[發(fā)明專利]深海采礦生態(tài)環(huán)境原位長(zhǎng)期自動(dòng)監(jiān)測(cè)站及其評(píng)價(jià)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202111293482.0
• 申請(qǐng)日: 2021-11-03
• 公開（公告）號(hào): CN113959499B
• 公開（公告）日: 2022-06-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 賈永剛;朱憲明;范智涵;王林森;朱娜;胡聰
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)海洋大學(xué)
• 主分類號(hào): G01D21/02
• 分類號(hào): G01D21/02;G01P5/24;G01N21/64;H04B7/185;H04B11/00
• 代理公司: 濟(jì)南泉城專利商標(biāo)事務(wù)所 37218
• 代理人: 張貴賓

1.一種深海采礦生態(tài)環(huán)境原位長(zhǎng)期自動(dòng)監(jiān)測(cè)站的評(píng)價(jià)方法，其特征在于，所述監(jiān)測(cè)站為鏤空框架結(jié)構(gòu)，監(jiān)測(cè)站分為上中下三層結(jié)構(gòu)，上層為防脫罩（101），中層為觀察艙（102），下層為坐底承載艙（103）；

所述防脫罩（101）的頂部設(shè)置有四個(gè)起吊吊環(huán)（1）；

所述監(jiān)測(cè)站的中層觀察艙（102）主體為立方體結(jié)構(gòu)，其自上而下分為四層，依次分為第一觀測(cè)層（201）、第二觀測(cè)層（202）、第三觀測(cè)層（203）、第四觀測(cè)層（204）；

所述第一觀測(cè)層（201）上設(shè)置有向上測(cè)速聲學(xué)多普勒流速剖面儀（2）、沉積物顆粒捕獲器（3）、超短基線（4）和信標(biāo)（5），第一觀測(cè)層（201）的頂部邊框上連接有若干個(gè)自鎖吊鉤（6），沉積物顆粒捕獲器（3）貫穿設(shè)置在第一觀測(cè)層（201）的中心位置上，向上測(cè)速聲學(xué)多普勒流速剖面儀（2）設(shè)置在沉積物顆粒捕獲器（3）的左側(cè)同樣貫穿設(shè)置在第一觀測(cè)層（201）的上表面，超短基線（4）和信標(biāo)（5）分別設(shè)置在沉積物顆粒捕獲器（3）的右前側(cè)和右后側(cè)并且設(shè)置在第一觀測(cè)層（201）的上表面上；

所述第二觀測(cè)層（202）上設(shè)置有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備（7）、聲學(xué)通訊設(shè)備（8）和數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備（9），聲學(xué)通訊設(shè)備（8）貫穿設(shè)置在第二觀測(cè)層（202）的中心位置上，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備（7）和數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備（9）分別設(shè)置在聲學(xué)通訊設(shè)備（8）的左后側(cè)和右前側(cè)并且設(shè)置在第二觀測(cè)層（202）的上表面上；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備（7）內(nèi)部配有自用電池及外部連接海水電池陣列（10），數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備（9）包括數(shù)據(jù)處理設(shè)備，數(shù)據(jù)處理設(shè)備連接數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備（7），其內(nèi)部配有自用電池及外部連接海水電池陣列（10），

所述第三觀測(cè)層（203）上設(shè)置有海水電池陣列（10）、PH傳感器（11）、甲烷傳感器（12）、自適應(yīng)卡扣（13）和自然電位探桿（14），海水電池陣列（10）設(shè)置在第三觀測(cè)層（203）的中心位置上，PH傳感器（11）和甲烷傳感器（12）分別設(shè)置在海水電池陣列（10）的左后側(cè)和左前側(cè)并且貫穿設(shè)置在第三觀測(cè)層（203）上，自然電位探桿（14）設(shè)置在海水電池陣列（10）的右側(cè)，自然電位探桿（14）的頂部放置在自適應(yīng)卡扣（13）上，自然電位探桿（14）的下部依次貫穿第三觀測(cè)層（203）和第四觀測(cè)層（204）；

所述第四觀測(cè)層（204）上右側(cè)依次貫穿設(shè)置有自然電位探桿（14）、高精度壓力計(jì)（15）、溫鹽深濁度計(jì)（16）、高精度水下攝像機(jī)（17）、水下探燈（18）、向下測(cè)速聲學(xué)多普勒流速剖面儀（20）和葉綠素?zé)晒鈧鞲衅鳎?9），高精度水下攝像機(jī)（17）和水下探燈（18）位于第四觀測(cè)層（204）的中心位置上，向下測(cè)速聲學(xué)多普勒流速剖面儀（20）設(shè)置在水下探燈（18）的左側(cè)，葉綠素?zé)晒鈧鞲衅鳎?9）設(shè)置在向下測(cè)速聲學(xué)多普勒流速剖面儀（20）的左后側(cè)，溫鹽深濁度計(jì)（16）設(shè)置在高精度水下攝像機(jī)（17）的右后側(cè)，高精度壓力計(jì)（15）設(shè)置在高精度水下攝像機(jī)（17）的右前側(cè)，自然電位探桿（14）設(shè)置在高精度水下攝像機(jī)（17）的右側(cè)；

所述坐底承載艙（103）包括防傾倒環(huán)形箍（21），防傾倒環(huán)形箍（21）的上方設(shè)置有方形框架（32），方形框架（32）的頂部邊框上設(shè)置有若干個(gè)與第四觀測(cè)層（204）分離的自鎖吊鉤（6），方形框架（32）的四角均通過固定連接支撐桿（33）的頂端，支撐桿（33）的中部固定連接在防傾倒環(huán)形箍（21）上，支撐桿（33）的底端活動(dòng)連接有坐底承載托盤（24），防傾倒環(huán)形箍（21）的圓心位置上通過連接桿固定安裝有自適應(yīng)平衡裝置（22）；

具體步驟如下：

步驟（1）：對(duì)監(jiān)測(cè)預(yù)警站的性能檢查：監(jiān)測(cè)站外部三部分主體框架分離，使用高強(qiáng)度掛鉤連接；首先打開頂部防脫罩101進(jìn)行檢查維修，觀察艙102將監(jiān)測(cè)傳感器及監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝放置好，對(duì)聲學(xué)通訊設(shè)備進(jìn)行通訊檢查，然后提前對(duì)設(shè)備發(fā)出指令，看其內(nèi)部設(shè)備是否工作正常，按照相應(yīng)的程序進(jìn)行操作，將海水電池陣列進(jìn)行充放電檢查，完好無損后進(jìn)行工作組裝；使用吊車起吊分離儀器，然后將自適應(yīng)水平設(shè)備一段安裝到坐底承載艙103，使用螺栓固定，最后整體設(shè)備連接完成，檢查完畢；

步驟（2）：設(shè)備的布放：確認(rèn)觀測(cè)設(shè)備正確設(shè)置，使用科考船的A架吊車按照潛標(biāo)整體的順序從上往下吊裝入水，按照水平穩(wěn)定豎直后，自由落體式下落，使用無纜脫鉤布放，當(dāng)設(shè)備進(jìn)入水面，進(jìn)行人工或機(jī)械脫鉤；

步驟（3）：設(shè)備的工作：當(dāng)設(shè)備觸底后，會(huì)根據(jù)首先設(shè)備工作數(shù)據(jù)通過聲學(xué)通訊設(shè)備傳輸至海面浮標(biāo)，海面浮標(biāo)直接通訊至衛(wèi)星通訊系統(tǒng)，然后傳訊至天空中的海洋控制通訊基站，最后地面海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，形成海底-海面-空-天-地-移動(dòng)終端的通訊路徑，確保位置標(biāo)定，設(shè)備正常工作讀數(shù)時(shí)，發(fā)回指令，進(jìn)行長(zhǎng)期工作；

步驟（4）：數(shù)據(jù)傳輸：首先設(shè)備工作數(shù)據(jù)通過聲學(xué)通訊設(shè)備傳輸至海面浮標(biāo)，海面浮標(biāo)直接通訊至衛(wèi)星通訊系統(tǒng)，然后傳訊至天空中的海洋控制通訊基站，最后地面海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，形成海底-海面-空-天-地-移動(dòng)終端的通訊路徑，基于大數(shù)據(jù)平臺(tái)處理后，形成實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)；得到了流速、顆粒物濃度、沉積物通量、沉積物沉積方向、沉積物厚度、界面流速、溶解氧、PH值、水體濁度、鹽度、溫度、甲烷濃度、水體壓力、氧化還原電位、自然電位、水下高清圖像數(shù)據(jù)；

步驟（5）：數(shù)據(jù)分析：根據(jù)所得到的流速、顆粒物濃度、沉積物通量、沉積物沉積方向、沉積物厚度、界面流速、溶解氧、PH值、水體濁度、鹽度、溫度、甲烷濃度、水體壓力、氧化還原電位、自然電位、水下高清圖像數(shù)據(jù)，分析出深海海底多金屬結(jié)核開采時(shí)的環(huán)境影響因素：水動(dòng)力、沉積物擾動(dòng)程度、溶解氧、PH值、濁度、鹽度、溫度、壓力、氧化還原電位、自然電位；

步驟（6）：評(píng)價(jià)指標(biāo)：根據(jù)所述影響因素：水動(dòng)力、沉積物擾動(dòng)程度、溶解氧、PH值、濁度、鹽度、溫度、壓力、氧化還原電位、自然電位，進(jìn)行影響因子組分的建立，根據(jù)深海多金屬結(jié)核開采的研究環(huán)境，將影響因素設(shè)計(jì)為水動(dòng)力f₁、沉積物擾動(dòng)程度f₂、溶解氧f₃、PH值f₃、濁度f₅、鹽度f₆、溫度f₇、壓力f₈、氧化還原電位f₉、自然電位f₁₀，建立了主要的評(píng)價(jià)指標(biāo)為：水體濁度、水體溫度、海底生物活性、海底生物多樣性、氧化還原環(huán)境；其中A設(shè)為水體濁度，B設(shè)計(jì)為溫度，C設(shè)計(jì)為海底生物活性，D設(shè)計(jì)為生物多樣性，E設(shè)計(jì)為氧化還原環(huán)境，評(píng)價(jià)方法共有5項(xiàng)，主要影響關(guān)系，用多項(xiàng)式進(jìn)行闡述，首先對(duì)影響因素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行歸一化去量綱處理，以顯示數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化處理：

上式中，x是原始數(shù)據(jù)，u是樣本均值，σ是樣本標(biāo)準(zhǔn)差；將其標(biāo)準(zhǔn)化為均值為0，方差為1的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布數(shù)據(jù)集；然后針對(duì)這些處理后的數(shù)據(jù)集，進(jìn)行各個(gè)水平的確認(rèn)，進(jìn)行各個(gè)方面指標(biāo)的閾值確定，根據(jù)閾值做權(quán)重分析，得到符合國(guó)家質(zhì)量認(rèn)可的評(píng)價(jià)權(quán)重比例：

A= a₁ f₁'+ a₂ f₂'+ a₃ f₃'+ a₄ f₄'+……+ a₁₀ f₁₀'

……

E=e₁ f₁'+e₂ f₂'+e₃ f₃'+e₄ f₄'+……+e₁₀ f₁₀'

其中a₁,……a₁₀為主要賦值權(quán)重，用百分?jǐn)?shù)表示，相加為100%，根據(jù)具體指標(biāo)的關(guān)鍵因素，結(jié)合具體的數(shù)據(jù)分析結(jié)果，建立有效的分析權(quán)重結(jié)構(gòu)；f'為歸一化處理的結(jié)果，進(jìn)行對(duì)各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行多項(xiàng)式分析擬合，確定各個(gè)參數(shù)的相關(guān)性，進(jìn)而對(duì)下一步的參數(shù)進(jìn)行建模及模型評(píng)估；

步驟（7）：模型評(píng)估：根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)的具體數(shù)據(jù)，根據(jù)深海采礦海底生態(tài)環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)分為多級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，三級(jí)及以上奇數(shù)類即可，最低質(zhì)量為一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，最高質(zhì)量為多級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，三級(jí)以上的奇數(shù)類級(jí)別標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)擾動(dòng)的嚴(yán)重程度進(jìn)行精準(zhǔn)規(guī)劃，確保在手機(jī)終端的實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)系統(tǒng)能定量和定性的對(duì)深海采礦生態(tài)環(huán)境進(jìn)行評(píng)估；

設(shè)深海采礦海底生態(tài)環(huán)境的質(zhì)量的經(jīng)驗(yàn)等級(jí)及各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)分別為w（i）及z（1，1）、z（2，2）、……、z（n_i，5），i=1，2，……，n_j；n_i和n_j分別為評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)與評(píng)價(jià)指標(biāo)個(gè)數(shù)，本方法指標(biāo)個(gè)數(shù)為5；最低海底采礦生態(tài)環(huán)境的質(zhì)量等級(jí)為1級(jí)，最高等級(jí)為N級(jí),三級(jí)以上的奇數(shù)類級(jí)別標(biāo)準(zhǔn)；各指標(biāo)值作為橫坐標(biāo)與深海海底采礦的數(shù)量等級(jí)作為縱坐標(biāo)之間呈單調(diào)關(guān)系，當(dāng)指標(biāo)超過某項(xiàng)既定閾值時(shí)就判定為最高等級(jí)，當(dāng)指標(biāo)值低于既定閾值時(shí)就判定為最低等級(jí)，當(dāng)指標(biāo)值介于這兩類限值之間時(shí)則為中等等級(jí)，這是一種上下有限、中間段變化迅速而復(fù)雜的函數(shù)關(guān)系，即：

w'(i)=N/(1+e^{m(1)z(1,i)+m(2)z(2,i)+…+m(n}₅^)z(n₅^,i))

其中w'(i)為深海采礦生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級(jí)模型的計(jì)算值，它不超過N的正數(shù)，m(j)(j=1,……,5)為模型參數(shù)，本文為主要的5個(gè)參數(shù)，用下面優(yōu)化函數(shù)來選取參數(shù)：

Miny(m(n₁),…,m(n₅))=|w'(1)-w(1)|+|w'(2)-w(2)|+…+|w'(ni)-w(ni)|

其中，| |取絕對(duì)值，具體評(píng)價(jià)指標(biāo)根據(jù)深海采礦生態(tài)環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)預(yù)警站的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析評(píng)級(jí)，根據(jù)要求至少大于三級(jí)且為奇數(shù)；最后，計(jì)算得出具體的評(píng)價(jià)等級(jí)最終值；

步驟（8）：監(jiān)測(cè)預(yù)警：根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)模型等級(jí)最終值，對(duì)深海采礦生態(tài)環(huán)境進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)及預(yù)警，根據(jù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)最終值分析出最不利標(biāo)準(zhǔn)、最不利因素，形成三級(jí)報(bào)警閾值，當(dāng)三級(jí)報(bào)警時(shí)，重點(diǎn)對(duì)其站點(diǎn)進(jìn)行關(guān)注；當(dāng)二級(jí)報(bào)警響應(yīng)時(shí)，針對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)并分析，迅速采取有效手段；當(dāng)一級(jí)報(bào)警響應(yīng)時(shí)，根據(jù)情況請(qǐng)有關(guān)專家針對(duì)其情況進(jìn)行研討，形成最后決議上報(bào)有關(guān)部門；

步驟（9）：設(shè)備回收或維修：當(dāng)設(shè)備壽命結(jié)束，或中途有零部件出現(xiàn)損害情況，根據(jù)坐標(biāo)示意，根據(jù)站點(diǎn)布置，利用ROV水下機(jī)器人進(jìn)行掛鉤回收，將ROV掛纜至上部的防脫罩101吊環(huán)，帶著監(jiān)測(cè)設(shè)備一起向上拉著上浮，最后實(shí)現(xiàn)回收；讀取設(shè)備數(shù)據(jù)，更換耗材，準(zhǔn)備再次或下一觀測(cè)地點(diǎn)布放。