王項(xiàng)南，劉松堂，石建軍，田 川，朱 銳，麻常雷

（國(guó)家海洋技術(shù)中心，天津300112）

極地近岸海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研制及應(yīng)用

王項(xiàng)南，劉松堂，石建軍，田 川，朱 銳，麻常雷

（國(guó)家海洋技術(shù)中心，天津300112）

目前極地海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)只能采用船基調(diào)查方式在南極夏季進(jìn)行，在國(guó)家“十一五”863計(jì)劃的支持下，設(shè)計(jì)研制了極地近岸海洋環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)Π囟取Ⅺ}度、深度、pH、有效光合輻照度（PAR）、氧化還原電位（ORP）、葉綠素、海流等在內(nèi)的生態(tài)要素及動(dòng)力要素進(jìn)行自動(dòng)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)布放在南極長(zhǎng)城站近岸海域，獲得了大量的連續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。文章主要介紹系統(tǒng)組成、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)控制和系統(tǒng)通信以及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況等。

極地；近岸；海洋環(huán)境；自動(dòng)監(jiān)測(cè)

極地作為地球系統(tǒng)的重要組成部分是全球氣候變化的重要敏感區(qū)和驅(qū)動(dòng)區(qū)。進(jìn)行極地海洋環(huán)境的監(jiān)測(cè)與研究，對(duì)于揭示極地海洋環(huán)境的快速變化及其對(duì)地球變化的響應(yīng)與反饋?zhàn)饔镁哂兄匾饬x。但是受極地惡劣氣候條件的限制，目前對(duì)極地海洋環(huán)境的調(diào)查活動(dòng)主要集中在南極無(wú)冰的夏季，采用傳統(tǒng)的船基調(diào)查方式開(kāi)展。由于海冰的限制，對(duì)極地冰下（或水下）觀測(cè)手段還很缺乏，無(wú)法得到全年連續(xù)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。這大大制約了對(duì)相關(guān)海洋科學(xué)過(guò)程的深入研究。為了能夠深入了解極地海洋的物理和生物學(xué)過(guò)程，分析生態(tài)系統(tǒng)與環(huán)境快速變化之間的相關(guān)性，以我國(guó)南極長(zhǎng)城站近海作為試驗(yàn)區(qū)，研制了一套適用于極區(qū)的站基海洋動(dòng)力和生態(tài)環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并分別于2009年11月—2010年1月、2010年11月—2011年1月隨中國(guó)第26次、第27次南極考察隊(duì)在南極長(zhǎng)城站長(zhǎng)城灣海域進(jìn)行了布放和運(yùn)行。

1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)按功能分為水下測(cè)量系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸和供電系統(tǒng)、數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)三部分。水下測(cè)量系統(tǒng)對(duì)包括溫度、鹽度、深度、pH、有效光合輻照度（PAR）、氧化還原電位（ORP）、葉綠素、海流在內(nèi)的生態(tài)要素及動(dòng)力要素進(jìn)行長(zhǎng)期連續(xù)監(jiān)測(cè)；數(shù)據(jù)傳輸和供電系統(tǒng)即數(shù)據(jù)傳輸和供電電纜，由岸站實(shí)驗(yàn)室引出經(jīng)橋架進(jìn)入潮間帶預(yù)埋管，之后沿著海底連接到水下數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)岸站到水下測(cè)量系統(tǒng)的供電傳輸，并將水下測(cè)量系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)傳至岸站實(shí)驗(yàn)室的上位機(jī)；數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)由上位機(jī)及數(shù)據(jù)采集軟件組成，負(fù)責(zé)定時(shí)從水下測(cè)量系統(tǒng)讀取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（系統(tǒng)示意圖見(jiàn)圖1）。

水下測(cè)量系統(tǒng)由剖面測(cè)量部分和坐底測(cè)量部分組成。剖面測(cè)量部分主要由第一層剖面測(cè)量單元、第二層剖面測(cè)量單元、第三層剖面測(cè)量單元組成，其中第一層剖面測(cè)量單元、第二層剖面測(cè)量單元固定在承重纜上對(duì)溫度、鹽度、深度、葉綠素、PAR、ORP和pH七個(gè)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，第三層剖面測(cè)量單元固定在坐底平臺(tái)上對(duì)溫度、鹽度、深度三個(gè)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。坐底測(cè)量部分即測(cè)量海流的ADCP，固定在坐底平臺(tái)的常平架上。水下測(cè)量系統(tǒng)的示意圖如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)示意圖

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括系留部分及控制艙的設(shè)計(jì)。系留部分包括坐底平臺(tái)、Kevlar承重纜、主浮體、釋放機(jī)構(gòu)、常平架以及系統(tǒng)連接裝置。

2.1 系留部分的設(shè)計(jì)

2.1.1 坐底平臺(tái)

坐底平臺(tái)有錨定整個(gè)系統(tǒng)、安裝常平架、控制艙、釋放機(jī)構(gòu)等功能。為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定，坐底平臺(tái)必須有足夠的重量。但是考慮系統(tǒng)布放和回收的難度，坐底平臺(tái)不宜過(guò)重。坐底平臺(tái)采用“天圓地方”的框架結(jié)構(gòu)，材料選用316L不銹鋼棒。平臺(tái)上除了安裝用于固定ADCP的常平架外，還要固定釋放機(jī)構(gòu)、控制艙等。根據(jù)力學(xué)計(jì)算結(jié)果，通過(guò)增減錨塊調(diào)節(jié)坐底平臺(tái)的沉重。

圖2 水下測(cè)量系統(tǒng)示意圖

2.1.2 常平架

常平架又稱(chēng)萬(wàn)向環(huán)，由底盤(pán)、外轉(zhuǎn)環(huán)、內(nèi)轉(zhuǎn)環(huán)、轉(zhuǎn)軸和連接板四部分組成（見(jiàn)圖3）。本系統(tǒng)中常平架內(nèi)置于坐底平臺(tái)的頂部，其上固定ADCP，通過(guò)沿兩個(gè)垂直的轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)保持ADCP豎直工作姿態(tài)。常平架的材料選用316L不銹鋼，其表面進(jìn)行防腐噴涂處理。

圖3 常平架及ADCP

2.1.3 連接裝置

在系留系統(tǒng)中通過(guò)特殊材料加工的卸扣將主浮體、承重纜、測(cè)量單元、坐底平臺(tái)等依次連接。在主浮體和第一層剖面測(cè)量單元之間接入防腐材料制成的轉(zhuǎn)環(huán)以釋放海流帶給系統(tǒng)的扭矩。

2.2 控制艙的設(shè)計(jì)

控制艙（見(jiàn)圖4）用來(lái)放置控制電路、數(shù)據(jù)采集電路等?？刂婆撏鈿みx用耐腐蝕的聚甲醛材料，控制艙的設(shè)計(jì)考慮了耐壓、密封等問(wèn)題。同時(shí)，由于控制電路放置于艙內(nèi)，故控制艙內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采取了防電磁干擾措施。

圖4 控制艙

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，其水下工作平臺(tái)示意圖如圖5所示。

圖5 坐底平臺(tái)及其搭載設(shè)備

3 系統(tǒng)控制

3.1 控制電路原理圖

系統(tǒng)采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)的電源控制和數(shù)據(jù)采集功能。電纜數(shù)據(jù)傳輸采用串行通信的方式，由于是長(zhǎng)距離（傳輸距離1 km）傳輸，綜合考慮選用RS485總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸。

系統(tǒng)的測(cè)量傳感器包括第一層的SBE16-A，第二層的SBE16-B以及底層的SBE37和ADCP。測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)雙4通道的模擬開(kāi)關(guān)，再經(jīng)RS232接口芯片進(jìn)入C8051單片機(jī)，然后由RS485接口芯片經(jīng)RS485/RS232轉(zhuǎn)換器傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。為了提高數(shù)據(jù)的安全性，對(duì)第一層第二層傳感器附加儲(chǔ)存器對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)信息的傳輸過(guò)程見(jiàn)圖6。

3.2 系統(tǒng)供電

系統(tǒng)采用岸基有纜低壓直流傳輸方式供電，水下部分采用DC-DC電源模塊供電。由于電纜長(zhǎng)期暴露在低溫環(huán)境中，要求其具有良好的抗低溫性能。為提高其耐磨性，防止海底對(duì)電纜內(nèi)部電源線(xiàn)和信號(hào)線(xiàn)造成損傷，外加兩層聚氨酯護(hù)套，中間采用鎧裝保護(hù)。

圖6 系統(tǒng)電路原理圖

3.3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集

從傳感器到控制艙間的傳輸，考慮到距離較長(zhǎng)，第一層和第二層傳感器的數(shù)據(jù)采集采用RS485總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)傳輸；底層的ADCP和CTD距控制艙較近，采用RS232串口傳輸。

軟件設(shè)計(jì)方面，根據(jù)數(shù)據(jù)類(lèi)型和海水層的不同，對(duì)第一層和第二層傳感器采集數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)序設(shè)定，將兩層數(shù)據(jù)采集時(shí)間錯(cuò)開(kāi)，兩層的數(shù)據(jù)采集時(shí)間分別為t0和t1（圖7）。底層包括CTD和ADCP兩個(gè)傳感器，故也要分時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集（圖8）。

在采集數(shù)據(jù)時(shí)序劃分基礎(chǔ)上，進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，對(duì)各個(gè)傳感器的采集數(shù)據(jù)是按照時(shí)序順序執(zhí)行，直到最后發(fā)送出去由上位機(jī)通過(guò)RS232接收，發(fā)送流程如圖9所示。

圖7 第一、二層傳感器數(shù)據(jù)采集時(shí)序

圖8 底層傳感器數(shù)據(jù)采集時(shí)序

圖9 下位機(jī)數(shù)據(jù)打包發(fā)送程序流程圖

4 系統(tǒng)通信

水下測(cè)量系統(tǒng)與岸站實(shí)驗(yàn)室內(nèi)上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信過(guò)程為上位機(jī)定時(shí)向水下采集系統(tǒng)發(fā)送采樣指令，水下采集系統(tǒng)接收到采樣指令后分時(shí)對(duì)各層傳感器單元進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后把采集到的各傳感器數(shù)據(jù)打包發(fā)送回上位機(jī)，上位機(jī)接收并處理數(shù)據(jù)。上位機(jī)軟件利用面向?qū)ο蟮木幊陶Z(yǔ)言Visual Basic 6.0開(kāi)發(fā)。

上位機(jī)軟件包括三大功能：控制指令的發(fā)送及數(shù)據(jù)接收功能；自動(dòng)發(fā)郵件功能；數(shù)據(jù)回放功能。前兩個(gè)功能為定時(shí)自動(dòng)執(zhí)行，數(shù)據(jù)回放功能為手動(dòng)執(zhí)行。上位機(jī)定時(shí)通過(guò)串口向下位機(jī)發(fā)送控制指令，下位機(jī)接收控制指令并依次采集各個(gè)傳感器數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)打包以后立即由串口發(fā)送至上位機(jī)，上位機(jī)接收數(shù)據(jù)包，在上位機(jī)軟件界面上顯示各傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)按固定格式分別儲(chǔ)存到指定路徑下的兩個(gè)文本文件：一個(gè)僅保存當(dāng)日的采集數(shù)據(jù)；另一個(gè)保存所有采集到的數(shù)據(jù)，每次的采樣數(shù)據(jù)都追加保存。上位機(jī)自動(dòng)把保存當(dāng)日數(shù)據(jù)的文件以附件的形式發(fā)送到指定電子郵箱。

圖10 上位機(jī)軟件顯示界面

4.1 控制及數(shù)據(jù)接收功能設(shè)計(jì)

上位機(jī)通過(guò)“問(wèn)答式”對(duì)下位機(jī)進(jìn)行控制，上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送采樣指令，下位機(jī)接收到采樣指令后對(duì)進(jìn)行分時(shí)采樣，然后把數(shù)據(jù)打包發(fā)回，上位機(jī)收到數(shù)據(jù)后進(jìn)行儲(chǔ)存，同時(shí)在上位機(jī)軟件界面上顯示最近一次的采樣數(shù)據(jù)。上位機(jī)軟件界面如圖10所示。

上位機(jī)通過(guò)串口與下位機(jī)之間進(jìn)行控制指令及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸。在程序設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)引用或設(shè)置MSComm控件的屬性、事件和方法，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)的串口通信。上位機(jī)控制指令的發(fā)送及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)接收流程如圖11所示。

上位機(jī)開(kāi)始工作后，到達(dá)時(shí)間點(diǎn)后向下位機(jī)發(fā)送采樣指令，下位機(jī)開(kāi)始將采樣數(shù)據(jù)包傳輸至上位機(jī)，接收完成后，上位機(jī)界面顯示各傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)。采樣數(shù)據(jù)同時(shí)被保存為文本文件，如圖12所示。

圖11 控制及數(shù)據(jù)接收功能流程

4.2 自動(dòng)發(fā)郵件功能設(shè)計(jì)

自動(dòng)發(fā)郵件功能是定時(shí)把當(dāng)日數(shù)據(jù)文件發(fā)送至指定郵箱。這樣科研人員能夠及時(shí)方便地獲取南極長(zhǎng)城灣海域生態(tài)環(huán)境及動(dòng)力要素的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。自動(dòng)發(fā)郵件流程如圖13所示。

圖12 采樣數(shù)據(jù)在文本文件中的保存形式

圖13 自動(dòng)發(fā)郵件功能流程

4.3 數(shù)據(jù)回放功能設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件將數(shù)據(jù)保存后，不能直觀查看某一傳感器測(cè)量值的變化趨勢(shì)。數(shù)據(jù)回放功能把各個(gè)測(cè)量值單獨(dú)繪制隨時(shí)間變化曲線(xiàn)，便于查看其隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。選擇單日數(shù)據(jù)文件進(jìn)行數(shù)據(jù)回放時(shí)，繪制當(dāng)日數(shù)據(jù)曲線(xiàn)；選擇總的數(shù)據(jù)文件進(jìn)行數(shù)據(jù)回放時(shí)，可以查看各個(gè)選定時(shí)間段內(nèi)的數(shù)據(jù)曲線(xiàn)。數(shù)據(jù)回放流程如圖14所示。

利用微軟MSChart控件繪制數(shù)據(jù)曲線(xiàn)圖。添加MSChart對(duì)象以后，通過(guò) ChartType，Title，F(xiàn)ootnote，Plot等屬性對(duì)圖表類(lèi)型和外觀顯示等信息進(jìn)行設(shè)置。采樣數(shù)據(jù)按照?qǐng)D12中的格式進(jìn)行保存，把各傳感器數(shù)據(jù)從各次采樣的數(shù)據(jù)中提取形成一個(gè)按采樣時(shí)間排列的數(shù)組，再將數(shù)組賦值給MSChart對(duì)象的ChartData屬性繪制出對(duì)應(yīng)傳感器數(shù)據(jù)的曲線(xiàn)圖。數(shù)據(jù)提取過(guò)程如圖15所示。

圖14 數(shù)據(jù)回放流程

圖15 提取傳感器數(shù)據(jù)流程

5 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的目的是要考核系統(tǒng)在南極環(huán)境中工作的可靠性，獲得長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。2009年11月—2010年1月，2010年11月—2011年1月隨中國(guó)第26次、第27次南極科學(xué)考察隊(duì)赴中國(guó)南極長(zhǎng)城站進(jìn)行了系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

第一次現(xiàn)場(chǎng)試運(yùn)行以及第二次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)期間，該系統(tǒng)一直工作穩(wěn)定。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)能夠按照設(shè)計(jì)要求正常工作，水下測(cè)量系統(tǒng)到上位機(jī)的通訊正常，測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)上位機(jī)軟件打包后能夠通過(guò)郵件形式在每天指定時(shí)間發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)上。

6 結(jié)論

極地近岸海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是目前為止南極近岸海域唯一的自動(dòng)連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。使用期間，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，并連續(xù)獲得了數(shù)萬(wàn)組有效數(shù)據(jù)?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明該系統(tǒng)是克服南極惡劣環(huán)境、替代人工進(jìn)行極區(qū)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)的有效嘗試。極地近岸海洋環(huán)境監(jiān)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研制成功及業(yè)務(wù)化運(yùn)行，不僅可以為極地海洋科學(xué)工作者提供連續(xù)的極區(qū)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)深入研究極地海洋環(huán)境變化乃至于氣候變化都具有重要的科學(xué)意義。

[1] 王明午.深海潛標(biāo)系留系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].海洋技術(shù)，1989，8（1）：7-14.

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[6]http://www.mooringsystems.com

[7]Scavia D Sissenwine， McPhaden J J.NOAA′s Ocean Observing Programs[J].Oceanography,2003,16(4):61-67.

[8]Group on Earth Observations(GEO).http://earthobservations.org/

[9]Global Earth Observation System of Systems Tools.U.S.Environmental Protection Agency.http://www.epa.gov/geoss/eos/epa_eos.html

[10]The Global Observation System of Systems(GEOSS)10 Years Implementation Plan.http://www.earthobservation.org/

Development and Application of the Polar Coastal Marine Environment Monitoring System

WANG Xiang-nan,LIU Song-tang,SHI Jian-jun,TIAN Chuan,ZHU Rui,MA Chang-lei
（National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China）

Aimed at the limitation that the polar marine environment monitoring can only be carried at summer based on ship presently,a polar coastal marine environment monitoring automatic system has been developed sponsored by the Eleventh Five-year“863” project.The system could automatically monitor the parameters including C,T,D,pH,PAR,ORP,CHL,current continually.The system has been deployed in the coastal area at the Great Wall station of China.A large amount of continue monitoring data have been acquired.The system composition,machinery design,system controlling and system communication have been introduced.

polar;coastal;marine environment;automatic monitoring

P714

B

1003-2029（2011）02-0035-06

2011-03-22

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）資助項(xiàng)目（2007AA09Z121）