王世明，姜 超，江恩祝

（1.上海海洋大學(xué)，上海 201306；2.國家海洋局東海標(biāo)準(zhǔn)計量中心，上海 201306）

0 引言

舟山以東35公里的海區(qū)是傳統(tǒng)漁場，漁業(yè)生產(chǎn)作業(yè)頻繁，生態(tài)浮標(biāo)和海洋觀測設(shè)施在布放的期間，浮標(biāo)上的北斗通信機、太陽能板、航標(biāo)燈等設(shè)備受到嚴(yán)重破壞[1,2]。回收浮標(biāo)的錨鏈上纏繞有大量的漁網(wǎng)，漁民在貼近浮標(biāo)站位布網(wǎng)作業(yè)，此時就會發(fā)生故意或無意損壞浮標(biāo)設(shè)備的行為。為了針對漁民的故意破壞，可在預(yù)警浮標(biāo)上安裝視頻監(jiān)控系統(tǒng)，對浮標(biāo)周圍的環(huán)境進行拍攝，追蹤故意破壞浮標(biāo)的人員和船只。針對目前國內(nèi)尚缺乏預(yù)警浮標(biāo)的設(shè)計，本文提出基于北斗衛(wèi)星授時的CDMA集成通信模塊，浮標(biāo)數(shù)據(jù)傳輸采用雙向模式，岸站遠程監(jiān)控中心平臺可以發(fā)送指令給浮標(biāo)，實現(xiàn)岸站與浮標(biāo)系統(tǒng)的雙向信息傳遞，且數(shù)據(jù)通訊可實現(xiàn)四路視頻的信號傳輸，定位數(shù)據(jù)和四路檢測信號的傳輸。該技術(shù)的使用為我國海上結(jié)構(gòu)物以及相關(guān)海上監(jiān)測系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行提供了技術(shù)保障。

圖1 預(yù)警浮標(biāo)布放點

1 預(yù)警保護方法

東海東福山島附近海域是傳統(tǒng)的漁業(yè)捕撈區(qū)域，其中捕魚期拖網(wǎng)作業(yè)較為頻繁，對海底觀測網(wǎng)造成了最大威脅。海底電纜可埋于海底3～4米處，可避免一般漁網(wǎng)的破壞，而觀測網(wǎng)設(shè)備安防在海底上方0.5～1米左右，為主要的保護目標(biāo)。傳統(tǒng)放拖網(wǎng)架與高強度防護罩的設(shè)計受到近年來拖網(wǎng)的威脅也越來越大，拖網(wǎng)有時會將觀測儀器和保護結(jié)構(gòu)物一起拖走，也起不到警戒和保護的作用?；谛♂樯礁浇Ｓ蛴^測網(wǎng)的保護技術(shù)方法，采用海面警示的方法，達到警告漁船不要進入特定海域進行作業(yè)的目的。以海底觀測網(wǎng)為中心，采用正五邊形警戒網(wǎng)設(shè)計，組成區(qū)域網(wǎng)，確保觀測網(wǎng)在任意方向都可觀察到多個預(yù)警浮標(biāo)?？紤]到舟山海域為不規(guī)則半日潮，潮差在2～5米左右；流速受潮流影響，基本上大于1m/s；且該海域受到臺風(fēng)作用明顯，其中7～9月份最為嚴(yán)重[3]。據(jù)此設(shè)計浮標(biāo)錨鏈，浮標(biāo)錨鏈長度L=（2～4）H，其中H為所在區(qū)域的海水深度。警戒浮標(biāo)布放點與海底觀測網(wǎng)之間的距離約為錨鏈長度[4]。

按照《中國海區(qū)水上助航標(biāo)志》GB4696-1999中專用浮標(biāo)設(shè)計要求，浮標(biāo)體以黃色為基調(diào)，以黃色的 “X形”頂標(biāo)標(biāo)識[5]；航標(biāo)燈采用黃色燈，并安裝雷達反射器。

2 預(yù)警浮標(biāo)設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

圖2 預(yù)警浮標(biāo)正五邊形布放點示意圖

海洋預(yù)警浮標(biāo)的設(shè)計作為海洋監(jiān)測技術(shù)，是一種多學(xué)科、跨領(lǐng)域，集合計算機、通信、數(shù)據(jù)庫等綜合技術(shù)?；诒倍沸l(wèi)星授時的CDMA無線通信系統(tǒng)的海洋預(yù)警浮標(biāo)設(shè)計包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大方面。硬件系統(tǒng)主要包含了浮體、北斗衛(wèi)星和CDMA通信集成模塊、傳感器系統(tǒng)以及供電系統(tǒng)[6,7]。軟件系統(tǒng)主要是上位機軟件系統(tǒng)以及Access數(shù)據(jù)庫，作為數(shù)據(jù)處理的工具，完成與浮標(biāo)內(nèi)部通信模塊的對接以及接收、存儲和發(fā)送傳感器檢測的各種參數(shù)。

2.1 預(yù)警浮標(biāo)結(jié)構(gòu)設(shè)計

該浮標(biāo)主浮體直徑2.6米，分5個艙室，浮標(biāo)中間為電池艙，外圍分4個獨立的浮力艙。浮標(biāo)總排水量約為6.4噸，自重約為2.6噸。浮標(biāo)主要由浮體和塔架兩部分構(gòu)成，主浮體高度1.43米，含配重支架高度為1.96米。塔架高度為2.26米，塔架頂端有一個直徑0.8米圓盤平臺，供安裝浮標(biāo)通信天線、航標(biāo)燈、氣象觀測要素傳感器、視頻監(jiān)控等設(shè)備。浮標(biāo)總高度約為4.2米，可進行拆分，能用一般車輛實現(xiàn)陸路運輸，可實現(xiàn)快速部署。

圖3 浮標(biāo)結(jié)構(gòu)圖

2.2 通信方式

本系統(tǒng)是采用手機無線通訊網(wǎng)絡(luò)，浮標(biāo)布設(shè)區(qū)域是無線通訊網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)。項目位于舟山近海海域，手機網(wǎng)絡(luò)覆蓋較好，數(shù)據(jù)通信不存在問題。鑒于浙江地區(qū)海上無線網(wǎng)絡(luò)的通信情況，CDMA優(yōu)于其他方式，本方案將采用CDMA無線數(shù)據(jù)傳輸。CDMA通信系統(tǒng)過去都是采用GPS作為基站同步時鐘，受到GPS安全性能差，自主性較低以及通信質(zhì)量差等影響，因此有必要采用其他衛(wèi)星授時技術(shù)，而目前國內(nèi)外主要的衛(wèi)星通信系統(tǒng)有GLONASS、Argos、以及北斗衛(wèi)星等[8]。

表1 衛(wèi)星系統(tǒng)功能比較

北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要由陸地控制站、用戶接收站和衛(wèi)星系統(tǒng)三部分組成。作為我國獨立研發(fā)的衛(wèi)星系統(tǒng)，北斗衛(wèi)星通信相比于Glonass和Galileo衛(wèi)星通信功耗小，具有較高的定位精度；相比于ARGOS系統(tǒng)，北斗衛(wèi)星通信的精密授時功能有著巨大的優(yōu)勢。此外，北斗衛(wèi)星通信具備定位于通信雙重功能，可靠性強，使用安全。采用北斗衛(wèi)星授時的CDMA無線通信的方式，滿足CDMA通信系統(tǒng)對精準(zhǔn)授時、時間同步以及安全性能的需求[9]。

2.3 數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)

基于北斗衛(wèi)星授時的CDMA無線通信系統(tǒng)，增設(shè)對應(yīng)的航標(biāo)燈、低電壓、艙進水、位移等監(jiān)控報警功能。當(dāng)有事件發(fā)生時（如船艙進水、航標(biāo)燈滅、電源低電壓），浮標(biāo)系統(tǒng)會及時發(fā)送報警信息，岸站接收報警信息后，實時顯示報警。數(shù)據(jù)處理主要由四大部分組成，分別是浮標(biāo)視頻采集與傳輸系統(tǒng)、事件報警采集、監(jiān)控管理平臺等組成。

2.3.1 浮標(biāo)視頻采集與傳輸系統(tǒng)

浮標(biāo)視頻監(jiān)控系統(tǒng)分為前端浮標(biāo)視頻獲取監(jiān)控系統(tǒng)、4G無線通信和監(jiān)控中心平臺三大部分。采用四個防水?dāng)z像頭，攝像頭安裝在自平衡裝置上，消除因浮標(biāo)搖晃帶來的攝像角度及模糊現(xiàn)象的影響，實現(xiàn)對四個方位的視頻記錄。浮標(biāo)上可存儲視頻文件，根據(jù)岸站設(shè)置，可實現(xiàn)定時視頻截圖的傳輸。岸站與浮標(biāo)是通過4G網(wǎng)絡(luò)連接在一起的，管理人員通過岸站的控制軟件實現(xiàn)對浮標(biāo)相關(guān)參數(shù)的設(shè)置以及數(shù)據(jù)調(diào)取。在岸站接收軟件上，可進行浮標(biāo)傳輸照片或視頻的控制選擇，也可以根據(jù)需要將浮標(biāo)內(nèi)的視頻記錄下載到接收岸站?？紤]到數(shù)據(jù)量大，存儲卡容量有限，系統(tǒng)將會以最新的視頻覆蓋較早的視頻，從而解決存儲容量的問題。

圖4 北斗衛(wèi)星和CDMA集成模塊

2.3.2 事件報警采集

浮標(biāo)除了實現(xiàn)視頻監(jiān)控外，還可GPS定位、航標(biāo)燈狀態(tài)、儀器艙進水、低電壓報警等要素的采集。在報警發(fā)生時，系統(tǒng)即時向接收岸站發(fā)送報警數(shù)據(jù)。

浮標(biāo)位置報警信息是在岸站產(chǎn)生的，當(dāng)岸站接收到浮標(biāo)位置定位數(shù)據(jù)后，岸站程序?qū)邮盏奈恢脭?shù)據(jù)進行比較，當(dāng)位置偏離數(shù)值大于設(shè)定值時，表明浮標(biāo)已偏離原站位，這時會發(fā)出報警信息。浮標(biāo)監(jiān)控系統(tǒng)集成的北斗定位模塊，實現(xiàn)對浮標(biāo)位置的定位，定位時間發(fā)送間隔可以通過岸站來設(shè)置，設(shè)置的步長以秒為單位。岸站實時接收浮標(biāo)發(fā)來的定位數(shù)據(jù)以實現(xiàn)浮標(biāo)的準(zhǔn)確定位。

浮標(biāo)監(jiān)控系統(tǒng)集成了四路開關(guān)量數(shù)據(jù)采集通道和串口數(shù)據(jù)直傳通道，我們利用開關(guān)量采集通道對航標(biāo)燈的狀態(tài)進行采集，監(jiān)視航標(biāo)燈的亮滅狀態(tài)，當(dāng)航標(biāo)燈出現(xiàn)異常時，及時將信息發(fā)送到岸站。

浮標(biāo)艙進水報警利用浮標(biāo)監(jiān)控系統(tǒng)集成了四路開關(guān)量數(shù)據(jù)采集通道，加裝傳感器對浮標(biāo)儀器進行監(jiān)視，當(dāng)浮標(biāo)儀器艙出現(xiàn)進水現(xiàn)象時，浮標(biāo)系統(tǒng)就會采集到進水的相關(guān)信息，并發(fā)送至岸站。

當(dāng)浮標(biāo)電源電壓下降至10V時，系統(tǒng)將會發(fā)出報警信息，接收岸站將會實時接收到欠壓報警信息。

2.4 預(yù)警浮標(biāo)的電源設(shè)計

圖5 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

電源是預(yù)警浮標(biāo)工作的電能供應(yīng)基礎(chǔ)。預(yù)警浮標(biāo)電源系統(tǒng)采用太陽能電池板與大容量蓄電池組組合而成的供電形式。該浮標(biāo)設(shè)計考慮到電源的重量、安裝方式以及對系統(tǒng)的供電能力大小以滿足浮標(biāo)的承載能力，實現(xiàn)對浮標(biāo)數(shù)據(jù)采集、處理和傳輸以及傳感器系統(tǒng)等的合理供電，維持系統(tǒng)正常運行[10]。設(shè)計采用蓄電池組容量為14V/500Ah，選用4塊40W的太陽能電池板搭載于浮標(biāo)上方支架，總發(fā)電量為160W。浮標(biāo)系統(tǒng)日用電量約為100Wh，在日照充足的情況下，完全滿足對浮標(biāo)的電能供應(yīng)，且多余的電量可存儲于蓄電池內(nèi)；在沒有光照的情況下，可滿足對預(yù)警浮標(biāo)在一個月內(nèi)的電能供應(yīng)。

3 預(yù)警浮標(biāo)的應(yīng)用

該浮標(biāo)于2017年下半年進行布放，投放之后采用精確定位，盡量按照計劃合理分布海底觀測網(wǎng)與預(yù)警浮標(biāo)的位置，采用五個浮標(biāo)以正五邊形布放的形式，實現(xiàn)對保護對象的多方位同時保護。該浮標(biāo)自投放開始，穩(wěn)定運行至今，也確保了觀測網(wǎng)的安全穩(wěn)定。

預(yù)警浮標(biāo)上安裝了風(fēng)、浪氣象傳感器、水質(zhì)檢測儀等水文數(shù)據(jù)采集裝置，可實現(xiàn)對海底觀測系統(tǒng)數(shù)據(jù)的驗證與補充，保證了數(shù)據(jù)信息的可靠度與可信度。浮標(biāo)運行時間，監(jiān)測到風(fēng)與波浪數(shù)據(jù)的連續(xù)性，表明了浮標(biāo)運行狀態(tài)的穩(wěn)定性。數(shù)據(jù)顯示，平均風(fēng)速達到5.5m/s，最大風(fēng)速高達15.0m/s；平均波高為1.3m，最大波高在4.0m以上。東海區(qū)域監(jiān)測到的風(fēng)速和波高數(shù)據(jù)具有較好的相關(guān)性，數(shù)據(jù)在合理范圍內(nèi)，為海底觀測網(wǎng)監(jiān)測的數(shù)據(jù)提供了對比數(shù)據(jù)和實海況數(shù)據(jù)支持。

4 結(jié)束語

為解決東海海底觀測網(wǎng)受到漁船作業(yè)而被破壞的問題，設(shè)計了一種基于北斗衛(wèi)星和CDMA集成通信預(yù)警浮標(biāo)系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星授時的CDMA通信系統(tǒng)保證了無線通信的授時精度，集成通信的方式提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院桶踩浴８?biāo)在運行期間對海底觀測網(wǎng)海域?qū)崿F(xiàn)了實時、連續(xù)觀測，該技術(shù)為我國海洋預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計和集成通信提供技術(shù)參考。

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