美国海洋系统测试评估方案分析

王花梅，罗续业，李 彦

（国家海洋技术中心，天津 300112）

美国海洋系统测试评估方案分析

王花梅，罗续业，李 彦

（国家海洋技术中心，天津 300112）

海洋系统测试评估方案（OSTEP）是美国为海洋系统选择新技术、引进新设备、促进新技术向应用状态过渡而开展的工程。文中介绍了海洋系统测试评估方案的目标和功能，详细分析了其技术特点，同时分析了海洋系统测试评估的设施及测试情况，并对我国建立海洋系统的测试评估方案提出建议。

OSTEP；测试评估程序；质量保证

海洋服务中心（National Ocean Service，NOS）是美国海洋与大气管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA）建立的服务于全球海洋事业的部门。NOS建立了水位收集和数据的处理标准，并为用户提供了基础需求，设计出新的或改进海洋观测系统，以提高业务化海洋产品和服务（Center for Operational Oceanographic Products and Services，CO-OPS）的数据处理能力，维持和管理海洋观测系统，进行业务化数据分析和质量控制。

新型传感器的使用会给业务化系统带来风险，由CO-OPS负责管理的海洋系统测试评估方案（Ocean Systems Test and Evaluation Program，OSTEP）依照美国国家标准和其他公认标准，提供数据收集和分发工作的质量保证，为CO-OPS选用仪器和新技术提供依据，将其应用于监测的环境，以促进新技术到应用状态的过渡，同时，OSTEP提供了选用传感器的依据和选择新系统的方法。随着海洋和气象实时数据需求的迅速增长，OSTEP对提高系统的准确性、降低成本至关重要。为确保新的传感器和系统符合CO-OPS要求，OSTEP需要对仪器进行测试，进行业务化部署，建立质量控制标准，严格遵循校准标准，确保使用系统的质量。

1 OSTEP的目标

OSTEP通过提供非业务化设置来测试海洋水文、气象传感器及系统的性能，并为NOS提供测试数据的质量保证，将新的传感器引入到业务化设置中，确保监测和导航顺利进行。

OSTEP的目标：

(1)评估用于测量系统的新技术；

(2)现场测量系统的集成与测试；

(3)检测和评估测量系统部署的准备情况；

(4)系统性能的周期评价、业务操作与维护；

(5)提供并审查用于连续业务化实时监测系统的质量控制参数。

2 OSTEP的功能

OSTEP为NOS和仪器制造商提供实际的运行环境，对传感器、数据通信和数据采集的软硬件的性能和可靠性进行评估，并且提供集成测试能力。同时，OSTEP开发和维护详细的测试评价标准，提供可靠的场地设施，确保NOS方案的系统性能，并吸引仪器制造商利用OSTEP评估其设备。

2.1 为CO-OPS提供数据质量保证

对于每个科学技术调查，必须确保支持调查目标所使用的数据足够准确，针对选择测量设备、认证、现场规范、实验室操作程序、数据收集处理及评估提出数据质量保证（Data QualityAssurance，DQA）计划。此计划也可对数据收集过程进行连续监测，以保证遵循规定的程序，用错误分析来控制数据质量，确保数据符合项目目标，并且保证数据质量在任何时候都是已知的。

2.2 为国家水位网络评估新设备

国家水位观测项目提供了基本的潮汐基准，确定美国沿海边界和海图基准，也为NOAA的海啸和风暴潮警告、气候监测、沿海进程和构造研究提供了支持。该项目是由位于美国海岸沿线分布的约170个水位测量站组成的国家水位观测网络（National Water Level Observation Network，NWLON）支持。NWLON的每个测量站都需要一个基本的数据收集平台（Data Collection Platform，DCP），这个平台带有自校准声波测距传感器、压力传感器、或带浮动轴角的编码器，通常也需要测试风速、气压、气温、水温和电导率等一些辅助数据。这些系统中的许多组件都已过时，更换或维修服务越来越难，新推向市场的新组件有待评估。因此，OSTEP的首要任务之一是为下一代水位测量系统（Next Generation Water Level Measurement System，NGWLMS）的DCP选择测试和评估新设备。

2.3 为物理海洋实时系统（Physical Oceanographic Real-Time Systems，PORTSR）提供信息质量保证

PORTSR是全国海洋服务方案，通过向船长和驾驶员提供准确的实时信息来实现安全的导航。PORTSR包括数据采集和发布系统，提供水位、海流以及其他海洋和气象数据的实时观测资料。

为完成海上贸易和海洋资源管理的双重任务，PORTSR方案需要尽量遵循NIST（National Institute of Standards and Technology）标准，在合成模型上许多测量技术迫切需要提高。例如，为满足模型的计算，水位测量中必须与同一垂直参考系统的相关精度优于1 cm，水流测量必须精确到cm/s级，才能准确地计算盐、热、养分、生物等的潮汐平均运输量。

OSTEP制定以下变量的参考标准：

(1)水流（流速或流量）；

(2)压力、温度和电导率（盐度、密度）；

(3)水位（潮汐的高度和方向波谱）；

(4)空气温度和相对湿度；

(5)大气能见度；

(6)大气压力；

(7)风速和风向。

由于NOS承担航行安全的重任，因此，OSTEP提供PORTSR信息的质量保证。

2.4 为国家现有海洋系统设备提供评价

国家现有海洋系统与PORTSR的需求类似，特殊需求包括以下内容：

(1)底部平台必须能够承受拖网，抛锚和风暴冲击；

(2)内部电源必须高度可靠；

(3)可以快速安装；

(4)系泊设备必须能够承受恶劣的天气、水流、渔业、航运条件，并且不会降低测量质量；

(5)不依赖于潜水员安装和维护。

因此，为满足现有海洋系统的需求，OSTEP需对其设备进行定期的测试与评价。

2.5 为用户提供数据管理和网络服务

OSTEP产生大量长短期测试及验证的结果数据，需要通过高性能的计算机进行数据管理，其管理程度最终决定设备的有效性和OSTEP的整体评估结果。提供给用户的信息，需满足下列要求：

(1)急需时可立即得到有效结果；

(2)能以有效的方式撤销；

(3)可以使用多种媒介传输给用户；

(4)可使用标准格式和商业软件进一步加工、质量控制、分析及存储。

为解决这些需求，并形成所需信息管理设施的基础条件，OSTEP采用一套硬件和软件形成OSTEP数据库。存储下列情况的数据信息：仪器测试活动；比较测试；预安装调查；长期的质量保证测试；计算机和电信设备的测试；供应商基准点测试。

OSTEP通过网络为所有用户提供一个通用的数据格式，可以使全美国用户访问OSTEP数据库子系统。

2.6 为CO-OPS信息系统提供保证

信息系统部门通过海洋系统测试与评估设施（Ocean Systems Test&Evaluation Facility，OSTEF）来测试和评估最终应用的软硬件系统，这些系统可用于NWLON，PORTSR或现有观测系统。在非业务化模式下与仪器设备联接时，OSTEP可实时运行信息技术系统。现场安装之前变化操作系统、修改算法和通信接口都可以进行测试。信息技术测试系统与设备是分离开的，OSTEP获得并分析来自正在评估的传感器测试数据。

3 OSTEP的技术支持

OSTEP通过追踪仪器收集数据，国防部MIL STD 45662A规格要求如下：

(1)测量和试验设备应使用参考标准进行校准，其参考标准通过了NIST认证，是由可用的自然物理常数值得出的，或者是由自校准技术比例类型派生出来的。在校正中使用的参考标准应有证书、报告或数据表的支持，数据表应包含数据、准确性及能提供结果的情况。

(2)溯源性是通过完整的比较链将个别的测量结果与国家标准或国家认证的测量系统关联起来。

(3)通过完整校准链把个别测量结果与以下一个或多个标准联系在一起：①通过NIST和美国海军使用的美国国家标准；②由美国NIST认证的自然物理常数；③与美国国家标准相关的其他国家标准；④校准比例类型；⑤相一致的标准。

OSTEP传感器应遵循两种标准：

(1)NIST标准；

(2)共识标准。

3.1 ISO25认证

国家志愿实验室认证计划（National VoluntaryLaboratory Accreditation Program，NVLAP） 的要求由 James L Cigler和Vanda R White于1994年5月记录在NVLAP的“Procedures and General Requirements”中。

NVLAP方案：

（1）为校准和测试实验室、制造商的内部实验室、大学实验室，以及联邦、州和当地政府实验室服务；

（2）符合法律法规和合同规范，能够满足客户的需求；

（3）作为指导的基础，方便NVLAP与其他认证机构之间相互认可。

NVLAP认证：

（1）基于机构技术资格的评估，该机构在校准或测试的特定领域进行具体测试、测量和服务；

（2）通过全面评估后，授予申请人符合NVLAP标准的资格；

（3）签发两个合格证明：认证证书和认可范围，包括实验室认可的具体的测试方法、测量以及服务。

建立实验室认可方案（LAP），必须向NIST主管提出，其中包括：

(1)根据产品，建议将校准或测试服务列入LAP的范围；

(2)具体确定合适的标准和测试方法，包括合适的名称、组织和责任法人；

(3)需要对LAP进行报告；

(4)声明为LAP的发展提供资金和人力支持。

3.2 测试评估

在OSTEP中进行的测试是以OSTEP能力和测试工程的需求为依据的。可以通过计算机工具生成一个测试评估控制规划(Test and Evaluation Master Plan，TEMP)，如 SAIC 公司提供的自动设计测试系统。

一个典型TEMP，主要包括：目的与目标、试验与评估技术、日程计划、检测范围及环境、仿真、模型与试验床、关键操作、用户评价，以及资金需求、人员培养等。

3.3 软件质量保证

所有OSTEP数据、分析结果都将通过当地配置的软件系统，为了确保这些软件系统符合合适的标准和步骤，需要通过软件成熟度模型（Capability Maturity Model for Software，CMM）来确保软件质量。此模型不仅描述了有效软件程序的关键要素，而且论述了软件质量保证的方法，为开发人员提供了可以遵循的明确渐进的专业路线。

3.4 全面质量保证

为获取满足要求的数据，DQA计划要求在海洋测量计划中，对数据收集及处理系统、人员和设施等进行全面的质量保证。该计划包括所收集数据的准确度，并记录取得允许误差的详细程序步骤，计划中程序与测量方法、操作都是紧密相连的。

一般注意事项包括以下几点：

(1)DQA计划应该与测试方案中的项目程序一致，测量方案应提供项目的顺序，许多方案中DQA和测量方案可以合并成一个文件。

(2)DQA计划应该作为控制测试方案的管理工具，因此方案管理部门必须复审DQA计划。

(3)DQA计划应该识别现有的适合该方案的组织程序。涉及DQA计划的管理人员非常熟悉该程序，可利用现有的程序降低资源需求。

4 OSTEF实施情况

为了升级CO-OPS使用的传感器和系统，为PORTSR和NWLON传感器精度、性能、价格因素提供定量的选择方法，CO-OPS在切萨皮克湾大桥隧道建立了OSTEF（图1）。

图1 切萨皮克湾大桥隧道和存放传感器与DCP的码头

场址选在弗吉尼亚洲东南部的汉普顿锚地接近切萨皮克湾的入口处（图2）。

图2 OSTEF的场址

现场站点的密度、浪、水流和水位变化范围广，能充分涵盖美国沿海浅水河口遇到的典型情况。图3显示了现有的NWLON站的机房和传感器水井。

图3 NWLON站景

将OSTEF作为一个现场测试地点，主要测试CO-OPS项目中新的或已有的传感器。其中已有的传感器通过相互比较，考察测量结果间的差异、失效模式和修正方法，以及制造商软硬件的修正效果。新的传感器在非业务化环境下与已有的传感器做比较，此过程由制造商和使用者协作完成。

目前PORTSR和NWLON观测的6项数据是通过OSTEF测试的，测量的数据和方法如下：

(1)水位（声学、压力、浮子式、激光和微波）；

(2)海流（声学多普勒剖面仪）；

(3)风速和风向（回转轴）；

(4)大气压；

(5)水和空气温度（热敏电阻器）；

(6)导电系数（环形电感）。

由OSTEF测试并已在PORTSR和NWLON的传感器包括：

(1)过桥船舶测距系统（GPS、微波、激光）；

(2)大气能见度传感器（光散射、智能数字CCD摄像机）；

(3)侧视声学多普勒海流剖面仪；

(4)水质参数包括含氧量、浑浊度和测试叶绿素和赤潮的荧光计；

(5)表面流成像仪（高频地波雷达、海洋雷达）。

如图4所示，安装在加利福尼亚某长滩上的新测距传感器是由OSTEP测试评估的，有效地避免了船桥相撞事件的发生。

图4 过桥船舶测距传感器系统

OSTEF使用了同一型号的但并非完全相同的传感器，不同传感器对相同参数的观测提供了一个稳定标准，其它设备可以由此来标定，同时两个主要传感器也可以进行比较。由于OSTEF传感器将被更频繁的更换和重新配置，相对于标准的PORTSR安装，OSTEF中用于业务化的传感器使用必须谨慎操作。为了充分利用CO-OPS的OSTEF的工作成果，支撑该研究的合作性质，由此得到的数据必须随时可以获取。因此OSTEF需要安装独立的数据采集系统并把OSTEF数据存档于PORTSR数据库，这些数据可以通过PORTSR的信息中枢以延时模式获取。

5 设备测试

现场海洋学参考系统必须经过最精确有效的现场海洋和气象系统的验证，包括以下参数：温度、导电率、压强、水流速度、水位（潮流）、波浪、风速、大气温度、相对湿度和大气压。NOS应对系统供应商指明要选择最高精度和可靠性的参考系统，并且依据由NIST认可的标准转换过程来标定。

导电率、温度和压力传感器的选择必须符合UNESCO（United Nations Educational, Scientific and Cultural Organization）使用电导率决定海水盐度和密度的标准规定。

水位测定需要参考传感器既能相对于一个垂直大地测量参考系统长期精确观测又具有高采样率来计算方向波谱，因此需要对开发商提供的数据进行研究以选择正确的水位参考系统。

海洋气象测量需要由国家气象局专门标定的设备进行测量。

6 结论

目前，我国海洋仪器设备的现场测试环节已成为制约我国海洋仪器设备产业化发展的瓶颈，从而导致研制周期长、成本高、稳定性差等问题，建设国家级公益性海上试验场成为解决这一问题的有效途径。因此，我们应借鉴NOS的OSTEP方案，为我国海洋系统的测试评估制定方案，为我国海上试验场的建设、运行提供有力的技术保障，以促进我国海洋仪器设备成果转化进程，推动海洋技术装备产业化发展。

[1]Mark Bushnell．Ocean Systems Test and Evaluation Program (OSTEP)Development Plan．NOAA Technical Report NOS CO-OPS 34[R/OL]．[2010-04].http://tidesandcurrents.noaa.gov/pub.html．

[2]U.S.DEPARTMENT OF COMMERCE，National Ocean Service，Center for Operational Oceanographic Products and Services．Air Gap Field Installation Guide．Ocean Systems Test and Evaluation Program[Z/OL].[2010-04]．

[3]Mark Bushnell,Max Ivanov,Warren Krug,et al．Initial Operational Deployment Report Miros Air Gap Sensor and Laser Sensor at the Verrazano-Narrows Bridge．NOAATechnical Report NOSCO-OPS049[R/OL].[2009-09].http://tidesandcurrents.noaa.gov/pub.html．

[4]Kathryn Thompson Bosley,Chris McGrath,Jennifer P.Dussault,et al．Test,Evaluation,and Implementation of Current Measurement Systems on Aids-To-Navigation．NOAATechnical Report NOSCO-OPS043[R/OL].[2005-05].http://tidesandcurrents.noaa.gov/pub.html．

[5]Tammy Graff,James Sprenke,Mark Bushnell．Data Communications Plan．Ocean Systems Test and Evaluation Program[R/OL]．[2006-05]．http://tidesandcurrents.noaa.gov/pub.html．

[6]Mark Bushnell,Kate Bosley,TomMero．Ocean Systems Test and Evaluation ProgramMicrowave Air Gap-Bridge Clearance Sensor Test,Evaluation,and Implementation Report,NOAATechnical Report NOSCO-OPS042[R/OL]．[2005-05].http://tidesandcurrents.noaa.gov/pub.html．

Analysis of the US Ocean Systems Test and Evaluation Program

WANG Hua-mei,LUO Xu-ye,LI Yan
(National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China)

The Ocean Systems Test and Evaluation Program was established by US to facilitate the transition of new technology to operation,to select new sensors or systems and bring them to a application.The goals and functions of the OSTEP is introduced firstly,then the technical approach and the Ocean System Test and Evaluation Program Facility and its testing is analyzed.Finally,the suggestion is given on the establishment of an Ocean System Test and Evaluation Program in China.

OSTEP;test and evaluation procedure;quality assurance

P71

C

1003-2029（2011）04-0123-05

2011-05-20

海洋公益性行业科研专项“海上试验场建设技术研究和原型设计”（200905024）

王花梅（1984-），女，硕士研究生，主要从事海洋观测技术方面研究。E-mail:whm21666@163.com