天津港复式航道水域环境监测系统建设

1、天津港复式航道水域环境监测系统建设天津港复式航道建设水域环境监测系统，通过多样的 水域环境监测手段，结合多元信息采集方式，对天津港复式 航道水域环境进行实时监测，在船舶航行密度不断增大的同 时，确保复式航道航行安全，同时水域环境监测系统的建立 为防控污染、海冰监测、海上突发应急等提供信息服务支持。整个系统将优先完成水域环境监测系统整体框架搭建 和应用开发，实现天津港水域现有环境监测设备的数据的采 集接入和数据管理，后续通过抛设两座多功能浮标，完善大 沽灯塔信息采集设备，架设高频地波雷达站等一系列工程， 进一步完善天津港主航道及其周边地区水域环境信息的采 集范围和手段，实现针对天津港复式航道内的

2、立体化、多角 度水域环境实时监测，同时研发潮汐预报模型和潮流预测模 型，完成海洋环境信息推算与预测系统开发，为天津港航行 船舶和港口单位提供潮汐、潮流预报信息。一、水域环境数据采集平台建设在水域环境监测系统建设中，水下、水面以及空中数据 的获取都十分的重要。因此在首先按照空间分布，分成三个 大的组成部分。即水下海域数据采集系统、水面海域数据采 集系统以及空中海域数据采集系统。其中水下环境监测系统主体为水下缆控无人机器人，水面环境监测系统主体为测量船、无人船、浮标、CCT V监测，空中水域环境监测系统主要由高分辨了卫星遥感影像、无人 艇、无人机系统组成。（一）水面海域数据采集系统水面数据采集系统

3、主要采集海域环境大数据中的洋流、 气象、能见度、港域实时环境视频数据、 航道漂浮物等信息。人工主动数据采集系统，水域环境实时监测系统的建立， 需要人工主动获取数据。系统采用CCTV监控技术，在大沽灯塔设置视频监测站，对进出港船舶进行实时视频在线查看， 并通过影像分析进行溢油、波浪等监测。水域环境数据采集 人员搭载业务船只， 通过温度传感器、 湿度传感器、 测深仪、 声纳装置、能见度仪、气象传感器等对水域环境进行信息采 集。无人艇上可搭载各类监测探测仪器，能够与现有的测绘 系统衔接，能适应海洋测绘、应急扫海测量、海洋环境监测 等多种任务要求。（二）水下海域数据采集系统水下海域数据采集系统的建设中

4、主要采用水下缆控无 人机器人为主体。缆控水下无人自制机器人依靠声学探测信 息在远处粗测水下环境，对感兴趣的水下区域在水上控制终 端遥控下进行抵近式光学细测，实现声光一体化测量，以满 足对海洋、 湖泊、河流、水库等水下环境和设施探查、 检修、 资源开发利用的需求，同时配备高推力马达实现水下一定程 度的抗流。水下目标的探测主要采取两种方法：第一种是光学探测， 利用光学摄像仪器对近距离水下目标直接进行光学照像，其 优点是设备体积小、成像清晰度高、适于人眼直接观察。但 是这种方法的探测距离有限，对光源的依赖性高，不适用于 远距离探测；第二种是声学探测，利用声纳设备，获得水下 目标的声学特性信息。这种探

5、测方法的探测距离远，对水下 光源没有依赖，但是成像分辨率较低，不适用近距离精细探 测。缆控水下无人自制机器人同时搭载光学探测设备和声学 探测设备，可实现声学和光学信息获取的一体化成像，最终 达到远距离声学粗测和近距离光学精细探测的目标。（三）空中海域环境数据采集系统空中海域环境数据采集主要采用高分辨遥感卫星与无 人机航测相结合的方式进行。遥感卫星或者飞机可以搭载合 成孔径雷达，其最高分辨率可达到 1 米以内。合成孔径雷达 主要用于航空测量、航空遥感、卫星海洋观测、航天侦察、 图像匹配制导等。它能发现隐蔽和伪装的目标，在天津港复 式航道保障系统中，利用合成孔径雷达，可以在雾天、雨天 等恶劣天气状

6、况下识别海上溢油、海冰等海上污染物，同时 利用高分红外遥感可以监测海上船只。二、多功能环境监测系统建设 目前天津港已建设多个环境监测站点，但缺乏天津港主 航道和锚地附近的潮位、潮流等信息，需要建设相关观测系 统。在调研中我们了解到，船舶进出港时垂直于航道的横向 流对船舶航行安全影响较大，特别是防波堤口门处的潮流非 常复杂，以几个点，甚至几十个点，都难以全面掌握整个航 道的潮汐、潮流信息。高频地波雷达具有海流、海浪面状测 量的特性，能够较好地满足区域潮汐特性的观测，与点状信 息采集点观测的数据相结合，能够较为全面、准确地采集区 域潮汐、潮流、波浪等信息， 全面满足船舶安全航行的需求， 同时为深入

7、研究渤海湾水文发展规律提供基础信息。（一）渤海湾地波雷达系统建设根据天津港海域实际情况及高频地波雷达的一般特点， 提出在该海域建设高频地波雷达站的技术方案：1、雷达站选点 采用紧凑天线的便携式高频地波雷达，这种雷达收发天 线很简单，不需要特别开辟天线场。天津港东岸前方开阔区域约为100km,利用两部雷达工作在13MHZ最大探测距离为100km,距离分辨率为2.5km），可以满足实际需要，根据合成矢量流时量雷达站距离为雷达 最大探测距离的 60%最佳，最终选择曹妃甸和宁河县两个站 点。曹妃甸可以利用曹妃甸原油码头或曹妃甸灯塔的便利条 件，宁河县站可以利用附件村庄的便利条件。两站相距约 57km,

8、采用中程便携式雷达，工作频率13MHz距离分辨率2.5km，测流精度5cm/s，最大探测距离 100km曹妃甸站：38 5518.35N ，118 316.66E宁河县站：39 133.97N ，117 5757.76E曹妃甸站一宁河县站共同覆盖区，有效面积（红色）及矢量海流数据高精度区（黄色圆圈）如图所示：图二-1地波雷达站点示意图2、高频地波雷达主要性能指标序号指标项技术指标备注1工作频率13MHz具体工作频率（f。）据客序号指标项技术指标备注2平均发射功率100W户现场情况或合同确定，并符合国家无线电频率管理规定3流场探测距离100km雷达的最大探测距离和 测量精度受安装位置与 现场环境

9、（噪声、干扰、 海态环境）有关测量范围流速 Om/s2.5m/s ,流向为0360距离分辨率1.25/2.5km方位分辨率3测量误差流速：w 5cm/s，流向：w 204浪场探测距离10km测量范围浪高1m- 10m浪周期为015s测量误差浪高w 1m+测量值的20%,浪周期w 1s+测量值的10%序号指标项技术指标备注5风场探测距离10km测量范围风向0 360。，风速（575）m/s测量误差稳态风场风速5m/s时，风向w20,风速w （3m/s+测量值的15%6数据更新时间6/20分钟具有以下主要功能：（1）全天候实时监测大面积海洋表层（水下3m以内）的海流流速和流向；（2）全天候实时监测

10、海洋海浪的浪高；（3）全天候实时监测海洋表面风的风速和风向；（4）具有监测数据通信与控制功能；（5）采用GPS/北斗同步技术，通过技术升级可实现同 海区多部雷达组网功能，解决同频干扰问题；（6）具有电磁环境频谱监测功能：能自动选取最佳工 作频率，使雷达获得最大信噪比，从而提高了雷达探测的覆盖面积和数据准确度。3、系统组成系统主要由一个中央处理站和两个野外工作站组成，中 央站主要由中央站计算机和矢量流图处理软件组成，接收来 自野外站的信息进行合成处理得到相关海域的矢量流场和 风、浪相关信息。野外工作站由由发射机、 接收机、发射天线、接收天线、 野外工作站计算机、野外工作站应用软件和附加配置的天线

11、 电缆、内部连接电缆组成。野外站系统主要实现径向流场、 风和浪的反演，并把单站的相关数据上传到中央站进行合成 处理得到相关海域的矢量流场和风、浪相关信息。野外工作 站组成如下图：图二-2地波雷达工作站组成图野外地波雷达 工作站系统硬件部分4、设备配置高频地波雷达设备配置:序号配置名称主要规格数量备注1发射机13MHz脉冲功率 200W（平均 100V）1台2接收机三通道灵敏度，110dBm1台3发射天线及电缆驻波比v 2,增益3dB1套4接收天线及电缆单极子/正交环，环增益20dB1套5工控机CPU P4, 3.0G,内存 1G,硬盘500G1套数据总线：USB,按照目前流行的配置装配数据采集

12、系统6系统控制软件探测距离100km,距离分辨力可调1套7数据处理软件测流精度5cm/s，时间分辨率6分/20分1套径向海流图，角分辨率15可调（二）多功能浮标建设为了进行全面、准确采集2#、5#锚地附近航海保障水域 环境信息，实现多功能环境监测平台建设，需要在2#、5#分别抛设一座多功能浮标。为节省成本，可以利用原有浮标 平台改造成一个能够搭建监测设备的海上浮动平台，通过水 下沉石将其固定，加装各种监测设备，通过无线通信设备发 送与航海及海洋环保相关的各种信息，为航海保障提供更多的信息服务。多功能环境监测平台组成如下图所示，主体由水面系统 和水下系统两部分组成。水面部分中定位系统负责平台的实

13、时定位信息采集和 距似大地水准面的高度测量，通过向岸基数据中心发送数据 以完成平台定位以及潮汐、潮流、风向的反演计算，其通过 多个蘑菇头天线的高精度定位结果还可以进行平台姿态、朝向的计算。水面部分中能见度分析仪主要针对天津港雾航时 间长的问题进行设计，负责采集监测平台附近能见度信息， 向岸基数据中心提供准确数据，实现离岸的雾航实时监测。 干端部分中风速仪负责实时采集海面风向、风速信息。太阳 能电池板和蓄电池是整个系统的供电模块，负责为整个系统 提供设备运行的电力保障。水下部分中水质剖面仪负责实时监控通航水质情况，包 括藻类情况、 浑浊度情况以及温度、 盐度、深度等关键信息， 采用模块化设计标准

14、，可根据需要添加相应的水质环境信息 采集器。多普勒流速计负责实时监测潮流流速、流向，特别 针对于天津港的口门区域做重点监测，为岸基船舶入港指挥 提供实时监测数据。水面和水下两部分皆由主控系统通过同步线的方式操控。系统整体由太阳能电池板供电，所有数据存储在多功能 浮标内的存储器上，通过无线数传链路向岸基数据中心发送。主要功能和参数如下：（1）安装的定位系统拟采用高精度的实时定位系统，使用网络RTK的作业模式，初始化可靠性大于 99%初始化 时间小于10秒，同步RTK水平精度1ppm为土 1cm,垂直精 度1ppm为土 2cm,静态平面精度 1ppm为土 2.5 mm，静态高 程精度1ppm为土

15、5 mm,码差分定位精度 0.25m（CEP），单机 定位精度1.5m（CEP）。通过多天线GNS喙统实现高精度定位 和航标姿态、朝向等参数的测定、计算；通过实时处理，能 够反演航标所在位置的潮汐、潮流；（ 2）能见度测量仪：采用前向散射测量方式，测量范围10m35km由于海上环境的特殊性， 需要能够工作在-40 C60 C之间；（3）水质剖面仪：集成温度、电导（盐度）、压力（深 度、水位、波浪）、溶解氧（电极法或光学法）、叶绿素、 水中溢油传感器；（4）多普勒流速计：采用四探头异向多普勒流速计；（ 5 ）风速仪：采用四向风速仪采集风力和风速；（ 6）摄像头：采用室外球形云台摄像头，辅助信息采

16、 集和安防；（7）主控系统：包括数据同步终端盒、数据采集终端 盒、数据控制终端等软件硬件设施；（8）通信系统：采用无线 4G模块进行数据传输。 该系统将在二期建设。三、大沽灯塔信息采集系统改造 大沽灯塔因其独特的地理位置，在通信网络建设、水域 环境监测等系统建设中能够发挥巨大的作用。目前，塔上除 航标灯的设施以外，还装有海事局的WiMax基站、海事测绘 中心的验潮仪、海洋局的验潮仪、气象局的气象仪等设备。 多年来，移动、联通和电信三大运营商一直想在塔上安装移 动通信的基站，但由于供电等原因，一直没有实现。经过研究，应用先进的通信技术，可以在现有供电系统 的支持下，实现航海保障多种系统的连续运行

17、，主要建设内 容有：（1）在大沽灯塔上建设无线网络基站系统，详细内容 见章节 4.6 。（2）大沽灯塔现有海事测绘中心设立的验潮设备和气 象局设立的气象设备用来进行水文气象观测，本工程建设中 增加能见度仪用来观测灯塔附近的能见度。能见度测量仪采 用前向散射测量方式，测量范围10m35km工作温度在-40 C 60C之间。（ 3）在大沽灯塔上加装两台带 360 度全方位云台， 200 万像素、 32 倍光学变焦、智能图像增强的枪型高清摄像机， 用来观察大沽灯塔附近主航道及锚地水域船舶情况。（ 4）建立统一的数据采集和传输系统，接入大沽灯塔上的验潮设备、能见度仪、CCTV和气象设备数据，统一采集、

18、 存储数据，并通过改造后的无线网络上传数据。四、天津港水域域环境信息接入系统建设 部海事局、国家和地方的海洋局、气象局、环保局以及 社会有关服务机构，拥有覆盖区域广泛的气象预报、气象云 图、海洋预报、 台风等观测和预报信息服务。 通过专线接入、 专户访问等方式可以获取专业的服务，也可以通过公网访问 的形式获取相关信息。专线和专户访问形式的数据共享需要航保中心与有关机 构签署协议， 有偿或无偿获取， 其数据格式应该由对方提供， 能够比较方便地与航保自主采集点的信息融合；公网上抓取 的信息，主要是通过网页访问和数据剥离下载的方式获取， 其数据格式可以采用航保规定的格式进行存储和融合，但这 些数据仅供内部参考，不能对外提供。（一）天津港水域环境数据管理系统水域环境监测系统要实现智能化，必须完成多源多类数 据集成（包括空间数据和非空间数据）、海量数据的存储、 数据值的质量监控、可视化数据监控几大部分功能，因此所 必须采用的技术手段有： 数据集成、空间数据库、 质量控制 系统中环境监测数据加工流程如下：（1）多源多类数据集成，统一数据格式； （2）集成数据传输入库，其中空间数据存入空间数据 库，非空间数据以及空间数据属性信息存入非空间数据库；（3）水域环境数据可视化显示；（ 5）水域环境数据在线发布；（6）水域环境数据挖掘与预测模型