基于施工船的海上临时验潮站建站技术探讨与实现

田维新，焦永强

（上海达华测绘有限公司，上海 200136）

基于施工船的海上临时验潮站建站技术探讨与实现

田维新，焦永强

（上海达华测绘有限公司，上海 200136）

为满足海上施工作业对实时潮位数据获取的需求，提出了一种基于施工作业船舶的海上潮位站建设新方法。详细阐述了海上临时验潮站潮位数据采集、传输的方法及技术路线。以施工作业船作中间平台，为海上施工作业提供了一种快速、经济的潮位站建站方法。

验潮站；数据采集；水声调制解调器（modem）；传输

0 引言

在一些作业时间相对较短、潮汐环境变化复杂、远离海岸的区域，以水下自验潮为基础，以施工船舶为海上验潮站的潮位接收与发布平台的海上临时验潮站，以其经济、快速的建站方式大大地拓展了海洋工程施工作业空间，准确、实时的潮位传输方式为海洋工程的施工质量、安全提供了保障。

1 系统组成及工艺原理

1.1 海上临时验潮站的结构组成

海上验潮站的系统组成主要包含三部分：水下数据采集单元、数据传输与接收单元及船端潮位传输发布单元，其整体结构如图1所示。

图1 海上临时验潮站结构示意图Fig.1 Structure diagram of offshore tem porary tide station

1.1.1 水下数据采集单元

水下数据的采集主要由水下自记式验潮仪、水下固定支架、水下数据传输单元、水下释放器及浮起机构等四部分组成。水下支架利用其自重及下端的支脚将验潮设备固定安装在施工区附近的水域。

支架上主要安装有：自记式验潮仪、水声modem[1-2]水下单元两部分。为确保潮位数据采集的准确性，支架安装要牢固稳定，确保在验潮期间不会发生很明显的沉降位移。

1.1.2 数据的传输、接收系统

数据传输包括三部分：自记式验潮仪数据传输到水声modem；水声modem的水下单元将从验潮仪接收的数据传输到安装在施工船上的接收单元；安装有水声modem接收单元的施工船舶将潮位信息对外发布。

1.1.3 数据的处理系统

数据处理包括验潮站点基准面的计算和潮位数据的计算两个部分：

1）基准面推算

基准面推算主要通过与岸端验潮站同步验潮的方式获取，大潮期采集3 d数据，条件许可的情况下可采集1个月的数据进行基面关系的推算。

每个施工作业区的基面关系基本是恒定的，只在水下设站前监测1次即可。基面计算一旦确定，验潮点的潮位计算也迎刃而解。

2）潮位计算

利用自记式水下数据采集单元采集的潮位数据与基准面求差即可获得该点的实时潮高[3]。求差后的数据经过电脑软件平滑处理后，根据施工所需的时间间隔发送实时潮位信息供施工船舶、测量船舶使用。

1.2 工艺流程

如图1所示，自记式验潮仪与水下声学modem相连接，将采集的水位信息实时传送至水声modem的水下单元，水下单元通过声学传输方式将水位数据传输至接收端，接收端接收到水位数据后，由船上电脑进行数据的处理并按所需的时间间隔通过UHF、北斗短信[4]或手机网络对外传输、发布实时的潮位信息，以满足作业区内其它施工船舶对潮位信息的需求。

具体实施方案如图2所示，在一条航道上有4条船同时在疏浚施工，水下验潮站位于疏浚船02的施工区北面，水下单元的数据传输距离（半径）约为2～6 km，只要施工作业船距离水下验潮站点的距离在其工作半径以内都可收到水下单元所发送的数据信息。

图2 潮位站示意图Fig.2 Sketch of tide station

在疏浚船02上安装水声modem的接收单元，只要疏浚船02在疏浚区2内活动，就能接收水下验潮站传输的实时潮位。

以疏浚船02为海上定点验潮仪数据接收与发送的平台，一方面接收验潮站水下单元所发出的潮位信息，另一方面，通过船上的潮位数据传输系统（北斗或UHF）将潮位信息发至邻近施工的各条船舶。在不影响施工作业的同时，也满足了潮位数据的接收与远程传输、发布。

2 项目实施的关键点

2.1 水下验潮站点设立

水下验潮支架稳固性要好且要有一定的负重，确保设备在验潮过程中不会移动。潮位站点要设立在水下地形相对平坦，冲刷或淤积不明显的区域，以确保验潮期间验潮支架结构没有明显的沉降发生，确保验潮数据的准确。图3是两种水下潮位采集单元结构图，图3（a）是具有防拖网丢失功能的水下单元，单元装有验潮仪、声学数据传输设备及声学释放设备等；图3（b）是一种比较简易的水下数据采集单元。

2.2 水下供电问题

潮位计的数据采集用电相对比较小，按10 min记录1次潮位，一般可记录3个月的时间。由于水声modem在进行水下数据传输时，其用电相对较大，内置电源往往无法满足作业需求。解决其供电主要有两种方式：

1）外加水下电源包

采用外加电源包供电方式，可将水下验潮单元的工作时间延长2～3个月，在总的施工作业时间不超过4个月的情况下，水下单元采用外加电源包基本可以满足施工的需求。

2）更换水下采集单元

对于施工作业时间相对较长的海上作业，需要准备2套水下采集单元，采用交替下水工作的方式可以延长其验潮工作时间。

图3 水下验潮站点安装结构图Fig.3 Installing structureof underwater tide station

首先，在水下单元用电即将结束前3 d，将替换单元置于原验潮点附近，待稳定后进行同步验潮，获取其相关关系，然后回收耗电即将结束的验潮单元，重新装配等待下一周期的循环使用。

2.3 水下设备回收技术

为提高设备安装及回收的便利及安全性，水下潮位采集单元采用安装带有浮体机构的水下释放器，回收时只要在水面上按动释放指令，即可回收水下验潮单元。

如图1所示，水下单元是一种比较简便的回收结构。在验潮支架的上部安装带绳仓的声学释放器，正常工作时，整个机构置于水面以下，待数据采集结束及更换时，通过发送释放命令将起吊绳索释放至水面予以回收。对一些渔业比较发达的海区可采用目前比较常用的防拖网的验潮结构，避免设备被外力破坏。

3 现场测试情况

2013年7月采用简易方式在长江口深水航道距离北槽中验潮站约10 km的地方（水深较浅，8～ 10m）进行了4 h的测试，水上潮位数据的发送采用北斗卫星的短报文通讯功能进行潮位的广播式发送。

系统地测试了水下单元的工作状态、回收情况，同时进行了测量船接收及发送潮位数据的连续性、准确性的测试，每10 min发送1次潮位数据，共发送实时潮位24个，实际接收到23个数据，对丢失的数据进行了内插，经与北槽中实时潮位比对，潮位数据吻合非常好。

存在的问题：由于潮位站及测试接收分别位于长江口深水航道的两侧，当大型集装箱船经过航道时，位于水面的接收单元有信号丢失现象发生。分析认为：由于航道两侧水深较浅，约9 m，航道内水深达到13.0 m，大船吃水较深，影响到数据的传输。当发送单元与水下采集单元位于航道同一侧时，没有发生数据中断的现象。

4 结语

利用施工船舶作为海上潮位站平台，既不影响船舶的正常施工又能满足潮位数据的接收与发送，是海上工程作业潮位获取的一种有效手段。通过现场测试，其工艺方法的可行性及实用性都比较高，适合于海洋工程的快速开工。

随着水下测量单元性能的不断提高，系统的功耗会进一步降低，传输距离及测量精度会进一步提高，其应用的范围也将会有比较大的拓展。

[1]李攀峰，陈富安.水下水声无线调制解调器[J].水利水文自动化，2004，20（2）：19-23. LIPan-feng,CHEN Fu-an.Underwater acoustic wirelessmodem [J].Automation in Water Resources and Hydrology,2004,20(2): 19-23.

[2]刘敬彪，童常根，郑晓先.水声调制解调器数据传输技术的研究与实现[J].海洋技术，2008，27（3）：28-31. LIU Jing-biao,TONG Chang-gen,ZHENG Xiao-xian.Research and implementation of the data transmission technique on underwateracousticmodem[J].Ocean Technology,2008,27(3):28-31.

[3]黄辰虎，刘雁春，许家琨，等.关于海上定点验潮站潮位数据推算的可行性及可操作性检验[C]//中国测绘学会第十六届海洋测绘综合性学术研讨会论文集，2014：91-97. HUANGChen-hu,LIU Yan-chun，XU Jia-kun,etal.The testof feasibility and maneuverability about reckoning tide data of settled tide station in the sea[C]//Proceedingsof the 16th comprehensive seminar of hydrographic surveying and charting by CSGPC,2014：91-97.

[4]焦永强，万军.基于北斗卫星系统的潮位数据传输与控制技术[C]//华东六省一市测绘学会学术交流会论文集，2010：31-36. JIAO Yong-qiang,WAN Jun.Data transfer and control technologiesof tide level based on Beidou Navigation Satellite System[C]// Academic conference proceedings by societies of surveying and mapping in EastChina,2010:31-36.

Discussion and im p lementation of establishment technology about offshore tem porary tide station based on construction ships

TIANWei-xin,JIAOYong-qiang
（ShanghaiDahua Surveying&Mapping Co.,Ltd.,Shanghai200136,China）

In order tomeet the needs of real-time tidal level during offshore construction work,we put forward a new working method of offshore temporary tide station based on construction ships,introduced in detail the data acquisition,transmission method and technical route.Using shipsasoperation platform,we have provided a fast,econom ical tide station buildingmethod foroffshore construction work.

tide station;data acquisition;underwater acoustic modem;transfer

U652.3

A

2095-7874（2015）05-0028-03

10.7640/zggw js201505008

2015-01-14

田维新（1969— ），男，甘肃会宁人，副总经理，高级工程师，测量工程专业。E-mail：tian-weixin@163.com