一种海洋动力环境海底有缆在线观测系统

摘要

本发明公开了一种海洋动力环境海底有缆在线观测系统，主要包括海底观测平台、海底电缆、岸基监测站、控制与数据服务中心四部分组成。海底观测平台实现了能源供应与分配、信号传输与转换，传感器电源管理与数据采集控制；海底电缆连接海底观测平台与岸基监测站，传输380V直流电压及5Mbps数据信号，解决能源供给与数据传输限制；岸基监测站提供持续能源供给，并且负责转发远程实验室控制指令与传感器实时观测数据；控制与数据服务中心实现系统远程控制与管理，以及对实时监测数据进行分析存储，实现数据共享。

说明书

技术领域

本发明属于海域观测技术领域，具体涉及一种海洋动力环境海底有缆在线观测系统。

背景技术

经过多年的研究与发展，海洋环境监测在技术手段、监测方法、目标设定上取得了长足的进步，对水文气象参数、水质生物状态参数、物理化学参数等海洋要素监测提供了有效地解决方案，相继衍生出一些新的水下探测技术，如海底原位观测。

传统监测技术(自容式原位观测)受制于能源供给与数据传输，无法实现长期实时在线监测。东海海底观测小衢山试验站、南海海底观测网试验系统等项目，通过海缆与岸基联网解决能源供给与数据传输限制，提供了一种对海洋环境要素监测的新的解决方案。

两者的成功建设与运行，在一定程度上也填补了我国在海底有缆方面的技术空白。但是，在实用性以及通用性上仍然存在一定的缺陷。在系统整体设计上，技术难度大，系统复杂度高，造价昂贵，不利于后期向小型化、实用化、模块化方向进行集成扩展；另外，在海洋观测数据利用上，仍然止步于现有的粗加工技术手段，对海洋资源信息缺少整合与深加工，不利于后期对监测数据分析及海洋气象预报。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为解决上述问题，本发明创新设计了海底有缆在线观测系统，通过设计海底观测平台、布设海底通讯电缆解决水下系统集成能源与数据传输问题，提供一套海洋环境长期监测的解决方案，实现了对动力环境等海洋要素的长期、实时、在线、稳定、自动化监测，实现了对监测数据的高度集成与综合处理。

(二)技术方案

一种海洋动力环境海底有缆在线观测系统，其特点是：主要包括海底观测平台、海底电缆、岸基监测站、控制与数据服务中心组成；所述的海底观测平台包括系统框架、传感器设备、系统控制舱；其中系统控制舱内部集成包括能源供应与分配子系统、信号传输与转换子系统、数据采集与控制子系统、通信与电源管理子系统四部分；所述的岸基监测站通过海底线缆与海底观测平台连接；所述的控制与数据服务中心包括远程监测控制平台、资源数据共享平台，其中远程监测控制平台包括电源管理模块、传感器模式模块、数据管理系统模块和故障诊断管理系统模块。

进一步的，所述的海底观测平台是海底有缆在线观测系统核心部分，提供了一种通用型模块化传感器搭载平台，可以根据不同应用需求调整接入传感器；具有高扩展性与可靠性；所述的系统框架采用316L不锈钢，框架四角针状结构，外观呈三角倒锥型，基座距离海底20cm，传感器在基座安装固定，外罩防脱网，不易发生倾斜与拖曳；对于需要垂直剖面测量的传感器，在框架上方使用万向节固定。

进一步的，所述的系统控制舱指标如下所示：外形尺寸直径216mm，长度900mm，壁厚18mm；前后端盖：外径216mm，厚度58mm；设计压力30Mpa；安全系数：3；控制舱包括散热区与普通区；所述的散热区平面部分安装高功耗电路板，扇形金属面部分紧贴控制舱筒壁与海水进行热交换散热；所述的普通区网格状平面部分安装低功耗电路板；两者通过金属条连接增加强度，可以根据需要可以自由拆卸；其中所述的散热区主要安装电源分配板、信号转换板、CTD传感器控制板、ADCP传感器控制板、LED控制板、腐蚀计控制板；所述的普通区安装ARM控制板、主电源管理板；其中内部仍然有一定的富余空间，方便对传感器进行扩展集成；当进行系统扩展时，只需要增加或去掉传感器控制板即可；在控制舱端盖有1个外部接口与4个内部接口，其中外部接口4芯D0与海底电缆连接，内部接口2芯D1与LED灯连接、4芯D2与CTD连接、4芯D3与腐蚀计连接、8芯D4与ADCP传感器或者AWAC传感器连接。

进一步的，所述的能源供应与分配子系统主要包括两个部分：电压转换功能部分与电压分配功能部分；所述的电压转换功能：负责将海底电缆供应380V直流电压，通过+380V/+48V DC/DC电压转换，输出+48V电压作为控制舱内部电路板输入；所述的电压分配功能：对于+48V电压输入，根据各控制电路板不同输入电压，分别进行+48V/+24VDC/DC交换机、+48V/+12V DC/DC网桥、+48V/+5V DC/DCARM板、多路+48V并联传感器控制板输出转换，电压转换板输入海底线缆+380V电压，输出+48V电压，作为电压分配板输入，输出+48V、+24V、+12V、+5V的多路电压，接入通信与电源管理子系统；

所述的信号传输与转换子系统主要包括信号转换功能与信号传输功能两部分；所述的信号转换部分采用以太网桥，网桥内部采用EDSL协议，对称传输速率达到6Mps，传输距离为10Km；所述的信号传输部分是通过交换机连接主从冗余ARM控制系统；所述的交换机采用台湾MOSA 4路接口交换机，3路分别连接ARM1、ARM2、以太网桥；

所述的通信与电源管理子系统采用分布式监测管理方式，通过现场CAN总线，针对各传感器分别设计CAN通信节点，所述的CAN通信接口模块包括CAN协议转换板与电源控制板两部分组成，是由可以扩展的CAN总线协议转换器和适应于不同传感器供电电压的DC/DC转换器；为了提高系统兼容性与可扩展性，方便不同接口标准的传感器接入，在传感器和嵌入式控制模块之间，利用CAN协议转换器，将不同的传感器接口转换成统一的CAN标准接口；其中模拟信号经过信号处理电路之后送至A/D转换器进行模数转换，根据所需转换精度/速度的不同，采用片外或者片内A/D转换两种方式；数字信号根据接口标准分别经过RS232、RS422/RS485转换成单片机兼容的TTL电平接入；在传感器电源管理上，为了保障节点控制的稳定与可靠性，采用DC/DC并联双冗余设计，同时设置过压/过流保护电路，预防由于DC/DC故障或者传感器短路/过载等原因导致系统崩溃；

所述的数据采集与控制子系统主要包括嵌入式双冗余ARM控制模块、以太网交换机模块两部分；所述的嵌入式双冗余ARM控制模块通过与岸基监测站通信，获取电源管理指令，解析下发至CAN节点，进行传感器供电控制；获取数据采样方案，执行传感器采样配置，进行传感器数据采集。主控制程序采用多线程处理机制，当完成系统初始化，主线程开始依次创建各工作线程，主要包括日志记录线程、命令控制线程、数据采集线程、数据上传线程、系统监控线程、冗余备份线程等。其中，日志线程负责记录系统运行时异常工作状态，比如网络异常、信号终止、文件读写错误、数据流溢出等；系统监控线程负责实时监控系统运行状态，发送与岸基PC交互心跳包；命令控制线程负责解析执行岸基控制指令，包括传感器节点电源管理指令、系统监控指令、采样配置指令等；数据采集线程负责解析过滤CAN节点数据，针对监控状态数据、命令反馈数据、原始采样数据分别进行处理。特别是传感器原始数据，进行预处理(过滤、时间戳等)后，添加到发送循环队列中，利用集中写/分散读方式，通过系统上传线程组包发送至岸基平台；冗余备份线程负责与从系统通信，当主系统发生故障时从系统进行异常检错判断，从而接管系统运行控制权，保证控制系统连续稳定可靠工作。

进一步的，所述的海底线缆采用最先进的XLPF绝缘挤包直流电缆技术，即利用新型的三层绝缘材料挤压的电缆，主要由导体屏蔽层、绝缘层、绝缘屏蔽层三层共挤；在水深不超过100m的情况下，海底线缆采用扭矩平衡双层钢丝铠装结构保护；在电缆布放时，采用直接抛放形式，在一些复杂地质环境中，需要对海缆进行单独处理保护，采用不锈钢保护管、捆扎锚链或者抛射重块防止水流冲刷滑动。

进一步的，所述的岸基监测站通过电缆与海底观测平台连接，提供持续能源供给，作为数据/命令中转站，需要转发远程实验室控制指令以及海底观测平台实时监测数据；其主要包括供电模块、信号模块、监测控制模块、无线模块；

所述的供电模块一般直接利用交流220V市电通过电压转换模块转换得到直流380V，在转换模块选型上，采用220V/380V ACDC电压转换模块；

所述的信号转换模块利用以太网桥电路板完成信号转换与透明传输；电话线信号转以太网信号：将海底电缆传输的电话线信号转化成以太网信号，并通过TCP/IP协议，与控制舱内部其他节点完成数据通信；以太网信号转电话线信号：将控制舱内部以太网信号转化成电话线信号，从而在海底电缆进行传输，完成与岸基监测站通信；

所述的所述的监测控制模块采用PC104作为岸基主控制板，在物理连接上，与以太网桥通过TCP/IP网络连接，与GPRS/CDMA无线模块通过RS232连接，还预留PS2接口连接键盘鼠标以及VGA接口连接LED显示器等外接输入设备，同时预留多路USB接口进行软件数据拷贝下载操作；考虑到岸基监测站后期无人值守，无法现场维护，基于此设计程序自动加载运行。PC104上电工作后，控制程序默认后台自动运行，完成系统初始化，分别与海底观测平台建立网络连接(包括系统命令、数据、监控等)、与GPRS/CMDA无线模块建立串口通信连接(采用115200波特率保证传输速率)，并且建立现场调试服务器(考虑到后期进行现场调试维护)。程序主要负责控制与数据服务中心控制命令转发，海底观测平台数据转发等。

所述的无线模块移动数据通信网络基本覆盖全国各地，网络运行稳定，运行带宽符合应用需求，在GRPS/CDMA无线模块选型上，采用高速透明传输的DTU设备；北斗定位系统有两颗GEO在轨工作卫星(卫星位置E180与E140)和一颗GEO在轨备份卫星，每个卫星2个出站波束，服务区域为北纬5～55，东经70～140，基本能够覆盖中国沿海大陆架范围；在北斗卫星模块选型上，选择北斗普适定位通信模块。

进一步的，所述的控制与数据服务中心根据应用需求选择在远程实验室，主要包括远程监测控制平台与资源数据共享平台，其中远程监测控制平台包括电源管理模块、传感器管理模块、数据管理模块、故障管理模块。

所述的电源管理模块针对各传感器设计PowerOn、PowerOff指令，当执行传感器电源管理时，选择冗余DC/DC，远程控制传感器上电断电；当设计Monitor指令，执行传感器监控时，实时采集当前反馈电压温度值；

所述的传感器管理模块在传感器配置上，设计典型模式与自定义模式两种；典型模式，根据预设一次下发多组指令，直接对传感器进行采样配置；自定义模式，通过传感器对话框逐条指令执行，灵活定义传感器采样方案

所述的数据管理系统模块当ADCP、CTD传感器进行采样时，岸基监测站与数据管理系统建立长连接，解析存储原始采样数据，并且根据通信协议，组包转发数据至服务器管理系统；其中，岸基监测站设计实现了断网重练、超时重发、远程反馈的机制。

(三)有益效果

本发明与现有技术相比较，其具有以下有益效果：该发明设计了海底有缆在线观测系统，通过设计海底观测平台、布设海底通讯电缆解决水下系统集成能源与数据传输问题，提供一套长期监测海洋环境的解决方案，实现了对动力环境等海洋要素的长期、实时、在线、稳定、自动化监测，实现了对监测数据的高度集成与综合处理。

(1)相比于传统监测技术(自容式原位观测)受制于能源供给与数据传输，无法实现长期实时在线监测问题，海底有缆在线观测系统的设计，通过海缆与岸基联网解决能源供给与数据传输限制，提供了一种对海洋环境要素在线监测的新的解决方案。

(2)相比于东海海底观测小衢山试验站、南海海底观测网试验系统等项目，在实用性以及通用性等方面存在的缺陷，海底有缆在线观测系统的设计，整体技术难度小、系统复杂度低、造价低廉，有利于后期向小型化、实用化、模块化方向进行集成扩展。

(3)相比于现有海洋环境监测在数据利用上，仍然停留在粗加工技术手段现状，海底有缆在线观测系统，对海洋资源信息进行高度整合与深加工，有利于后期对监测数据分析及海洋气象预报。

同时，有利于加快我国的海洋资源开发步伐，缩小与先进国家的差距，有利于建设以监测台站、调查船、海洋浮标、卫星航空遥感、海底观测平台等为基础的海洋环境立体监测网络，有利于加强对海洋环境的监测保护，对海洋权益的监督，有利于提高数据处理以及数据服务的能力，促进人口、资源、环境可持续协调发展。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是本发明的统整体外观示意图。

图3是本发明的主控制系统整体功能框图。

图4是本发明的CAN总线协议转换器的功能框图。

图5是本发明的DC/DC电源转换器功能框图。

具体实施方式

如图1-5所示，一种海洋动力环境海底有缆在线观测系统，其特点是：主要包括海底观测平台、海底电缆、岸基监测站、控制与数据服务中心组成；所述的海底观测平台包括系统框架、传感器设备、系统控制舱；其中系统控制舱内部集成包括能源供应与分配子系统、信号传输与转换子系统、数据采集与控制子系统、通信与电源管理子系统四部分；所述的岸基监测站通过海底线缆与海底观测平台连接；所述的控制与数据服务中心包括远程监测控制平台、资源数据共享平台，其中远程监测控制平台包括电源管理模块、传感器模式模块、数据管理系统模块和故障诊断管理系统模块。

其中，所述的海底观测平台是海底有缆在线观测系统核心部分，提供了一种通用型模块化传感器搭载平台，可以根据不同应用需求调整接入传感器；具有高扩展性与可靠性；所述的系统框架采用316L不锈钢，框架四角针状结构，外观呈三角倒锥型，基座距离海底20cm，传感器在基座安装固定，外罩防脱网，不易发生倾斜与拖曳；对于需要垂直剖面测量的传感器，在框架上方使用万向节固定。

其中，所述的系统控制舱指标如下所示：外形尺寸直径216mm，长度900mm，壁厚18mm；前后端盖：外径216mm，厚度58mm；设计压力30Mpa；安全系数：3；控制舱包括散热区与普通区；所述的散热区平面部分安装高功耗电路板，扇形金属面部分紧贴控制舱筒壁与海水进行热交换散热；所述的普通区网格状平面部分安装低功耗电路板；两者通过金属条连接增加强度，可以根据需要可以自由拆卸；其中所述的散热区主要安装电源分配板、信号转换板、CTD传感器控制板、ADCP传感器控制板、LED控制板、腐蚀计控制板；所述的普通区安装ARM控制板、主电源管理板；其中内部仍然有一定的富余空间，方便对传感器进行扩展集成；当进行系统扩展时，只需要增加或去掉传感器控制板即可；在控制舱端盖有1个外部接口与4个内部接口，其中外部接口4芯D0与海底电缆连接，内部接口2芯D1与LED灯连接、4芯D2与CTD连接、4芯D3与腐蚀计连接、8芯D4与ADCP传感器或者AWAC传感器连接。

其中，所述的能源供应与分配子系统主要包括两个部分：电压转换功能部分与电压分配功能部分；所述的电压转换功能：负责将海底电缆供应380V直流电压，通过+380V/+48V DC/DC电压转换，输出+48V电压作为控制舱内部电路板输入；所述的电压分配功能：对于+48V电压输入，根据各控制电路板不同输入电压，分别进行+48V/+24VDC/DC交换机、+48V/+12V DC/DC网桥、+48V/+5V DC/DCARM板、多路+48V并联传感器控制板输出转换，电压转换板输入海底线缆+380V电压，输出+48V电压，作为电压分配板输入，输出+48V、+24V、+12V、+5V的多路电压，接入通信与电源管理子系统；

所述的信号传输与转换子系统主要包括信号转换功能与信号传输功能两部分；所述的信号转换部分采用以太网桥，网桥内部采用EDSL协议，对称传输速率达到6Mps，传输距离为10Km；所述的信号传输部分是通过交换机连接主从冗余ARM控制系统；所述的交换机采用台湾MOSA 4路接口交换机，3路分别连接ARM1、ARM2、以太网桥；

所述的通信与电源管理子系统采用分布式监测管理方式，通过现场CAN总线，针对各传感器分别设计CAN通信节点，所述的CAN通信接口模块包括CAN协议转换板与电源控制板两部分组成，是由可以扩展的CAN总线协议转换器和适应于不同传感器供电电压的DC/DC转换器；为了提高系统兼容性与可扩展性，方便不同接口标准的传感器接入，在传感器和嵌入式控制模块之间，利用CAN协议转换器，将不同的传感器接口转换成统一的CAN标准接口；其中模拟信号经过信号处理电路之后送至A/D转换器进行模数转换，根据所需转换精度/速度的不同，采用片外或者片内A/D转换两种方式；数字信号根据接口标准分别经过RS232、RS422/RS485转换成单片机兼容的TTL电平接入；在传感器电源管理上，为了保障节点控制的稳定与可靠性，采用DC/DC并联双冗余设计，同时设置过压/过流保护电路，预防由于DC/DC故障或者传感器短路/过载等原因导致系统崩溃；

所述的数据采集与控制子系统主要包括嵌入式双冗余ARM控制模块、以太网交换机模块两部分；所述的嵌入式双冗余ARM控制模块通过与岸基监测站通信，获取电源管理指令，解析下发至CAN节点，进行传感器供电控制；获取数据采样方案，执行传感器采样配置，进行传感器数据采集。主控制程序采用多线程处理机制，当完成系统初始化，主线程开始依次创建各工作线程，主要包括日志记录线程、命令控制线程、数据采集线程、数据上传线程、系统监控线程、冗余备份线程等。其中，日志线程负责记录系统运行时异常工作状态，比如网络异常、信号终止、文件读写错误、数据流溢出等；系统监控线程负责实时监控系统运行状态，发送与岸基PC交互心跳包；命令控制线程负责解析执行岸基控制指令，包括传感器节点电源管理指令、系统监控指令、采样配置指令等；数据采集线程负责解析过滤CAN节点数据，针对监控状态数据、命令反馈数据、原始采样数据分别进行处理。特别是传感器原始数据，进行预处理(过滤、时间戳等)后，添加到发送循环队列中，利用集中写/分散读方式，通过系统上传线程组包发送至岸基平台；冗余备份线程负责与从系统通信，当主系统发生故障时从系统进行异常检错判断，从而接管系统运行控制权，保证控制系统连续稳定可靠工作。

其中，所述的海底线缆采用最先进的XLPF绝缘挤包直流电缆技术，即利用新型的三层绝缘材料挤压的电缆，主要由导体屏蔽层、绝缘层、绝缘屏蔽层三层共挤；在水深不超过100m的情况下，海底线缆采用扭矩平衡双层钢丝铠装结构保护；在电缆布放时，采用直接抛放形式，在一些复杂地质环境中，需要对海缆进行单独处理保护，采用不锈钢保护管、捆扎锚链或者抛射重块防止水流冲刷滑动。

其中，所述的岸基监测站通过电缆与海底观测平台连接，提供持续能源供给，作为数据/命令中转站，需要转发远程实验室控制指令以及海底观测平台实时监测数据；其主要包括供电模块、信号模块、监测控制模块、无线模块；

所述的供电模块一般直接利用交流220V市电通过电压转换模块转换得到直流380V，在转换模块选型上，采用220V/380V ACDC电压转换模块；

所述的信号转换模块利用以太网桥电路板完成信号转换与透明传输；电话线信号转以太网信号：将海底电缆传输的电话线信号转化成以太网信号，并通过TCP/IP协议，与控制舱内部其他节点完成数据通信；以太网信号转电话线信号：将控制舱内部以太网信号转化成电话线信号，从而在海底电缆进行传输，完成与岸基监测站通信；

所述的所述的监测控制模块采用PC104作为岸基主控制板，在物理连接上，与以太网桥通过TCP/IP网络连接，与GPRS/CDMA无线模块通过RS232连接，还预留PS2接口连接键盘鼠标以及VGA接口连接LED显示器等外接输入设备，同时预留多路USB接口进行软件数据拷贝下载操作；考虑到岸基监测站后期无人值守，无法现场维护，基于此设计程序自动加载运行。PC104上电工作后，控制程序默认后台自动运行，完成系统初始化，分别与海底观测平台建立网络连接(包括系统命令、数据、监控等)、与GPRS/CMDA无线模块建立串口通信连接(采用115200波特率保证传输速率)，并且建立现场调试服务器(考虑到后期进行现场调试维护)。程序主要负责控制与数据服务中心控制命令转发，海底观测平台数据转发等。

所述的无线模块移动数据通信网络基本覆盖全国各地，网络运行稳定，运行带宽符合应用需求，在GRPS/CDMA无线模块选型上，采用高速透明传输的DTU设备；北斗定位系统有两颗GEO在轨工作卫星(卫星位置E180与E140)和一颗GEO在轨备份卫星，每个卫星2个出站波束，服务区域为北纬5～55，东经70～140，基本能够覆盖中国沿海大陆架范围；在北斗卫星模块选型上，选择北斗普适定位通信模块。

其中，所述的控制与数据服务中心根据应用需求选择在远程实验室，主要包括远程监测控制平台与资源数据共享平台，其中远程监测控制平台包括电源管理模块、传感器管理模块、数据管理模块、故障管理模块。

所述的电源管理模块针对各传感器设计PowerOn、PowerOff指令，当执行传感器电源管理时，选择冗余DC/DC，远程控制传感器上电断电；当设计Monitor指令，执行传感器监控时，实时采集当前反馈电压温度值；

所述的传感器管理模块在传感器配置上，设计典型模式与自定义模式两种；典型模式，根据预设一次下发多组指令，直接对传感器进行采样配置；自定义模式，通过传感器对话框逐条指令执行，灵活定义传感器采样方案

所述的数据管理系统模块当ADCP、CTD传感器进行采样时，岸基监测站与数据管理系统建立长连接，解析存储原始采样数据，并且根据通信协议，组包转发数据至服务器管理系统；其中，岸基监测站设计实现了断网重练、超时重发、远程反馈的机制。

上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。