天津大神堂海洋特別保護區(qū)監(jiān)視監(jiān)控系統(tǒng)建設*

喬延龍，陳亮，殷小亞

(1.天津市海洋咨詢評估中心 天津 300457； 2.天津大學環(huán)境科學與工程學院 天津 300072；3.天津渤海水產(chǎn)研究所 天津 300457)

?

天津大神堂海洋特別保護區(qū)監(jiān)視監(jiān)控系統(tǒng)建設*

喬延龍1，2，陳亮1，殷小亞3

(1.天津市海洋咨詢評估中心 天津 300457； 2.天津大學環(huán)境科學與工程學院 天津 300072；3.天津渤海水產(chǎn)研究所 天津 300457)

文章介紹了天津大神堂實施離岸監(jiān)視監(jiān)控的可行性和重要性，提出了離岸海洋環(huán)境下，海洋監(jiān)視監(jiān)控平臺前端數(shù)據(jù)采集、無線數(shù)據(jù)傳輸、后端數(shù)據(jù)接收和處理等技術要求及設計原則，并對監(jiān)視監(jiān)控系統(tǒng)建設技術要點進行了分析，以期為我國海洋觀測和監(jiān)測臺站建設提供參考。

監(jiān)視監(jiān)控系統(tǒng)；監(jiān)視監(jiān)控平臺；無線數(shù)據(jù)傳輸；海洋觀測

由于地殼運動和獨特海洋生態(tài)環(huán)境，天津大神堂成為我國北方緯度最高的現(xiàn)代活體牡蠣礁聚集海域，區(qū)域內(nèi)的長牡蠣、毛蚶、褶牡蠣、脈紅螺等海洋生物資源豐富。為了進一步保護貝類生物資源，國家海洋局批準建立天津大神堂牡蠣礁國家級海洋特別保護區(qū)，天津市設立貝類增養(yǎng)殖區(qū)，在最近發(fā)布的“天津市海洋生態(tài)紅線區(qū)報告”中，“天津大神堂牡蠣礁國家級海洋特別保護區(qū)”是天津市劃定的5個海洋生態(tài)紅線區(qū)之一。

在渤海經(jīng)濟圈和京津冀一體化提升到國家經(jīng)濟發(fā)展戰(zhàn)略總體布局的背景下，經(jīng)國務院批準，天津確定為全國第五個海洋經(jīng)濟發(fā)展試點區(qū)，天津濱海新區(qū)作為全國經(jīng)濟發(fā)展的重點地區(qū)，海洋經(jīng)濟得到快速發(fā)展。在科學開發(fā)海洋資源的前提下，為了加強海洋生態(tài)環(huán)境保護，實現(xiàn)海洋經(jīng)濟開發(fā)和生態(tài)環(huán)境保護協(xié)調(diào)發(fā)展，保護大神堂淺?；铙w牡蠣礁，加強海洋特別保護區(qū)的生物資源和生態(tài)環(huán)境監(jiān)管，同時兼顧天津和渤海灣北部海域溢油、赤潮、環(huán)境監(jiān)測、海洋災害預警與防范、海域動態(tài)管理、海洋綜合管理、海洋公眾服務等海洋觀測和監(jiān)測的業(yè)務化應用需求，借鑒先進通信技術和成熟的監(jiān)視監(jiān)控平臺構(gòu)建經(jīng)驗，應用高清化、智能化和網(wǎng)絡化技術成果，本文提出了基于離岸平臺的天津大神堂海洋監(jiān)視監(jiān)控系統(tǒng)，利用海洋監(jiān)視監(jiān)控平臺進行視頻、環(huán)境等數(shù)據(jù)統(tǒng)一監(jiān)控，并提供業(yè)務化接口，具備開放性和擴增能力，便于開展分步驟的后續(xù)海洋監(jiān)視監(jiān)控系統(tǒng)建設。

1 監(jiān)視監(jiān)控系統(tǒng)的總體分析

根據(jù)天津市海洋觀測網(wǎng)絡布局，規(guī)劃在濱海新區(qū)塘沽、漢沽、大港分別建設3個岸基海洋監(jiān)測站，在天津北部大神堂國家級海洋特別保護區(qū)和南部海域建設兩座海洋監(jiān)視監(jiān)控平臺，形成“三近、兩遠”的近岸近海海洋觀測體系，開展天津全海域的海洋要素觀測和海洋環(huán)境監(jiān)測。

大神堂海洋監(jiān)視監(jiān)控系統(tǒng)由離岸海上監(jiān)視監(jiān)測平臺、無線傳輸和岸基監(jiān)控中心3部分組成，該系統(tǒng)定位為海洋智慧監(jiān)視監(jiān)測系統(tǒng)，是一套集視頻監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測、海域監(jiān)管、災害預警、指揮調(diào)度為一體的智能信息系統(tǒng)。前端監(jiān)視監(jiān)控平臺能夠為岸基監(jiān)控中心提供準確、及時的數(shù)據(jù)信息，對海洋特別保護區(qū)進行實時視頻圖像、生態(tài)環(huán)境、防災減災監(jiān)視監(jiān)控，并對監(jiān)控數(shù)據(jù)資料進行存儲、調(diào)用、處理，通過開放式的系統(tǒng)平臺，實現(xiàn)與多部門及其他應用單位的互聯(lián)互通，構(gòu)建以大神堂海洋監(jiān)視監(jiān)控系統(tǒng)為核心的天津海洋大數(shù)據(jù)信息中心。

2 建設原則

(1)規(guī)范性:在系統(tǒng)的設計過程中，嚴格執(zhí)行相關標準與規(guī)范，遵從各項技術規(guī)定，做好系統(tǒng)的標準化設計。運用模塊化結(jié)構(gòu)，符合國家標準和行業(yè)規(guī)范，保證系統(tǒng)性能和技術要求穩(wěn)定可靠。

(2)先進性:結(jié)合數(shù)字海洋、智慧海洋的發(fā)展需要，采用先進的監(jiān)控技術、監(jiān)測技術、傳輸技術和存儲技術，提升系統(tǒng)的技術壽命，強化系統(tǒng)升級的可延續(xù)性，保障系統(tǒng)安全運行并具發(fā)展?jié)摿Α?/p>

(3)操作性:充分考慮與其他系統(tǒng)的連接，實現(xiàn)清晰、簡潔、友好，操控簡便、靈活的人-機對話界面，系統(tǒng)采用全中文、圖形化軟件，便于實現(xiàn)整個監(jiān)控系統(tǒng)管理與維護。

(4)安全性:為了保證海洋數(shù)據(jù)信息安全，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫構(gòu)建分層次和級別、保證數(shù)據(jù)庫在各種級別保密程度上的查詢訪問，具備數(shù)據(jù)備份和系統(tǒng)恢復功能，防止數(shù)據(jù)信息被任意查詢和破壞。

3 監(jiān)視監(jiān)控系統(tǒng)的架構(gòu)

3.1 系統(tǒng)組成

在中央分成海域使用金支出項目“天津大神堂前?；钅迪牻釜毺厣鷳B(tài)系統(tǒng)保護與修復項目”的支持下，天津市海洋咨詢評估中心負責天津大神堂海洋監(jiān)視監(jiān)控系統(tǒng)建設工作。天津大神堂海洋監(jiān)視監(jiān)控系統(tǒng)共包括三大子系統(tǒng)：數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、信息傳輸子系統(tǒng)、中心控制子系統(tǒng)。

3.2 功能模塊設計

3.2.1 監(jiān)視監(jiān)控平臺

大神堂海洋監(jiān)視監(jiān)控平臺距岸線約5 km，水深約4 m，平臺建設休息間和設備間組成的環(huán)境監(jiān)測室。其中，休息間用于臨時應急、連續(xù)試驗等情況下派駐人員值守；設備間設置溫鹽井、驗潮井和監(jiān)測預留井，可實時獲取溫度、鹽度、重金屬、溶解氧、營養(yǎng)鹽、潮位等監(jiān)測指標的連續(xù)數(shù)據(jù)。在環(huán)境監(jiān)測室房頂搭載重型云臺的數(shù)字監(jiān)控攝像機，對半徑約3 km的范圍進行視頻實時動態(tài)監(jiān)控。在平臺高樁墩臺和環(huán)境監(jiān)測室屋頂分別布設風力發(fā)電設備和太陽能電池板，保持穩(wěn)定的電力輸出。同時在平臺安裝防雷接地系統(tǒng)和安全警示燈，提升監(jiān)視監(jiān)控平臺的安全等級。

3.2.2 無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)是指前端采集的數(shù)據(jù)經(jīng)編譯處理后，以數(shù)字信號方式通過載體(如光纖、網(wǎng)線、無線等)傳送到數(shù)據(jù)監(jiān)控中心。結(jié)合天津大神堂前?；钅迪牻釜毺厣鷳B(tài)系統(tǒng)保護與修復項目要求和國內(nèi)外先進網(wǎng)絡技術，大神堂監(jiān)視監(jiān)控平臺使用IP無線網(wǎng)橋方式進行組網(wǎng)，可實現(xiàn)平臺在離岸可視環(huán)境下的長時間無人值守運轉(zhuǎn)，保證平臺前端視頻監(jiān)控業(yè)務、雙向控制信號、遠程語音報警業(yè)務、防盜報警等高效運行。

3.2.3 岸基監(jiān)控中心

岸基監(jiān)控中心是整個系統(tǒng)的管理單位，包括數(shù)據(jù)機房、中控室、會商室3個區(qū)域，各區(qū)域按照功能布設不同的設備。在渤海海洋監(jiān)測監(jiān)視基地業(yè)務樓搭建無線傳輸接收終端，將數(shù)據(jù)信息傳輸至數(shù)據(jù)機房，對數(shù)據(jù)進行處理和保存，同時在中控室設置多個PC終端，用于獲取存儲的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行加工，制作成不同的數(shù)字產(chǎn)品，通過會商室的大屏幕進行實時監(jiān)控和數(shù)字產(chǎn)品發(fā)布。同時安裝交換機和網(wǎng)絡防火墻設備，保證對內(nèi)的安全訪問和對外網(wǎng)絡的安全連接，通過網(wǎng)絡實現(xiàn)與上、下級單位聯(lián)網(wǎng)的智能監(jiān)視監(jiān)控管理系統(tǒng)。

4 監(jiān)視監(jiān)控系統(tǒng)技術特點

4.1 無線數(shù)據(jù)傳輸

由于平臺選址區(qū)域海洋環(huán)境條件復雜，距離岸線約5 km，采用傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡或者光纖傳輸數(shù)據(jù)損耗大、成本高。為實現(xiàn)前端采集數(shù)據(jù)至監(jiān)控中心機房的高效鏈路傳輸，平臺采用5.8G無線數(shù)字微波系統(tǒng)，即基于IP網(wǎng)絡的數(shù)字化傳輸網(wǎng)絡模式，利用點對點的組網(wǎng)方式架構(gòu)IP數(shù)據(jù)通路，提供穩(wěn)定、高帶寬的IP數(shù)據(jù)網(wǎng)絡，不僅能夠傳送多路全數(shù)字高清(1 080P)視頻圖像、雙向控制信號、語音信號，而且還能夠為氣象學、水文學、水質(zhì)學等多種數(shù)據(jù)業(yè)務提供穩(wěn)定和充裕的數(shù)據(jù)傳輸通道，構(gòu)成監(jiān)視監(jiān)測的無線專用網(wǎng)絡。

隨著數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩珕栴}日益突出，加強來源認證、保密通信和授權訪問等數(shù)據(jù)安全服務顯得尤為重要。在現(xiàn)有微波作為傳輸數(shù)據(jù)文件主鏈路的基礎上，該系統(tǒng)兼容北斗衛(wèi)星、移動3G/4G網(wǎng)絡等多種輔助信道，將來可開展主輔混合組網(wǎng)模式，配備“雙信道”，通過設置通信的優(yōu)先級別，根據(jù)不同需求，實現(xiàn)不同無線傳輸信道的自動轉(zhuǎn)換。

4.2 能源供給方式

大神堂海洋監(jiān)視監(jiān)控平臺屬于無人值守海洋觀測平臺，搭載視頻采集、無線傳輸、環(huán)境監(jiān)測、氣象監(jiān)測、警示燈及其他先進設備儀器，將產(chǎn)生較大的電力能源消耗。此外，平臺建設周邊海域海洋工程開發(fā)活動頻繁，綜合安全、節(jié)能、維護等方面考慮，平臺選用風光互補的電力能源供給模式，在平臺高樁墩臺安裝風力發(fā)電機和環(huán)境監(jiān)測室屋頂布設先進環(huán)保的太陽能電池板，并配置多組膠體蓄電池，即便是在雨、雪等惡劣天氣條件下，也能為平臺搭載的設備儀器提供穩(wěn)定的電力能源供應。

4.3 鋼樁保護措施

國內(nèi)外的研究結(jié)果表明，在海洋環(huán)境中，鋼結(jié)構(gòu)的局部腐蝕速度遠大于平均腐蝕速度，這種局部腐蝕會造成鋼結(jié)構(gòu)物的腐蝕穿孔或應力集中，成為鋼結(jié)構(gòu)物的安全隱患。大神堂海洋監(jiān)視監(jiān)控平臺的鋼管樁貫穿水位變動區(qū)、海水全浸區(qū)和海泥區(qū)3個區(qū)域，鋼管樁將受到氯化物、硫化物、各種陰陽離子及海洋微生物的腐蝕，平臺結(jié)構(gòu)將不可避免地受到一定程度的腐蝕。為降低平臺鋼管樁的腐蝕速率，依據(jù)國內(nèi)外相關標準，結(jié)合平臺鋼管樁環(huán)氧重型防腐工藝，對平臺鋼管樁采取“鋼管樁犧牲陽極陰極保護”防腐蝕措施，增加海洋監(jiān)視監(jiān)控平臺使用年限，為大神堂海洋監(jiān)視監(jiān)控平臺提供穩(wěn)定、有效的保護。

4.4 警示和報警系統(tǒng)

大神堂海洋監(jiān)視監(jiān)控平臺位于渤海灣的灣頂，天津中心漁港航道東北側(cè)，西北方向為北疆電廠，并且周邊海域是重要漁業(yè)生產(chǎn)區(qū)域，為了防止過往船只碰撞，在鋼樁、墩臺和環(huán)境監(jiān)測室墻面噴涂交通熒光標示，并在監(jiān)測室屋頂拐角處架設安全警示燈。為了提高安全防盜，在環(huán)境監(jiān)測室的屋頂安裝一臺紅外高速球機，利用紅外線報警技術，實現(xiàn)對全平臺預警報警全覆蓋。若發(fā)現(xiàn)有人入侵及其他意外情況，可自動發(fā)出報警信息，通過岸基指揮中心實時與球機實現(xiàn)語音對講的功能，及時采取相應的干預措施。

4.5 預留擴展模塊

根據(jù)“天津大神堂前海活牡蠣礁獨特生態(tài)系統(tǒng)保護與修復項目”要求，大神堂海洋監(jiān)視監(jiān)控平臺主要功能是監(jiān)視項目示范區(qū)周邊的漁業(yè)生產(chǎn)情況，加強項目示范區(qū)管理，維護項目示范區(qū)的生態(tài)修復效果。由于平臺受外界干擾少，可以更為準確地反映自然海域的環(huán)境狀況變化，為了發(fā)揮平臺最大作用，在滿足監(jiān)視功能的基礎上，設置了常規(guī)環(huán)境監(jiān)測的溫鹽井、潮汐監(jiān)測的驗潮井及開展其他監(jiān)測項目的預留井。同時，平臺可以搭載氣象觀測設備，開展大氣二氧化碳通量、濕度、風速、降雨量等氣象因素觀測，還可以在平臺周圍進行一些有離岸要求的科研試驗，打造高校和科研院所的“海上實驗室”。

5 應用前景

天津地處渤海灣的灣頂，冬季存在結(jié)冰現(xiàn)象，為了降低養(yǎng)護成本，結(jié)合“天津大神堂前?；钅迪牻釜毺厣鷳B(tài)系統(tǒng)保護與修復項目”要求，將大神堂海洋監(jiān)視監(jiān)控系統(tǒng)建設的平臺由最初確定的浮標改為樁基水泥墩臺。大神堂海洋監(jiān)視監(jiān)控平臺建成后，將成為全國首個基于離岸的海洋監(jiān)視監(jiān)控專用平臺，對于天津大神堂牡蠣礁海洋特別保護區(qū)監(jiān)管和保護工作意義重大。同時，也是天津市和渤海灣北部海域海洋觀測網(wǎng)和海域使用動態(tài)監(jiān)視監(jiān)測管理系統(tǒng)的重要組成部分。

大神堂海洋監(jiān)視監(jiān)控系統(tǒng)的平臺設計綜合相關部門的需求，搭載設備儀器采用國內(nèi)外先進成熟的產(chǎn)品，系統(tǒng)集成融合了視頻圖像高清技術、風光供電互補技術、無線網(wǎng)絡技術、GIS地理信息系統(tǒng)技術、自動報警技術等，在發(fā)揮監(jiān)視監(jiān)控功能時，還可以兼顧海洋環(huán)境監(jiān)測和觀測，對赤潮、漏油等突發(fā)事件進行及時觀測預警。此外，根據(jù)天津市海洋功能區(qū)劃將中心漁港和濱海旅游區(qū)功能區(qū)定位為休閑旅游，利用監(jiān)視監(jiān)控系統(tǒng)制作數(shù)字產(chǎn)品，通過政府官網(wǎng)、微博、微信等媒介實時發(fā)布“舒適度指數(shù)”，包括水溫、氣溫、濕度、風速、風向等信息，促進周邊旅游業(yè)快速發(fā)展。隨著天津市海洋事業(yè)快速發(fā)展，大神堂海洋監(jiān)視監(jiān)控平臺將打造成為集監(jiān)視監(jiān)測、科研、應急、旅游服務等多項功能于一體的多功能平臺，為區(qū)域提供更多、更好的涉海服務。

[1] 何廣順，楊健.海洋功能區(qū)劃研究與實踐：天津市海洋功能區(qū)劃研究與實踐[M].北京：海洋出版社，2013.

[2] 段志華.再析天津渤海沿岸風暴潮特性及防御減災對策[J].海洋預報，2002(1):43-50.

[3] 王強，李秀文.天津地區(qū)全新世牡蠣灘的古海洋學意義[J].海洋學報，1991(3):371-380.

[4] 王宏，李建芬.渤海灣西岸年輕貝殼堤：形態(tài)，結(jié)構(gòu)及多成因過程[J].地質(zhì)論評，2000(3):276-287.

[5] 翟偉康，徐文斌，譚論.天津市主要海洋災害及成因簡析[J].海洋預報，2012(5):85-88.

[6] 蔡明玉，張毅.推動天津漁業(yè)經(jīng)濟發(fā)展再上新水平[J].港口經(jīng)濟，2006(1):51-57.

[7] 許麗娜，王孝強.我國海洋環(huán)境監(jiān)測工作現(xiàn)狀及發(fā)展對策[J].海洋環(huán)境科學，2003，22(1):63-68.

[8] 朱光文.我國海洋監(jiān)測技術研究和開發(fā)的現(xiàn)狀和未來發(fā)展[J].海洋技術，2002，21(2):27-32.

[9] 羅續(xù)業(yè)，周智海，曹東，等.海洋環(huán)境立體監(jiān)測系統(tǒng)的設計方法[J].海洋通報，2006，25(4):69-77.

[10] 葉仰明，黃加棋.中國數(shù)字海洋的總體技術系統(tǒng)框架[J].海洋科學，2001，25(5)：1-4.

[11] 汪洋，王文俊，詹易生，等.海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)動態(tài)集成框架研究[J].海洋技術，2004，23(4):22-28.

[12] 劉康.海洋觀測系統(tǒng)的經(jīng)濟效益分析[J].中國海洋大學學報：社會科學版，2004(4):8-12.

[13] 姜華榮，劉玉新，王珠麗.國內(nèi)海洋環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)現(xiàn)狀與發(fā)展[J].海洋技術，2003，22(1):72-73.

[14] 蔡樹群，張文靜，王盛安.海洋環(huán)境觀測技術研究進展[J].熱帶海洋學報，2007，26(3):76-81.

[15] 杜立彬，張穎穎，程巖，等.山東沿海海洋環(huán)境監(jiān)測及災害預警系統(tǒng)設計與框架研究[J].山東科學，2009，22(4):15-18.

[16] 惠紹棠.海洋監(jiān)測高技術的需求與發(fā)展[J].海洋技術，2000，19(1):1-17.

[17] 康壽嶺.海洋環(huán)境立體自動監(jiān)測系統(tǒng)[J].海洋技術，2001，20(1):1-21.

[18] 黃曉利，唐德明.江蘇海門蠣蚜山牡蠣礁海洋特別保護區(qū)實施遠程視頻監(jiān)控方案探討[J].海洋開發(fā)與管理，2008，25(11):92-95.

[19] 何世鈞，陳中華，張雨，等.基于物聯(lián)網(wǎng)的海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的研究[J].傳感器與微系統(tǒng)，2011，30(3)：13-15.

[20] 李秀橋，賈智平.海洋監(jiān)測系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)采集及聚類分析的研究[J].計算機工程與應用，2007，43(25):214-217.

[21] 池天河，張新.臺灣海峽海洋動力環(huán)境立體監(jiān)測信息服務系統(tǒng)[J].華南理工大學學報：自然科學版，2004，32(4):19-24.

[22] 高厚根.福建省海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)建設的構(gòu)想[J].現(xiàn)代漁業(yè)信息，2002，17(3):21-22.

中央分成海域使用金支出項目“天津大神堂前?；钅迪牻釜毺厣鷳B(tài)系統(tǒng)保護與修復項目”；廣東省漁業(yè)生態(tài)環(huán)境重點實驗室開放基金資助項目(GDKFL2012-10)；國家海洋局海洋公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費項目(201505027，201505018).

P74;TP277

A

1005-9857(2015)09-0081-04