一種海洋牧場平臺基微波觀測系統的製作方法

2023-09-18 05:52:55

專利名稱:一種海洋牧場平臺基微波觀測系統的製作方法
【專利摘要】一種海洋牧場平臺基微波觀測系統，屬於海洋技術領域。本實用新型包括水上平臺、海底觀測平臺、監測控制中心和微波傳輸鏈路，傳感器數據與海底實況視頻通過所述的海底觀測平臺集成後由海底電纜傳輸至水上平臺上的平臺控制系統，通過設置在水上平臺的遠端微波中繼站傳輸至岸基微波基站，岸基微波站通過地面傳輸網絡將數據傳輸至所述的監測控制中心，監測控制中心指令依次下達至水上平臺與海底觀測平臺並實現遠程控制。本實用新型通過設計海底觀測平臺、布設海底通訊電纜解決水下系統集成能源供給與數據傳輸問題，實現了對生態環境等海洋要素的長期、實時、在線、穩定、自動化監測；實現對海洋牧場生態環境的可視、可測、可控。
【專利說明】
一種海洋牧場平臺基微波觀測系統
技術領域
[0001]本實用新型屬於海洋技術領域，尤其與一種海洋牧場平臺基微波在線觀測系統有關。
【背景技術】
[0002]開發海洋資源、發展海洋經濟正逐漸成為沿海各國國民經濟的重要支柱，然而在帶來巨大經濟效益的同時，當代海洋的開發也帶來了一連串的生態環境和資源問題。人類對海洋漁業資源的掠奪式捕撈已使漁業資源特別是近海資源面臨枯竭，世界海洋漁業資源可捕量已經受到了很大限制，從現代漁業的發展趨勢來看，資源管理型漁業將是新世紀海洋漁業發展的主要方向，而海洋牧場則是資源管理型漁業的主要方式之一。
[0003]作為一種新型的有計劃有目的海上魚蝦貝類放養大型人工漁場，海洋牧場的邊發展邊治理的方式越來越得到全世界的高度認可和讚揚，自上世紀九十年代以來海洋牧場的發展得到越來越多的重視，世界各國也大力推動這種新型海洋開發方式。
[0004]與此同時，在發展海洋牧場過程中，針對海洋牧場生態環境監測、生物運動狀態習性監控等一系列海洋高新配套設備也越來越得到重視。目前，部分基於浮標平臺關於海洋牧場水質生態環境實時監測系統、基於運載器的關於海底生物環境監控系統正在部署實施。
[0005]雖然國內外有關海洋牧場建設的項目正不斷投入建設和應用，但是針對海洋牧場海況和需求的水質生態環境在線監測，特別是水下人工漁礁周圍環境視頻監控研究和應用還相對滯後，無法對海洋牧場健康可持續發展提供有效技術支撐，主要體現在以下幾個方面:
[0006]部分近距離海洋牧場水質在線監測系統單純依靠傳統的海事浮標，只能監測水面環境要素，其高建設、使用和維護成本使得絕大多數海洋牧場還無法實現對海底長期在線監測，但是海洋牧場養殖發展非常需要在線穩定的海底監測要素參數;傳統的海事浮標功能較為單一，無法兼顧休閒垂釣、海上救助、牧場管理等其他需求，且浮標布放缺少有效的視頻監控防護措施；
[0007]除部分水質、水文監測要素外，無法實現對水下人工漁礁周圍環境和生物的運動狀態及生活習性的長期實況視頻監控；
[0008]傳統的生態環境監測系統在儀器擴展、設備更新等方面設計考慮不足，系統可擴展性差，模塊化不足，容易造成二次重複開發。
【實用新型內容】
[0009]針對上述問題，本實用新型的目的旨在提供一種海洋牧場平臺基微波觀測系統，專門針對離岸3Km以上遠距離海洋牧場，相比傳統海事浮標等監測系統，該觀測系統實行模塊化管理，整體集成度更高、獨立性更強、更加靈活方便，在通用性、可擴展性、穩定可靠性具有一定的技術優勢，能夠很好地滿足絕大多數海洋牧場監測需求，真正意義上實現了對海洋牧場生態環境的可視、可測、可控。
[0010]為此，本實用新型採用以下技術方案:一種海洋牧場平臺基微波觀測系統，包括水上平臺、海底觀測平臺、監測控制中心和微波傳輸鏈路，傳感器數據與海底實況視頻通過所述的海底觀測平臺集成後由海底電纜傳輸至水上平臺上的平臺控制系統，通過設置在水上平臺的遠端微波中繼站傳輸至岸基微波基站，岸基微波站通過地面傳輸網絡將數據傳輸至所述的監測控制中心，監測控制中心指令依次下達至水上平臺與海底觀測平臺並實現遠程控制。
[0011]作為對上述技術方案的補充和完善，本實用新型還包括以下技術特徵。
[0012]所述的水上平臺作為能源供應站與信息中轉站，包括平臺控制水密箱、太陽能板與蓄電池組成的電源、平臺控制系統、帶有LTE微波天線的遠端微波中繼站和監控攝像頭，太陽能板、LTE微波天線、監控攝像頭安裝在水上平臺的表面，蓄電池組、平臺控制系統、遠端微波中繼站安裝在平臺控制水密箱內，平臺控制水密箱位於水上平臺的中間位置。
[0013]所述的水上平臺設有三層結構，最底層採用聚氯乙烯PVC管作為浮體材料，中間層採用橫木作為平臺支撐加強筋，最上層採用木板間隙拼接作為平臺作業平面，平臺作業平面中央位置安裝平臺控制水密箱，水上平臺的四周利用合成纖維編織的網衣構成相對封閉的平臺環境，其中通過多個貫穿上下三層的U型螺栓加強平臺強度，平臺作業平面上的木板連接有條形不鏽鋼板和多根金屬豎杆，可以方便安裝太陽能板、天線、避雷針設備框架。
[0014]所述的平臺控制水密箱下部呈方形、上部呈錐形，頂部通過密封艙蓋蓋裝，下部長方體用於安裝蓄電池組，上部錐體用於安裝平臺控制系統和遠端微波中繼站，頂部密封艙蓋將設置在外部的LTE微波天線、監控攝像頭、海底電纜過孔走線及箱體密封。
[0015]所述的水上平臺能源供應部分由太陽能光伏陣列、蓄電池組及太陽能控制器組成，平臺控制系統作為太陽能控制器直流負載，通過計算所需電壓及系統功耗，光伏陣列及蓄電池組進行串並聯後接入太陽能控制器。
[0016]所述的平臺控制系統對監控攝像頭、遠端微波中繼站、海底觀測平臺進行能源管理與分配，並對監測控制中心、海底觀測平臺傳感器數據與控制指令進行中轉與備份;平臺控制系統包括供電管理模塊、中央控制模塊和數據傳輸模塊，供電管理模塊通過太陽能板和蓄電池組進行供電，負責為遠端微波中繼站、監控攝像頭、海底觀測平臺和內部控制模塊提供電源；中央控制模塊通過海底電纜進行傳感器數據與控制指令的透明轉發，負責回收海底觀測平臺的數據，並轉發監測控制中心指令至海底觀測平臺，數據傳輸模塊通過與海底觀測平臺成對使用的調製單元，建立水上與水下透明網絡，從而轉發傳感器數據與海底實況視頻。
[0017]所述的海底觀測平臺作為一個通用型傳感器搭載平臺，包括水下構架、控制密封艙和觀測儀器，控制密封艙內部集成數據採集控制系統，觀測儀器通過內含信號線與動力線的水密電纜接入控制密封艙，共同安裝固定在水下構架上。
[0018]所述的觀測儀器包括CTD傳感器，葉綠素探頭，溶解氧探頭，水下攝像頭、LED燈和腐蝕在線監測儀，觀測儀器可以根據海洋牧場實際監測需求動態調整。
[0019]所述的數據採集控制系統現場分布式管理及模塊化設計，包括供電模塊、主從控制模塊、傳感器模塊、視頻處理模塊，所述的觀測儀器分別對應各自的傳感器模塊，根據所掛載傳感器設備分別設計獨立的控制模塊，將各儀器相互分布隔離，不會因為一個儀器或者一個部分的漏電、工作異常而影響整體的系統工作。
[0020]所述的供電模塊負責將海底電纜接入電壓進行降壓轉換與內部分配處理;主從控制模塊負責各傳感器模塊管理與控制；各傳感器模塊與集成搭載設備一一對應，負責傳感器設備協議轉換與電源管理;視頻處理模塊負責視頻壓縮編碼及RTMP推流處理。
[0021]所述的控制密封艙包括散熱區和網格區，所述的散熱區安裝高功耗電路板，包括主電源管理板、CTD傳感器板、攝像頭板、LED板、腐蝕計控制板和通信調製模塊，網格區安裝低功耗電路板、安裝ARM控制板、交換機、編碼器板，散熱區上的高功耗電路板通過金屬扇面緊貼控制艙筒壁與端蓋及海水形成散熱迴路。
[0022]所述的水下構架採用316L不鏽鋼加工製作成型，外觀呈三角錐形，四角針狀結構，並採用上下兩層獨立設計，所述的CTD傳感器，葉綠素探頭，溶解氧探頭，水下攝像頭、LED燈、腐蝕在線監測儀和控制密封艙安裝於水下構架上，水下構架的外周罩護防拖網，在一定程度上能夠減少被漁網等拖拉颳倒。
[0023]所述的監測控制中心包括實時數據監測平臺、資源數據共享網站、視頻直播推送和存儲模塊；
[0024]所述的實時數據監測平臺包括電源管理模塊、傳感器管理模塊、數據管理模塊、故障管理模塊，負責傳感器遠程電源管理與採樣配置、實時採樣與狀態數據監測等；
[0025]所述的資源數據共享網站負責與實時數據監測平臺交互，進行監測數據與實況視頻發布、存儲查詢等基本功能，數據後處理、預警報判別等特殊功能，並對未來觀測要素值進行數值預報等擴展功能；
[0026]所述的視頻直播推送和存儲模塊負責海底實況視頻網絡同步直播、歷史點播及備份存儲等。
[0027]所述的電纜包括由信號線與動力線通過填充繩填充，再通過綑紮帶綑紮，綑紮帶外層由內往外依次設置內護套、鋼絲編制層和外護套，每組線由兩根導體分別通過絕緣層絕緣及填充繩填充後雙絞用PP帶包裹成型。
[0028]所述的微波傳輸鏈路包括水上平臺微波中繼站與岸基微波基站，通過該傳輸通道及地面傳輸網絡，將海底實況視頻、傳感器數據、平臺監控視頻等實時轉發至監測控制中心。其中水上平臺微波中繼站包括水密控制箱內部的CPE及平臺表面的雙極化全向玻璃鋼LTE天線，岸基微波站則利用漁政執法部門前期在沿海地區架設的一點對多點全向基站。
[0029]使用本實用新型可以達到以下有益效果:本實用新型通過設計海底觀測平臺、布設海底通訊電纜解決水下系統集成能源供給與數據傳輸問題，實現了對生態環境等海洋要素的長期、實時、在線、穩定、自動化監測;實現對海洋牧場生態環境的可視、可測、可控:即對水下觀測系統和水下人工漁礁周圍環境和生物的運動狀態及生活習性的實況視頻監控；對海洋牧場海水的溶解氧、葉綠素、溫度、鹽度、水位、海流、海浪等參數實時在線監測;對海底搭載儀器的遠程實時控制，根據需要遠程調整儀器工作狀態及數據採集頻次；系統模塊化分布式設計:通過一種更為可靠穩定，並且具有良好擴展性的傳感器模塊化集成手段一通用型傳感器平臺，即預留充足設備接口，針對不同接口的傳感器可以實現無縫接入系統，便於同一參數不同指標儀器接入平臺比對及後期擴展可擴展安裝營養鹽等海洋環境觀測設備;水上平臺建設充分借鑑海水養殖網箱進行優化改進，在滿足生態環境監測空間與安全需求的同時，兼顧休閒垂釣、海上救助、牧場管理等多種需求，經濟實惠，避免資源浪費。
【附圖說明】

[0030]圖1為本實用新型的結構連接示意圖。
[0031]圖2為本實用新型海底觀測平臺的結構簡示示意圖。
[0032]圖3為本實用新型水上平臺結構示意圖。
[0033]圖4為本實用新型海底觀測平臺數據採集控制系統內部拓撲示意圖。
[0034]圖5為本實用新型電纜結構示意圖。
【具體實施方式】
[0035]下面結合附圖對本實用新型的【具體實施方式】進行詳細描述。
[0036]實施例:如圖1?圖5所示，本實用新型包括水上平臺2、海底觀測平臺3和總控制中心I，傳感器數據與海底實況視頻通過海底觀測平臺3集成後由海底電纜傳輸至水上平臺2上的平臺控制系統，通過設置在水上平臺2的遠端微波中繼站傳輸至岸基微波站4，岸基微波站4通過地面傳輸網絡將數據傳輸至總控制中心I，監測控制中心I指令依次下達至水上平臺2與海底觀測平臺3並實現遠程控制。
[0037]水上平臺2作為能源供應站與信息中轉站，是微波平臺海洋生態環境在線觀測系統的關鍵組成部分，主要包括平臺控制水密箱21、太陽能板22與蓄電池、平臺控制系統、遠端微波中繼站、監控攝像頭等。其中太陽能板22、LTE微波天線、監控攝像頭安裝在水上平臺2表面;蓄電池組、平臺控制系統、遠端微波中繼站安裝在平臺控制水密箱21內部;平臺控制水密箱21則嵌套安裝在水上平臺2中央部位。為了延長水上平臺2的使用壽命，增加其抗風、抗浪、抗流能力，這裡借鑑網箱平臺安裝布放經驗，對水上平臺2進行了專門優化改進設計，整體採用三層結構設計，最底層採用聚氯乙烯PVC管作為浮體材料，中間層採用8根900cm*30cm*20cm橫木作為平臺支撐加強筋，最上層採用30根900Cm*20Cm*5Cm木板間隙拼接作為平臺作業平面，中央位置預留空間作為安裝平臺控制水密箱21，四周利用合成纖維編織的網衣構成相對封閉的平臺環境，其中通過多個貫穿上下三層的U型螺栓加強平臺強度，平臺表面木板連接有條形不鏽鋼板可以方便安裝太陽能板22、天線、避雷針設備框架。另外，為方便安裝2根LTE微波天線、監控攝像頭，專門在水上平臺2表面架設多根金屬豎杆，其中包括高8m避雷針。
[0038]平臺控制水密箱21包括下部長方體、上部錐體、頂部密封艙蓋，其中下部長方體用於安裝16塊蓄電池，上部錐體用於安裝平臺控制系統、遠端微波中繼站，頂部艙蓋用於外部LTE、攝像頭、海底電纜過孔走線及箱體密封。
[0039]水上平臺2作為微波平臺觀測系統能源供應站，設計能源供應系統，主要包括太陽能板22光伏陣列、蓄電池組、太陽能控制器組成。太陽能控制器主要用於優化蓄電池充電與放電過程，濾波光伏陣列電壓輸入，從而延長蓄電池使用壽命，減少電壓尖峰對負載設備損害。通過計算水上平臺2與水下系統的整體功耗及滿足備份使用，水上平臺2表面安裝8塊1200瓦的單晶太陽能板22，其中4塊單路串聯，2路並聯輸出。平臺控制水密箱21內部配備16塊1600AH的蓄電池，其中4塊單路串聯，4路並聯輸出，從而能夠保障在海邊多霧陰雨天等惡劣天氣狀況下，至少連續提供5*24的穩定能源供給。
[0040]平臺控制系統負責對監控攝像頭、遠端微波中繼站、海底觀測平臺3進行能源管理與分配;負責對總控制中心1、海底觀測平臺3傳感器數據與控制指令進行中轉與備份。平臺控制系統包括供電管理模塊、PC104中央控制模塊、數據傳輸模塊等。平臺控制系統作為負載接入太陽能控制器+48V直流輸出，通過一系列DCDC/DCAC電壓轉換模塊，負責為遠端微波中繼站提供+28V、+12V直流電壓輸出、為水面監控攝像頭提供24V交流電壓輸出，為海底觀測平臺3提供+48V直流電壓輸出，為內部控制模塊等提供+12V、+5V直流電壓輸出。另外，通過PC104控制模塊連接微波傳輸系統與海底電纜進行傳感器數據與控制指令的透明轉發，負責回收海底觀測平臺3的數據，在完成數據的質量控制後通過微波系統上報控制中心，相應的，負責轉發總中心控制指令至海底觀測平臺3。數據傳輸模塊則是通過與海底觀測平臺3成對使用的調製模塊，建立水上與水下透明傳輸網絡，從而負責將海底視頻信號與數據信號通過公有網絡轉發至監測控制中心。
[0041]為保證水上平臺2的安全性，在表面架設海康威視監控攝像球機，通過微波傳輸鏈路，透過RTSP視頻流傳輸協議，在遠程控制中心實現對水上平臺2狀況及周圍環境的實時在線監控，負責完成視頻錄製、預覽、回放等功能，並進行定點巡航、越界偵測、區域入侵偵測等smart事件處理。
[0042]海底觀測平臺3是微波平臺海洋環境在線觀測系統核心部分，是完成海洋環境實時監測、海底視頻實況監控的關鍵，這裡通過提供一種通用型模塊化傳感器搭載平臺，可以根據不同應用需求調整接入傳感器，主要負責各觀測儀器31的供電與數據採集控制，另外完成對原始視頻信號進行壓縮、推流等處理。
[0043]按照功能模塊劃分，海底觀測平臺3主要是包括水下構架33、控制密封艙32、觀測儀器31，其中控制密封艙32內部集成數據採集控制子系統，觀測儀器31通過水密電纜(內含信號線與動力線)接入控制密封艙32，共同安裝固定在水下構架33上。
[0044]根據項目設計任務要求，系統主要集成搭載CTD傳感器，葉綠素探頭，溶解氧探頭，水下攝像頭等。此外搭載水下LED燈和腐蝕在線監測儀，可以輔助海底觀測平臺3的布放和提供維護參考、輔助攝像頭夜間光線補償。
[0045]數據採集控制系統位於海底觀測平臺控制艙內部，設計充分考慮系統高穩定性、高可靠性、可擴展等需求，借鑑863海底觀測網的成熟技術及汽車電子成熟工藝，
[0046]集成控制系統採用現場分布式管理、模塊化設計，針對所掛載傳感器設備分別設計獨立的控制模塊，將各儀器相互分布隔離，不會因為一個儀器或者一個部分的漏電、工作異常而影響整體的系統工作。各儀器設備更換維護方便，可單個更新替換，可以根據實際應用需求調整接入傳感器，在升級換代時僅需少量的測試安裝工作。
[0047]海底觀測平臺3作為一個通用型傳感器搭載平臺，採用國際通用的水密接插件，具有即插即用的通用國際標準水密接口，可以很方便擴展其他參數或更新替代同一監測參數不同型號儀器設備，目前海底觀測平臺3最大功率100W，接入儀器設備5臺，同時預留3個接口，未來可以擴展至16?32個。
[0048]數據採集控制系統主要負責各觀測儀器31的電源管理、控制與數據採集、融合;與平臺控制系統連接進行信息傳輸;原始視頻信號壓縮與推流處理等，主要是由供電模塊、主從控制模塊、各傳感器模塊、視頻處理模塊組成。
[0049]其中供電模塊負責將海底電纜接入電壓進行降壓轉換，並根據內部應用需要進行電壓分配處理。系統主要包括兩個部分:電壓轉換功能部分與電壓分配功能部分。電壓轉換功能:負責將海底電纜供應48V直流電壓，通過+48V/+48V DC/DC電壓轉換，輸出+48V電壓作為控制艙內部電路板輸入;電壓分配功能:對於+48V電壓輸入，根據各控制電路板不同輸入電壓，分別進行+48V/+24V DC/DC (交換機)、+48V/+5V DC/DC (ARM板)、多路+48V並聯(傳感器控制板)等輸出轉換。
[0050]主從控模塊通過現場CAN總線與傳感器模塊通信，負責傳感器模塊管理與控制，承擔傳感器數據解析處理，是整個管理系統控制核心部分及穩定運行的的關鍵。為了保證可靠性，主要由雙冗餘的主控模塊與從模塊組成。
[0051]傳感器模塊與集成搭載設備一一對應，負責傳感器電源管理與數據協議轉換。傳感器模塊化的管理方式在系統後期擴展及更新換代具有很大的靈活性，各模塊間軟硬體設計類似，硬體主要區別在於根據掛載儀器設備電壓功耗調整DCDC穩壓模塊，包括CTD傳感器模塊(+48V/+12V DC/DC 6W)、葉綠素探頭(+48V/+12V DC/DC 2W)、溶解氧探頭(+48V/+12VDC/DC 2W)、攝像頭(+48V/+12V DC/DC 20W)、LED燈(+48V/+24V DC/DC 20W)等。
[0052]傳感器模塊包括電源管理控制板與CAN通信協議轉換板兩部分組成，是由可以擴展的CAN總線協議轉換器和適應於不同傳感器供電電壓的DC/DC轉換器設計實現，可以兼容數字量(RS232、RS485等)、模擬量等常見接口傳感器，負責將不同傳感器接口數據轉化成CAN數據轉發。
[0053]水下攝像機通過SUBC0NN同軸水密電纜接入控制艙，主要集成包括電源線、控制線、視頻線，數據採集控制系統通過CAN傳感器模塊對其進行電源管理與控制，即利用SONYVISCA協議控制攝像機數字變焦、聚焦、白平衡、亮度、光圈、增益、背光補償等基本參數設置，另外則通過視頻處理模塊處理視頻壓縮、推流等工作。
[0054]視頻處理模塊主要由SD/HD-SDI高清編碼器組成，攝像頭輸出HD-SDI原始視頻信號(1920*1080 )，接入編碼器輸入端，編碼器按照H.264編碼算法進行壓縮處理，並通過交換機及通信調製模塊網絡將壓縮視頻信號進行推流處理，即按照RTMP視頻流協議上傳至視頻節點伺服器，從而實現海底實況視頻網絡直播。
[0055]控制密封艙32採用鈦合金加工，設計耐壓6MPa，均嚴格經過國家海洋局標準計量中心的耐壓測試試驗，並形成相關測試報告，可以實現水下10年的設計壽命。
[0056]考慮到傳感器功耗不同，控制密封艙32設計採用扇形散熱區與普通網格區前後獨立設計，其中散熱區安裝高功耗電路板，通過金屬扇面緊貼控制艙筒壁與端蓋及海水形成散熱迴路，普通區則安裝低功耗電路板。根據系統所集成搭載傳感器，水密艙普通區安裝ARM控制板、交換機、編碼器板;散熱區主要安裝主電源管理板、CTD傳感器板、攝像頭板、LED板、腐蝕計控制板、通信調製模塊等。另外，對傳感器進行擴展集成比較方便，由控制密封艙32內部電路板及端蓋水密接插件布局可以看出，內部仍然有一定的富餘空間，後期根據實際擴展應用需要，增加或裁減相應傳感器模塊，如多參數水質儀、流速剖面儀等。
[0057]海底觀測平臺3的水下構架33尺寸1.2m*1.2m*1.2m，水中重量150Kg，主要負責將6個觀測儀器31和水下密封腔集成在一起，進行海底觀測平臺3的安全布放和回收，同樣也承載系統之間水密電纜的連接和通信電力傳輸系統的海底電纜。
[0058]水下構架33整體採用316L不鏽鋼加工製作，外觀呈三角錐形，四角針狀結構，並採用上下兩層獨立設計，中間20cm間隔可以防止構件在淤泥區的下陷導致淤泥浸滿傳感器所引起的測量誤差，觀測儀器31具有獨立的固定位置，主要在上基座層安裝固定，平臺外罩防拖網，在一定程度上能夠減少被漁網等拖拉颳倒。
[0059]另外，對於需要垂直剖面測量的傳感器，在構件上方使用萬向節常/平架固定，SP使在頁基巖等斜度較大的區域(原則上不高於20度)，也能保證流速剖面儀豎直向上。且各儀器設備與構件採用尼龍墊片進行隔離，同時構件裝備犧牲陽極保護，大大延長使用壽命。構件整體設計尺寸在滿足固定目前儀器設備的基礎上，同時為將來固定流速剖面儀、波浪儀、多參數水質儀預留了足夠的固定空間。
[0060]觀測儀器31是完成海洋牧場海洋環境有纜實時觀測的核心部件。完成水質環境和水動力環境的實時觀測，在滿足海洋牧場基本參數獲取的基礎上，未來可以擴展測量海流、波浪等海洋動力參數，為海洋環保和預報部門的監測、預報等工作提供豐富可靠的數據支撐。綜合各方面的因素，選擇以下的儀器作為主選的儀器= Hydrocat SBE63CTD(帶溶解氧探頭)、R0S C600攝像頭、德國Tr1S MicroFlu-chl螢光計、C-Tecnics公司CT4003LED燈源、自主研發設計在線腐蝕監測儀。
[0061 ]海底電纜針對淺海有纜觀測專門設計加工定製，電纜密度大於海水密度，平鋪在海底表面，用於連接海底觀測平臺3與水上平臺2控制系統，主要負責解決海底觀測電力供應與提供數據傳輸通道。
[0062](I)通過兩端調製解調模塊，實現水上水下區域網透明網絡，將有纜觀測系統數據與視頻信號傳輸至平臺控制系統；
[0063](2)通過將水上平臺2控制系統分配能源供給給海底觀測平臺3。
[0064]其中，海底電纜包括護套層、鋼絲編織層、屏蔽層、2根信號線、2根動力線等組成，內部填充絕緣材料，其中信號線用於傳輸5Mbps左右的全雙工電信號，動力線用於傳輸+48V直流電壓，其結構與技術指標如下:
[0065](I)導體線芯:4股精絞成術防腐蝕錫銅絲；
[0066](2)導體結構:雙絞成對結構後分層集束，符合GB/T3956的第二種圓形或緊壓絞合圓形結構；
[0067](3)絕緣:在導體外擠出聚乙烯絕緣層，且絕緣層的任一點的最小厚度不小於規定標稱值的90% ；
[0068](4)顏色:黑、白、耦合、棕四色線芯顏色標示；
[0069](5)繞包結構:防扭結構分層;分組式間隙填充；
[0070](6)繞包材料:聚四氟乙烯材料；
[0071](7)屏蔽:鋼絲網編織，密度90%以上；
[0072](8)內護套:改性低粘度強力擠壓內護套；
[0073](9)外護套:擠包高密度密度聚乙烯，表面光亮，色澤均勻，橫斷面無目力可見氣孔、砂眼；
[0074](10)成纜&填充:將兩根信號線芯成纜並用填充繩進行填充，在組合線芯上有合適的綑紮帶;將成纜後的線芯再次成纜，並用填充繩進行填充，成纜節徑比不大於30倍；
[0075](11)設計壽命:30年
[0076]微波平臺負責解決有纜長距離的電力供給和信息傳輸數據限制，即在距離觀測點IKm附件布放水上平臺2，通過海底電纜連接海底觀測平臺3，利用水上平臺2的微波中繼站主動與岸基微波基站建立數據傳輸鏈路，通過該傳輸通道及後端地面傳輸網絡，將海底實況視頻與傳感器數據、水面監控視頻實時上傳至省漁業廳與省資管中心等，其中微波傳輸鏈路在其中扮演中重要作用。
[0077]岸基微波站4:為了減少重複部署、節約微波基站架設成本，採用前期山東省海洋與漁業廳在沿海地區架設的多點HC-AT01410微波基站，該系統基於目前最為先進的第四代移動通信技術(LTE)研製而成。在3GPP協議的基礎上進行了大幅度的改進、優化，滿足行業對於無線通信應用的需求，可為單用戶提供高速率、高質量無線寬帶接入，可實現語音、高清視頻、信息交換、資料傳輸，與遠端微波中繼站採用雙極化全向玻璃鋼天線通信，具體岸基微波基站在此不作贅述。
[0078]遠端微波中繼站選購採用HC-LT1400P-MU專業型寬帶無線智能遠端站CPEJtSHC-AT01410基站無線終端接入設備，其對上行無線接口採用LTE規範，對下實現乙太網口及WIFI無線接口，可構建現場小型有線區域網和無線區域網，供網內用戶進行音頻、視頻和數據的高速接入，實現路由轉發等功能，使用WEB網關實現本地和遠程管理。這裡CPE設備選擇部署安裝在平臺控制水密箱21內部，通過軟接線經過平臺控制水密箱21頂部預留接口連接平臺表面LTE天線，預留的網絡接口分別用於連接平臺控制系統網絡、海底觀測平臺3網絡，從而實現水上水下區域網路透明。
[0079]監測控制中心安裝高性能伺服器，通過運行一系列人機互動軟體及後臺應用軟體來進行日常維護操作，這主要包括實時數據監測平臺、資源數據共享網站、視頻直播推送與存儲幾個部分，實現監測數據接收、存儲、預處理以及視頻解碼、存儲、網絡直播等功能。
[0080]另外，在海洋與漁業信息化「一張圖」的總體架構下，監測控制中心負責與省海洋漁業廳與省資管中心等領導部門連線在線觀測信息，進行後期數據匯總與分析等，從而對海洋牧場生態情況進行預報預警，並對海洋牧場建設提供指導意見。
[0081 ]實時數據監測平臺集成各海洋牧場觀測站點，負責完成系統遠程管理控制，主要包括傳感器電源管理與數據採集、實時採樣與狀態數據監測等。可自行設定報警參數，帶歷史曲線圖表，可查看實時數據與歷史數據，界面友好，可操作性強。改監測平臺包括電源管理模塊、傳感器管理模塊、數據管理模塊、故障管理模塊等。
[0082](I)電源管理模塊:針對各海洋牧場傳感器探頭設計PowerOn、Power0ff指令，當執行電源管理時，選擇冗餘DC/DC，遠程控制傳感器上電斷電；設計Monitor指令，當執行狀態監控時，實時採集當前反饋電壓溫度值。
[0083](2)傳感器管理模塊:設計典型模式與自定義模式兩種:典型模式，根據預設一次下發多組指令，直接對傳感器進行採樣配置；自定義模式，通過逐條遠程指令下發執行，靈活定義傳感器採樣方案。
[0084](3)數據管理系統模塊:通過與平臺控制系統建立長連接，接收、解析、存儲、展示傳感器原始採樣數據，並在資源共享網站實時發布，及後臺資料庫備份。
[0085](4)故障管理模塊:設計斷網重連、超時重發、遠程反饋等機制，保證海洋牧場站點系統遠程管理穩定性;實時監測站點搭載儀器工作電壓溫度、平臺蓄電池充放電過程、海底觀測平臺3構件腐蝕情況等狀態，並進行異常及時響應處理。
[0086]資源共享網站負責與實時數據監測平臺交互，進行數據發布、信息整合等一系列後期擴展功能，供海洋牧場管理人員及普通用戶在線訪問。該網站具有海洋牧場監測數據實時展示發布、存儲查詢等基本功能，數據後處理、預警報判別等特殊功能，並對未來觀測要素值進行數值預報等擴展功能。目前該部分正在進行網站部署、管局備案、研發測試階段。
[0087](I)數據顯示:實時顯示海洋牧場站點的主要環境要素參數及實況視頻；
[0088](2)數據查詢:包括當前數據及歷史數據；
[0089](3)數據存儲:包括監測數據及工作日誌備份存儲記錄；
[0090](4)數據處理:對一定批量監測數據進行後處理，在有效時間序列中以列表、曲線圖等方式展示；
[0091](5)預警判別:根據用戶需求，設置數據監測頻率及數據的預警報臨界值，根據儀器狀態參數或數據預警報臨界值進行有效判斷，對系統發生異常或參數超標等情況進行報馨.1=I ，
[0092 ]視頻網絡直播與存儲:
[0093](I)水下海底視頻直播:利用Adobe FMS3.5或者Wowza Server搭建RTMP視頻直播伺服器，解壓併網絡直播海底觀測平臺編碼器所推送RTMP視頻流，考慮到網絡帶寬與伺服器性能，省漁業廳、省資管中心、海洋牧場管理人員、普通用戶採用與監測控制中心採用交互應答方式，點播查看海底實況視頻。
[0094](2)水上監控視頻直播:通過水上平臺2攝像頭內部集成的RTSP伺服器及微波傳輸鏈路映射轉發，伺服器後臺管理人員通過客戶端軟體進行視頻監控及遠程控制，進行攝像頭雲臺控制、巡航、偵測等管理功能。
[0095](3)視頻存儲備份:視頻存儲軟體自主錄製水上水下視頻，按照以小時為單位、以IGB大小為單位進行文件備份，供後期製作剪輯宣傳、查驗等。
[0096]專門針對海洋牧場生態環境在線監測、生物運動狀態習性實況監控這一領域，可廣泛用於未來海洋牧場生態環境監測等指導建設。該設計充分考慮目前國內外海洋牧場水質在線監測實施方法，在通用性、可靠性、擴展性等方面都具有很高的優勢，能夠滿足絕大多數海洋牧場的需要。
[0097](I)真正意義上實現對遠岸海洋牧場生態環境的可視、可測、可控；
[0098](2)整套微波在線解決方案可擴展應用於其他類似監測需求，避免了重複開展類似研發工作；
[0099](3)作為通用的傳感器設備搭載平臺，預留充足接口，兼顧後期儀器擴展與設備比對等應用；
[0100]此外，對於推進山東省「海上糧倉」的建設，構建「網際網路+海洋牧場」系統，保障海洋牧場的生產安全，推動海洋牧場建設的持續、健康發展，加快海洋牧場區生態安全體系建設，為海洋牧場科學管理和決策提供技術依據。
[0101]本實用新型提供了一種解決離岸大於3Km的海洋牧場海底生態環境與實況視頻長期、實時、在線、穩定監控的有效解決方案，從而真正意義上實現對海洋牧場生態環境的可視、可測、可控，其技術關鍵點主要是:
[0102](I)海底觀測平臺3採用現場CAN總線分布式控制方式，提供了一種更為可靠穩定，具有良好擴展性的傳感器模塊化集成手段，具備靈活擴展其他參數或更新替代同一監測參數不同型號儀器設備，並且故障點隔離，單個儀器節點異常不會影響全系統正常工作；
[0103](2)水上平臺2作為整套系統能源供應與數據傳輸中轉站，獨特的結構設計使其能夠提供8t有效荷載、12級抗風能力、6m抗浪能力，另外為發展休閒垂釣、海上觀光第三產業提供了便利條件，
[0104](3)海底電纜通過連接岸基控制系統與海底觀測系統，負責傳輸48V直流電壓及5.6Mbps數據信號，真正解決海洋觀測持續能源供給與高帶寬數據傳輸難題；
[0105](4)微波通信鏈路搭建透明網絡傳輸通道，減少長距離海洋牧場站點海底電纜建設成本，並實現對視頻信號、數據信號的高速實時轉發；
[0106](5)通過集成水下攝像頭、編碼器，利用電纜傳輸視頻壓縮信號，設計了一整套對海洋牧場海底實況視頻的實況直播，並可隨時隨地進行點播查看；
[0107](6)通過監測控制中心遠程對水下儀器設備節點進行動態電源管理與控制，並將系統狀態、監測數據、實況視頻網絡同步發布與展示。
[0108]以上顯示和描述了本實用新型的基本原理和主要特徵和本實用新型的優點。本行業的技術人員應該了解，本實用新型不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本實用新型的原理，在不脫離本實用新型精神和範圍的前提下，本實用新型還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本實用新型範圍內。本實用新型要求保護範圍由所附的權利要求書及其等效物界定。
【主權項】
1.一種海洋牧場平臺基微波觀測系統，其特徵在於:包括水上平臺、海底觀測平臺、監測控制中心和微波傳輸鏈路，傳感器數據與海底實況視頻通過所述的海底觀測平臺集成後由海底電纜傳輸至水上平臺上的平臺控制系統，通過設置在水上平臺的遠端微波中繼站傳輸至岸基微波基站，岸基微波站通過地面傳輸網絡將數據傳輸至所述的監測控制中心，監測控制中心指令依次下達至水上平臺與海底觀測平臺並實現遠程控制。2.根據權利要求1所述的一種海洋牧場平臺基微波觀測系統，其特徵在於:所述的水上平臺作為能源供應站與信息中轉站，包括平臺控制水密箱、太陽能板與蓄電池組成的電源、平臺控制系統、帶有LTE微波天線的遠端微波中繼站和監控攝像頭，太陽能板、LTE微波天線、監控攝像頭安裝在水上平臺的表面，蓄電池組、平臺控制系統、遠端微波中繼站安裝在平臺控制水密箱內，平臺控制水密箱位於水上平臺的中間位置;所述的水上平臺設有三層結構，最底層採用聚氯乙烯PVC管作為浮體材料，中間層採用橫木作為平臺支撐加強筋，最上層採用木板間隙拼接作為平臺作業平面，平臺作業平面中央位置安裝平臺控制水密箱，水上平臺的四周利用合成纖維編織的網衣構成相對封閉的平臺環境，其中通過多個貫穿上下三層的U型螺栓加強平臺強度，平臺作業平面上的木板連接有條形不鏽鋼板和多根金屬豎杆。3.根據權利要求2所述的一種海洋牧場平臺基微波觀測系統，其特徵在於:所述的平臺控制水密箱下部呈方形、上部呈錐形，頂部通過密封艙蓋蓋裝，下部長方體用於安裝蓄電池組，上部錐體用於安裝平臺控制系統和遠端微波中繼站，頂部密封艙蓋將設置在外部的LTE微波天線、監控攝像頭、海底電纜過孔走線及箱體密封。4.根據權利要求3所述的一種海洋牧場平臺基微波觀測系統，其特徵在於:所述的水上平臺能源供應部分由太陽能光伏陣列、蓄電池組及太陽能控制器組成，平臺控制系統作為太陽能控制器直流負載，通過計算所需電壓及系統功耗，光伏陣列及蓄電池組進行串並聯後接入太陽能控制器。5.根據權利要求4所述的一種海洋牧場平臺基微波觀測系統，其特徵在於:所述的平臺控制系統對監控攝像頭、遠端微波中繼站、海底觀測平臺進行能源管理與分配，並對監測控制中心、海底觀測平臺傳感器數據與控制指令進行中轉與備份;平臺控制系統包括供電管理模塊、中央控制模塊和數據傳輸模塊，供電管理模塊通過太陽能板和蓄電池組進行供電，負責為遠端微波中繼站、監控攝像頭、海底觀測平臺和內部控制模塊提供電源；中央控制模塊通過海底電纜進行傳感器數據與控制指令的透明轉發，負責回收海底觀測平臺的數據，並轉發總控制中心指令至海底觀測平臺；數據傳輸模塊通過與海底觀測平臺成對使用的調製單元，建立水上與水下透明網絡，從而轉發傳感器數據與海底實況視頻。6.根據權利要求5所述的一種海洋牧場平臺基微波觀測系統，其特徵在於:所述的海底觀測平臺作為一個通用型傳感器搭載平臺，包括水下構架、控制密封艙和觀測儀器，控制密封艙內部集成數據採集控制系統，觀測儀器通過內含信號線與動力線的水密電纜接入控制密封艙，共同安裝固定在水下構架上;所述的觀測儀器包括CTD傳感器，葉綠素探頭，溶解氧探頭，水下攝像頭、LED燈和腐蝕在線監測儀，觀測儀器可以根據海洋牧場實際監測需求動態調整。7.根據權利要求6所述的一種海洋牧場平臺基微波觀測系統，其特徵在於:所述的數據採集控制系統採用現場分布式管理及模塊化設計，包括供電模塊、主從控制模塊、傳感器模塊、視頻處理模塊，所述的觀測儀器分別對應各自的傳感器模塊，根據所掛載傳感器設備分別設計獨立的控制模塊，將各儀器相互分布隔離； 所述的供電模塊負責將海底電纜接入電壓進行降壓轉換與內部分配處理;主從控制模塊負責各傳感器模塊管理與控制；各傳感器模塊與集成搭載設備一一對應，負責傳感器設備協議轉換與電源管理;視頻處理模塊負責視頻壓縮編碼及RTMP推流處理； 所述的控制密封艙包括散熱區和網格區，所述的散熱區安裝高功耗電路板，包括主電源管理板、CTD傳感器板、攝像頭板、LED板、腐蝕計控制板和通信調製模塊，網格區安裝低功耗電路板，包括ARM控制板、交換機、編碼器板，散熱區上的高功耗電路板通過金屬扇面緊貼控制艙筒壁與端蓋及海水形成散熱迴路。8.根據權利要求7所述的一種海洋牧場平臺基微波觀測系統，其特徵在於:所述的水下構架採用316L不鏽鋼加工製作成型，外觀呈三角錐形，四角針狀結構，並採用上下兩層獨立設計，所述的CTD傳感器，葉綠素探頭，溶解氧探頭，水下攝像頭、LED燈、腐蝕在線監測儀和控制密封艙安裝於水下構架上，水下構架的外周罩護防拖網，能有效防止拖曳。9.根據權利要求8所述的一種海洋牧場平臺基微波觀測系統，其特徵在於:所述的監測控制中心包括實時數據監測平臺、資源數據共享網站、視頻直播推送和存儲模塊； 所述的實時數據監測平臺包括電源管理模塊、傳感器管理模塊、數據管理模塊、故障管理模塊，負責傳感器遠程電源管理與採樣配置、實時採樣與狀態數據監測； 所述的資源數據共享網站負責與實時數據監測平臺交互，進行監測數據與實況視頻發布、存儲查詢的基本功能，數據後處理、預警報判別的特殊功能，並對未來觀測要素值進行數值預報的擴展功能； 所述的視頻直播推送和存儲模塊負責海底實況視頻網絡同步直播、歷史點播及備份存儲，同時負責水上平臺監控視頻備份處理。10.根據權利要求9所述的一種海洋牧場平臺基微波觀測系統，其特徵在於:所述的電纜包括信號線與動力線通過填充繩填充，再通過綑紮帶綑紮，綑紮帶外層由內往外依次設置內護套、鋼絲編制層和外護套，每組線由兩根導體分別通過絕緣層絕緣及填充繩填充後雙絞用PP帶包裹成型； 所述的微波傳輸鏈路包括水上平臺微波中繼站與岸基微波基站，通過該傳輸通道及地面傳輸網絡，將海底實況視頻、傳感器數據、平臺監控視頻的實時轉發至監測控制中心，其中水上平臺微波中繼站包括水密控制箱內部的CPE及平臺表面的雙極化全向玻璃鋼LTE天線，岸基微波站則利用漁政執法部門前期在沿海地區架設的一點對多點全向基站。
【文檔編號】G05B19/048GK205721273SQ201620383712
【公開日】2016年11月23日
【申請日】2016年4月29日
【發明人】李培良, 陳棟, 李欣, 劉子洲, 李琳, 陳鵬
【申請人】中國海洋大學