海洋觀測網(wǎng)實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

呂憧憬，姜曉軼，王 漪，席曉桃

（1.國家海洋信息中心 國家海洋局 數(shù)字海洋科學(xué)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300171）

海洋觀測網(wǎng)實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

呂憧憬1，姜曉軼1，王 漪1，席曉桃1

（1.國家海洋信息中心 國家海洋局 數(shù)字海洋科學(xué)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300171）

綜合GIS、數(shù)據(jù)庫和富客戶端開發(fā)等技術(shù)，設(shè)計一套B/S環(huán)境下的海洋觀測網(wǎng)實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了海洋臺站、浮標(biāo)和志愿船等海洋觀測設(shè)備的實(shí)時狀態(tài)監(jiān)控、預(yù)警和故障統(tǒng)計分析等功能，能為相關(guān)部門及時掌握觀測網(wǎng)運(yùn)行狀況、提升海洋環(huán)境觀測預(yù)報管理水平提供高效的解決方案。

Flex；ArcGIS Server；海洋臺站；浮標(biāo)；運(yùn)行監(jiān)控

海洋觀測是研究海洋、開發(fā)海洋、利用海洋的基礎(chǔ)[1]。海洋觀測所獲取的資料，對海洋的防災(zāi)減災(zāi)、權(quán)益維護(hù)、資源開發(fā)、環(huán)境保護(hù)、國防建設(shè)及海洋科學(xué)研究等方面具有重大意義[2]。海洋臺站、浮標(biāo)、志愿船等是海洋觀測信息獲取的重要手段，經(jīng)過多年的建設(shè)，我國已建成以海洋臺站、浮標(biāo)為主，志愿船和斷面調(diào)查船為輔，覆蓋渤海、黃海、東海和南海等海域的較為系統(tǒng)、完善的海洋觀測網(wǎng)[3]。但這些觀測設(shè)施的運(yùn)行維護(hù)大多由沿海省市海洋部門負(fù)責(zé)，監(jiān)管分散，缺乏統(tǒng)一的運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)，不利于相關(guān)部門及時掌握各個觀測設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，無法提供高效的決策輔助。本文針對海洋觀測網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)控的迫切需求，建設(shè)了一套監(jiān)控實(shí)時、界面友好、操作流暢的海洋觀測網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)。

1 總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

本系統(tǒng)采取輕量級開發(fā)框架PureMVC進(jìn)行設(shè)計，分為數(shù)據(jù)層、服務(wù)層和應(yīng)用層，3個層之間通過消息響應(yīng)機(jī)制進(jìn)行通信，模塊之間耦合度低，系統(tǒng)功能易擴(kuò)展和維護(hù)（圖1）[4]。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計架構(gòu)圖

1）數(shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)層包含空間數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫兩個部分，前者主要以圖層的形式存儲海洋臺站、浮標(biāo)、志愿船及底圖等數(shù)據(jù)，如設(shè)備參數(shù)、所屬分局/中心站及位置信息等，通過ArcSDE接口與服務(wù)層交互；后者主要存儲觀測設(shè)備的實(shí)時運(yùn)行狀態(tài)、歷史故障信息、統(tǒng)計信息及實(shí)時采集的數(shù)據(jù)等，通過JDBC進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取。

2）服務(wù)層。服務(wù)層對系統(tǒng)的業(yè)務(wù)邏輯進(jìn)行設(shè)計，并以服務(wù)的方式進(jìn)行發(fā)布。按照數(shù)據(jù)特征，可分為針對空間數(shù)據(jù)的GIS服務(wù)和針對屬性數(shù)據(jù)的屬性服務(wù)。GIS服務(wù)提供了基礎(chǔ)地圖服務(wù)、空間查詢量算、空間分析和統(tǒng)計分析服務(wù)，該服務(wù)采用ESRI公司提供的ArcGIS Server通過REST接口對外發(fā)布[5]。屬性服務(wù)包括運(yùn)行狀態(tài)查詢檢索、故障統(tǒng)計分析、觀測要素可視化及狀態(tài)信息更新等服務(wù)，這些服務(wù)被封裝成Web Services服務(wù)，以請求/響應(yīng)機(jī)制對外發(fā)布服務(wù)。

3）應(yīng)用層。應(yīng)用層將根據(jù)業(yè)務(wù)需要構(gòu)建專題應(yīng)用模塊，直接為用戶服務(wù)。本系統(tǒng)針對我國海洋觀測網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控的業(yè)務(wù)需求，選取Flex Viewer作為開發(fā)框架，開發(fā)了海洋臺站監(jiān)控模塊、浮標(biāo)監(jiān)控模塊、志愿船監(jiān)控模塊及故障警告模塊等應(yīng)用模塊，以FlashPlayer和Web瀏覽器的方式為用戶提供應(yīng)用服務(wù)。該Flex Viewer框架中自帶了一些基本地圖功能模塊（Widget），如鷹眼視圖、導(dǎo)航控件等，滿足了基本地圖操作。系統(tǒng)建設(shè)只需要開發(fā)業(yè)務(wù)相關(guān)的Widget，并配置到config.xml文件中[6]，框架將自動完成模塊的加載應(yīng)用，極大地提高了系統(tǒng)開發(fā)效率。

1.2 系統(tǒng)功能設(shè)計

海洋觀測網(wǎng)運(yùn)行實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)包含業(yè)務(wù)功能模塊和GIS功能模塊兩大類（圖2）。

圖2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

1.2.1 業(yè)務(wù)功能模塊

業(yè)務(wù)功能模塊根據(jù)運(yùn)行監(jiān)控對象的不同，劃分為海洋臺站、浮標(biāo)、志愿船3個監(jiān)控模塊，同時為了便于用戶操作，本系統(tǒng)將故障警告模塊單獨(dú)安置，動態(tài)提示故障報警信息，方便決策者及時掌握臺站、浮標(biāo)和志愿船當(dāng)前運(yùn)行狀況并制定決策方案。

1）海洋臺站監(jiān)控模塊將所有海洋臺站按照管轄歸屬劃分為3大類，再根據(jù)管轄歸屬范圍內(nèi)的沿海市劃分小類。將臺站以“海區(qū)-沿海市-臺站”三級列表的形式進(jìn)行組織，通過點(diǎn)擊列表中的臺站進(jìn)行地圖定位并顯示到地圖上。點(diǎn)擊地圖上該臺站的位置圖標(biāo)，查詢該臺站的屬性信息。海洋臺站模塊同時實(shí)現(xiàn)了分鐘報信息監(jiān)控，能夠?qū)崿F(xiàn)分鐘級的臺站觀測要素，如潮位、氣溫、水溫、鹽度、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向和降水量等要素的監(jiān)控，并能夠?qū)⒉糠忠禺?dāng)天觀測數(shù)據(jù)以曲線的形式繪制出來。數(shù)據(jù)接收情況統(tǒng)計和故障信息統(tǒng)計實(shí)現(xiàn)了按分局、中心站、臺站、時間段進(jìn)行歷史故障統(tǒng)計。

2）浮標(biāo)監(jiān)控模塊與海洋臺站類似，實(shí)現(xiàn)了浮標(biāo)定位及信息查詢功能、小時級的浮標(biāo)觀測數(shù)據(jù)接收、監(jiān)控與觀測要素可視化功能、浮標(biāo)故障查看及歷史故障統(tǒng)計、觀測數(shù)據(jù)接收情況統(tǒng)計等一系列功能。

3）志愿船監(jiān)控模塊主要實(shí)現(xiàn)了志愿船定位查詢和故障信息統(tǒng)計功能。志愿船主要分為執(zhí)法船、考察船、搜救船及其他船舶4類，其他船舶包括科考船只、勘探船、漁船及隸屬其他企業(yè)法人的船舶。由于志愿船的組成較為復(fù)雜，且船舶采集的數(shù)據(jù)較為重要，其實(shí)時采集的數(shù)據(jù)不在本系統(tǒng)中查詢可視化，但是志愿船的運(yùn)行狀態(tài)、實(shí)時位置信息的監(jiān)控，對海洋決策者宏觀把握、統(tǒng)一調(diào)度、輔助決策存在重大的意義。

4）故障警告模塊實(shí)時監(jiān)控海洋臺站、浮標(biāo)及志愿船的工作狀態(tài)，實(shí)時列出產(chǎn)生故障的觀測設(shè)備，并在地圖上展示出來，其中運(yùn)行正常的設(shè)備以綠色圖標(biāo)指示，出現(xiàn)故障的設(shè)備以紅色閃爍圖標(biāo)指示出來。用戶可以直觀、快速地關(guān)注并定位到故障設(shè)施，并作出維修、更換等應(yīng)急決策。

1.2.2 GIS功能模塊

GIS功能模塊主要實(shí)現(xiàn)地圖相關(guān)基本操作，包括底圖切換控制、圖層控制、屬性查詢、鷹眼視圖、底圖導(dǎo)航等功能。

地圖切換功能支持多個不同類型底圖的切換，主要有兩種類型，一種是Dynamic類型，它支持地圖操作的無級縮放，但是這種類型的底圖顯示效率較差；另一種是Tiled類型，它首先需要用ArcGIS Server進(jìn)行切片處理，設(shè)定好幾個固定比例尺，以地圖瓦片的形式發(fā)布，地圖只能在設(shè)定好的幾個比例尺間進(jìn)行放縮，優(yōu)點(diǎn)是顯示效率較高。Flex Viewer框架還支持Google地圖和百度地圖服務(wù)的導(dǎo)入?？紤]到底圖顯示效率及系統(tǒng)部署，將采取瓦片的形式提供底圖服務(wù)。

其他幾項(xiàng)GIS功能直接采用了Flex Viewer框架提供的插件進(jìn)行修改實(shí)現(xiàn)，滿足用戶基本地圖操作，組件樣式美觀、操作流暢。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 實(shí)時監(jiān)控數(shù)據(jù)獲取

海洋觀測設(shè)備實(shí)時監(jiān)控數(shù)據(jù)的獲取、傳輸與存儲是系統(tǒng)建設(shè)的基礎(chǔ)和前提。為了有效獲取海洋臺站、浮標(biāo)及志愿船的實(shí)時信息，將不同觀測設(shè)備進(jìn)行分別處理。

海洋臺站和浮標(biāo)觀測設(shè)備本身具備數(shù)據(jù)傳輸和通信機(jī)制，其運(yùn)行狀態(tài)及觀測數(shù)據(jù)將實(shí)時傳輸?shù)降胤胶Ｑ蟊O(jiān)測站，再由地方海洋監(jiān)測站傳輸?shù)剿鶎俸^(qū)，然后由各海區(qū)經(jīng)專網(wǎng)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)管理中心。志愿船的監(jiān)控狀況較為復(fù)雜，本系統(tǒng)只對已經(jīng)安裝船舶監(jiān)控自動識別系統(tǒng)（AIS）的部分志愿船進(jìn)行信息采集，將船舶實(shí)時信息以短報文的形式發(fā)送到數(shù)據(jù)管理中心，由相關(guān)部門對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行接收和入庫處理。

2.2 系統(tǒng)開發(fā)實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)采用Flex進(jìn)行富客戶端應(yīng)用程序開發(fā)，將展示邏輯和業(yè)務(wù)邏輯轉(zhuǎn)移到客戶端，能夠很大程度上提升服務(wù)器并行服務(wù)的用戶訪問量。選取ESRI公司推出的Flex Viewer作為WebGIS應(yīng)用程序的開發(fā)框架。Flex Viewer框架采用了模塊化架構(gòu)，并以插件的形式搭建一個應(yīng)用程序框架，它提供了一套模塊的接口標(biāo)準(zhǔn)，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各個模塊之間的通信，控制程序的頁面布局，以配置文件的形式對功能模塊進(jìn)行組織[7]?？臻g數(shù)據(jù)采用ArcSDE進(jìn)行管理，屬性數(shù)據(jù)存儲到SQL Server2008中。數(shù)據(jù)訪問采用Web Services的方式，用Java語言編寫并以Tomcat進(jìn)行發(fā)布，以WSDL語言發(fā)送請求，響應(yīng)結(jié)果以JSON字符串的形式返回到客戶端，數(shù)據(jù)訪問過程遵守SOAP協(xié)議，如圖3所示。采用ArcGIS Server提供地圖發(fā)布服務(wù)，底圖包括Tiled和Dynamic兩種類型，前者為tiff格式全球地形瓦片底圖，后者為shape格式地形底圖。

圖3 Web Services數(shù)據(jù)調(diào)用

2.3 系統(tǒng)部署與試運(yùn)行

目前，該系統(tǒng)已經(jīng)在相關(guān)職能部門完成了部署及試運(yùn)行，運(yùn)行狀況良好。接下來將根據(jù)系統(tǒng)試運(yùn)行狀況，對海洋觀測設(shè)備的數(shù)目和類別進(jìn)行適當(dāng)增加，并依照用戶的反饋意見進(jìn)一步完善系統(tǒng)功能。系統(tǒng)部分功能示例如圖4。

圖4 系統(tǒng)部分功能截圖（系統(tǒng)采用的是ArcGISonline網(wǎng)絡(luò)地圖，審圖號：GS(2010)6011）

3 結(jié) 語

本文通過對WebGIS相關(guān)技術(shù)進(jìn)行研究，設(shè)計研發(fā)了海洋觀測網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了海洋臺站、浮標(biāo)和志愿船的實(shí)時監(jiān)控。從功能角度而言，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了海洋觀測設(shè)備監(jiān)控業(yè)務(wù)的主要功能模塊，涉及到設(shè)備的觀測要素實(shí)時監(jiān)控與可視化、數(shù)據(jù)接收情況及故障信息查詢統(tǒng)計、實(shí)時故障警報等功能。從實(shí)現(xiàn)角度而言，本系統(tǒng)采用PureMVC 3層架構(gòu)、基于Flex Viewer框架并以功能插件的形式完成了B/S模式富客戶端應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)。該系統(tǒng)的建立將為海洋相關(guān)部門及時掌握觀測設(shè)備運(yùn)行狀況、輔助決策提供了一套高效的解決方案。

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[3] 林春梅,余麒祥,曹宇峰.淺談海洋臺站工作的管理[J].海洋開發(fā)與管理,2013(4):44-47

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1672-4623（2015）04-0080-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.04.029

呂憧憬，碩士，主要研究領(lǐng)域?yàn)楹Ｑ蟮乩硇畔⑾到y(tǒng)。

2014-08-07。

項(xiàng)目來源：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41271391、41171304）。