我国海洋智能无人系统中的浮标监测

浮标监测是目前海洋观测的主要手段，是海洋环境立体监测网的重要组成部分，具有抗恶劣环境强、容量大、在位时间和寿命长（最长使用寿命达20年）、抗人为破坏能力强等特点，尤其能在一些如风暴潮、台风等灾害性天气过程中获取宝贵的水文气象数据资料，为灾害性天气过程研究提供数据支持，已成为国家海洋监测、海洋军事维权、环境保护、减灾防灾、石油和生物资源勘探开发、港湾建筑、渔业捕捞、海水养殖工程等重要载体，这是其他海洋监测手段所无法替代的。因此，对于海洋浮标监测系统的设计和分析能够更好地促进海洋监测技术的发展，推动海洋的开发和利用，为经济的发展和社会进步做出贡献。

国外的海洋浮标发展起步较早。传统的海洋观测设备是天气船，主要依靠船舶来对所需的海洋数据进行实时测量，但是却受限于恶劣天气的影响。20世纪60年代，美国海洋技术人员利用浮标获取恶劣海况的数据，取得了良好的效果，并大大降低了成本。随后，很多国家如德国、法国、日本、意大利、苏联等纷纷效仿，加强了对浮标技术的研究，这是海洋浮标的发展萌芽阶段。随后的十几年，浮标技术不断发展，特别是1973年爆发的第一次全球能源危机，石油能源的稀缺迫使人们想要更进一步了解和发掘海洋，这对海洋浮标的研制起到了正面积极的推动作用，各个国家开始把浮标技术规范化、制度化。1970年以后，其他行业技术的发展更迭带动了浮标的发展，集成电路和卫星通信的更新使浮标性能加强，包括工作时间、数据接收率、有效覆盖区都有了大幅度提高，使之能够更高效、更稳定、更长久、更可靠地服务于海洋监测。自此，海洋浮标正式迈入了实用化、商品化的阶段。

我国海洋浮标的发展和研制始于20世纪60年代左右，海洋浮标正式纳入国家发展规划。我国的第一台海洋浮标——H23型浮标于1966年建造完成，可以进行水文和气象各要素全面监测，为我国海洋浮标技术发展奠定了坚实的基础；在后来的几十年间，我国在第一台浮标的基础上，不断提高其技术性能和工艺水平，通过不断的试验和改进，又相继研制了2H23、HFB1、“南浮1”号等多种浮标，满足了不同的技术需求，也渐渐缩短与发达国家的差距。截至2017年，我国海洋浮标资料网分为北海、东海和南海三大海域，约有130套浮标在位业务化运行。

2000年启动的国际Argo计划，在美国、日本、法国、英国、德国、澳大利亚和中国等30多个国家和团体的共同努力下，已经于2007年10月在全球无冰覆盖的开阔大洋中建成一个由3 000多个Argo剖面浮标组成的实时海洋观测网，即“核心Argo”，用来监测上层海洋内的海水温度、盐度和海流，以帮助人类应对全球气候变化，提高防灾抗灾能力，以及准确预测诸如发生在太平洋的台风和厄尔尼诺等极端天气、海洋事件等。这是人类历史上建成的首个全球海洋立体观测系统。15年来，各国在全球海洋布放的Argo浮标数量超过12 000个，已累计获得了约150万条温度和盐度剖面，比过去100年收集的总量还要多，且观测资料免费共享，被誉为“海洋观测技术的一场革命”。目前，国际Argo计划正从“核心Argo”向“全球Argo”，即向季节性冰覆盖区、赤道、边缘海、西边界流域和2 000 m以下的深海域，以及生物地球化学等领域拓展，最终会建成一个至少由4 000个Argo剖面浮标组成的覆盖水域更深、涉及领域更宽广、观测时域更长远的真正意义上的全球Argo实时海洋观测网。海量观测资料已经应用到世界众多国家的业务化预测预报和基础研究中，并在应对全球气候变化及防御自然灾害中得到广泛应用，取得了大批调查研究成果。图2.3所示为Argo浮标的投放。

图2.3　Argo浮标的投放(www.xing528.com)

2002年初我国正式加入国际Argo计划，并成立中国Argo实时资料中心。中国Argo计划的总体目标是在邻近的西北太平洋和印度洋海域建成一个由100～150个Argo浮标组成的大洋观测网，使我国成为Argo计划的重要成员国；同时能共享到全球海洋中的全部Argo剖面浮标观测资料，为我国的海洋研究、开发、管理和其他海上活动提供丰富的实时海洋观测资料及其衍生数据产品。同年，在国家科技部的资助下启动实施了“我国新一代海洋实时观测系统——Argo大洋观测网试验”项目，正式拉开了实施中国Argo计划的序幕。在国家科技部、国家教育部、国家自然科学基金委员会、中国科学院和国家海洋局等部门的支持下，至2015年12月，中国Argo计划已在太平洋、印度洋和地中海等海域布放了353个剖面浮标（图2.4），其中准Argo浮标，即由国家科研项目出资购置布放且其负责人同意观测资料与国际Argo成员国共享的浮标183个，已获取累计38 000余条温度、盐度剖面和6 000多条溶解氧剖面，约占全球Argo剖面数量的2.5%。

图2.4　中国Argo浮标投放位置

海洋浮标是海洋环境监测体系的基石，但是浮标布置成本高，相对较为固定，难以对目标施行跟踪监测。