海洋动力环境观测设备综合测试平台技术研究

李博，成方林，叶颖，张翼飞，闫秦

(国家海洋技术中心 天津 300112)



海洋动力环境观测设备综合测试平台技术研究

李博，成方林，叶颖，张翼飞，闫秦

(国家海洋技术中心 天津 300112)

随着海洋观测预报事业的不断发展，建立一套针对海洋观测仪器设备进行验证、测试、评估的入网认证体系越发重要。构建海洋观测仪器综合测试平台对推进海洋观测仪器标准化工作有着极大的帮助，是对海洋观测仪器设备标准化检验的有益探索。通过该平台可对海洋观测网中的设备进行入网前的检验与业务考核，提升入网设备的可靠性指标并对提升海洋观测网的整体鲁棒性具有积极意义。

综合测试；可靠性；海洋观测网；标准化

On the Complex Experimental Platform Technique for Marine

海洋观测是一项基础性公益事业，在世界沿海各国得到了广泛重视和发展。海洋高温、高湿、盐雾、海流、波浪和潮汐的特殊环境[1]要求海洋观测仪器设备具有较高的可靠性和测量准确性，对海洋观测仪器设备使用之前进行测试验证是海洋观测网可靠运行的重要保证。

美国海洋与大气管理局2001年就提出了海洋观测系统测试与评估发展规划[2](OSTEP)，对新研制的海洋观测仪器设备的测量性能和可靠性等方面进行权威测试和评估，确定仪器设备能否达到实际使用要求，同时建立测试、评估的信息系统。英国海事研究所、挪威水工实验室等也建立了各种形式的海洋自动观测仪器检测技术体系[3]，开展海洋自动观测仪器的检测工作，实现对海洋自动观测仪器的质量技术评价。然而，我国海洋观测仪器检测技术体系尚不成熟[4]，缺乏有效的仪器设备测试、验证和评估机制，致使海洋观测网中仪器种类繁杂，观测数据质量难以保证。

本研究以海洋动力环境观测体系中5种典型设备[5](海洋站自动观测系统、船舶自动测报系统、波浪浮标、XBT(抛弃式温深计)和CTD(温盐深仪))为对象，研究其温度、湿度、盐雾、振动、冲击、摇摆等恶劣海洋环境的适应性、可靠性以及测量准确性的检测装置和配套方法[6]，实现对海洋观测网[7]中典型仪器设备的现场测试和评估。

1 综合测试平台概述

综合测试平台主要包括以下几部分：可靠性测试平台、基于温盐跃层的剖面测量仪器设备动态响应仿真测试平台、多功能剖面测量仪器设备动态性能测试平台、仪器设备接口测试仪及技术规程、综合管理信息系统。在此基础上，为验证综合测试平台的有效性，还将开展仪器设备综合测试技术规程和验证、评估方法，研究，进行仪器设备综合测试、验证和评估的应用示范及相关海上试验。

仪器设备综合测试技术规程和验证、评估方法为实验室综合测试应用提供测试方法和测试依据；综合管理信息系统自动采集各个测试平台的测试信息，以综合测试、验证、评估方法为依据，自动生成仪器设备的测试、验证和评估报告。综合测试技术规程及验证、评估方法，各测试平台以及综合管理信息系统三者形成一个完整的仪器设备实验室综合测试、验证和评估体系。海上现场试验则为实验室综合测试的一个补充，是仪器设备入网测试的一个重要且不可缺少的环节。

2 综合测试平台的组成及其关键技术

2.1 可靠性测试平台

海洋观测仪器设备工作环境恶劣，要经受高温、高湿、海浪和盐雾等恶劣条件[8]考验。浮标和船基观测仪器设备还需要经受振动、倾斜、摇摆的考验。因此，可靠性综合测试平台主要是研究温度、湿度、振动、冲击和摇摆等多参量模拟技术，具备模拟船载仪器和浮标的现场使用条件的能力，可模拟温度-湿度-振动、温度-湿度-摇摆等海表面综合环境，盐雾试验则使用单独的试验设备。因此，可靠性测试平台由振动、冲击试验系统，倾斜、摇摆试验系统和高低温、湿热试验系统3部分组成，可以同时进行高低温、湿热、振动、冲击试验或高低温、湿热、倾斜、摇摆试验，即“三综合”试验。

2.2 基于温盐跃层的剖面测量仪器设备动态响应仿真测试平台

该平台可为 XCTD、AROG探测浮标、湍流测量仪、拖曳体等各种不同运动速度的海洋仪器的研制提供性能测试环境。该试验平台基于双扩散对流原理[9]，将较冷的淡水通过系统作用覆盖于高温度、高盐度的海水之上，水槽上层降温，下层升温，温盐扩散的联合效应，导致两种水体在交界面上下分别产生对流混合，进而在界面处产生非常大的温度和盐度梯度。盐度差异保证了系统的静力稳定性；而温度差异驱动的对流，保证了上下两层水体温盐的均一性，可在界面处产生温盐跃层。平台结构及温跃层如图1所示。

图1 温度盐度跃层系统示意图

2.3 多功能剖面测量仪器设备动态性能测试平台

该平台以在实验室内对XBT、ARGO等投弃式仪器的工作状态进行长期、连续观测，并测量其深度、精度指标要求为目的。实现海洋剖面监测仪器在一定测量深度范围内(0～20 m)测量过程的动态全过程跟踪观测、水中运动速度测量以及仪器设备运动姿态等观测。该平台可以模拟水位变化，对验潮仪验潮功能进行检验。

平台设计高度为20 m，圆形且直径为2 m。投弃式探头在15 m左右进入下降速度稳定段[10]，因此可以较好地满足投弃式仪器水下降速度测量需要。同时，该平台既可以测试速度急变段的速度变化情况，也可以得到最大下降速度这一重要指标，可对投弃式仪器深度计算指标进行有效检验。试验平台底部可升降，用升降台方便仪器回收。

2.4 仪器设备接口测试平台

根据海洋站自动观测系统、船舶自动测报系统、波浪浮标、XBT、CTD等典型海洋观测仪器设备实际业务化应用的要求[11]，完成对上述典型设备接口的可靠性、通信性能进行测试。接口可靠性测试实现对被测仪器在数据丢包后是否具有数据重传机制以及测量数据重传效率等，实现测试仪器通信协议的可靠性分析。通信性能测试实现了采样周期精确性测试、接口通信编码效率测试以及通信反馈延迟测试等。此外，为了对海洋观测仪器设备进行统一规范测试，构建仪器设备接口测试系统，该系统包括两部分内容：仪器设备接口测试仪和配置客户端，其拓扑结构如图2所示。

图2 接口测试仪拓扑结构

2.5 综合管理信息系统

综合管理信息系统从可靠性综合测试平台、基于温盐跃层动态响应仿真测试平台、多功能剖面测量仪器设备动态性能测试平台、接口测试仪获取数据，生成被检测设备测试报告并存储。实现对仪器设备测试验证评价的辅助支持、数字化测试验证规程的制作查询与管理、测试仪器设备管理及测试平台辅助管理等。在此基础上，构建典型海洋观测仪器设备的数据库管理、存储机制，实现基于大数据[12]技术的信息保存、查询、评估，构建被测设备数字评估模型等数学模型，根据数学模型生成被测设备测试报告等，综合管理信息系统业务流程如图3所示。

图3 综合管理信息系统业务流程

2.6 综合测试技术规程及验证、评估方法研究

对海洋站自动观测系统、船舶测报系统、波浪浮标、XBT、CTD等典型海洋动力环境观测仪器的综合测试技术及仪器设备的验证、评估方法研究等主要有两方面内容：①根据仪器设备的功能和工作环境特点以及业务化运行对可靠性、测量性能的要求，确定仪器设备的技术要求。②根据仪器设备的技术要求和功能，并结合各类测试平台的性能，确定仪器设备的综合测试方法及验证、评估方法。

海洋站自动观测系统、船舶测报系统、波浪浮标的综合测试技术及验证、评估方法研究以可靠性试验为基础，由可靠性测试平台进行仪器设备可靠性综合试验为理论指导。主要试验科目有低温、高温、高低温循环、湿热、霉菌、振动、冲击、倾斜摇摆、压力及各种应力环境综合试验等。根据试验所获得的数据，统计可靠性试验相关失效数及计算设备平均无故障时间等置信值，确定设备设计、研制等的可靠性要求。如果可靠性指标为平均无故障时间、失效率或可靠度等参数时，以完成试验时间作为主要考核指标进行方案设计。如果可靠性指标为成功率时，以试验次数、失效次数或试验设备总数、失效设备数等为主要考核指标进行方案设计。

对于CTD设备主要是利用基于温盐跃层的剖面测量仪器设备动态响应仿真测试平台检验传感器的时间响应性能、传感器测量精度等。

对于XBT设备主要是利用多功能剖面仪器设备动态性能测试平台验证设备的动态性能及下降过程的运动姿态等。

3 五种典型仪器设备的应用示范

对海洋站自动观测系统、船舶测报系统、波浪浮标、XBT、CTD等典型海洋动力环境观测设备进行可靠性试验、传感器精度及响应时间试验后，在特定海域对典型仪器设备开展应用示范可以进一步检验仪器设备的业务化运行水平及性能，是对实验室综合测试的一个有益补充，更是对仪器设备入网测试的一个重要环节。

3.1 海洋站自动观测系统应用示范

将海洋站自动观测系统在可靠性测试平台上进行可靠性试验，随后再进行现场比对试验。为保证现场试验结果的有效性、准确性、适用性及代表性，并对系统测量准确性进行试验。以小麦岛海洋站作为海洋站自动观测系统的安装站位，对该站现有基建设施和线路进行改造或增设，确保该站现有系统与示范系统中相同传感器处于同一环境条件下，将非仪器误差降低到最小。系统应用示范时间不少于3个月，主要观测要素有：风速、风向、气温、相对湿度、气压、降水量等气象要素，潮位、表层水温和表层盐度等水文要素。应用示范完成后，将两套系统获取的数据进行比对，并对测量准确度进行评价[13]。

3.2 船舶测报系统应用示范

将船舶测报系统在可靠性测试平台上进行可靠性试验，再选取一条远洋志愿船，将船舶自动测报系统安装在船舶上，进行3个月的海上现场试验，试验完毕提交现场测试试验报告。

3.3 波浪浮标应用示范

将波浪浮标在可靠性综合测试平台上进行可靠性试验。随后再进行为期3个月的海上试验。波浪浮标测量系统包括锚链、自重锚、橡皮缆、潜标、浮标和保护标，测波系统如图4所示。选定测量系统布放位置和数据实时接收站位置，建立波浪数据实时接收站。定期动用船只和人员对波浪测量系统进行维护，及时回收下载波浪资料。三个月观测结束后，回收测波系统并提交最终的试验报告。

图4 浮标布放示意图

3.4 CTD应用示范

对CTD进行应用示范主要分为两方面：①进行可靠性试验。试验模拟设备运输、储存等使用过程，检验设备在公路运输、船只运输等过程的环境适应性。②进行基于温盐跃层的剖面测量仪器设备动态响应仿真测试平台的同步测量试验，快速获取海洋仪器的动态响应特性数据，并将上述数据进行分析和处理，完成比对报告。

3.5 XBT应用示范

对XBT进行应用示范与CTD的应用示范类似，首先，依托可靠性测试平台对其进行包装、运输、存储的环境适应性试验。其次，进行基于多功能剖面测量仪器设备动态性能测试平台的业务化应用相关的测试。实现在0～20 m范围内测量过程动态全过程跟踪观测、水中运动速度测量及仪器设备运动姿态观测等。实现对平台内部待测仪器运动姿态的监视，并测量目标垂直方向下降的速度。

4 综合测试平台业务化应用探索

利用综合测试平台对海洋观测设备进行业务化考核的主要内容分为以下几个方面：①进行仪器设备接口性能测试，对仪器接口的吞吐性能等进行评判。②利用可靠性测试平台对仪器设备的运输、存储等过程进行环境适应性试验。③根据各种设备的实际业务应用需求进行与业务相关的测试。对于海洋站自动观测系统、船舶测报系统以及波浪浮标，利用可靠性测试平台模拟设备的实际使用情况，在通电环境下进行环境适应性试验。CTD利用基于温盐跃层的剖面测量仪器设备动态响应仿真测试平台进行测量精度及数据采集数据频率的试验。XBT等投弃式设备，利用多功能剖面测量仪器设备动态性能测试平台，对其下沉姿态等进行监控，获取其在高速下沉过程中的运动姿态、下降速度等数据。最后，将上述测试结果通过以太网传输至综合管理信息系统，进行数据的存储、处理、分析，利用相应的数学模型对被测设备进行评判，给出测试结果。

5 结语

当前我国海洋观测仪器检测技术体系落后，缺乏针对海洋观测设备准入、评估、业务考核的机制和方法，已成为制约我国海洋观测预报事业发展的“瓶颈”性问题。建设海洋动力环境观测设备综合测试平台，完成对典型海洋观测设备的综合测试与评估，是解决上述问题的一个有益探索。同时，将本测试平台系统与国家海洋技术中心已建或在建的海上试验场、海洋动力环境试验水槽等相结合，逐步形成一个完整的海洋仪器设备业务测试体系，势必对增强我国海洋观测网中设备的标准化水平，提升我国海洋观测网的整体性能具有积极的意义。

[1] 冯士筰，李凤岐，李少菁.海洋科学导论[M].北京:高等教育出版社，1998.

[2] 王花梅，罗续业，李彦.美国海洋系统测试评估方案分析[J].海洋技术，2011，30(4):123-127.

[3] 王祎，高艳波，齐连明，等.我国业务化海洋观测发展研究：借鉴美国综合海洋观测系统[J].海洋技术学报，2014，33(6)：34-39.

[4] 罗续业，王项南，周毅，等.我国海上试验场建设总体设想[J].海洋技术，2010，29(4):1-4.

[5] 王平，陈思增.现代海洋科技理论前沿与应用[M].北京：电子工业出版社，2012.

[6] 司建文.海洋环境参数监测技术检测方法汇编[M].北京：海洋出版社，2005.

[7] 赵吉浩，高艳波，朱光文，等.海洋观测技术进展[J].海洋技术，2008，27(4)：1-16.

[8] 陈鹰，翟逢重，宋宏，等.海洋技术教程[M].杭州：浙江大学出版社，2012.

[9] 廖和琴，田雨，李东.MSCTI快速温度、电导率测量仪的时间常数测量及定标方法研究[J].海洋技术，2014，33(6)：59-63.

[10] 赵江涛，张锁平，张东亮，等.基于形状特征的XBT探头检测与识别研究[J].海洋技术，2015，34(1)：27-31.

[11] 罗汉江.海洋监测传感器网络关键技术研究[D].青岛：中国海洋大学，2010.

[12] 夏登文，石绥祥，姜岩，等.XML海洋信息应用分析[J].海洋通报，2005，24(1):84-96.

[13] 李博，王斌，叶颖，等.海洋水文气象数据管理系统的模块化设计与实现[J].海洋开发与管理，2015，32(4)：49-52.

Dynamic Environmental Observation Equipment

LI Bo，CHENG Fanglin，ZHANG Yifei，YAN Qin

(National Ocean Technology Center，TianJin，300112)

With the rapid development of marine observation and forecasting，it is much more important to test，verify and evaluate the classical observation equipment deployed in the marine observation networks.The construction and research of the complex experimental platform has a great function of standardization for marine observation equipment，which can be viewed as a grope for the rule of equipment verifying method.The platform can improve the quality and standardization of equipment in china’s marine observation networks，and promote the observation networks to a more and more scientific and advanced level，which would provide better services for marine calamity prevention and reducing.

Complex experimental platform，Reliability，Marine observation networks，Standardization.

国家海洋公益性行业科研专项重点资助项目(201305033).

李博，工程师，硕士，研究方向为海洋观测技术，电子信箱：tjut001@126.com

P715

A

1005-9857(2016)01-0068-05