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基于海底观测网络技术的小型近岸海底监测站

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  【摘  要】海底观测网络是一种新型的海洋观测方式,能够实现对海底长期、实时、原位的观测。目前在中国科学院深海科学与工程研究所,依托其理环境和优势,以海底观测网络技术为基础,建立一套小型近岸海底监测站。海底监测站对近岸海洋环境进行实时监测,同时为海洋科学仪器和设备的研究测试提供平台,包括各种海洋物理、化学传感器、水下摄像机、水下机器人、浮标等,便于其与海底观测网络的组网对接。本文主要介绍了小型近岸海底监测站的组成及关键技术,海底监测站的建成对海底观测网络组网有着重要的意义。
  【关键词】海底观测网络;海底监测站;实时监测;组网对接
  1 前言
  国外的海底观测网络从上世纪九十年代就开始建设,主要的观测系统有:美国LEO-15海洋生态观测系统、夏威夷H2O观测系统、美国MARS海底观测系统、加拿大VENUS和NEPTUNE观测系统、日本的DONET等。
  国内,在2009年,同济大学在东海小衢山建立了中国第一个近海观测站,但离真正意义上的具有可扩展、大规模的观测网仍有很大差距[1]。在国家高新技术研究发展计划的支持下,浙江大学从2007 年开始进行了通用性海底观测网接驳盒技术研究[2],并实现了直流2 kV与10 kV 供电的主接驳盒样机和375 V供电的次接驳盒样机[3],于2010 年9 月份在中国东海进行了10 kV 海底观测系统的浅海海试[4],于2011年4 月至10月在美国加利福尼亚州的蒙特雷湾进行了次接驳盒与美国MARS观测网联网对接试运行[5],均取得了成功。从2012 年开始,中国多所院校联合攻关大规模海底观测网技术,在南海和东海分别建立应用型观测网。在2013年5月,中国科学院在南海三亚附近建立了一个2 km长的示范性海底观测网。2016年9月,国家高新技术研究发展计划海洋技术领域海底观测网试验系统重大项目,由中国科学院声学研究所牵头,浙江大学、中天海洋系统有限公司、中天科技海缆有限公司、同济大学、中国海洋大学、清华大学等多家单位参与建设的南海海底观测网络试验系统,成功完成了在中国南海的海上布放、深海组网接驳测试、海底持续观测等建设任务。
  小型近岸海底监测站是一种简化的单个海底观测网络节点,其接口定义、供电、通讯协议均与南海海底观测网络试验系统保持一致。由于海洋施工风险大、成本高,海底监测站为南海海底观测网络试验系统提供了可靠的组网接驳测试平台。
  2 系统架构
  小型近岸海底监测站系统架构主要包含三个部分:岸基远程監控和供配电系统、电能传输与通讯链路、以及海底电能与通讯接驳系统,结构示意图如图1所示。从拓扑结构上可划分为电能网络和通讯网络。
  电能网络由岸基供电电源开始,经传输缆向节点提供375V直流恒压电能供给,在节点光电分离器中进行光电分离,后进入节点接驳盒,经节点接驳盒内部电能变换,为各类科学仪器提供不同电压等级和功率需求的直流恒压,其供电网络示意图如图2所示。
  通讯网络由岸基光电交换机开始,经传输缆中的光纤与节点组成通讯网络,为每个节点提供2-4根光纤,在节点内部将光通讯转换为电通讯,以提供给节点接驳盒控制器和外接科学仪器,其通讯网络如图3所示。
  其中:
  (1)岸基站包含直流供电电源、岸基电源监测管理系统、远程监控系统、光电交换机和光电分离器等,主要功能包含:1)为水下设备提供直流恒压供电;2)对水下节点接驳盒进行远程状态监测和接驳控制;3)与科学仪器进行远程通讯,以获取监测数据;4)对岸基主电源和UPS电源的工作状态进行监控,如电压、电流、温度、电池剩余电量等。
  (2)传输缆采用双芯光电复合缆,主要功能为提供系统电能供给和光通讯传输的链路;
  (3)节点接驳盒为水下工作站主要转接平台,主要功能包含:1.光电分离2.中低压电能变换;3.系统内部状态监测;4.与岸基建立通讯网络,并将光通讯转换为电通讯;5.对科学仪器提供不同电压等级的电力支撑和多协议的通讯接口。
  (4)科学仪器为外接搭载系统,,可从节点接驳盒获得不同等级的恒压供给和百兆通讯转接。
  3 系统组成
  3.1 岸基站
  岸基站是整个海底监测站的控制中心,具有独立的隔离电源供配电设备,为整个网络提供持续的电能供给;具有远程监控与运行管理服务器,可实现所有水下设备的实时监测和远程控制,保障水下设备的正常运行;同时,建立本地数据库和大容量数据服务系统,可实现网络中的所有监测数据的流转、存储、分析和可视化,并最终实现与用户终端的数据交互。
  3.1.1 岸基直流电源
  海底监测站建设采用定制化恒压岸基直流电源,实现220V AC到400V DC的转换,最大电流10A,为整个系统提供有效地直流恒压电能供给。
  3.1.2 UPS电源
  UPS电源为海底监测站建设提供供电的安全保障,保证系统在人为或外界环境导致岸基电源断开或损坏的情况下,整个系统能够正常工作。UPS电源主要包括主机和电量存储蓄电池。
  3.1.3 岸基电源监控系统
  岸基电源监控系统主要是海底监测站的能源管理中心,实现对水下设备的电能供给调配、岸基电源运行状态监控,以及电能供给故障告警功能,具有高可靠性和实时性。主要包括岸基电源监控与管理系统、岸基站运行状态监控系统和基站供配电应急响应系统。
  3.1.4 远程监控系统
  远程监控系统主要是通过岸基服务器对水下节点及科学仪器的运行进行监控管理。主干网络采用光纤通信方式,完成接驳盒大量数据到海岸基站的传送。网络规范通信协议采用TCP/IP协议组以及自定义协议通信(通信帧格式、内容等自定义的通信协议)。远程监控系统主要由三部分组成,第一部分为岸基服务器,第二部分为光交换机与主干光纤传输线,第三部分为水下节点接驳盒系统。

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