黃 樺，劉同木，3*，張金尚

（1.國(guó)家海洋局南海調(diào)查技術(shù)中心，廣東 廣州 510310；2.自然資源部海洋環(huán)境探測(cè)技術(shù)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510310；3.天津大學(xué)水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072）

海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)是研究海洋、開(kāi)發(fā)海洋和利用海洋的基礎(chǔ)[1]。海洋觀測(cè)浮標(biāo)能在不同時(shí)間、空間尺度和復(fù)雜的海洋環(huán)境中定點(diǎn)、長(zhǎng)期、連續(xù)進(jìn)行海洋環(huán)境資料的收集，已經(jīng)成為最主要的海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)手段之一[2-3]。

海洋浮標(biāo)觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展始于20 世紀(jì)40 年代末至50 年代初的歐美發(fā)達(dá)國(guó)家[4]，隨著海洋資源開(kāi)發(fā)的興起和計(jì)算機(jī)技術(shù)、衛(wèi)星通信技術(shù)在浮標(biāo)上的應(yīng)用，浮標(biāo)已經(jīng)在全球海洋監(jiān)測(cè)中發(fā)揮著不可或缺的作用[1，5]。20 世紀(jì)80 年代，隨著觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展，各種專用型浮標(biāo)在海洋工程建設(shè)過(guò)程中，也承擔(dān)著重要的角色。我國(guó)波浪測(cè)量技術(shù)始于20 世紀(jì)60 至70 年代，經(jīng)歷了船用自記儀、測(cè)波儀、遙測(cè)波浪浮標(biāo)等發(fā)展階段；20 世紀(jì)90 年代中期，基于重力加速度原理的測(cè)波浮標(biāo)得到深入發(fā)展。然而傳統(tǒng)的專用型波浪浮標(biāo)存在一定的不足：體積太小，易被漁船破壞；電池容量太小，需要定期更換電池；沒(méi)有對(duì)應(yīng)的安裝空間和預(yù)留接口，無(wú)法直接搭載剖面海流等其他傳感器[6-7]。在實(shí)際工程應(yīng)用中，除了要保障數(shù)據(jù)的科學(xué)、可靠，設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性也至關(guān)重要。

深中通道是繼港珠澳大橋之后又一世界級(jí)“橋、島、隧、地下互通”超大集群工程，總長(zhǎng)約24 km，沉管隧道為世界首例雙向八車道海底沉管隧道，長(zhǎng)約6.8 km，為目前世界上最寬的海底沉管隧道。深中通道標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)重達(dá)8 萬(wàn)噸，排水量相當(dāng)于一艘中型航母；從珠海桂山島的預(yù)制工廠到西人工島的沉放安裝區(qū)域，浮運(yùn)距離約50 km，途徑7次航道變換。在往來(lái)船只繁忙的伶仃主航道上布設(shè)實(shí)時(shí)觀測(cè)的浮標(biāo)系統(tǒng)，既要保證過(guò)往船只的安全，也要保證在位浮標(biāo)的安全，還需兼顧數(shù)據(jù)加密觀測(cè)后實(shí)時(shí)回傳的接收率。本文通過(guò)對(duì)在線浪流監(jiān)測(cè)浮標(biāo)的研制與應(yīng)用過(guò)程予以介紹，為同類專用型觀測(cè)浮標(biāo)的研究提供參考。

1 技術(shù)要求與難點(diǎn)

1.1 技術(shù)要求

浪流監(jiān)測(cè)浮標(biāo)主要技術(shù)指標(biāo)如表1 所示。

表1 在線浪流監(jiān)測(cè)浮標(biāo)主要技術(shù)指標(biāo)

1.2 研制難點(diǎn)

根據(jù)深中通道施工海域環(huán)境監(jiān)測(cè)的需求和監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的地理特點(diǎn)，在線浪流監(jiān)測(cè)浮標(biāo)的研制難點(diǎn)一在于對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的獲取率和回傳頻率有較高的要求，南海海域常規(guī)業(yè)務(wù)化運(yùn)行浮標(biāo)1 h 的回傳頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足；難點(diǎn)二在于伶仃航道往來(lái)船舶繁忙[8]，如何盡可能避免浮標(biāo)遭受船舶碰撞，浮標(biāo)遭受意外碰撞故障后如何保障系統(tǒng)能“損傷”最小化和修復(fù)最快化。

2 浮標(biāo)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 浮標(biāo)體

浮標(biāo)體是浮標(biāo)上部框架和各類傳感器在海上的承載體，也為浮標(biāo)提供浮力支撐，是浮標(biāo)系統(tǒng)在海上長(zhǎng)期安全、穩(wěn)定運(yùn)行的保障。同等排水量下主浮體直徑的增加可提高浮標(biāo)的耐波性，其初穩(wěn)心也會(huì)隨之增高，同時(shí)考慮到浮標(biāo)站點(diǎn)均毗鄰航道，浮標(biāo)體過(guò)大容易影響航道安全，最終采用浮標(biāo)直徑為3 m。同等海況條件下，與傳統(tǒng)錐形和圓柱形浮標(biāo)體相比，半球形浮標(biāo)體的橫搖響應(yīng)最小，垂蕩性能最佳[9]，考慮實(shí)際加工難度，浮標(biāo)體半球曲面使用錐面進(jìn)行替代，浮標(biāo)體和標(biāo)體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1、圖2 所示。

圖1 浮標(biāo)系統(tǒng)標(biāo)體結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 浮標(biāo)系統(tǒng)標(biāo)體

在小傾角條件下，穩(wěn)心半徑R的計(jì)算方法[10]見(jiàn)式（1）。

式中，Zs為穩(wěn)心垂向坐標(biāo)；Zb為浮心垂向坐標(biāo)；IX為浮標(biāo)水線處橫截面積對(duì)其形心X軸的面積慣性矩；V為浮標(biāo)的排水體積。

浮標(biāo)水線處橫截面積對(duì)其形心X軸的面積慣性矩的計(jì)算方法[10]見(jiàn)式（2）。

式中，A為浮標(biāo)在水線處的橫截面積；y為水線到X軸的距離；D1為浮標(biāo)水線處直徑。

初穩(wěn)心高度H的計(jì)算方法[10]見(jiàn)式（3）。

式中，Zg為重心垂向坐標(biāo)。

計(jì)算可得浮標(biāo)的初穩(wěn)心高度為0.49 m，滿足《國(guó)內(nèi)航行海船法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則（2011）》中海洋浮式結(jié)構(gòu)初穩(wěn)性對(duì)浮體初穩(wěn)心高度不小于0.15 m 的要求[11]，說(shuō)明浮標(biāo)體的設(shè)計(jì)滿足穩(wěn)定性要求。

浮標(biāo)體主要由護(hù)圈、桅桿及上部框架、儀器艙、主浮體、下部支柱幾部分組成。浮標(biāo)體采用分體組裝的結(jié)構(gòu)形式，主框架采用優(yōu)質(zhì)鋁合金建造，以保證浮標(biāo)在海上具有良好的抗腐蝕能力。主浮體采用輕型高分子材料乙烯—醋酸乙烯共聚物（Ethylene Vinyl Acetate，EVA）彈性體材料制作，具有超強(qiáng)的耐應(yīng)力開(kāi)裂性、良好的緩沖和抗震等優(yōu)點(diǎn)[12]，其防震性能優(yōu)于聚苯乙烯（泡沫） 等傳統(tǒng)包裝材料，且符合環(huán)保要求[13]。

浮標(biāo)體表面采用聚脲彈性體（Polyurea Elastomer，PE）噴涂。噴涂PE 技術(shù)是近年來(lái)研制、開(kāi)發(fā)的一種“新型無(wú)溶劑、無(wú)污染的綠色施工技術(shù)”[14]。PE 涂層具有柔韌有余、剛性十足、快速固化，致密、連續(xù)、無(wú)接縫，完全隔絕空氣中水分和氧氣的滲入，防腐和防護(hù)性能良好等特點(diǎn)。它同時(shí)還具有耐磨、防水、抗沖擊、抗疲勞、耐老化、耐高溫、耐核輻射等多種功能[14-15]。

2.2 系留系統(tǒng)

浮標(biāo)布放站點(diǎn)水深較淺，布放時(shí)間長(zhǎng)。為保障浮標(biāo)安全，系留系統(tǒng)采用鏈?zhǔn)綉益滃^系結(jié)構(gòu)[9]，考慮鏈的重量和耐久性，采用直徑28 mm 的AM2 錨鏈（二級(jí)有檔錨鏈），錨鏈拉力試驗(yàn)負(fù)荷321 kN，拉斷試驗(yàn)負(fù)荷449 kN。根據(jù)《小型海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)浮標(biāo)》（HY/T 143—2011）標(biāo)準(zhǔn)，錨鏈總長(zhǎng)度以3 倍水深配置，浮標(biāo)與錨鏈連接處配有5 t 轉(zhuǎn)子，釋放浮標(biāo)與系留系統(tǒng)之間的扭矩；底部配有500 kg 自重錨與250 kg 霍爾錨[16]。系留系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 浮標(biāo)系留系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 主控系統(tǒng)

在線浪流監(jiān)測(cè)浮標(biāo)的主控系統(tǒng)以CR1000 數(shù)據(jù)采集器為核心，進(jìn)行外圍模塊和傳感器的集成。主控系統(tǒng)組成如圖4 所示。

圖4 主控系統(tǒng)組成框圖

按照設(shè)定的工作時(shí)序，自動(dòng)、定時(shí)采集搭載的不同類型傳感器數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理和存儲(chǔ)，并將處理后數(shù)據(jù)通過(guò)北斗和4G 雙通信模式實(shí)時(shí)發(fā)送至岸站。

2.4 觀測(cè)系統(tǒng)

在線浪流監(jiān)測(cè)浮標(biāo)的主要傳感器及相關(guān)技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 在線浪流監(jiān)測(cè)浮標(biāo)觀測(cè)傳感器及主要技術(shù)指標(biāo)

海流觀測(cè)采用浮標(biāo)懸掛剖面流速儀方式，向下觀測(cè)流速流向。主浮體吃水線為0.3 m，海流計(jì)安裝支架距離主浮體底部0.35 m，將剖面流速儀固定在浮標(biāo)底下，如圖5 所示。通過(guò)調(diào)整安裝角度，避免打到浮標(biāo)底架，影響換能器探頭發(fā)射接收聲波。按此計(jì)算闊龍剖面流速儀的最上面一層距水面高度計(jì)算方法見(jiàn)式（4）。

圖5 剖面流速儀安裝方式

式中，l為主浮體吃水線；Le為換能器到主浮體底部距離；LB為闊龍剖面流速儀盲區(qū)；Ce為闊龍剖面流速儀設(shè)置深度單元。

通過(guò)計(jì)算，可得闊龍剖面流速儀觀測(cè)到的第一層數(shù)據(jù)距離海表面為2.05 m。

剖面流速儀設(shè)置參數(shù)如表3 所示。

表3 剖面流速儀設(shè)置參數(shù)

波浪儀安裝在浮標(biāo)體內(nèi)，位于浮標(biāo)重心位置。波浪儀在正點(diǎn)前的21 分開(kāi)始工作，采樣間隔為0.25 s，連續(xù)采樣17 min，數(shù)據(jù)處理后形成波浪特征值，每一小時(shí)測(cè)量一次。采集數(shù)據(jù)包括時(shí)序，最大波高，最大波周期，有效波高，有效波周期，1/10波高，1/10 波周期，平均波高，平均波周期，波數(shù)，主波向及主波向的16 方位分布等。

3 浮標(biāo)安全與防護(hù)

在線浪流監(jiān)測(cè)浮標(biāo)的防護(hù)主要包括：浮標(biāo)運(yùn)行的安全問(wèn)題和浮標(biāo)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控[17]。

3.1 碰撞防護(hù)

3.1.1 抗碰撞浮體材料

浮標(biāo)無(wú)需添加橡膠護(hù)舷，主浮體采用輕型EVA材料制作，具有很強(qiáng)的抗碰撞能力[7]。如果浮標(biāo)遭到撞擊，首先撞擊的是主浮體，能夠起到很好的緩沖作用。同時(shí)主浮體還可提供很大的儲(chǔ)備浮力，只要主浮體沒(méi)有破碎可以保證浮標(biāo)永不會(huì)沉沒(méi)。

3.1.2 雙錨燈系統(tǒng)

浮標(biāo)部署位點(diǎn)毗鄰航道，過(guò)往船舶較多，且浮標(biāo)體型較小，容易遭受過(guò)往船舶碰撞，尤其是晚上燈光微弱，目標(biāo)不明顯。針對(duì)此情況設(shè)計(jì)了雙錨燈系統(tǒng)，兩臺(tái)錨燈獨(dú)立供電的一體化設(shè)計(jì)航標(biāo)燈，防水等級(jí)IP67，最小自治時(shí)間可達(dá)200 h。燈光顏色為橙黃色，燈質(zhì)為莫（O）黃12 s，夜間燈光可視距離大于3 nm。錨燈均引出信號(hào)線連接主控系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)傳輸信號(hào)至值班室反饋錨燈運(yùn)行狀態(tài)。

3.1.3 航行通告

浮標(biāo)部署位點(diǎn)經(jīng)論證后，將相關(guān)材料報(bào)送至中華人民共和國(guó)廣東海事局，由廣東海事局深中辦協(xié)商在交通運(yùn)輸部海事局網(wǎng)站、公眾號(hào)等官網(wǎng)、官微上發(fā)布正式的航行通告，提醒過(guò)往船舶加強(qiáng)瞭望，密切關(guān)注浮標(biāo)動(dòng)態(tài)，注意避讓。

3.1.4 海上專用標(biāo)志增設(shè)

按照海事要求，浮標(biāo)桅桿上方增設(shè)海上專業(yè)工作區(qū)標(biāo)志（30×50 cm 不銹鋼矩形鋼板）并進(jìn)行噴漆（紅白相間，如圖6 所示），提醒過(guò)往船只注意避讓，增加浮標(biāo)可視性和維護(hù)時(shí)的安全性；浮標(biāo)標(biāo)體上標(biāo)注有“海洋觀測(cè)浮標(biāo)”標(biāo)語(yǔ)及聯(lián)系電話，保證發(fā)生緊急情況（如船舶意外碰撞，浮標(biāo)漂移等）后可及時(shí)聯(lián)系到值班人員。

圖6 海上專業(yè)工作區(qū)標(biāo)識(shí)

3.2 岸站監(jiān)控系統(tǒng)

根據(jù)浪流監(jiān)測(cè)浮標(biāo)的觀測(cè)要素和采集頻率，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了一套接收軟件系統(tǒng)，如圖7、圖8 和圖9所示，部署于數(shù)據(jù)接收室。波浪以每小時(shí)1 組，海流、GPS、錨燈狀態(tài)、位移警告、進(jìn)水警告等相應(yīng)參數(shù)以10 min 1 組的頻率實(shí)時(shí)回傳至值班室，值班室安排專人24 h 值班做好數(shù)據(jù)接收記錄和浮標(biāo)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控工作。接收軟件有自動(dòng)預(yù)警功能，浮標(biāo)一旦發(fā)生位移、進(jìn)水或連續(xù)3 組數(shù)據(jù)（30 min）未能成功接收，將會(huì)通過(guò)接收界面告警和發(fā)送郵件兩種形式預(yù)警，以便第一時(shí)間判斷浮標(biāo)運(yùn)行狀態(tài)。值班室裝有UPS 電源，保證岸站接收系統(tǒng)在斷電48 h內(nèi)仍可以正常工作。

圖7 浮標(biāo)位置、狀態(tài)查詢示意圖

圖8 海流數(shù)據(jù)接收示意圖

圖9 波浪、表層海流生成示意圖

4 創(chuàng)新性設(shè)計(jì)

在線浪流浮標(biāo)的設(shè)計(jì)最終為了服務(wù)于項(xiàng)目施工海域監(jiān)測(cè)的需求。基于數(shù)據(jù)回傳的高標(biāo)準(zhǔn)和臨近航道的高碰撞風(fēng)險(xiǎn)，針對(duì)浮標(biāo)通訊、浮標(biāo)供電冗余和智能安防監(jiān)控，盡可能保障浮標(biāo)數(shù)據(jù)回傳的可靠性、穩(wěn)定性，以及對(duì)浮標(biāo)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控反饋。

4.1 通信系統(tǒng)

為保證數(shù)據(jù)回傳的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性，在線浪流監(jiān)測(cè)浮標(biāo)采用了多種通信方式：CDMA 網(wǎng)絡(luò)通信和北斗衛(wèi)星通信，同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，對(duì)應(yīng)參數(shù)如表4所示。每10 min 將浮標(biāo)觀測(cè)的數(shù)據(jù)和航標(biāo)燈、水警等狀態(tài)數(shù)據(jù)（波浪每小時(shí)一次）實(shí)時(shí)發(fā)送到岸站，同時(shí)將采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)采集器存儲(chǔ)介質(zhì)內(nèi)。

表4 通信系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)

考慮到浮標(biāo)站位存在網(wǎng)絡(luò)通訊不穩(wěn)定的情況，CDMA 數(shù)據(jù)組幀采用了堆棧方式。每組數(shù)據(jù)包含6個(gè)時(shí)次海流和2 個(gè)時(shí)次波浪共計(jì)1 985 字節(jié)的采樣數(shù)據(jù)，組幀時(shí)刻數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分別將最新一個(gè)時(shí)次的海流和波浪采集數(shù)據(jù)放入棧頂，將最早一組數(shù)據(jù)壓出棧，保證了每組CDMA 數(shù)據(jù)都是最近6 組采集數(shù)據(jù)，即使某個(gè)時(shí)刻由于網(wǎng)絡(luò)通訊不穩(wěn)定造成數(shù)據(jù)未能回傳，只要CDMA 網(wǎng)絡(luò)中斷不超過(guò)1 h，仍能補(bǔ)全缺失數(shù)據(jù)，保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾浴?/p>

北斗終端通信采用ASCII 碼傳輸，數(shù)據(jù)接口協(xié)議采用《北斗用戶機(jī)數(shù)據(jù)接口協(xié)議（4.0 版）》。受民用北斗每條信息傳輸字節(jié)數(shù)所限，海流數(shù)據(jù)分為4 個(gè)包，分別為77、75、77 和78 個(gè)字節(jié)，每個(gè)數(shù)據(jù)包間隔時(shí)間為1 min。每10 min 由單片機(jī)給北斗模塊加電，分4 個(gè)包轉(zhuǎn)發(fā)至接收終端，第5 分鐘至第9 分鐘為補(bǔ)發(fā)階段，發(fā)送失敗的某個(gè)數(shù)據(jù)包會(huì)在補(bǔ)發(fā)階段由北斗終端重新發(fā)送，提高數(shù)據(jù)接收率。

4.2 供電系統(tǒng)

供電系統(tǒng)采用太陽(yáng)能板和蓄電池組合供電方式，對(duì)浮標(biāo)系統(tǒng)提供單一工作電壓。主要由太陽(yáng)能電池板、太陽(yáng)能充放電控制器、大容量免維護(hù)蓄電池、過(guò)壓過(guò)流保護(hù)電路板、DC-DC 電源變換電路組成，如圖10 所示。電池艙采用316L 不銹鋼制成，艙內(nèi)四周為防震橡膠墊片，起減震和增加摩擦力的作用，艙上方有壓條固定電池，避免電池產(chǎn)生位移影響供電。

圖10 供電系統(tǒng)

基于對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的高獲取率和高回傳頻率，為保障浮標(biāo)供電系統(tǒng)具備充足的電量冗余，區(qū)別于常規(guī)的電量估算法和經(jīng)驗(yàn)法，綜合考慮蓄電池放電深度，太陽(yáng)能板相關(guān)修正系數(shù)、太陽(yáng)能日輻射量轉(zhuǎn)換系數(shù)和浮標(biāo)部署區(qū)域的年平均日輻射量，對(duì)電量進(jìn)行了詳盡的計(jì)算。

供電采用2 塊12 V（每塊電池容量100 Ah）免維護(hù)鉛酸蓄電池作為主電源，并聯(lián)安裝在密封的電池艙中；同時(shí)使用獨(dú)立的4 塊12 V（每塊電池容量20 Ah）并聯(lián)安裝于電池架上作為備用電源。鉛酸蓄電池實(shí)際可用總?cè)萘坑?jì)算方法[18]見(jiàn)公式（5）。

式中，Qe為蓄電池額定容量；Ce為蓄電池放電深度，一般鉛酸蓄電池取0.75。

太陽(yáng)能板輸出端使用太陽(yáng)能控制器對(duì)電池充放電進(jìn)行控制保護(hù)，太陽(yáng)能控制B1 模式下，額定充電電流為10 A，浮充電壓為14.6 V。太陽(yáng)能板每塊工作電流9 A，工作電壓17 V。每塊太陽(yáng)能板日均發(fā)電量計(jì)算方法[18，19]見(jiàn)公式（6）。

式中，Ie為太陽(yáng)能板工作電流；Kop為太陽(yáng)能板斜面修正系數(shù)，在浮標(biāo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，4 塊太陽(yáng)能板水平安裝且無(wú)遮擋，故此處Kop取0.99；CZ為修正系數(shù)，主要為組合、衰減、灰塵、充電效率等損失，一般取0.8；KR為輻射轉(zhuǎn)換系數(shù)，將太陽(yáng)能日輻射量轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)光照強(qiáng)度條件下平均日輻射小時(shí)數(shù)的轉(zhuǎn)換系數(shù)，一般取2.778/10 000（h·m2/kJ）；HR為太陽(yáng)能日輻射量，趙春霞等[20]統(tǒng)計(jì)得廣州半個(gè)世紀(jì)以來(lái)年平均日總輻射量為11.66 MJ/（m2·d），故此處取11 660 kJ/m2。

計(jì)算可得4 塊太陽(yáng)能板日均發(fā)電量為92.4 Ah。

浮標(biāo)設(shè)備工作參數(shù)如表5 所示。

表5 浮標(biāo)系統(tǒng)設(shè)備工作參數(shù)

按設(shè)計(jì)觀測(cè)方式，浮標(biāo)設(shè)備日平均功耗如表6所示。

表6 浮標(biāo)系統(tǒng)設(shè)備日均功耗

整套浮標(biāo)系統(tǒng)日均功耗約為12.6 Ah，遠(yuǎn)小于太陽(yáng)能供電系統(tǒng)的日均發(fā)電量，供電系統(tǒng)足以支撐整套浮標(biāo)系統(tǒng)運(yùn)行。連續(xù)陰雨天的極限情況下，浮標(biāo)系統(tǒng)最小自治時(shí)間大于16 d，滿足《海洋資料浮標(biāo)作業(yè)規(guī)范》（HY/T 037—2017）中，有能源補(bǔ)充的浮標(biāo)供電系統(tǒng)，“在無(wú)能源補(bǔ)充情況下，應(yīng)能提供浮標(biāo)系統(tǒng)不小于15 d 正常供電儲(chǔ)備”[21]。

4.3 智能安防監(jiān)控系統(tǒng)

為保障浮標(biāo)在位安全，研制設(shè)計(jì)了智能安防監(jiān)控系統(tǒng)（圖11）。該監(jiān)控系統(tǒng)由4 個(gè)紅外攝像頭，1 條AIS 天線，1 臺(tái)AIS 接收機(jī)和存儲(chǔ)硬盤(pán)組成，采用本地存儲(chǔ)的方式，每次巡視浮標(biāo)時(shí)可更換硬盤(pán)。每個(gè)攝像頭可監(jiān)控角度為90?，4 個(gè)紅外攝像頭可組成360?全天候視頻錄像如圖12 所示。AIS 監(jiān)控系統(tǒng)由AIS 天線和AIS 接收機(jī)組成，能發(fā)送AIS預(yù)警信號(hào)至過(guò)往船舶，提醒船舶注意避讓浮標(biāo)，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)浮標(biāo)站點(diǎn)周邊20 n mile 以內(nèi)船只動(dòng)態(tài)跟蹤，并將AIS 數(shù)據(jù)通過(guò)通訊終端回傳至岸站，可實(shí)時(shí)監(jiān)控浮標(biāo)周邊船只動(dòng)態(tài)。攝像系統(tǒng)由紅外攝像頭和存儲(chǔ)硬盤(pán)組成，由AIS 監(jiān)控系統(tǒng)控制，當(dāng)有船舶靠近時(shí)啟用錄像，并將影像通過(guò)CDMA 網(wǎng)絡(luò)通訊模塊傳輸至岸站。

圖11 浮標(biāo)智能安防監(jiān)控系統(tǒng)

圖12 智能安防監(jiān)控系統(tǒng)測(cè)試圖

為保障該套監(jiān)控系統(tǒng)的獨(dú)立性，設(shè)計(jì)使用單獨(dú)的電源供電，不影響浮標(biāo)原有的觀測(cè)系統(tǒng)。該套視頻監(jiān)控設(shè)備工作電流約0.8 A，24 h 連續(xù)工作的情況下，每天功耗約20 Ah，安防監(jiān)控系統(tǒng)不考慮極限工況，采用1 塊80 W 太陽(yáng)能板與1 塊60 AH 蓄電池組成獨(dú)立供電系統(tǒng)工作。

5 在線浪流監(jiān)測(cè)浮標(biāo)的應(yīng)用

在線浪流監(jiān)測(cè)浮標(biāo)經(jīng)研制、組裝、拷機(jī)運(yùn)行后，已于2019 年布放于4 個(gè)部署點(diǎn)位，迄今已服務(wù)深中通道施工海域海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)2 年。期間由于船舶碰撞、儀器故障等問(wèn)題存在數(shù)據(jù)中斷現(xiàn)象，但根據(jù)應(yīng)急預(yù)案，修復(fù)小組均在指定時(shí)間內(nèi)進(jìn)行修復(fù)，保障總體數(shù)據(jù)接收率達(dá)到85%以上。

5.1 海流監(jiān)測(cè)

在線浪流監(jiān)測(cè)浮標(biāo)部分海流觀測(cè)數(shù)據(jù)如圖13至圖16 所示。

圖13 SZ01 站位2021 年4 月第二層海流流速

圖14 SZ01 站位2021 年5 月第二層海流流速

圖16 SZ05 站位2021 年5 月第二層海流流速

圖15 SZ05 站位2021 年4 月第二層海流流速

5.2 波浪監(jiān)測(cè)

在線浪流監(jiān)測(cè)浮標(biāo)部分波浪觀測(cè)數(shù)據(jù)如圖17至圖20 所示。

圖17 SZ01 站位2021 年4 月波浪數(shù)據(jù)

圖20 SZ05 站位2021 年5 月波浪數(shù)據(jù)

5.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

統(tǒng)計(jì)近2 年數(shù)據(jù)，4 個(gè)部署位點(diǎn)月均海流數(shù)據(jù)獲取率為88.63%，有效數(shù)據(jù)率為85.71%。海流為典型的西北和東南向往復(fù)流，表層?xùn)|南向流速明顯大于西北向流速，底層西北向流速明顯大于東南向流速。非臺(tái)風(fēng)天氣流速極值小于1 m/s，超過(guò)75%的觀測(cè)時(shí)間流速小于0.5 m/s；臺(tái)風(fēng)期間表層流速極值大于2 m/s。月均波浪數(shù)據(jù)獲取率為89.42%，有效數(shù)據(jù)率為84.97%。非臺(tái)風(fēng)期間波高極值小于1.2 m，有效波高極值小于0.8 m；臺(tái)風(fēng)期間極值波高大于2.5 m，有效波高極值大于1.6 m。

圖18 SZ01 站位2021 年5 月波浪數(shù)據(jù)

圖19 SZ05 站位2021 年4 月波浪數(shù)據(jù)

5.4 數(shù)據(jù)應(yīng)用效果

珠江口海域春季冷空氣活動(dòng)頻繁，強(qiáng)對(duì)流、突風(fēng)、大霧天氣頻發(fā)；夏季臺(tái)風(fēng)、熱帶氣壓活躍；秋冬季長(zhǎng)期海況惡劣。復(fù)雜多變的水文條件對(duì)于施工海域作業(yè)挑戰(zhàn)極大。4 套在線浪流監(jiān)測(cè)浮標(biāo)自2019 年完成部署后，為深中通道每節(jié)沉管浮運(yùn)安裝前后的海流和波浪觀測(cè)和預(yù)報(bào)提供了大量寶貴的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，為項(xiàng)目施工籌劃和部署提供了重要的基礎(chǔ)條件，迄今項(xiàng)目已完成安裝管節(jié)長(zhǎng)度累計(jì)超過(guò)3 877.8 m，突破沉管段總長(zhǎng)度的四分之三。

6 結(jié)論與建議

深中通道沉管在復(fù)雜航路長(zhǎng)時(shí)間浮運(yùn)，基槽長(zhǎng)距離橫拖，還要面臨臺(tái)風(fēng)季、汛期等不可預(yù)測(cè)惡劣天氣帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，在線浪流監(jiān)測(cè)浮標(biāo)研制并部署后，為沉管浮運(yùn)、安裝等施工作業(yè)提供了高質(zhì)量的實(shí)時(shí)浪流監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，解決了在復(fù)雜的水文環(huán)境中如何科學(xué)評(píng)估、選取作業(yè)窗口的難題，保障了項(xiàng)目高效開(kāi)展。

在浮標(biāo)運(yùn)行和維護(hù)過(guò)程中，也出現(xiàn)了部分問(wèn)題。一是4 個(gè)站位中有3 個(gè)站位毗鄰航道，1 個(gè)站位毗鄰錨地，浮標(biāo)存在較大的安全隱患，仍存在浮標(biāo)被碰撞的情況，對(duì)于浮標(biāo)安防措施的完善和改進(jìn)，是下一步需要加強(qiáng)的方向。二是浮標(biāo)站位位于珠江口附近咸淡水交替海域，海流傳感器生物附著情況較為嚴(yán)重，尤其是夏季，對(duì)于觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量可能存在一定的影響，需要較高的維護(hù)頻次以保證及時(shí)清理生物附著，同時(shí)如何科學(xué)、有效地防止生物附著，也是下一步需要研究的方向。

隨著海洋技術(shù)的重視和發(fā)展，未來(lái)浮標(biāo)觀測(cè)將會(huì)在海洋監(jiān)測(cè)網(wǎng)中突顯出更大的作用，將會(huì)向著實(shí)時(shí)化、專題化的方向發(fā)展，以滿足海洋科學(xué)研究、海洋工程設(shè)計(jì)與規(guī)劃管理、海洋環(huán)境預(yù)報(bào)與評(píng)估等工作的需求[1]，這也是本文的參考意義所在。