浮標(biāo)式水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀調(diào)研

1、浮標(biāo)式水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀調(diào)研1、 浮標(biāo)的工作原理1) 水質(zhì)浮標(biāo)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成水質(zhì)浮標(biāo)的主體主要由浮標(biāo)體、水質(zhì)參數(shù)傳感器、供電系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、定位系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)等組成，水質(zhì)浮標(biāo)集成了傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)采集處理技術(shù)、通信技術(shù)以及定位技術(shù)等高新技術(shù)。浮標(biāo)體主要提供各子系統(tǒng)的搭載平臺(tái)，保障系統(tǒng)的正常運(yùn)行；水質(zhì)參數(shù)傳感器是浮標(biāo)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心，主要是利用傳感器技術(shù)進(jìn)行水質(zhì)參數(shù)指標(biāo)的測(cè)定，獲取水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)；供電系統(tǒng)主要為浮標(biāo)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的電子儀器進(jìn)行供電，保障儀器的正常運(yùn)行，目前浮標(biāo)電源系統(tǒng)主要是用太陽(yáng)能板給蓄電池補(bǔ)充能源；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要集中采集和存儲(chǔ)各水質(zhì)參數(shù)傳感器測(cè)定的數(shù)據(jù)；定

2、位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)浮標(biāo)位置信息的獲取和浮標(biāo)的遠(yuǎn)程監(jiān)控；數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的定時(shí)自動(dòng)發(fā)送。2) 浮標(biāo)工作模式水質(zhì)浮標(biāo)工作模式一般是采用間歇式工作方式，用戶根據(jù)需要設(shè)定工作時(shí)間或者間隔時(shí)間。休眠工作時(shí)段傳感器、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)發(fā)射系統(tǒng)等部分?jǐn)嚯娦菝撸挥兄蛋嚯娐饭ぷ?；休眠結(jié)束時(shí)，系統(tǒng)給傳感器進(jìn)行供電初始化，進(jìn)入工作時(shí)段，水質(zhì)傳感器進(jìn)行水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)定時(shí)把數(shù)據(jù)發(fā)送出去后，系統(tǒng)斷電進(jìn)入休眠時(shí)段。3) 浮標(biāo)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)：浮標(biāo)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求較高，一般延時(shí)小于min；浮標(biāo)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一般布設(shè)于遠(yuǎn)離陸地的近岸海域，因此浮標(biāo)的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)主要采用無(wú)線通信方式，目前應(yīng)用較

3、多的通信方式有：GSM、CDMA和GPRS通信方式、InmarsatC通信方式。GSM、CDMA和GPRS通信方式，主要是利用移動(dòng)通信公司的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)以SMS短信息的方式進(jìn)行發(fā)送。此方式靈活，性能可靠，成本較低，實(shí)時(shí)性較好，不受時(shí)間限制可連續(xù)工作。但該方式受移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的限制，只適合移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍之內(nèi)的近岸海域，使用范圍受限。InmarsatC通信方式主要是利用國(guó)家海事衛(wèi)星組織管理的InmarsatC系統(tǒng)提供的全球海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)，采用信息存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)的方式進(jìn)行通信。此方式覆蓋范圍廣（覆蓋了世界大部分海洋），實(shí)用性強(qiáng)，穩(wěn)定性和可靠性高，實(shí)時(shí)性好，設(shè)備較小，但通信成本較高。 圖

4、1浮標(biāo)式水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成示意圖2、 浮標(biāo)的研究現(xiàn)狀2.1 國(guó)外浮標(biāo)式水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀1） 通用型浮標(biāo)水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)已經(jīng)成熟通用型水質(zhì)檢測(cè)浮標(biāo)主要指當(dāng)前已經(jīng)產(chǎn)品化, 并且能夠滿足常規(guī)海洋參數(shù)觀測(cè)業(yè)務(wù)化運(yùn)行的浮標(biāo)2） 重點(diǎn)發(fā)展多種專用型浮標(biāo)針對(duì)特定的應(yīng)用需求,國(guó)外研制了多種專用浮標(biāo)系統(tǒng), 代表成果有海洋剖面浮標(biāo)、海上風(fēng)剖面浮標(biāo)、海嘯浮標(biāo)、波浪浮標(biāo)、光學(xué)浮標(biāo)、海冰浮標(biāo)、海氣通量觀測(cè)浮標(biāo)和海洋酸化觀測(cè)浮標(biāo)等。2.2 國(guó)內(nèi)浮標(biāo)式水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀1） 通用型觀測(cè)浮標(biāo)已實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)化運(yùn)行, 構(gòu)建浮標(biāo)觀測(cè)網(wǎng), 總體技術(shù)水平與國(guó)際相當(dāng)。我國(guó)從 1965 年開(kāi)始研制海洋資料浮標(biāo), 經(jīng)過(guò)近50 年的發(fā)展,

5、 在國(guó)家 863 等計(jì)劃和有關(guān)部門(mén)的支持下,取得了豐碩的成果,已經(jīng)基本掌握了關(guān)鍵核心技術(shù),總體已經(jīng)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。我國(guó)研制的第一個(gè)海洋資料浮標(biāo)誕生于 1965 年,為船型結(jié)構(gòu), 如圖2(a)所示。此后, 在國(guó)家的支持下, 浮標(biāo)技術(shù)大力發(fā)展, 目前, 已經(jīng)形成了直徑從10 m 到 3 m的產(chǎn)品系列(如圖 2(b)-(e)所示), 完全能夠滿足我國(guó)近海長(zhǎng)期業(yè)務(wù)化觀測(cè)的需求, 其中研制的 3 m 直徑小型浮標(biāo)為 2008 年奧帆賽提供了大量有效數(shù)據(jù), 受到各界一致好評(píng)。深遠(yuǎn)海觀測(cè)浮標(biāo)方面也開(kāi)展了部分工作, 研制了工程樣機(jī), 取得了一定成果, 布放海域最深達(dá)到 3500 m, 最遠(yuǎn)至印度洋和格陵蘭海

6、海域。圖2我國(guó)自主生產(chǎn)的海洋資料浮標(biāo)代表產(chǎn)品我國(guó)的海洋資料浮標(biāo)研制雖然起步較晚, 但在某些方面的水平已經(jīng)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。觀測(cè)參數(shù)種類多于國(guó)外產(chǎn)品; 采用了多種數(shù)據(jù)通信手段, 其中北斗通信方式是我國(guó)獨(dú)有; 數(shù)據(jù)傳輸間隔方面有多種傳輸間隔可供選擇。2） 專用型浮標(biāo)研究取得一定成果海洋剖面觀測(cè)浮標(biāo): “十五”期間, 國(guó)家海洋技術(shù)中心研制了利用馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的剖面觀測(cè)系統(tǒng)(圖3(a)），“十一五”期間中船重工 710 所研制了利用浮力控制的剖面觀測(cè)浮標(biāo)系統(tǒng)(圖 3(b), 中科院海洋所研制了波浪能驅(qū)動(dòng)式的剖面觀測(cè)浮標(biāo)系統(tǒng)(圖3(c), 3 種系統(tǒng)均經(jīng)過(guò)了海上測(cè)試, 最大布放水深達(dá) 4 000 m, 能觀測(cè)

7、海水溫度、鹽度、深度和海流等參數(shù)。圖 3 我國(guó)研制的海洋剖面觀測(cè)浮標(biāo)波浪浮標(biāo): 我國(guó)的浮標(biāo)測(cè)波技術(shù)取得豐碩成果, 代表成果是山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所研制的 0.9 m 直徑的 SBF3 型球形測(cè)波浮標(biāo)(圖4(a), 其觀測(cè)結(jié)果精度與國(guó)外產(chǎn)品相當(dāng) , 已經(jīng)成為相關(guān)部門(mén)的業(yè)務(wù)化觀測(cè)裝備, 廣泛應(yīng)用。此外,還有中國(guó)海洋大學(xué)研制的 SZF 型橢球形波浪浮標(biāo)(圖4(b)。圖4 我國(guó)研制的波浪浮標(biāo)浮標(biāo)式水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)總體達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平, 能夠滿足沿海海域業(yè)務(wù)化運(yùn)行的需求, 但與國(guó)外海洋技術(shù)大國(guó)相比還存在較大差距,主要體現(xiàn)在搭載的儀器設(shè)備的性能、測(cè)量精度和工作可靠性等方面, 但在系統(tǒng)集成、布放回收等方

8、面差距已不明顯。3、 浮標(biāo)的相關(guān)技術(shù)浮標(biāo)式水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng), 涉及多個(gè)學(xué)科、多個(gè)關(guān)鍵技術(shù), 經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展, 部分關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)成熟。但隨著應(yīng)用需求的增加以及新原理、新材料和新技術(shù)的不斷涌現(xiàn), 浮標(biāo)關(guān)鍵技術(shù)也在不斷的發(fā)展和變化。根據(jù)國(guó)際上的發(fā)展趨勢(shì)以及我國(guó)當(dāng)前面臨的形式和迫切需求, 表 1 概括了當(dāng)前亟需發(fā)展的部分核心關(guān)鍵技術(shù)。在雙向通信交互技術(shù)、水下數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸技術(shù)、傳感器總線式處理控制技術(shù)方面處于國(guó)際先進(jìn)水平, 其他技術(shù)均落后世界水平 5 年以上。技術(shù)類別核心關(guān)鍵技術(shù)浮標(biāo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)(1) 新型深遠(yuǎn)海定點(diǎn)平臺(tái)設(shè)計(jì)技術(shù)(2) 新型定點(diǎn)平臺(tái)性能評(píng)價(jià)技術(shù)(3) 低成本易布放回收平臺(tái)技

9、術(shù)數(shù)據(jù)傳輸與通信技術(shù)(4) 安全高效的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)(5) 雙向交互通信技術(shù)(6) 水下數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸技術(shù)數(shù)據(jù)采集與控制技術(shù)(7) 新一代智能數(shù)據(jù)采集控制技術(shù)(8) 總線式傳感器控制技術(shù)(9) 海洋傳感器的即插即用技術(shù)(10) 采集數(shù)據(jù)質(zhì)量控制技術(shù)傳感器技術(shù)(11) 高精度、高可靠性傳感器技術(shù)(12) 多功能、多參數(shù)傳感器技術(shù)(13) 智能傳感器技術(shù)系留技術(shù)(14) 牢固耐用錨系設(shè)計(jì)技術(shù)(15) 新材料新工藝錨系技術(shù)(16) 深海系泊技術(shù)能源供給技術(shù)(17) 深海平臺(tái)長(zhǎng)期穩(wěn)定供電技術(shù)(18) 太陽(yáng)能、風(fēng)能及混合供電技術(shù)(19) 波浪能和潮汐能利用技術(shù)(20) 大功率綜合供電技術(shù)表1海洋資料浮標(biāo)核心

10、關(guān)鍵技術(shù)列表此外，浮標(biāo)長(zhǎng)期運(yùn)行面臨的挑戰(zhàn)：硬件品質(zhì)和耐久性水生物入侵和玷污泥沙附著和堵塞自然力破壞腐蝕突發(fā)因素（人為因素）技術(shù)支撐能力運(yùn)行規(guī)范日常維護(hù)團(tuán)隊(duì)數(shù)據(jù)會(huì)商制應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制3.1 技術(shù)瓶頸和發(fā)展趨勢(shì)1） 數(shù)據(jù)傳輸目前突破不了大容量傳輸、同時(shí)數(shù)據(jù)傳輸有小于1min的延時(shí)，實(shí)現(xiàn)不了高精度的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸深遠(yuǎn)海數(shù)據(jù)通信受限于通用的海事衛(wèi)星、北斗衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)量和價(jià)格的限制, 如何進(jìn)行大容量、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸是目前急需解決的技術(shù)難題。另外, 穩(wěn)定高效的浮標(biāo)水下數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)還不是很成熟, 因此高效穩(wěn)定的水聲、激光數(shù)據(jù)傳輸也是一種重要發(fā)展方向。2） 浮標(biāo)上的傳感器依賴進(jìn)口海洋傳感器依然是我國(guó)的弱勢(shì), 雖然我國(guó)

11、已經(jīng)能夠自主生產(chǎn)部分傳感器, 但在精度、實(shí)時(shí)性、長(zhǎng)期可靠性和穩(wěn)定性方面還存在很大差距。高技術(shù)含量的傳感器則完全受制于人, 如 ADCP、葉綠素、CO2、溶解氧等基于聲學(xué)和光學(xué)原理的傳感器完全依賴進(jìn)口產(chǎn)品。3） 海洋資料浮標(biāo)觀測(cè)由單點(diǎn)向網(wǎng)絡(luò)化綜合化發(fā)展4） 通用型浮標(biāo)向高精度、多參數(shù)、多功能綜合觀測(cè)發(fā)展5） 專用型浮標(biāo)向?qū)I(yè)化發(fā)展6） 海洋資料浮標(biāo)能源補(bǔ)給向多樣化發(fā)展目前, 太陽(yáng)能供電技術(shù)已經(jīng)非常成熟, 絕大多數(shù)浮標(biāo)都采用太陽(yáng)能加蓄電池的混合能源補(bǔ)給方式。但隨著長(zhǎng)期連續(xù)觀測(cè)要求的提高、搭載傳感器的增多及觀測(cè)功能的擴(kuò)展, 這種能源補(bǔ)給方式注定將不能滿足需求, 甚至?xí)拗聘?biāo)應(yīng)用的擴(kuò)展。隨著風(fēng)能、波浪能、溫差能等發(fā)電技術(shù)的發(fā)展與成熟, 這些技術(shù)必將成為浮標(biāo)能源補(bǔ)給的重要方式。加拿大 AXYS 公司的WindSentinel 浮標(biāo)已經(jīng)在太陽(yáng)能加蓄電池的基礎(chǔ)上,率先增加了風(fēng)電和發(fā)電機(jī)兩種能源補(bǔ)給方式。我國(guó)則依然采用太陽(yáng)能和蓄電池混合的能源補(bǔ)給方式。3.2 我們研究的著手點(diǎn)1）通信系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸只能小容量傳輸且伴有延時(shí)（延時(shí)1min左右），研究人員可以從通信系統(tǒng)的性能改良方面作為出發(fā)點(diǎn)改進(jìn)目前這種不足。另外，在數(shù)據(jù)傳輸中有時(shí)會(huì)涉及到重要信息丟失的問(wèn)題，科研人員也可以從信息安全角度去解決或改良這個(gè)問(wèn)題。2）浮標(biāo)上的重要的傳感器大多