田維新，焦永強(qiáng)

（上海達(dá)華測(cè)繪有限公司，上海 200136）

基于施工船的海上臨時(shí)驗(yàn)潮站建站技術(shù)探討與實(shí)現(xiàn)

田維新，焦永強(qiáng)

（上海達(dá)華測(cè)繪有限公司，上海 200136）

為滿足海上施工作業(yè)對(duì)實(shí)時(shí)潮位數(shù)據(jù)獲取的需求，提出了一種基于施工作業(yè)船舶的海上潮位站建設(shè)新方法。詳細(xì)闡述了海上臨時(shí)驗(yàn)潮站潮位數(shù)據(jù)采集、傳輸?shù)姆椒凹夹g(shù)路線。以施工作業(yè)船作中間平臺(tái)，為海上施工作業(yè)提供了一種快速、經(jīng)濟(jì)的潮位站建站方法。

驗(yàn)潮站；數(shù)據(jù)采集；水聲調(diào)制解調(diào)器（modem）；傳輸

0 引言

在一些作業(yè)時(shí)間相對(duì)較短、潮汐環(huán)境變化復(fù)雜、遠(yuǎn)離海岸的區(qū)域，以水下自驗(yàn)潮為基礎(chǔ)，以施工船舶為海上驗(yàn)潮站的潮位接收與發(fā)布平臺(tái)的海上臨時(shí)驗(yàn)潮站，以其經(jīng)濟(jì)、快速的建站方式大大地拓展了海洋工程施工作業(yè)空間，準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的潮位傳輸方式為海洋工程的施工質(zhì)量、安全提供了保障。

1 系統(tǒng)組成及工藝原理

1.1 海上臨時(shí)驗(yàn)潮站的結(jié)構(gòu)組成

海上驗(yàn)潮站的系統(tǒng)組成主要包含三部分：水下數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)傳輸與接收單元及船端潮位傳輸發(fā)布單元，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 海上臨時(shí)驗(yàn)潮站結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of offshore tem porary tide station

1.1.1 水下數(shù)據(jù)采集單元

水下數(shù)據(jù)的采集主要由水下自記式驗(yàn)潮儀、水下固定支架、水下數(shù)據(jù)傳輸單元、水下釋放器及浮起機(jī)構(gòu)等四部分組成。水下支架利用其自重及下端的支腳將驗(yàn)潮設(shè)備固定安裝在施工區(qū)附近的水域。

支架上主要安裝有：自記式驗(yàn)潮儀、水聲modem[1-2]水下單元兩部分。為確保潮位數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性，支架安裝要牢固穩(wěn)定，確保在驗(yàn)潮期間不會(huì)發(fā)生很明顯的沉降位移。

1.1.2 數(shù)據(jù)的傳輸、接收系統(tǒng)

數(shù)據(jù)傳輸包括三部分：自記式驗(yàn)潮儀數(shù)據(jù)傳輸?shù)剿昺odem；水聲modem的水下單元將從驗(yàn)潮儀接收的數(shù)據(jù)傳輸?shù)桨惭b在施工船上的接收單元；安裝有水聲modem接收單元的施工船舶將潮位信息對(duì)外發(fā)布。

1.1.3 數(shù)據(jù)的處理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)處理包括驗(yàn)潮站點(diǎn)基準(zhǔn)面的計(jì)算和潮位數(shù)據(jù)的計(jì)算兩個(gè)部分：

1）基準(zhǔn)面推算

基準(zhǔn)面推算主要通過與岸端驗(yàn)潮站同步驗(yàn)潮的方式獲取，大潮期采集3 d數(shù)據(jù)，條件許可的情況下可采集1個(gè)月的數(shù)據(jù)進(jìn)行基面關(guān)系的推算。

每個(gè)施工作業(yè)區(qū)的基面關(guān)系基本是恒定的，只在水下設(shè)站前監(jiān)測(cè)1次即可。基面計(jì)算一旦確定，驗(yàn)潮點(diǎn)的潮位計(jì)算也迎刃而解。

2）潮位計(jì)算

利用自記式水下數(shù)據(jù)采集單元采集的潮位數(shù)據(jù)與基準(zhǔn)面求差即可獲得該點(diǎn)的實(shí)時(shí)潮高[3]。求差后的數(shù)據(jù)經(jīng)過電腦軟件平滑處理后，根據(jù)施工所需的時(shí)間間隔發(fā)送實(shí)時(shí)潮位信息供施工船舶、測(cè)量船舶使用。

1.2 工藝流程

如圖1所示，自記式驗(yàn)潮儀與水下聲學(xué)modem相連接，將采集的水位信息實(shí)時(shí)傳送至水聲modem的水下單元，水下單元通過聲學(xué)傳輸方式將水位數(shù)據(jù)傳輸至接收端，接收端接收到水位數(shù)據(jù)后，由船上電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理并按所需的時(shí)間間隔通過UHF、北斗短信[4]或手機(jī)網(wǎng)絡(luò)對(duì)外傳輸、發(fā)布實(shí)時(shí)的潮位信息，以滿足作業(yè)區(qū)內(nèi)其它施工船舶對(duì)潮位信息的需求。

具體實(shí)施方案如圖2所示，在一條航道上有4條船同時(shí)在疏浚施工，水下驗(yàn)潮站位于疏浚船02的施工區(qū)北面，水下單元的數(shù)據(jù)傳輸距離（半徑）約為2～6 km，只要施工作業(yè)船距離水下驗(yàn)潮站點(diǎn)的距離在其工作半徑以內(nèi)都可收到水下單元所發(fā)送的數(shù)據(jù)信息。

圖2 潮位站示意圖Fig.2 Sketch of tide station

在疏浚船02上安裝水聲modem的接收單元，只要疏浚船02在疏浚區(qū)2內(nèi)活動(dòng)，就能接收水下驗(yàn)潮站傳輸?shù)膶?shí)時(shí)潮位。

以疏浚船02為海上定點(diǎn)驗(yàn)潮儀數(shù)據(jù)接收與發(fā)送的平臺(tái)，一方面接收驗(yàn)潮站水下單元所發(fā)出的潮位信息，另一方面，通過船上的潮位數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)（北斗或UHF）將潮位信息發(fā)至鄰近施工的各條船舶。在不影響施工作業(yè)的同時(shí)，也滿足了潮位數(shù)據(jù)的接收與遠(yuǎn)程傳輸、發(fā)布。

2 項(xiàng)目實(shí)施的關(guān)鍵點(diǎn)

2.1 水下驗(yàn)潮站點(diǎn)設(shè)立

水下驗(yàn)潮支架穩(wěn)固性要好且要有一定的負(fù)重，確保設(shè)備在驗(yàn)潮過程中不會(huì)移動(dòng)。潮位站點(diǎn)要設(shè)立在水下地形相對(duì)平坦，沖刷或淤積不明顯的區(qū)域，以確保驗(yàn)潮期間驗(yàn)潮支架結(jié)構(gòu)沒有明顯的沉降發(fā)生，確保驗(yàn)潮數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確。圖3是兩種水下潮位采集單元結(jié)構(gòu)圖，圖3（a）是具有防拖網(wǎng)丟失功能的水下單元，單元裝有驗(yàn)潮儀、聲學(xué)數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備及聲學(xué)釋放設(shè)備等；圖3（b）是一種比較簡易的水下數(shù)據(jù)采集單元。

2.2 水下供電問題

潮位計(jì)的數(shù)據(jù)采集用電相對(duì)比較小，按10 min記錄1次潮位，一般可記錄3個(gè)月的時(shí)間。由于水聲modem在進(jìn)行水下數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，其用電相對(duì)較大，內(nèi)置電源往往無法滿足作業(yè)需求。解決其供電主要有兩種方式：

1）外加水下電源包

采用外加電源包供電方式，可將水下驗(yàn)潮單元的工作時(shí)間延長2～3個(gè)月，在總的施工作業(yè)時(shí)間不超過4個(gè)月的情況下，水下單元采用外加電源包基本可以滿足施工的需求。

2）更換水下采集單元

對(duì)于施工作業(yè)時(shí)間相對(duì)較長的海上作業(yè)，需要準(zhǔn)備2套水下采集單元，采用交替下水工作的方式可以延長其驗(yàn)潮工作時(shí)間。

圖3 水下驗(yàn)潮站點(diǎn)安裝結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Installing structureof underwater tide station

首先，在水下單元用電即將結(jié)束前3 d，將替換單元置于原驗(yàn)潮點(diǎn)附近，待穩(wěn)定后進(jìn)行同步驗(yàn)潮，獲取其相關(guān)關(guān)系，然后回收耗電即將結(jié)束的驗(yàn)潮單元，重新裝配等待下一周期的循環(huán)使用。

2.3 水下設(shè)備回收技術(shù)

為提高設(shè)備安裝及回收的便利及安全性，水下潮位采集單元采用安裝帶有浮體機(jī)構(gòu)的水下釋放器，回收時(shí)只要在水面上按動(dòng)釋放指令，即可回收水下驗(yàn)潮單元。

如圖1所示，水下單元是一種比較簡便的回收結(jié)構(gòu)。在驗(yàn)潮支架的上部安裝帶繩倉的聲學(xué)釋放器，正常工作時(shí)，整個(gè)機(jī)構(gòu)置于水面以下，待數(shù)據(jù)采集結(jié)束及更換時(shí)，通過發(fā)送釋放命令將起吊繩索釋放至水面予以回收。對(duì)一些漁業(yè)比較發(fā)達(dá)的海區(qū)可采用目前比較常用的防拖網(wǎng)的驗(yàn)潮結(jié)構(gòu)，避免設(shè)備被外力破壞。

3 現(xiàn)場測(cè)試情況

2013年7月采用簡易方式在長江口深水航道距離北槽中驗(yàn)潮站約10 km的地方（水深較淺，8～ 10m）進(jìn)行了4 h的測(cè)試，水上潮位數(shù)據(jù)的發(fā)送采用北斗衛(wèi)星的短報(bào)文通訊功能進(jìn)行潮位的廣播式發(fā)送。

系統(tǒng)地測(cè)試了水下單元的工作狀態(tài)、回收情況，同時(shí)進(jìn)行了測(cè)量船接收及發(fā)送潮位數(shù)據(jù)的連續(xù)性、準(zhǔn)確性的測(cè)試，每10 min發(fā)送1次潮位數(shù)據(jù)，共發(fā)送實(shí)時(shí)潮位24個(gè)，實(shí)際接收到23個(gè)數(shù)據(jù)，對(duì)丟失的數(shù)據(jù)進(jìn)行了內(nèi)插，經(jīng)與北槽中實(shí)時(shí)潮位比對(duì)，潮位數(shù)據(jù)吻合非常好。

存在的問題：由于潮位站及測(cè)試接收分別位于長江口深水航道的兩側(cè)，當(dāng)大型集裝箱船經(jīng)過航道時(shí)，位于水面的接收單元有信號(hào)丟失現(xiàn)象發(fā)生。分析認(rèn)為：由于航道兩側(cè)水深較淺，約9 m，航道內(nèi)水深達(dá)到13.0 m，大船吃水較深，影響到數(shù)據(jù)的傳輸。當(dāng)發(fā)送單元與水下采集單元位于航道同一側(cè)時(shí)，沒有發(fā)生數(shù)據(jù)中斷的現(xiàn)象。

4 結(jié)語

利用施工船舶作為海上潮位站平臺(tái)，既不影響船舶的正常施工又能滿足潮位數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送，是海上工程作業(yè)潮位獲取的一種有效手段。通過現(xiàn)場測(cè)試，其工藝方法的可行性及實(shí)用性都比較高，適合于海洋工程的快速開工。

隨著水下測(cè)量單元性能的不斷提高，系統(tǒng)的功耗會(huì)進(jìn)一步降低，傳輸距離及測(cè)量精度會(huì)進(jìn)一步提高，其應(yīng)用的范圍也將會(huì)有比較大的拓展。

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Discussion and im p lementation of establishment technology about offshore tem porary tide station based on construction ships

TIANWei-xin,JIAOYong-qiang
（ShanghaiDahua Surveying&Mapping Co.,Ltd.,Shanghai200136,China）

In order tomeet the needs of real-time tidal level during offshore construction work,we put forward a new working method of offshore temporary tide station based on construction ships,introduced in detail the data acquisition,transmission method and technical route.Using shipsasoperation platform,we have provided a fast,econom ical tide station buildingmethod foroffshore construction work.

tide station;data acquisition;underwater acoustic modem;transfer

U652.3

A

2095-7874（2015）05-0028-03

10.7640/zggw js201505008

2015-01-14

田維新（1969— ），男，甘肅會(huì)寧人，副總經(jīng)理，高級(jí)工程師，測(cè)量工程專業(yè)。E-mail：tian-weixin@163.com