一种具有防冰性能的海洋环境监测浮标结构

技术领域

本发明属于海洋生态环境监测技术领域，涉及一种具有防冰性能的海洋环境监测浮标结构，适用于结冰海域。

技术背景

海冰作为我国中高纬度海域最严重的自然灾害因素，每到冬季来临，渤海及北黄海海域的生产作业都会受到不同程度的影响。在我国目前的技术条件下，为监测海洋水文信息而投放的浮标需要在盛冰期之前集中回收，防止海冰损坏浮标结构或监测设备，避免造成浮标丢失的恶劣后果，待融冰期后再统一投放回特定海域，开始新一轮的监测工作周期。我国在浮标监测技术方面采取以上的海冰应对措施实属下策，不仅需要消耗大量人力物力，增加了单个浮标的维护成本与施工人员的安全隐患，还无法采集到冬季期间海洋的水文信息，从而导致冬季海洋环境监测数据序列缺失严重，不能及时为季节性结冰海域提供可靠的灾害预报预警信息。

为了解决上述存在的问题，如公开号为CN113022787A的中国专利公开了一种海洋环境监测的小型浮标抗冰结构，包括标体结构、发电装置及系泊系统三部分；当流冰来临时，在海冰推动下标体产生倾斜，利用足够的水密性空间入水，获得向上的浮力，浮标倾斜的侧壁抵抗平整冰，进而实现破冰目的，该装置具备一定的抗冰性能，其结构实现了监测浮标在冰区生存的基本需求。如公开号为CN110182318A的中国专利公开了一种面向冬季海冰风险管理的海洋信息在线监测浮标系统，包括抗冰浮标系统等八部分，工作时可以利用各系统间的相互配合完成信息采集与传输，对于冰区浮标的内部仪器配备具有指导性意义；但以上两种装置并未考虑实际工作中监测仪器在冰环境下的安全性与可靠性，进而做出适应性结构防冰设计。

因此，研制一种具有防冰性能的海洋环境监测浮标结构，具有很重要的发展意义与应用前景，其可以保证结冰海域水文监测数据序列的时空连续性，冰期监测数据的持续获取对我国渤海及北黄海等结冰海域的环境评估与预测具有重要意义。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的是设计一种具有可靠防冰能力的海洋环境监测浮标结构，其结构在经历恶劣冰期环境条件时仍可以继续维持浮标的功能，为内部仪器设备提供安全可靠的工作环境。即根据历年冰厚的概率分布规律确定设计冰厚，当海冰厚度小于设计冰厚时，浮标可以正常工作(常规浮标的工作状态)；当海冰厚度大于设计冰厚时，浮标可以安全自存(下潜到冰面以下)，并确保结构及内部监测仪器不会发生损坏，待冰情减弱后，标体自动恢复到正常操作状态。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种具有防冰性能的海洋环境监测浮标结构，防冰水文监测浮标结构包括钢制标体2、仪器防护架1及支撑腿9三部分。

所述的钢制标体2包括浮力舱室4、倒圆台舱室5与设备舱室6三部分。所述的浮力舱室4为中空圆柱体结构，其外壁面设有吊耳3，其上方设有仪器防护架1，底部通过倒圆台舱室5过渡与设备舱室6中下部连接。所述设备舱室6为中空圆柱体结构，其直径小于浮力舱室4，设备舱室6的高度为浮力舱室4高度的2倍以上，设备舱室6的上方设于浮力舱室4内部，二者顶部对齐且同轴，其下方外壁面与支撑腿9固接。所述的设备舱室6包括设备舱室顶盖18、设备平台19、水文管7以及滑轨21四部分。所述设备舱室顶盖18位于所述设备舱室6顶部，通过法兰与设备舱室6连接，且所述设备舱室顶盖18靠近边缘处对称焊接两个设备舱室顶盖把手16，中心焊接一个穿线管17，穿线管17用于穿引天线、温度传感器或其他不能置于设备舱室6内部的仪器线路。所述设备平台19焊接在所述设备舱室6内部靠上的位置，形状为圆盘形，在设备平台19边缘切割出水文管7截面缺口形状，设备平台19用于安装浮标的控制系统、姿态采集系统、通讯系统，供电系统或其他系统。所述水文管7为“S”形直角弯管，上半部分焊接在所述设备舱室6内壁，下半部分设于设备舱室6外壁，焊接在设备舱室6内壁的水文管7垂直方向的高度为浮力舱室4和倒圆台舱室5的高度，水文管7位于设备舱室6外壁监测点处对应切割出贯通孔20；水文信息采集仪器通过水文导管7穿引至贯通孔20处，贯通孔20可以方便测点周围海水流动，使水文监测数据更加精准，在结冰海域工作状态下，极端冰情会导致浮标发生严重倾斜，水文导管7可以保护内部监测传感器不与海冰发生直接的相互作用，避免水文链线路被海冰割断，在冰区给水文监测仪器提供了安全的工作环境。所述滑轨21共有四条，焊接在所述设备舱室6内壁，所述四个滑轨21底部焊接电池平台22，电池架24上的电池可以通过所述滑轨21固定在电池平台22的位置，滑轨21、电池平台22与电池架24共同根据需要调整蓄电池的位置。

所述的仪器防护架1侧壁共有八面，八块太阳能板11嵌在侧壁上，太阳能板11外放置亚克力板12，所述仪器防护架1侧壁凹槽深度等于太阳能板11与亚克力板12的厚度之和，所述亚克力板12外安装防护网15；所述仪器防护架1顶部安装防护架顶盖13，所述防护架顶盖13中心内部贴有电加热布10，外部边缘对称安装两个防护架顶盖把手14。

所述的支撑腿9由四根竖直圆管与四根水平圆管焊接而成。所述四根竖直圆管的顶部与倒圆台舱室5外壁固接，底部焊接圆盘进行密封，且四根竖直圆管的底部低于设备舱室6底部15cm以上。所述四根水平圆管另一端与设备舱室6的外壁面固接。进一步的，所述的钢制标体2的吃水线不超过所述浮力舱室4高度的三分之一，且钢制标体2在添加配重后总重心在总浮心以下至少10cm。

进一步的，所述水文管7与穿线管17在测点仪器线路布置完成后需对管道进行灌胶密封，保证舱室水密性完好。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

(1)为结冰环境下搭载海水温度、气温、海水盐度、海水深度等水文监测点的冰区浮标提供安全可靠的仪器工作环境。

(2)有效防止标体顶部上浪或浮标横摇后冻结覆冰导致的信号屏蔽与数据回传障碍。

(3)可以避免太阳能板受到海冰的冲击而压损，保证浮标具备持续自发电能力，无须配备较重的超大容量蓄电池，方便蓄电池的选取与安装。

(4)系统简单可靠且造价低，可为其他浮式结构的抗冰设计等提供技术指导。

附图说明

图1为本发明的海洋环境监测浮标防冰结构总体示意图；

图2为本发明的仪器防护架布置示意图；

图3为本发明的监测设备舱布置示意图；

图4为本发明的滑轨与电池架示意图；图4(a)为滑轨示意图，图4(b)为电池架示意图。

图中：1仪器防护架；2钢制标体；3吊耳；4浮力舱室；5倒圆台舱室；6设备舱室；7水文导管；8锚系耳；9支撑腿；10电加热布；11太阳能板；12亚克力板；13防护架顶盖；14防护架顶盖把手；15防护网；16设备舱室顶盖把手；17穿线管；18设备舱室顶盖；19设备平台；20贯通孔；21滑轨；22电池平台；23电池架握把；24电池架。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用于限制本发明，基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围：

本发明所述的一种适用于结冰海域的海洋环境监测浮标防冰结构的总体示意图如图1所示，防护架布置示意图如图2所示，监测设备舱布置示意图如图3所示，滑轨与电池架如图4所示。

仪器防护架1安装在钢制标体2上部，仪器防护架顶盖13通过螺栓固定在仪器防护架1上，两个仪器防护架顶盖把手14焊接在仪器防护架顶盖13边缘，方便其后续的维护，包括对设备舱室顶盖18上面的仪器以及太阳能板11的线路进行安装整理与调试等。

仪器防护架顶盖13内部中心贴有电加热布10，当浮标遭遇气温骤降且海况恶劣等原因导致顶部有冰雪覆盖时，会严重影响浮标的通讯信号传输，无法对浮标进行定位与数据分析，阻碍浮标的日常工作内容，因此需要安装电加热布10，当浮标上部覆冰无法进行信号发送与接收时，通讯系统将在一段时间内接收不到来自陆上基站的信号指令即视为覆冰原因阻碍信号传输，电加热布10便开启加热模式进行融冰，恢复浮标的通讯与定位功能，为浮标通讯系统的正常工作提供了可靠保障。

太阳能板11上布置相应尺寸的亚克力板12，在亚克力板12外用螺栓固定防护网15，浮标在冰区工作状态下，当冰情较轻时，海冰只与浮力舱室4的侧壁发生挤压与摩擦，即使是碎冰也无法爬升至太阳能板11附近；当冰情较严重时，浮标在海冰水平推力与系泊牵引力的共同作用下，整体产生很大的倾斜角度，碎冰或冰排会沿浮力舱室4的侧壁爬升至太阳能板11处，若海冰与太阳能板11直接接触并发生力的相互作用，则必然会导致太阳能板11的损坏，进而造成整个供电系统的短路。加装防护网15后，海冰作用在倾斜的防护网15上发生海冰破碎，碎冰也会被亚克力板12阻挡，避免损坏太阳能板11的线路，该结构保证了浮标的发电系统在冰区的安全运行。若浮标发电系统设计安全性不足，可能导致蓄电池只能依靠自身电量对仪器设备供电，因此不得不使用大容量蓄电池，同时蓄电池重量也会大幅增加，给蓄电池的安装及浮标的总重心设计带来不便。

设备舱室6作为最核心的浮标仪器系统存放位置，其顶部安装带有法兰的设备舱室顶盖18，顶盖中心处打孔并焊接穿线管17，穿线管17用于穿引天线、温度传感器等不能置于设备舱室6内部的仪器线路，舱室顶盖把手16除了方便后续对于设备舱室6的多次调试安装，还可以协助固定由穿线管17引出来的各种设备，避免浮标在海冰推动下横摇导致设备移位甚至线路断裂，同时仪器防护架1也可以起到保护设备舱室顶盖18上各种外置仪器不受海冰影响。

设备平台19通过螺栓固定在设备舱室6靠上的部分，靠近水文导管7顶端，安装浮标的控制系统、姿态采集系统、通讯系统，供电系统等，其中水文信息采集仪器通过水文导管7穿引至贯通孔20处，贯通孔20可以方便测点周围海水流动，使水文监测数据更加精准，在结冰海域工作状态下，极端冰情会导致浮标发生严重倾斜，水文导管7可以保护内部监测传感器不与海冰发生直接的相互作用，避免水文链线路被海冰割断，在冰区给水文监测仪器提供了安全的工作环境。

支撑腿9除了为浮标在陆地建造调试过程中提供支撑作用，投放后，在结冰海域工作状态下还可以进一步保护水文管7，使其避免与大块的冰排作用，消除水文导管7发生断裂的可能性。除此之外，支撑腿9作为浮标水线以下附属结构，在水平圆管上的焊接工作不影响标体舱室的强度与密封性，方便焊接独立空间并安置其他监测设备。

滑轨21、电池平台22与电池架24共同决定蓄电池的位置，考虑到电池重量以及浮标总重心，电池通常是放置在浮标最底部，常规海域的水文监测浮标总高度较小，且大多可以从浮标中部将标体拆分为上下两部分，因此蓄电池的安置较为便捷，但冰区浮标中部侧壁需要与海冰发生相互作用，欲减小因反复拆装与撞击造成舱室密封性下降导致进水的可能性，在结构舱室焊接设计时应保证标体的连续完整性，因此需要将蓄电池从钢制标体2最顶端的舱口放置到标体底部，通过图4的结构便可安全快捷的实现电池的安放，为后期的检修或电池更换提供了很大的便捷。

以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。