подводная обсерватория как средство экологического

ПОДВОДНАЯ ОБСЕРВАТОРИЯ КАК СРЕДСТВО
ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ВОДНОЙ ТОЛЩИ И
МОРСКОГО ДНА
Римский-Корсаков Н.А., Свиридов С.А., Соловьев В.А.,
Зарецкий А.В., Метальников А.А.
Институт океанологии им.П.П.Ширшова РАН, 117997, Москва,
Нахимовский проспект д.36, тел.: (095) 124-5979,
e-mail: [email protected]
An cabled ocean observatory for long-time on-line ecological monitoring of
body of water and sea bottom.
В связи с интенсивным освоением нефтегазовых месторождений
на шельфе и повышением антропогенного воздействия на Мировой
океан, в настоящее время остро стоит задача поиска новых методов
экологического мониторинга морской экосистемы. С помощью
традиционных методов экспериментальной океанологии, как правило,
можно изучать экологическую обстановку лишь в течение короткого
интервала времени и лишь в ограниченных по площади районах.
Новые задачи, стоящие перед учеными, требуют создания
современных адекватных методов исследований. Это обусловлено
несколькими причинами, главной из которых является настоятельная
потребность изучения различных динамических процессов в морях и
океанах для оценки состояния морской экосистемы, для чего
необходимо проводить длительные, желательно многолетние
непрерывные комплексные измерения. Одним из таких новых
направлений в мониторинге морской экологической обстановки
является
создание
постоянно
действующих
измерительных
комплексов или подводных обсерваторий.
Подводная обсерватория представляет собой инфраструктуру,
обеспечивающую в реальном времени управление процессом
измерения, сбора, хранения и передачи информации на береговые
информационные центры. Задачи подводных обсерваторий –
получение длительных рядов (многолетних) измерений большого
числа различных параметров (гидрологических, гидрофизических,
геофизических, геохимических, биологических и пр.) в ключевых
районах Мирового океана
Наиболее перспективным подходом для комплексного
экологического мониторинга и изучения процессов, является,
применение донных кабельных систем непрерывного наблюдения за
различными параметрами природной среды – подводных обсерваторий
соединенных кабелями с центрами сбора и обработки информации.
Работа этих систем должна сочетаться со спутниковыми
наблюдениями за поверхностью океана и периодическими
исследованиями с судов в акваториях Мирового океана. В рамках
данного проекта создается программно-аппаратный комплекс
мониторинга морской экосистемы, который может использоваться как
для оперативного реагирования на изменение ключевых характеристик
окружающей среды, по которым возможно судить о состоянии
экосистем водной толщи и морского дна в условиях антропогенного
воздействия, так и для анализа и прогнозирования изменения
экологической обстановки на длительный период времени.
Программно-аппаратный комплекс состоит из подводной
обсерватории, обеспечивающей измерение ключевых характеристик
морской экосистемы в течение длительного промежутка времени, и
программно-аппаратных средств по приему, обработки, хранения и
анализа полученных от обсерватории данных.
Подводная обсерватория включает в себя следующие модули:
гидрофизический модуль; гидрохимический модуль; гидрооптический
модуль; системный модуль; автономный или кабельный блок питания.
Структурная схема подводной лаборатории приведена на рис. 1.
Рис.1. Структура подводной обсерватории
Основными измеряемыми параметрами гидрофизического
модуля являются: температура воды, электропроводность воды,
гидростатическое давление, скорость и направление течения.
Основные измеряемые параметры гидрохимического модуля
следующие: растворенный кислород, pH. Основные измеряемые
параметры гидрооптического модуля: содержание хлорофилла в воде,
мутность воды.
Гидрофизический модуль отличается от своего прототипа
пониженным энергопотреблением за счет установки новых датчиков
электропроводности и температуры, что привело к уменьшению
нагрева элементов и, вследствие этого, к снижению погрешности
измерения гидрофизических параметров.
Ведется разработка оптического модуля. Текущая его версия
позволяет измерять с помощью флюорометра содержание хлорофилла
“а” и мутность воды с помощью датчика мутности.
Выходы всех датчиков аналоговые, напряжением в диапазоне от
0 до 5 В. Основные метрологические характеристики датчиков
следующие:
• Датчик электропроводности:
− диапазон измерения
0÷70 мСм/см;
− погрешность
± 0,01 мСм/см;
• Датчик температуры:
− диапазон измерения
-2..32 °С;
− погрешность
± 0,01 °С;
• Датчик давления:
− диапазон измерения
0 - 500 °С;
− погрешность
± 0,25 °С;
• Флюорометр:
− диапазон измерения
0 - 6000 м;
− погрешность
± 0,02 µg/l;
• Мутномер (Turbidity Meter):
− диапазон измерения
0 - 6000 м;
− погрешность
± 0,01 NTU.
Блок питания служит для обеспечения электропитания
подводной обсерватории, как от автономного, так и от внешнего
источника энергии.
Системный модуль отвечает за управление электропитанием,
сбор данных от измерительных модулей и передачу информации в
береговой центр сбора. Структурная схема модуля изображена на рис.
2.
Рис.2. Структурная схема системного модуля
Системный модуль состоит из блока коммутации, блока
управления (передачи), блока контроля электропитания и блока
драйверов интерфейса.
Поскольку
выпускаемые
промышленностью
различные
измерительные датчики имеют разные не стандартизированные
форматы передачи данных, то с целью приведения их к одному виду
было разработано устройство согласования форматов и протоколов.
Большинство выпускаемых датчиков имеют аналоговый или цифровой
интерфейс RS-232. Разработан блок коммутации, позволяющий
подключать, до 10 каналов измерительных по интерфейсу RS-232, или
до 32 аналоговых низкочастотных каналов. Аналоговые каналы
оцифровываются с помощью 24-битных АЦП. Каждый цифровой
канал обрабатывается собственным микроконтроллером Atmel Mega
8515. Для каждого канала задается собственный алгоритм обработки
данных. Все микроконтроллеры связываются по шине I2C с
центральным микроконтроллером Atmel Mega 128 (ЦМ). ЦМ по
интерфейсу Ethernet или RS-485 связывается с береговым центром
сбора данных. В качестве протокола общения системного модуля с
береговым центром применен промышленный протокол передачи
данных Modbus. Применение промышленного хорошо проверенного
протокола передачи данных позволяет повысить надежность канала
передачи и упростить подключение станции к разнообразным
устройствам сбора данных.
ЦМ соединен по шине SPI с картой flash памяти типа MMC или
SD. Это позволяет сохранять данные при потере связи с береговым
центром или при работе обсерватории в автономном режиме.
Снижено электропотребление модуля за счет использования
новой элементной базы и модификации программного обеспечения
микроконтроллеров, управляющих работой данного модуля.
Получаемые данные передаются по оптоволоконной линии
связи на береговой комплекс сбора информации в Южном отделении
Института океанологии РАН (г. Геленджик). Далее через
зарезервированный канал связи по сети Интернет данные поступают в
головной центр сбора информации, расположенный в Институте
океанологии РАН (г. Москва) по каналу GPRS(EDGE). Имеется
возможность подключать измерительное оборудование с передачей
данных по GPRS(EDGE) и по WiFi.
При разработке автоматизированной системы мониторинга
особое внимание уделялось возможности работы измерительных
каналов в течение длительного, многолетнего периода времени с
минимальным сервисным обслуживанием. Рассматривались меры
противодействия процессу зарастания датчиков, которые наиболее
актуальны при развертывании подводной обсерватории в прибрежной
зоне. Работа выполнена при финансовой поддержке Российского
фонда фундаментальных исследований грант № 06-07-08059-офи.