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    水下機器人在海洋水母災害監測預警研究中的應用

    國家海洋局——水下機器人在海洋水母災害監測預警研究中的應用

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

           
          來源:中國海洋報  發布時間:2012-07-13 

    ■ 國家海洋局北海環境監測中心副總工程師   張洪亮

        繼赤潮、綠潮之后,水母旺發又成為一種新的海洋生態災害,有學者曾提議將水母災害命名為“白潮”。近年來,世界沿海每年都有大量水母蜇人致傷致死、水母阻塞濱海電廠取水口影響電廠安全運行的事件發生。比如,2011年,以色列出現水母旺發對核電站的安全運行構成威脅的險情;我國沿海近年也有水母災害增多的趨勢,大連、威海、青島等北方海濱城市都有水母傷人致死的記錄;青島、龍口等沿海城市曾發生水母阻塞濱海電廠冷卻水過濾網的事件,威脅安全運行。為滿足沿海地區防災減災的技術需求,國家海洋局在2010年“海洋公益性行業科研專項經費項目”中設立了“典型海域水母災害監測預警技術業務化應用與示范研究”項目,重點解決水母監測技術方法、典型海域水母災害監測預警技術等問題,為濱海旅游業的健康發展、濱海電力工業的安全運行提供技術保障,減輕沿海地區水母旺發的危害,保障沿海地區公眾健康和經濟社會安全。

    水母垂直移動是觀測關鍵技術難點

        水母災害與赤潮、綠潮等其他生態災害一樣,是由于海洋中一種或少數幾種海洋生物數量異常增高引起的生態異?,F象。近年在我國北方海域頻繁致災的海月水母、沙海蜇、白色霞水母等是黃渤海的常見物種。2003年,黃海水母災害暴發,大量水母阻塞漁業捕撈網具,甚至導致爆網。浙江嵊泗漁船捕到水母的漁網爆網率達50%~60%,大部分海區整個6月無法進行捕撈生產。2009年7月,華電青島發電有限公司海水循環泵的過濾網遭到了水母的“襲擊”,高峰時期每天海水泵過濾網前打撈水母10噸以上。海水浴場水母傷人也是由于浴場附近海域有害水母異常增高所致。因此,準確觀測水母數量,預測水母數量增長速度和移動聚集程度是水母災害預警的關鍵。

        目前,國內外尚缺乏準確的水母定量監測方法。國外水母災害研究學者使用目測法觀測水母數量,中國科學院海洋研究所在“973”項目水母生長機理研究課題中也使用目測法進行水母數量觀測。所謂目測法觀測水母數量,就是由觀測者計數在船舶航行中出現在目測范圍內的水母個數,評估觀測海域水母數量的監測方法。目測法僅限于對表層水體的水母數量計數,由于水母的垂直移動特性,使目測法的觀測數據代表性大打折扣。但是,有害水母一般體形都較大,身體透明,含水量高易破碎,除目測法外還未發現其他更有效的水母數量監測方法。由于水母無規律的垂直移動和集群分布現象,我們難以準確監測海水中水母的實際數量,也無法給出調查獲得的水母數量具有多高的代表性,使準確監測水母數量的研究工作陷于僵局。

        尋找新監測技術手段,觀測水母在水下的垂直移動規律,成為研究水母分布數量調查方法不可或缺的途徑,靈活、方便的水下機器人因此進入水母監測預警方法研究者的視野。

    水下機器人在水母運動追蹤研究中的應用

        人類對水母的研究非常有限,對水母的數量增長特點、活動規律了解甚少。水母的運行能力差,屬隨波逐流的浮游動物,我們很難用遙感、網具調查等手段進行水母的運動狀況觀測研究。水下機器人特有的視覺感知系統和在人為遙控指揮下的水下移動能力,為完成對水母的近距離追蹤觀測提供了可行的觀測手段。

        目前,國際上對自然海域的水母分布缺乏定量監測方法,一般采用目測水母數量的半定量方法觀測水母的分布,使用水下機器人進行水母觀測也僅限于在水下拍攝水母照片資料的階段。我們使用的ROV水下機器人裝備有水下高清錄像機、可在弱光源下工作的黑白錄像機和高清照相機,裝有水平和垂直4個三維布置的推進器。在表層水體觀測水母較易操作,由1名技術人員操作手持遙控器控制水下機器人的移動方向,跟蹤海面水母的移動;由另1 名技術人員操作錄像機錄制水母的運行情況,并抓拍清晰度較高的水母運行姿態照片。為研究分析水母錄像資料,測算水母移動速率,我們在水母追蹤觀測現場設置了輔助標尺等器具。底層觀測較復雜,因此開啟了水下照明設備,利用黑白錄像機在較大范圍內找尋水母,遙控操作水下機器人實施追蹤,記錄照相資料和高清錄像資料進行水母識別分析,確定水母的分布和數量。初步的現場觀測結果顯示,水下機器人正成為水母分布數量監測方法研究的重要技術手段。

        該項目將水下機器人引入水母移動觀測研究領域,還有很多技術問題有待解決。但是,北海監測中心在水下機器人追蹤觀測水母的試航工作中,成功地追蹤觀測了海月水母在表層海水中活動姿態,初步測算了其移動速度,觀測到海月水母下沉后,在底層海水中的運動情況,是我國海洋生物科學研究領域首次現場觀測到海月水母的垂直移動。由此,利用水下機器人觀測水母在水下的分布狀況、移動速度、垂直移動規律、生活狀態及棲息環境等是可行的,水下機器人必將在水母災害監測預警技術研究中發揮出更大作用。


    水下機器人

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    水下機器人在海洋調查方面的技術優勢

        水下機器人,是指通過水面遙控(或有人工智能)可在水下進行綜合作業的一類機電裝置的通稱。水下機器人并未被設計成人形,而是根據用途和作業環境特點被賦予了多種形態,但其經典形態是一個“大頭(潛水器)”后面拖著條長長的“尾巴(臍帶纜)”。水下機器人是“蛟龍”號一類載人潛水器的兄弟,是由載人潛水器發展而來的無人遙控潛水器。它比載人潛水器要小得多,也更靈活。按照水下機器人與母船間有無電纜連接將其分為有纜遙控水下機器人(ROV)和自治水下機器人(AUV)。ROV通過電纜由母船向其提供動力,使用者在母船上通過電纜對ROV進行遙控。而AUV自帶能源,依靠自身的自治能力來管理和控制自己以完成預告設定的水下作業任務。1963年,美國使用水下機器人與載人潛水器配合,在西班牙外海找回了一顆失落在海底的氫彈,由此引起了極大的轟動,ROV技術開始引起人們的重視。

        典型的水下機器人由水面遙控設備、臍帶纜和潛水器組成。潛水器在水下靠推進器運動,其上裝有攝像機、照相機、照明燈等觀測設備和機械手等作業設備。水面遙控設備和潛水器靠臍帶纜連接,工作母船通過臍帶纜為潛水器提供電源、控制信號。潛水器安裝的多種傳感器可隨時獲得機器人的狀態信息,以便系統通過負反饋實現ROV的自動定深、自動定向和自動姿態控制的功能,其觀測信息通過臍帶纜傳回位于母船上的控制系統,并可顯示設備上的動態信息。使用者可直接在水面控制和操作ROV,使得許多復雜的控制問題變得簡單。

        水下機器人可在高度危險環境、被污染環境以及零可見度的水域代替人工在水下長時間作業,水下機器人上一般配備聲吶系統、攝像機、照明燈和機械臂等裝置,能提供實時視頻、聲吶圖像,機械臂能抓起重物,目前水下機器人在石油開發、海事執法取證、科學研究和軍事等領域得到廣泛應用。世界上海洋中最深的馬里亞納海溝的水深就是由水下機器人測定的。1951年,英國“查林杰8號”探測出馬里亞納海溝的深度為10836米;1957年,蘇聯的“Vityaz”號船利用聲波反射裝置測量其深度為11034米;1960年,美國的載人潛水器“的里亞斯特”號成功地到達查林杰海淵的海底,利用鉛錘測量得到的深度為10912米;1995年3月,日本的“海溝”號水下機器人測得其深度為10911.4米。1985年9月,美國伍茲霍爾海洋研究所的研究人員利用“阿爾文”號潛水器攜帶的一臺長約0.71米、名叫“小杰森”的水下機器人,在大西洋底找到了“泰坦尼克”號船上的一只巨大的鍋爐,向世界揭開“泰坦尼克”號沉沒之迷。1997年6月,我國自行研制的“CR-01”自治水下機器人在太平洋完成了大洋底部多金屬結核礦調查,進行了照相、側掃、淺剖、溫鹽測量,對機器人進行了遙控,獲得大量調查資料。

        水下機器人在水母垂直移動、生活習性觀測研究中有著廣闊的應用前景,因此,在“典型海域水母災害監測預警技術業務化應用與示范研究”項目設計之初,該課題就將水下機器人觀測水母的技術研究作為項目的重要研究內容之一。

     


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