浮标式水质在线监测系统的研究现状调研

浮标式水质在线监测系统的研究现状调研一、浮标的工作原理1)水质浮标在线监测系统构成水质浮标的主体主要由浮标体、水质参数传感器、供电系统、数据采集系统、ＧＰＳ定位系统和数据传输系统等组成，水质浮标集成了传感器技术、计算机技术、数据采集处理技术、通信技术以及定位技术等高新技术。浮标体主要提供各子系统的搭载平台，保障系统的正常运行；水质参数传感器是浮标监测系统的核心，主要是利用传感器技术进行水质参数指标的测定，获取水质参数数据；供电系统主要为浮标监测系统的电子仪器进行供电，保障仪器的正常运行，目前浮标电源系统主要是用太阳能板给蓄电池补充能源；数据采集系统主要集中采集和存储各水质参数传感器测定的数据；ＧＰＳ定位系统实现浮标位置信息的获取和浮标的远程监控；数据传输系统主要实现数据的定时自动发送。2)浮标工作模式水质浮标工作模式一般是采用间歇式工作方式，用户根据需要设定工作时间或者间隔时间。休眠工作时段传感器、数据采集和数据发射系统等部分断电休眠，只有值班电路工作；休眠结束时，系统给传感器进行供电初始化，进入工作时段，水质传感器进行水质参数监测，数据采集系统进行数据采集和存储，数据传输系统定时把数据发送出去后，系统断电进入休眠时段。3)浮标数据传输系统：浮标数据传输的实时性要求较高，一般延时小于１min；浮标监测系统一般布设于远离陆地的近岸海域，因此浮标的数据传输系统主要采用无线通信方式，目前应用较多的通信方式有：GSM、CDMA和GPRS通信方式、Inmar－satC通信方式。GSM、CDMA和GPRS通信方式，主要是利用移动通信公司的移动通信网络，数据以SMS短信息的方式进行发送。此方式灵活，性能可靠，成本较低，实时性较好，不受时间限制可连续工作。但该方式受移动通信网络覆盖范围的限制，只适合移动通信网络覆盖范围之内的近岸海域，使用范围受限。Inmar－satC通信方式主要是利用国家海事卫星组织管理的Inmar－satC系统提供的全球海事卫星通信系统，采用信息存储转发的方式进行通信。此方式覆盖范围广（覆盖了世界大部分海洋），实用性强，稳定性和可靠性高，实时性好，设备较小，但通信成本较高。太阳能控制器太阳能电池板电能存储系统浮标平台及浮体瞄泊系统太阳能供电系统数据采集传输系统监测传感器水温叶绿素电导体浑浊度天线天线中心站监控平台卫星GPRS图1浮标式水质自动监测系统组成示意图二、浮标的研究现状2.1国外浮标式水质监测技术的发展现状1）通用型浮标水质监测技术已经成熟通用型水质检测浮标主要指当前已经产品化,并且能够满足常规海洋参数观测业务化运行的浮标2）重点发展多种专用型浮标针对特定的应用需求,国外研制了多种专用浮标系统,代表成果有海洋剖面浮标、海上风剖面浮标、海啸浮标、波浪浮标、光学浮标、海冰浮标、海气通量观测浮标和海洋酸化观测浮标等。2.2国内浮标式水质监测技术的发展现状1）通用型观测浮标已实现业务化运行,构建浮标观测网,总体技术水平与国际相当。我国从1965年开始研制海洋资料浮标,经过近50年的发展,在国家863等计划和有关部门的支持下,取得了丰硕的成果,已经基本掌握了关键核心技术,总体已经达到国际先进水平。我国研制的第一个海洋资料浮标诞生于1965年,为船型结构,如图2(a)所示。此后,在国家的支持下,浮标技术大力发展,目前,已经形成了直径从10m到3m的产品系列(如图2(b)-(e)所示),完全能够满足我国近海长期业务化观测的需求,其中研制的3m直径小型浮标为2008年奥帆赛提供了大量有效数据,受到各界一致好评。深远海观测浮标方面也开展了部分工作,研制了工程样机,取得了一定成果,布放海域最深达到3500m,最远至印度洋和格陵兰海海域。图2我国自主生产的海洋资料浮标代表产品我国的海洋资料浮标研制虽然起步较晚,但在某些方面的水平已经达到国际领先水平。观测参数种类多于国外产品;采用了多种数据通信手段,其中北斗通信方式是我国独有;数据传输间隔方面有多种传输间隔可供选择。2）专用型浮标研究取得一定成果海洋剖面观测浮标:“十五”期间,国家海洋技术中心研制了利用马达驱动的剖面观测系统(图3(a)），“十一五”期间中船重工710所研制了利用浮力控制的剖面观测浮标系统(图3(b)),中科院海洋所研制了波浪能驱动式的剖面观测浮标系统(图3(c)),3种系统均经过了海上测试,最大布放水深达4000m,能观测海水温度、盐度、深度和海流等参数。图3我国研制的海洋剖面观测浮标波浪浮标:我国的浮标测波技术取得丰硕成果,代表成果是山东省科学院海洋仪器仪表研究所研制的0.9m直径的SBF3型球形测波浮标(图4(a)),其观测结果精度与国外产品相当,已经成为相关部门的业务化观测装备,广泛应用。此外,还有中国海洋大学研制的SZF型椭球形波浪浮标(图4(b))。图4我国研制的波浪浮标浮标式水质监测技术总体达到国际先进水平,能够满足沿海海域业务化运行的需求,但与国外海洋技术大国相比还存在较大差距,主要体现在搭载的仪器设备的性能、测量精度和工作可靠性等方面,但在系统集成、布放回收等方面差距已不明显。三、浮标的相关技术浮标式水质在线监测系统是一个复杂系统,涉及多个学科、多个关键技术,经过多年的发展,部分关键技术已经成熟。但随着应用需求的增加以及新原理、新材料和新技术的不断涌现,浮标关键技术也在不断的发展和变化。根据国际上的发展趋势以及我国当前面临的形式和迫切需求,表1概括了当前亟需发展的部分核心关键技术。在双向通信交互技术、水下数据实时传输技术、传感器总线式处理控制技术方面处于国际先进水平,其他技术均落后世界水平5年以上。技术类别核心关键技术浮标结构设计技术(1)新型深远海定点平台设计技术(2)新型定点平台性能评价技术(3)低成本易布放回收平台技术数据传输与通信技术(4)安全高效的数据传输技术(5)双向交互通信技术(6)水下数据实时传输技术数据采集与控制技术(7)新一代智能数据采集控制技术(8)总线式传感器控制技术(9)海洋传感器的即插即用技术(10)采集数据质量控制技术传感器技术(11)高精度、高可靠性传感器技术(12)多功能、多参数传感器技术(13)智能传感器技术系留技术(14)牢固耐用锚系设计技术(15)新材料新工艺锚系技术(16)深海系泊技术能源供给技术(17)深海平台长期稳定供电技术(18)太阳能、风能及混合供电技术(19)波浪能和潮汐能利用技术(20)大功率综合供电技术表1海洋资料浮标核心关键技术列表此外，浮标长期运行面临的挑战：•硬件品质和耐久性•水生物入侵和玷污•泥沙附着和堵塞•自然力破坏•腐蚀•突发因素（人为因素）•技术支撑能力•运行规范•日常维护团队•数据会商制•应急响应机制3.1技术瓶颈和发展趋势1）数据传输目前突破不了大容量传输、同时数据传输有小于1min的延时，实现不了高精度的数据实时传输深远海数据通信受限于通用的海事卫星、北斗卫星通信数据量和价格的限制,如何进行大容量、实时数据传输是目前急需解决的技术难题。另外,稳定高效的浮标水下数据传输技术还不是很成熟,因此高效稳定的水声、激光数据传输也是一种重要发展方向。2）浮标上的传感器依赖进口海洋传感器依然是我国的弱势,虽然我国已经能够自主生产部分传感器,但在精度、实时性、长期可靠性和稳定性方面还存在很大差距。高技术含量的传感器则完全受制于人,如ADCP、叶绿素、CO2、溶解氧等基于声学和光学原理的传感器完全依赖进口产品。3）海洋资料浮标观测由单点向网络化综合化发展4）通用型浮标向高精度、多参数、多功能综合观测发展5）专用型浮标向专业化发展6）海洋资料浮标能源补给向多样化发展目前,太阳能供电技术已经非常成熟,绝大多数浮标都采用太阳能加蓄电池的混合能源补给方式。但随着长期连续观测要求的提高、搭载传感器的增多及观测功能的扩展,这种能源补给方式注定将不能满足需求,甚至会限制浮标应用的扩展。随着风能、波浪能、温差能等发电技术的发展与成熟,这些技术必将成为浮标能源补给的重要方式。加拿大AXYS公司的WindSentinel浮标已经在太阳能加蓄电池的基础上,率先增加了风电和发电机两种能源补给方式。我国则依然采用太阳能和蓄电池混合的能源补给方式。3.2我们研究的着手点1）通信系统中的数据传输只能小容量传输且伴有延时（延时1min左右），研究人员可以从通信系统的性能改良方面作为出发点改进目前这种不足。另外，在数据传输中有时会涉及到重要信息丢失的问题，科研人员也可以从信息安全角度去解决或改良这个问题。2）浮标上的重要的传感器大多都是国外进口（例如，水体叶绿素检测传感器），国内无法自主研制一些高端的传感器，这使得我们的高端传感器技术必须依赖于国外，科研人员也可以以高端传感器的自主研发作为科研出发点。3）目前我们的浮标监测精度还有待提高，监测参数也有待增多，监测精度受采集精度和传输精度影响，监测参数受传感器种类影响，科研人员可以从源头上来改进不足，即提高传感器采集精度、传输精度和开发新的传感器种类。