CN110182318A - 一种面向冬季海冰风险管理的海洋信息在线监测浮标系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种面向冬季海冰风险管理的海洋信息在线监测浮标系统，包括抗冰浮标系统、冰力监测系统、冰振监测系统、锚链张力监测系统、视频监测系统、GPS定位系统、冰环境监测系统、供电系统、数据采集系统、通信系统八部分。该监测系统集成了海冰学、气象学、电子学等多学科的最新技术，可在恶劣的海冰环境下对海洋信息进行长期、连续、自动、实时的监测，具备很强的海冰灾害监测与预警能力。同时它对海洋气象监测、海冰灾害预警预报和加强海洋气象服务等都具有重大意义，能够更好的推动海洋监测技术的进步，为海洋监测事业做出贡献。
Description
技术领域
本发明属于海洋工程领域，涉及一种面向冬季海冰风险管理的海洋信息在线监测浮标系统。它利用现代化技术手段，在恶劣的海冰自然环境下对冬季或者寒区海域的冰情等信息进行在线实时的监测。基于该监测系统可以进行冬季的海冰灾害风险预报，加强对冬季海洋风险的监测与管控。
背景技术
海洋浮标作为一种现代化的海洋监测技术在各国家有着广泛应用。相比其他监测手段，海洋浮标可在恶劣的海洋环境条件下对海洋环境进行自动、连续、长期的同步监测，并且布放灵活、运行稳定、易于回收、简便经济。
海洋浮标是现代海洋环境立体监测系统的重要组成部分，主要用于海洋环境定点监测。随着我国海洋强国战略的推进，海洋浮标的应用正朝向采用高新技术、扩大功能、提高可靠度、方便布放、面向专题领域、高密度布放和全覆盖海域监测的趋势发展。海洋浮标监测系统不仅仅拘泥于监测实时数据，还可以与海洋物理、生物模式等连接起来，实现海洋数据的全方位、立体化监测。
针对我国渤海冬季结冰海域及世界其他寒冷结冰海域，本发明提出了一种高度自动化、模块化的海冰风险监测浮标系统。该监测浮标系统集成了海冰学、气象学、电子学等多学科的最新技术，其可在恶劣的海冰环境下对海洋环境要素进行长期、连续、自动、实时的监测，具备很强的海冰灾害监测与预警能力。同时它在海洋气象监测、海洋灾害预警预报和加强海洋气象服务等方面都具有重要意义，能够更好的推动海洋监测技术的进步，为海洋监测事业做出贡献。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的是设计一种面向冬季海冰风险管理的海洋信息在线监测浮标系统。
本发明采取的技术方案：
一种面向冬季海冰风险管理的海洋信息在线监测浮标系统，其包括抗冰浮标系统、冰环境监测系统、冰力监测系统、冰振监测系统、锚链张力监测系统、视频监测系统、GPS定位系统、供电系统、数据采集系统、通信系统；其中：
所述抗冰浮标系统是保障海冰监测系统在海面上稳定工作的基础，主要包括抗冰浮标标体、锚链、锚块；
所述冰环境监测系统是在抗冰浮标标体中布置温盐深传感器、风传感器、温湿传感器、波流传感器、多参数水质测量仪；温盐深传感器用于监测不同深度下的海水的盐度、温度情况；风传感器用于监测海上风速、风向情况；温湿传感器用于监测海上的气温、湿度情况；波流传感器用于监测海上波流、流速流向情况；多参数水质测量仪用于监测海水的ph值、浊度、溶解氧和叶绿素水质参数信息；
所述冰力监测系统是在抗冰浮标标体的外表面安装测力传感器，测量直接作用在抗冰浮标标体上的冰力情况。冰荷载是冰区船舶运行稳定性和冰区结构强度计算的控制荷载，因此现场监测冰荷载是十分必要的；
所述冰振监测系统是在抗冰浮标标体内设置振动加速度传感器，冰振监测是面向抗冰浮标冰振风险监测的重要内容。浮标结构在海冰、风、浪、流等环境条件下会产生复杂的振动响应。通过对浮标结构振动加速度的监测，可对各种环境载荷对浮标振动响应情况进行分析，为类似海上结构设计提供参考数据；
所述锚链张力监测系统是在锚链中安装拉力传感器。考虑到寒区冰情过大时可能会造成锚链断裂，进而浮标被海冰推走的严重后果，因此在锚链中安装拉力传感器，对锚链所受张力进行实时监测，对浮标定位设计及冰荷载分析具有重要意义；
所述视频监测系统是在浮标塔架上安装视频监控的摄像头，通过视频画面对浮标所处区域海况、冰情进行实时监测；同时通过图像测量技术确定浮标周围的冰厚、冰速、冰向、冰类型信息，为海冰灾害预报等工作提供现场冰情信息；
所述GPS定位系统是在浮标塔架上部安装GPS模块，对浮标进行位置信息测量，确定浮标所处海域的经纬度；
所述供电系统是由风光互补发电系统、电源控制系统和蓄电池组合而成，其为整个浮标系统供电；所述风光互补发电系统包括太阳能发电板、风力发电机；所述电源控制系统为风光互补发电控制器，控制器输出12V直流电为整个浮标系统的传感器及设备供电；所述蓄电池为两组硅能蓄电池并联组成。所述供电系统具有小型化、轻量化、长寿命、无污染等优点，是海洋浮标得以长期稳定运行的基础；
所述数据采集系统是由数据采集模块、数据处理模块、数据储存模块与数据发送模块组成；所述数据采集模块负责按照程序预先设置或者触发的方式采集不同传感器的实测数据，并将采集的原始数据发送给数据处理模块；所述数据处理模板将数据采集模块采集到的原始数据根据数据格式进行数据的提取与转换，并将转换后的数据发送给数据存储模块及数据发送模块；所述数据存储模块将接收到的数据根据数据的类型进行分类，并将数据按照预先设置的格式存储到数据存储模块的存储卡内；所述数据发送模块将接收到的数据进行处理打包，然后将数据发送到北斗通讯终端模块，实现对传感器实测数据的实时采集、存储与发送的功能；
所述通信系统由北斗通讯终端模块组成，主要起数据回传作用；所述数据采集系统将采集到的传感器数据打包传输给北斗通讯终端，经由北斗卫星发送到岸站接收中心；所述北斗通讯终端为北斗通信设备，具有北斗和GPS双工作模式，带有标准数字通信接口。
根据上述的技术方案，该海冰监测系统具有以下特点：
1.这是新一代全自动化的海冰观测浮标装置，它集成了海冰学、气象学、电子学等多种学科的最新技术，具有很强的海冰灾害监测预警能力。
2.通过该监测系统可以现场观测到冰与浮式结构的相互作用形式，可以为室内模型试验、冰荷载分析及抗冰结构设计等相关研究提供现场实测数据。
3.该监测系统依托北斗卫星系统，采用卫星通信的方式，数据通信实时性强，覆盖范围广，传输距离远。
4.该监测系统采用模块化设计，各部分相对独立，个别故障不会影响系统工作，系统可靠性高。
5.该监测系统留有功能扩展接口，系统可扩展性强，且后期维护成本低。
附图说明
图1为监测系统总方案框架图；
图2为监测系统总方案示意图；
图中：1太阳能发电板；2风力发电机；3塔架；4电源控制系统；5蓄电池；6抗冰浮标标体；7锚链拉力传感器；8温盐深传感器；9多参数水质测量仪；10波流传感器；11冰力测量传感器；12振动加速度传感器；13风传感器；14温湿传感器；15摄像头；16数据采集系统；17GPS模块；18北斗通信终端； 19锚块；20锚链。
具体实施方式
下面结合附图对本监测系统进行详细描述。
本发明所述的一种面向冬季海冰风险管理的海洋信息在线监测浮标系统，总方案框架图如图1所示，总方案示意图如图2所示。
太阳能电池板1与风力发电机2组成风光互补发电系统，安装在塔架3上部的小平台上，该系统收集到的太阳能、风能转换为电能，通过电源控制系统4将电能储存在蓄电池5中；蓄电池为两组硅能蓄电池并联组成，布置在抗冰浮标标体6舱内；电源控制系统为风光互补发电控制器，布置在抗冰浮标标体舱内，系统正常输出12V直流电为整个系统的传感器及设备供电；
锚链拉力传感器7安装在锚链中，对锚链所受张力进行实时监测；为研究海水温度分层现象，温盐深传感器8沿海水剖面垂直布置3组；多参数水质测量仪9安装在浮标标体底部；波流传感器10水平安装在浮标侧面水线之下，以减少海冰对传感器的影响；冰力测量传感器11布置在与海平面齐平处的浮标标体外侧；振动加速度传感器12安装在浮标标体内侧；风传感器13、温湿传感器14布置在塔架上部的小平台上；摄像头15安装在塔架上部的小平台两侧的桅杆上；
数据采集系统16布置在抗冰浮标标体舱内，北斗通讯终端17安装在塔架上部；
GPS模块18安装在塔架上部，为指挥中心准确定位浮标的位置；
在抗冰浮标标体下水之前完成上述各监测设备的布置、走线、防护等，待各监测设备安装就位后，将抗冰浮标标体投放到寒区海域，将锚块19沉入该海域海底，锚块通过锚链20连接抗冰浮标标体，组成抗冰浮标系统；
监测系统运行中，各传感器输出信号都为485信号，每个传感器有自己的独立地址。各个传感器之间以RS485总线“手拉手”模式相互连接，末端与数据采集模块的485端口相连。数据采集模块通过预先设置好的程序，分别向不同地址的传感器发生读取数据命令。对应地址的传感器接收到命令后返回给数据采集模块一串代码(原始数据)。数据采集模块将该段代码发生给数据处理模块，数据处理模块根据该段代码的形式解析数据，获取实时的传感器数据。数据处理模块将解析的实时传感器数据发送给数据存储模块和数据发送模块。数据存储模块将发送过来的传感器数据及本地时钟对应的时间数据一同存储到本地的数据存储卡内，完成数据的本地存储。同时数据发送模块将数据处理模块发送过来的数据与本地时钟数据整合并放到系统缓存内，直至数据发送模块获取足够的(预先设置的)数据，然后将数据进行排列打包，并按照预先设置好的方式发送给北斗通讯终端。北斗通讯终端经由北斗卫星发送至岸站接收中心的服务器，服务器接收数据后进行数据的解压、还原等操作，获取不同时间的传感器实测数据，并通过程序将数据进行实时的在线显示、本地归类存储等操作。岸站接收中心将监测数据进行本地的分析处理，进行风险分析与预测，并将分析结果反馈给地面指挥中心；地面指挥中心根据相关冰情等信息，进行冬季的海冰灾害风险预报，发布海冰风险预警等工作；同时还可以根据现场情况远程修改浮标的数据采集频率、读取关键传感器的监测数据等，实现寒区现场监测数据的实时同步监测及远程传输。
Claims (2)
1.一种面向冬季海冰风险管理的海洋信息在线监测浮标系统，其特征在于，其包括抗冰浮标系统、冰环境监测系统、冰力监测系统、冰振监测系统、锚链张力监测系统、视频监测系统、GPS定位系统、供电系统、数据采集系统、通信系统；其中：
所述抗冰浮标系统主要包括抗冰浮标标体、锚链、锚块；
所述冰环境监测系统是在抗冰浮标标体中布置温盐深传感器、风传感器、温湿传感器、波流传感器、多参数水质测量仪；温盐深传感器用于监测不同深度下的海水的盐度、温度情况；风传感器用于监测海上风速、风向情况；温湿传感器用于监测海上的气温、湿度情况；波流传感器用于监测海上波流、流速流向情况；多参数水质测量仪用于监测海水的ph值、浊度、溶解氧和叶绿素水质参数信息；
所述冰力监测系统是在抗冰浮标标体的外表面安装测力传感器，测量直接作用在抗冰浮标标体上的冰力情况；
所述冰振监测系统是在抗冰浮标标体内设置振动加速度传感器；
所述锚链张力监测系统是在锚链中安装拉力传感器；
所述视频监测系统是在浮标塔架上安装视频监控的摄像头，通过视频画面对浮标所处区域海况、冰情进行实时监测；同时通过图像测量技术确定浮标周围的冰厚、冰速、冰向、冰类型信息；
所述GPS定位系统是在浮标塔架上部安装GPS模块，对浮标进行位置信息测量，确定浮标所处海域的经纬度；
所述供电系统是由风光互补发电系统、电源控制系统和蓄电池组合而成，其为整个浮标系统供电；所述风光互补发电系统包括太阳能发电板、风力发电机；所述电源控制系统为风光互补发电控制器，控制器输出12V直流电为整个浮标系统的传感器及设备供电；所述蓄电池为两组硅能蓄电池并联组成；
所述数据采集系统是由数据采集模块、数据处理模块、数据储存模块与数据发送模块组成；所述数据采集模块负责按照程序预先设置或者触发的方式采集不同传感器的实测数据，并将采集的原始数据发送给数据处理模块；所述数据处理模板将数据采集模块采集到的原始数据根据数据格式进行数据的提取与转换，并将转换后的数据发送给数据存储模块及数据发送模块；所述数据存储模块将接收到的数据根据数据的类型进行分类，并将数据按照预先设置的格式存储到数据存储模块的存储卡内；所述数据发送模块将接收到的数据进行处理打包，然后将数据发送到北斗通讯终端模块，实现对传感器实测数据的实时采集、存储与发送的功能；
所述通信系统由北斗通讯终端模块组成，主要起数据回传作用；所述数据采集系统将采集到的传感器数据打包传输给北斗通讯终端，经由北斗卫星发送到岸站接收中心；所述北斗通讯终端为北斗通信设备，具有北斗和GPS双工作模式，带有标准数字通信接口。
2.权利要求1所述监测系统的方法，其特征在于，太阳能电池板(1)与风力发电机(2)组成风光互补发电系统，安装在塔架(3)上部的平台上，该系统收集到的太阳能、风能转换为电能，通过电源控制系统(4)将电能储存在蓄电池(5)中；蓄电池为两组硅能蓄电池并联组成，布置在抗冰浮标标体(6)舱内；电源控制系统为风光互补发电控制器，布置在抗冰浮标标体舱内，系统正常输出12V直流电为整个系统的传感器及设备供电；
锚链拉力传感器(7)安装在锚链中，对锚链所受张力进行实时监测；为研究海水温度分层现象，温盐深传感器(8)沿海水剖面垂直布置3组；多参数水质测量仪(9)安装在浮标标体底部；波流传感器(10)水平安装在浮标侧面水线之下，以减少海冰对传感器的影响；冰力测量传感器(11)布置在与海平面齐平处的浮标标体外侧；振动加速度传感器(12)安装在浮标标体内侧；风传感器(13)、温湿传感器(14)布置在塔架上部的平台上；摄像头(15)安装在塔架上部的平台两侧的桅杆上；
数据采集系统(16)布置在抗冰浮标标体舱内，北斗通讯终端(17)安装在塔架上部；
GPS模块(18)安装在塔架上部，为指挥中心准确定位浮标的位置；
在抗冰浮标标体下水之前完成上述各监测设备的布置、走线、防护，待各监测设备安装就位后，将抗冰浮标标体投放到寒区海域，将锚块(19)沉入该海域海底，锚块通过锚链(20)连接抗冰浮标标体，组成抗冰浮标系统；
监测系统运行中，各传感器输出信号都为485信号，每个传感器有自己的独立地址；各个传感器之间以RS485总线“手拉手”模式相互连接，末端与数据采集模块的485端口相连；数据采集模块通过预先设置的程序，分别向不同地址的传感器发生读取数据命令；对应地址的传感器接收到命令后返回给数据采集模块原始数据；数据采集模块将该原始数据发送给数据处理模块，数据处理模块根据该段代码的形式解析数据，获取实时的传感器数据；数据处理模块将解析的实时传感器数据发送给数据存储模块和数据发送模块；数据存储模块将发送过来的传感器数据及本地时钟对应的时间数据一同存储到本地的数据存储卡内，完成数据的本地存储；同时数据发送模块将数据处理模块发送过来的数据与本地时钟数据整合并放到系统缓存内，直至数据发送模块获取足够的数据，然后将数据进行排列打包，并按照预先设置的方式发送给北斗通讯终端；北斗通讯终端经由北斗卫星发送至岸站接收中心的服务器，服务器接收数据后进行数据的解压、还原操作，获取不同时间的传感器实测数据，并通过程序将数据进行实时的在线显示、本地归类存储操作；岸站接收中心将监测数据进行本地的分析处理，进行风险分析与预测，并将分析结果反馈给地面指挥中心；地面指挥中心根据相关冰情信息，进行冬季的海冰灾害风险预报，发布海冰风险预警工作；同时根据现场情况远程修改浮标的数据采集频率、读取关键传感器的监测数据，实现寒区现场监测数据的实时同步监测及远程传输。
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