近岸海域浮标实时监测系统设计概要

何志强 赵聪蛟 李静

（1.第七一五研究所，杭州，310023；2.浙江省海洋监测预报中心，杭州，310007）（3.海军702厂，上海，200072）

保护海洋环境，合理开发海洋资源，实现可持续发展是当今社会亟待解决的难题。要想有效地解决海洋生态环境问题，就需要监测海洋环境。建立近岸海域浮标实时监测系统，及时准确地掌握相关的海洋环境数据，全程监视整个事件的发展过程，为灾害预警预报、灾害调查评估、应急决策等提供科学依据。近年来，依托国家863计划、908海洋类科技攻关项目的带动，我国海洋自动监测技术的研究与应用取得了巨大的进步，涌现了大批成果与海洋科技产品，在此基础上，我国逐步建立起海洋监测台站、浮标、调查船、卫星遥感及航空遥感等组成的海洋环境立体监测网络。本文提出一种近岸海域浮标实时监测系统，供同行参考。

1 系统设计思路

1.1 设计原则

1.1.1 坚持统一技术、统一标准的原则

近岸海域浮标实时监测系统必须遵循智能化、模块化、网络化、多功能化、标准化和规范化的技术要求，统一技术路线、技术指标、技术标准、数据格式、分析与评价方法，以实现实时监测、数据集成、数据处理与信息产品开发、数据共享与信息服务等功能，构建一体化的近岸海域实时监测网络体系。

1.1.2 坚持制度先行、评价同步的原则

在取得试点监测成功经验的同时，开展制度建设，建立统一的监测与评价技术规范和标准及配套运行管理制度，并在后续建设过程中加以验证和不断改进，为构建有效的浮标海洋环境实时监测与动态评价体系提供技术依据。

1.1.3 数据安全原则

海洋环境由海空（包括低层大气的云、雨、雾、气压、气温等）、海表（风、浪、流、冰、风暴潮、盐雾、日光辐射、水温、潮汐等）、海体（包括浅海、深海中的内波、环流、跃层、声道、密度、盐度、温度、深度、电导等）和海底（地质、地貌、磁场等）三维的、多种类海洋要素和人为现象(如舰艇噪声、战场烟雾等)所组成。 不论是对于海洋开发还是海战场准备，获取的这些海洋现象和海洋环境数据都是非常重要的，必须确保这些数据的安全性。

1.2 主要技术要求

（1）海上自动监测浮标系统免维护工作周期大于15天；

（2）传输的数据量和质量合格率在75%以上；

（3）网络连接率大于90%；

（4）信息系统。

—— 提供一种符合海洋环境监测特征的时空表达模型和算法，并实现多源异构数据的一体化组织、存储和管理。

—— 实现高效的空间数据库访问技术。

—— 实现多源海洋数据三维椭球表达。

—— 建立海洋环境场景，实现水体、海底的真实感绘制。

—— 建立监测信息服务自发布系统，实现监测产品的准实时发布。

—— 具有用户自定义监测结果专题图制作功能。

1.3 系统组成

近岸海域浮标实时监测系统由海上自动监测浮标系统、数字化监控平台、近岸海域实时监测与信息管理系统等三部分组成。海上自动监测系统布放于海上，用于采集海洋环境监测数据，并通过GPRS/CDMA/卫星等方式传输至数字化监控平台。数字化监控平台用于接收、存贮、显示监测数据，并对海上自动监测浮标进行管理。近岸海域实时监测与信息管理系统是对系统进行业务化运行的重要组成部分，是对系统监测数据进行处理、分析、发布的平台。系统框图如图1所示。

图1 近岸海域浮标实时监测系统框图

2 系统设计概要

2.1 海上自动监测浮标

海上浮标自动监测技术是随着海洋监测的不断深化和生态环境监测的迫切要求而发展起来的一种新的海洋环境监测技术，是实现海洋生态环境监测自动化、网络化及实时连续监测的最有效技术。海上浮标自动监测技术弥补了传统监测手段的不足与缺陷，实现从静态定性评价向动态定量评价的发展，提升了海洋环境监测与预警能力，可有效避免和降低因为溢油、赤潮等海洋灾害对海洋生态环境的污染。

海上自动监测浮标设计的主要思路如下：（1）浮标体由浮体、支架、防撞橡胶和防撞装置组成，为便于今后扩展监测内容，可预留传感器端口。海上自动监测浮标照片见图1。（2）监测传感器由气象、常规水质要素、营养盐和有机污染物（碳氢化合物）等四类传感器组成，可根据需要增减传感器，实现多个参数同时、连续采集；选择耐腐蚀、防海生物、维护周期长、工作稳定的传感器。（3）供电设备由太阳能、充电控制器和蓄电池组成，无需外部供电。（4）采集传输控制设备由数据采集加密控制模块、GPRS/CDMA/北斗传输系统组成，数据加密传输，提高数据安全性。（5）防护设备由GPS、雷达反射器、警示灯、AIS终端和摄像头等组成，多种措施确保设备安全。（6）锚系设备由系留环、锚链和锚组成，采用双锚固定方式。自动监测浮标布放示意图参见图2。

图2 海上自动监测浮标

图3 海上自动监测浮标布放示意图

海上自动监测浮标系统具有集成度高、防腐、防海洋生物附着、防台、防碰、防盗、防丢失、实时在线监测安全、数据传输安全（数据加密和防泄密）、低成本维护等优点。

2.2 数字化监控分析平台设计

数字化监控平台应用在中央监控室。配置服务器、电子显示屏和若干台高性能商用计算机及其他辅助设备等。服务器通过Internet和GPRS与浮标联网，服务器、计算机和显示屏构成一套完整的实时在线监控系统，各浮标的监测数据通过加密处理后自动输入系统数据库，并按浮标编号、地理坐标和时间存贮。能集中监视、操作和管理，达到管理与现场分离，更能综合化和系统化。通过人机接口，可对远程监测设备进行实时采集、分析、记录、监视和操作控制，以及在线巡检、动态配置等。图 4为浮标地理位置分布图，图5为浮标实时数据监控界面。

图4 浮标地理坐标分布图

图5 浮标实时数据监控界面

2.3 近岸海域实时监测与信息管理系统

以海洋环境监测数据为主线，集合了现代监测技术、网络通信技术、数据仓库技术和数据分析技术，对全市近岸海域各类监测数据进行安全存储和处理，提供多源数据资料处理、监测数据产品网络应用服务，构建基于虚拟海洋环境的立体化监测与信息服务平台，实现多层次、全方位的海洋环境数据监测、传输、管理、分析发布功能。各级监控平台和终端授权用户可通过服务器登录本系统浏览和访问。系统总体构架如图6所示，管理员对服务器的数据进行管理、分析、发布，各级、各部门用户的手机、计算机、便携电脑可通过登录服务器方式等实时了解海洋环境信息。

图6 近岸海域实时监测与信息管理系统构架

2.4 监测参数的选择

浮标实时监测系统监测参数主要包括海面气象和水质、生态等要素，以实现多介质、多参数的同步实时监测。

2.4.1 气象参数的选择

相对而言，海面气象自动监测技术比较成熟，气象传感器性能稳定可靠，免维护周期长。根据系统建设关注的海洋环境问题，海面气象监测选择的参数包括气温、湿度、风速、风向、气压、光照度和降雨量等7项。

2.4.2 水质参数的选择

目前能够实现自动监测的水质参数主要有水温、pH、溶解氧、盐度、温度、电导率、磷酸盐、硝酸盐氮、氨氮、亚硝酸盐氮、叶绿素、碳氢化合物等。其中水温、pH、溶解氧、盐度、温度、电导率和叶绿素等指标是目前国内外浮标自动监测普遍选择的水质指标，这些常规水质指标传感器性能较可靠，技术比较成熟并能反映综合水质状况。长期连续的监测数据对研究各参数之间的函数关系、探索海水细微结构和污染水平具有重要作用。

3 结论

近岸海域浮标实时监测系统采用海上自动监测浮标作为连续、实时、长期获取海洋环境监测参数的手段，可以减少大量的人力、物力和财力。浙江省根据不同海洋功能区、生态敏感脆弱区、溢油事故高风险区布放了 10多套海上自动监测浮标，从运行情况看，实现了对浙江省近岸海域赤潮、海上溢油等灾害进行实时有效的监测，对海洋环境保护和海洋减灾防灾意义重大。海上自动监测浮标还将陆续投放，以便构建近岸海域实时监测与信息管理系统。为确保数据的有效性和可追溯性，须每月对数据进行比测分析。

[1]李俊. 海洋环境在线监测及赤潮灾害预报系统研究[D].山东大学, 2007: 9-12.