港口岸线水环境多参数剖面监测及预警技术的应用

张美燕，蔡文郁, 周莉萍

(1.浙江水利水电学院 电气工程学院，浙江 杭州 310018；2.杭州电子科技大学 电子信息学院，浙江 杭州 310018)

0 引 言

港口岸线是指已有港区、规划港区和其他用于港航设施建设的一定范围的水域与陆域[1-3].港口岸线是港口建设的基础性资源，是国家的宝贵战略资源.港口岸线是不可再生的稀缺资源，也是港口经济发展的生命线，对于海洋资源的开发与保护要从对港口岸线的开发与保护开始.港口岸线的水环境多参数实时剖面监测及预警技术可以完善海洋生态环境监测体系、防灾减灾预警预报系统、重大海洋污染事件应急处理机制等，因此具有非常重要的现实意义[2].

港口岸线水环境剖面监测技术作为现代海洋开发的技术基础，是我国海洋高新技术的重要组成部分，在数字化港口经济开发、近海污染防治及灾害预报预警等领域均具有重要的先行基础地位.目前我国大部分的港口岸线水环境参数主要依靠船载拖曳式或周期式采集海洋表层或有限水层要素数据的方式获取，对水文、生态等评估都是只在一个阶段时间进行的，几乎没有什么有效的技术手段来获取海洋垂直剖面任意水层连续、实时序列观测数据，而仅仅依靠短期表层或有限水层的要素数据难以对我国广阔海域的物理、生物、化学环境等多方面状况进行深入了解，无法在对港口岸线评估、规划、开发和利用的全过程中实现水环境多参数剖面监测，也不能适应我国海洋经济发展和防灾减灾的需要.在港口岸线开发利用过程中，也无法对潜在的危险和危害进行实时监测和预警，因此无法满足“智慧海洋”的建设预期.因此，如何实时、自动、便捷地获取港口岸线垂直剖面的水环境要素数据已成为我国海洋环境立体监测中的关键技术难题.本文提出了一种港口岸线水环境多参数剖面监测及预警技术集成的完整系统，

1 相关研究综述

目前国内外获取海洋环境垂直剖面数据主要采用ARGO浮标和定点浮标方式.ARGO(Array for Real-time Geostrophic Oceanography)浮标即地转海洋学实时观测阵，是全球海洋观测业务系统计划(Global Ocean Observing System, GOOS)中的一个针对深海区温盐结构观测的子计划.ARGO观测系统因其特有的优势而被世界各国海洋学家广泛应用，目前大部份的海洋垂直剖面观测资料均来源于此系统.每个ARGO浮标借助液压动力改变浮标自身体积以便在0～2 000 m深的海水中下沉与上浮，浮标上配有多个传感器，在上浮过程中可以进行剖面测量.但是ARGO也有一定的应用局限性：首先，ARGO浮标是随波逐流式探测，不能实现定点探测，因而难以获得指定观测点长期变化的环境观测数据；其次，ARGO浮标采用抛弃式设计，使用后无法回收，因而其使用成本很高，每个ARGO浮标的平均费用约为3万美元，并且为了控制成本，ARGO浮标一般只能携带低成本的传感器；再次，ARGO浮标有严格的载重限制，很多自动原位检测技术的应用都受到限制，特别是针对生物和化学参数的原位检测技术.

定点浮标方案通过在定点布放的浮标(或潜标)上悬挂链状传感器方式实现对海洋垂直剖面环境参数的获取.国际上定点浮标系统已广泛应用于海洋调查、科学研究、军事活动、海洋开发等多个领域.由于链状传感器在水下展开时，其上的每个传感器均位于不同的深度，将每一个传感器获取的环境参数结合起来就构成了离散的垂直剖面参数.由于其特有的优势，定点浮标是目前使用最为广泛的获取海洋垂直剖面环境数据的方法，但是如何利用定点浮标实时、可靠、便捷地获取多个水下传感器的监测数据是一个技术难点.传统获取水下传感器监测数据的方法有两种：自容式存储方式和水声通信传输方式，自容式存储无法实现水下传感器数据的实时获取，水声通信机价格异常昂贵，而且由于水声信道是一个十分复杂的随机多径信道，存在着信道噪声大、通信带宽狭窄、传播速率低、起伏和传输时延大等诸多不利因素，所以水声通信带宽非常小，水声通信延时和延时抖动非常大，因此利用水声通信传输方式获取多个水下传感器的监测数据也是不实用的.美国YSI公司的水质垂直剖面自动监测系统是目前最为成功的浅海水质监测系统(见图1)，利用太阳能和蓄电池供电，可自动监测目标水域中0～100 m不同水层的水质状况和风向情况，包括温度、电导率、盐度、酸碱度、氧化还原电位、溶解氧、浊度、叶绿素、蓝绿藻等水质参数，但是该产品无法实现不同水深剖面的同时长期实时观测，而且进口整套系统的价格异常昂贵.国外的Seabird公司研制了一种基于Inductive Moorings原理的水下传感数据获取技术(见图2)，该技术在传统耦合感应传输(ICL)[4]的基础上进行了扩展，具有传输稳定、使用方便、可操作性强等优点，但是由于核心技术掌握在发达国家手里，技术垄断价格异常昂贵.

图1 美国YSI公司的水质垂直剖面自动监测系统

图2 Seabird锚系耦合链通信装置

针对港口岸线或特定的近海海域，获取定点的、长期的、实时的水体表层以下垂直剖面的环境参数信息，目前还不存在高效稳定并且成本较低的可行方案.本文利用风光互补能源供给、非接触式耦合通信、无线多跳中继通信等几种先进技术进行集成创新，研制了一种基于风光互补供电的港口岸线水环境多参数实时剖面链监测及预警系统.

2 系统构架

基于耦合链通信的港口岸线水环境多参数剖面链实时监测及预警系统(见图3).港口岸线不同深度剖面的水环境多参数传感器数据通过耦合数据采集传输模块进行高速实时多路采集，然后将信号耦合到塑包缆，利用海水耦合通信方式将传感数据实时传输到另一个耦合数据采集传输模块，最后通过电缆将数据传输到浮标平台.浮标平台利用风光互补供电作为能源系统，利用自行研制的风光互补控制器实现浮标系统的能量管理，为浮标平台无线通信模块、GPS模块和处理模块等提供电能.浮标平台接收到的数据通过陆地无线中继站进行多跳中继，远程传输到岸基数据服务端，浮标平台与陆地无线中继站之间采用射频通信技术.下文将对本系统中关键技术及部件进行详细描述.

2.1 基于耦合链通信的数据采集耦合传输系统

由于海水的高盐度导致海水电导率较大，因此塑包缆两端裸露浸入海水后便形成了一个大的导电回路(见图4)，在发送端交变的信号(即发送数据的调制信号)加到线圈时，根据电磁感应定律，在磁环中产生交变的磁场，交变的磁场在海水耦合链回路中产生交变的电流，接收端根据交变的电流可以感应出磁环中交变的磁场，交变的磁场感应交变的电流波形，由此接收端就可获得发送端数据，这就是基于海水耦合链进行无接触式数据传输的基本原理.本项目中接收端和发送端采用具有相同硬件结构的数据采集耦合传输模块，负责海洋多参数传感数据的采集、处理、存储和耦合传输.由于DPSK调制的抗干扰噪声性能及通频带的利用率均优先于ASK和FSK，因此根据海洋电磁传播环境的特点，本方案中选择以差分移相调制(DPSK)[5]作为耦合链通信的调制方式，并利用高速FPGA实现信号调制与处理，数据耦合传输模块结构框图(见图5).

图3 港口岸线水环境1多参数剖面链实时监测及预警系统

图4 利用海水耦合实现非接触式通信的技术原理

图5 数据耦合传输模块结构框图

2.2 水下嵌入式低功耗多路数据采集系统

水下嵌入式低功耗多路数据采集系统结构(见图6).信号调理模块、多串口扩展模块、耦合通讯模块、自检报警模块、存储模块、IO驱动模块主要采用硬件手段开发；采集处理模块、协议转换模块、任务调度模块、RTC模块主要采用软件方式实现.嵌入式数据采集耦合传输模块是实现耦合链通信的关键，由于水下系统必须采用蓄电池供电方式，所以在小型化数据采集耦合传输模块的前提下还要尽量降低其功耗水平.本方案中采用MSP430微功耗单片机作为处理器，实现水下系统的微功耗，最大限度延长使用周期.

图6 水下嵌入式系统框图

2.3 风光互补浮标电源智能管理系统

通过对港口岸线应用场景的调研，选择合适功率的风机、太阳能电板和蓄电池，自行研制了风光互补供电控制器，通过风光互补供电控制器可以实现对风机和太阳能板联合供电的协调优化，为整个浮标系统提供安全智能的能源管理.风光互补供电控制器可以控制风力发电机和太阳能电池对蓄电池进行安全高效的充电，以满足对港口岸线进行长期不间断监测的需要，岸基数据服务端还可以对浮标系统的供电情况进行实时监控.本文研制的风光互补控制器拟采用最大功率点跟踪方式(MPPT)[6]控制风机和太阳能板对蓄电池进行充电，系统结构(见图7)，同时设计太阳能电池防反冲、太阳能电池防反接、蓄电池过充电、蓄电池过放电、负载短路、过载、防雷、风机限流、风机自动刹车等保护功能，保证整体系统的长期可靠运行.所用的太阳能电池仿真U-I与P-U曲线(见图8).

图7 浮标系统风光互补控制器系统结构

图8 太阳能电池仿真U-I与P-U曲线

2.4 测浮标通信距离延伸的无线多跳中继站系统

本项目中无线通信拟采用Digi公司的Xtend无线发射模块，传输距离40—50Km，通过2跳后最大传输距离可达80—100Km，能够满足一般情况下的数据覆盖限制.无线中继站借鉴无线Zigbee路由协议，将接收到的数据包进行本地缓存，依靠数据包的地址信息将数据包向下一个无线中继站转发，在遇到数据发送故障时还可以将本地缓存的数据进行重发.同时无线路由协议必须实现数据的纠错和重发功能，以实现高效可靠的无线数据远程采集.在无线多跳路由协议设计上，考虑多个无线中继站之间的无缝切换，即使监测浮标出现无线覆盖区域的变化，监测数据仍能可靠地传输到服务端.通过在港口岸线设置几个固定的无线中继站，监测浮标只需在任意一个无线中继站的通信覆盖范围内，就能将传感数据远程传输到数据服务端.由于监测浮标一般固定在港口岸线的河床上，可移动的范围不大，因此依靠几个固定在岸基的无线中继站就可以实现浮标数据的远距离传输.

3 实物结果

本系统中所涉及的主要模块、部件实物图以及监测软件界面(见图9).

图9 海洋监测浮标海试

4 结 语

本文研制了一种适用于港口岸线应用场景的水环境多参数剖面链实时监测及预警系统，为我省港口岸线的科学监测、合理利用与实时保护提供一种实用方案和成熟产品.港口岸线水环境多参数剖面链实时监测及预警系统应用非常广泛，可应用于我国近海资源探测和海洋水体调查监测、近海岸与河流污染监测及灾害预测预警、近海渔业养殖细粒度监测等多个领域.

参考文献：

[1] 涂振顺, 赵东波, 杨顺良,等. 港口岸线资源综合评价方法研究及其应用 [J]. 水道港口, 2010,31(4):.297-301.

[2] 童洁.有多少港口岸线可以利用[N/OL].2010-12-20[2014-09-25]. http://epaper.zgsyb.com/html/2010-12/20/content_18566.htm.

[3] 刘洪义,陈晓峰,王志平. 港口岸线浅水深用探析[J].水运工程,2009(9):59-62.

[4] YUNGTAEK JANG, MILAN M. JOVANOVIC. A Contactless Electrical Energy Transmission System for Portable-Telephone Battery Chargers [J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2003, 50(3): 520-527.

[5] 齐 鸣.DPSK信号解调及传输特性的研究 [D]. 武汉:华中科技大学, 2007.

[6] 陈 科, 范兴明, 黎珏强, 等. 关于光伏阵列的MPPT算法综述 [J]. 桂林电子科技大学学报,2011(5): 386-390.