广域海洋船载集成式环境动态监测系统设计

摘" 要：基于海洋环境监测技术知识，从系统组成、关键技术、应用效果等方面梳理分析岸基固定式、浮标漂浮式和垂直断面式3种常用集成式监测系统形态，总结在应用和研究上存在的问题。利用海上已有船舶资源为载体，从基础物理感知、通信链路传输、平台网络获取和数据分析应用4层面，研究设计“集成式布设、多节点流动、一体式接收”的广域海洋船载集成式海洋环境动态监测系统拓扑架构和工作原理，最后从监测海域范围、占地空间、用电方式、维护周期和维护人员上进行性能优势分析。

关键词：广域海洋；环境动态监测；船载；集成式；环境动态监测系统

中图分类号：U674.37" " " 文献标志码：A" " " " " 文章编号：2095-2945（2025）05-0130-04

Abstract： Based on the technical knowledge of marine environmental monitoring， the three commonly used integrated monitoring system forms， namely shore-based fixed type， buoy floating type and vertical section type， are sorted out and analyzed from the aspects of system composition， key technologies， and application effects， and the problems existing in application and research are summarized. Using existing ship resources at sea as carriers， a wide-area ocean with \"integrated layout， multi-node flow， and integrated reception\" has been studied and designed from four levels： basic physical sensing， communication link transmission， platform network acquisition， and data analysis and application. The topology and working principle of the ship-borne integrated marine environment dynamic monitoring system are analyzed. Finally， the performance advantages are analyzed in terms of monitoring sea area range， floor space， electricity consumption method， maintenance cycle and maintenance personnel.

Keywords： wide-area ocean; dynamic environmental monitoring; shipborne; integrated; dynamic environmental monitoring system

环境污染和气候变化是当今全球面临的两大挑战，碳排放持续增加对生物多样性和生态稳定有着巨大威胁，对社会经济可持续发展产生严重负面影响[1]。为此，世界各国组织颁布了一系列相关法规政策[2-3]：2009年，欧盟制定《二氧化碳捕获与封存指令》；美国颁布地下注入控制计划和安全碳封存技术行动条例；联合国政府间气候变化委员会（IPCC）也发布《气候变化2021：自然科学基础》，指出目前全球地表平均温度较工业化前高出约1 ℃，人类活动已造成大气、海洋和陆地变暖。我国先后颁布《大气污染防治行动计划》、《打赢蓝天保卫战三年行动计划》和《二氧化碳捕集、利用与封存环境风险评估技术指南（试行）》，2020年习近平主席在第75届联合国大会上宣布“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”目标后，又在气候雄心峰会上进一步宣布了我国自主贡献的一系列新举措[4-5]。而海洋作为全球水汽循环和碳循环的重大载体[6]，其包含的叶绿素、泥沙含量等水色环境参数，温度、盐度、流速、流量、波浪和潮汐等动力环境参数，以及海底地形、海洋沉积物、冻土等地质参数都会直接影响碳循环和碳交换，是全球气候变化和维持生态平衡的关键因素。因此，深入剖析认知海洋环境，研究建立完备的海洋环境监测体系可以为全球绿色低碳发展和实现“双碳”目标提供关键技术支撑。

海洋环境监测技术作为认知海洋的重要手段，综合采用机械、电子、能源、材料和信息等交叉学科知识，实现海洋动力、气象、水文、生态、化学、海洋声光电物理特性及海洋地质地理等环境要素的监、观、勘测。近年来，我国积极建设能够覆盖一定海域范围、长期自主工作、实时获取海洋环境综合信息的海洋环境监测系统，但从长远发展来看，海洋环境监测系统技术逐渐从单平台到多平台、从单一对象到多要素监测方向发展，朝着高度集成化、综合化、远距离的具有信息自动处理能力的信息网络发展。

1" 技术现状及存在问题

1.1" 常用集成式海洋环境监测系统

综合文献[7]—文献[9]分析，目前集成式海洋环境监测技术形态最具有代表性主要有岸基固定集成式、浮标漂浮集成式及垂直断面集成式3种。

1.1.1" 岸基固定集成式海洋环境监测系统

运用测量感知、自动控制、电子信息及计算机分析软件技术实现水质、水文等智能监测，通过水样取配及处理、电能供给、安全控制、数据采集及通信传输等完成目标参数检测和获取。系统在设计上较为成熟，应用相对成熟，国内运行站点数达数百台套，主要用在距离海岸一般小于200 m近岸海域，通常占用土地空间需要8～20 m2，额定功率应用在400 W以上，需要市电交流220 V接入和专业运维人员每周1次的定期维护保养。

1.1.2" 浮标漂浮集成式海洋环境监测技术方案

运用测量感知、检测控制、电子通信及计算机分析等技术将设备集成于水面浮体内实现自动监测，可同时测量气象、水文、水质等参数，主要由聚脲或钢制浮体、单点锚系、供配电单元、数据采集单元、控制及传输单元、显示单元和感知传感仪器组成。系统设计主要用于距离海岸小于20 km的近海海域，采用单点锚系使得系统整体漂浮于一定范围内，主要采用光伏发电和蓄电池储能实现能量供给，整体功率通常控制在50 W以内，无需占地空间需求，但仍需要专业运维人员每月1次定期进行系统维护保养。

1.1.3" 垂直断面集成式海洋环境监测系统

系统通过水下缆系技术将“海面—海中—海底”设备连接实现海洋垂直断面监测，由海面漂浮单元、上端缆系单元、海中潜标单元、下端缆系单元和海底固定基站组成。其中，海面漂浮单元漂浮于海面之上，完成监测表面水体环境和气象等参数；海中潜标单元置于离海面20～50 m处位置，通过上端、下端缆系单元分别与海面漂浮单元及海底监测基站连接。海底基站为海底水体监测传感仪器提供集成空间和能量，并获取海底关键参数信息。系统设计应用于近两年刚刚起步，主要用于离岸大于20 km的较远海域，对可靠性要求较高。系统所需能量供给主要通过海面漂浮单元上光伏和储能模块实现，监测总功率有所上升，但总体通常控制在150 W以内，需要极为专业运维人员每半年1次的定期维护保养。

1.2" 存在的问题

1.2.1" 区域监测边界定位单一，海洋监测实施广域多元化需要加强

固定式、漂浮式和垂直式等多种技术形态及应用日渐增加，但监测区域边界定位单一，主要用于定点取样监测或监测范围受限。一是监测概念需要发展。在社会主义生态文明建设及“双碳”目标的大背景下，“点—线—面”概念和关系有待用发展的眼光去看待，从固定一点或一范围来监测海洋环境已难以充分展现整体环境状况，广域海洋下多元要素的环境监测是新阶段研究主体，是面向生态环境部“监测先行”要求的重要体现。二是监测技术需要改变。相较于传统的固定式监测技术，流动式监测技术应该被提升，内河无人船、无人机等应用无一不说明这一点，但针对广域海洋而言，应根据其实际特性及已有资源做好目标定位和措施保障。

1.2.2" 系统集成协同程度欠缺，海洋监测系统一体智能化有待提升

现阶段海洋环境监测技术按照“分模块—整体组合”模式设计，通过硬件连接实现，固定式岸基、漂浮式浮标、垂直断面集成式技术中均是如此，各部件协同均有一定延时，致使集成程度有所欠缺。一是一体化设计理念不足。从模块到整体的设计思路，缺乏“自上而下”即整体到模块的相关理念，不能从宏观统筹整体与部分的关系。二是智能协同软连接流程研究缺乏。不同属性模块之间应缩短硬件连接距离，增加软连接流程和实施标准规范研究，实现部件间协同实效性。

1.2.3" 运维数字关联应用落后，海洋监测运维简便高效化相对薄弱

海洋环境监测运维技术是保障监测系统应用的长期有效的重要保障。常用技术形态目前运维操作相对复杂，基本是靠专业人员现场完成。一是技术设计偏向前端，未能有效向后端扩延，导致“头重脚轻”。二是操作偏向传统方式，数字化服务引入不够。运维人员操作方式采用“互联网+”远程控制、大数据分析及处理等相对落后，使得操作简便、高效相对薄弱。

2" 广域海洋船载集成式环境动态监测系统设计

2.1" 系统拓扑架构设计

广域海洋船载集成式环境动态监测系统设计利用海上已有航运船舶资源为载体，建立“集成式布设、多节点流动、一体式接收”的全海域环境监测系统。系统由多个单节点系统组成，单节点之间相互独立工作，统一经传输信道将数据传输至接收终端。单节点结构按功能层级进行设计，分为感知设备层、采集控制层、能量供给层、标签层、通信层和框架保护层，如图1所示。

单节点为监测系统的主体设计，各层相互协调，并行协作，完成水体信息的感知、采集、存储及传输。

感知设备层由基础水体感知仪器组成，通过与水体直接或间接接触，应用光学、声学、电子等技术原理测量水体水质、水文等环境特征参数信息，并具备外部数据传输接口。

能量供给层主要设计能量耦合及变换管理器，根据船舶实际配置条件，可耦合接入船舶供电或风电等自然能转换的电能，通过稳压、分压变换、滤波等功能模块实现所需电压的各层级转变，并采用继电控制及电量监测完成对系统其他终端设备所需电能管理分配。

采集控制层设计控制融合及数据采集器，负责对不同基础水体感知仪器接口协议相互融合和数据多通道并行接收，并对感知仪器及系统其他设备下发控制命令，实现系统的自动运行工作，同时完成多种水体环境动态信息的汇聚、转换和控制。

标签层设计多点分布标签识别及定位器，包括标签识别和定位模块，完成系统装置的类别和位置标识功能，类别信息通过人工软件代码写入编号实现，位置信息由北斗卫星定位获取经纬度而获得。

通信层设计通信传输自适应调节器，主要应用北斗卫星及4G移动网络通信，根据广域海洋范围内现场信号范围和采集的数据容量进行自动切换传输信道，完成指令的下发和水体数据上传等信息传输工作。

框架保护层设计一体式垂直集成结构平台，外观呈圆柱形，内部进行垂直分层结构及机械密封设计，实现电源、控制、数采、通信、定位及水体感知等仪器的集成安装和结构密封。

2.2" 工作流程原理设计

系统设计工作流程原理按照“自上而下、并行协作”模式进行设计，分为层内模块化工作，层级间联动工作。工作原理图如图2所示。

能量耦合及变换管理器接入所处载体船舶内电源（220VAC或48VDC）或风电自然能转换电源（48VDC），达到系统整体能量源的耦合输入。系统能量源整体接入后，经220VAC-48VDC或48VDC-48VDC、48V-24/12/5VDC两级电源变换，完成下一层级设备所需能量的输出。同时，下一层级设备能量输出前设置电量监测和继电控制保护双模块，进一步对电源使用状态进行监控和控制，以保护下设备用电的有效和安全。基础水体感知仪器包括水质、水文及水体生物动态感知仪器，监测参数包括水温、溶解氧、浊度、酸碱度（pH）、电导率（盐度）、流速、流向及水面生物状态等，并可根据实际水体信息监测需要进行扩展。感知仪器通过与水体直接或间接接触获取水体特定参数信息，通过通信接口传输至系统上一层级控制融合及数据采集器。

控制融合及数据采集器持续接入上一层级能量输出长时工作，在系统中起到上传下达、中心处理的作用，包括控制量输出、模拟量监测、数据双向传输及数据采集存储处理模块。控制量输出模块通过控制量信号的输出实时或定时控制上一层级能量供给层与下一层级感知设备层的电源供给通断；模拟量监测模块采集识别电压、电流及温湿度等系统内部状态信息量判断系统运行环境的良好情况；数据双向传输模块负责向上下级设备发送指令或接收信息；数据采集存储及处理模块负责获取其他模块采集的数据信息，完成初步处理与内部储存。

多点分布标签与定位器通过定位模块和标签模块分别获取系统当前类别编号和位置信息，分别连接采集控制层和通信层，实现信息的系统内部识别存储和远程传输至接收端。通信传输自适应调节器还与采集控制层直接连接，通过数据容量和信号覆盖强度检测，自动调节信息传输通道，完成系统所采集信息的发送传输。

2.3" 性能分析

广域海洋船载集成式环境动态监测系统以单节点船舶为载体，采用海上组网方式进行目标海域环境数据采集，集成光、电、结构等模块，挂于船舶侧边或尾部随船舶流动性工作。在性能上，与常用的固定式岸基、漂浮式浮标、垂直式断面3种集成式监测系统相比较，从监测海域范围、占地空间、用电方式、维护周期和人员上分析如下。

1）监测海域上，系统设计随载体船舶流动，监测范围扩展至船舶流动区域，可以对全海域环境监测，相较于固定式岸基监测离岸200 m以内区域、漂浮式浮标监测离岸20 km内海洋区域和垂直式断面应用于远海（20 km以上）区域具有显著优势。

2）占地空间上，系统设计应用于海上已有船舶，无需使用土地资源，与漂浮式浮标和垂直式断面性能一般，但相较于固定式岸基监测系统所需8～20 m2有优势。

3）用电方式上，固定式岸基等常用集成式监测系统采取单一的市电和光储为系统提供能量，而船载集成式监测系统采用船电和光储双能源方式，为系统正常运行提供双重保障。

4）维护周期和维护人员上，不像常用的3种监测系统需要专业人员定期进行维护，船载集成式系统采用一体设计随船舶流动，维护可由船上人员进行维护，无需专业人员，时间上也更为灵活。

3" 结束语

广域海洋船载集成式环境动态监测系统设计基于海上已有船舶资源及海洋信息技术进行研究，旨在实现流动式、一体式集成全海域监测，是海洋环境监测技术向小型化、集成化再延伸和创新，为海洋建立具备广域性、流动式、垂直化的监测网络提供基础支撑。本研究提出了系统设计的架构和工作原理、一体式垂直集成结构、多点标签识别定位等思路，但在实现电子、光学、信息、机械和密封等多学科交叉及海上特殊环境应用理论方法，解决实现狭小空间下的能量转换、控制传输并行功能整体集成和标签算法完成海洋远距离范围内设备定位及通信传输等详细设计，以及系统的仿真模拟、实际应用测试指标上尚未深入探究，这将是作者下一步努力的方向，也希望本文能够给行业专家学者提供参考。

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