平台基海洋环境立体监测系统的研制及应用

谢波涛，雷方辉，王俊勤

(中海油研究总院，北京 100080)

平台基海洋环境立体监测系统的研制及应用

谢波涛，雷方辉，王俊勤

(中海油研究总院，北京 100080)

介绍了一种基于海洋石油平台的海洋动力环境立体监测系统的系统组成和工作原理。该平台基监测系统由气象监测系统、浮标监测系统、有缆潜标监测系统、测波雷达、通信和岸站系统五部分组成，开展风、浪、流、内波等环境参数的长期、定点监测，并通过平台网络系统实时传输测量数据。经过海上长期试验表明该系统能够稳定可靠地在平台上运行，可为中国油气资源开发走向深海提供可靠的技术支撑和安全保障。

平台基；观测系统；测波雷达；气象站；有缆潜标

近些年来，海洋油气业已发展成为我国海洋经济的主导产业。随着海洋油气业的发展，油气勘探和开发、石油平台设计、海底输油管道敷设、平台拖航定位等海洋石油工程的建设，迫切需要提供作业海区的海洋环境实时数据和专项预报[1]。

目前，我国海洋环境监测已进入了立体监测时代[2]：浮标、潜标等组成的海基监测系统；以遥感卫星组成的天基监测系统；以水下固定监测站-水下水声探测阵列等组成的海床基监测系统[2]等，已初步构成了我国海洋环境立体监测系统。但由于技术原因，各种海洋观测也存在一定缺陷。如：浮标、潜标只能观测到有限的点、面或层次的海洋环境要素，时空覆盖范围不够，不能满足大区域、长期的观测需求[3]；船基海洋观测虽然可以获得大面站观测数据，但所获得的数据都是瞬时、单点、局部，而且数据量非常有限[4]；海洋遥感技术虽具有宏观大尺度、快速、同步和高频度动态观测等优点，但受制于云量、扫描轨道和频率等因素，且只能观测到海面的一些环境要素，对于海洋次表层以下的环境动力特征则鞭长莫及。

为了深入了解南海海洋动力环境，掌握该海域风、浪、流、内波等环境参数的规律和特征，特别是热带气旋、冬季季风、内波等对海洋资源开发有着直接影响的灾害性海洋环境现象，为南海深水海洋石油开发提供基础数据，本研究工作在“十一五”“863”计划项目的支持下，充分发挥中国海洋石油公司特有资源优势，有效利用南海海域已有的油田开发生产设施，依托已有石油平台，开发、建成了一套基于海洋平台的海洋动力环境监测应用示范系统，同步开展风、浪、流、内波等环境参数的长期、定点监测，完成了基于平台的海洋动力环境监测系统关键技术的研究，并获取长时间序列的海洋动力环境观测资料。

1 平台基观测系统总体设计

基于海洋石油平台的海洋动力环境监测系统以风速、风向、气压、气温、湿度、波高、波向、波周期、波浪谱、流速、流向剖面、内波振幅、周期、内波流等主要海洋动力环境要素为监测重点，以获取上述环境要素的长时间序列数据为监测目标。该监测系统是由平台气象监测系统、浮标监测系统、有缆潜标监测系统、测波雷达、通信和岸站系统5个子系统组成，如图1所示。

气象监测子系统由风、压、温、湿传感器和可编程全自动采集器组成，主要测量风速、风向、气压、气温、湿度等气象要素；浮标监测系统由两套测波浮标组成，用来测量海面波高、波向、波周期、波浪谱等波浪特征；有缆潜标监测系统由声学多普勒海流计、温盐测量仪器；测波雷达是由基于雷达遥测技术的C波段测波雷达组成；通信和岸站系统由通信主机、岸站管理系统等部分组成。

表1 平台基观测系统性能指标

2 各观测系统组合

2.1 平台气象站监测系统

平台气象监测系统有2层风矢量传感器，分别安装在井架（高约105 m—海平面）和吊车（高约75 m—同上）顶部两个位置（见图2），进行梯度风观测，可以用来进行台风场、冬季季风场的阵风分析，结合平台附近气象水文浮标上的风速数据，进行大气边界层的风速垂直分布特征研究，提出中国南海的台风、冬季季风阵风因子，得到台风、冬季季风大气边界层特征。另有气温、气压传感器及采集控制主机组成，可在无人值守的情况下实时测量风速、风向、气温、气压等气象要素。

为了更好地得到风要素测量结果，除了在平台上安装气象站外，平台基监测点还将在平台附近的浮标上安装风测量系统，并实时将测量结果通过短波通信方式传送到平台基岸站。通过不同安装高度的风传感器测量结果，分析布放海域的梯度风分布情况。

图3为2011年第17号台风“纳沙”实测风速曲线，由图中曲线可知，平台气象系统测得台风瞬时风速达到了47 m/s。

2.2 浮标监测系统

考虑到波浪参数对海洋工程的重要性，本站点设置两套浮标。一套为美国生产的INTEROCEAN生产的多参数测波浮标，该浮标是一个完整的海洋水文气象监测系统，它集波浪、表面流、气象、水温等测量系统为一身，可以实时监测波高、波向、波周期、表面流速流向、水温、风速风向、气温、气压等参数，是一种理想的可以在深水强流环境下工作的测量浮标。浮标配备GPS全球定位系统、信标灯、通信设备。系统由电池供电、白天通过太阳能板充电。

为提高雷达测波技术水平，本研究在距离平台2 km、面向测波雷达的水域布放一套荷兰生产的波浪骑士测波浮标，其测量结果在自容式储存的同时，通过短波通信实时传输到平台基岸站上进行储存。利用该测量结果可以对测波雷达的测量结果进行比测，开展比测研究，提高测波雷达的测量精度。

由于有海洋石油平台作为依托，平台上有稳定的电源供给，可使用短波通讯实时传输数据，保证数据传输、存储的可靠性。高精度的测波资料可以满足海浪谱、方向谱的研究和相应海浪要素分析、计算。

表2 波浪观测系统性能指标

2.3 测波雷达监测系统

基于加速度测量的浮标测波技术，是现今应用最为广泛的波浪测量技术，其测量结果的可靠性在过去几十年的应用中得到了很好的验证。虽然测得的波浪参数准确性较高，但由于波浪浮标的安全性较差，容易丢失，利用浮标技术获取长时间序列的波浪参数非常困难。考虑到波浪参数对海洋工程的重要性，为此本研究在同一个站位设置波浪浮标和测波雷达两套不同的测波系统，可提高波浪观测数据完整性，满足工程设计需要。

雷达测波是近几年刚刚兴起的波浪遥测技术，由于设备安装在平台上，不接触海水，安全性好，可以很好地满足海洋工程对波浪测量长期性、连续性和稳定性的要求。

本研究采用挪威MIROS生产的C波段测波雷达系统是一种基于微波遥感的波浪和表面流测量系统，该系统利用Bragger散射和多普勒原理进行波浪方向谱及表面流的测量（双足迹脉冲多普勒方法测量波浪，微波双频方法测量表面流），在世界各海域、特别是北海和墨西哥湾石油平台上均有大量应用。可以同时测量波高、波向、波周期、波浪方向谱、表面流等海洋动力参数；由于系统工作在C波段，具有很强的抗雨衰能力。

图5为现场的安装照片：测波雷达安装位置拟选定在上甲板1号、2号救生艇甲板护栏外侧。高度41 m（海平面），面向东南符合测波雷达安装要求（8～100 m）。

图6为C波段测波雷达与波浪骑士测得的同步有效波高数据。由图中结果可知，测波雷达数据起伏、趋势、大小均与波浪骑士数据保持一致，数据质量与高性能波浪浮标相当，表明C波段雷达在波高测量方面具有较高的准确性、可靠性。

经应用，该测波雷达具有以下几项优点：

（1）该雷达是世界上唯一使用双轨迹多普勒法测量海浪和利用微波双频率法测量海流的传感器，测量结果较为精确；

（2）该测波雷达使用的为C波雷达，由于为长期海上观测，环境较为恶劣，C波测波雷达在衰减率上要高于其他波段。而且其中安装有冷却风扇，以及加热器，能够保证在采油平台上稳定的运行。

（3）该雷达的软件易于操作，能够在短时间内掌握，并且能够根据实际需求进行设置，得到自己需要的海洋相关数据，并与其他系统有着良好的兼容性。

2.4 有缆潜标监测系统

平台基有缆潜标观测系统由声学多普勒海流剖面仪、温盐测量仪器、锚系、有缆潜标安全投放固定装置组成。由平台提供结构支撑，用电缆为潜标提供电力和数据传输，进行流剖面和温盐剖面观测，达到进行海底边界层研究并提取内波信息的目的。

温盐剖面测量将集中布放在水下20～200 m水深范围内。温盐链由3台SBE37SM温盐测量仪器和23台SBE38海水温度测量组成，组成量程为180 m的温盐剖面测量系统。为提高测量精度，应尽量在跃层附近加密采样，因此水下70～130 m相隔5 m一个温度探头，其余布放空间每10 m一个。温盐探头将分别放在测量剖面范围的两端和中心位置，即水下20 m、100 m、200 m处各布放一台。在20 m、100 m和193 m处各配备一台多普勒海流计，在空间和时间坐标上同步测量温盐流参数，以研究该海域的内波。

有缆潜标采用电缆供电，即时串行通信传输的方式与平台上的供电采集系统及采集系统连接，为了减少电缆数量，方便布放，确保系统安全性，设备采用共用电源电缆供电，可寻址RS485电缆进行数据传输的方式。

本研究还开展了基于平台的测流温盐有缆潜标设计和仪器集成技术、安全布放与回收技术（图7）、标体和锚系长期工作可靠性技术、极端海况有缆潜标抗风浪能力分析与计算、有缆潜标安全布放辅助设施等方面技术的研究，为有缆潜标观测系统的稳定运行奠定了基础。

图8为20 m水深处有缆潜标实测温度、盐度、流速数据。由图中可知，平台所处海域有内孤立波影响；其持续时间约10～15 min，流速达到916 mm/s。

2.5 通信和岸站系统

为了保证监测数据的实时传输，本研究开发了基于平台的水文气象实时监测系统和基于notes邮件系统的实时数据传输系统，整个系统结构框图见图9。

平台气象站、浮标数据接收机和有缆潜标通过串行通讯与系统控制主机相连。该主机具有控制、数据储存和通讯控制3大功能，与测波雷达主机组成以太局域网，接受并储存测波雷达的测量结果；与气象站、有缆潜标以及浮标岸站接收机之间采用串口方式连接，实现对上述系统的控制、数据交换和储存。由于有缆潜标由28台设备组成，为减少电缆数量，采用可寻址RS485通信方式，经RS485/RS232转换器转换成RS232格式后与主机连接。系统主机并入平台网络系统；采集回的数据，根据各传感器的数据格式系统自动作解析，同时以关系型数据库作二维表方式存储，并定时将数据通过卫星通信设备传送到位于北京的岸站系统进行保存和分析，以确保数据的安全。该系统提供简捷，明确的图表分析工具，可对现场采集的数据作实时监控，分析。

3 系统难点及技术创新

平台基海洋环境动力监测系统由于应用于特殊的工作环境，海洋环境恶劣且监测要素众多，其面临的主要问题如下：

（1）传感器种类多、数据量大；

（2）采集方式多样化，各种设备的数据传递采集方式各异；

（3）数据格式多样化；

（4）数据采集系统的维护不确定性。

因此，为克服上述困难，进行了如下几项技术创新：

（1）基于SQL Serve的大容量数据存储技术，保证了监测系统所得数据存储的快捷、安全与高效性。

（2）建立中海油内网远程查询技术，保证了对终端、平台仪器的远程访问和状态监控，使陆地工作人员能实时了解监测仪器与系统的工作状态。

（3）实时报表查询与输出技术，保证了数据的实时传输，终端仪器工作状态下，利用采集间隔时间，完成数据的输出、打包与传输。

（4）多界面图形显示技术，提供了对多种仪器观测数据的图形化，可以使工作人员直观地了解当前的海洋环境条件与仪器工作状态。

（5）基于密钥的加密与解密技术，保证了数据通过网络传输时的安全性。

4 结论与展望

南海油气资源丰富，也是全球海洋环境最为恶劣的海域。夏秋季节热带气旋频发，冬季季风强度大且持续稳定，海况恶劣；海底地形复杂多变造成海流、强内孤立子波，对海洋石油的开发、生产造成巨大的威胁。为促进油气资源开发，实现我国深远海能源战略，本研究利用海洋平台资源，将岸基海洋动力环境监测延伸拓展至远海监测，并研制和改进适合深远海观测的平台基海洋动力环境监测系统，构建具有我国特色的、拥有自主知识产权的南海深远海油气勘探区海洋动力环境监测网，为我国油气资源开发走向深海，提供可靠的技术支撑和安全保障。

[1]康寿岭.海洋环境立体自动检测系统[J].海洋技术，2001,20(1)∶1-21.

[2]齐尔麦，张毅，常延年.海床基海洋环境自动监测系统的研究[J].海洋技术，2011,30(2)∶84-87.

[3]李彦，罗续业.海洋监测传感器网络概念与应用探讨[J].海洋技术,2006,25(4)∶33-35.

[4]李健，陈荣裕，王盛安，等.国际海洋观测技术发展趋势与中国深海台站建设实践[J].热带海洋学报,2012,31(2)∶123-133.

Development and Application of the Platform-Based Marine Environment Monitoring System

XIE Bo-tao,LEI Fang-hui,WANG JUN-qin
(China National Offshore Oil Corporation General Research Institute,Beijing 100027,China)

The working principle and construction of a platform based marine environment monitoring system were introduced.This system includes five parts:weather monitoring system,buoy monitoring system,cabled submersible buoy,wave radar monitoring system,communication and shore station.The system could automatically monitor the parameters including wind,waves,current continually,and a large amount of continue monitoring data can be transferred by the network system on the platform.Long-term ocean experiments have been carried out to test and verify the technologies mentioned on the platform.The system could offer the references and technological assistances for the oil-gas resource development of the South China Sea.

platform-based;monitoring system;wave observation radar;weather station;cabled submersible buoy

P715+.2

A

1003-2029（2013）01-0016-0005

2012-08-29

国家高技术研究发展计划（863计划）资助项目（2008AA09A401）

谢波涛（1980-），男，博士，主要研究方向为工程环境条件、设计标准。Email：xiebt@cnooc.com.cn