美国FORGE计划犹他州干热岩开发示范项目进展综述

21世纪是全球能源获取方式发生重要变化的时代。现有以煤炭、石油、天然气等传统资源为基础的能源正在逐渐被风能、太阳能、生物质能、地热能等环境友好、低排放的绿色能源所取代。干热岩是一种不含原生水(或含少量水但不能流动)的高温地热资源,可通过水力刺激改造形成增强型地热系统储层,从而提取数量相当可观的地热能。本文以美国能源部正在组织实施的FORGE计划犹他州干热岩示范项目为研究对象,综述了项目在场地地质条件表征、基础设施建设等方面取得的主要进展与成果,总结了项目在高温硬岩钻井、储层建造、微震监测等方面取得的广泛且深入认识,从统筹部署、组织实施、场地表征和设施建设、关键技术装备突破、数据共享等方面提出了值得我国借鉴参考的具体实践。

基于卷积神经网络算法的金华地区高山气象观测站逐时气温预报订正

受地貌和气候条件影响,智能网格气温预报产品的预报结果,在复杂地形山区易出现误差。通过人工订正关键点降低误差,存在较大主观性,预报精度有限,难以满足精细化气象服务需求。神经网络算法能够大幅提升预报精度,然而这种方法在气温逐时波动小的平原地区应用较多,在气温波动大的山区鲜有应用。本文以浙江金华山区为研究区域,基于浙江省智能网格温度预报产品以及同时段高山气象观测站逐时气温观测数据,采用卷积神经网络算法,实现关键点气温逐时预报订正。研究结果表明:(1)小时尺度上,订正后各站点的气温均方根误差均显著减小,由订正前3℃~7℃减小至订正后2℃~3℃,订正后的预测结果更加准确,订正效果符合预期。(2)月尺度上,相较智能网格原始气温预报数据,该模型预报结果准确率也明显提升,订正后月平均气温准确率提高了33.18%~46.86%,其中准确率6月最高。(3)相较人工订正的方式,该模型对山地气温预报的订正能力更稳定,模型的两项关键指标(平均绝对误差和2℃预报准确率)均接近或超过同时段浙江省天气预报质量检验平台气温业务指标。该研究结果满足金华地区高山气象观测站对于气温预报产品的业务可用性需求,可为精细化山区气象服务提供数据支撑。

海底天然气水合物及冷泉流体渗漏的原位观测技术

海底天然气水合物藏是天然的巨型碳储藏库,是深部甲烷等烃类气体运移至海底过程中暂时的碳储,是地球碳循环过程的重要一环。冷泉通常与海底天然气水合物藏分解密切相关,是深源或浅层气及水合物分解气在海底发生渗漏的现象。该文根据国内外天然气水合物及冷泉系统勘查的最新动向,综述了与水合物及冷泉流体渗漏相关的羽状流、运移通道、海底微地形地貌等要素的海底原位观测技术,主要包括:走航式及坐底式原位观测、海面及低空渗漏甲烷观测、海底可视化观测、与水合物及冷泉相关的海底观测网络等。综合使用原位观测技术可以更细致、全面地描绘水合物和冷泉系统的时空“景象”,更好地协助厘清海底渗漏甲烷的归趋,拓展人类对深海独特生命绿洲的认知。

深海海底观测网络水下接驳盒原型系统设计与实现

为实现深海海底观测网络的长期连续观测,设计一套基于水下接驳技术的接驳盒原型系统.通过分析接驳盒体系结构,采用多个耐压密封腔体作为水下接驳盒的机电集成封装结构,完成耐压腔体机械结构和散热结构设计.在实验的基础上,利用MOSFET器件以输入串联和输出并联相结合的方式,把2kV高压直流电转换为400V中压直流电,实现深海远距离高压直流电能传输.针对深海观测仪器设备通信的实时性要求,采用基于TCP/IP的光以太网技术和应用层自定义协议技术来实现通信控制.实验验证了在40MPa下,水下接驳盒原型系统能够正常工作.该水下接驳盒原型系统合理且实用,为实现深海海底观测网络的长期连续观测提供了技术支撑.

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.

深海海底观测网络远程电力监控系统研究

为了实现对深海海底观测网络的观测传感器电能供给状态的在线实时监测,提出了一种基于水下接驳盒的远程电力监控方案。设计了电力监控系统的总体结构和接驳盒节点的硬件结构。监控系统以水下接驳盒为核心节点,通过光以太网进行远程通信,采用霍尔电流传感器和热敏电阻温度传感器相结合的方法,实现了对各种海底观测传感器的电流、温度监测和电能分配控制。实验测试证实了所设计的水下接驳盒装置是可靠的,同时也说明该监控系统能够应用于深海海底的高压特殊环境。

基于水下接驳盒的深海海底观测网络设计

针对深海海底环境的长期连续观测问题,设计一种基于水下接驳盒的深海海底观测网络。该网络由基站监控中心、水下接驳盒和海底观测传感器3个部分组成。采用嵌入式工控机和单片机相结合的方法,实现水下接驳盒的数据采集和电能管理,并给出系统的硬件、软件设计方案。实验结果证明,该系统适用于深海海底高压特殊环境下长期连续的实时观测。

深海海底观测网络信息采集监测系统设计与实现

设计了一套深海海底观测网络信息采集监测系统。提出了一种由监控中心层、传输主干网层和采集子网层构成的监测系统分层总体结构,并设计了相应的信息采集通信协议及控制策略。进行了高压环境下的通信实验,实验结果表明在40MPa的压力下,监测系统能够正常工作,实验测试数据亦表明系统能够用于深海海底观测网络的实时信息采集监测。

程控自主天文台网络的发展

网络技术的不断发展和望远镜远程控制技术的成熟让无人值守的程控自主天文台成为可能。把多个独立运行的程控自主天文台通过网络连接起来协同工作,就是程控自主天文台网络。程控自主天文台和概要式巡天在共同开启时域天文学并进而推动天文学跨越式发展的同时,也给研究方式和技术应用带来全新的挑战。回顾程控自主天文台网络的发展轨迹,总结实现的基本思路和逻辑结构,介绍科学应用,探讨随之而来的挑战,尝试分析在天文学上的发展前景和国内的发展战略。

洋底动力学——国际海底相关观测网络与探测系统的进展与展望

海洋在地球系统中的关键作用已获得了广泛共识。海洋占地球总面积的70.8%,而深海大洋占据海洋约92.4%,因此,洋底更是了解众多地球过程的主要窗口之一。从动力学角度,洋底动力系统可以划分为洋脊增生子系统、深海盆地子系统、俯冲消减子系统和地幔动力子系统。以海洋科学、海洋地质、海洋地球化学与海洋地球物理等高新探测和处理技术、观测网络建设为依托,国际上逐步开始实施一系列不同级别的海底观测网络建设计划,通过大量传感器,侧重探测海底各种大地构造背景各级尺度的结构、构造和过程,以及动力学过程的各个变量要素,监测不同圈层界面和圈层之间的物质和能量交换、传输、转变、循环等相互作用的过程,为了解地球系统变化提供技术保障。

海底观测网技术进展与发展趋势

海底观测网络由于其特有的能源供给与信息传输优势,受到了广泛关注与重视。文中简要回顾了国内外海底观测网技术的发展现状,并就海底观测网技术发展趋势进行了探讨。

虚拟天文台的技术进展

虚拟天文台是在望远镜和探测器的研制技术、计算机网络技术取得突破性进展的条件下产生的,与最新的信息技术紧密结合成为其发展最鲜明的特点。用可扩展标记语言(简称XML)技术封装天文数据,把虚拟天文台建立在网格的体系结构之上是当今虚拟天文台技术发展的主流。按照目前虚拟天文台最具代表性的层次式体系结构分层介绍各个层次的相关技术,同时提出充分利用现有资源优势实施中国虚拟天文台计划的设想。

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。

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。

单片机与CPLD技术的海底接驳盒电能监控系统

为了实现海底观测网长期稳定运行,设计一种可靠性高、响应速度快的电能监控管理系统.该系统用于海底观测网络接驳盒,主要任务是实现电能接驳的远程设置控制,同时完成各路外接传感器电压电流及接驳盒内部各腔体的温度漏水情况的监控.系统下位机主要基于单片机和复杂可编程逻辑器件(CPLD)设计实现.通过单片机采集多点温度和漏水信号,监控接驳盒腔体状态;通过CPLD控制高速采样芯片时序,检测负载电压电流参数,结合控制指令和远程阈值设定完成异常判断,实现实时负载监控和异常处理.下位机通过以太网与基站上位机通信,完成监控数据上传和控制指令接收.结果表明,该系统在美国蒙特利加速研究系统(MARS)海底观测网上已完成了为期6个月的接驳联调海试,运行稳定无故障.

东海缆系海底观测试验网电力系统设计与分析

为了持续提供充裕的电能给大量原位科学仪器,设计了东海缆系海底观测试验网电力系统,建立了其核心电力元件的数学模型,并分析了其静态和暂态稳定性。采用小扰动法分析了系统静态稳定性,获得了系统静态稳定判据,证明了切负荷可提高系统静态稳定性。采用相平面法和Saber仿真分析了系统暂态稳定性,发现改变核心电力元件的特性或参数,如减小海底负荷、增大海缆等效电阻、减小海缆等效电容或增加岸基远供设备输出电压的调节时间等方法,均可提高系统暂态稳定性。研制的试验网电力系统长期运行稳定可靠,证明了系统设计合理可行。

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。

海底观测网恒压远程供电系统

针对海底观测网的远程供电系统主要技术进行研究和分析,讨论了次节点控制的两种方式,并利用系统模型对次节点连接方式二在端站海缆故障、支路缆海缆故障和主干缆海缆故障3种情况下的系统故障隔离的整个控制过程进行仿真分析。验证了连接方式二能够有效的隔离海缆故障,增加系统可靠性,为未来海底观测网建设提供理论和技术支持。

基于检测信息融合的缆系海底观测网络节点部署策略

采用Neyman-Pearson准则融合观测节点的检测信息,计算当不同单元网格达到全覆盖时,网格边长应满足的具体条件.分析基于传统方式与基于检测信息融合的正方形和正三角形网格在不同情况下的具体结构,提出正方形和正三角形网格单元相结合的缆系海底观测网络节点部署策略,确定水下主、次节点的数量及部署位置,以及网络的整体结构.对不同监测范围内网络的具体部署方式与需求进行仿真计算.结果表明:与传统网络结构的节点策略相比,基于检测信息融合的部署覆盖比率高,部署节点数量少,盖效率较高,优势明显.

用于海底观测网络水下接驳盒的电能监控系统

海底观测网络科学仪器的电能是由陆地电网通过光电复合海缆和水下接驳盒提供的。为了提高海底电力系统的可靠性和用能效率,设计了用于水下接驳盒的电能监控系统。该系统通过检测密封腔体内的环境参数、直流变换器的工作状态和内外部负载的用电情况,诊断系统故障并采取相应的保护措施,同时根据优先级管理内外部负载供电,并可通过海岸基站控制台实现远程控制和维护。在额定-2kV/2kW接驳盒上的原型实验表明,该系统运行稳定可靠,适用于海底长期观测网络。