水利与建筑工程学报
Journal of Water Resources and Architectural Engineering 第3卷第(期9 0 0 1年2月
Vol. 19 No. 1Feb. ,2021
DOI ：3. 9799/(. issx. 1672 - 1144.211.21.029
谢孜源、，许 宁4，王铭基3孙珊珊5，张大勇4，王延林4
(1.大连理工大学运载工程与力学学部，辽宁大连13023； 9大连理工大学海洋科学与技术学院，辽宁盘锦34271;
3. 大连理工大学物理学院，辽宁盘锦34271;
4. 国家海洋环境监测中心，辽宁大连116023；)
摘要：基于冰与锥体的作用规律和现有的海洋浮标观测技术对抗冰浮标标体和系泊系统、太阳能风 能互补发电系统、海洋观测传感器系统、观测数据实时远程传输系统等进行了研究。最终对该系统进行 了组 装调试和海试，获得了该海域冬季的气温、海水温盐深、溶解氧、叶绿素、浊度和pH 值等观测数据。
数据分析结果表明，渤海辽东湾海域的冬季海水参数变化显著，对海洋生物影响较大。关键词：海洋观测；抗冰浮标；风光互补发电；水质信息；海洋牧场
中图分类号：P73.2 文献标识码：A 文章编号：372—134(2021)01—0052—07
Design of Anti-ice Ocean Observation Buoy System
in Wintev Frvzen See Area
XIE Ziyuax 1, XU NUg 0 , WANG Mingji 1, SUN Shanshax 5, ZHANG Dayoug 2, WANG Yanlix 2
(1. Faculty of Vehicle Engineering ang Mechanic/, Dalian University of Technology , Dalian , Liaoning 13423 , China ；
2. Schoni ef Ocean Sciencu ang Technology , Dalian University gf Technology , Panjin , Liaoning 190221 , China ；
3. Schoni of Physics , Dalian University gf Technology , Panjin , Liaoning 190221 , China ；
4. Nationai Marian Environmentai Monitoring Center , Dalian , Liaoning 119423 , China)
AbstrvcC : Base/ on tUv interachon law of Uo and cone and tUv existing ocean buoy ohservWion Uchnology ayainot tUv
ice buoy boky and mooring system , solas and wind complementau' power yeneration system , ocean oVservation sensor system , real - time remote transmission system of ohservation date , etc. I e tUv end , tUv system wax assemble/ ,
Ud and tested in the sea , and the oVserveb date such at ais temperature , saiU deptU , dissolve/ oxygen , chlorophyll,
turkiUiU and pH value were oVtaineb in winter. The date show that the variation of sea water parameters in winter in
Liaokony Bay of Bokai Sea is uastaOlo , which has great impacte on marine organism.
Keywords : ocean observation ； ice - resistani buoy ； wind - solar ccmplemeatary power genervtion ； water
quality information ； marine rvnehing
随着陆地资源匮乏、人口膨胀等问题的日益严 重，各国将目光投向了海洋，加快了对海洋的开发和 利用。海洋观测是海洋国防、海洋运输、海洋环境、 海洋气候的重要研究手段之一。发达国家的海洋环 境监测历史长达百年以上。美国早在20世纪82年
代就建立了全国永久性的海洋立体监测系统，英国、
德国、日本、加拿大等国家也都在其邻近有利害关系
的海区及大洋布设了以岸基监测站和浮标为主的海
洋监测系统［］。全球海洋观测网(Array far Reni - time Geostrophic Oceanography , ARGO )是由美国主
导，欧洲多国、中国等参与的全球性海洋观测项目， 以获取海洋上层温、盐剖面的数据，提高海洋气候预
收稿日期：2922T9T4 修稿日期：2922T1T6
基金项目：国家自然科学基金项目(41306201 ；41977087)和中央高校基本科研业务费(DUT20JC07)
作者简介：谢孜源(1996—)，男，河南郑州人，硕士研究生，研究方向为海洋结构监测与分析。E-mail ： 1480751238@qq. cm
通讯作者：王延林(1981 — )，男，山东莒南人，博士，副教授，主要从事海洋结构监测分析与评价方面的工作。E-mail ： wanyyl@dluU eda co
第、期谢孜源，等：冬季结冰海域的抗冰海洋观测浮标系统设计53
报为目的［］。美国M oo W cp Bop Aquarium Research Institute(MB A RI)研究所设计了MBARI Ocean Ob wcamc System(MOOS)浮标基海底观测系统A5］，在直径3m的浮标上搭载风机、太阳能板，通过光电复合缆为海底复合仪器供电，布放深度3000m。意大利研制的Cabled Undercater Mohute for Acquisition of Seismolooicat Datc(CUMAS)系统［9_7］，用于观测海洋气象和海底地质变化，该系统搭载了6块太阳能板作为发电装置，额定功率为140W，布放深度140m。美国Ocean WorUs公司研制的Cyprus Coastal Ocean Focccstmo and Observing System(CYCO1 FOS)海洋预报与观测系统［5-6］，采用柴油机发电方式为海底仪器供电，额定功率为1kW,CYCOFOS海洋观测系统采用VSAT卫星通信，数据传输速率达到1Mbps，该系统在水深2440m的范围开展了布放、回收。
我国早在20世纪60年代中期就开始着手对海洋浮标的研发。而潜标技术的研究工作始于20世纪5年代初，到90年代初期，已研制成功了千米潜标系统、深海潜标系统和浅海潜标系统［0］。697年，我国
山东省科学院海洋仪器仪表研究所研发了FZF223海洋资料浮标系统，最大放水深200m，并首次在海洋监测技术上应用了卫星实时传输浮标数据［⑴。2007年，中国科学院海洋研究所在北黄海獐子岛首次投放了ADCP组合潜标,2010年，在青岛崂山东部海域针对青岛沿海环境变化和浒苔绿藻发生发展灾害而布放了、套3m综合观测研究浮标⑴。
目前在冰区资源开发面中还面临着众多亟待解决的问题口4］，而且我国北方环渤海港口多为冬季冰冻港口，从每年的6月至次年3月为结冰期，、月中旬至2月下旬的冰期最为严重。在风和流的作用下形成大密集流冰，对浮标标体造成损伤，使浮标移位口3］。同时，显形面积小，供电时间短，频繁更换浮标等问题愈发突出。为解决这些问题，本文设计了一套高度标准化、模块化、系列化的抗冰海洋观测浮标系统。该观测浮标系统可以在冬季恶劣的结冰环境下对海洋环境要素进行长期、持续、自动、实时的监测，同时在海洋气象监测和海洋灾害预警方面也具有重大意义。
1抗冰海洋观测浮标系统
抗冰海洋观测浮标系统(下文统一简称“冰标”)是一种面向冬季结冰或寒区海域的海洋信息在线监测浮标系统。该冰标系统包括：抗冰浮标标体、系泊系统、太阳能风能互补发电系统、海洋观测传感器系统、观测数据远程实时传输系统。监测信息主要包括海水的温度、盐度、深度、浊度、p H值、溶解氧、叶绿素等参数。图1是抗冰海洋观测浮标系统示意图，该模型系统包括航灯、北斗模块、太阳能
板发电模块、气温传感器、海水温度传感器、盐度传感器、深度传感器、多参数水质传感器、叶绿素传感器、数据采集存储模块、抗冰浮体、锚链和锚块等装置。
图1抗冰海洋观测浮标系统示意图程序
61抗冰浮标标体和系泊系统
一般情况下，冰排在标体前可能产生挤压、弯曲的破坏形式，而且海冰的弯曲强度远小于其抗压强度，所以采用合适的浮标结构可以使海冰的破坏形式变为弯曲破坏。此外，锥体冰载荷随锥角的增大而增大，海冰的平均断裂长度则随锥角的增大而减小；当锥角小于70。时海冰的破碎模式主要为弯曲破坏，而当锥角大于70。时海冰破坏模式则主要为挤压破碎［4］。因此，如图2所示，该冰标标体为钢制结构，结构强度高，标体的主体结构由类锥体和柱体结合而成，锥角为60。，使海冰的主要破坏形式变为弯曲破坏，以满足破冰要求和海浪拍打的强度要求。干湿交替过程会增加氯离子的渗透速率，增加腐蚀电流，从而加速腐蚀过程［5］。因此，标体表面涂有黄防腐涂层，减缓海水对标体的腐蚀。同时黄涂层在海上形成明显的差，减小来往船只与
54水利与建筑工程学报第6卷
其碰撞的风险。
标体最大直径2.5m，排水量约657）。整个标体共等分为5个水密舱，水密舱为标体提供浮力并满足其抗沉性要求，同时满足《浮标通用技术条件》［i6］（j T/t760—2009）的摇摆周期要求。蓄电池存放在圆柱桶内，为采集仪器供电，同时依靠蓄电池自身重量增加浮标的稳性，降低浮标的重心，达到更好的抗冰、抗风、抗流和导冰效果。标体设计5个耳环，其中2个在标体上部边缘对称部位，用于冰标的安装和起吊，同时也方便在使用时对冰标检修和维护。冰标顶部安装有航灯、太阳能板、风力发电机。另外3个在标体下部（如图2所示）以三等分圆的120。角分布，用于系挂锚链对标体进行系泊。
图4标体和三点系泊
如图2所示，冰标底部的3个耳环分别系着三条锚链，为三点系泊方式。采用这样的系泊方式，可以减小每根锚链的张力，增大锚链的安全系数。锚链底部连接锚块。锚块采用粉状水硬性无机胶凝材料，这种材料的锚块强度高、密度大，且具有很强的抗腐蚀性能。本文设计的冰标系统海试地点在辽河口生态保护区，离岸约10海里，水深约7m〜5m，海底为淤泥和黏性土。在这种海域，“链+重块”系泊系统具有减少锚点上拔力，安装、解脱较方便等特点［7］。
62太阳能风能互补发电系统
常规浮标采用太阳能发电，蓄电池供电，供电期约为5个月。但冬季气温较低，常规蓄电池稳定性差［3］。所以，研究长效稳定的供电系统刻不容缓，本文设计的冰标采用高效能的硅能蓄电池和太阳能风能互补发电系统，降低电源维护周期，增加供电系统的可靠性。风光互补发电系统主要可分为4个环节：发电、控制、储能、送电［5］。主要包括：光伏发电组件、风机发电组件、逆变器、互补控制器、蓄电池组等。
如图3所示3个太阳能发电板固定在支架四周，尽可能地增大光照面积，进而增大发电量。本文选用的太阳能板其光电转化率高达6%，设计电压6V，最大电流2.9A，每块电池板设计功率50W，板长535mm，宽674mm，厚34mm，重量约6.5kg，安装平面与地面夹角60。，使用寿命高达25v o本系统的风机设计功率340W，设计电压12V，净重9.6ko，风轮直径635m，启动风速3m/s，安全风速50m/s，额定风速11m/s。互补控制器：系统电压12V，风机输入300W，光伏320W输入，采用限压、限流的充电方式，保证在光伏发电或风力发电不足时，通过互补控制器转换为蓄电池供电，同时具有温度补偿和过载、短路保护的作用。逆变器：系统电压12V，系统功率500W，主要作用是把太阳能板或蓄电池发出的直流电转化为交流电，为监测仪器提供稳定的交流电。蓄电池：采用4块光合硅能蓄电池，放电电压12V，容量140AH/块，使用温度在-34兀〜67兀之间，使用寿命2a〜3a。如图4所示，蓄电池可以储存太阳能板和风机发出的多余的电能，同时在光伏发电和风力发电均不能满足本系统负载的情况下，蓄电池可以直接给直流负载供电，也可以通过逆变器给交流负载供电。
图3太阳能风能互补发电系统实物模型
63传感器系统
本冰标系统主要监测冬季结冰海域的水质情况，为了更好地研究冬季海水水质情况，我们采集了
第（期谢孜源，等：冬季结冰海域的抗冰海洋观测浮标系统设计55
以下观测数据：海水温盐深、浊度、叶绿素、pH值、溶解氧等。在选择相应的传感器时需要考虑以下要素：（1）具有良好的性能指标及精度；（2）免维护周期长；（3）携带安装便捷；（4）通用性强；（5）功耗低；（6）供货周期短，价格合理［6］。
蓄电池
交流负载
图4风光互补发电示意图
辽河入海口距岸约3海里处海域落潮水深4 m〜5m，涨潮水深7m〜8m，冬季最大冰厚可达20 mm，海水盐度约34PSU（Prwticai SOUity Unit）。渤 海辽东湾冬季盛行偏北浪，波咼通常在0.5m〜1.3 m之间，寒潮侵袭时最大波高可达9m，潮流流速为30cm/s，冬季平均风速6m/s〜7m/s。根据这些条件，我们选取以下监测仪器作为观测的传感器系统。
盐度传感器：供电电压3VDC或20VDC；用金属钛作外壳材料，具有耐腐蚀、高稳定性等特点；量程0〜2ppt U part per thouswd），使用寿命2a〜3a；通讯接口RS-485，集成标准Modbus RTU通讯协议。
多参数自清洁传感器：供电电压为3VDC±5%；可同时选配溶解氧、电导率/盐度、浊度、氨氮、pH、ORP等数字传感器，本系统只选取溶解氧、盐度、浊度、p H这4组参数进行监测，其中溶解氧传感器的量程0〜20my/L，精度±0.6my/L，分辨率0.01my/L，浊度传感器量程0〜200NTU，分辨率0.1 NTU，盐度传感器量程0〜74PSU,pH传感器量程0〜3pH，分辨率0.01pH；通讯接口RS-485，集成标准Modbus RTU通讯协议。
叶绿素传感器：量程0〜400uyZLX或0〜30RFU），具有自动清洁刷，可以有效消除气泡，减小玷污对测量的影响，防护等级IP68，最大测量水深可达20m，输出RS-485信号，支持Modbus RTU 通讯协议。
温深传感器：采用投入式静压液位变送器，可同时测量海水的温度和深度，深度量程0〜200m，温度量程-20°C〜70°C，供电电压为3VDC〜32 VDC，防护等级为IP68，具有抗过载能力强、防浪涌电压、抗腐蚀性能优良、过压过流保护、反向极性保护、稳定性高、抗干扰能力强的特点。
1.0观测数据实时远程传输系统
观测数据实时远程传输系统主要由数据采集模块、数据处理模块、数据存储模块和数据发送模块组成。数据采集系统通过太阳能风能互补供电系统的供电，利用数据采集模块进行数据采集工作。各个传感器输出的信号均为485信号，每个传感器都有各自的地址。现场各监测点数采器以485总线“手拉
手”模式相互连接。
数采器通过预先设置好的程序向各个传感器发出采集命令，对应的传感器接收到采集命令后反馈给数采器原始数据。数据采集模块把原始数据进行解析，获得各个传感器的实时数据。一方面，这些实时数据可以发送给数据存储模块，存储模块把接收数据时对应的本地时间和传感器数据一同储存在本地储存卡内。另一方面，数据处理模块把传感器数据发送给数据发送模块，数据发送模块接收到传感器数据后，对数据进行打包处理，并把数据按设置好的方式发送给北斗通讯终端。北斗通讯终端通过北斗卫星将数据发送给岸站接收中心。岸站接收中心可以将数据进行解压、还原等操作，获取不同时间的各个监测位置的数据，同时可以通过程序将数据进行实时的显示、本地的储存等操作。
2系统测试
选取辽河口生态保护区，离岸约3海里海域，对抗冰海洋观测浮标系统进行测试，测试内容包括：标体的强度、抗沉性、摇摆性；太阳能风能互补发电系统的可靠性、持续性、安全性；传感器系统的准确性、稳定性、精度；观测数据实时远程传输系统的及时性。2013年冬季在现场安装好冰标，采集了5d 的数据，证明冰标的各系统均运行正常。
为了验证该抗冰海洋观测浮标系统的可行性，研究人员在渤海辽东湾离岸约3海里处进行了海上测试。海试得到了2013年3月24日至3月23日的观测数据，通过Origin绘制以下深度，水温，气温，盐度，
溶解氧,pH，叶绿素，浊度关于时间的折线图
。
56水利与建筑工程学报第6卷
如图5所示,D1、D2、D3、D4分别代表了四个传感器的深度,T1、T2、T3、T4分别为对应四个位置的水温,Ta为海面的气温。由图可推出，在从水面到水下12m的深度内，浮标所在深度和相应水温及其变化趋势基本相同，同时水温保持在0C附近。在气温降低4C的条件下，水温基本不变，只呈缓缓下降趋势，同时在气温升高4C的条件下，水温同样基本未发生变化；并且在气温回升后，水温也停止下降。而从垂直角度观察，随着深度的增大，水温有升高的趋势。
时间（月-日）时间（月-日）
（b）D212-24
2r
12-26
时间(月-日)
(c)D3
12-28
12-2412-2612-28
时间(月-日)
,(d)D4
O
12-2612-28
时间(月-日)
(e)Tl
-
O
-2—
12-24
2r
12-2412-261
O
12-24
2r
12-2612-28
时间(月-日)
(f)T2
-6-------------------------------——
12-2412-2612-28
时间(月-日)
(1)Ta
时间（月-日）（g）T3
-1------------------------------------
12-2412-2612-28
时间(月-日)
(h)T4
图5测试海域水深、水温和气温变化趋势图
总体的水温变化较小可能是由于在大气压下，水温最低为0O C（海水则稍低一些），此时水体已经到达凝点而结冰。结冰后释放的热能阻止了海冰的进一步形成，从而使水温维持在冰点。具体而言，由于初冰期海面上已经结成较薄的冰层，水温的变化由热传递影响，与水体直接接触的冰层由于与广大水体有直接接触从而发生的热传导始终保持在0C 附近；而热对流则由于冰层的存在阻绝了空气与水
体的热交换，使热量交换发生在冰层与大气之间，而 实际效应则体现在了在相变之上，而非温度，因此热对流对水温并无影响；热辐射主要来自于白昼阳光照射，但是由于冰层冬季表面覆雪，颜呈白且无法融化，从而反射率较大，透射率较低，水体通过热辐射获得的能量有限，且如果获得热量，也很快通过与初冰期冰层的热交换重新到达0C；因此水体水温变化较小。而水温随着垂直深度的上升的原因，推测是越靠近冰层的水体，由于与冰层的热交换越剧烈，因此越靠近零度；同时由于处于冬季初冰期，垂直角度上波浪以及入海口河水的注入对水体混合的影响减弱，不同深度水层内质点的上下浮动相比平常较为缓和，因此不同深度水层之间的混合程度不大，从而形成了仅由热传导为温度变化因素的温度梯度；因此，随着深度越大，温度具有较为均匀的升高趋势。
图6中的S1、S2、S3、S4和St则反映了在五个不同监测位置下，所对应盐度的变化，从图中可以观察到，盐度在20%。〜32%°之间波动，其中在26日午至27日结束波动较为剧烈，而总体稳定在24%。〜30%°，符合渤海近岸水体盐度特征：24]o但从图9中的数据分析，造成这种波动较大同时盐度偏低的情况可能是由于测量位置位于辽河入海口附近，淡水注入海水中，稀释了海水的盐度，并且处于冰期，每 日每时河流入海口处的径流量不同，造成了盐度的较大波动。然而，数据中的这些尖峰很有可能并非自然测量得出，而是测量仪器由于热滞现象⑵]所产生的误差和由于测量间隔时间较大导致盐度在每个
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