無人值守海洋臺站自動觀測儀器運行在線監(jiān)控及預警系統(tǒng)方案研究

陳燕珍，王其松，房樹林，徐志遠，王靜

（大連海洋環(huán)境監(jiān)測中心站 大連 116015）

1 現(xiàn)狀及背景

無人值守站是在海濱地區(qū)開展水文氣象觀測、一般無專人24h值守的觀測站點，它與有人值守站共同組成國家海洋觀測網(wǎng)，觀測數(shù)據(jù)經(jīng)代管海洋站質(zhì)控處理后進行上報。觀測要素主要有潮汐、表層海水溫度、表層海水鹽度、空氣溫度、相對濕度、氣壓、降水量等，與有人值守站相比，暫不開展能見度（人工）和波浪（人工）觀測。無人值守站目前主要以人工定期巡檢的方式進行管理，巡檢頻率在相關(guān)業(yè)務(wù)規(guī)定中沒有詳細要求，一般以自動儀器校測、對比觀測要求時間頻率執(zhí)行，每月至少3次，分別在10日，20日和月末日。

近年來，國家對海洋防災減災事業(yè)高度重視，對海洋觀測等基礎(chǔ)工作加大投資，根據(jù)國家海洋觀測網(wǎng)規(guī)劃，在沿海地區(qū)大力開展新海洋觀測臺站的建設(shè)工作；同時，現(xiàn)有海洋臺站人員數(shù)量較少，且多數(shù)新建站點位置偏僻，交通不便，不具備專人24h駐守工作生活條件，相當一部分新建海洋臺站以無人值守方式進行建設(shè)和管理。在這種情況下，無人值守站數(shù)量將不斷增多。

5.新罪名法條設(shè)置是否科學?！缎谭ㄐ拚?八)》將組織出賣人體器官罪規(guī)定在分則第四章作為第234條之一，大概是強調(diào)該罪除侵犯我國器官移植管理制度外，主要是對出賣人體器官者身體健康的傷害。但是，要遏制有關(guān)人體器官犯罪行為，主要應通過加強社會管理，禁止非法移植行為，使器官移植走向正規(guī)，對延長人類生命作出貢獻。因此，將本罪規(guī)定在分則第四章侵犯公民人身權(quán)利罪中值得商榷。

目前，無人值守站自動觀測儀器設(shè)備運行管理以值班軟件監(jiān)控為主，人工定期巡檢為輔。值班軟件主要用于接收、處理和顯示各類觀測數(shù)據(jù)，同時顯示設(shè)備當前電壓，值班員通過人工監(jiān)控值班軟件判斷數(shù)據(jù)傳輸和設(shè)備運行情況。在出現(xiàn)傳輸故障時，值班軟件運行狀態(tài)燈由綠變紅，沒有其他主動警示方式；當出現(xiàn)設(shè)備或電力故障時，值班軟件沒有主動報警信息，只能在分析整理觀測數(shù)據(jù)時才可能發(fā)現(xiàn)。在這種情況下，一旦出現(xiàn)設(shè)備運行故障，值班人員很難在第一時間發(fā)現(xiàn)上報。同時由于無人值守站位置比較偏僻，一旦遇到惡劣天氣影響，應急保障壓力較大，觀測的連續(xù)性不能保證，而且隨著海洋臺站的持續(xù)建設(shè)，無人值守站數(shù)量不斷增多，應急保障壓力將顯著增大。

計算渣鎖斗閥開關(guān)時間所需要的條件較多，涉及閥門自身的結(jié)構(gòu)參數(shù)，液壓油的物理性質(zhì)，液壓系統(tǒng)管路規(guī)格尺寸、敷設(shè)長度以及閥門與油站的高差等，如下所列:

在這種情況下，為高效監(jiān)控無人值守站自動觀測儀器運行狀態(tài)，實時獲取設(shè)備運行情況，本研究提出了無人值守站自動觀測儀器運行在線監(jiān)控及預警系統(tǒng)。該系統(tǒng)以值班軟件實時接收的觀測數(shù)據(jù)和設(shè)備電壓信息為基礎(chǔ)，通過預先設(shè)定的判別規(guī)則計算分析后得到自動儀器運行狀態(tài)。當系統(tǒng)檢測到傳輸、傳感器或電力故障時，自動將故障信息發(fā)送給指定單位和人員；對于電力故障，系統(tǒng)還將對剩余電力情況進行預警，一并發(fā)出。最后，系統(tǒng)通過對故障維修情況的記錄和分析，將提供自動觀測儀器設(shè)備運行狀態(tài)分析報告。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2．1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

（4）水位計的監(jiān)控觀測要素：水位。若出現(xiàn)水位觀測值連續(xù)一定時間不發(fā)生變化（具體時間長度待定）、水位觀測值短時間變化量超出預設(shè)區(qū)間則判定為運行異常。

圖1 系統(tǒng)總體框架

2．2 電力監(jiān)控預警單元設(shè)計

無人值守站電力配置一般是“太陽能＋蓄電池”或者“市電＋蓄電池”方式，當太陽能或者市電故障后，設(shè)備只能依靠蓄電池電量維持工作。蓄電池電量耗盡后，設(shè)備停止工作，造成數(shù)據(jù)缺測。通過對電瓶電壓變化實時監(jiān)控分析，結(jié)合蓄電池電壓衰減特性，提前發(fā)出預警，給出參考設(shè)備剩余運行時間，給海洋站應急保障人員下一步故障解決提供參考。

乙腦病毒P3株基因組cDNA由華中農(nóng)業(yè)大學曹勝波教授饋贈；感受態(tài)細胞E.coli DH5α、E.coli BL21、原核表達載體pET42b保存于新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團塔里木畜牧科技重點實驗室。

圖2 電力保障單元設(shè)計流程

2．3 傳輸監(jiān)控單元設(shè)計

②出入線明挖段為三線矩形斷面，結(jié)構(gòu)斷面寬度15～19m，托換梁需跨過明挖隧道，托換梁最大跨度達23.3m，工程施工難度大，實施風險高。

數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)作為整個海洋觀測網(wǎng)的神經(jīng)系統(tǒng)起著十分重要的作用，數(shù)據(jù)傳輸一旦中斷，后方業(yè)務(wù)運行將受到顯著影響，對傳輸故障的排除有著較高的要求。為了有效應對這一問題，在故障發(fā)生的第一時間就發(fā)出警報至為關(guān)鍵，本單元的設(shè)計目的就是要有效解決這一問題。

該單元設(shè)計思路為：每隔1min向基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫查詢一次數(shù)據(jù)更新情況，如果連續(xù)3min無數(shù)據(jù)更新，系統(tǒng)向前端無人值守站發(fā)出通信測試命令，若與前端正常連通，系統(tǒng)提示數(shù)據(jù)庫異常，若與前端無法連通，啟動故障發(fā)布程序，編輯發(fā)送內(nèi)容，通過傳送設(shè)備，將故障信息發(fā)送給預先指定的單位和聯(lián)系人，此時，系統(tǒng)每隔10min與前端無人值守站進行一次通信測試，若恢復與前端無人值守站連接，啟動故障恢復程序，編輯發(fā)送內(nèi)容，通過傳送設(shè)備，將故障信息發(fā)送給預先指定的部門和聯(lián)系人。設(shè)計流程圖如圖3所示。

2．4 設(shè)備監(jiān)控單元設(shè)計

本次智慧交通系統(tǒng)規(guī)劃從交通管理的業(yè)務(wù)需求出發(fā)，設(shè)計滿足北京城市副中心業(yè)務(wù)實際需求的系統(tǒng)，為保證系統(tǒng)功能的先進性及系統(tǒng)性能的優(yōu)化，采用最新的匹配技術(shù).

該單元設(shè)計思路為：首先，根據(jù)擬監(jiān)控的儀器設(shè)備確定需要分析的觀測數(shù)據(jù)；然后根據(jù)觀測數(shù)據(jù)自身特性、連續(xù)性和邏輯性確定故障判定規(guī)則；最后系統(tǒng)通過對實時觀測數(shù)據(jù)使用此規(guī)則，發(fā)現(xiàn)儀器設(shè)備故障或異常后，觸動故障發(fā)布程序，編輯發(fā)布內(nèi)容，將故障信息發(fā)送給預先指定的部門和聯(lián)系人。

轉(zhuǎn)喻模式將范疇內(nèi)突出的屬性投射到相近的或相關(guān)聯(lián)的不同認識域，也是導致一詞多義現(xiàn)象的重要手段。在空間概念范疇內(nèi)，at最突出的屬性是在某一空間上，空間大小以自我體驗為參照點。如果該空間超出了人們的體驗范疇，如大型建筑物或大學，也理解為空間概念中一點，如at Oxford，arrive at。同理如果以人類的歷史長河為參照點，一個晚上，圣誕節(jié)期間，甚至一年這樣的時間段在認知層面上仍理解為時間上的一點，如at night；at weekend；at 55；at Christmas等等。

觀測數(shù)據(jù)故障判定規(guī)則如下。

圖3 傳輸監(jiān)控單元設(shè)計流程

（1）溫濕傳感器的監(jiān)控觀測要素：①空氣溫度。若出現(xiàn)空氣溫度觀測值超出本站合理觀測值區(qū)間（具體值各站自行設(shè)定后錄入系統(tǒng)）、空氣溫度觀測值連續(xù)一定時間不發(fā)生變化（時間長度待討論）、空氣溫度短時間變化超出預設(shè)區(qū)間（如連續(xù)3min變化超過20%）則判定為運行異常。②相對濕度。若出現(xiàn)相對濕度觀測值超出合理觀測值區(qū)間（0%～100%）、相對濕度觀測值連續(xù)一定時間不發(fā)生變化（時間長度待討論）、相對濕度短時間變化超出預設(shè)區(qū)間（如連續(xù)3min變化超過20%）則判定為運行異常。

觀測數(shù)據(jù)采集的連續(xù)性和準確性是海洋站工作的一項主要內(nèi)容，尤其是夜間故障時，及時發(fā)出預警能減少設(shè)備采集中斷時間。同時，通過分析觀測數(shù)據(jù)的邏輯性及前后關(guān)系，對設(shè)備運行異常發(fā)出警示，提醒應急保障人員及時排查故障隱患，本單元的設(shè)計目的是對前端無人值守站傳感器等設(shè)備運行情況進行監(jiān)控并及時發(fā)出故障信息。

（2）風速風向傳感器的監(jiān)控觀測要素：①風速。若出現(xiàn)風速觀測值超出本站合理觀測區(qū)間（具體值各站自行設(shè)定后錄入系統(tǒng)）、風速觀測值連續(xù)一定時間不發(fā)生變化（時間長度待討論）則判定為運行異常。②風向。若出現(xiàn)風向觀測值超出合理觀測值區(qū)間（0°～359°）、風向觀測值連續(xù)一定時間不發(fā)生變化（如連續(xù)10min未變化）則判定為運行異常。

電力保障監(jiān)測預警單元主要設(shè)計原理是：將蓄電池運行信息實時讀取存入數(shù)據(jù)庫，然后對最近的一段時間段內(nèi)運行信息（比如電壓）進行讀取分析，若發(fā)現(xiàn)下降趨勢，取當前開始更大時間段的運行信息進一步分析，若仍為下降趨勢，此時判定電力故障，運行狀態(tài)燈變紅，計算并警示剩余工作時間，啟動故障及預警發(fā)布程序，隨后繼續(xù)對運行信息進行分析，若持續(xù)下降，更新剩余工作時間；若不再下降，經(jīng)人工確認故障解除后，運行狀態(tài)燈變綠，取消警示信息。設(shè)計流程如圖2所示。

通過圖12對比發(fā)現(xiàn)，灌漿套筒連接件破壞過程分為彈性、屈服、強化、頸縮4個階段，試件H500-14承載力高出H400-14承載力10%左右，表明鋼筋強度的變化對試件承載力影響明顯，鋼筋強度越大，試件承載力越高。

（3）氣壓傳感器的監(jiān)控觀測要素：氣壓。若出現(xiàn)氣壓觀測值超出本站合理觀測區(qū)間（具體值各站自行設(shè)定后錄入系統(tǒng)）、氣壓觀測值連續(xù)一定時間不發(fā)生變化（具體時間長度待定）、氣壓觀測值短時間變化量超出預設(shè)區(qū)間則判定為運行異常。

系統(tǒng)的總體架構(gòu)圖如圖1所示，用戶層分為4個部分，分別是電力監(jiān)控預警單元、傳輸監(jiān)控單元、設(shè)備監(jiān)控單元和故障管理單元。電力監(jiān)控及預警單元主要監(jiān)控無人值守站太陽能、市電運行情況，系統(tǒng)檢測到電力故障后，根據(jù)蓄電池電力水平預警系統(tǒng)剩余工作時間，將上述信息發(fā)送給預先指定的單位和聯(lián)系人；傳輸監(jiān)控單元主要實現(xiàn)對前端無人值守站與本系統(tǒng)通信情況的監(jiān)控，當本系統(tǒng)與無人值守站通信中斷后，立即將傳輸故障信息發(fā)送給預先指定的單位和負責人；設(shè)備監(jiān)控單元主要完成對前端傳感器設(shè)備的監(jiān)控，當系統(tǒng)檢測到數(shù)據(jù)異常后，立即將故障信息發(fā)送給預先指定的單位和負責人；故障管理單元的功能是將上述故障的解決和維修情況進行記錄，根據(jù)記錄結(jié)果對系統(tǒng)運行狀態(tài)進行分析和評估，為進一步加強無人值守站自動儀器運行管理提供重要參考。用戶層面數(shù)據(jù)庫分為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫和成果數(shù)據(jù)庫，分別存儲觀測基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和成果數(shù)據(jù)。對于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，主要指現(xiàn)有海洋觀測臺站值班軟件數(shù)據(jù)庫，此數(shù)據(jù)庫信息作為本系統(tǒng)的基礎(chǔ)信息；對于成果數(shù)據(jù)庫，主要存儲記錄各類故障維修解決信息，并為系統(tǒng)運行狀態(tài)分析提供基礎(chǔ)依據(jù)。

（5）溫鹽傳感器的監(jiān)控觀測要素：①表層海水溫度。若出現(xiàn)海水溫度觀測值超出本站合理觀測區(qū)間（具體值各站自行設(shè)定后錄入系統(tǒng)）、海水溫度觀測值連續(xù)一定時間不發(fā)生變化（具體時間長度待定）、海水溫度觀測值短時間變化量超出預設(shè)區(qū)間則判定為運行異常。②表層海水鹽度。若出現(xiàn)海水鹽度觀測值超出本站合理觀測區(qū)間（具體值各站自行設(shè)定后錄入）、海水鹽度觀測值連續(xù)一定時間不發(fā)生變化（具體時間長度待定）、海水鹽度觀測值短時間變化量超出預設(shè)區(qū)間則判定為運行異常。

2．5 成果數(shù)據(jù)庫設(shè)計

數(shù)據(jù)庫設(shè)計過程綜合考慮幾方面的要求和需求：①嚴格按照《海洋環(huán)境基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫標準》設(shè)計成果數(shù)據(jù)庫。②從數(shù)據(jù)管理者的角度來講，需要為外界提供數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計應方便對數(shù)據(jù)的管理、存儲和查詢。③滿足項目及今后研究需要，不僅提供過往運行情況數(shù)據(jù)，同時為海洋站運行及發(fā)展提供可靠的統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)。

3 主要功能模塊

3．1 監(jiān)控與預警單元

該單元由電力監(jiān)控預警、傳輸監(jiān)控和設(shè)備監(jiān)控3部分組成，通過該單元，值班人員能夠?qū)崟r看到無人值守站電力、傳輸和設(shè)備詳細運行狀態(tài)，出現(xiàn)設(shè)備運行異常后，編輯故障信息，一方面在系統(tǒng)界面顯示提示信息，一方面立即將該信息發(fā)送給預先設(shè)定的部門和聯(lián)系人。

3．2 故障管理單元

本單元通過軟件界面的“故障編輯與統(tǒng)計”完成錄入，修復后將故障維修詳細信息錄入數(shù)據(jù)庫。需要錄入的具體內(nèi)容包括：故障類型（電力故障、設(shè)備故障和傳輸故障）、故障設(shè)備、故障描述、解決辦法、故障時間、維修人、審核人等。

通過故障維護信息表，利用數(shù)據(jù)庫的管理功能，實現(xiàn)對系統(tǒng)整體、各子單元及相應要素統(tǒng)計分析和比較，主要內(nèi)容包括：系統(tǒng)整體運行統(tǒng)計分析，功能單元運行統(tǒng)計分析，單元要素統(tǒng)計分析，功能單元間比較分析，單元內(nèi)各要素間比較分析和全要素比較分析等。

統(tǒng)計分析完成后，為直觀的反應運行統(tǒng)計數(shù)據(jù)，通過圖表直觀進行展現(xiàn)。

4 結(jié)束語

通過對無人值守海洋臺站監(jiān)控方案及預期成果的討論，可以看到無人值守站運行過程中的各個環(huán)節(jié)，從電力保障、數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)傳輸，都實現(xiàn)了高效的動態(tài)監(jiān)測和預警，同時可對故障及運行情況進行綜合統(tǒng)計，為進一步提高觀測業(yè)務(wù)質(zhì)量打下堅實的基礎(chǔ)。

但是我們也要看到，本系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)必將要花費較大的人力和物力成本，同時，為保證系統(tǒng)投入使用，海洋站還要增加相應的硬件設(shè)備和必要的使用培訓，需要專項經(jīng)費支持才能順利開展。