CN109115559A - 一种自主采水作业的全海深智能采水***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于深水采集技术领域，公开了一种自主采水作业的全海深智能采水***及方法，***连续测量海水的温度、盐度、深度信息；用户通过释放器的声学测量采水***下潜至深度超过之前设定的最大采水深度后，发送抛载命令使得***停止下潜并上浮；采水***上浮过程中，智能控制***根据传感器测量的***自身深度数据，当判断到达各个采水瓶的采水深度时，自动触发相应的采水瓶关闭，采集设定深度处的水样，直至所有采水作业完成。本发明从浅水到11000米均可进行采水作业；用户设定好参数后，采水作业自主智能进行；采水***作业过程与科考船完全脱离，不依赖科考船的缆绳，科考船可并行开展别的作业。
Description
技术领域
本发明属于深水采集技术领域，尤其涉及一种自主采水作业的全海深智能采水***及方法。
背景技术
目前，业内常用的现有技术是这样的：
海洋科考中需要对不同深度的海水样品进行采集，目前广泛使用的采水***是基于船载绞车与缆绳的CTD采水器。
这种采水器的作业流程为：通过绞车将采水器下放，通过放缆长度和电缆(或者光电复合缆)传回的CTD数据判断采水器到达的水下深度，当采水器到达采水深度后发送采水命令，触发采水机构关闭采水瓶。
目前CTD采水器通常配备有8个甚至更多的采水瓶，可以实现一次布放中采集整个剖面的多个不同深度处的水样。
但是现有的CTD采水器需要依赖于船上配备的绞车，CTD采水器的最大采水深度往往受限制于科考船绞车的缆绳长度与起吊能力，而现有的科考船只有非常少数配备了全海深(全海深深度约11000米)绞车，这就使得绝大部分现有的CTD采水器无法完成全海深采水作业。
此外CTD采水器作业过程中还需要母船配合调整船位，保持坐标基本不变的情况下随海流方向调整船身，以防止缆绳绞入船舶的螺旋桨等部件。
除了专用的CTD采水器，近年来科学家也将采水瓶安装至着陆器、无人潜水器、载人潜水器等海洋航行平台上进行采水作业，但是大都受到平台的能力限制，通常不能对剖面的不同深度采水而只能在完成近海底的一次性采水；而且采水量很多时候也不能满足科考需求；
更重要的是这些深海航行平台大都造价昂贵、作业布放回收难度大、作业成本高、采水效率不高，从而带来采水成本居高不下。
而随着国家深海科学的发展，海洋生物学、生态学等学科的研究需要大量(几十升至上百升)全海深水样，而且需要整个剖面不同深度的水样，而受到科考船绞车与缆绳的限制，目前市场上尚没有经济高效的全海深采水专用设备。
综上所述，现有技术存在的问题是：
(1)现有的科考船只有非常少数配备了全海深(全海深深度约11000米)绞车，这就使得绝大部分现有的CTD采水器无法完成全海深采水作业。
此外CTD采水器作业过程中还需要母船配合调整船位，保持坐标基本不变的情况下随海流方向调整船身，以防止缆绳绞入船舶的螺旋桨等部件。
(2)现有技术中着陆器、无人潜水器、载人潜水器等海洋航行平台大都受到平台的能力限制，通常不能对剖面的不同深度采水而只能在完成近海底的一次性采水；而且采水量很多时候也不能满足科考需求；
(3)现有技术中，深海航行平台大都造价昂贵、作业布放回收难度大、作业成本高、采水效率不高，带来采水成本居高不下。
解决上述技术问题的难度和意义：
要突破现有采水技术操作困难、作业成本高昂的问题，需要一种专用的采水工具，脱离科考船绞车与缆绳的束缚，自主上浮下潜并完成采水作业。这样的采水***研制面临几个困难：
(1)耐受11000米海水压力的采水执行器
要求该执行器既能够耐受11000米海水的巨大压力，同时还能正常执行采水瓶的拔销动作，而且体积和重量要越轻越好。目前进口的系缆CTD采水器的采水执行器采用耐压罐内置电磁铁作为执行器，具有可靠性不高、能耗高、耐压能力与磁力强弱存在矛盾、重量和体积较大的缺点。另一种常用执行器是水下电机，具有执行可靠的优点，但是存在着结构复杂、价格高昂、重量体积较大、电机驱动与控制模块复杂等缺点。本采水***采用了一种基于智能材料的新型采水执行器，具有结构简单、易于驱动、体积小、重量轻等特点，为本采水***的研制奠定了基础。
(2)自主控制***
控制***由耐压11000米的钛合金耐压壳、水密接插件、电源、控制板卡和软件***组成。本采水***的自主控制***采用低功耗微星单片机作为控制芯片，带有电源管理***的30A大电流锂电池作为能源，SD卡作为数据存储。控制软件采用面向对象的结构化编程框架，便于后期维护升级；软件提供了用户参数设定和数据下载接口，同时提供了调试命令给***管理人员进行维护。
(3)采水***总体设计
根据采水功能的需求开展整个采水***的设计，在满足功能需求的前提下，综合考虑声学通信、水面定位通信、抛载可靠性、框架结构安全性、耐压结构强度、电控***硬件软件等多个学科平衡设计，得到满足各个状态下功能要求，同时重量和体积最优的总布置设计。***满足在起吊、甲板固定、水中上浮下潜、水面漂浮等多工况下的稳性。而且要结合实测的11000米整个剖面的海水密度实测曲线进行，***在带着抛载下潜至最深点和抛载上浮至水面的各个工况下的配，保证***具有足够的重力能下潜至最深点，也有足够的浮力上浮至水面。
本采水***克服了这些难点，投入使用后将极大地提高采水作业的效率，降低海洋科考采水的成本与作业难度。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种自主采水作业的全海深智能采水***及方法。
本发明是这样实现的，一种自主采水作业的全海深智能采水方法，包括：
采水***通过CTD传感器连续测量海水的温度、电导率、压力信息并对CTD传感器的数据进行实时处理，剔除CTD传感器数据中的异常值并根据用户输入的布放位置GPS纬度数据换算得到采水***的实时深度数据；
用户通过释放器的声学测距功能测量采水***上的声学信标与科考船上放入水中的声学信标之间的实时斜距，结合采水***的上浮下潜速度近似获得采水***当前的下潜深度；采水***下潜至深度超过设定的最大采水深度后，发送抛载命令使得***停止下潜并上浮；或者布放后，科考船离开，进行其他科考作业；
采水***自动下潜到达并着陆在海底，用户完成其他作业后返回布放点，向采水***发送抛载命令使得采水***开始上浮；或者采水***释放内部事先设定的定时抛载计时器时间结束，采水***自动抛载开始上浮；
采水***上浮过程中，智能控制***根据CTD传感器测量的***自身深度数据，当判断到达各个采水瓶的预先设定采水深度时，自动触发相应的采水瓶关闭，直至所有采水作业完成。
进一步，***连续测量海水的温度、盐度、深度信息前，需进行：
安装***压载、水面定位***开机、释放***开机、电控***开机，检查***，准备布放；
用户通过软件设定***各个采水瓶的取样深度和***布放处的纬度信息。
进一步，采水作业完成后，还需进行：
***上浮至水面、水面定位通信信标通过GPS或者北斗定位***的坐标并通过卫星通信将坐标发送给科考船，利用频闪灯和旗标在水面上进行搜寻；
按照坐标、灯信号和旗标找到***，进行起吊回收；
***吊起并停至甲板后，进行各个采水瓶水样的转移与储存，对***进行冲水、充电、检查，为下一次布放做准备。
本发明的另一目的在于提供一种全海深智能采水计算机程序，所述全海深智能采水计算机程序运行所述的自主采水作业的全海深智能采水方法。
本发明的另一目的在于提供一种终端，所述终端至少搭载实现所述自主采水作业的全海深智能采水方法的控制器。
本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行所述的自主采水作业的全海深智能采水方法。
本发明的另一目的在于提供一种自主采水作业的全海深智能采水***包括：
采水***，用于上浮到达用户设定的深度处自动触发进行相应深度处的采水作业；
水面定位通信***，用于采水***上浮至水面后将自身坐标通过卫星、灯光、无线电进行报告，并用于进行搜寻和回收。
进一步，所述自主采水作业的全海深智能采水***进一步包括：
基础平台，用于搭载相关设备，包括框架、起吊布放***、设备安装平台和附件；起吊布放***、设备安装平台和附件均安装在框架上；
浮力单元，用于耐受11000米海水压力，还用于为***提供上浮需要的浮力，包括基于玻璃浮球或者浮力材料；
抛载***，用于抛掉压载，进行***上浮，与基础平台有机连接，用于通信指令不受其他设备遮挡影响同时通过多重保险使抛载可靠执行，抛载***包括全海深声学释放器执行器、电磁抛载执行器、电机抛载执行器或熔断抛载执行器、释放机构、抛载；
上述各执行器与释放机构连接，抛载挂在释放机构的挂钩内；当执行器完成执行动作时释放机构的挂钩将松脱，抛掉抛载。
进一步，采水***，包括10～12个采水瓶和采水瓶执行机构、充油耐压分线盒、CTD传感器和智能电控***；
智能电控***，负责提供能源和程序控制，电控***本身不耐压，所有板卡布置在能承受11000米水压的钛合金耐压罐体内，耐压罐体上预留有三个水密接插件用于连接电缆；
CTD传感器与智能电控***通过耐压水密电缆连接，采水瓶的执行机构为通电即执行采水瓶关闭的动作，所有采水瓶执行机构的电缆先汇总至一个充油耐压分线盒，在充油耐压分线盒内部并成一根粗电缆后再与智能电控***连接；
智能电控***控制CTD传感器的通电与断电；CTD传感器通电后自动采集海水的温度、压力和电导率数据并经过内部算法处理后换算成盐度等数据，最终通过RS232串口协议将数据通过水密电缆输送给智能电控***；智能电控***收到CTD传感器的数据后进行实时处理，剔除异常值并将压力换算成深度值；当发现着陆器上浮的深度值达到某个采水瓶的设定采水深度时，智能电控***向该采水执行机构通电，触发对应采水瓶的关闭；
智能电控***不停循环检测深度、判断、执行采水，直至所有采水瓶关闭；
水面定位通信***，包括铱星GPS信标、北斗定位通信信标、频闪灯、旗标、甚高频无线电信标并均采用自容设计，星GPS信标、北斗定位通信信标、频闪灯、旗标、甚高频无线电信标各个设备内部包含电池和控制***，为了提高卫星通信成功率和易于搜索，水面定位通信***安装在基础平台的顶部，用于采水***浮出水面后这些水面定位通信***冒出水面足够的高度。
本发明的另一目的在于提供一种科考船，所述科考船至少搭载所述的自主采水作业的全海深智能采水***。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：
从表中看出，本发明与与现有采水方案相比较：
(1)本发明从浅水到11000米均可进行采水作业；
(2)用户设定好参数后，采水作业自主智能进行，且能够在一次布放中采集整个剖面从海底到多个深度处的水样；
(3)采水***作业过程与科考船完全脱离，不依赖科考船的缆绳，科考船可并行开展别的作业。
可见，本发明的自主采水***具有最好的综合性能。
附图说明
图1是本发明实施例提供的自主采水作业的全海深智能采水***示意图。
图中：1、基础平台；2、浮力单元；3、抛载***；4、采水***；5、水面定位通信***。
图2是本发明实施例提供的自主采水作业的全海深智能采水方法流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
现有的科考船只有非常少数配备了全海深(全海深深度约11000米)绞车，这就使得绝大部分现有的CTD采水器无法完成全海深采水作业。
此外CTD采水器作业过程中还需要母船配合调整船位，保持坐标基本不变的情况下随海流方向调整船身，以防止缆绳绞入船舶的螺旋桨等部件。
现有技术中着陆器、无人潜水器、载人潜水器等海洋航行平台大都受到平台的能力限制，通常不能对剖面的不同深度采水而只能在完成近海底的一次性采水；而且采水量很多时候也不能满足科考需求；
现有技术中，深海航行平台大都造价昂贵、作业布放回收难度大、作业成本高、采水效率不高，带来采水成本居高不下。
本发明通过将积累多年的全海深着陆器研制经验与CTD采水器布放回收经验进行有机结合，提出了一种不依赖科考船绞车，可对整个剖面的不同深度进行自主采水作业的全海深智能采水***，见图1。
本发明实施例提供的自主采水作业的全海深智能采水***由几个子***和部件组成：
基础平台1,由框架、起吊布放***、设备安装平台和附件组成；
浮力单元2,基于玻璃浮球或者浮力材料，耐受11000米海水压力同时为***提供上浮需要的浮力；
抛载***3,基于全海深声学释放器、电磁抛载、电机抛载或熔断抛载与释放机构、抛载组成，用于抛掉压载实现***上浮；
采水***4,由10～12个采水瓶和采水瓶触发机构、CTD传感器和智能电控***组成，用于在***上浮到达用户设定的深度处自动触发完成相应深度处的采水作业；
水面定位通信***5,由铱星GPS信标、北斗定位通信信标、频闪灯、旗标、甚高频无线电信标等组成，用于采水***上浮至水面后将自身坐标通过卫星、灯光、无线电等报告给科考船，从而方便科考船对***进行搜寻和回收。
如图2，本发明实施例提供的自主采水作业的全海深智能采水方法，包括：
S101:安装***压载、水面定位***开机、释放***开机、电控***开机，检查***准备好布放；
S102:用户通过软件设定***各个采水瓶的取样深度和***布放处的纬度信息；
S103:从甲板吊起***并进行布放，***脱钩自动下潜，期间***连续测量海水的温度、盐度、深度等信息；
S104：采水***可通过多种方式确保安全抛载上浮：用户通过释放器的声学测量发现(或者按照下潜速度估计)采水***下潜至深度超过之前设定的最大采水深度后，发送抛载命令使得***停止下潜并上浮；或者布放后科考船即驶离开展其他科考作业，***自动下潜到达并着陆在海底，用户完成其他作业后返回布放点，向***发送抛载命令使得***开始上浮；又或者***释放***内部事先设定的定时抛载计时器时间结束，***自动抛载开始上浮；
S105：采水***上浮过程中，智能控制***根据传感器测量的***自身深度数据，当判断到达各个采水瓶的采水深度时，自动触发相应的采水瓶关闭，从而采集设定深度处的水样，直至所有采水作业完成；
S106：***上浮至水面、水面定位通信信标通过GPS或者北斗定位***的坐标并通过卫星通信将坐标发送给科考船，同时频闪灯和旗标等也有助于***在水面的搜寻；
S107：科考船按照坐标、灯信号和旗标找到***，靠近***并进行起吊回收；
S108：***吊起并停至甲板后，科考人员进行各个采水瓶水样的转移与储存，设备操作人员对***进行冲水、充电、检查等例行检查与维护，为下一次布放做好准备。
具体包括：
采水***通过CTD传感器连续测量海水的温度、电导率、压力信息并对CTD传感器的数据进行实时处理，剔除CTD传感器数据中的异常值并根据用户输入的布放位置GPS纬度数据换算得到采水***的实时深度数据；
用户通过释放器的声学测距功能测量采水***上的声学信标与科考船上放入水中的声学信标之间的实时斜距，结合采水***的上浮下潜速度近似获得采水***当前的下潜深度；采水***下潜至深度超过设定的最大采水深度后，发送抛载命令使得***停止下潜并上浮；或者布放后，科考船离开，进行其他科考作业；
采水***自动下潜到达并着陆在海底，用户完成其他作业后返回布放点，向采水***发送抛载命令使得采水***开始上浮；或者采水***释放内部事先设定的定时抛载计时器时间结束，采水***自动抛载开始上浮；
采水***上浮过程中，智能控制***根据CTD传感器测量的***自身深度数据，当判断到达各个采水瓶的预先设定采水深度时，自动触发相应的采水瓶关闭，直至所有采水作业完成。
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘SolidState Disk(SSD))等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种自主采水作业的全海深智能采水方法，其特征在于，所述自主采水作业的全海深智能采水方法包括：
采水***通过CTD传感器连续测量海水的温度、电导率、压力信息并对CTD传感器的数据进行实时处理，剔除CTD传感器数据中的异常值并根据用户输入的布放位置GPS纬度数据换算得到采水***的实时深度数据；
用户通过释放器的声学测距功能测量采水***上的声学信标与科考船上放入水中的声学信标之间的实时斜距，结合采水***的上浮下潜速度近似获得采水***当前的下潜深度；采水***下潜至深度超过设定的最大采水深度后，发送抛载命令使得***停止下潜并上浮；或者布放后，科考船离开，进行其他科考作业；
采水***自动下潜到达并着陆在海底，用户完成其他作业后返回布放点，向采水***发送抛载命令使得采水***开始上浮；或者采水***释放内部事先设定的定时抛载计时器时间结束，采水***自动抛载开始上浮；
采水***上浮过程中，智能控制***根据CTD传感器测量的***自身深度数据，当判断到达各个采水瓶的预先设定采水深度时，自动触发相应的采水瓶关闭，直至所有采水作业完成。
2.如权利要求1所述的自主采水作业的全海深智能采水方法，其特征在于，
***连续测量海水的温度、盐度、深度信息前，需进行：
安装***压载、水面定位***开机、释放***开机、电控***开机，检查***，准备布放；
用户通过软件设定***各个采水瓶的取样深度和***布放处的纬度信息。
3.如权利要求1所述的自主采水作业的全海深智能采水方法，其特征在于，
采水作业完成后，还需进行：
***上浮至水面、水面定位通信信标通过GPS或者北斗定位***的坐标并通过卫星通信将坐标发送给科考船，利用频闪灯和旗标在水面上进行搜寻；
按照坐标、灯信号和旗标找到***，进行起吊回收；
***吊起并停至甲板后，进行各个采水瓶水样的转移与储存，对***进行冲水、充电、检查，为下一次布放做准备。
4.一种全海深智能采水计算机程序，其特征在于，所述全海深智能采水计算机程序运行权利要求1所述的自主采水作业的全海深智能采水方法。
5.一种终端，其特征在于，所述终端至少搭载实现权利要求1所述自主采水作业的全海深智能采水方法的控制器。
6.一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行如权利要求1所述的自主采水作业的全海深智能采水方法。
7.一种实现权利要求1所述自主采水作业的全海深智能采水方法的自主采水作业的全海深智能采水***，其特征在于，所述自主采水作业的全海深智能采水***包括：
采水***，用于上浮到达用户设定的深度处自动触发进行相应深度处的采水作业；
水面定位通信***，用于采水***上浮至水面后将自身坐标通过卫星、灯光、无线电进行报告，并用于进行搜寻和回收。
8.如权利要求7所述的自主采水作业的全海深智能采水***，其特征在于，所述自主采水作业的全海深智能采水***进一步包括：
基础平台，用于搭载相关设备，包括框架、起吊布放***、设备安装平台和附件；起吊布放***、设备安装平台和附件均安装在框架上；
浮力单元，用于耐受11000米海水压力，还用于为***提供上浮需要的浮力，包括基于玻璃浮球或者浮力材料；
抛载***，用于抛掉压载，进行***上浮，与基础平台有机连接，用于通信指令不受其他设备遮挡影响同时通过多重保险使抛载可靠执行，抛载***包括全海深声学释放器执行器、电磁抛载执行器、电机抛载执行器或熔断抛载执行器、释放机构、抛载；
上述各执行器与释放机构连接，抛载挂在释放机构的挂钩内；当执行器完成执行动作时释放机构的挂钩将松脱，抛掉抛载。
9.如权利要求7所述的自主采水作业的全海深智能采水***，其特征在于，
采水***，包括10～12个采水瓶和采水瓶执行机构、充油耐压分线盒、CTD传感器和智能电控***；
智能电控***，负责提供能源和程序控制，电控***本身不耐压，所有板卡布置在能承受11000米水压的钛合金耐压罐体内，耐压罐体上预留有三个水密接插件用于连接电缆；
CTD传感器与智能电控***通过耐压水密电缆连接，采水瓶的执行机构为通电即执行采水瓶关闭的动作，所有采水瓶执行机构的电缆先汇总至一个充油耐压分线盒，在充油耐压分线盒内部并成一根粗电缆后再与智能电控***连接；
智能电控***控制CTD传感器的通电与断电；CTD传感器通电后自动采集海水的温度、压力和电导率数据并经过内部算法处理后换算成盐度等数据，最终通过RS232串口协议将数据通过水密电缆输送给智能电控***；智能电控***收到CTD传感器的数据后进行实时处理，剔除异常值并将压力换算成深度值；当发现着陆器上浮的深度值达到某个采水瓶的设定采水深度时，智能电控***向该采水执行机构通电，触发对应采水瓶的关闭；
智能电控***不停循环检测深度、判断、执行采水，直至所有采水瓶关闭；
水面定位通信***，包括铱星GPS信标、北斗定位通信信标、频闪灯、旗标、甚高频无线电信标并均采用自容设计，星GPS信标、北斗定位通信信标、频闪灯、旗标、甚高频无线电信标各个设备内部包含电池和控制***，为了提高卫星通信成功率和易于搜索，水面定位通信***安装在基础平台的顶部，用于采水***浮出水面后这些水面定位通信***冒出水面足够的高度。
10.一种科考船，其特征在于，所述科考船至少搭载权利要求9所述的自主采水作业的全海深智能采水***。
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