海洋調(diào)查數(shù)據(jù)集中控制系統(tǒng)框架研究*

張洪欣，張麗婷，段康弘，蘇 婕，路曉磊

（1.山東省海洋生態(tài)環(huán)境與防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 青島 266033；2.國家海洋局北海海洋技術(shù)保障中心 青島 266033）

海洋調(diào)查數(shù)據(jù)集中控制系統(tǒng)框架研究*

張洪欣1，2，張麗婷1，2，段康弘1，2，蘇 婕1，2，路曉磊1，2

（1.山東省海洋生態(tài)環(huán)境與防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 青島 266033；2.國家海洋局北海海洋技術(shù)保障中心 青島 266033）

當(dāng)前階段，隨著船舶儀器和調(diào)查設(shè)備自動化程度的提高，船舶信息溝通不暢、調(diào)查過程信息交互實(shí)時性不足等問題已逐漸成為影響海洋科考工作效率的關(guān)鍵因素。文章結(jié)合現(xiàn)階段海洋科學(xué)考察和調(diào)查船舶的特點(diǎn)，提出了一種海洋調(diào)查數(shù)據(jù)集中控制系統(tǒng)框架設(shè)計方法。采用該集中控制系統(tǒng)，可以實(shí)時獲取船舶信息以及調(diào)查設(shè)備數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)全船的船舶信息共享，并為海洋科考現(xiàn)場控制和數(shù)據(jù)處理提供決策依據(jù)和數(shù)據(jù)信息。

B／S架構(gòu)；海洋調(diào)查；船舶信息系統(tǒng)；集中控制

1 引言

近年來，隨著海洋調(diào)查設(shè)備的進(jìn)步和計算機(jī)技術(shù)［1］的發(fā)展，原有的調(diào)查設(shè)備信息獲取手段［2］和數(shù)據(jù)共享方法已難以滿足日益發(fā)展的海洋科考需要。與此同時，一系列數(shù)據(jù)集成［3］、信息處理［4］和資源共享［5］方法被逐漸引入到船舶管理和海洋科考中來，極大地促進(jìn)了海洋調(diào)查信息獲取手段的擴(kuò)展和數(shù)據(jù)共享自動化程度的提高。

本研究在參照海洋科考和船載儀器特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了一種海洋調(diào)查數(shù)據(jù)集中控制系統(tǒng)設(shè)計框架，并從海洋調(diào)查數(shù)據(jù)特點(diǎn)、系統(tǒng)功能需求、層次化構(gòu)建結(jié)構(gòu)等方面對系統(tǒng)框架設(shè)計進(jìn)行了深入研究。

2 海洋調(diào)查數(shù)據(jù)的特點(diǎn)

海洋調(diào)查作為海洋科考的一個重要的過程，需要考慮包括作業(yè)海域海況、海洋基本環(huán)境參數(shù)、船舶狀態(tài)和作業(yè)甲板狀態(tài)等多方面的因素。這些因素決定了海洋調(diào)查數(shù)據(jù)具有以下特點(diǎn)。

2.1 多樣性

海洋調(diào)查數(shù)據(jù)需要涉及包含船舶信息、氣象信息、調(diào)查設(shè)備數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)、絞車狀態(tài)數(shù)據(jù)等多種數(shù)據(jù)類型，各種數(shù)據(jù)信息從數(shù)據(jù)源、功能、通信方式等多方面都各不相同，這決定了海洋調(diào)查數(shù)據(jù)的多樣性特征。

2.2 連續(xù)性

海洋調(diào)查中環(huán)境參數(shù)獲取、海底海水取樣、絞車控制等都是一個持續(xù)性過程，往往需要長達(dá)數(shù)天甚至數(shù)十天的連續(xù)觀測監(jiān)測，因此獲取的數(shù)據(jù)信息具有連續(xù)性的特點(diǎn)。

2.3 階段有效性

由于海洋、天氣等環(huán)境的持續(xù)變化性，因此海洋調(diào)查數(shù)據(jù)往往只在某一時間點(diǎn)或者時間段內(nèi)有效，尤其是涉及與突發(fā)性狀況監(jiān)測相關(guān)的數(shù)據(jù)新，具有較強(qiáng)的階段有效性。

2.4 數(shù)據(jù)量大

海洋環(huán)境參數(shù)獲取的連續(xù)性和海洋調(diào)查取樣的要求決定了海洋調(diào)查數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)量大的特點(diǎn)。

3 海洋調(diào)查數(shù)據(jù)集中控制系統(tǒng)功能需求

基于海洋科學(xué)考察的需要和海洋調(diào)查數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，海洋調(diào)查數(shù)據(jù)集中控制系統(tǒng)需要滿足以下功能。

3.1 數(shù)據(jù)信息獲取

針對船舶信息、氣象信息、海洋環(huán)境參數(shù)、甲板狀態(tài)等多方面需求，依托于已有船舶硬件網(wǎng)絡(luò)連接系統(tǒng)，從多源異構(gòu)數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)格式解析等方面開展研究和應(yīng)用。建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)，對包括全球定位系統(tǒng)（GPS）、氣象儀、聲學(xué)多普勒流速剖面儀（ADCP）、測深儀、視頻監(jiān)控器等多種儀器設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取，并提交至數(shù)據(jù)服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)存儲。

3.2 數(shù)據(jù)通信保障

在已有船舶硬件網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，對船載設(shè)備數(shù)據(jù)通信所要使用的串口和網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議提供支持，并依托于相應(yīng)質(zhì)量體系標(biāo)準(zhǔn)和安全體系策略，構(gòu)建能夠滿足船舶信息交互的實(shí)時、有效、安全的數(shù)據(jù)通信保障網(wǎng)絡(luò)。

3.3 數(shù)據(jù)處理

針對不同類型的海洋調(diào)查數(shù)據(jù)，參照通用性數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和各儀器廠商自主設(shè)定的數(shù)據(jù)格式，對獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行解析處理，提取關(guān)鍵數(shù)據(jù)字段并保存，從而構(gòu)建核心參數(shù)數(shù)據(jù)庫，為用戶應(yīng)用提供基本的應(yīng)用數(shù)據(jù)源。

3.4 系統(tǒng)應(yīng)用管理

基于海洋調(diào)查數(shù)據(jù)集中控制系統(tǒng)持續(xù)性運(yùn)行的需求，集合用戶訪問的需要，完成對系統(tǒng)顯示界面和相應(yīng)基礎(chǔ)軟件的設(shè)計和實(shí)現(xiàn)。同時針對船載儀器設(shè)備、通信網(wǎng)絡(luò)、軟硬件平臺的運(yùn)行狀態(tài)，構(gòu)建后臺管理系統(tǒng)，對整個系統(tǒng)的可用性和健壯性進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，保障系統(tǒng)的持續(xù)應(yīng)用性。另外，采用模塊化對象接口設(shè)計方法，為集控系統(tǒng)后續(xù)應(yīng)用、維護(hù)、升級提供保障。

4 海洋調(diào)查數(shù)據(jù)集中控制系統(tǒng)框架設(shè)計

根據(jù)海洋調(diào)查數(shù)據(jù)集中控制系統(tǒng)的功能需求，參照當(dāng)前海洋調(diào)查船舶基礎(chǔ)通信網(wǎng)絡(luò)布設(shè)方法，提出一種采用層次結(jié)構(gòu)模型的海洋調(diào)查數(shù)據(jù)集中控制系統(tǒng)框架，系統(tǒng)整體構(gòu)建框架如圖1所示。

圖1 海洋調(diào)查數(shù)據(jù)集中控制系統(tǒng)框架

該框架依托于船舶已有硬件網(wǎng)絡(luò)連接，采用層次化結(jié)構(gòu)模型，自下而上分為數(shù)據(jù)平臺、系統(tǒng)平臺、功能模塊層和應(yīng)用層。

4.1 數(shù)據(jù)平臺

數(shù)據(jù)平臺是系統(tǒng)中數(shù)據(jù)信息的來源，依照功能劃分包含船舶信息設(shè)備、船載調(diào)查設(shè)備和基礎(chǔ)監(jiān)控設(shè)備3類。船舶信息設(shè)備主要包括GPS、羅經(jīng)、氣象儀等通用性船舶設(shè)備，為整套系統(tǒng)提供包含位置、船首向、航速等船舶信息以及風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫等環(huán)境參數(shù)信息。船載調(diào)查設(shè)備主要涵蓋海洋科學(xué)考察所需的常用設(shè)備，如ADCP、測深儀、溫鹽深儀（CTD）等，在整套系統(tǒng)中負(fù)責(zé)提供流速、流向、水深等海洋環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)和調(diào)查數(shù)據(jù)的獲取，是系統(tǒng)的核心數(shù)據(jù)源。基礎(chǔ)監(jiān)控設(shè)備包括船載視頻監(jiān)視器、數(shù)據(jù)采集器等監(jiān)視監(jiān)控設(shè)備，提供船舶監(jiān)控影像數(shù)據(jù)、絞車張力數(shù)據(jù)等狀態(tài)參考數(shù)據(jù)。

4.2 系統(tǒng)平臺

系統(tǒng)平臺是整套系統(tǒng)的軟硬件平臺，為整個系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)和布設(shè)提供軟件支持和硬件保障。其中，硬件平臺主要包括數(shù)據(jù)處理工作站、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)存儲以及網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器；軟件平臺包括操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫軟件以及應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)需要的其他基礎(chǔ)軟件。

4.3 功能模塊層

功能模塊層包含在基礎(chǔ)平臺基礎(chǔ)上的以應(yīng)用模式劃分的功能模塊組件。在該層次設(shè)計過程中，以模塊復(fù)用性和易維護(hù)性作為設(shè)計的核心思想，采取面向?qū)ο蟮墓δ苣K設(shè)計方法。同時，以實(shí)際應(yīng)用模式作為模塊劃分準(zhǔn)則，以對象作為模塊間交互的方式，構(gòu)建統(tǒng)一的功能模塊層。該層次中各功能模塊在運(yùn)行時各司其職，僅通過對象實(shí)體進(jìn)行必要的協(xié)作和交互運(yùn)行。如數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊，負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)信息通過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)這一功能實(shí)現(xiàn)，在模塊功能實(shí)現(xiàn)過程中，需要通過串口數(shù)據(jù)傳送對象從數(shù)據(jù)收集模塊獲取串口數(shù)據(jù)，然后通過將獲取的串口數(shù)據(jù)和原有網(wǎng)絡(luò)接口數(shù)據(jù)一起通過網(wǎng)絡(luò)接口向用戶終端（個人PC或工作站）進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)或分發(fā)。

4.4 應(yīng)用層

應(yīng)用層主要起到連接用戶和集控系統(tǒng)的作用，為用戶提供顯示和操作界面。采用瀏覽器／服務(wù)器模式（B／S）架構(gòu)的集控系統(tǒng)應(yīng)用層工具為瀏覽器（IE核心），而負(fù)責(zé)向?yàn)g覽器提供用戶體驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用的應(yīng)用模式服務(wù)系統(tǒng)包括：船舶信息系統(tǒng)、船舶調(diào)查數(shù)據(jù)查詢系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)。船舶信息系統(tǒng)采用“訪問－顯示”方法，在用戶提交申請?jiān)L問命令后，通過瀏覽器以船舶信息系統(tǒng)的Web頁面，向用戶提供直觀的GPS信息、船首向、船速、溫度、濕度等信息顯示。船舶調(diào)查數(shù)據(jù)查詢系統(tǒng)采取典型的B／S模式數(shù)據(jù)訪問流程，即用戶通過瀏覽器提出船舶調(diào)查數(shù)據(jù)查詢申請、之后應(yīng)用服務(wù)器通過網(wǎng)絡(luò)向數(shù)據(jù)服務(wù)器提出數(shù)據(jù)請求命令、數(shù)據(jù)服務(wù)器相應(yīng)命令并返回相應(yīng)數(shù)據(jù)、應(yīng)用服務(wù)器將相應(yīng)數(shù)據(jù)以顯示信息的形式反饋至瀏覽器完成信息回饋過程。監(jiān)視系統(tǒng)采用插件式視頻播放模塊，將監(jiān)控信息尤其是視頻監(jiān)控狀態(tài)直觀地呈現(xiàn)在瀏覽器頁面中。

5 總結(jié)及展望

隨著我國海洋調(diào)查技術(shù)的發(fā)展和綜合國力的增強(qiáng)，海洋數(shù)據(jù)信息的需求量和重要性逐年增加。本研究參照當(dāng)前階段海洋調(diào)查的實(shí)際需求和調(diào)查船舶的實(shí)際情況，提出了一種海洋調(diào)查數(shù)據(jù)集中控制系統(tǒng)構(gòu)建方法。采用該方法構(gòu)建的船舶調(diào)查數(shù)據(jù)信息集中控制系統(tǒng)，可以很好地完成從數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)處理到實(shí)際應(yīng)用等一系列工作，提高海洋科考的工作效率。同時，系統(tǒng)采用模塊化分層設(shè)計方法，具有較好的復(fù)用性和擴(kuò)展性，有助于在未來進(jìn)一步提升系統(tǒng)的功能和效率，以滿足日益增長的海洋調(diào)查數(shù)據(jù)需求。

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山東省海洋生態(tài)環(huán)境與防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目（201302）.