国内外海上多功能浮标发展探讨

一、引言

浮标是水上助航标志尾数最多的标志设施，最初设置用于指引船舶安全航行，由于其特殊结构和抛设位置，20世纪20年代人们开始利用浮标作为载体研发海洋环境监测浮标平台，海洋、气象和渔业部门称海洋资料浮标，因其具备的功能多，又称之为多功能浮标。

资料浮标英文表达为Data Buoy，或被直译为数据浮标。在某些工程配套项目中，多功能标也被称作智能浮标（Smart Buoy ），如欧洲e-航海EfficienSea2项目。

海洋资料浮标具有长期、实时自动监测等优点，为船舶航行安全、海洋预报、防灾减灾、海洋经济、海上军事活动提供信息服务。目前，海洋资料按照应用形式可分为通用性和专用型。通用性浮标搭载传感器种类多、监测参数多，可同时对水文、气象、生态等参数进行综合性监测；专用型指对某一或几种参数进行监测。此外，按照锚定方式可分为锚系浮标和漂流浮标；按结构形式可分为圆盘型、圆柱型、船型、球星、环形等。本文所指的多

功能浮标即为通用锚系型浮标，有些同时具备基本助航标志功能，可以称作基于助航服务的多功能浮标。

二、国外海洋资料浮标发展现状

国外海洋资料浮标起步于20世纪20年代，其中美国、加拿大、挪威等海洋科技强国已形成功能多样化系列成熟产品，制定了相应海洋环境监测规范和标准。海洋资料浮标应用的典型代表是美国的国家资料浮标中心（NDBC ），以及世界气象组织（WMO ）和政府间海洋学委员会（IOC ）联合组建的资料浮标合作组（DBCP ）。

（一）美国国家资料浮标中心NDBC（National Data Buoy Center）

NDBC隶属美国国家海洋和大气管理局（NOAA），目前负责运维106个锚系资料浮标、45座海岸-海洋自动化网络（C-MAN）站，55个热带大气海洋观测TAO （Tropical Atmosphere Ocean）、40个深海预报和海啸评估探测站DART （Deep-ocean Reporting and Assessment of Tsunamis ），分发来自1 100多个合作站

国内外海上多功能浮标发展探讨

iscussion on the development of domestic and overseas marine multifunction buoy

ZHANG Shu-jing，LV Cong-li，MA Min (Tianjin Science and Technology Centre of

AtoN and Hydrography, Tianjin 300211, China ）

张淑静，吕聪俐，马 敏（天津航测科技中心，天津 300211

）

收稿日期：2019-05-26第一作者简介：张淑静（1965-），秦皇岛人，本科，高级工程师，从事网站管理工作。

DOI:10.16831/ki.issn1673-2278.2019.09.017

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点的环境数据，例如国家综合海洋观测系统（IOOS）（大约456个观测站）、海洋局（NOS）（约282个监测站）和矿产管理局（MMS）站（大约70个站），以及NDBC运维的锚系浮标和C-MAN站，总数达1 377个站点，每小时通过浮标和C-MAN站点获取观测值。NDBC测量包括大气压力、风向、速度和阵风、空温和水温、波能谱（非定向和定向波浪）、水柱高度（海啸探测）、相对湿度、海流速度、降雨量、盐都、太阳辐射度、能见度、水位和水质。NDBC提供观测数据可在其网站查阅，其服务覆盖美国大部分的海岸线，包括：阿拉斯加、夏威夷和五大湖以及印度洋、南北极和赤道附近，可以说遍布全球（见图1）。

图1 NDBC网站发布的监测站点分布图

NDBC的锚系浮标有6个规格，3m、10m、12m铁饼型浮筒，6m船型浮筒海军海洋气象自动观测发报浮标（NOMAD），新型沿岸浮标和沿岸海洋视线（COLOS）浮标，并根据位置、水深生产浮筒规格（见图2）。例如小型浮标设在浅水沿岸采用全链系系泊，另一方面，部署在深海中的大型铁饼浮标采用可多年使用的尼龙和聚丙烯混合锚链，一些深海锚链无故障运行已超过10年。

12m铁饼浮标比10m浮标结构更强壮，而10m浮标较为灵活，它们设置由美国海岸警备队快艇负责。铝质3m铁饼浮标价格经济，但没有大尺寸铁饼浮标生命周期长，其可移植性比大型浮标改善许多，因采用铝质材料不易被腐蚀，且指南针测量不受影响。6m海军海洋气象自动观测发报浮标，其铝质船型浮标结构在恶劣海洋环境下提供了相对高的成本效益和优秀的长期生存能力，这些浮标具有高度的定向性和快速的旋转响应，目前还没有倾覆的记录。

NDBC采用商用传感器测量，其运营工程联合体公司提供了装配浮标和C-MAN站的环境和服务，浮标上的设备集成和测试在高海湾进行，传感器在风洞或环境舱进行校准。离岸服务主要依赖于USCG的支持，各监测站点维护损坏或老化设备。

12m铁饼浮标 10m铁饼浮标

3m奥林匹克浮标 12mFAA浮标

6mNOMAD浮标 3m铁饼浮标

沿岸浮标 （COLOS）浮标

图2 NDBC的锚系浮标

（二）资料浮标合作组（DBCP）

早期DBCP称为漂流浮标合作组，英文全称Drifting Buoy Co-operation Panel，由世界气象组织（WMO）与联合国教科文组织（UNESCO）政府间海洋学委员会（IOC）于1985年联合成立，旨在加强漂流浮标操作人员和使用者之间的合作，协调和信息交流。其目的是提高气象组织全球电信系统的浮标数据的数量和质量，以支持这两个组织的主要需求。1992年扩大其职权范围，将其名称改为资料浮标合作组（Data Buoy Co-operation Pane），协调各种海洋资料浮标部署方面的工作。

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IOC和WMO的成员国都被邀请参加DBCP，成员资格也向所有其他有兴趣的团体开放。

第一次DBCP会议于1974年举行，作为WMO成员国，中国积极参与DBCP领域合作，履行了国际责任和义务，积极搭建浮标厂商、科研机构和终端用户之间的桥梁，推动区域浮标观测系统建设。第31届国际资料浮标合作组瑞士日内瓦会议上，中国国家海洋信息中心科学家于婷成功当选合作组副主席暨亚洲区主席。

DBCP的目标是：a审查和分析浮标数据的需求；b协调和促进部署计划；c支持信息交流和技术开发；d提高全球电信系统（GTS）上发布浮标数据的数量和质量；e 接纳新成员并支持行动小组；f联络相关的国际/国家机构和行动计划。

DBCP的主要维护和协调超过1 250个漂浮浮标和400个锚系浮标的网络部署，提供诸如海面温度、表面流速、气温、风速和风向测量数据。该数据对于天气和海洋预报和研究非常有用，另外还可用于补充或验证遥感数据和操作模型。DBCP还探索和评估新技术，并以此成功改进运营。

图3 DBCP浮标全球分布图

DBCP资料浮标通过卫星通信系统(如Argos、铱星、ORBCOMM、GOES（地球同步运行环境卫星）或METEOSAT（气象卫星）中的一种)进行实时通信,并在WMO的GTS系统上共享。DBCP参与国家多年来一直在共同努力建立必要的资源，以维持1 250个浮标的运作（见图3）。考察船、商业货船、油轮和其他国际航线船只的志愿服务已成为布放系统的一个重要组成部分。DBCP热带锚系浮标阵列中的大多数是自动测温系统（ATLAS）浮标，由NOAA西雅图太平洋海洋环境实验室（PMEL）于20世纪80年代开发，它的部署深度可达6 000m，测量水面至水下500m的温度，后经法国、日本、韩国、印度尼西亚、西非、印度和美国的科学家开展国际合作扩展了这一阵列及其计划。

（三）欧盟e航海项目智能浮标在波兰的发展

欧洲e航海项目EfficienSea2正在进行新型智能浮标方案测试，当船舶达到某些港口时，智能浮标将增进船舶导航服务，接收支持船舶操作的相关数据，向港口当局和船舶提供气象、浪高和水位信息，在一个全自动化系统中分享给附近的用户。波兰格丁尼亚海事处2017年8月进行了新型智能浮标方案测试。

智能浮标的发展基于航海者、VTS人员和航标管理者的用户需求，由AIS/GPS模块、水文气象传感器、链接蜂窝网络的GSM/无线电硬件构成（见图4），系统还包括一个雷达目标增强，应用于远离岸基AIS和VTS覆盖范围区域，并通过改变光强度或特定时间开关雷达目标增强单元优化耗电量。

图4 智能浮标搭载的单元

智能浮标设计可接入海事云，这是EfficienSea2项目的创新核心，海事云是一种通信框架，它允许海员根据其特定的位置和需求查找和连接到经过身份验证的服务。浮标将不断收集和发送所在位置，这样，以前从未停靠过某港的船只，例如在格丁尼亚港，可以通过海事云找到所需的智能浮标提供的所有服务信息。

（四）国外多种专用型浮标发展

针对特定的应用需求，国外研制了多种专用浮标系统，代表成果有：

海洋剖面观测浮标：通过在系泊锚链不同位置挂一个或多个水下传感器组成剖面水体观测系统，监测海水参数的垂直变化剖面。如美国伍兹霍尔研究所（WHOI）自动升降功能剖面观测系统MMP（McLane moored profiler）和加拿大贝德福德海洋研究所（BIO）SeaHorse 系泊剖面仪，挪威、意大利、韩国也纷纷开发了自己的剖面观测浮标系统。

海上风剖面浮标：用于观测海上低空（小于1km）的风场剖面，典型产品的加拿大AXYS（AXYS Technologies Inc）生产的FLiDAR WindSentinel浮标，

挪威Fugro

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