船舶自动气象站分类标准及仪器布设原则

张玉洁，安忠亮，高 林，涂爱琴，宋传经

（1.山东省气象局大气探测技术保障中心，济南 250031；2.山东省气象局，济南 250031）

船舶自动气象站分类标准及仪器布设原则

张玉洁1，安忠亮2，高 林1，涂爱琴1，宋传经2

（1.山东省气象局大气探测技术保障中心，济南 250031；2.山东省气象局，济南 250031）

此文在研究分析各类船舶的基础上，对船舶自动气象站（船舶站）的基本构成和采集要素进行了分类，提出了船舶站构成的分类标准，解决了不同船舶选取安装不同要素自动站选择依据不足的问题，详述了船舶站的构成。以典型船舶站为例，详述了温、压、湿、风、降水、能见度、辐射等观测要素的安装位置选择，为船舶站的设计和安装提供参考依据。

船舶；自动气象站；仪器布设原则

引言

海洋可为人类提供生存物质和发展空间［1］，其开发和利用的前提是更好地观测海洋，而船舶气象观测则是海洋综合气象观测的重要组成部分。船舶自动气象站（以下简称船舶站）是利用船舶为载体的自动气象观测系统，通过对船舶航行过程中的海面以上、海气界面以及与海洋气象灾害相关的海面以下气象、水文和环境等要素进行长期、稳定、持续的观测，为海上气象预报和气候变化监测研究提供高时空密度的观测数据，为海上航运、航空、海洋生产作业安全、海防安全、军事活动等提供气象保障基础数据，同时也为卫星、雷达等遥感信息验证和订正提供依据。目前中国尚无针对不同船舶安装不同观测要素构成的自动气象站的标准，此文的研究有效解决了不同船舶选取安装不同要素自动站选择依据不足的问题，也为不同类型船舶安装自动气象站选取有效气象观测要素提供了依据。

1　船舶站基本构成分类

1.1船舶站基本分类

自2007年以来，宁波、温州、烟台、青岛、威海、海南等地的气象部门先后在几十条船上安装了自动气象观测设备，由于安装船的种类比较多，小的有渔船，稍大点的有海上急救船，更大的有渡轮和万吨级别的运输船，如何在不同类型的船舶上安装适宜的气象观测要素，目前没有一个统一的标准和参考依据。为了解决不同类型船舶站的基本构成分类问题，文章对烟台、威海、海南、宁波、福建等地的船舶站的建设情况进行了详细的调研（表1）。同时对山东省已建设船舶站的安装环境进行了分析和评估，通过对调查内容的研究分析并结合《设计船型尺寸及典型船舶尺寸》中船舶吨级DWT（t）表，将适宜安装自动气象站的船舶进行初步归类，提出了不同类型船只安装船舶站的基本构成分类标准，为船舶站的设计提供参考。用户也可根据实际需要作相应的变更选择。如：烟台的北海救助船，根据救助的需要，都增加了相应的能见度观测要素，而烟台的渤海号船舶站因为建设时间较早，安装初期都没有布设能见度观测要素。不同类型船舶的具体观测要素类型见表2，各观测要素传感器类型见表3。

表1　全国部分船舶站布设情况统计表

表2　不同类型船舶安装船舶站观测要素表

表3　不同观测要素传感器型号

1.2船舶站构成

船舶站由硬件和软件两部分组成。

硬件部分包括数据采集器、传感器和外围设备，其中外围设备包括通信设备、电源系统、航向航速测量仪、本地终端（微机）等。

软件部分包括嵌入式软件（数据采集器内）和业务应用软件（微机内）。

（1）硬件系统：船舶自动气象站基于 CAN总线技术，在硬件上采用“积木式”架构，主采集器可以支持常规的风向、风速、温度、湿度、气压、雨量和航向航速测量仪。能见度和其他可能挂接的传感器则通过分采集器实现。

（2）通讯系统：远程通讯系统有 GPRS，CDMA，DCP卫星通讯三种方式。需要根据船只的运行路线、通信状况选择适合的通讯方式。其中DCP卫星通讯适用于GPRS和CDMA无信号或者信号不稳定的环境。

（3）供电系统：船舶自动气象站现有的供电系统分为船用直流电源供电、船用220V交流供电和太阳能供电三种。船用直流电源供电一般适合于小型的渔船，对于较大的船只，可视具体情况采用船用220V交流供电或太阳能供电。

（4）软件系统：嵌入式软件在UCOS嵌入式操作系统上进行编程，完成各个采集器的功能，主采集器和分采集器之间采用CAN通信协议进行数据传输，其特点是传输距离远，抗电磁干扰能力强，能较好适应船舶航行时的复杂环境［2-5］。业务应用软件可处理气象观测业务，实现本地和远程的数据采集和处理。

船舶站构成框图见图1。

图1　船舶站构成框图

2　船舶站仪器布设原则

利用山东省已建客运船舶站、救助船舶站及捕捞船舶站数据传输、数据质量及运行稳定性等情况资料，分析船舶站运行情况、观测数据与安装位置周围遮挡物、船舶类型以及主要活动海域等因素的关系，提出了船舶站仪器的布设原则，为船舶站的合理布设提供依据。

2.1仪器布设原则

由于船舶顶甲板一般很狭小，且船舶自身需要安装各种设备、天线，可以利用的空间很小，因此，船舶站仪器布设应尽量保证各仪器之间距离，保证各仪器和传感器的代表性。

风传感器尽量靠近船首部并高于最高的舱室，可考虑前主桅杆或顶甲板前部。温湿传感器尽量避免烟囱及其他热源的影响，四周不应有特别潮湿和反射率较强的物体，下垫面应装木质甲板并涂敷绿色的油漆。气压传感器安装在避开热源、不直接通风、没有阳光直接照射且摇摆震动较轻的部位，可在进气口增加静压装置，保证气压的观测精度。精密GPS定位仪安装在风杆附近，定向设备安装方向应与船舶的中心轴方向保持一致。所有设备、管线必须连接牢固，不得有松动、晃动现象，使传感器能在海上高盐雾环境和船舶摇晃状态下保持正常工作。

2.2安装位置选择

典型船舶站的安装位置如图2所示。

图2　典型船舶站安装位置示意图

理想情况下，传感器测量的是未经过船上甲板及船上障碍物的大气状况。在图2中，A位置通常是安装气象传感器的最佳位置，也可以在前甲板的B处安装支架以安装传感器。如果A，B两种情况都不能实现时，最后的选择是位于驾驶室上部的C处。若只安装一套观测设备，A，B，C都是比较好的安装位置，如果需要安装两套观测设备，则宜安装在船舶的两侧，D，E是比较好的安装位置。

（1）辐射观测仪器

适合安装在不受其他阴影影响的位置，图 2 中F是最佳的安装位置，其次G位置可以作为一个选择。如果不考虑风、气温等要素，H位置也可以安装辐射观测设备，安装高度应不受烟囱的影响。

（2）风传感器

应尽量安装到船的最高部位，传感器距船上天线、桅杆的距离不少于它们直径的 10倍，安装高度距甲板不低于 2m，对于大型船只不能满足此要求时，可在桅杆两侧各安装一传感器，观测时使用迎风一侧的传感器。

（3）温湿传感器

尽量避免热源和强反射体影响，可借助风杆上伸出横臂，用于安装温湿度传感器，仪器的感应部分与甲板的垂直距离应在1.5～2.0m之间。

（4）气压传感器

要避开热源和迎风面，避免太阳直射，可以安装在船舶横梁、船上实验室或与其他传感器一起安装在桅杆上，但气压进气口应不受外部风和内部空调等气流扰动的影响，也不要直接安装到甲板上。

（5）降水传感器

由于受风及船舶摇摆的影响，需进行相对风订正，其安装位置最好和风传感器安装在同一位置。

（6）精密GPS定位仪

要安装在风杆附近，尽量避开四周金属物，应保持GPS定位天线上方无遮挡。

（7）能见度仪

要尽量安装到船的中轴线附近，安装高度距离安装位置处下方甲板位置应不低于 2m，并尽量避免热源和强反射体影响。

3　结语

利用船舶作为载体建设自动气象站，可以实时探测船舶活动海区的气象要素，特别是备受关注的海上重要航道沿线区域和渔业捕捞作业区域内气象资料，这是大幅降低单独建设海洋气象观测站成本、有效获取海洋气象资料的重要手段，也是提高重点关注海洋区域气象预报服务质量的有力支撑。此文通过对已建船舶站的运行情况、观测数据与安装位置周围遮挡物、船舶类型以及主要活动海域等因素的关系的研究，提出了不同类型船舶站的基本分类、构成、仪器布设原则，为船舶站的建设和安装提供参考依据，也对船舶气象观测站的有序健康发展产生影响。

［1］ 李扬.基于ARM和嵌入式Linux的志愿船自动测报仪的设计与开发［D］.青岛：中国海洋大学，2008.

［2］ 邬宽明.CAN总线原理和应用系统设计［M］.北京：北京航空航天大学出版社，1996：188-189.

［3］ 饶运涛，邹断军，郑通芸.现场总线CAN原理与应用技术［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2003：18-19.

［4］ 庄景齐，吴雁.基于CAN总线的温湿采集系统的设计［J］.中国科技信息，2009（2）：139-140.

［5］ 牛涛.基于CAN总线的船舶自动气象站的研究［J］.武汉船舶职业技术学院学报，2011（6）：22-23.

P415.1

B

1005-0582（2015）03-0040-04

2014-12-24

“探测设备社会化保障管理平台”（2014sdqxm05）资助

张玉洁（1972—），女，山东烟台人，硕士，高级工程师，主要从事装备保障及气象现代化建设工作。