首页 > 技术支持
  电话:010-60608200
  客服:
水下机器人在海洋水母灾害监测预警研究中的应用

国家海洋局——水下机器人在海洋水母灾害监测预警研究中的应用

原文地址:http://www.soa.gov.cn/xw/dfdwdt/jsdw_157/201211/t20121108_14623.html

       
      来源:中国海洋报  发布时间:2012-07-13 

■ 国家海洋局北海环境监测中心副总工程师   张洪亮

    继赤潮、绿潮之后,水母旺发又成为一种新的海洋生态灾害,有学者曾提议将水母灾害命名为“白潮”。近年来,世界沿海每年都有大量水母蜇人致伤致死、水母阻塞滨海电厂取水口影响电厂安全运行的事件发生。比如,2011年,以色列出现水母旺发对核电站的安全运行构成威胁的险情;我国沿海近年也有水母灾害增多的趋势,大连、威海、青岛等北方海滨城市都有水母伤人致死的记录;青岛、龙口等沿海城市曾发生水母阻塞滨海电厂冷却水过滤网的事件,威胁安全运行。为满足沿海地区防灾减灾的技术需求,国家海洋局在2010年“海洋公益性行业科研专项经费项目”中设立了“典型海域水母灾害监测预警技术业务化应用与示范研究”项目,重点解决水母监测技术方法、典型海域水母灾害监测预警技术等问题,为滨海旅游业的健康发展、滨海电力工业的安全运行提供技术保障,减轻沿海地区水母旺发的危害,保障沿海地区公众健康和经济社会安全。

水母垂直移动是观测关键技术难点

    水母灾害与赤潮、绿潮等其他生态灾害一样,是由于海洋中一种或少数几种海洋生物数量异常增高引起的生态异常现象。近年在我国北方海域频繁致灾的海月水母、沙海蜇、白色霞水母等是黄渤海的常见物种。2003年,黄海水母灾害暴发,大量水母阻塞渔业捕捞网具,甚至导致爆网。浙江嵊泗渔船捕到水母的渔网爆网率达50%~60%,大部分海区整个6月无法进行捕捞生产。2009年7月,华电青岛发电有限公司海水循环泵的过滤网遭到了水母的“袭击”,高峰时期每天海水泵过滤网前打捞水母10吨以上。海水浴场水母伤人也是由于浴场附近海域有害水母异常增高所致。因此,准确观测水母数量,预测水母数量增长速度和移动聚集程度是水母灾害预警的关键。

    目前,国内外尚缺乏准确的水母定量监测方法。国外水母灾害研究学者使用目测法观测水母数量,中国科学院海洋研究所在“973”项目水母生长机理研究课题中也使用目测法进行水母数量观测。所谓目测法观测水母数量,就是由观测者计数在船舶航行中出现在目测范围内的水母个数,评估观测海域水母数量的监测方法。目测法仅限于对表层水体的水母数量计数,由于水母的垂直移动特性,使目测法的观测数据代表性大打折扣。但是,有害水母一般体形都较大,身体透明,含水量高易破碎,除目测法外还未发现其他更有效的水母数量监测方法。由于水母无规律的垂直移动和集群分布现象,我们难以准确监测海水中水母的实际数量,也无法给出调查获得的水母数量具有多高的代表性,使准确监测水母数量的研究工作陷于僵局。

    寻找新监测技术手段,观测水母在水下的垂直移动规律,成为研究水母分布数量调查方法不可或缺的途径,灵活、方便的水下机器人因此进入水母监测预警方法研究者的视野。

水下机器人在水母运动追踪研究中的应用

    人类对水母的研究非常有限,对水母的数量增长特点、活动规律了解甚少。水母的运行能力差,属随波逐流的浮游动物,我们很难用遥感、网具调查等手段进行水母的运动状况观测研究。水下机器人特有的视觉感知系统和在人为遥控指挥下的水下移动能力,为完成对水母的近距离追踪观测提供了可行的观测手段。

    目前,国际上对自然海域的水母分布缺乏定量监测方法,一般采用目测水母数量的半定量方法观测水母的分布,使用水下机器人进行水母观测也仅限于在水下拍摄水母照片资料的阶段。我们使用的ROV水下机器人装备有水下高清录像机、可在弱光源下工作的黑白录像机和高清照相机,装有水平和垂直4个三维布置的推进器。在表层水体观测水母较易操作,由1名技术人员操作手持遥控器控制水下机器人的移动方向,跟踪海面水母的移动;由另1 名技术人员操作录像机录制水母的运行情况,并抓拍清晰度较高的水母运行姿态照片。为研究分析水母录像资料,测算水母移动速率,我们在水母追踪观测现场设置了辅助标尺等器具。底层观测较复杂,因此开启了水下照明设备,利用黑白录像机在较大范围内找寻水母,遥控操作水下机器人实施追踪,记录照相资料和高清录像资料进行水母识别分析,确定水母的分布和数量。初步的现场观测结果显示,水下机器人正成为水母分布数量监测方法研究的重要技术手段。

    该项目将水下机器人引入水母移动观测研究领域,还有很多技术问题有待解决。但是,北海监测中心在水下机器人追踪观测水母的试航工作中,成功地追踪观测了海月水母在表层海水中活动姿态,初步测算了其移动速度,观测到海月水母下沉后,在底层海水中的运动情况,是我国海洋生物科学研究领域首次现场观测到海月水母的垂直移动。由此,利用水下机器人观测水母在水下的分布状况、移动速度、垂直移动规律、生活状态及栖息环境等是可行的,水下机器人必将在水母灾害监测预警技术研究中发挥出更大作用。


水下机器人

相关链接>

水下机器人在海洋调查方面的技术优势

    水下机器人,是指通过水面遥控(或有人工智能)可在水下进行综合作业的一类机电装置的通称。水下机器人并未被设计成人形,而是根据用途和作业环境特点被赋予了多种形态,但其经典形态是一个“大头(潜水器)”后面拖着条长长的“尾巴(脐带缆)”。水下机器人是“蛟龙”号一类载人潜水器的兄弟,是由载人潜水器发展而来的无人遥控潜水器。它比载人潜水器要小得多,也更灵活。按照水下机器人与母船间有无电缆连接将其分为有缆遥控水下机器人(ROV)和自治水下机器人(AUV)。ROV通过电缆由母船向其提供动力,使用者在母船上通过电缆对ROV进行遥控。而AUV自带能源,依靠自身的自治能力来管理和控制自己以完成预告设定的水下作业任务。1963年,美国使用水下机器人与载人潜水器配合,在西班牙外海找回了一颗失落在海底的氢弹,由此引起了极大的轰动,ROV技术开始引起人们的重视。

    典型的水下机器人由水面遥控设备、脐带缆和潜水器组成。潜水器在水下靠推进器运动,其上装有摄像机、照相机、照明灯等观测设备和机械手等作业设备。水面遥控设备和潜水器靠脐带缆连接,工作母船通过脐带缆为潜水器提供电源、控制信号。潜水器安装的多种传感器可随时获得机器人的状态信息,以便系统通过负反馈实现ROV的自动定深、自动定向和自动姿态控制的功能,其观测信息通过脐带缆传回位于母船上的控制系统,并可显示设备上的动态信息。使用者可直接在水面控制和操作ROV,使得许多复杂的控制问题变得简单。

    水下机器人可在高度危险环境、被污染环境以及零可见度的水域代替人工在水下长时间作业,水下机器人上一般配备声呐系统、摄像机、照明灯和机械臂等装置,能提供实时视频、声呐图像,机械臂能抓起重物,目前水下机器人在石油开发、海事执法取证、科学研究和军事等领域得到广泛应用。世界上海洋中最深的马里亚纳海沟的水深就是由水下机器人测定的。1951年,英国“查林杰8号”探测出马里亚纳海沟的深度为10836米;1957年,苏联的“Vityaz”号船利用声波反射装置测量其深度为11034米;1960年,美国的载人潜水器“的里亚斯特”号成功地到达查林杰海渊的海底,利用铅锤测量得到的深度为10912米;1995年3月,日本的“海沟”号水下机器人测得其深度为10911.4米。1985年9月,美国伍兹霍尔海洋研究所的研究人员利用“阿尔文”号潜水器携带的一台长约0.71米、名叫“小杰森”的水下机器人,在大西洋底找到了“泰坦尼克”号船上的一只巨大的锅炉,向世界揭开“泰坦尼克”号沉没之迷。1997年6月,我国自行研制的“CR-01”自治水下机器人在太平洋完成了大洋底部多金属结核矿调查,进行了照相、侧扫、浅剖、温盐测量,对机器人进行了遥控,获得大量调查资料。

    水下机器人在水母垂直移动、生活习性观测研究中有着广阔的应用前景,因此,在“典型海域水母灾害监测预警技术业务化应用与示范研究”项目设计之初,该课题就将水下机器人观测水母的技术研究作为项目的重要研究内容之一。