CN105974863B - 一种海洋牧场平台基微波观测系统 - Google Patents

Abstract

一种海洋牧场平台基微波观测系统，属于海洋技术领域。本发明包括水上平台、海底观测平台、监测控制中心和微波传输链路，传感器数据与海底实况视频通过所述的海底观测平台集成后由海底电缆传输至水上平台上的平台控制系统，通过设置在水上平台的远端微波中继站传输至岸基微波基站，岸基微波站通过地面传输网络将数据传输至所述的监测控制中心，监测控制中心指令依次下达至水上平台与海底观测平台并实现远程控制。本发明通过设计海底观测平台、布设海底通讯电缆解决水下系统集成能源供给与数据传输问题，实现了对生态环境等海洋要素的长期、实时、在线、稳定、自动化监测；实现对海洋牧场生态环境的可视、可测、可控。

Description

一种海洋牧场平台基微波观测系统

技术领域

本发明属于海洋技术领域，尤其与一种海洋牧场平台基微波在线观测系统有关。

背景技术

开发海洋资源、发展海洋经济正逐渐成为沿海各国国民经济的重要支柱，然而在带来巨大经济效益的同时，当代海洋的开发也带来了一连串的生态环境和资源问题。人类对海洋渔业资源的掠夺式捕捞已使渔业资源特别是近海资源面临枯竭，世界海洋渔业资源可捕量已经受到了很大限制，从现代渔业的发展趋势来看，资源管理型渔业将是新世纪海洋渔业发展的主要方向，而海洋牧场则是资源管理型渔业的主要方式之一。

作为一种新型的有计划有目的海上鱼虾贝类放养大型人工渔场，海洋牧场的边发展边治理的方式越来越得到全世界的高度认可和赞扬，自上世纪九十年代以来海洋牧场的发展得到越来越多的重视，世界各国也大力推动这种新型海洋开发方式。

与此同时，在发展海洋牧场过程中，针对海洋牧场生态环境监测、生物运动状态习性监控等一系列海洋高新配套设备也越来越得到重视。目前，部分基于浮标平台关于海洋牧场水质生态环境实时监测系统、基于运载器的关于海底生物环境监控系统正在部署实施。

虽然国内外有关海洋牧场建设的项目正不断投入建设和应用，但是针对海洋牧场海况和需求的水质生态环境在线监测，特别是水下人工渔礁周围环境视频监控研究和应用还相对滞后，无法对海洋牧场健康可持续发展提供有效技术支撑，主要体现在以下几个方面：

部分近距离海洋牧场水质在线监测系统单纯依靠传统的浮标，只能监测水面环境要素，其高建设、使用和维护成本使得绝大多数海洋牧场还无法实现对海底长期在线监测，但是海洋牧场养殖发展非常需要在线稳定的海底监测要素参数；

传统的海事浮标功能较为单一，无法兼顾休闲垂钓、海上救助、牧场管理等其他需求，且浮标布放缺少有效的视频监控防护措施；

除部分水质、水文监测要素外，无法实现对水下人工渔礁周围环境和生物的运动状态及生活习性的长期实况视频监控；

传统的生态环境监测系统在仪器扩展、设备更新等方面设计考虑不足，系统可扩展性差，模块化不足，容易造成二次重复开发。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的旨在提供一种海洋牧场平台基微波观测系统，专门针对离岸3Km以上远距离海洋牧场，相比传统海事浮标等监测系统，该观测系统实行模块化管理，整体集成度更高、独立性更强、更加灵活方便，在通用性、可扩展性、稳定可靠性具有一定的技术优势，能够很好地满足绝大多数海洋牧场监测需求，真正意义上实现了对海洋牧场生态环境的可视、可测、可控。

为此，本发明采用以下技术方案：一种海洋牧场平台基微波观测系统，包括水上平台、海底观测平台、监测控制中心和微波传输链路，传感器数据与海底实况视频通过所述的海底观测平台集成后由海底电缆传输至水上平台上的平台控制系统，通过设置在水上平台的远端微波中继站传输至岸基微波基站，岸基微波站通过地面传输网络将数据传输至所述的监测控制中心，监测控制中心指令依次下达至水上平台与海底观测平台并实现远程控制。

作为对上述技术方案的补充和完善，本发明还包括以下技术特征。

所述的水上平台作为能源供应站与信息中转站，包括平台控制水密箱、太阳能板与蓄电池组成的电源、平台控制系统、带有LTE微波天线的远端微波中继站和监控摄像头，太阳能板、LTE微波天线、监控摄像头安装在水上平台的表面，蓄电池组、平台控制系统、远端微波中继站安装在平台控制水密箱内，平台控制水密箱位于水上平台的中间位置。

所述的水上平台设有三层结构，最底层采用聚氯乙烯PVC管作为浮体材料，中间层采用横木作为平台支撑加强筋，最上层采用木板间隙拼接作为平台作业平面，平台作业平面中央位置安装平台控制水密箱，水上平台的四周利用合成纤维编织的网衣构成相对封闭的平台环境，其中通过多个贯穿上下三层的U型螺栓加强平台强度，平台作业平面上的木板连接有条形不锈钢板和多根金属竖杆，可以方便安装太阳能板、天线、避雷针设备框架。

所述的平台控制水密箱下部呈方形、上部呈锥形，顶部通过密封舱盖盖装，下部长方体用于安装蓄电池组，上部锥体用于安装平台控制系统和远端微波中继站，顶部密封舱盖将设置在外部的LTE微波天线、监控摄像头、海底电缆过孔走线及箱体密封。

所述的水上平台能源供应部分由太阳能光伏阵列、蓄电池组及太阳能控制器组成，平台控制系统作为太阳能控制器直流负载，通过计算所需电压及系统功耗，光伏阵列及蓄电池组进行串并联后接入太阳能控制器。

所述的平台控制系统对监控摄像头、远端微波中继站、海底观测平台进行能源管理与分配，并对监测控制中心、海底观测平台传感器数据与控制指令进行中转与备份；平台控制系统包括供电管理模块、中央控制模块和数据传输模块，供电管理模块通过太阳能板和蓄电池组进行供电，

负责为远端微波中继站、监控摄像头、海底观测平台和内部控制模块提供电源；中央控制模块通过海底电缆进行传感器数据与控制指令的透明转发，负责回收海底观测平台的数据，并转发监测控制中心指令至海底观测平台；数据传输模块通过与海底观测平台成对使用的调制单元，建立水上与水下透明网络，从而转发传感器数据与海底实况视频。

所述的海底观测平台作为一个通用型传感器搭载平台，包括水下构架、控制密封舱和观测仪器，控制密封舱内部集成数据采集控制系统，观测仪器通过内含信号线与动力线的水密电缆接入控制密封舱，共同安装固定在水下构架上。

所述的观测仪器包括CTD传感器，叶绿素探头，溶解氧探头，水下摄像头、LED灯和腐蚀在线监测仪，观测仪器可以根据海洋牧场实际监测需求动态调整。

所述的数据采集控制系统现场分布式管理及模块化设计，包括供电模块、主从控制模块、传感器模块、视频处理模块，所述的观测仪器分别对应各自的传感器模块，根据所挂载传感器设备分别设计独立的控制模块，将各仪器相互分布隔离，不会因为一个仪器或者一个部分的漏电、工作异常而影响整体的系统工作。

所述的供电模块负责将海底电缆接入电压进行降压转换与内部分配处理；主从控制模块负责各传感器模块管理与控制；各传感器模块与集成搭载设备一一对应，负责传感器设备协议转换与电源管理；视频处理模块负责视频压缩编码及RTMP推流处理。

所述的控制密封舱包括散热区和网格区，所述的散热区安装高功耗电路板，包括主电源管理板、CTD传感器板、摄像头板、LED板、腐蚀计控制板和通信调制模块，网格区安装低功耗电路板，包括ARM控制板、交换机、编码器板，散热区上的高功耗电路板通过金属扇面紧贴控制舱筒壁与端盖及海水形成散热回路。

所述的水下构架采用316L不锈钢加工制作成型，平台外观呈三角锥形，四角针状结构，并采用上下两层独立设计，所述的CTD传感器，叶绿素探头，溶解氧探头，水下摄像头、LED灯、腐蚀在线监测仪和控制密封舱安装于水下构架上，水下构架的外周罩护防拖网，在一定程度上能够减少被渔网等拖拉刮倒。

所述的监测控制中心包括实时数据监测平台、资源数据共享网站、视频直播推送和存储模块，负责传感器远程电源管理与采样配置、实时采样与状态数据监测等；

所述的资源数据共享网站负责与实时数据监测平台交互，进行监测数据与实况视频发布、存储查询等基本功能，数据后处理、预警报判别等特殊功能，并对未来观测要素值进行数值预报等扩展功能；

所述的视频直播推送和存储模块负责海底实况视频网络同步直播、历史点播及备份存储等。

所述的电缆包括由信号线与动力线通过填充绳填充，再通过捆扎带捆扎，捆扎带外层由内往外依次设置内护套、钢丝编制层和外护套，每组线由两根导体分别通过绝缘层绝缘及填充绳填充后双绞用PP带包裹成型。

所述的微波传输链路包括水上平台微波中继站与岸基微波基站，通过该传输通道及地面传输网络，将海底实况视频、传感器数据、平台监控视频等实时转发至监测控制中心。其中水上平台微波中继站包括水密控制箱内部的CPE及平台表面的双极化全向玻璃钢LTE天线，岸基微波站则利用渔政执法部门前期在沿海地区架设的一点对多点全向基站。

使用本发明可以达到以下有益效果：本发明通过设计海底观测平台、布设海底通讯电缆解决水下系统集成能源供给与数据传输问题，实现了对生态环境等海洋要素的长期、实时、在线、稳定、自动化监测；实现对海洋牧场生态环境的可视、可测、可控：即对水下观测系统和水下人工渔礁周围环境和生物的运动状态及生活习性的实况视频监控；对海洋牧场海水的溶解氧、叶绿素、温度、盐度、水位、海流、海浪等参数实时在线监测；对海底搭载仪器的远程实时控制，根据需要远程调整仪器工作状态及数据采集频次；系统模块化分布式设计：通过一种更为可靠稳定，并且具有良好扩展性的传感器模块化集成手段--通用型传感器平台，即预留充足设备接口，针对不同接口的传感器可以实现无缝接入系统，便于同一参数不同指标仪器接入平台比对及后期扩展可扩展安装营养盐等海洋环境观测设备；水上平台建设充分借鉴海水养殖网箱进行优化改进，在满足生态环境监测空间与安全需求的同时，兼顾休闲垂钓、海上救助、牧场管理等多种需求，经济实惠，避免资源浪费。

附图说明

图1为本发明的结构连接示意图。

图2为本发明海底观测平台的结构简示示意图。

图3为本发明水上平台结构示意图。

图4为本发明海底观测平台数据采集控制系统内部拓扑示意图。

图5为本发明电缆结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细描述。

实施例：如图1～图5所示，本发明包括水上平台2、海底观测平台3和总控制中心1，传感器数据与海底实况视频通过海底观测平台3集成后由海底电缆传输至水上平台2上的平台控制系统，通过设置在水上平台2的远端微波中继站传输至岸基微波站4，岸基微波站4通过地面传输网络将数据传输至总控制中心1，总控制中心1指令依次下达至水上平台2与海底观测平台3并实现远程控制。

水上平台2作为能源供应站与信息中转站，是微波平台海洋生态环境在线观测系统的关键组成部分，主要包括平台控制水密箱21、太阳能板22与蓄电池、平台控制系统、远端微波中继站、监控摄像头等。其中太阳能板22、LTE微波天线、监控摄像头安装在水上平台2表面；蓄电池组、平台控制系统、远端微波中继站安装在平台控制水密箱21内部；平台控制水密箱21则嵌套安装在水上平台2中央部位。为了延长水上平台2的使用寿命，增加其抗风、抗浪、抗流能力，这里借鉴网箱平台安装布放经验，对水上平台2进行了专门优化改进设计，整体采用三层结构设计，最底层采用聚氯乙烯PVC管作为浮体材料，中间层采用8根900cm*30cm*20cm横木作为平台支撑加强筋，最上层采用30根900cm*20cm*5cm木板间隙拼接作为平台作业平面，中央位置预留1m*1m*2m空间作为安装平台控制水密箱21，四周利用合成纤维编织的网衣构成相对封闭的平台环境，其中通过多个贯穿上下三层的U型螺栓加强平台强度，平台表面木板连接有条形不锈钢板可以方便安装太阳能板22、天线、避雷针设备框架。另外，为方便安装2根LTE微波天线、监控摄像头，专门在水上平台2表面架设多根金属竖杆，其中包括高8m避雷针。

平台控制水密箱21包括下部长方体、上部锥体、顶部密封舱盖，其中下部长方体用于安装16块蓄电池，上部锥体用于安装平台控制系统、远端微波中继站，顶部舱盖用于外部LTE、摄像头、海底电缆过孔走线及箱体密封。

水上平台2作为微波平台观测系统能源供应站，设计能源供应系统，主要包括太阳能板22光伏阵列、蓄电池组、太阳能控制器组成。太阳能控制器主要用于优化蓄电池充电与放电过程，滤波光伏阵列电压输入，从而延长蓄电池使用寿命，减少电压尖峰对负载设备损害。通过计算水上平台2与水下系统的整体功耗及满足备份使用，水上平台2表面安装8块1200瓦的单晶太阳能板22，其中4块单路串联，2路并联输出。平台控制水密箱21内部配备16块1600AH的蓄电池，其中4块单路串联，4路并联输出，从而能够保障在海边多雾阴雨天等恶劣天气状况下，至少连续提供5*24的稳定能源供给。

平台控制系统负责对监控摄像头、远端微波中继站、海底观测平台3进行能源管理与分配；负责对总控制中心1、海底观测平台3传感器数据与控制指令进行中转与备份。平台控制系统包括供电管理模块、PC104中央控制模块、数据传输模块等。平台控制系统作为负载接入太阳能控制器+48V直流输出，通过一系列DCDC/DCAC电压转换模块，负责为远端微波中继站提供+28V、+12V直流电压输出、为水面监控摄像头提供24V交流电压输出，为海底观测平台3提供+48V直流电压输出，为内部控制模块等提供+12V、+5V直流电压输出。另外，通过PC104控制模块连接微波传输系统与海底电缆进行传感器数据与控制指令的透明转发，负责回收海底观测平台3的数据，在完成数据的质量控制后通过微波系统上报控制中心，相应的，负责转发总中心控制指令至海底观测平台3。数据传输模块则是通过与海底观测平台3成对使用的调制模块，建立水上与水下透明传输网络，从而负责将海底视频信号与数据信号通过公有网络转发至监测控制中心。

为保证水上平台2的安全性，在表面架设海康威视监控摄像球机，通过微波传输链路，透过RTSP视频流传输协议，在远程控制中心实现对水上平台2状况及周围环境的实时在线监控，负责完成视频录制、预览、回放等功能，并进行定点巡航、越界侦测、区域入侵侦测等smart事件处理。

海底观测平台3是微波平台海洋环境在线观测系统核心部分，是完成海洋环境实时监测、海底视频实况监控的关键，这里通过提供一种通用型模块化传感器搭载平台，可以根据不同应用需求调整接入传感器，主要负责各观测仪器31的供电与数据采集控制，另外完成对原始视频信号进行压缩、推流等处理。

按照功能模块划分，海底观测平台3主要是包括水下构架33、控制密封舱32、观测仪器31，其中控制密封舱32内部集成数据采集控制子系统，观测仪器31通过水密电缆(内含信号线与动力线)接入控制密封舱32，共同安装固定在水下构架33上。

根据项目设计任务要求，系统主要集成搭载CTD传感器，叶绿素探头，溶解氧探头，水下摄像头等。此外搭载水下LED灯和腐蚀在线监测仪，可以辅助海底观测平台3的布放和提供维护参考、辅助摄像头夜间光线补偿。

数据采集控制系统位于海底观测平台控制舱内部，设计充分考虑系统高稳定性、高可靠性、可扩展等需求，借鉴863海底观测网的成熟技术及汽车电子成熟工艺，

集成控制系统采用现场分布式管理、模块化设计，针对所挂载传感器设备分别设计独立的控制模块，将各仪器相互分布隔离，不会因为一个仪器或者一个部分的漏电、工作异常而影响整体的系统工作。各仪器设备更换维护方便，可单个更新替换，可以根据实际应用需求调整接入传感器，在升级换代时仅需少量的测试安装工作。

海底观测平台3作为一个通用型传感器搭载平台，采用国际通用的水密接插件，具有即插即用的通用国际标准水密接口，可以很方便扩展其他参数或更新替代同一监测参数不同型号仪器设备，目前海底观测平台3最大功率100W，接入仪器设备5台，同时预留3个接口，未来可以扩展至16～32个。

数据采集控制系统主要负责各观测仪器31的电源管理、控制与数据采集、融合；与平台控制系统连接进行信息传输；原始视频信号压缩与推流处理等，主要是由供电模块、主从控制模块、各传感器模块、视频处理模块组成。

其中供电模块负责将海底电缆接入电压进行降压转换，并根据内部应用需要进行电压分配处理。系统主要包括两个部分：电压转换功能部分与电压分配功能部分。电压转换功能：负责将海底电缆供应48V直流电压，通过+48V/+48V DC/DC电压转换，输出+48V电压作为控制舱内部电路板输入；电压分配功能：对于+48V电压输入，根据各控制电路板不同输入电压，分别进行+48V/+24V DC/DC(交换机)、+48V/+5V DC/DC(ARM板)、多路+48V并联(传感器控制板)等输出转换。

主从控模块通过现场CAN总线与传感器模块通信，负责传感器模块管理与控制，承担传感器数据解析处理，是整个管理系统控制核心部分及稳定运行的的关键。为了保证可靠性，主要由双冗余的主控模块与从模块组成。

传感器模块与集成搭载设备一一对应，负责传感器电源管理与数据协议转换。传感器模块化的管理方式在系统后期扩展及更新换代具有很大的灵活性，各模块间软硬件设计类似，硬件主要区别在于根据挂载仪器设备电压功耗调整DCDC稳压模块，包括CTD传感器模块(+48V/+12V DC/DC 6W)、叶绿素探头(+48V/+12V DC/DC 2W)、溶解氧探头(+48V/+12VDC/DC 2W)、摄像头(+48V/+12V DC/DC 20W)、LED灯(+48V/+24V DC/DC20W)等。

传感器模块包括电源管理控制板与CAN通信协议转换板两部分组成，是由可以扩展的CAN总线协议转换器和适应于不同传感器供电电压的DC/DC转换器设计实现，可以兼容数字量(RS232、RS485等)、模拟量等常见接口传感器，负责将不同传感器接口数据转化成CAN数据转发。

水下摄像机通过SUBCONN同轴水密电缆接入控制舱，主要集成包括电源线、控制线、视频线，数据采集控制系统通过CAN传感器模块对其进行电源管理与控制，即利用SONYVISCA协议控制摄像机数字变焦、聚焦、白平衡、亮度、光圈、增益、背光补偿等基本参数设置，另外则通过视频处理模块处理视频压缩、推流等工作。

视频处理模块主要由SD/HD-SDI高清编码器组成，摄像头输出HD-SDI原始视频信号(1920*1080)，接入编码器输入端，编码器按照H.264编码算法进行压缩处理，并通过交换机及通信调制模块网络将压缩视频信号进行推流处理，即按照RTMP视频流协议上传至视频节点服务器，从而实现海底实况视频网络直播。

控制密封舱32采用钛合金加工，设计耐压6MPa，均严格经过国家海洋局标准计量中心的耐压测试试验，并形成相关测试报告，可以实现水下10年的设计寿命。

考虑到传感器功耗不同，控制密封舱32设计采用扇形散热区与普通网格区前后独立设计，其中散热区安装高功耗电路板，通过金属扇面紧贴控制舱筒壁与端盖及海水形成散热回路，普通区则安装低功耗电路板。根据系统所集成搭载传感器，水密舱普通区安装ARM控制板、交换机、编码器板；散热区主要安装主电源管理板、CTD传感器板、摄像头板、LED板、腐蚀计控制板、通信调制模块等。另外，对传感器进行扩展集成比较方便，由控制密封舱32内部电路板及端盖水密接插件布局可以看出，内部仍然有一定的富余空间，后期根据实际扩展应用需要，增加或裁减相应传感器模块，如多参数水质仪、流速剖面仪等。

海底观测平台3的水下构架33尺寸1.2m*1.2m*1.2m，水中重量150Kg，主要负责将6个观测仪器31和水下密封腔集成在一起，进行海底观测平台3的安全布放和回收，同样也承载系统之间水密电缆的连接和通信电力传输系统的海底电缆。

水下构架33整体采用316L不锈钢加工制作，外观呈三角锥形，四角针状结构，并采用上下两层独立设计，中间20cm间隔可以防止构件在淤泥区的下陷导致淤泥浸满传感器所引起的测量误差，观测仪器31具有独立的固定位置，主要在上基座层安装固定，平台外罩防拖网，在一定程度上能够减少被渔网等拖拉刮倒。

另外，对于需要垂直剖面测量的传感器，在构件上方使用万向节常/平架固定，即使在页基岩等斜度较大的区域(原则上不高于20度)，也能保证流速剖面仪竖直向上。且各仪器设备与构件采用尼龙垫片进行隔离，同时构件装备牺牲阳极保护，大大延长使用寿命。构件整体设计尺寸在满足固定目前仪器设备的基础上，同时为将来固定流速剖面仪、波浪仪、多参数水质仪预留了足够的固定空间。

观测仪器31是完成海洋牧场海洋环境有缆实时观测的核心部件。完成水质环境和水动力环境的实时观测，在满足海洋牧场基本参数获取的基础上，未来可以扩展测量海流、波浪等海洋动力参数，为海洋环保和预报部门的监测、预报等工作提供丰富可靠的数据支撑。综合各方面的因素，选择以下的仪器作为主选的仪器：Hydrocat SBE63CTD(带溶解氧探头)、ROS C600摄像头、德国TriOS MicroFlu-chl荧光计、C-Tecnics公司CT4003LED灯源、自主研发设计在线腐蚀监测仪。

海底电缆针对浅海有缆观测专门设计加工定制，电缆密度大于海水密度，平铺在海底表面，用于连接海底观测平台3与水上平台2控制系统，主要负责解决海底观测电力供应与提供数据传输通道。

(1)通过两端调制解调模块，实现水上水下局域网透明网络，将有缆观测系统数据与视频信号传输至平台控制系统；

(2)通过将水上平台2控制系统分配能源供给给海底观测平台3。

其中，海底电缆包括护套层、钢丝编织层、屏蔽层、2根信号线、2根动力线等组成，内部填充绝缘材料，其中信号线用于传输5Mbps左右的全双工电信号，动力线用于传输+48V直流电压，其结构与技术指标如下：

(1)导体线芯：4股精绞成术防腐蚀锡铜丝；

(2)导体结构：双绞成对结构后分层集束，符合GB/T3956的第二种圆形或紧压绞合圆形结构；

(3)绝缘：在导体外挤出聚乙烯绝缘层，且绝缘层的任一点的最小厚度不小于规定标称值的90％；

(4)颜色：黑、白、耦合、棕四色线芯颜色标示；

(5)绕包结构：防扭结构分层；分组式间隙填充；

(6)绕包材料：聚四氟乙烯材料；

(7)屏蔽：钢丝网编织，密度90％以上；

(8)内护套：改性低粘度强力挤压内护套；

(9)外护套：挤包高密度密度聚乙烯，表面光亮，色泽均匀，横断面无目力可见气孔、砂眼；

(10)成缆&填充：将两根信号线芯成缆并用填充绳进行填充，在组合线芯上有合适的捆扎带；将成缆后的线芯再次成缆，并用填充绳进行填充，成缆节径比不大于30倍；

(11)设计寿命：30年

微波平台负责解决有缆长距离的电力供给和信息传输数据限制，即在距离观测点1Km附件布放水上平台2，通过海底电缆连接海底观测平台3，利用水上平台2的微波中继站主动与岸基微波基站建立数据传输链路，通过该传输通道及后端地面传输网络，将海底实况视频与传感器数据、水面监控视频实时上传至省渔业厅与省资管中心等，其中微波传输链路在其中扮演中重要作用。

岸基微波站4：为了减少重复部署、节约微波基站架设成本，采用前期山东省海洋与渔业厅在沿海地区架设的多点HC-ATO1410微波基站，该系统基于目前最为先进的第四代移动通信技术(LTE)研制而成。在3GPP协议的基础上进行了大幅度的改进、优化，满足行业对于无线通信应用的需求，可为单用户提供高速率、高质量无线宽带接入，可实现语音、高清视频、信息交换、资料传输，与远端微波中继站采用双极化全向玻璃钢天线通信，具体岸基微波基站在此不作赘述。

远端微波中继站选购采用HC-LT1400P-MU专业型宽带无线智能远端站CPE，作为HC-ATO1410基站无线终端接入设备，其对上行无线接口采用LTE规范，对下实现以太网口及WIFI无线接口，可构建现场小型有线局域网和无线局域网，供网内用户进行音频、视频和数据的高速接入，实现路由转发等功能，使用WEB网关实现本地和远程管理。这里CPE设备选择部署安装在平台控制水密箱21内部，通过软接线经过平台控制水密箱21顶部预留接口连接平台表面LTE天线，预留的网络接口分别用于连接平台控制系统网络、海底观测平台3网络，从而实现水上水下局域网络透明。

监测控制中心安装高性能服务器，通过运行一系列人机交互软件及后台应用软件来进行日常维护操作，这主要包括实时数据监测平台、资源数据共享网站、视频直播推送与存储几个部分，实现监测数据接收、存储、预处理以及视频解码、存储、网络直播等功能。

另外，在海洋与渔业信息化“一张图”的总体架构下，监测控制中心负责与省海洋渔业厅与省资管中心等领导部门连线在线观测信息，进行后期数据汇总与分析等，从而对海洋牧场生态情况进行预报预警，并对海洋牧场建设提供指导意见。

实时数据监测平台集成各海洋牧场观测站点，负责完成系统远程管理控制，主要包括传感器电源管理与数据采集、实时采样与状态数据监测等。可自行设定报警参数，带历史曲线图表，可查看实时数据与历史数据，界面友好，可操作性强。改监测平台包括电源管理模块、传感器管理模块、数据管理模块、故障管理模块等。

(1)电源管理模块：针对各海洋牧场传感器探头设计PowerOn、PowerOff指令，当执行电源管理时，选择冗余DC/DC，远程控制传感器上电断电；设计Monitor指令，当执行状态监控时，实时采集当前反馈电压温度值。

(2)传感器管理模块：设计典型模式与自定义模式两种：典型模式，根据预设一次下发多组指令，直接对传感器进行采样配置；自定义模式，通过逐条远程指令下发执行，灵活定义传感器采样方案。

(3)数据管理系统模块：通过与平台控制系统建立长连接，接收、解析、存储、展示传感器原始采样数据，并在资源共享网站实时发布，及后台数据库备份。

(4)故障管理模块：设计断网重连、超时重发、远程反馈等机制，保证海洋牧场站点系统远程管理稳定性；实时监测站点搭载仪器工作电压温度、平台蓄电池充放电过程、海底观测平台3构件腐蚀情况等状态，并进行异常及时响应处理。

资源共享网站负责与实时数据监测平台交互，进行数据发布、信息整合等一系列后期扩展功能，供海洋牧场管理人员及普通用户在线访问。该网站具有海洋牧场监测数据实时展示发布、存储查询等基本功能，数据后处理、预警报判别等特殊功能，并对未来观测要素值进行数值预报等扩展功能。目前该部分正在进行网站部署、管局备案、研发测试阶段。

(1)数据显示：实时显示海洋牧场站点的主要环境要素参数及实况视频；

(2)数据查询：包括当前数据及历史数据；

(3)数据存储：包括监测数据及工作日志备份存储记录；

(4)数据处理：对一定批量监测数据进行后处理，在有效时间序列中以列表、曲线图等方式展示；

(5)预警判别：根据用户需求，设置数据监测频率及数据的预警报临界值，根据仪器状态参数或数据预警报临界值进行有效判断，对系统发生异常或参数超标等情况进行报警；

视频网络直播与存储：

(1)水下海底视频直播：利用Adobe FMS3.5或者Wowza Server搭建RTMP视频直播服务器,解压并网络直播海底观测平台编码器所推送RTMP视频流，考虑到网络带宽与服务器性能，省渔业厅、省资管中心、海洋牧场管理人员、普通用户采用与监测控制中心采用交互应答方式，点播查看海底实况视频。

(2)水上监控视频直播：通过水上平台2摄像头内部集成的RTSP服务器及微波传输链路映射转发，服务器后台管理人员通过客户端软件进行视频监控及远程控制，进行摄像头云台控制、巡航、侦测等管理功能。

(3)视频存储备份：视频存储软件自主录制水上水下视频，按照以小时为单位、以1GB大小为单位进行文件备份，供后期制作剪辑宣传、查验等。

专门针对海洋牧场生态环境在线监测、生物运动状态习性实况监控这一领域，可广泛用于未来海洋牧场生态环境监测等指导建设。该设计充分考虑目前国内外海洋牧场水质在线监测实施方法，在通用性、可靠性、扩展性等方面都具有很高的优势，能够满足绝大多数海洋牧场的需要。

(1)真正意义上实现对远岸海洋牧场生态环境的可视、可测、可控；

(2)整套微波在线解决方案可扩展应用于其他类似监测需求，避免了重复开展类似研发工作；

(3)作为通用的传感器设备搭载平台，预留充足接口，兼顾后期仪器扩展与设备比对等应用；

此外，对于推进山东省“海上粮仓”的建设，构建“互联网+海洋牧场”系统，保障海洋牧场的生产安全，推动海洋牧场建设的持续、健康发展，加快海洋牧场区生态安全体系建设，为海洋牧场科学管理和决策提供技术依据。

本发明提供了一种解决离岸大于3Km的海洋牧场海底生态环境与实况视频长期、实时、在线、稳定监控的有效解决方案，从而真正意义上实现对海洋牧场生态环境的可视、可测、可控，其技术关键点主要是：

(1)海底观测平台3采用现场CAN总线分布式控制方式，提供了一种更为可靠稳定，具有良好扩展性的传感器模块化集成手段，具备灵活扩展其他参数或更新替代同一监测参数不同型号仪器设备，并且故障点隔离，单个仪器节点异常不会影响全系统正常工作；

(2)水上平台2作为整套系统能源供应与数据传输中转站，独特的结构设计使其能够提供8t有效荷载、12级抗风能力、6m抗浪能力，另外为发展休闲垂钓、海上观光第三产业提供了便利条件，

(3)海底电缆通过连接岸基控制系统与海底观测系统，负责传输48V直流电压及5.6Mbps数据信号，真正解决海洋观测持续能源供给与高带宽数据传输难题；

(4)微波通信链路搭建透明网络传输通道，减少长距离海洋牧场站点海底电缆建设成本，并实现对视频信号、数据信号的高速实时转发；

(5)通过集成水下摄像头、编码器，利用电缆传输视频压缩信号，设计了一整套对海洋牧场海底实况视频的实况直播，并可随时随地进行点播查看；

(6)通过监测控制中心远程对水下仪器设备节点进行动态电源管理与控制，并将系统状态、监测数据、实况视频网络同步发布与展示。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种海洋牧场平台基微波观测系统，其特征在于：包括水上平台、海底观测平台、监测控制中心和微波传输链路，传感器数据与海底实况视频通过所述的海底观测平台集成后由海底电缆传输至水上平台上的平台控制系统，通过设置在水上平台的远端微波中继站传输至岸基微波基站，岸基微波站通过地面传输网络将数据传输至所述的监测控制中心，监测控制中心指令依次下达至水上平台与海底观测平台并实现远程控制；

所述的海底观测平台作为一个通用型传感器搭载平台，包括水下构架、控制密封舱和观测仪器，控制密封舱内部集成数据采集控制系统，观测仪器通过内含信号线与动力线的水密电缆接入控制密封舱，共同安装固定在水下构架上；所述的观测仪器包括包括CTD传感器，叶绿素探头，溶解氧探头，水下摄像头、LED灯和腐蚀在线监测仪，观测仪器可以根据海洋牧场实际监测需求动态调整；

所述的监测控制中心包括实时数据监测平台、资源数据共享网站、视频直播推送和存储模块；

所述的实时数据监测平台包括电源管理模块、传感器管理模块、数据管理模块、故障管理模块，负责传感器远程电源管理与采样配置、实时采样与状态数据监测；

所述的资源数据共享网站负责与实时数据监测平台交互，具有监测数据与实况视频发布、存储查询基本功能，数据后处理、预警报判别特殊功能，并对未来观测要素值进行数值预报扩展功能；所述的视频直播推送和存储模块负责海底实况视频网络同步直播、历史点播及备份存储，同时负责水上平台监控视频备份处理。

2.根据权利要求1所述的一种海洋牧场平台基微波观测系统，其特征在于：所述的水上平台作为能源供应站与信息中转站，包括平台控制水密箱、太阳能板与蓄电池组成的电源、平台控制系统、带有LTE微波天线的远端微波中继站和监控摄像头，太阳能板、LTE微波天线、监控摄像头安装在水上平台的表面，蓄电池组、平台控制系统、远端微波中继站安装在平台控制水密箱内，平台控制水密箱位于水上平台的中间位置；所述的水上平台设有三层结构，最底层采用聚氯乙烯PVC管作为浮体材料，中间层采用横木作为平台支撑加强筋，最上层采用木板间隙拼接作为平台作业平面，平台作业平面中央位置安装平台控制水密箱，水上平台的四周利用合成纤维编织的网衣构成相对封闭的平台环境，其中通过多个贯穿上下三层的U型螺栓加强平台强度，平台作业平面上的木板连接有条形不锈钢板和多根金属竖杆。

3.根据权利要求2所述的一种海洋牧场平台基微波观测系统，其特征在于：所述的平台控制水密箱下部呈方形、上部呈锥形，顶部通过密封舱盖盖装，下部长方体用于安装蓄电池组，上部锥体用于安装平台控制系统和远端微波中继站，顶部密封舱盖将设置在外部的LTE微波天线、监控摄像头、海底电缆过孔走线及箱体密封。

4.根据权利要求3所述的一种海洋牧场平台基微波观测系统，其特征在于：所述的水上平台能源供应部分由太阳能光伏阵列、蓄电池组及太阳能控制器组成，平台控制系统作为太阳能控制器直流负载，通过计算所需电压及系统功耗，光伏阵列及蓄电池组进行串并联后接入太阳能控制器。

5.根据权利要求4所述的一种海洋牧场平台基微波观测系统，其特征在于：所述的平台控制系统对监控摄像头、远端微波中继站、海底观测平台进行能源管理与分配，并对监测控制中心、海底观测平台传感器数据与控制指令进行中转与备份；平台控制系统包括供电管理模块、中央控制模块和数据传输模块，供电管理模块通过太阳能板和蓄电池组进行供电，负责为远端微波中继站、监控摄像头、海底观测平台和内部控制模块提供电源；中央控制模块通过海底电缆进行传感器数据与控制指令的透明转发，负责回收海底观测平台的数据，并转发总控制中心指令至海底观测平台；数据传输模块通过与海底观测平台成对使用的调制单元，建立水上与水下透明网络，从而转发传感器数据与海底实况视频。

6.根据权利要求1所述的一种海洋牧场平台基微波观测系统，其特征在于：所述的数据采集控制系统采用现场分布式管理及模块化设计，包括供电模块、主从控制模块、传感器模块、视频处理模块，所述的观测仪器分别对应各自的传感器模块，根据所挂载传感器设备分别设计独立的控制模块，将各仪器相互分布隔离；

所述的供电模块负责将海底电缆接入电压进行降压转换与内部分配处理；主从控制模块负责各传感器模块管理与控制；各传感器模块与集成搭载设备一一对应，负责传感器设备协议转换与电源管理；视频处理模块负责视频压缩编码及RTMP推流处理；

所述的控制密封舱包括散热区和网格区，所述的散热区安装高功耗电路板，包括主电源管理板、CTD传感器板、摄像头板、LED板、腐蚀计控制板和通信调制模块，网格区安装低功耗电路板，包括ARM控制板、交换机、编码器板，散热区上的高功耗电路板通过金属扇面紧贴控制舱筒壁与端盖及海水形成散热回路。

7.根据权利要求6所述的一种海洋牧场平台基微波观测系统，其特征在于：所述的水下构架采用316L不锈钢加工制作成型，外观呈三角锥形，四角针状结构，并采用上下两层独立设计，所述的CTD传感器，叶绿素探头，溶解氧探头，水下摄像头、LED灯、腐蚀在线监测仪和控制密封舱安装于水下构架上，水下构架的外周罩护防拖网，能有效防止拖曳。

8.根据权利要求7所述的一种海洋牧场平台基微波观测系统，其特征在于：所述的电缆包括信号线与动力线通过填充绳填充，再通过捆扎带捆扎，捆扎带外层由内往外依次设置内护套、钢丝编制层和外护套，每组线由两根导体分别通过绝缘层绝缘及填充绳填充后双绞用PP带包裹成型；所述的微波传输链路包括水上平台微波中继站与岸基微波基站，通过该传输通道及地面传输网络，将海底实况视频、传感器数据、平台监控视频实时转发至监测控制中心；其中水上平台微波中继站包括水密控制箱内部的CPE及平台表面的双极化全向玻璃钢LTE天线，岸基微波站则利用渔政执法部门前期在沿海地区架设的一点对多点全向基站。