一種海洋動力環境海底有纜在線觀測系統的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于海域觀測技術領域，具體涉及一種海洋動力環境海底有纜在線觀測系統。
【背景技術】
[0002]經過多年的研宄與發展，海洋環境監測在技術手段、監測方法、目標設定上取得了長足的進步，對水文氣象參數、水質生物狀態參數、物理化學參數等海洋要素監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，如海底原位觀測。
[0003]傳統監測技術(自容式原位觀測)受制于能源供給與數據傳輸，無法實現長期實時在線監測。東海海底觀測小衢山試驗站、南海海底觀測網試驗系統等項目，通過海纜與岸基聯網解決能源供給與數據傳輸限制，提供了一種對海洋環境要素監測的新的解決方案。
[0004]兩者的成功建設與運行，在一定程度上也填補了我國在海底有纜方面的技術空白。但是，在實用性以及通用性上仍然存在一定的缺陷。在系統整體設計上，技術難度大，系統復雜度高，造價昂貴，不利于后期向小型化、實用化、模塊化方向進行集成擴展；另外，在海洋觀測數據利用上，仍然止步于現有的粗加工技術手段，對海洋資源信息缺少整合與深加工，不利于后期對監測數據分析及海洋氣象預報。
【發明內容】
[0005](一 )要解決的技術問題
[0006]為解決上述問題，本發明創新設計了海底有纜在線觀測系統，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與數據傳輸問題，提供一套海洋環境長期監測的解決方案，實現了對動力環境等海洋要素的長期、實時、在線、穩定、自動化監測，實現了對監測數據的高度集成與綜合處理。
[0007]( 二)技術方案
[0008]一種海洋動力環境海底有纜在線觀測系統，其特點是:主要包括海底觀測平臺、海底電纜、岸基監測站、控制與數據服務中心組成；所述的海底觀測平臺包括系統框架、傳感器設備、系統控制艙；其中系統控制艙內部集成包括能源供應與分配子系統、信號傳輸與轉換子系統、數據采集與控制子系統、通信與電源管理子系統四部分；所述的岸基監測站通過海底線纜與海底觀測平臺連接；所述的控制與數據服務中心包括遠程監測控制平臺、資源數據共享平臺，其中遠程監測控制平臺包括電源管理模塊、傳感器模式模塊、數據管理系統模塊和故障診斷管理系統模塊。
[0009]進一步的，所述的海底觀測平臺是海底有纜在線觀測系統核心部分，提供了一種通用型模塊化傳感器搭載平臺，可以根據不同應用需求調整接入傳感器；具有高擴展性與可靠性；所述的系統框架采用316L不銹鋼，框架四角針狀結構，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，不易發生傾斜與拖曳；對于需要垂直剖面測量的傳感器，在框架上方使用萬向節固定。
[0010]進一步的，所述的系統控制艙指標如下所示:外形尺寸直徑216mm，長度900mm，壁厚18mm ;前后端蓋:外徑216mm，厚度58mm ;設計壓力30Mpa ;安全系數:3 ;控制艙包括散熱區與普通區；所述的散熱區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行熱交換散熱；所述的普通區網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度，可以根據需要可以自由拆卸；其中所述的散熱區主要安裝電源分配板、信號轉換板、CTD傳感器控制板、ADCP傳感器控制板、LED控制板、腐蝕計控制板；所述的普通區安裝ARM控制板、主電源管理板；其中內部仍然有一定的富余空間，方便對傳感器進行擴展集成；當進行系統擴展時，只需要增加或去掉傳感器控制板即可；在控制艙端蓋有I個外部接口與4個內部接口，其中外部接口 4芯DO與海底電纜連接，內部接口 2芯Dl與LED燈連接、4芯D2與CTD連接、4芯D3與腐蝕計連接、8芯D4與ADCP傳感器或者AWAC傳感器連接。
[0011]進一步的，所述的能源供應與分配子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；所述的電壓轉換功能:負責將海底電纜供應380V直流電壓，通過+380V/+48V DC/DC電壓轉換，輸出+48V電壓作為控制艙內部電路板輸入；所述的電壓分配功能:對于+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/+12V DC/DC網橋、+48V/+5V DC/DCARM板、多路+48V并聯傳感器控制板輸出轉換，電壓轉換板輸入海底線纜+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；
[0012]所述的信號傳輸與轉換子系統主要包括信號轉換功能與信號傳輸功能兩部分；所述的信號轉換部分采用以太網橋，網橋內部采用EDSL協議，對稱傳輸速率達到6Mps，傳輸距離為1Km ;所述的信號傳輸部分是通過交換機連接主從冗余ARM控制系統；所述的交換機采用臺灣MOSA 4路接口交換機，3路分別連接ARMl、ARM2、以太網橋；
[0013]所述的通信與電源管理子系統采用分布式監測管理方式，通過現場CAN總線，針對各傳感器分別設計CAN通信節點，所述的CAN通信接口模塊包括CAN協議轉換板與電源控制板兩部分組成，是由可以擴展的CAN總線協議轉換器和適應于不同傳感器供電電壓的DC/DC轉換器；為了提高系統兼容性與可擴展性，方便不同接口標準的傳感器接入，在傳感器和嵌入式控制模塊之間，利用CAN協議轉換器，將不同的傳感器接口轉換成統一的CAN標準接口 ；其中模擬信號經過信號處理電路之后送至A/D轉換器進行模數轉換，根據所需轉換精度/速度的不同，采用片外或者片內A/D轉換兩種方式；數字信號根據接口標準分別經過RS232、RS422/RS485轉換成單片機兼容的TTL電平接入；在傳感器電源管理上，為了保障節點控制的穩定與可靠性，采用DC/DC并聯雙冗余設計，同時設置過壓/過流保護電路，預防由于DC/DC故障或者傳感器短路/過載等原因導致系統崩潰；
[0014]所述的數據采集與控制子系統主要包括嵌入式雙冗余ARM控制模塊、以太網交換機模塊兩部分；所述的嵌入式雙冗余ARM控制模塊通過與岸基監測站通信，獲取電源管理指令，解析下發至CAN節點，進行傳感器供電控制；獲取數據采樣方案，執行傳感器采樣配置，進行傳感器數據采集。主控制程序采用多線程處理機制，當完成系統初始化，主線程開始依次創建各工作線程，主要包括日志記錄線程、命令控制線程、數據采集線程、數據上傳線程、系統監控線程、冗余備份線程等。其中，日志線程負責記錄系統運行時異常工作狀態，比如網絡異常、信號終止、文件讀寫錯誤、數據流溢出等；系統監控線程負責實時監控系統運行狀態，發送與岸基PC交互心跳包；命令控制線程負責解析執行岸基控制指令，包括傳感器節點電源管理指令、系統監控指令、采樣配置指令等；數據采集線程負責解析過濾CAN節點數據，針對監控狀態數據、命令反饋數據、原始采樣數據分別進行處理。特別是傳感器原始數據，進行預處理(過濾、時間戳等)后，添加到發送循環隊列中，利用集中寫/分散讀方式，通過系統上傳線程組包發送至岸基平臺；冗余備份線程負責與從系統通信，當主系統發生故障時從系統進行異常檢錯判斷，從而接管系統運行控制權，保證控制系統連續穩定可靠工作。
[0015]進一步的，所述的海底線纜采用最先進的XLPF絕緣擠包直流電纜技術，即利用新型的三層絕緣材料擠壓的電纜，主要由導體屏蔽層、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構保護；在電纜布放時，采用直接拋放形式，在一些復雜地質環境中，需要對海纜進行單獨處理保護，采用不銹鋼保護管、捆扎錨鏈或者拋射重塊防止水流沖刷滑動。
[0016]進一步的，所述的岸基監測站通過電纜與海底觀測平臺連接，提供持續能源供給，作為數據/命令中轉站，需要轉發遠程實驗室控制指令以及