曹澤祥，徐軼群,2

（1.集美大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，福建 廈門(mén) 361021；2.福建省船舶與海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門(mén) 361021）

0 引 言

海洋數(shù)據(jù)包羅萬(wàn)千，其背后隱藏了極為豐富的有效信息，但由于對(duì)海量海洋數(shù)據(jù)的采集和分析手段較少，人們很難準(zhǔn)確地獲取隱藏信息和規(guī)律。當(dāng)下迫切需求一種低成本、高精度、覆蓋領(lǐng)域廣的組網(wǎng)和監(jiān)測(cè)方法來(lái)采集并分析海量海洋數(shù)據(jù)。近年來(lái)，隨著我國(guó)構(gòu)建海洋命運(yùn)共同體等海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的實(shí)施，海洋監(jiān)測(cè)技術(shù)在海洋領(lǐng)域逐漸得到廣泛的應(yīng)用。

吳迪等人利用新型半潛式無(wú)人艇進(jìn)行海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)，通信方式采用全球定位系統(tǒng)以及北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的組合系統(tǒng)，利用電子羅盤(pán)提供高精度位置和艏向信息。李涼海等人采用SAR衛(wèi)星的組網(wǎng)觀測(cè)使海上動(dòng)態(tài)目標(biāo)遙感跟蹤監(jiān)測(cè)成為可能，實(shí)現(xiàn)了船只從傳統(tǒng)的單星檢測(cè)到跟蹤的跨越。耿銘晨等人采用將ZigBee通信與GPRS相結(jié)合的技術(shù)方法，構(gòu)建了基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。高詩(shī)堯等人基于BDS開(kāi)發(fā)應(yīng)用于海域環(huán)境監(jiān)測(cè)浮標(biāo)的定位通信裝置。楊軍平等人利用基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)海洋環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)。陳洪濱等人借助一種基于太陽(yáng)能無(wú)人艇構(gòu)建的新型高智能化海上氣象水文觀測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行天氣和海洋環(huán)境預(yù)報(bào)。陳慧蓉等人采用基于GIS的船載海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)。張娜等人采用ZigBee技術(shù)搭建水質(zhì)監(jiān)測(cè)服務(wù)平臺(tái)，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)ZigBee傳輸?shù)街鳈C(jī)，使用手機(jī)APP或Web遠(yuǎn)程監(jiān)控每臺(tái)設(shè)備的數(shù)據(jù)。

為了有效實(shí)現(xiàn)海域水動(dòng)力數(shù)據(jù)可視化及小尺度海域環(huán)境監(jiān)測(cè)，本文應(yīng)用窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在一定海域內(nèi)構(gòu)建基于LoRa通信方式的水面無(wú)線自組網(wǎng)絡(luò)。為了驗(yàn)證本文方法的有效性，以九龍江口海域?yàn)檠芯繀^(qū)域，建立水動(dòng)力學(xué)仿真模型；并在九龍江海域投放大量可隨潮流運(yùn)動(dòng)的帶北斗定位功能的微型浮標(biāo)，對(duì)海域水面水動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行采集，最后對(duì)仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析模擬。

1 水面自組網(wǎng)架構(gòu)簡(jiǎn)述分析

系統(tǒng)基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立水面快速自組網(wǎng)，該網(wǎng)絡(luò)是在Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上利用自組網(wǎng)特性結(jié)合水面的復(fù)雜環(huán)境、多樣的數(shù)據(jù)構(gòu)成。構(gòu)成自組網(wǎng)的硬件采用多種適應(yīng)水面數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)發(fā)、傳輸?shù)脑O(shè)備。水面快速自組網(wǎng)無(wú)線通信采用低頻段系列，以420～450 MHz為標(biāo)準(zhǔn)參考頻段。可通過(guò)調(diào)節(jié)擴(kuò)頻因子、錯(cuò)頻因子等來(lái)調(diào)節(jié)通道。本文采用的是433 MHz頻段。

如圖1所示，水面快速自組網(wǎng)包括低頻自組局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)。其中低頻自組局域網(wǎng)是由岸基基站、船載基站、微型浮標(biāo)、無(wú)人機(jī)便攜式基站構(gòu)成，通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃惴ê鸵?guī)則實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效采集和傳輸。廣域網(wǎng)由衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)、GPRS、有線網(wǎng)絡(luò)組成，與低頻自組局域網(wǎng)形成綜合性組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在相應(yīng)海域環(huán)境下無(wú)死角覆蓋地實(shí)時(shí)傳輸。

圖1 組網(wǎng)模擬圖

系統(tǒng)整體架構(gòu)可分為傳感層、通信層、應(yīng)用層三個(gè)層面，如圖2所示。

圖2 水面自組網(wǎng)架構(gòu)

傳感層：由微型浮標(biāo)、船基基站、岸基基站、無(wú)人機(jī)便攜式基站組成。微型浮標(biāo)可攜帶不同傳感器，包括溫度、PH值、鹽度、溶氧量等傳感器，可以采集海洋數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)酱?、岸基基站以及無(wú)人機(jī)便攜式基站。

通信層：主體由LoRa自組網(wǎng)構(gòu)成，通過(guò)基站、采集網(wǎng)關(guān)等數(shù)據(jù)采集裝置采集傳感層的傳感數(shù)據(jù)，并通過(guò)最優(yōu)路徑上傳數(shù)據(jù)。由LoRa自組網(wǎng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)最終通過(guò)公共網(wǎng)（衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)、以太網(wǎng)絡(luò)、GPRS網(wǎng)絡(luò)等）將數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器。通過(guò)水面自組網(wǎng)絡(luò)相關(guān)設(shè)備達(dá)到數(shù)據(jù)在海洋、陸地、天空無(wú)縫鏈接，并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、快速、高效的LoRa自組網(wǎng)以及衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的綜合性組網(wǎng)。

應(yīng)用層：本文使用的自組網(wǎng)系統(tǒng)可以應(yīng)用到海洋漂浮垃圾監(jiān)測(cè)、溢油監(jiān)測(cè)等方面。

2 水動(dòng)力學(xué)模擬仿真及試驗(yàn)

為了使海洋數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)更科學(xué)，首先對(duì)廈門(mén)島海域進(jìn)行海洋水動(dòng)力仿真建模，在仿真模型的基礎(chǔ)上開(kāi)展海洋數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)。

2.1 海洋水動(dòng)力學(xué)仿真建模

本文基于區(qū)域海洋動(dòng)力模式ROMS（Regional Ocean Modeling System）對(duì)測(cè)試海域進(jìn)行模擬仿真。

ROMS模式可以與大氣模式等進(jìn)行耦合計(jì)算，也可以單獨(dú)進(jìn)行海洋模式計(jì)算。它是一個(gè)自由海面、三維以及在地形的基礎(chǔ)上跟隨坐標(biāo)的非線性斜壓原始方程模式，在水平方向使用曲線的Arakawa C網(wǎng)格，垂直方位采用跟隨地形、可伸縮的S坐標(biāo)系統(tǒng)，它的獨(dú)特之處在于能夠根據(jù)研究的需求采用不同的坐標(biāo)來(lái)轉(zhuǎn)換函數(shù)以及拉伸函數(shù)最終實(shí)現(xiàn)垂向加密。

ROMS能夠提供多種原始方程中各項(xiàng)的離散方案、多種水平擴(kuò)散和垂向混合方案以及邊界處理方案，這得益于其基于模塊化設(shè)計(jì)，它能夠與多種模塊耦合，例如大氣、生態(tài)、海浪以及沉積物運(yùn)輸?shù)?，這使它能夠滿足不同研究的需要。ROMS模式的構(gòu)造原理如下。

笛卡爾坐標(biāo)系下的原始方程為：

平流擴(kuò)散方程控制標(biāo)準(zhǔn)濃度場(chǎng)(,,,)（鹽度、溫度等）隨時(shí)間變化的方程為：

狀態(tài)方程為：

在浮力垂直動(dòng)量方程中考慮到密度變化，在靜水近似中假設(shè)垂直壓力梯度平衡浮力為：

其中：=(,,)代表流速向量；代表水的局部密度；代表海水溫度；代表海水鹽度；代表海水壓力；ρ代表海水的參考密度；代表科氏參數(shù)；代表重力加速度；代表動(dòng)力壓力；(D,D,D)代表對(duì)應(yīng)變量的耗散項(xiàng)；(F,F,F)代表施加的強(qiáng)迫項(xiàng)。

不可壓縮流體的連續(xù)方程為：

則垂直邊界條件的頂部邊界條件為：

熱力學(xué)邊界條件為：

其中：K、K分別代表溫度和鹽度的擴(kuò)散系數(shù)；Q代表海表面熱通量；-代表淡水通量；代表海面參考溫度；Q代表海面溫度的函數(shù)。

海表面垂向運(yùn)動(dòng)的邊界條件為：

垂直邊界條件的底部邊界條件如下。

動(dòng)力學(xué)邊界條件為：

熱力學(xué)邊界條件為：

海底垂向運(yùn)動(dòng)的邊界條件為：

ROMS模型存在多種邊界條件，包括開(kāi)邊界條件、閉合邊界條件、定期邊界條件等。設(shè)置邊界條件需要提供邊界條件點(diǎn)的值，既可使用解析表達(dá)式計(jì)算，又可直解。

本文中模型區(qū)域包括117.90～118.20°E、24.35～24.65°N。模型的水平網(wǎng)格分辨率為200 m，垂向分為10層。

模型的開(kāi)邊界驅(qū)動(dòng)方式以8個(gè)主要分潮（M2，S2，N2，K2，K1，O1，P1，Q1）的潮流進(jìn)行，其中各分潮的調(diào)和數(shù)據(jù)采用Oregon大學(xué)OTPS模式下的潮汐調(diào)和常數(shù)。

由于廈門(mén)灣的水深較淺，水體性質(zhì)呈現(xiàn)垂向均勻，因此采用ROMS中的二維模塊進(jìn)行模擬，將問(wèn)題簡(jiǎn)化為二維的淺水模式，其控制方程組如下。

（1）垂向平均的動(dòng)量方程組為：

（2）垂向平均的連續(xù)性方程為：

其中：、為和方向的垂向平均流速分量；=+，為水位，為平均水深，為總水深；為科氏參數(shù)；A為水平方位的渦動(dòng)粘滯系數(shù)；τ=-||為底部摩擦應(yīng)力，為摩擦系數(shù)。

2.2 九龍江口泥沙沉積追蹤測(cè)試

在廈門(mén)灣九龍江口有大量漂浮垃圾流向鼓浪嶼海域，這也反映出了九龍江口泥沙的流向。為了繼續(xù)追蹤九龍江口泥沙流動(dòng)軌跡，選擇在臨近鼓浪嶼的海滄大橋下投放微型浮標(biāo)。配置2個(gè)岸基基站，分別放置于廈門(mén)象嶼五金機(jī)電物流中心附近，坐標(biāo)為（118.10°E，24.54°N）；廈門(mén)杏?xùn)|公園附近，坐標(biāo)為（118.05°E，24.56°N）。微型浮標(biāo)的投放位置位于廈門(mén)海滄大橋附近，如圖3所示。

圖3 九龍江口泥沙沉積追蹤測(cè)試

2.3 分析

在仿真模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行海洋數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，在海滄大橋附近投放微型浮標(biāo)后，漲潮過(guò)程中微型浮標(biāo)隨海流漂浮，途經(jīng)紅嶼和寶珠島，至杏林高浦村海域后大部分浮標(biāo)速度趨于0 m/s并停滯于此，小部分浮標(biāo)伴隨退潮折返，說(shuō)明此處水流速度變慢，泥沙隨即沉積。根據(jù)衛(wèi)星圖像顯示，發(fā)現(xiàn)在杏林高浦村附近海域?yàn)╊^較高，有大量泥沙沉積，這說(shuō)明來(lái)自九龍江口的海水?dāng)y帶大量泥沙隨著潮流運(yùn)動(dòng)，沉積于杏林高浦村附近海域，這與測(cè)試結(jié)果所反映的情況比較吻合。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文應(yīng)用窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，選用433 MHz頻段，構(gòu)建一定海域的無(wú)線水面快速自組網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)是在Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上利用自組網(wǎng)特性結(jié)合水面的復(fù)雜環(huán)境、多樣的數(shù)據(jù)構(gòu)成，硬件采用多種適應(yīng)水面數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)發(fā)、傳輸?shù)脑O(shè)備，以此實(shí)現(xiàn)海洋環(huán)境的智能監(jiān)測(cè)。通過(guò)在九龍江口海域投放微型浮標(biāo)，大量采集海洋數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)可視化，與模擬仿真相結(jié)合，可以得到該海域精細(xì)化水動(dòng)力學(xué)模型。試驗(yàn)結(jié)果表明，利用無(wú)線水面自組網(wǎng)采集海域水動(dòng)力學(xué)參數(shù)的方法是有效的，該方法組網(wǎng)速度快、可靠性強(qiáng)、覆蓋范圍廣，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)在一定尺度的海洋環(huán)境下無(wú)死角最優(yōu)路徑傳輸，最終實(shí)現(xiàn)海洋數(shù)據(jù)經(jīng)濟(jì)有效地實(shí)時(shí)共享，對(duì)于海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)和海洋資源的開(kāi)發(fā)利用具有應(yīng)用價(jià)值。