我国业务化海洋观测仪器发展探讨——浅析中美海洋站仪器的差异、趋势及对策

王　祎，李　彦，高艳波

(国家海洋技术中心， 天津 300112)



我国业务化海洋观测仪器发展探讨
——浅析中美海洋站仪器的差异、趋势及对策

王祎，李彦，高艳波

(国家海洋技术中心， 天津 300112)

海洋站业务化观测仪器是业务化海洋观测系统的重要实体支撑。将我国海洋站中典型的国产业务化测量仪器与美国同类仪器在性能指标方面进行了对比分析，结合世界前沿海洋仪器发展现状总结了未来主要发展趋势，探讨了我国业务化海洋仪器优先发展的主要方向。结果表明，相比美国，我国国产验潮仪精度低1个数量级，测波仪的波高、周期和波向精度分别平均低0.2 m、0.27 s和5°～10°，国产观测仪器在业务运行可靠性和稳定性方面存在不足。世界海洋观测装备将更加信息化、智能化、专业化和模块化，并通过谱系化发展使其功能日臻完善，可靠性不断提高。在此趋势下，我国业务化海洋观测仪器应优先重点发展高精度传感原件和材料、抗生物污损和防腐蚀技术以及智能电子电路、人工智能和自动化技术等。

业务化海洋观测；海洋观测仪器；发展趋势；技术对策

0　引言

我国是海洋大国，拥有约300万 km的管辖海域、1.8万 km2的大陆岸线和1.4万 km的岛屿岸线，每年发生的各类海洋灾害不仅对沿海经济造成了巨大的损失[1]，也对人民生命安全带来了严重威胁。海洋站是建设在海滨或岛礁的固定海洋环境观测设施，而海滨是海洋能量交换最剧烈、海洋灾害发生最频繁的区域，在海洋站观测获取的环境信息可为海洋灾害预报与决策提供重要依据。经过几十年的发展，海洋台站观测系统已成为我国近海海洋环境观测网的重要组成部分[2]。

业务化海洋观测仪器是指常态化、长期运行的并直接用于满足各类海洋事业发展需求的仪器设备[3]，在海洋台站观测业务中使用的各种仪器不仅属于业务化仪器，也是海洋观测系统重要的实体支撑。世界沿海各国十分重视海洋仪器和技术的发展，美国、俄罗斯、加拿大、澳大利亚、日本和韩国等均发布了相应科技计划和发展战略[4]。我国也高度重视海洋仪器和技术的发展，在观测能力[5]、技术进展与对策[6-9]、调查仪器和技术[10]等方面开展了很多战略研究，但有关业务化海洋仪器方面的系统梳理分析与发展趋势研究还较少。本文首先将我国和世界海洋强国翘楚美国的海洋观测站(点)中同类业务化运行仪器在关键性能和技术指标等方面进行对比分析，然后结合世界前沿海洋观测装备发展现状总结海洋观测装备未来的发展趋势，最后探讨了我国海洋站业务化观测仪器发展的主要技术对策。

1　研究对象和数据

1.1研究对象

海洋观测业务运行较为成熟的主要是海洋台站，其配备的仪(传感)器基本代表了国产业务化海洋观测仪(传感)器的现状。目前，美国综合海洋观测系统内业务化运行的共有530余个海洋站(点)，基本实现自动化无人观测，绝大多数站点主要观测潮位、水温、海风、气压和气温等要素。我国国家海洋局属有120余个海洋站(点)，也大部分实现了自动观测，但仍有部分站(点)的要素需要人工观测。本文以美国和我国国家海洋局属海洋台站(点)中测量潮位、温、盐、海浪和海洋气象等主要海洋要素的典型仪(传感)器为研究对象。

1.2数据来源

美国业务化海洋站(点)所用仪(传感)器型号和性能参数信息来源于美国国家海洋与大气管理局官方网站以及供应商产品网站，我国海洋台站所用仪(传感)器型号和性能参数主要来自海洋台站的招标公告、供应商网站信息和相关调研报告*国家海洋技术中心.我国海洋观测业务体系建设战略研究报告[R].2014.。

2　中美业务化海洋台站仪器分析

2.1潮位和温、盐测量

2.1.1潮位

由于中、美在技术手段、业务化工作机制和管理流程等方面的差异(如美国的岸基台站大都无验潮井、无人值守)，目前两国业务化潮位仪在原理上存在较大不同(表1)。美国的潮位主要由国家潮位观测网测量，其主控观测站实际使用的设备主要是Aquatrak公司的Model 5000系列声学潮位仪和WaterLOG公司的H-3611雷达型潮位仪[11]，不需验潮井，仅在个别地区因特殊的环境条件使用压力式、浮子式或气泡式潮位计，如阿拉斯加结冰海域和五大湖地区使用BEI公司的气泡式潮位仪。而临时观测站则主要使用YSI公司的便携式600LS型透气式应力潮位仪，其重量仅为0.5 kg，仅需4节AA碱性电池即可高效工作。目前我国业务化应用的验潮仪主要为国产SCA11-3浮子式，仅个别为GPH500浮子式、SCA12-1压力式或MCY1-2光电码盘式。由表1可知，除压力式外，国产验潮仪的观测精度已能满足《海滨观测规范(GBT14914-2006)》的一级观测标准，但观测精度比美国业务应用的验潮仪低1个数量级，测量范围最高为12 m，不能用于港口或大坝等业务环境。在可靠性方面，美国业务应用仪器大多为雷达和声波式，与海水无接触，几乎无生物附着和腐蚀，维护周期相对更长；此外，重量均比较轻便，方便布放和携带。

表1　业务化潮位观测传感器参数

注：空白表示无信息或待获取信息。

2.1.2水温和盐度(电导率)

美国业务化海洋温、盐参数主要用到的仪(传感)器为SeaBird电子公司SBE系列产品和澳大利亚Greenspan公司的EC-250等，而我国目前业务应用中主要以YZY4型仪器测量温、盐，部分站点也引进了EC-250。由表2可知，在不考虑成本因素时，美国产的温、盐传感器在测量精度上均比国产YZY4型有优势，但YZY4型在参数性能上已基本能满足目前我国业务观测需求。在可靠性和稳定性方面，EC-250型有内置数据采集器，可保证长期恶劣环境下无人值守的测量精度，具有超环形面技术，可消除电极腐蚀的影响，保证传感器长期可靠使用并减少现场维护；海鸟SBE系列传感器的各项指标性能属于国际领先水平，观测稳定性极好；而国产传感器在部分海洋观测站业务运行时有故障率较高的问题。目前，我国部分海洋站计划配备日本产的A7CAT2-CAR型传感器，该传感器在测量精度、范围和稳定性上比YZY4均有提升。

表2　业务化海洋温、盐观测传感器参数

注：空白表示无信息或待获取信息，“FS”为最大量程。

2.2波浪测量

我国目前业务化运行的国产测波仪器主要为SBA3-2、LPB1-2和SBY1-1型坐底式以及SBF3-1、SZF2-1和SZF测波浮标(表3)。在部分站点附近浅水区或海上活动繁忙区域使用坐底式声学测波仪，但只能测波高和波周期，不能测波向；其余大多数站点主要用测波浮标观测海浪，如SZF型波浪浮标属于重力测波，内有加速度计和倾斜传感器，可测量波高、波周期和波向。此外，我国还有部分雷达站进行海浪观测，大多使用的是X波段测波雷达，其中大部分是德国WaMoS II和挪威WAVEX系统，有少量站点使用的是国产雷达设备。而美国目前进行海浪测量的仪器主要为世界海浪标准测量仪器MKIII波浪骑士。由表3可知，我国目前业务化运行的测波仪与MKIII在波高、周期和波向的测量范围方面基本相同，已基本能满足目前业务需求，但在精度上有较大差距，波高平均低0.2 m，周期平均低0.27 s，波向平均低5°～10°(SBY1-1型内置德国陶瓷传感器精度较高)。此外，国产海浪仪器在可靠性上也存在一些问题，例如东海海区某型波浪浮标经常不能正常工作，数据接收率曾低于95%。

21例患者，治疗前行体表光学监测，共118次体表光学监测(表1)，体表光学监测在X平移方向上误差有3次>2 mm，最大为2.6 mm，Y平移方向上误差只有1次>2 mm，为2.5 mm，Z平移方向上误差均<2 mm，X方向旋转误差有9次>1.5°，最大为1.9°，Y方向旋转误差均<1.5°，Z方向旋转误差只有1次>1.5°，为1.9°。

表3　业务化海浪观测传感器参数

注：空白表示无信息或待获取信息，粗体为浮标。

2.3海洋气象测量

海洋气象主要包括气压、气温、湿度和海风等。由于国产气压传感器产品难以达到测量精度并同时保证观测的稳定性，目前我国海洋台站业务应用测量海洋气压的传感器几乎全部依赖进口产品，主要为美国Setra公司的270和278型。温、湿传感器也大多为进口HMP45或155型。国产海洋温、湿传感器有商业成品，较具代表性的是XZY4型，其湿度测量范围和精度分别为(10～100)%和±5%、温度精度为±0.5 ℃，低于国外常规商业产品的性能指标(0～100)%，±(1～3)%和±0.15 ℃，在观测稳定性上也不及国外产HMP155型。在海风测量方面，我国业务化主要应用的为国产XFY3风杯型，与美国业务主要应用的YOUNG 05系列仪器相比(表4)，XFY3型在风向的测量方面已达同等水平，但在风速的测量范围和精度上仍有差距。

表4　业务化风杯型海洋风传感器参数

3　世界业务化海洋观测装备主要发展趋势

3.1高度信息化与智能化

由现场采样测量逐渐演变为无人值守或无人操作的长期、连续、实时原位观测[12]，是业务化海洋观测的主要发展趋势。受益于人工智能、云计算等技术的迅猛发展，智能装备领域出现了突破性变革。伴随智能型工程机械、电子电路和成套装备的发展，海洋观测装备将高度信息化与智能化，具代表性的有加拿大AML公司的Smart-X系列仪器，可根据观测需要自动更换传感器探头，进行智能化实时测量；美国MBARI研究所研制的智能处理器集传感、标定、数据处理于一体，还可搭载于小型AUV；美国军方新开发的智能AUV可长期潜伏在固定海域，当有目标到附近时，在探测传感器的作用下可自动激活，对目标进行跟踪[13]；此外，还有新概念智能浮标系统，可自动传输、自动选择(多能)互补供电方式，各子系统根据海况自动选择工作模式。业务运行的智能型海洋观测仪器装备将大多以物联网、互联网、融合通信等技术组网，体现出高度信息化。

3.2高度专业化与模块化

3.3谱系化发展，功能日臻完善

随着多种应用环境和业务需求的出现，业务化海洋观测装备已谱系化发展。具有代表性的为加拿大RBR公司的产品，有solo系列微型单参数测量仪、virtuoso系列单参数测量仪、duo系列双传感测量仪、concerto系列多参数水质仪和maestro系列快速多参数水质剖面仪等多个系列。此外，在海风测量仪器方面，R.M.YOUNG公司有05、27和8等系列[18]，芬兰Vaisala公司也有WA和WMT等系列[19]。系列基于测量原理来划分，如05和WA为物理风杯系列，8系列和WMT为超声系列。同系列下不同数字型号则代表不同的性能，如05103为普通型而05106为海洋型。谱系化进程中，海洋观测装备的功能将不断得到拓展，海洋仪(传感)器将由单一参数向多参数发展，由现场取样测量向长期原位监测发展[20]。

3.4可靠性不断提高

随着对深海资源的探索和利用，海洋仪器装备必将适应深海大洋环境。远离陆地保障，面对高压、低温等海水屏障，仪器设备的维护更加困难，对可靠性的需求将愈加迫切。未来，在深水耐压防腐材料、水下密封接插件、水下紫外杀菌技术、纳米金属外壳等海洋通用技术和工艺的不断发展下，提高海洋观测装备的可靠性具备相应的技术基础。为保障海洋仪器业务应用的可靠性，海洋发达国家纷纷建立了海洋仪器设备的测试评估机制，如美国NOAA开展了海洋仪(传感)器测试和评估项目(OSTEP)[21]，为海洋仪器提供实际的运行环境，评估仪器的综合软硬件性能和集成应用可靠性。海洋仪器装备均需通过沿海技术联盟(ACT)等第三方机构的评估和海试测试，包括在深水(西海岸)、浅水(东海岸)和淡水(五大湖)等[22]多种形式和环境下严格的测试与评价程序和质量保证措施。

4　我国海洋站业务化仪器的发展方向

业务化的本质是有目的性的长期化和常态化。我国各项海洋事业对业务化海洋观测仪器在技术层面的要求主要体现在仪器性能、业务运行可靠性和稳定性[23]等方面。仪器性能主要是指出厂或测试情况下的理论性能，虽然我国海洋站业务化应用的主要观测仪器在性能指标上达到近岸观测的相关技术标准，但在测量精度、测量范围、能耗等性能指标上与国际先进水平仍有不小差距。面对我国海洋防灾减灾中精细化预报等实际需求，应主要发展高灵敏温、湿感应材料或原件，以及高精度力学、声学、光学和电磁传感原件技术，提高对海浪、温、盐、海洋气象等对精度要求较高要素的观测。

对于海洋站业务运行的海洋仪器，大多数配备在无人值守的站点上，维护不易，所以仪器的可靠性异常重要。然而，海洋观测仪器涉及材料、机械、仪器、电子等众多技术领域，基础材料、原件、结构及其软件系统等均是影响可靠性的重要因素。在海洋仪器装备可靠性要求不断提高的趋势下，应优先发展海洋防腐防污和长寿命技术等。同时，为减少检定、拆装等降低可靠性的操作过程并便于快速维护，应发展微机电技术和系统工程技术等，推动轻便、小型化和模块化的海洋观测仪器的发展。

业务运行的稳定性决定了观测数据的质量，因此，我国在海洋台站配备了水银气压计、手持风速计、水尺等多种人工比测装置，但人工比测间接增加了观测结果的不确定性。面对我国边远岛礁、海域无人值守的实际需求，在海洋观测仪器智能化信息化的趋势下，应发展智能电子电路、人工智能等技术，设计制造具有：自主采集观测数据，自主跟踪、协调和控制系统内设备，自动处理相关故障，自主进行数据融合，参照专家库和知识库等的规则自主识别观测数据是否异常，自主分发处理结果功能的自动化智能型观测仪器设备，逐渐替代我国现有业务化观测中人工或半人工方式。

国产业务化观测仪器性能不足不仅是技术上的问题，还包括仪器的标准化和入网管理机制等方面。业务应用是推动海洋站仪器技术发展的重要推动力。在措施层面，应对业务应用(观测)标准、设备标准、接口标准、数据格式、数据传输等标准进行统一，将仪器设备的硬件和软件配套，不仅能够提高业务效率，还有利于各个厂商所生产的同类型海洋观测设备相互通用，加大厂商之间的竞争，进而促进海洋仪器的不断升级完善。同时，业务准入时也要明确仪器设备使用期，一旦到期必须强制检定，不符合标准规范的需要退出。

5　结语

相比美国同类业务化仪器，我国海洋站验潮仪测量精度低1个数量级，测波仪在波高、周期和波向的测量精度方面分别平均低0.2 m、0.27 s和5°～10°，且运行可靠性和稳定性均存在不足。世界海洋观测装备将向智能化、信息化、专业化和模块化的方向发展，并通过谱系化发展功能日臻完善，可靠性不断提高。在此趋势下，我国业务化海洋观测仪器的研发应优先发展增强仪器性能的高精度传感原件和材料、提高业务可靠性的抗生物污损和防腐蚀等技术以及提高业务观测稳定性的智能电子电路、人工智能和自动化技术等。

致谢感谢国家海洋技术中心近海海洋环境观测与监测技术研究室在海洋台站调研中给予的协助，感谢评审专家为文章修改提出的宝贵意见！

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Discussion on development of operational ocean observing instruments (OOOI) in China——Comparative analysis on differences, trends and countermeasures of OOOI in ocean station between China and the United States

WANG Yi, LI Yan, GAO Yan-bo

(NationalOceanTechnologyCenter,Tianjin300112,China)

Operational ocean observation instruments (OOOI) lay a solid foundation for operational ocean observation system. Typical OOOI of ocean observing station in China and the U.S. were analyzed comparatively in terms of performance indexes. Then current status and trends of OOOI in the world were described and the prior developing technology of OOOI in China was discussed. The results show that the accuracy of tide gauge is one order of magnitude lower than that in comparing with the U.S., and the accuracy of wave height, period and wave direction are 0.2 m, 0.27 s and 5°～10° lower than those of U.S., respectively. Moreover, operation reliability and stability have also shortcomings. In the world, the ocean observation equipment is becoming more informative, intelligent, professional and modular. Besides, their functions are being perfected through serialization development and the reliability is increasing more and more. Under this trend, high-precision sensor and materials, anti-biological fouling and corrosion protection techniques as well as intelligent electronic circuit, artificial intelligence and automation techniques have the higher priority for developing OOOI in China.

operational ocean observation; ocean observing instrument; development trend; technical countermeasure

2016-01-18

2016-07-12

国家海洋局国家海洋技术中心业务项目资助(Y1140FZ04A,Y1150HW01)

王祎(1985-)，男，山西襄汾县人，博士，助理研究员，主要从事海洋技术和海洋观测保障研究。E-mail:wangyivictory@qq.com

P71

A

1001-909X(2016)03-0069-07

10.3969/j.issn.1001-909X.2016.03.011

王祎，李彦，高艳波.我国业务化海洋观测仪器发展探讨——浅析中美海洋站仪器的差异、趋势及对策[J].海洋学研究,2016,34(3):69-75,doi:10.3969/j.issn.1001-909X.2016.03.011.

WANG Yi, LI Yan, GAO Yan-bo. Discussion on development of operational ocean observing instruments (OOOI) in China——Comparative analysis on differences, trends and countermeasures of OOOI in ocean station between China and the United States[J]. Journal of Marine Sciences, 2016,34(3):69-75, doi:10.3969/j.issn.1001-909X.2016.03.011.