海洋牧场方案设计及设备选型说明

发布:2016-12-29 10:03      点击:

 

一、方案设计及技术特点

(一)项目总体要求

为推进山东省“海上粮仓”的建设,构建“互联网+海洋牧场”系统,保障海洋牧场的生产安全,推动海洋牧场建设的持续、健康发展,实现对海洋牧场生态环境的可视、可测、可控。需要在山东省25个海洋牧场建立海底生态环境有缆观测系统,通过海底电缆为水下观测系统提供能源供给与数据传输通道,实现水位,温度,盐度,叶绿素,溶解氧和水下高清视频等海洋要素的长期、实时、原位、在线、稳定连续观测,并将数据实时传送到山东省水生生物资源养护管理中心和山东省海洋与渔业厅信息中心,从而实现海洋环境的在线监测。完成生态要素的比测,撰写海洋牧场环境要素的变化分析报告。

(二)系统具体要求

1、观测系统适用范围:适用于离岸3公里范围内的海洋牧场

2、系统的功能要求

岸基海洋生态环境有缆在线监测系统由岸基控制系统、海底观测平台、数据传输系统、监测中心控制系统、观测仪器五部分构成,岸基控制系统作为能源供应和信息中转站,利用海底电缆完成水下观测系统仪器的供电和数据传输,利用无线网络模块实时转发观测数据至省水生生物资源养护管理中心和省海洋与渔业厅信息中心。省水生生物资源中心和省海洋与渔业厅可以通过网络在线观看水下高清视频和查看实时环境数据,并可以远程对水下观测仪器和探头进行能源管理与数据采集控制。
2.1观测系统的整体设计指标:
① 最大传输距离(观测点到岸站):10Km
② 最大投放深度:600m
③ 最大传输速率:2.3Mbps(10Km海缆)
④ 水下最大可提供功率:300W
⑤ 最大可以集成的仪器数量:16个,要求集成5台仪器(水下高清摄像机),并具备3个备用仪器接口,可以直接接入国际通用流速剖面仪,波浪仪,多参数水质仪等仪器。
2.2仪器的主要指标要求如下:
CTD
主要指标:
    温度:精度±0.005°C,分辨率0,0001℃
   盐度:精度0.0003S/m,分辨率0.00001S/m
   压力:精度全量程0.1%,分辨率分辨率0.002%
    采样频率:15Hz
叶绿素仪
主要指标:
    最小检测量:0.02 μg/l
    精度:0.003μg/l
    量程:150μg/l
    耐压:600米
溶解氧仪
主要指标:
范  围: 120%饱和状态
准确度: 2%饱和状态
分辨率: 0.035%饱和状态 (0.003 ml/l at 00C,35 PSU)
耐  压:600米
水下高清摄像仪
主要指标:
输出: 1080/720
角度:80°  diagonal
变焦:30倍光学变焦,12倍数字变焦
耐压:3000米
使用寿命:10年,连续稳定运行工作1年

3、水下观测平台

水下观测平台采用现场分布式模块化管理,可以实现对水下仪器独立的数据采集和电源管理控制,并能实时检测水下仪器的工作状态,以及采用国际通用的水密接插件,方便扩展其他参数或更新替代同一监测参数不同型号仪器设备。水下观测平台系统设计指标:
① 水下观测平台最大功率:300W
② 水下观测平台供电电压:直流380v
③ 使用寿命:10年,连续稳定运行工作1年
④ 集成传感器:具备灵活扩展其他参数或更新替代同一监测参数不同型号仪器设备,具备即插即用的通用国际标准水密接口
水下框架指标要求:水下框架尺寸满足固定目前设备的基础上,可以为将来要固定的流速剖面仪,波浪仪,多参数水质仪等预留足够的固定空间。水中重量不小于100Kg,采用316L不锈钢加工而成,可以提供保证流速剖面仪保持竖直状态的常平架,各仪器具备独立的固定装置,仪器和框架之间采用尼龙隔离,水下框架装备牺牲阳极。
水下密封腔的指标要求:耐压6MPa,采用钛合金加工,内部为供电系统提供散热装置,提供国家海洋局标准计量中心的耐压测试报告,测试标准参考HY016-1992《海洋仪器基本环境实验方法》

4、海底电缆

海底电缆用于连接岸基控制系统与水下观测平台,主要负责将实时观测数据传输至岸基控制系统,电缆的长度3Km,海底电缆的指标要求如下:
① 电缆破断力>20Kn,密度>海水密度;
② 导体:符合GB/T3956的第二种圆形或紧压绞合圆形结构;
③ 绝缘体:应在导体外挤出聚乙烯绝缘层。绝缘层任一点的最小厚度应不少于规定标称值的90%;
④ 护套:两层护套,中间铠装;内外护套为挤包高密度聚乙烯,护套表面应光亮,色泽均匀,横断面不得有目力可见的气孔、砂眼等;
⑤成缆&填充:应将两根信号线芯成缆并用填充绳进行填充,应在组合线芯上有合适的捆扎带;将成缆后的线芯再次成缆,并用填充绳进行填充,成缆节径比应不大于30倍;
⑥ 使用寿命:30年

5、岸基控制系统

岸基控制系统作为能源供应和信息中转站,负责水下观测系统提供电力供给,并负责回收观测数据,在完成数据的质量控制后上报控制中心。相应的,岸基控制系统同时负责转发总中心控制指令至海底有缆观测系统。其主要技术指标要求如下:
① 岸上电压输入:交流220V,电压波动+7%,-10%
② 岸上电压输出:直流380V,最大功率300W
③ GPRS/CDMA模块:信号强度值>20,传输带宽>100Kb/s
④ 岸基控制箱:防霉、防潮、防烟雾、防雷击处理
⑤ 商业UPS电源:额定功率>20KVA  (需要计算)
⑥ 使用寿命:10年,连续稳定运行工作1年
 

(三)方案具体设计

1、项目总体设计

在考虑系统稳定性、可靠性及经济性的原则下,此类离岸小于3Km海洋牧场采用岸基控制的海底有缆观测系统,数据通过海底有缆观测平台集成后由电缆传输至岸基控制站,由岸基控制系统将数据传输至总控制中心;同理,总控制中心远程指令依次下达至岸基控制系统与海底观测系统。
该系统采用市电与UPS相结合方式进行电力供给,采用海底电缆和地面网络进行数据与指令传输。系统性能稳定可靠,受到海洋灾害等极端天气的影响较小,可以在长期雾天或较大风浪等恶劣环境下保持系统的稳定工作,岸基有缆在线观测系统示意图如下所示。

图. 岸基控制的海底有缆观测系统观测示意图

2、系统构成

岸基控制的海底有缆在线观测系统主要由岸基控制系统、海底观测平台、观测仪器、数据传输系统以及总控制中心的控制系统五部分组成。其中系统的设计指标如下:
l  系统的设计寿命:10年
l  最大离岸布放距离:10公里(观测点到岸站)
l  最大布放深度:600m
l  最大的传输速率:2.3Mbps(10Km海缆)
l  系统水下可接入设备:10台,可扩展至16或32台;具备可随时接入目前国内任何常用海洋观测设备的能力;采用通用的接口协议
l  水下最大可提供功率:300W
l  主要的监测要素、精度以及观测的频次要求如下:温度观测精度0.005°C,10s观测一次;电导率观测精度0.0003S/m,10s观测一次;水位观测精度全量程0.1%,10s观测一次;叶绿素观测精度0.003μg/l,1分钟观测一次;溶解氧观测精度0.1mg/l,1分钟观测一次;水下摄像头高清1920p*1080p,连续观测。
系统拓扑图如下所示:


 
 
 
 
 
 
 
 
图. 岸基有缆在线观测系统观测拓扑图
3、各子系统介绍
3.1岸基控制系统

某项目岸基站外观图
岸基控制系统作为能源供应和信息中转站,根据实际观测需求,通常部署在岸基或者特定岛基,通过市电为有缆观测系统提供电力供给,并负责回收海底有缆观测系统的数据,在完成数据的质量控制后上报控制中心。相应的,岸基控制系统同时负责转发总中心控制指令至海底有缆观测系统。
另外,为了保证能源供给稳定可靠,在海底观测网系统中采用市电和商业化的UPS电源,可以保证系统长期、稳定、可靠的供电状态。考虑的长距离的水下电力的传输,岸基控制系统为水下供电采用的直流380V的电源。

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岸基控制系统外观与内部示意图
如上岸基控制系统内部示意图所示,主要包括供电模块、控制模块、数据传输模块等部分组成。其中供电模块负责通过220V/380V AC/DC电压转换模块为海底观测平台提供能源供给;PC104控制模块则在海底观测平台与总控制中心之间起着信息中转站的作用,负责传感器数据与控制指令转发。
3.3海底观测平台
充分考虑系统高稳定可靠性的需求,采用863海底观测网的成熟技术,设计海底观测平台,实现各传感器的电源控制、监测及数据采集、压缩,将所有数据压缩处理后传输,保证数据传输稳定可靠。集成系统采用模块化设计,可以根据应用需求调整接入传感器,安装维护方便。预留10套水密接口,采集监测仪器可扩展至10台仪器和设备。各仪器设备控制单元采用分布式管理,将各仪器相互分布隔离,不会因为一个仪器或者一个部分的漏电、工作异常而影响整体的系统工作,各仪器设备更换维护方便,可单个更换。
海底观测平台是海洋环境海底有缆观测系统的核心部分。其主要是由数据采集控制子系统、观测仪器、水下视频摄像机、水下构架和控制密封舱构成。数据采集与控制子系统负责各观测仪器的电源管理、控制与数据采集、融合及与岸基控制系统连接进行信息传输和管理,主要是由主从控制模块与各传感器模块组成,系统拓扑图如下所示:


数据采集控制系统内部拓扑图
其中主从控模块通过现场CAN总线与传感器模块通信,负责传感器模块管理与控制,承担传感器数据解析处理,是整个管理系统控制核心部分及稳定运行的的关键。为了保证可靠性,主要由双冗余的主控模块与从模块组成,如下图所示主从控模块硬件电路板。

ARM底板_副本
传感器模块与集成搭载设备一一对应,负责传感器电源管理与数据协议转换。传感器模块化的管理方式在系统后期扩展及更新换代具有很大的灵活性,各模块间软硬件设计类似,硬件电路主要是由可以扩展的CAN总线协议转换器和适应于不同传感器供电电压的DC/DC转换器设计实现。软件程序负责将不同传感器接口数据转化成CAN数据转发。
QQ截图20141220141826 QQ截图20141220141933
观测仪器,通过海缆接入数据采集与控制子系统控制舱,此外该系统还包括水下灯和腐蚀在线监测仪,可以辅助水下观测系统的布放和维护。海底观测平台的水下构建采用316L不锈钢加工制成,并采用两层的构架,观测仪器在上基座层安装固定,平台外罩防拖网。控制密封腔采用钛合金加工,可以实现水下10年的设计寿命,考虑到传感器功耗不同,设计采用扇形散热区与普通网格区前后两部分,根据实际应用需要,增加或裁减传感器模块。
 
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图 海底观测平台示意图
QQ截图20150204104316
图 系统控制舱结构图
 
3.4观测仪器设备选型
观测仪器是完成海洋牧场海洋环境有缆实时观测的核心部件。完成水质环境和水动力环境的实时观测,在满足海洋牧场基本参数获取的基础上,未来可以扩展测量海流、波浪等海洋动力参数,为海洋环保和预报部门的监测、预报等工作提供丰富可靠的数据支撑。综合各方面的因素,选择以下的仪器作为主选的仪器:
3.4.1CTD配置选型方案
主要完成牧场的深度,温度和盐度的测量

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型号:RBRconcertoC.T.D
    主机:
    尺寸:390mm x直径63.5mm,顶端保护罩直径73mm
    抗压深度:740米(塑料) /10000米(钛合金)
    重量:3公斤(空气中),1.1公斤(水中)
    电源:内置8节3V CR123A 锂电池 (可升级至16节)
    外部电源:12伏直流
    存储器:固态存储器可存储3000万组数据
    通讯:USB(标配)/RS-232、RS-485(选购)
    时钟准确度(Accuracy):±60s/年
    校准:NIST标准
    工作模式:自容式、实时在线式

 
 
 
 

    温度:
    温度范围:-5℃至+35℃
    准确度(Accuracy):±0.002℃
    分辨率:小于0.00005℃
    响应时间:~1s,T63;可选~0.1s
    漂移:小于0.002℃/年




 
C sensor2      电导(盐度):
    电导范围:0-85mS/cm
    准确度(Accuracy):±0.003mS/cm
    分辨率:1µS/cm(0.00001S/m)
    时间常数:T63,<100ms
    漂移:约1µS/cm/月
    最大耐压:2000米







TDR-2050_end_view     深度:
    深度范围:10/20/50/100/200/500/1000/2000/4000/6000/10000米(可选)
    准确度(Accuracy):满量程的±0.05%
    分辨率:满量程的0.001%
    时间常数:小于10毫秒,T63











 
3.4.2溶解氧探头
    光学法(特点:抗生物附着,一般1年更换校准膜1次)
    工作量程:0-800µmol/l(0-200%)
    校准量程:0-500µmol/l(0-120%)
    准确度(Accuracy):小于4 µmol/l或2%;
    分辨率:小于1µmol/l或0.035%
    响应时间(63%):小于25秒
    耐压深度:600米
    安装方式:通过电缆连接主机或者直接固定在主机顶端





 
    3.4.3叶绿素探头Hydro-Wiper_J
     叶绿素a测量范围:0-500µg/l
    最低检测限:0.025µg/l,分辨率0.003μg/l
    测量范围检测范围(3种,通过Ruskin软件自动选择):0-5µg/l、0-50µg/l、0-500µg/l;
    可配备水下光学镜头擦拭器,在水下长期监测,防止生物附着,保证数据质量
    激发波长:460 nm
    被激发波长:620-715nm
    工作温度:-2-50℃
    测量点探头前端(锥形,直径10厘米,高7.5厘米)
    最大深度:600米
    尺寸:长度14.5cm 直径2.2cm
    通过电缆连接主机或者直接固定在主机顶端。
 
3.4.4水下摄像机
完成水下环境的视频连续观测

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传感器类型 1/2.8" 2.43 Mega Pixels CMOS
信号系统 PAL
传感器有效像素 1984(H)×1225(V)

最低照度 0.05Lux@(F1.2,AGCON),0 Lux with IR
电子快门 支持最低快门,1/3s~1/100,000s
白平衡 自动
背光补偿 支持
降噪 支持2D/3D降噪
镜头焦距 2.8mm-12mm@F1.4 电动变焦镜头
像素 200万像素,30倍光学变焦,12倍数字变焦
视频输出 75-3 BNC输出
视频帧率 1920×1080@30fps
图像镜像 支持
防闪烁 支持
数字放大 支持
曝光模式 曝光模式;曝光等级;曝光速度;防闪烁;
隐私屏蔽 支持
供电 AC220转DC12V±10%
功耗 11.0W
工作温度 ﹣15℃~﹢60℃
工作湿度 湿度小于95%(无凝结)
3.5数据传输系统
    采用定制海水专用光电复合电缆将有缆观测系统数据传输至岸基控制系统,由岸基控制系统通过地面网络将数据实时转发至总控制中心;反之通过该传输链路下发总控制中心指令至岸基控制系统与海底有缆观测系统。
 其中海底电缆包括绝缘层、钢丝编织层、屏蔽层、2根信号线、2根动力线等组成,信号线用于传输5Mbps左右的全双工电信号,动力线用于传输380V直流电压。
 另外各岸基控制系统独立接入10M带宽地面网络,数据汇总至总控制中心,总控制中心选择接入100M带宽光纤网络,保证传输带宽。
QQ截图20150630214836   
电缆具体参数
使用寿命:30年
类型:海水专用定制光电复合缆:
芯数:2光2 芯电源线
光衰减:≤0.5dB/km
绝缘电阻:≥2000MΩ·km
介质耐压:2kV,AC(电源线间)
比重:1.8
抗拉强度:100kN
耐水压:4.5MPa
3.6中心控制系统
远程监控中心安装高性能服务器,通过运行一系列人机交互软件及后台应用来进行日常维护操作,这主要包括实时数据监测平台、资源数据共享网站、视频直播推送与存储几个部分,实现监测数据接收、存储、预处理以及视频解码、存储等功能。
其中实时数据监测平台负责系统远程控制、实时数据监测等,可自行设定报警参数,带历史曲线图表,可查看实时数据与历史数据,界面友好,可操作性强。资源共享网站则负责数据发布、信息整合、气象预报等一些列后期扩展功能。
QQ截图20151017080321
另外,考虑到网络带宽与服务器性能,采用与省厅与资管中心交互应答方式,通过后台视频直播推送与存储软件,方便省厅选择点播查看本地实时水面水下视频。同时控制中心按小时具备自主录制视频,并提供与省厅控制中心系统软件接口程序(视频和数据),方便省厅数据资源优化整合。
 

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