CN111123412A - 一种海洋短期环流实时预报系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种海洋短期环流实时预报系统，包括海洋环境实时检测子系统和预报子系统，能够实时监测作业区域的气象和海洋环境参数的局地短期变化数据，并通过对潮汐潮流预报、气象预报、海浪预报和海流预报，临近预报单元在内的全面综合评价预估还有环流下，海洋作业环境风险，选择各要素同时满足施工条件的时段，有利于海洋作业更方便和准确的制定作业时间计划。
Description
技术领域
本发明涉及海洋工程技术领域，尤其涉及一种海洋短期环流实时预报系统。
背景技术
海洋环流是研究风引起的海流和密度分布不均匀所产生的密度流、大洋环流中流旋的生成和分布、大洋环流西向强化、海流的弯曲和变异、近赤道地区的流系结构、南极绕极流，大洋热盐环流，深海环流和与主跃层的关系，海水的辐散和辐合运动与升降流及朗缪尔环流等的关系，中尺度涡及其能量转换，冰漂流等特殊的流动现象，海洋对风应力等的反应，以及近岸海区的环流等等；
海洋环流及平台运动对海上作业安全的影响可通过以下几个方面体现：
第一个是钻井作业，在海洋平台进行钻井作业时，需要将钻杆从平台上放下直到海底，由平台上携带的机械驱动钻杆进行钻井作业。这要求平台相对于钻井位置保持静止或者只能在允许范围内小幅运动。
第二个是直升机降落，平台位于大海之上，常规补给及人员设备的运输手段难以实现，直升机作为一种空中运输方式非常适合平台上的运输工作。但直升机在起降作业对平台甲板运动的影响较大，通常要求直升机甲板的运动小于一定值，否则会造成直升机降落时撞击甲板，导致无法正常降落甚至威胁直升机与平台的安全。
第三个是起重作业，起重是海洋平台上的最为频繁的作业之一，如设备的搬运、货物的补给等。在起重作业过程中，起重设备吊装货物时会对平台的运动有一定要求。当海浪较大时，过大的横向运动会导致吊装货物产生剧烈摇摆，给平台和海上作业安全带来威胁：一方面会撞击其他结构威胁平台的安全，另一方面也会增大起重设备的负载，有可能拉断绳索造成巨大的瞬损失。而过大的垂向运动，会造成起重机构在起重设备的时候有一个额外的加速度，会引起起重机构的受力突然增大或者减小，造成起重机的吊装能力不足或者起重机瞬时功率过大、烧毁电机、导致机械的烧毁或是绳索断裂，严重威胁起重过程及起重机本身的安全。
第四个是人员输送，除了直升机之外，船舶是向平台输送工作人员的另一种重要的手段。而人员从船上到平台、或者是从平台到船上，都是通过乘坐类似升降梯的“吊篮”实现。在人员升降的过程中，平台运动会对设备安全、乃至工作人员的生命安全造成严重威胁。
第五个是平台间协同作业，对于海洋平台，当采油平台储存了一定数量的原油以后，需要把这部分油运送出去，这需要借助于穿梭油轮，当平台与穿梭油轮进行输油作业时，由于常用的输油方式是采用悬索管道的方式，因此要求二者的相对位置小于一定值，否则作业将会无法正常进行甚至会导致管道被撕裂威胁平台与穿梭油轮的安全。除了穿梭油轮之外，一些海洋平台需要其他辅助平台来帮助进行作业，例如：982平台需要伊顿平台作为电源管理平台配合进行工作；采油平台需要配合穿梭油轮或者FPSO进行石油的运输与处理。在运输与处理的过程当中，要求平台间的相对位移需小于允许的界限，否则，极有可能造成平台间连接结构的破坏，给作业人员及设备安全带来危险。
第六个是平台海上安装，平台建造过程中，顶部模块的安装通常在海上进行。而在平台安装过程中，目标平台与作业平台均不允许出现大幅的运动。对于浮托安装作业，API给出了驳船系泊线极限张力与安全因子的限制，当波浪较大时，系泊线受力超过规范要求会影响安装过程甚至会威胁平台与驳船的安全。对于浮吊法而言，当浮吊在较大的波浪中作业时，会难以对准安装位置影响正常安装平台，当运动幅度过大时，甚至会导致安全事故。
综上分析，海洋环流是引起平台运动外部激励的主要因素，而平台运动又会对平台海上作业和平台结构安全造成威胁。因而，平台周围海浪及平台的运动性能进行实时预报，对保障海洋浮体作业安全具有重要的意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种海洋短期环流实时预报系统。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种海洋短期环流实时预报系统，包括：
海洋环境实时检测子系统，用于实时监测作业区域的气象和海洋环境参数的局地短期变化数据；
预报子系统，用于根据所述局地短期变化数据得到作业时间段。
作为本发明一种海洋短期环流实时预报系统进一步的优化方案，所述海洋环境实时检测子系统采用三级架构，底层为N个监测设备组，中间层为N个海洋浮标，顶层为海洋台站设备，N为大于等于1的自然数；
每个监测设备组均包含若干用于直接获取海洋环流引起的环境参数的监测设备；
所述N个海洋浮标和N个监测设备组一一对应相连，所述海洋浮标分别和其对应监测设备组中的各个监测设备相连、用于定时将其对应监测设备组中各个监测设备采集海洋环流环境参数传递给海洋台站设备；
所述海洋台站设备设置在近海海岸，分别和N个海洋浮标连接，用于监测并控制各个海洋浮标的工作状态，接收海洋浮标定时传来的监测数据。
作为本发明一种海洋短期环流实时预报系统进一步的优化方案，所述海洋浮标通过RS232、RS485、以太网中的任意一种和其对应监测设备组中的各个监测设备有线连接，所述海洋台站设备采用GSM或者GPRS和各个海洋浮标无线连接。
作为本发明一种海洋短期环流实时预报系统进一步的优化方案，所述海洋台站设备上装有嵌入式数据库，用于集成管理大量的海量监测数据；所述海洋台站设备对外提供数据接口，通过所述数据接口与所述预测子系统相连接。
作为本发明一种海洋短期环流实时预报系统进一步的优化方案，所述监测设备组中的监测设备包括但不仅限于X波段导航雷达系统、双目视觉系统、随船浪高仪。
作为本发明一种海洋短期环流实时预报系统进一步的优化方案，所述双目视觉系统由摄像机组、操控单元、电源模块、测量模块、定位模块、交换机和安装支架组成，所述定位模块包括但不仅限于罗经、加速度计、差分GPS。
作为本发明一种海洋短期环流实时预报系统进一步的优化方案，所述预报子系统包括：
气象预报单元，用于监测得到表面风场强迫数据，并将所述表面风场强迫数据发送到所述海浪预报系统和所述海流预报系统；
海浪预报单元，用于监测得到海浪强迫数据，并将所述海浪强迫数据发送到所述海流预报系统；
海流预报单元，用于监测得到海流预报数据；
临近预报单元，用于根据所述局地瞬时变化数据、表面风场强迫数据、海浪强迫数据、海流预报数据得到可选择的第一作业时间段；
潮汐潮流预报单元，用于监测潮汐潮流预报数据，并根据所述潮汐潮流预报数据得到可选择的第二作业时间段，所述第一作业时间段属于所述第二作业时间段内。
作为本发明一种海洋短期环流实时预报系统进一步的优化方案，所述潮汐潮流预报单元监测的潮汐潮流预报数据选择7天内上层平均流速都在0.8m/s以下的时间段作为第二作业时间段。
作为本发明一种海洋短期环流实时预报系统进一步的优化方案，在所述第二时间段内，根据所述表面风场强迫数据、海浪强迫数据和海流预报数据同时满足安装施工条件下而作为第一时间段内。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
本发明通过建立该海洋短期环流实时预报系统，海洋环境实时检测子系统，用于实时监测作业区域的气象和海洋环境参数的局地短期变化数据，并通过对潮汐潮流预报、气象预报、海浪预报和海流预报，临近预报单元在内的全面综合评价预估还有环流下，海洋作业环境风险，选择各要素同时满足施工条件的时段，有利于海洋作业更方便和准确的制定作业时间计划。
附图说明
图1为本发明系统原理框图；
图2为本发明海洋环境实时检测子系统原理框图。
图中，1-海洋环境实时检测子系统，2-预报子系统，3-监测设备，4-海洋浮标，5-海洋台站设备，6-气象预报单元，7-海浪预报单元，8-海流预报单元，9-临近预报单元，10-潮汐潮流预报单元。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。
请参阅图1和图2，本发明公开了一种海洋短期环流实时预报系统，包括：
海洋环境实时检测子系统，用于实时监测作业区域的气象和海洋环境参数的局地短期变化数据；
预报子系统，用于根据局地短期变化数据得到作业时间段。
本实施例中，海洋环境实时检测子系统采用三级架构，底层为N个监测设备组，中间层为N个海洋浮标，顶层为海洋台站设备，N为大于等于1的自然数；
每个监测设备组均包含若干用于直接获取海洋环流引起的环境参数的监测设备；
N个海洋浮标和N个监测设备组一一对应相连，海洋浮标分别和其对应监测设备组中的各个监测设备相连、用于定时将其对应监测设备组中各个监测设备采集海洋环流环境参数传递给海洋台站设备；
海洋台站设备设置在近海海岸，分别和N个海洋浮标连接，用于监测并控制各个海洋浮标的工作状态，接收海洋浮标定时传来的监测数据。
其中，海洋浮标通过RS232、RS485、以太网中的任意一种和其对应监测设备组中的各个监测设备有线连接，所述海洋台站设备采用GSM或者GPRS和各个海洋浮标无线连接。
其中，海洋台站设备上装有嵌入式数据库，用于集成管理大量的海量监测数据，海洋台站设备对外提供数据接口，通过数据接口与预测子系统相连接。
其中，监测设备组中的各个监测设备包括但不仅限于X波段导航雷达系统、双目视觉系统、随船浪高仪。X波段导航雷达系统用于测量浮体周围几公里范围的海洋风浪信息，双目视觉系统用于测量雷达系统盲区内浮体周围几十米范围的海洋风浪信息，随船浪高仪则用于测量浮体所在位置的海浪风浪信息，通过不同测量范围的传感器系统组合，构建测量范围能够覆盖浮体所在位置到周围几公里的海洋环境感知模块。
双目视觉系统包含摄像机组、操控单元、电源模块、测量模块、定位模块、交换机和安装支架，定位模块包括但不仅限于罗经、加速度计、差分GPS。
本实施例中，预报子系统包括
气象预报单元，用于监测得到表面风场强迫数据，并将表面风场强迫数据发送到海浪预报系统和海流预报系统；
海浪预报单元，用于监测得到海浪强迫数据，并将海浪强迫数据发送到海流预报系统；
海流预报单元，用于监测得到海流预报数据；
临近预报单元，用于根据局地瞬时变化数据、表面风场强迫数据、海浪强迫数据、海流预报数据得到可选择的第一作业时间段；
潮汐潮流预报单元，用于监测潮汐潮流预报数据，并根据潮汐潮流预报数据得到可选择的第二作业时间段，第一作业时间段属于第二作业时间段内。
其中，潮汐潮流预报单元监测的潮汐潮流预报数据选择7天内上层平均流速都在0.8m/s以下的时间段作为第二作业时间段。在第二时间段内，根据表面风场强迫数据、海浪强迫数据和海流预报数据同时满足安装施工条件下而作为第一时间段内。
本发明的具体实现流程为：
（1）由位于海洋中的多个监测设备，获得海洋浮标所在位置及周围的海洋环境大数据，通过不同测量范围的监测设备组合，构建测量范围能够覆盖海洋浮标所在位置的周围几公里的海洋环境感知组件；
（2）通过海洋浮标对多个监测设备监测的表面风场数据、海浪数据、海流数据、潮汐潮流数据进行统一采集，并无线上传至海洋台站设备，通过海洋台站设备内的数据库，集成管理大量的海量监测数据；
（3）将数据库采集的大量海量监测数据上传至预报子系统内；
（4）通过气象预报单元监测得到表面风场强迫数据，并将表面风场强迫数据发送到海浪预报系统和海流预报系统；海浪预报单元监测得到海浪强迫数据，并将海浪强迫数据发送到海流预报系统；海流预报单元，用于监测得到海流预报数据；并通过临近预报单元对其全面综合评价和预估海外作业的风险程度；
具体工作如下：
1个月前，根据潮汐潮流预报系统提供的3个月潮汐潮流预报，选择适合海外作业的作业时间段。比如5月12日～5月17日是小潮期，对应的上层平均流速都在0.8m/s以下，满足海外作业的条件，因此选择5月12日～5月17日作为作业时间段。
5天前，根据海外作业区高分辨率气象、海浪和海流预报系统提供的未来7天气象、海浪和流速预报，结合海外作业对潮位要求，选择同时满足海外作业条件的第一时间段。
2天前，根据海外作业区气象海洋实时观测系统的气象、海浪和海流实时最新观测，对海外作业区高分辨率气象、海浪和海流系统的预报结果进行订正，海外作业根据订正后的结果调整施工时间窗口。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种海洋短期环流实时预报系统，其特征在于，包括：
海洋环境实时检测子系统，用于实时监测作业区域的气象和海洋环境参数的局地短期变化数据；
预报子系统，用于根据所述局地短期变化数据得到作业时间段。
2.根据权利要求1所述的海洋短期环流实时预报系统，其特征在于：所述海洋环境实时检测子系统采用三级架构，底层为N个监测设备组，中间层为N个海洋浮标，顶层为海洋台站设备，N为大于等于1的自然数；
每个监测设备组均包含若干用于直接获取海洋环流引起的环境参数的监测设备；
所述N个海洋浮标和N个监测设备组一一对应相连，所述海洋浮标分别和其对应监测设备组中的各个监测设备相连、用于定时将其对应监测设备组中各个监测设备采集海洋环流环境参数传递给海洋台站设备；
所述海洋台站设备设置在近海海岸，分别和N个海洋浮标连接，用于监测并控制各个海洋浮标的工作状态，接收海洋浮标定时传来的监测数据。
3.根据权利要求2所述的海洋短期环流实时预报系统，其特征在于：所述海洋浮标通过RS232、RS485、以太网中的任意一种和其对应监测设备组中的各个监测设备有线连接，所述海洋台站设备采用GSM或者GPRS和各个海洋浮标无线连接。
4.根据权利要求2所述的海洋短期环流实时预报系统，其特征在于：所述海洋台站设备上装有嵌入式数据库，用于集成管理大量的海量监测数据；所述海洋台站设备对外提供数据接口，通过所述数据接口与所述预测子系统相连接。
5.根据权利要求2所述的海洋短期环流实时预报系统，其特征在于：所述监测设备组中的监测设备包括但不仅限于X波段导航雷达系统、双目视觉系统、随船浪高仪。
6.根据权利要求5所述的海洋短期环流实时预报系统，其特征在于：所述双目视觉系统包含摄像机组、操控单元、电源模块、测量模块、定位模块、交换机和安装支架，所述定位模块包括但不仅限于罗经、加速度计、差分GPS。
7.根据权利要求1所述的海洋短期环流实时预报系统，其特征在于，所述预报子系统包括：
气象预报单元，用于监测得到表面风场强迫数据，并将所述表面风场强迫数据发送到所述海浪预报系统和所述海流预报系统；
海浪预报单元，用于监测得到海浪强迫数据，并将所述海浪强迫数据发送到所述海流预报系统；
海流预报单元，用于监测得到海流预报数据；
临近预报单元，用于根据所述局地瞬时变化数据、表面风场强迫数据、海浪强迫数据、海流预报数据得到可选择的第一作业时间段；
潮汐潮流预报单元，用于监测潮汐潮流预报数据，并根据所述潮汐潮流预报数据得到可选择的第二作业时间段，所述第一作业时间段属于所述第二作业时间段内。
8.根据权利要求7所述的海洋短期环流实时预报系统，其特征在于：所述潮汐潮流预报单元监测的潮汐潮流预报数据选择7天内上层平均流速都在0.8m/s以下的时间段作为第二作业时间段。
9.根据权利要求8所述的海洋短期环流实时预报系统，其特征在于：在所述第二时间段内，根据所述表面风场强迫数据、海浪强迫数据和海流预报数据同时满足安装施工条件下而作为第一时间段内。
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