我国深海Argo区域观测网成功完成“深海玄武”浮标首次批量布放

2023年12月,由中国海洋大学牵头,崂山实验室、自然资源部第二海洋研究所、中国科学院海洋研究所共同参与的“深海Argo区域观测网建设”在西太平洋菲律宾海盆顺利完成首批6000 m级国产“深海玄武”浮标的布放。自12月9日起,经质量控制的深海温度和盐度剖面观测数据实时提交至全球Argo资料中心(GDAC),参与国际共享与交换。这是我国首次批量布放国产深海Argo浮标,标志着我国在深海Argo区域观测网建设上迈出了重要的一步。

Swin-Transformer故障信息挖掘的海底观测网故障定位方法

海底观测网长期受海洋环境与人为因素影响,易使光电复合缆绝缘破损与海水接触形成电学故障点。如何准确地定位电学故障点,对提高海底观测网输电与信息传输的可靠性至关重要。首先根据海底观测网输电结构建立海底观测网输电模型,推导与模拟电学故障点传播至观测点的暂态电流,然后由连续小波变换提取暂态电流与故障点对应的内在关联特征量,最后通过Swin-Transformer神经网络挖掘内在关联特征量与故障距离的匹配关系来定位电学故障点。研究结果表明,在内在关联特征量样本测试集条件下,光电复合缆≤160 km的电学故障点定位误差小于400 m,可为长距离光电复合缆的海底观测网电学故障点定位提供参考。

地下水观测网的若干问题与基于信息熵的研究方法

观测站点分布的任意性、随意性和层次不清以及观测数据的冗余性等是中国地下水观测网普遍存在的问题 ,这些问题制约着观测网提供可靠和有效数据信息的能力。文章以河北平原地下水观测网为例 ,分析了观测网几个问题的表现和原因 ,并对国内外观测网优化设计的指导思想、技术方法的现状和进展作了简要介绍。在参考大量国内外研究成果的基础上 ,主要介绍了基于信息熵原理研究观测网优化设计的方法 ,包括基本概念、原理和解决观测孔层次分类、信息冗余以及空间优化布局的技术思想。笔者认为 ,信息熵方法是一种能够评价地下水观测网信息 (而不是数据 )收集能力和优化观测网布局的很具发展潜力的技术方法。

海底观测网发展现状及趋势研究

文中详细研究了当前世界上最典型的海底观测网的建设发展规模、形式、设备类型以及我国海底观测网的发展现状,并对国内外海底观测网的发展趋势进行总结。对日本、加拿大、美国及欧洲的海底观测网进行了设备级研究,对我国台湾地区、东海、南海的海底观测网现状进行了研究,并讨论了国外先进观测网对我国的海底观测网建设的借鉴意义。文中总结出海底观测网发展的整体趋势为:单节点网络加速验证新型设备及传感器的水下能力;区域尺度网络用于加速多学科发展并提升灾害预警能力;而浮标平台网络作为补充,铺设在远海区域以降低阶段建设成本。

中国地区太阳分光辐射观测网的建立与仪器标定

大规模的太阳分光地基联网观测不但能够直接为该项研究提供基础数据,同时也可为卫星遥感提供地表订正.利用性能优越的LED型太阳光度计,依托中国生态研究网络(CERN)分布在中国各地的观测站,建立了标准的太阳分光辐射观测网.利用Langley定标法结合量值传递定标法对观测网所有光度计的标定方法及误差分析表明,不同光度计间的同步观测结果(相对标准偏差小于3%)以及与CIMEL光度计的观测结果间(相对偏差小于5%)有很好的一致性,证实了观测结果的准确性以及该类型光度计及其观测网的稳定性和可靠性.

海底观测网接驳盒技术

利用海缆和接驳盒将布放在海底表面及海洋内的用于科学观测的仪器连成一个网络,并与陆地的因特网和电力网有机连接而组成的可实现长期、连续、实时的原位观测的海底观测网已经成为海洋科学研究的重要平台。研究和介绍海底观测网接驳盒所涉及的关键技术,包括接驳盒的电能供给及变换、高带宽通信与高精度对时、供电故障诊断与隔离、水下封装与设计等。基于所研究技术的接驳盒样机成功地进行水池和高压模拟试验、浅海运行试验、和深海组网试验等系列试验,并验证相关技术:基于直流变换的电能分配和供给方式可应用在海底观测网上;点对点的主干网光纤通信及多级树形结构的通信架构可满足海底观测网需求;独立端口的过电压、过电流和接地故障的诊断和隔离可提高系统的整体可靠性;模块化的封装结构和可维护的分离结构可降低成本并提高了系统的可维护性。

缆系海底观测网原型系统设计

针对长期、实时和原位观测深海大洋的科学需求,设计了采用10 kV直流输电和100 Mb/s光纤通信的缆系海底观测网原型系统。该系统由海底科学节点、光电复合海缆和海岸控制基站组成,其中海底科学节点包括原位化学分析仪器、动力环境监测仪器和节点接驳盒。用户从数据管理子系统实时获取科学数据,从电能监控子系统远程监控仪器状态,进行海底原位实验。多次压力实验和水池联调后,该系统在中国东海浅海试验和美国蒙特雷湾海底观测网深海并网试验中运行稳定,从海底获取了大量高分辨率的科学数据。试验证明该设计合理可行,并体现缆系海底观测网较传统海洋观测方式有较大优势。

基于NTP和IEEE1588海底观测网时间同步系统

为了实现深海海底观测网时间同步,针对海底观测网通信网络拓扑结构,提出基于网络时间协议(NTP)和IEEE1588协议的时间同步应用方案.介绍NTP和IEEE1588(PTP)协议时钟同步原理.设计岸基站、接驳盒层、观测仪器层进行时间同步的硬件结构.该系统以岸基站PTP主时钟接收到的GPS/北斗双参考源的卫星信号为时间源,解码输出NTP同步信号和PTP同步信号经由光纤以太网通过深海光电复合缆进行远程传输,利用各层时间同步装置获取精确时间.开展实验室环境下的时间同步监测实验.结果表明,PPS信号时间同步精度小于500ns,NTP时间同步精度小于400μs,PTP时间同步精度小于3μs.

全球有缆海底观测网概述

近期有缆海底观测网发展迅猛,世界各国包括加拿大、美国、日本和欧洲国家都依据自己的科学目标,建立了相应的有缆海底观测网。文章针对不同国家有缆海底观测网系统的组成和建设分别做了概述和评论。从1978年开始到现在,日本成功建设了10条有缆海底地震观测网,从早期同轴电缆作为主干电缆,发展到使用光电缆连接水下设施。加拿大成功建成近岸尺度和区域尺度两条有缆海底观测网。美国2012年成功建成目前世界上最长的一条区域海底观测网(约900km)。欧洲国家也正在开展在10个海区建立有缆观测网。跟随国外的步伐,我国和我国台湾地区也建立了自己的海底观测站(东海小衢山)和有缆观测网(中国台湾妈祖)。文章依据世界上已经建立的有缆海底观测网,分析认为与全球有缆观测网布设有关的遥控水下机器人是关键技术,并探讨了海底观测网今后的发展和面临的挑战。

基于海底观测网的深海化学监测系统的设计

根据海底观测网和海洋科学仪器的特点,设计了能适用于海底观测网的深海原位化学监测系统。该系统由数据采集器以及阴离子分析仪、硝酸盐传感器、叶绿素传感器、溶解氧传感器、甲烷传感器等水下化学监测仪器组成。文中设计的数据采集器,能够与海底观测网科学仪器节点中接驳盒的标准供电和通讯接口进行连接,并能够对不同接口类型的仪器进行集成扩展。通过模拟深海环境试验以及浅海海试的验证,证明了该设计的可行性。

中国地壳运动观测网络首期观测数据处理

介绍了中国地壳运动观测网络的布设、基准站和基本站首期观测情况。利用 GAMIT和GL OBK软件对首期观测数据进行了处理 ,计算结果归算到 ITRF97框架上。单天整体解结果表明 :基线重复性 NS向分量为 2 .2 8+0 .87× 1 0 - 9×S,EW向分量为 3.67+0 .82× 1 0 - 9×S,高程分量为 6.84+1 .2 9× 1 0 - 9×S(S为 GPS站间距离 ,以 mm为单位 )。对基准网和基本网的整体平差结果表明 :点位精度水平分量为 2～ 3mm,高程分量为 3～ 5mm。

全球实时海洋观测网(Argo)与上层海洋结构、变异及预测研究

围绕国家重点基础研究发展计划项目"基于全球实时海洋观测计划(Argo)的上层海洋结构、变异及预测研究",首先介绍Argo这一新型全球海洋观测网给海洋和大气科学带来的发展机遇以及我们面临的挑战,接着阐述项目重点研究区域西北太平洋和热带印度洋—太平洋的国内外进展,最后给出了项目的关键科学问题和主要研究内容。

西太平洋深海科学观测网的建设和运行

西太平洋科学观测网是由中国科学院海洋研究所自主建成的大洋观测网络。深海数据的连续获取和实时传输对海洋与气候预报和海洋环境安全保障意义重大,世界海洋大国纷纷致力于其关键技术和系统集成的攻关。在中科院战略性先导科技专项的资助下,中科院海洋所经过统筹安排和周密部署,3年多来先后组织西太平洋综合考察航次3次,成功布放和回收深海潜标73套次,建成了由16套深海潜标组成的我国西太平洋科学观测网并实现稳定运行,获取西太平洋代表性海域连续3年的温度、盐度和洋流等数据。在2016年航次中,中国科学院又攻克了潜标数据长周期稳定实时传输的海洋观测难题,实现了深海数据的"现场直播",截至2017年9月,深海数据已成功连续实时回传260余天。以此为标志,我国的大洋科学观测网建设实现了批量化、标准化和常态化。深海观测数据的长时间连续积累和实时化传输,将提升我国深海科学研究能力,加速我国海洋与气候预报业务系统建设步伐,满足海洋强国建设、"一带一路"倡议对海洋环境安全保障的重大需求。"十三五"时期,我国正全面推进深海进入、深海探测和深海开发的深海战略,深海科学观测网建设技术和潜标数据实时传输技术对我国深海探测能力的提升意义重大。

海底观测网接驳盒电源散热机理研究

散热性能是影响海底观测网接驳盒供电电源长期运行的关键因素。根据热传导理论,分析金属耐压密封腔体内部电气热源的热耗散机理,推导出影响其热耗散性能的主要因素,得出腔内灌充绝缘导热油可大幅度改善散热效果,并利用Fluent分别对灌充气体、液体导热介质的腔体模型进行仿真验证。同时提出在油液内部留存一定体积气体的气液体结合的方式来缓解由于液体介质受热膨胀引起的压强升高问题,并进行1%、2%、5%、10%等4种不同空气体积率下的变压器油液因温升而导致压强升高的试验。得出结论:灌充绝缘导热油介质可改善水下密封腔的散热效果,但存在油液压强上升问题;气液结合方式可解决压强上升过高的问题,对于国产25#变压器油,大于8.8%的空气体积率可实现温升50℃时压强上升幅度低于0.1MPa。将该方法应用到海底观测网系统样机的2 kW电能变换器中,其试验测试结果与理论分析一致。

我国地震井水位观测网监测效能评估

"十五"数字化网络项目完成后,我国地震井水位观测网已颇具规模。为了摸清其监测现状,为未来台网优化改造、仪器更新提供依据,开展了观测网的清理和监测效能评估。评估结果显示,总体上,观测网中有61.8%的水位观测站监测效能良好。有73.5%的观测站的观测环境符合地震井水位观测要求;观测网的运维状态总体趋好,有75%的观测仪器的运行率在95%以上;大部分的水位观测站监测地壳应力变化、地震活动的能力较强。但仍然有些观测站,因观测井先天不足、环境干扰、仪器老化、运维水平低等问题,亟待通过观测环境改造、仪器更新、运维管理培训等措施来提高监测效能。大约有6.5%的观测站因观测环境不合格需要停测。

缆系海底观测网恒流输电系统供电方案选择方法

基于恒流输电的缆系海底观测网借助恒流分支技术可以实现网格型拓扑结构,从而存在多种主供电回路与分支供电回路的供电组合方案。针对这一问题,提出了恒流输电系统供电方案的选择方法。根据恒流分支技术的工作特性,提出了N级供电回路的概念,将供电方案抽象成与供电回路一一对应的多个连通图,定义了存活节点率作为供电方案的评价指标,并采用基于可变时间增量法的蒙特卡洛法结合深度优先算法进行估计。该方法适用于已知网络拓扑结构下的恒流输电系统供电方案的优化选择,算例分析表明:该模型及算法能较好地分析供电方案对系统可靠性的影响,且收敛性较好。

海底观测网光电复合缆开路故障识别及区间定位方法

针对海底观测网络海底光电复合缆出现开路故障的问题,提出了采用平均测量残差值的方法识别开路故障。根据实时的网络拓扑结构与电流方向,建立有向图的邻接矩阵,将网络结构分成三种不同的区域。计算故障时刻前后的接驳盒电压变化差,利用差值进行开路故障的区域定位,针对耦合区域,提出了假设检验的方法进行开路故障海缆的区间定位。建立了海底观测网供电网络模型,进行了开路故障仿真分析,结果验证了该开路故障识别和定位方法的实用性和有效性。

全球Argo实时海洋观测网全面建成

文中较详尽地介绍了全球Argo实时海洋观测网建设现状,以及Argo资料在相关领域应用研究中所取得的成果,揭示了Argo资料广阔的应用研究前景。但要实现国际Argo计划的最终目标,尚需各参与国不遗余力。

缆系海底观测网电力系统结构与拓扑可靠性

缆系海底观测网可持续提供充裕电能和通信带宽给大量海底科学仪器.基于可靠性和经济性的原则,分析得观测网电力系统适合采用负高压单极直流输电、以海水作为电流回路、海底负载并联供电和级联式高频直流变换的总体方案,并以此为基础设计了观测网的物理架构.根据观测网的特点,总结了海底电力系统适合采用的几类典型拓扑,并以水下基站平均供电可靠度为可靠性指标,计算并比较了这些典型拓扑的可靠性,可为观测网的拓扑规划提供依据.进一步设计了海底电力系统的运行模式,以提高观测网的容错能力.研究结果可为国家未来建设大规模观测网提供参考.