烟台市近海海域监测预警系统实施方案

1.  方案内容

本项目计划分为两大部分，“水动力预警预报工作”和“近岸视频监视监测工作”两部分，本项目分三个子项目：

n 海水动力预警预报部分

（1）风况预警预报

（2）波浪预警预报

（3）潮位预警预报

n 近岸环境监视监测部分

（1）视频监测控系统

（2）实时在线监测系统

1.5 方案制作单位

烟台科勘海洋科技有限公司成立于2022年，拥有欧洲自然科学院院士、国家杰出青年、山东省泰山学者尤再进教授，以及中国海洋大学、中山大学、鲁东大学等国内科研院所科研人员组成的学术团队。公司心围绕海洋传感设备防护、近远海的多指标海洋传感工程系统集成、数据处理系统等海洋观测工程，搭建以市场为导向、以企业为主体、以科研单位为技术支撑的产学研平台，助力地方海洋经济的发展。

本方案主要制定人员：

尤再进 教授    石洪源 副教授   张守文 博士/研究员   孟凡宁 副教授

甘磊 工程师    张晓磊 工程师   于海燕 助理工程师    甘楚楠 工程师

2. 海水动力预警预报部分

2.1. 内容

烟台近海生态和海洋气候环境数据采集：采集/收集烟台沿海长期的、全面的、连续的海洋环境和生态数据，确定海洋环境和生态主要参数的时空分布，研究分析采集的海洋环境数据和生态数据的相关性。（见第三部分实时监测系统）

综合评估烟台沿海海洋气候变化及重大海洋灾害：基于美国国家气象局的NCEP-GRF的高精度 全 球 气候再分析数据，重 点分析研究烟台沿海海洋环境变化机理，定量地研究分析风场、气压、温度、降雨量等长期的变化趋势，分析研究ENSO和近海水温、降雨量、风暴频率和强度的相关性。

建立和完善海洋环境数据仿真/预测系统：综合地评估烟台沿海海洋环境数据的采集方法和采集仪器的设置，建立和完善海洋环境数据仿真/预测系统。

研发和完善气候、波浪、风暴潮、温、盐、流等预报模式：综合评估自然资源部烟台海洋环境监测中心站的波浪模式和海洋动力模式，定量地分析模式误差的主要因素，研制新理论/方法来减小模式预报的误差。

技术路线

区域气候模式WRF：现有预报采用WRF气象模式，通过四层嵌套模拟中国海区、东中国海、北海区、近海小区四个区域未来180小时的气象要素。空间分辨率分别为27km，27km，9km，3km，模式结果每小时输出一次。

在本项目中，首先提高大气模式的空间分辨率，从现有1:3到1:5；然后应用高精度的初始场和侧边界条件：采用美国NCEP-GRF最 新的0.5°* 0.5°高水平分辨率和3小时时间段数据。

区域波浪模式SWAN：在现有的海洋环预报系统中，中国海域的海浪模拟采用了SWAN模式，空间水平分辨率为0.1°* 0.1°，水深数据来自于美国NGDC（分辨率为0.1°），风场数据来自于WRF模式的预报风场（分辨率为0.2°），预报要素包括：有效波高、平均周期、平均波向。输出开边界条件，为嵌套更小区域（北海区）的海浪预报系统提供边界条件，每小时输出一个模式结果。

在本系统中，区域波浪仍然应用SWAN模式来计算，但计算区域边界条件是由 全 球 波浪模式WW-III的预报结果来确定，提高预报精度。

区域海洋动力模式：本系统中，应用高水平分辨率的FVCOM来计算烟台沿海的海洋动力场，从而提高整个海洋模式的计算精度。提供高精度潮位和潮流预警预报结果。

风暴波浪增水和爬高模式：在现有的预报系统，没有包括风暴波浪引起岸边增水和爬高的灾害预报。在本模式中，应用区域波浪模式SWAN计算近岸波浪场，再应用Nielsen模式来计算山东沿海波浪增水和爬高。漫滩水位应该是潮位、风暴增水、波浪增水、波浪爬高的总和。从而为预警预报提供科学依据。

图-1 海洋环境和灾害预测预报系统示意图（本项目仅包含动力环境预报模式部分）

3. 近岸环境监视监测部分  

3.1. 视频监测控系统

3.1.1.  项目总体目标

本工程拟沿整治海滩范围内设置 2 个远程高清监控摄像头，主要用于人为活动监视及实时监测目标区域动态，确保安全隐患能够及时发现。

3.1.2. 技术目标

视频监控系统主要包括网络摄像头、传输交换系统、网络视频录像和监控显示部分。

高清摄像头的监控范围覆盖整个目标区域，24小时不间断采样，主要用于人为活动监视及实时监测工程区沙滩动态，运营时间为 2 年。

3.1.3. 视频监控系统技术要求

n 视频存储容量应大于连续 30 天时间。监控视频实时传输至烟台科勘海洋科技有限公司和烟台市海洋环境监测预报中心，最终纳入国家蓝色海湾监视监测系统。

n 网络摄像头选用日夜型网络枪机、日夜型网络球机或日夜型网络半球，要求至少 200万像素，保证能清晰地输出目标区域的影像。摄像头具有逆光补偿功能。

n 视频监控系统需满足在不同天气条件下正常运行，工作温度-20℃~+50℃，具备防潮、防尘、防腐、防雷、防干扰能力，设置断电保护系统，寒潮大风、台风等极端天气下能够正常获取清晰的现场监控画面。

n 视频监控系统显示屏能够至少6路分屏显示现场监控画面，解码器提供高清视频解码，将实时监控图像解码传输到显示屏，同时还能异地远程查看现场监控画面。

n 视频管理服务中心由视频监控平台软件、PC、服务器、存储设备以及现实设备等设备组成。完成对视频监控系统的现场视频信息的采集和存储，并且对采集到的图像信息进行管理和分析。实现对监测系统中采集的视频信息进行显示，可支持视频回放、单帧抓拍和连续抓拍的功能，并对图片进行标注方便查找。

3.1.4. 通讯系统技术要求

n 在线监测系统采集的各类数据通过网络传输至烟台市海洋环境监测预报中心。监控传输带宽需满足远程监控对图像质量的要求。采用视频压缩、编码等技术，实现视频数据流的高效、可靠传输。

n 监测仪器和数据采集设备之间采用数字通讯，监测仪器的状态参数应能够上传至控制软件，控制软件安装于烟台市海洋环境监测预报中心。

n 数据传输支持一点多传，为国家海洋局、烟台市海洋与渔业局以及相关部门预留接口。

n 数据传输可根据管理要求远程设定传输频次，能按要求接受、处理和反馈远程控制命令。

n 数据传输系统应具备联网自动数据补遗功能，在通讯网络断网恢复联网后，能够自动登录补传数据。

n 保证数据有效上传，数据上传率达到 95%以上。

3.1.5. 产品输出要求

n 应用国际最 新研发的视频图像处理软件，实现对目标行人的动态识别，自动监控海滩物变化以及极端天气（寒潮大风和台风）下海况，为海岸监测、防灾减灾等提供决策依据。

n 实现对工程区域海滩人数进行智能化统计，实时监控人类活动及时消除安全隐患。

n 系统包括视频图像采集、数据传输、监控设备空间校准、图像处理分析、产品输出五个部分。

3.2. 实时在线监测系统建设

3.2.1. 项目总体要求

n 本项目拟在目标海域建立两套海上自动监测浮标站。建成后可实时获取浮标监测站点海洋水文气象参数、海水水质常规参数、海水营养盐参数等实时原位数据。

n 自动监测浮标站分为浮标标体及传感器部分。传感器包含多参数气象传感器、 剖面海流仪、波浪检测仪、多参数水质检测仪、营养盐自动分析仪等设备。

n 建设企业级低能耗大数据存储云平台，该平台以分布式文件系统 HDFS 为核心，支持 PB 级数据存储，提供标准化访问接口。

3.2.2. 技术指标

从多方位实现对海洋多种要素的实时、原位、在线监测，随时掌握包括气温、气压、风速、风向、光照度、相对湿度等气象参数，流向、流速、波高、水温、盐度等水文参数，pH 值、溶解氧、浊度、叶绿素、蓝绿藻等水质常规参数，氨氮、亚硝酸氮、硝酸氮、磷酸盐等海水营养盐参数，为海洋综合管理、海洋环境保护、海洋科学研究、海洋公众服务等提供数据来源与技术支撑。

n 采用适应海洋水质及海洋环境监测多参数传感装备，装备可实时在线监测 21 项指标；

n 采用智能电源综合管理技术，提升节点装置的适应性和低能耗性能。系统 1.8V 或 3V 低电压运行，自动升压供电，满足不同传感器或执行器的供电要求；电池供电、太阳能供电共存互补，提供设备能源保障性和自适应性；

n 采用了无线现场汇聚节点装置和无线网络管理软件，实现协议栈之间的通信协议转换，同时发布管理节点的监测任务，并把收集的数据转发到外部网络上， 装备延迟<1s，故障率小于 5%；

n 制定无线网络自诊断规程，实现无线网络运行状态监视和故障报警；

n 开发海洋水质及环境信息监测网络系统、科学研究服务系统、公众网络服务系统、综合管理服务系统；

n 建立低能耗大数据存储平台 1 套，支持 PB 级数据存储，提供标准化访问接口。计算服务满足包括离线批处理与实时动态的不同数据处理需求。支持 PB 级数据秒级查询。

n 集成模型、装备及软件系统，构建面向海洋水质与环境多参数的一体化管理云平台，向公众、政府及科研人员提供服务。系统响应时间 10 秒以内，故障率在 5%以下。

3.2.3. 实时在线监测系统

3.2.3.1. 监测参数

从多方位实现对海洋多种要素的实时、原位、在线监测，随时掌握包括气温、 气压、风速、风向、光照度、相对湿度等气象参数，流向、流速、波高、水温、 盐度等水文参数，pH 值、溶解氧、浊度、叶绿素、蓝绿藻等水质常规参数，氨氮、亚硝酸氮、硝酸氮、磷酸盐等海水营养盐参数。为海洋综合管理、海洋环境保护、海洋科学研究、海洋公众服务等提供数据来源与技术支撑。

3.2.3.2. 传感器类型和技术要求

n 各种传感器的具体技术要求见附表五。

n 必须采用国际最 先 进的 UV 光防生物污染技术，克服现有传感器生物污染/生长的一大难点，做到原位、实时、防生物污染的在线监测，极大提高数据采集的精确度。

3.2.3.3. 通讯系统要求

n 通讯系统采用３G/４G 网络、北斗卫星方式，要求可进行双向通讯、控制，在一种方式无法发送数据或限定时间内未发送完毕的情况下采用另一种通讯方式进行发送。

n 利用 CDMA、北斗卫星发送浮标观测实时数据，发送间隔与采集间隔同步。

n 浮标工作状态下数据接收率应≥95％。

3.2.4. 岸站数据接收设备

优选工控机，处理器 i7-6700 或以上版本，主频不小于 3G，内存不小于 16G， 显示设备不小于 21 寸。

3.2.5. 软件系统

n 应用海洋水质及环境信息监测网络系统；

n 应用科学研究服务系统；

n 应用公众网络服务系统；

n 应用综合管理服务系统。

3.2.6. 大数据存储与管理平台

n 采用低能耗大数据存储平台，支持 PB 级数据存储，提供标准化访问接口；

n 采用满足不同数据处理要求的计算框，提供离线计算与实时计算；

n 采用存储云平台的分布式服务框架；

n 应用 PB 级数据秒级搜索服务设计；

n 采纳集成模型、装备及软件系统，应用多参数数据的一体化动态管理云平台。

3.2.7. 数据格式与传输标准

数据格式及传输标准满足以下文件：

n YD/T 1093-2000 900/1800MHz TDMA 数字蜂窝移动通信网通用分组无线业务（GPRS）隧道协议技术规范；

n YD/T 1323-2004 接入网技术要求——非对称数字用户环路（ADSL）；

n YD/T 1334-2004 800MHz CDMA 1：数字蜂窝移动通信网无线智能网（WIN）阶段 2：智能外设（IP）设备技术要求；

n EIA RS-232C 数据终端设备与使用串行二进制数据进行交换的数据通信设备之间的接口；

n GB17378-2007 海洋监测规范；。

n GB/T12763-2007 海洋调查规范；

n HY/T131–2010 海洋信息化常用术语。山东省海洋观测工程技术协同创新中心

3.2.8. 运行和管理

设备运行后，运营单位应对监测浮标进行定期校准、维护和检查。校准前清理维护检测仪器，在每次校准和维护后，调整设备自动采样测试时间为正点时间。

同时还应进行以下工作：

n 检查浮标体上的连接线路，仪器设备是否损坏，包括：浮标体的密封室是否泄漏，气象设备、天线、太阳能板和航标灯等是否运行正常；

n 检查浮标体的腐蚀情况、固定情况和有无漂移；

n 清理浮标体附近的漂浮物和清除子站体及设备表面附着物；

n 按使用和维修手册规定的要求，更换监测仪器中的传感器、发射光源、光电倍增管、泵、泵管等零部件，并对仪器重新进行校准；

n 观察周边环境是否出现变化或异常，对出现的变化和异常拍照记录。