張亞東

摘? 要：自容式海底原位觀測系統(tǒng)是一種采用集成化設(shè)計，將海洋儀器機(jī)電設(shè)備、浮力設(shè)備、嵌入式控制系統(tǒng)、單片機(jī)系統(tǒng)和自容電源等集成在一起集機(jī)電技術(shù)及各種傳感器設(shè)備為一體，可對海底邊界層的生物、水文和地質(zhì)變化進(jìn)行監(jiān)測的系統(tǒng)[1]，包括海床基觀測平臺、深海潛標(biāo)等。本文針對自容式海底原位觀測系統(tǒng)的全球?qū)＠麛?shù)據(jù)和中國專利數(shù)據(jù)，進(jìn)行定量分析，并結(jié)合原位觀測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、需要實現(xiàn)的功能將其進(jìn)行專利技術(shù)分解。

關(guān)鍵詞：海底原位觀測系統(tǒng);供能;專利分析

引言

自容式海底原位觀測系統(tǒng)基于海洋觀測組網(wǎng)接駁設(shè)備進(jìn)行設(shè)計，其無纜連接，能夠獨立工作，搭載各傳感器，能夠長期、連續(xù)、原位的進(jìn)行海洋觀測[2]。由于長期布放于海底，其結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其面臨著供電、通訊等方面的問題，同時針對采集的數(shù)據(jù)，需要定時收集，海床基本體需要進(jìn)行回收，因此對布放回收技術(shù)也是研究的熱門;整個系統(tǒng)如何保持低功耗、自動運行的高可靠性以及穩(wěn)定性，是自容式海底原位觀測系統(tǒng)目前發(fā)展所遇到的瓶頸。

1、自容式海底原位觀測系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)

自容式海底原位觀測系統(tǒng)通過配重塊錨定在預(yù)定海域的海底，攜帶多種海洋環(huán)境測量傳感器，組成深海環(huán)境監(jiān)測潛標(biāo)，長期連續(xù)的對海面以下幾十米到幾千米的垂直剖面的海洋環(huán)境參數(shù)，如海水溫度、鹽度、海流以及內(nèi)波等信息進(jìn)行監(jiān)測。將采集數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息通過自容存儲方式存儲于觀測系統(tǒng)中。觀測系統(tǒng)通過減小吸附磁力使拋棄式數(shù)據(jù)回傳裝置在其浮力的作用下釋放和上浮，深度傳感器實時采集拋棄式數(shù)據(jù)回傳裝置的所處深度，低功耗處理器根據(jù)深度傳感器采集的深度數(shù)據(jù)判斷拋棄式數(shù)據(jù)回傳裝置是否到達(dá)海面;如果數(shù)據(jù)回傳裝置到達(dá)海面，則將存儲的狀態(tài)數(shù)據(jù)和故障信息通過紅外通信模塊發(fā)送至數(shù)據(jù)回傳裝置，數(shù)據(jù)回傳裝置的電源變換與開關(guān)控制模塊將深度傳感器和存儲器供電打開，把深海潛標(biāo)的自身狀態(tài)數(shù)據(jù)或故障信息存儲記錄于存儲器中，電源變換與開關(guān)控制模塊為北斗天線供電，再通過北斗天線將深海潛標(biāo)的自身狀態(tài)數(shù)據(jù)和故障信息經(jīng)北斗衛(wèi)星發(fā)送至基岸上，岸上做出數(shù)據(jù)接收響應(yīng)，完成數(shù)據(jù)回傳。

2、自容式海底原位觀測系統(tǒng)的技術(shù)分解

自容式海底原位觀測系統(tǒng)長期布設(shè)、錨固于海床，對于系統(tǒng)本身而言，面對布放時不能保證監(jiān)測設(shè)備處于水平狀態(tài)而影響監(jiān)測結(jié)果，以及因海床泥沙淤積不能及時回收的問題;同時為了便于長期采集數(shù)據(jù)并存儲數(shù)據(jù)，系統(tǒng)需要可靠的能源供給;為了獲取原位觀測系統(tǒng)在深海水下存儲的數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息，需要定期進(jìn)行數(shù)據(jù)回收;由于原位觀測系統(tǒng)位于遠(yuǎn)離岸邊的海底，且工作環(huán)境不利于人員的接近，因此其面臨故障檢測、故障處理的問題[3]。因此從所面臨的技術(shù)問題的角度將自容式海底原位觀測系統(tǒng)的分為供能方式、數(shù)據(jù)傳輸方式、數(shù)據(jù)自處理技術(shù)、布放回收技術(shù)和機(jī)械結(jié)構(gòu)等五個技術(shù)分支。

3、專利申請趨勢分析

3.1全球申請趨勢分析

1984年首次出現(xiàn)1項專利申請，其申請人為來自日本的三菱重工業(yè)株式會社“MITSUBISHI HEAVY IND LTD”，其關(guān)注點在于通過相對于支撐浮子垂直地升高和降低水下觀察室，從而便于長時間觀察水下場景;1992年出現(xiàn)兩項專利申請，分別來自日本的石川島播磨重工業(yè)株式會社“ISHIKAWAJIMA HARIMA HEAVY IND”和古野電氣株式會社“FURUNO ELECTRIC CO”，其關(guān)注點都在于通過浮標(biāo)將觀測數(shù)據(jù)無線傳輸至岸基站。但其后部分年份并未出現(xiàn)申請，申請量在其整個發(fā)展過程中呈現(xiàn)出明顯的起伏趨勢。

自容式海底原位觀測系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下三個主要發(fā)展階段：

第一階段（1984-2010年）為萌芽期。該階段屬于自容式海底原位觀測系統(tǒng)技術(shù)的引入階段，其年申請量均處于4件以下，且各年申請量呈現(xiàn)波動狀態(tài)，發(fā)展速度持續(xù)維持在較低水平，未形成規(guī)模效應(yīng)。

第二階段（2011-2016年）為平穩(wěn)發(fā)展期。自容式海底原位觀測系統(tǒng)技術(shù)得以被具有前瞻性的研究機(jī)構(gòu)與企業(yè)所逐步重視，其專利申請量也隨之呈現(xiàn)整體上升的趨勢，基本進(jìn)入一個平穩(wěn)發(fā)展的階段，尤其到2015年申請數(shù)量超過15件。在該段時間內(nèi)國內(nèi)申請量的快速增長，離不開上海海洋大學(xué)、中國海洋大學(xué)、國家海洋局第一海洋研究所等申請人所進(jìn)行的努力，其中中國海洋大學(xué)和上海海洋大學(xué)從2011年開始在自容式海底原位觀測系統(tǒng)的供電技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行了多項專利的申請。

第三階段（2017年至今）為高速發(fā)展期。自容式海底原位觀測系統(tǒng)越來越受到業(yè)界關(guān)注，2017年，在該領(lǐng)域中，中國申請人開始關(guān)注，使得全球申請量年均呈現(xiàn)高速增漲的狀態(tài)。

3.2中國申請趨勢分析

中國國內(nèi)到2003年才首次出現(xiàn)專利申請，國家海洋技術(shù)中心申請的捆綁式電解釋放機(jī)構(gòu)，其主要涉及海床基自動監(jiān)測系統(tǒng)自動上浮的釋放機(jī)構(gòu)，防止了海洋生物對釋放功能的任何影響，降低了儀器艙的動密封要求，提高了水下測量系統(tǒng)的工作可靠性。2004年個人申請人張雪明提出了一種海床基自適應(yīng)海流發(fā)電裝置，涉及一種利用錐形底座自己調(diào)整位置在海底利用海流發(fā)電的發(fā)電機(jī)，用于給海床基儀器系統(tǒng)供電。接著在2015年，中國海洋大學(xué)進(jìn)行了深海水下長期錨系自動觀測裝置的專利布局，其關(guān)注點在深海智能海量數(shù)據(jù)采集裝置，包括海底定點觀測平臺及固定在其中心部位處的數(shù)據(jù)采集高壓艙，采用安全可靠的海量數(shù)據(jù)存儲技術(shù)，并能滿足各種傳感器長期海量數(shù)據(jù)的存儲要求。

與全球申請趨勢類似的是，中國申請總體呈增漲趨勢，并且在2011年后進(jìn)入快速增漲階段，在此之后每年均有穩(wěn)定的申請量。

3.3各技術(shù)主題申請狀況

在自容式海底原位觀測系統(tǒng)的全球?qū)＠暾堉校P(guān)于布放回收技術(shù)的占比最多，占比38%，在觀測系統(tǒng)的布放過程中需要保證下落時的姿態(tài)從而保證觀測設(shè)備數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確，還需要及時回收并傳輸觀測數(shù)據(jù);其次為涉及機(jī)械結(jié)構(gòu)的申請量占比為25%，供能方式相關(guān)的專利申請量占比21%，數(shù)據(jù)處理技術(shù)和數(shù)據(jù)傳輸方式分別占比8%。

4、總結(jié)

通過分析可知，自容式海底原位觀測系統(tǒng)最早起源于國外，國內(nèi)到2003年才首次出現(xiàn)該領(lǐng)域的專利申請，之后，隨后國內(nèi)相關(guān)申請人開始對該領(lǐng)域的進(jìn)行大量的專利布局，專利申請量每年保持平穩(wěn)增長的態(tài)勢，并在全球?qū)＠暾埲酥姓紦?jù)主體地位。國內(nèi)專利在各個分支都有涉及，但在海外的專利布局還十分欠缺。目前國內(nèi)外涉及數(shù)據(jù)處理技術(shù)的專利申請少之又少，相關(guān)申請人可以在數(shù)據(jù)處理技術(shù)的各個分支領(lǐng)域中進(jìn)行合理的研發(fā)方向選擇，并針對性進(jìn)行專利布局，搶占市場先機(jī)。

參考文獻(xiàn)

[1]鄭苗壯，劉巖，李明杰，丘君.我國海洋資源開發(fā)利用現(xiàn)狀及趨勢[J].海洋開發(fā)與管理，2013，30（12）：13-16.

[2]郭子豪.海底聲學(xué)原位觀測裝置測量系統(tǒng)的研究[D]. 廣東工業(yè)大學(xué)，2020.

[3]孫洪. 海洋高技術(shù)成果匯編 2001-2005[M]. 北京：海軍出版社，2007.