我國擁有綿長的海岸線，管轄海域面積約300萬平方千米。海洋儀器設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)與相關(guān)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化是利用海洋資源、推動海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵。在國家政策的引導(dǎo)下，國產(chǎn)海洋儀器設(shè)備的發(fā)展步入快車道，但產(chǎn)品精度、可靠性以及環(huán)境適應(yīng)性距離世界先進(jìn)水平尚有較大差距，導(dǎo)致國外海洋儀器設(shè)備以高昂的價格占領(lǐng)國內(nèi)市場，嚴(yán)重影響我國海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展與海洋環(huán)境信息安全。

海洋儀器設(shè)備經(jīng)常工作在復(fù)雜、惡劣的海洋環(huán)境中，基于海上試驗場的實海況測試作為校驗海洋儀器設(shè)備性能的重要手段，是改善相應(yīng)設(shè)計，提升設(shè)備穩(wěn)定性、可靠性以及環(huán)境適應(yīng)性的關(guān)鍵。

目前英國、美國和愛爾蘭等國家已經(jīng)具備了從海洋儀器設(shè)備關(guān)鍵部件與子系統(tǒng)實驗室測試到整體系統(tǒng)基于試驗平臺進(jìn)行實海況測試的能力，并開展了大量的儀器裝備試驗，這些測試平臺極大的支撐了海洋產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。而國內(nèi)海上試驗場目前主要面向海洋儀器設(shè)備的設(shè)計與研發(fā)，缺乏權(quán)威、公平、便利化、低成本的海上試驗測試平臺。針對這一薄弱環(huán)節(jié)，國家重點研發(fā)計劃支持了“基于固定平臺的規(guī)范化海上試驗研究與示范”項目，在國家海洋綜合試驗場（威海）建造并投入使用錨泊式海上試驗平臺，并制定《海洋儀器設(shè)備海上試驗管理規(guī)范》等文件，為推進(jìn)我國海洋儀器設(shè)備的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程提供有利條件。

錨泊式海上試驗平臺于2019年9月布放于山東省威海市褚島附近的國家海洋綜合試驗場，如圖1所示。本文首先介紹平臺錨泊海域的海洋資源及試驗平臺的結(jié)構(gòu)。

圖1 錨泊式海上試驗平臺

⒈平臺所在海域的海洋環(huán)境條件

褚島北部試驗場海域的波浪能、潮流能資源豐富。豐富的水深地形和規(guī)律的水文資源可以為海洋儀器裝備的試驗和測試提供良好的海洋環(huán)境條件。

⑴水深以及地質(zhì)條件：錨泊式海上試驗平臺所在海域存在一條長2500m、寬500m的海溝，海溝部分地區(qū)的深度超過60m，最深處的海水深度約為70m，海溝到褚島北部海岸線距離為700～1200m，是我國淺海大陸架中難得的近岸深水區(qū)域。海底地質(zhì)存在以淤泥和黏土為主的、約0～5m厚的沉積物。海域最大潮差3.08m，平均潮差1.73m。

⑵潮流：受特殊地理位置因素的影響，試驗海域主要呈現(xiàn)不正規(guī)半日潮流，流向為東西向往復(fù)流?？拷覎u一側(cè)海域受地形影響，潮流流向主要為東西方向；遠(yuǎn)離褚島一側(cè)海域的潮流流向仍然以東西流向為主，但SE-NW和NE-SW向也略明顯。靠近褚島一側(cè)海域的潮流受陸地擠壓的影響，流速明顯高于遠(yuǎn)離褚島一側(cè)的海域，且底部流速較強(qiáng)，垂向一致性較好；觀測期間，靠近褚島一側(cè)的海域最大潮流流速可達(dá)1.28m/s，流速高于0.5m/s出現(xiàn)的概率在30%左右。

⑶波浪：平臺所在海域的波浪方向以偏北向和東向浪為主，其中北向、東北以及西北向浪共占了約58.5%，東向浪占了約37%。年平均有效波高為0.6～0.7m，且季節(jié)性差異較為明顯。在冬季受季風(fēng)影響顯著，風(fēng)浪較大且以北向為主，11月至次年2月的平均有效波高可達(dá)1m。

⑷氣象：據(jù)威海氣象臺統(tǒng)計，平臺所處海域年平均氣溫12.1°C，最熱月為8月，月平均氣溫24.6°C。最冷月為1月，月平均氣溫-1.5°C，且該海域無冰期；年平均降雨量為793.4mm，主要集中在7—8月，占年降水總量的49%；常見風(fēng)向為西北和西北偏北向，強(qiáng)風(fēng)向為西北偏北和西南向，年平均風(fēng)速為4.1m/s，最大風(fēng)速為22m/s。

⒉錨泊式海上試驗平臺的結(jié)構(gòu)

錨泊式海上試驗平臺布放位置水深69m，距離最近碼頭約3.7km。平臺參數(shù)如表1所示，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計平面圖

⑴試驗空間：平臺設(shè)面積不小于20m²的一個休息室和三個試驗室，同時，留有約200m²的甲板操作空間。

⑵試驗月池：在船體中部設(shè)計有10m長，3.4m寬的月池，用于大型海洋儀器裝備投放。

⑶起吊裝置：平臺配有1臺安全工作負(fù)荷5t、臂展10m的旋轉(zhuǎn)吊機(jī)，主要用于大型海洋儀器設(shè)備的吊裝與調(diào)試工作；2臺載重0.5t、臂展3m的輔助旋轉(zhuǎn)吊機(jī)，用以小型設(shè)備的吊裝、調(diào)試以及儀器設(shè)備的剖面測量試驗。

⑷卷揚(yáng)升降系統(tǒng)：采用鋼索絞車通過滑輪組的結(jié)構(gòu)形式實現(xiàn)搭載平臺的升降操作。搭載平臺最大可浸沒水深5.8m，最大起升高度位于甲板以上2.5m，靜載重13t。方便試驗設(shè)備的安裝、維護(hù)與回收。

⑸電力系統(tǒng)：平臺配備柴油發(fā)電機(jī)2臺，包括50kW主發(fā)電機(jī)組和12kW停泊發(fā)電機(jī)組。實驗室設(shè)置3相380V、單相220V及直流24V電源，滿足試驗裝置供電需求。

⑹保障設(shè)施：平臺處于移動網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)，為用戶提供網(wǎng)絡(luò)支持及數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸；平臺安裝紅外視頻監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)平臺及試驗場海域目標(biāo)的不間斷巡視和取證，保障試驗設(shè)施安全。

表1  平臺主要參數(shù)

⒊搭載錨泊式海上試驗平臺進(jìn)行海洋儀器設(shè)備測試的優(yōu)勢

①錨泊式海上試驗平臺為鋼制漂浮式綜合試驗平臺，采用雙浮體船型，具有較好的抗風(fēng)浪性能。在平臺功能方面，充分考慮了各種類型的海洋儀器設(shè)備海上試驗的需求。

②威海淺海試驗場海域具備適宜的海洋環(huán)境，結(jié)合該試驗平臺，可以同時開展多類型海洋儀器設(shè)備和海洋能發(fā)電裝置模型的海上試驗與觀測。

③該平臺可以在特定的試驗海域為海洋儀器設(shè)備提供連續(xù)、長時間序列的海上測試，可以較好地滿足相應(yīng)海洋儀器設(shè)備的試驗需求。在許可海況下，可以對試驗設(shè)備進(jìn)行隨時組裝、拆卸以及調(diào)試維護(hù)，使海上試驗更加方便的同時，較好的降低試驗成本。

④自布放使用至今，依托平臺已開展15項海洋儀器設(shè)備的海上試驗，測試儀器主要包括國家重點研發(fā)計劃支持研發(fā)的溫鹽深測量儀、聲學(xué)多普勒流速剖面儀（ADCP）、波潮儀、生態(tài)浮標(biāo)、剖面漂流浮標(biāo)以及水平軸潮流發(fā)電裝置等。

本文結(jié)合已測試海洋儀器設(shè)備的試驗方案，依托海上試驗平臺提出具有代表性儀器的試驗方法。

⒈水平軸潮流能發(fā)電裝置

潮流能發(fā)電裝置海上試驗依托于海上試驗平臺，如圖3所示，對潮流能發(fā)電裝置在實海況下的工作性能進(jìn)行測試與驗證。

圖3 基于海上試驗平臺的水平軸潮流能發(fā)電裝置測試設(shè)置示意圖

在圖3中可以看出，測試平臺安裝有吊機(jī)以及潮流水輪機(jī)升降系統(tǒng)。潮流發(fā)電裝置拖運至平臺附近后，由吊機(jī)將測試設(shè)備吊裝至水輪機(jī)位置A，進(jìn)一步完成測試設(shè)備在平臺上的安裝固定。然后控制升降系統(tǒng)將測試設(shè)備浸沒至水輪機(jī)位置B，開始海上試驗測試。升降系統(tǒng)最大行程（水輪機(jī)位置A到水輪機(jī)位置B）為11m。其中，水輪機(jī)位置B距離海水表面5.8m。

考慮到潮流能發(fā)電裝置測試位置（水輪機(jī)位置B）與海水表面距離較小，比例樣機(jī)試驗過程中，波浪等其他因素對潮流發(fā)電裝置性能測試有所影響。因此，試驗平臺周圍布設(shè)波浪騎士浮標(biāo)、水下座底式觀測平臺、綜合多參數(shù)浮標(biāo)等儀器設(shè)備，為試驗測試提供實時資源觀測數(shù)據(jù)。所以，潮流能發(fā)電裝置海上試驗監(jiān)測系統(tǒng)主要由氣象子系統(tǒng)、水文子系統(tǒng)以及潮流發(fā)電裝置輸出監(jiān)測子系統(tǒng)三部分組成。其中，氣象子系統(tǒng)通過風(fēng)速傳感器、溫度與氣壓傳感器、相對濕度傳感器以及降水量傳感器測量試驗區(qū)域的氣象信息。水文子系統(tǒng)的監(jiān)測內(nèi)容主要有兩部分，一部分是通過波浪騎士測量試驗海域的波高以及波向；另一部分則是通過座底式ADCP測量潮流渦輪附近的潮流流速與流向，為下一部分析潮流渦輪性能奠定基礎(chǔ)。

潮流能發(fā)電裝置輸出監(jiān)測子系統(tǒng)則是對潮流發(fā)電裝置輸出的電壓、電流、功率以及渦輪轉(zhuǎn)速等信息進(jìn)行監(jiān)測。以上三部分子系統(tǒng)實時監(jiān)測的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集器輸出至數(shù)據(jù)處理控制子系統(tǒng)，由該子系統(tǒng)處理、存儲以及顯示相應(yīng)監(jiān)測數(shù)據(jù)，自動生成報文、月報表等文件，并將數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)。潮流能發(fā)電裝置海上試驗監(jiān)測系統(tǒng)如圖4所示。依托試驗平臺，潮流發(fā)電裝置海上試驗方法的應(yīng)用，進(jìn)一步促進(jìn)潮流能產(chǎn)業(yè)的研發(fā)與技術(shù)成果轉(zhuǎn)化。

圖4 潮流能發(fā)電裝置海上試驗監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計框圖

⒉溫鹽深測量儀（CTD）

CTD作為一種常用長時間序列監(jiān)測的海洋儀器設(shè)備，依托海上試驗平臺開展對CTD進(jìn)行近海岸、長期有效的測試與監(jiān)測，可提升該類型/相似類型設(shè)備的穩(wěn)定性、可靠性、環(huán)境適應(yīng)性，以及在我國北方典型海域夏季生物生長茂盛期的抗污染能力，促進(jìn)其國產(chǎn)化進(jìn)程與相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。

CTD性能海上試驗方法參考《海洋儀器研制質(zhì)量管理規(guī)范》《海洋儀器設(shè)備海上試驗管理規(guī)范》《海洋儀器海上試驗規(guī)范》（HYT141—2001）《“規(guī)范化海上試驗”質(zhì)量控制通用規(guī)范》等。測試方法為：首先，搭建比測平臺。根據(jù)被測海洋儀器設(shè)備類型，選擇相應(yīng)國際先進(jìn)的產(chǎn)品作為比測目標(biāo)。針對抗污染CTD，本文選取海鳥SEB37CTD；其次，將被測抗污CTD與海鳥SEB37CTD安裝放入同一比測架內(nèi)，以相同的數(shù)據(jù)采樣方式進(jìn)行工作，比測架以及兩種CTD安裝如圖5所示；然后，通過錨鏈一端連接至錨泊式海上試驗平臺，一端連接比測架，實現(xiàn)比測架與測試海洋儀器設(shè)備的投放以及長時間測試；最后進(jìn)行設(shè)備回收，并進(jìn)行第三方檢測認(rèn)證。在本文抗污染CTD測試中，設(shè)備回收后的狀態(tài)如圖6所示，交由第三方檢測機(jī)構(gòu)復(fù)檢結(jié)果顯示：長時間海上測試后參試設(shè)備電導(dǎo)率最大漂移為0.0235mS/cm。

圖5 近海岸CTD海試比測架安裝示意圖

圖6 近海岸CTD海試設(shè)備回收后狀態(tài)圖

⒊有纜海洋儀器設(shè)備

有纜海洋儀器設(shè)備能夠給科研工作者提供實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，在海洋環(huán)境監(jiān)測以及水下機(jī)器人（ROV）等方向有較為廣泛的應(yīng)用。本文基于錨泊式海上試驗平臺，結(jié)合已測試的有纜海洋儀器設(shè)備，探索該類有纜設(shè)備的海上測試方法。

⑴有纜聲學(xué)多普勒流速剖面儀（ADCP）

針對有纜、固定式ADCP，參考《海洋儀器設(shè)備海上試驗管理規(guī)范》《海洋儀器海上試驗規(guī)范》（HYT141—2001）《“規(guī)范化海上試驗”質(zhì)量控制通用規(guī)范》等，探索海試的方法。測試前準(zhǔn)備有：首先，研制比試平臺，同時搭載定位浮球釋放器、被測ADCP以及比測ADCP，并以水密接頭的形式連接鎧裝電纜；其次，通過船舶將比試平臺運輸至試驗海域，并將其安全投放至指定區(qū)域。投放完成后，運輸船舶需將鎧裝電纜輸送至錨泊式試驗平臺，有纜、固定式ADCP海試布局如圖7所示。

針對不同需求，設(shè)置兩種數(shù)據(jù)接收模式，分別為：①試驗平臺內(nèi)短期、連續(xù)測試。該方式將測試設(shè)備通過鎧裝電纜直連位于錨泊式海上試驗平臺的數(shù)據(jù)接受以及顯示儀器，在觀測試驗設(shè)備運行安全性的同時，可實現(xiàn)短期內(nèi)持續(xù)監(jiān)測被測設(shè)備的工作狀態(tài)以及性能；②實時長期、連續(xù)測試。該方式需要在錨泊式海上試驗平臺內(nèi)安裝數(shù)據(jù)傳輸單元（DTU）。因此該種方式的連接模式需要被測設(shè)備首先通過鎧裝電纜連接DTU，然后通過DTU進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，通過遠(yuǎn)端上位機(jī)接受，進(jìn)而進(jìn)行長期有效的連續(xù)測試以及實時監(jiān)測。

圖7 有纜ADCP海上測試布置示意圖

測試完成后，按照標(biāo)準(zhǔn)《聲學(xué)多普勒流速剖面儀》（GB/T24558—2009）和《聲學(xué)多普勒流速剖面儀檢測方法》（HY/T102—2007）對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。

⑵有纜水下機(jī)器人（ROV）

基于錨泊式海上試驗平臺進(jìn)行有纜水下機(jī)器人（ROV）的測試，可對ROV系統(tǒng)性能、工作穩(wěn)定性以及可靠性進(jìn)行實時監(jiān)測，并為后續(xù)深遠(yuǎn)海域測試做好準(zhǔn)備。

ROV海上測試方法主要有以下內(nèi)容：①ROV通過船舶運輸?shù)跹b至錨泊式海上試驗平臺后，首先在不上電的前提下檢測ROV的本體，確保ROV本體沒有發(fā)生損壞以及海試作業(yè)安全；②在海上試驗平臺甲板上對測試ROV上電，觀察儀器各部件可安全穩(wěn)定運行，并且與上位機(jī)通信良好；③通過海上試驗平臺吊機(jī)將被測ROV吊裝至海平面，但不放開吊纜，進(jìn)一步測試ROV在海洋環(huán)境中各部件的運行穩(wěn)定性以及與上位機(jī)的通信狀態(tài)；④放開吊纜，實現(xiàn)被測ROV的自主作業(yè)，觀察ROV的工作狀態(tài)與性能；⑤通過纜繩與吊機(jī)實現(xiàn)被測ROV的回收，進(jìn)一步檢查ROV各部件的狀態(tài)，完成海上測試。依托錨泊式海上試驗平臺的ROV測試如圖8所示。

圖8 有纜水下機(jī)器人（ROV）海上測試圖

在以上測試方法描述中可以看出，依托錨泊式海上試驗平臺，ROV性能測試過程中無需輔助船舶。在保證試驗人員以及測試儀器安全的前提下，可以對被測儀器進(jìn)行實時、連續(xù)的測試。

錨泊式海上試驗平臺的投放與使用，為我國海上儀器設(shè)備的測試提供了權(quán)威、公平、便利化、低成本的海上試驗測試環(huán)境，數(shù)個國家重點研發(fā)計劃項目已在試驗場區(qū)依托海上試驗平臺進(jìn)行設(shè)備試驗和測試。本文結(jié)合現(xiàn)有設(shè)備和已開展的試驗測試，探索并提出不同類型海洋儀器設(shè)備的試驗方法，具有較高的可行性與適用性。錨泊式海上試驗平臺可長期應(yīng)用并服務(wù)于淺海綜合試驗場，有效促進(jìn)我國海洋儀器設(shè)備的研發(fā)與技術(shù)成果轉(zhuǎn)化。

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