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(jì),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(tái)、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(shí)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(jì),其無纜連接,能夠獨(dú)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(shí)針對采集的數(shù)據(jù),需要定時(shí)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(gè)系統(tǒng)如何保持低功耗、自動(dòng)運(yùn)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(chǔ)方式存儲(chǔ)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(shí)時(shí)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)記錄于存儲(chǔ)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(shí)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(shí)回收的問題;同時(shí)為了便于長期采集數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)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(chǔ)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(gè)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(xiàng)專利申請,其申請人為來自日本的三菱重工業(yè)株式會(huì)社“MITSUBISHI HEAVY IND LTD”,其關(guān)注點(diǎn)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(shí)間觀察水下場景;1992年出現(xiàn)兩項(xiàng)專利申請,分別來自日本的石川島播磨重工業(yè)株式會(huì)社“ISHIKAWAJIMA HARIMA HEAVY IND”和古野電氣株式會(huì)社“FURUNO ELECTRIC CO”,其關(guān)注點(diǎn)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(gè)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(gè)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(dòng)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(gè)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(shí)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(xiàng)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(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)自動(dòng)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(dòng)密封要求,提高了水下測量系統(tǒng)的工作可靠性。2004年個(gè)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(dòng)觀測裝置的專利布局,其關(guān)注點(diǎn)在深海智能海量數(shù)據(jù)采集裝置,包括海底定點(diǎn)觀測平臺(tái)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(chǔ)技術(shù),并能滿足各種傳感器長期海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)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?,關(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(shí)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(shí)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(gè)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(gè)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)
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