)充情況下，應(yīng)能提供浮標(biāo)系統(tǒng)不小于15 d 正常供電儲(chǔ)備”[21]。

4.3 智能安防監(jiān)控系統(tǒng)

為保障浮標(biāo)在位安全，研制設(shè)計(jì)了智能安防監(jiān)控系統(tǒng)（圖11）。該監(jiān)控系統(tǒng)由4 個(gè)紅外攝像頭，1 條AIS 天線，1 臺(tái)AIS 接收機(jī)和存儲(chǔ)硬盤組成，采用本地存儲(chǔ)的方式，每次巡視浮標(biāo)時(shí)可更換硬盤。每個(gè)攝像頭可監(jiān)控角度為90?，4 個(gè)紅外攝像頭可組成360?全天候視頻錄像如圖12 所示。AIS 監(jiān)控系統(tǒng)由AIS 天線和AIS 接收機(jī)組成，能發(fā)送AIS預(yù)警信號至過往船舶，提醒船舶注意避讓浮標(biāo)，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)浮標(biāo)站點(diǎn)周邊20 n mile 以內(nèi)船只動(dòng)態(tài)跟蹤，并將AIS 數(shù)據(jù)通過通訊終端回傳至岸站，可實(shí)時(shí)監(jiān)控浮標(biāo)周邊船只動(dòng)態(tài)。攝像系統(tǒng)由紅外攝像頭和存儲(chǔ)硬盤組成，由AIS 監(jiān)控系統(tǒng)控制，當(dāng)有船舶靠近時(shí)啟用錄像，并將影像通過CDMA 網(wǎng)絡(luò)通訊模塊傳輸至岸站。

圖11 浮標(biāo)智能安防監(jiān)控系統(tǒng)

圖12 智能安防監(jiān)控系統(tǒng)測試圖

為保障該套監(jiān)控系統(tǒng)的獨(dú)立性，設(shè)計(jì)使用單獨(dú)的電源供電，不影響浮標(biāo)原有的觀測系統(tǒng)。該套視頻監(jiān)控設(shè)備工作電流約0.8 A，24 h 連續(xù)工作的情況下，每天功耗約20 Ah，安防監(jiān)控系統(tǒng)不考慮極限工況，采用1 塊80 W 太陽能板與1 塊60 AH 蓄電池組成獨(dú)立供電系統(tǒng)工作。

5 在線浪流監(jiān)測浮標(biāo)的應(yīng)用

在線浪流監(jiān)測浮標(biāo)經(jīng)研制、組裝、拷機(jī)運(yùn)行后，已于2019 年布放于4 個(gè)部署點(diǎn)位，迄今已服務(wù)深中通道施工海域海洋環(huán)境監(jiān)測2 年。期間由于船舶碰撞、儀器故障等問題存在數(shù)據(jù)中斷現(xiàn)象，但根據(jù)應(yīng)急預(yù)案，修復(fù)小組均在指定時(shí)間內(nèi)進(jìn)行修復(fù)，保障總體數(shù)據(jù)接收率達(dá)到85%以上。

5.1 海流監(jiān)測

在線浪流監(jiān)測浮標(biāo)部分海流觀測數(shù)據(jù)如圖13至圖16 所示。

圖13 SZ01 站位2021 年4 月第二層海流流速

圖14 SZ01 站位2021 年5 月第二層海流流速

圖16 SZ05 站位2021 年5 月第二層海流流速

圖15 SZ05 站位2021 年4 月第二層海流流速

5.2 波浪監(jiān)測

在線浪流監(jiān)測浮標(biāo)部分波浪觀測數(shù)據(jù)如圖17至圖20 所示。

圖17 SZ01 站位2021 年4 月波浪數(shù)據(jù)

圖20 SZ05 站位2021 年5 月波浪數(shù)據(jù)

5.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

統(tǒng)計(jì)近2 年數(shù)據(jù)，4 個(gè)部署位點(diǎn)月均海流數(shù)據(jù)獲取率為88.63%，有效數(shù)據(jù)率為85.71%。海流為典型的西北和東南向往復(fù)流，表層?xùn)|南向流速明顯大于西北向流速，底層西北向流速明顯大于東南向流速。非臺(tái)風(fēng)天氣流速極值小于1 m/s，超過75%的觀測時(shí)間流速小于0.5 m/s；臺(tái)風(fēng)期間表層流速極值大于2 m/s。月均波浪數(shù)據(jù)獲取率為89.42%，有效數(shù)據(jù)率為84.97%。非臺(tái)風(fēng)期間波高極值小于1.2 m，有效波高極值小于0.8 m；臺(tái)風(fēng)期間極值波高大于2.5 m，有效波高極值大于1.6 m。

圖18 SZ01 站位2021 年5 月波浪數(shù)據(jù)

圖19 SZ05 站位2021 年4 月波浪數(shù)據(jù)

5.4 數(shù)據(jù)應(yīng)用效果

珠江口海域春季冷空氣活動(dòng)頻繁，強(qiáng)對流、突風(fēng)、大霧天氣頻發(fā)；夏季臺(tái)風(fēng)、熱帶氣壓活躍；秋冬季長期海況惡劣。復(fù)雜多變的水文條件對于施工海域作業(yè)挑戰(zhàn)極大。4 套在線浪流監(jiān)測浮標(biāo)自2019 年完成部署后，為深中通道每節(jié)沉管浮運(yùn)安裝前后的海流和波浪觀測和預(yù)報(bào)提供了大量寶貴的實(shí)測數(shù)據(jù)，為項(xiàng)目施工籌劃和部署提供了重要的基礎(chǔ)條件，迄今項(xiàng)目已完成安裝管節(jié)長度累計(jì)超過3 877.8 m，突破沉管段總長度的四分之三。

6 結(jié)論與建議

深中通道沉管在復(fù)雜航路長時(shí)間浮運(yùn)，基槽長距離橫拖，還要面臨臺(tái)風(fēng)季、汛期等不可預(yù)測惡劣天氣帶來的風(fēng)險(xiǎn)，在線浪流監(jiān)測浮標(biāo)研制并部署后，為沉管浮運(yùn)、安裝等施工作業(yè)提供了高質(zhì)量的實(shí)時(shí)浪流監(jiān)測數(shù)據(jù)，解決了在復(fù)雜的水文環(huán)境中如何科學(xué)評估、選取作業(yè)窗口的難題，保障了項(xiàng)目高效開展。

在浮標(biāo)運(yùn)行和維護(hù)過程中，也出現(xiàn)了部分問題。一是4 個(gè)站位中有3 個(gè)站位毗鄰航道，1 個(gè)站位毗鄰錨地，浮標(biāo)存在較大的安全隱患，仍存在浮標(biāo)被碰撞的情況，對于浮標(biāo)安防措施的完善和改進(jìn)，是下一步需要加強(qiáng)的方向。二是浮標(biāo)站位位于珠江口附近咸淡水交替海域，海流傳感器生物附著情況較為嚴(yán)重，尤其是夏季，對于觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量可能存在一定的影響，需要較高的維護(hù)頻次以保證及時(shí)清理生物附著，同時(shí)如何科學(xué)、有效地防止生物附著，也是下一步需要研究的方向。

隨著海洋技術(shù)的重視和發(fā)展，未來浮標(biāo)觀測將會(huì)在海洋監(jiān)測網(wǎng)中突顯出更大的作用，將會(huì)向著實(shí)時(shí)化、專題化的方向發(fā)展，以滿足海洋科學(xué)研究、海洋工程設(shè)計(jì)與規(guī)劃管理、海洋環(huán)境預(yù)報(bào)與評估等工作的需求[1]，這也是本文的參考意義所在。