一種海洋動(dòng)力環(huán)境海底有纜在線觀測系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于海域觀測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種海洋動(dòng)力環(huán)境海底有纜在線觀測系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]經(jīng)過多年的研宄與發(fā)展，海洋環(huán)境監(jiān)測在技術(shù)手段、監(jiān)測方法、目標(biāo)設(shè)定上取得了長足的進(jìn)步，對水文氣象參數(shù)、水質(zhì)生物狀態(tài)參數(shù)、物理化學(xué)參數(shù)等海洋要素監(jiān)測提供了有效地解決方案，相繼衍生出一些新的水下探測技術(shù)，如海底原位觀測。
[0003]傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)(自容式原位觀測)受制于能源供給與數(shù)據(jù)傳輸，無法實(shí)現(xiàn)長期實(shí)時(shí)在線監(jiān)測。東海海底觀測小衢山試驗(yàn)站、南海海底觀測網(wǎng)試驗(yàn)系統(tǒng)等項(xiàng)目，通過海纜與岸基聯(lián)網(wǎng)解決能源供給與數(shù)據(jù)傳輸限制，提供了一種對海洋環(huán)境要素監(jiān)測的新的解決方案。
[0004]兩者的成功建設(shè)與運(yùn)行，在一定程度上也填補(bǔ)了我國在海底有纜方面的技術(shù)空白。但是，在實(shí)用性以及通用性上仍然存在一定的缺陷。在系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)上，技術(shù)難度大，系統(tǒng)復(fù)雜度高，造價(jià)昂貴，不利于后期向小型化、實(shí)用化、模塊化方向進(jìn)行集成擴(kuò)展；另外，在海洋觀測數(shù)據(jù)利用上，仍然止步于現(xiàn)有的粗加工技術(shù)手段，對海洋資源信息缺少整合與深加工，不利于后期對監(jiān)測數(shù)據(jù)分析及海洋氣象預(yù)報(bào)。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005](一 )要解決的技術(shù)問題
[0006]為解決上述問題，本實(shí)用新型創(chuàng)新設(shè)計(jì)了海底有纜在線觀測系統(tǒng)，通過設(shè)計(jì)海底觀測平臺、布設(shè)海底通訊電纜解決水下系統(tǒng)集成能源與數(shù)據(jù)傳輸問題，提供一套海洋環(huán)境長期監(jiān)測的解決方案，實(shí)現(xiàn)了對動(dòng)力環(huán)境等海洋要素的長期、實(shí)時(shí)、在線、穩(wěn)定、自動(dòng)化監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)了對監(jiān)測數(shù)據(jù)的高度集成與綜合處理。
[0007]( 二)技術(shù)方案
[0008]一種海洋動(dòng)力環(huán)境海底有纜在線觀測系統(tǒng)，其特點(diǎn)是:主要包括海底觀測平臺、海底電纜、岸基監(jiān)測站、控制與數(shù)據(jù)服務(wù)中心組成；所述的海底觀測平臺包括系統(tǒng)框架、傳感器設(shè)備、系統(tǒng)控制艙；其中系統(tǒng)控制艙內(nèi)部集成包括能源供應(yīng)與分配子系統(tǒng)、信號傳輸與轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與控制子系統(tǒng)、通信與電源管理子系統(tǒng)四部分；所述的岸基監(jiān)測站通過海底線纜與海底觀測平臺連接；所述的控制與數(shù)據(jù)服務(wù)中心包括遠(yuǎn)程監(jiān)測控制平臺、資源數(shù)據(jù)共享平臺，其中遠(yuǎn)程監(jiān)測控制平臺包括電源管理模塊、傳感器模式模塊、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)模塊和故障診斷管理系統(tǒng)模塊。
[0009]進(jìn)一步的，所述的海底觀測平臺是海底有纜在線觀測系統(tǒng)核心部分，提供了一種通用型模塊化傳感器搭載平臺，可以根據(jù)不同應(yīng)用需求調(diào)整接入傳感器；具有高擴(kuò)展性與可靠性；所述的系統(tǒng)框架采用316L不銹鋼，框架四角針狀結(jié)構(gòu)，外觀呈三角倒錐型，基座距離海底20cm，傳感器在基座安裝固定，外罩防脫網(wǎng)，不易發(fā)生傾斜與拖曳；對于需要垂直剖面測量的傳感器，在框架上方使用萬向節(jié)固定。
[0010]進(jìn)一步的，所述的系統(tǒng)控制艙指標(biāo)如下所示:外形尺寸直徑216mm，長度900mm，壁厚18mm ;前后端蓋:外徑216mm，厚度58mm ;設(shè)計(jì)壓力30Mpa ;安全系數(shù):3 ;控制艙包括散熱區(qū)與普通區(qū)；所述的散熱區(qū)平面部分安裝高功耗電路板，扇形金屬面部分緊貼控制艙筒壁與海水進(jìn)行熱交換散熱；所述的普通區(qū)網(wǎng)格狀平面部分安裝低功耗電路板；兩者通過金屬條連接增加強(qiáng)度，可以根據(jù)需要可以自由拆卸；其中所述的散熱區(qū)主要安裝電源分配板、信號轉(zhuǎn)換板、CTD傳感器控制板、ADCP傳感器控制板、LED控制板、腐蝕計(jì)控制板；所述的普通區(qū)安裝ARM控制板、主電源管理板；其中內(nèi)部仍然有一定的富余空間，方便對傳感器進(jìn)行擴(kuò)展集成；當(dāng)進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)，只需要增加或去掉傳感器控制板即可；在控制艙端蓋有I個(gè)外部接口與4個(gè)內(nèi)部接口，其中外部接口 4芯DO與海底電纜連接，內(nèi)部接口 2芯Dl與LED燈連接、4芯D2與CTD連接、4芯D3與腐蝕計(jì)連接、8芯D4與ADCP傳感器或者AWAC傳感器連接。
[0011]進(jìn)一步的，所述的能源供應(yīng)與分配子系統(tǒng)主要包括兩個(gè)部分:電壓轉(zhuǎn)換功能部分與電壓分配功能部分；所述的電壓轉(zhuǎn)換功能:負(fù)責(zé)將海底電纜供應(yīng)380V直流電壓，通過+380V/+48V DC/DC電壓轉(zhuǎn)換，輸出+48V電壓作為控制艙內(nèi)部電路板輸入；所述的電壓分配功能:對于+48V電壓輸入，根據(jù)各控制電路板不同輸入電壓，分別進(jìn)行+48V/+24V DC/DC交換機(jī)、+48V/+12V DC/DC網(wǎng)橋、+48V/+5V DC/DCARM板、多路+48V并聯(lián)傳感器控制板輸出轉(zhuǎn)換，電壓轉(zhuǎn)換板輸入海底線纜+380V電壓，輸出+48V電壓，作為電壓分配板輸入，輸出+48V、+24V、+12V、+5V的多路電壓，接入通信與電源管理子系統(tǒng)；
[0012]所述的信號傳輸與轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)主要包括信號轉(zhuǎn)換功能與信號傳輸功能兩部分；所述的信號轉(zhuǎn)換部分采用以太網(wǎng)橋，網(wǎng)橋內(nèi)部采用EDSL協(xié)議，對稱傳輸速率達(dá)到6Mps，傳輸距離為1Km ;所述的信號傳輸部分是通過交換機(jī)連接主從冗余ARM控制系統(tǒng)；所述的交換機(jī)采用中國臺灣MOSA 4路接口交換機(jī)，3路分別連接ARMl、ARM2、以太網(wǎng)橋；
[0013]所述的通信與電源管理子系統(tǒng)采用分布式監(jiān)測管理方式，通過現(xiàn)場CAN總線，針對各傳感器分別設(shè)計(jì)CAN通信節(jié)點(diǎn)，所述的CAN通信接口模塊包括CAN協(xié)議轉(zhuǎn)換板與電源控制板兩部分組成，是由可以擴(kuò)展的CAN總線協(xié)議轉(zhuǎn)換器和適應(yīng)于不同傳感器供電電壓的DC/DC轉(zhuǎn)換器；為了提高系統(tǒng)兼容性與可擴(kuò)展性，方便不同接口標(biāo)準(zhǔn)的傳感器接入，在傳感器和嵌入式控制模塊之間，利用CAN協(xié)議轉(zhuǎn)換器，將不同的傳感器接口轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的CAN標(biāo)準(zhǔn)接口 ；其中模擬信號經(jīng)過信號處理電路之后送至A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，根據(jù)所需轉(zhuǎn)換精度/速度的不同，采用片外或者片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換兩種方式；數(shù)字信號根據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)分別經(jīng)過RS232、RS422/RS485轉(zhuǎn)換成單片機(jī)兼容的TTL電平接入；在傳感器電源管理上，為了保障節(jié)點(diǎn)控制的穩(wěn)定與可靠性，采用DC/DC并聯(lián)雙冗余設(shè)計(jì)，同時(shí)設(shè)置過壓/過流保護(hù)電路，預(yù)防由于DC/DC故障或者傳感器短路/過載等原因?qū)е孪到y(tǒng)崩潰；
[0014]所述的數(shù)據(jù)采集與控制子系統(tǒng)主要包括嵌入式雙冗余ARM控制模塊、以太網(wǎng)交換機(jī)模塊兩部分；所述的嵌入式雙冗余ARM控制模塊通過與岸基監(jiān)測站通信，獲取電源管理指令，解析下發(fā)至CAN節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行傳感器供電控制；獲取數(shù)據(jù)采樣方案，執(zhí)行傳感器采樣配置，進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)采集。主控制程序采用多線程處理機(jī)制，當(dāng)完成系統(tǒng)初始化，主線程開始依次創(chuàng)建各工作線程，主要包括日志記錄線程、命令控制線程、數(shù)據(jù)采集線程、數(shù)據(jù)上傳線程、系統(tǒng)監(jiān)控線程、冗余備份線程等。其中，日志線程負(fù)責(zé)記錄系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)異常工作狀態(tài)，比如網(wǎng)絡(luò)異常、信號終止、文件讀寫錯(cuò)誤、數(shù)據(jù)流溢出等；系統(tǒng)監(jiān)控線程負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)送與岸基PC交互心跳包；命令控制線程負(fù)責(zé)解析執(zhí)行岸基控制指令，包括傳感器節(jié)點(diǎn)電源管理指令、系統(tǒng)監(jiān)控指令、采樣配置指令等；數(shù)據(jù)采集線程負(fù)責(zé)解析過濾CAN節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，針對監(jiān)控狀態(tài)數(shù)據(jù)、命令反饋數(shù)據(jù)、原始采樣數(shù)據(jù)分別進(jìn)行處理。特別是傳感器原始數(shù)據(jù)，進(jìn)行預(yù)處理(過濾、時(shí)間戳等)后，添加到發(fā)送循環(huán)隊(duì)列中，利用集中寫/分散讀方式，通過系統(tǒng)上傳線程組包發(fā)送至岸基平臺；冗余備份線程負(fù)責(zé)與從系統(tǒng)通信，當(dāng)主系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)從系統(tǒng)進(jìn)行異常檢錯(cuò)判斷，從而接管系統(tǒng)運(yùn)行控制權(quán)，保證控制系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定可靠工作。
[0015]進(jìn)一步的，所述的海底線纜采用最先進(jìn)的XLPF絕緣擠包直流電纜技術(shù)，即利用新型的三層絕緣材料擠壓的電纜，主要由導(dǎo)體屏蔽層、絕緣層、絕緣屏蔽層三層共擠；在水深不超過10m的情況下，海底線纜采用扭矩平衡雙層鋼絲鎧裝結(jié)構(gòu)保護(hù)；在電纜布放時(shí)，采用直接拋放形式，在一些復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境中，需要對海纜進(jìn)行單獨(dú)處理保護(hù)，采用不銹鋼保護(hù)管、捆扎錨鏈或者拋射重塊防止水流沖刷滑動(dòng)。
[0016]進(jìn)一步的，所述的岸基監(jiān)測站通過電纜與海底觀測平臺連接，提供持續(xù)能源供給，作為數(shù)據(jù)/命令中轉(zhuǎn)站，需要轉(zhuǎn)發(fā)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室控制指令以及海底觀測平臺實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)；