海洋立體環(huán)境綜合觀測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

馬宇坤，戴　俊(.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京53;.南京炮兵學(xué)院，南京0000)

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海洋立體環(huán)境綜合觀測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

馬宇坤1，戴俊2
(1.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京211153;2.南京炮兵學(xué)院，南京210000)

摘要:介紹了海洋立體環(huán)境綜合觀測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)利用多種先進(jìn)的傳感器設(shè)備和智能化的數(shù)據(jù)分析技術(shù)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了岸、海、空及水下立體觀測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)采用了層次化模塊化的軟件設(shè)計(jì)模式，實(shí)現(xiàn)了針對(duì)多種傳感器數(shù)據(jù)的多維多時(shí)空的統(tǒng)一化處理。

關(guān)鍵詞:海洋觀測(cè);多源數(shù)據(jù)融合;多傳感器

0　引言

中國(guó)是一個(gè)海洋大國(guó)，擁有漫長(zhǎng)的大陸海岸線和廣闊的海上領(lǐng)土面積，并擁有豐富的海洋資源可供開(kāi)發(fā)利用。在漫長(zhǎng)的海岸線和廣闊的領(lǐng)海海域內(nèi)實(shí)施國(guó)家海洋戰(zhàn)略，開(kāi)發(fā)和利用海洋資源，發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)，維護(hù)海洋權(quán)益，預(yù)防和減輕海洋災(zāi)害等一切活動(dòng)，都依賴于通過(guò)對(duì)海洋觀測(cè)掌握和預(yù)報(bào)準(zhǔn)確的態(tài)勢(shì)信息來(lái)實(shí)現(xiàn)［1］。本文所述海洋立體環(huán)境綜合觀測(cè)系統(tǒng)，主要針對(duì)我國(guó)海洋信息需求和信息應(yīng)用的發(fā)展需求，從海洋立體環(huán)境綜合觀測(cè)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)、功能任務(wù)、系統(tǒng)組成等方面論述了海洋立體環(huán)境綜合觀測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法，可為構(gòu)建我國(guó)分布式網(wǎng)絡(luò)化的海洋立體環(huán)境綜合監(jiān)測(cè)和保障系統(tǒng)奠定技術(shù)基礎(chǔ)［2］。

1　系統(tǒng)的體系構(gòu)建

海洋立體環(huán)境綜合觀測(cè)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)包括多源信息傳感器層、信息管理層、信息處理層和信息應(yīng)用層等，形成覆蓋空、岸、海面和水下的網(wǎng)絡(luò)化立體觀測(cè)體系結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)主要功能是利用多類(lèi)傳感器實(shí)時(shí)獲取觀測(cè)區(qū)域內(nèi)的空中、水面和水下的目標(biāo)環(huán)境、大氣海洋動(dòng)力環(huán)境、海氣邊界層海洋動(dòng)力環(huán)境、水下海洋動(dòng)力環(huán)境、海洋生態(tài)環(huán)境和海上電磁傳播環(huán)境等態(tài)勢(shì)與環(huán)境信息，通過(guò)綜合觀測(cè)信息處理系統(tǒng)對(duì)獲取的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)同化、匹配融合與目標(biāo)識(shí)別處理，進(jìn)行綜合、解譯和預(yù)測(cè)海洋立體環(huán)境信息。

海洋立體環(huán)境綜合觀測(cè)系統(tǒng)主要由各型接觸式和非接觸式傳感器平臺(tái)、綜合信息處理、信息綜合與解譯、態(tài)勢(shì)與信息展現(xiàn)平臺(tái)等組成。系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)和組成如圖1所示。

圖1　空、海、陸一體的海洋立體環(huán)境綜合觀測(cè)系統(tǒng)示意圖

2　系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1系統(tǒng)框架

海洋立體環(huán)境綜合觀測(cè)系統(tǒng)可分為傳感器子系統(tǒng)、顯示控制子系統(tǒng)、多源綜合處理子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)和重放子系統(tǒng)等功能子系統(tǒng)。在工程設(shè)計(jì)與應(yīng)用中，包括各種傳感器、數(shù)據(jù)專(zhuān)用傳輸信道、信息綜合處理指揮中心(含多功能信息綜合處理設(shè)備、顯控臺(tái)，以及數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)記錄與數(shù)據(jù)重放處理設(shè)備等)。

通過(guò)安裝在海面、岸基、水下的各型傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)海洋上多種觀測(cè)數(shù)據(jù)［4］。監(jiān)測(cè)的測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)加密后通過(guò)專(zhuān)用信道上傳到指揮中心，數(shù)據(jù)在指揮中心首先經(jīng)過(guò)多源數(shù)據(jù)融合處理，然后將信息分兩路，一路分發(fā)至顯示控制子系統(tǒng)供操作人員觀測(cè)調(diào)用，一路分發(fā)至數(shù)據(jù)庫(kù)和重放子系統(tǒng)供后期處理［5］。

2.2傳感器子系統(tǒng)

傳感器子系統(tǒng)采用物理、化學(xué)、紅外、光電、電磁波等各類(lèi)傳感器和儀器，通過(guò)岸基、浮標(biāo)、潛標(biāo)、船載、海洋平臺(tái)、海床等設(shè)備搭載平臺(tái)，形成空、岸、海立體空間的探測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣、海洋立體綜合環(huán)境信息的感知。

按照探測(cè)設(shè)備種類(lèi)和實(shí)現(xiàn)方式，海洋立體環(huán)境綜合觀測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)包括多種雷達(dá)以及自動(dòng)氣象水文站、自動(dòng)船舶識(shí)別、紅外光電、浮標(biāo)、潛標(biāo)和聲納等傳感器級(jí)子系統(tǒng)。

傳感器各子系統(tǒng)采用獨(dú)立或協(xié)同工作模式，用于完成大氣動(dòng)力環(huán)境、海洋動(dòng)力環(huán)境、目標(biāo)環(huán)境、生態(tài)環(huán)境等方面的監(jiān)測(cè)。

2.3顯示控制子系統(tǒng)

顯示控制子系統(tǒng)主要完成海洋立體環(huán)境綜合觀測(cè)系統(tǒng)的多信息按需顯示與多功能操作控制，并實(shí)現(xiàn)與本項(xiàng)目用戶的互聯(lián)互通接口交互。顯示控制子系統(tǒng)顯控界面由兩個(gè)屏幕組成，如圖2所示。

(1)態(tài)勢(shì)顯示窗口

實(shí)現(xiàn)電子數(shù)據(jù)的可視化組織、展現(xiàn)和電子海圖的無(wú)極縮放、平移、鷹眼、量算。在海圖窗口上，可以顯示多功能測(cè)波雷達(dá)探測(cè)到的雷達(dá)視頻，根據(jù)雷達(dá)視頻可以錄取不同的水面目標(biāo)。對(duì)于己方目標(biāo)，可以顯示主動(dòng)識(shí)別信息。

(2)測(cè)量控制窗口

通過(guò)對(duì)海洋立體環(huán)境綜合觀測(cè)系統(tǒng)工作方式、處理模式的按需控制，一級(jí)菜單以扁平化風(fēng)格進(jìn)行組織，以便在同一層級(jí)下可以顯示更多統(tǒng)計(jì)內(nèi)容，關(guān)鍵信息可以在主屏幕上進(jìn)行彈出顯示。將海洋環(huán)境分為以下4大板塊進(jìn)行觀測(cè):海洋動(dòng)力環(huán)境、海洋目標(biāo)環(huán)境、海洋生態(tài)環(huán)境和海洋綜合環(huán)境［3］，同時(shí)具有傳感器管理和系統(tǒng)管理功能。

圖2　顯示控制子系統(tǒng)實(shí)景界面

2.4多源綜合處理子系統(tǒng)

多傳感器綜合處理器是海洋立體環(huán)境綜合觀測(cè)系統(tǒng)的核心，其主要對(duì)兩類(lèi)信息進(jìn)行融合:

(1)目標(biāo)信息的融合，其功能是將來(lái)自各雷達(dá)站的雷達(dá)視頻信息、跟蹤數(shù)據(jù)信息、AIS信息及CCTV信息等進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)對(duì)多雷達(dá)目標(biāo)的判定和跟蹤、雷達(dá)目標(biāo)和AIS目標(biāo)的融合、雷達(dá)站間交接、CCTV聯(lián)動(dòng)、對(duì)目標(biāo)的危險(xiǎn)判斷和報(bào)警等。

(2)對(duì)環(huán)境信息的融合，根據(jù)從多個(gè)傳感器采集的針對(duì)同一環(huán)境參數(shù)的不同測(cè)量值，選取適當(dāng)?shù)娜诤纤惴?，?duì)各種海洋參數(shù)進(jìn)行基于多維多時(shí)空的歸一化融合處理。

2.5數(shù)據(jù)庫(kù)和重放子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)服務(wù)和數(shù)據(jù)分析是海洋立體環(huán)境綜合觀測(cè)系統(tǒng)的主要業(yè)務(wù)。所以，高效合理的數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)是系統(tǒng)建設(shè)成功的關(guān)鍵之一。數(shù)據(jù)庫(kù)子系統(tǒng)選用Windows Server 2008作為服務(wù)器的操作系統(tǒng)，選用SQL server 2008作為中心站數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)。SQL server 2008數(shù)據(jù)庫(kù)術(shù)語(yǔ)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，采用完全開(kāi)放策略，并提供基于角色分工的安全保密策略，在數(shù)據(jù)庫(kù)管理、完整性檢查、安全性、一致性方面都有良好的表現(xiàn)［6］。中心站的數(shù)據(jù)庫(kù)總體關(guān)系型設(shè)計(jì)如圖3。

對(duì)于雷達(dá)視頻、AIS數(shù)據(jù)文件、CCTV回放等比特型大規(guī)模數(shù)據(jù)，不適合放入數(shù)據(jù)庫(kù)中直接存儲(chǔ)。在本系統(tǒng)中，在數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)之外再建立一個(gè)重放子系統(tǒng)，將它們作為比特型數(shù)據(jù)根據(jù)時(shí)間存入重放子系統(tǒng)的文件系統(tǒng)中，然后再編寫(xiě)程序根據(jù)時(shí)間、地點(diǎn)等要素，對(duì)客戶提供回放功能。

3　系統(tǒng)設(shè)計(jì)運(yùn)行特點(diǎn)

3.1態(tài)勢(shì)統(tǒng)一

各級(jí)信息綜合處理系統(tǒng)所獲取的海上目標(biāo)環(huán)境信息和海洋環(huán)境信息應(yīng)能一致和同步，即在任何時(shí)間對(duì)于相同的目標(biāo)環(huán)境和相同的海洋環(huán)境信息，各級(jí)信息綜合處理系統(tǒng)輸出和顯示的信息要素總能保持一致，以此保障各級(jí)用戶能夠及時(shí)一致地理解相同海上目標(biāo)環(huán)境和海洋環(huán)境的信息要素。

圖3　系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)關(guān)系型設(shè)計(jì)

3.2按需保障

各級(jí)信息綜合處理系統(tǒng)可根據(jù)保障模式、使用權(quán)限和用戶需要，靈活地定制信息分發(fā)規(guī)則，保障各類(lèi)用戶能夠及時(shí)、可靠地獲取所需海上目標(biāo)環(huán)境和海洋環(huán)境信息，有效控制信息的分發(fā)內(nèi)容和分發(fā)范圍。

3.3按區(qū)處理

按照信息保障任務(wù)需要和觀測(cè)區(qū)規(guī)定，對(duì)各級(jí)信息綜合處理系統(tǒng)劃分海上目標(biāo)環(huán)境和海洋環(huán)境信息處理的責(zé)任區(qū)。信息綜合處理系統(tǒng)負(fù)責(zé)處理本責(zé)任區(qū)內(nèi)的所有海上目標(biāo)環(huán)境和海洋環(huán)境信息，形成本責(zé)任區(qū)綜合信息。

3.4隨遇接入

實(shí)時(shí)信息獲取平臺(tái)和信息綜合處理系統(tǒng)之間應(yīng)能

依托綜合通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無(wú)縫互連和信息的自動(dòng)交換，能就近接入網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、自動(dòng)選擇網(wǎng)絡(luò)路徑，盡量提高各系統(tǒng)對(duì)接入地點(diǎn)、接入方式的自適應(yīng)性，以此保障信息獲取平臺(tái)不隨系統(tǒng)接入點(diǎn)、接入方式的變化而變化，保持信息交換關(guān)系不變、信息交換不中斷。

3.5安全保密

采取多種安全保密措施，確保目標(biāo)環(huán)境和海洋環(huán)境信息收集、傳輸、處理、分發(fā)全過(guò)程的信息保密、信息與系統(tǒng)的安全防護(hù)。

3.6抗毀重組

每個(gè)信息綜合處理系統(tǒng)具有備份系統(tǒng)，相關(guān)信息綜合處理系統(tǒng)可互相接替。依托綜合通信網(wǎng)絡(luò)，采用具有多路由迂回能力的通信網(wǎng)絡(luò)，設(shè)置能夠?qū)崟r(shí)接替和異地備份的信息綜合處理系統(tǒng)，采取網(wǎng)絡(luò)管理控制手段，使信息綜合處理系統(tǒng)具備較強(qiáng)的抗毀生存能力。

4　結(jié)束語(yǔ)

本文首先介紹了海洋立體環(huán)境綜合觀測(cè)系統(tǒng)的項(xiàng)目背景，然后介紹了系統(tǒng)的組成框架，包括傳感器子系統(tǒng)、顯示控制子系統(tǒng)、多源綜合處理子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)和重放子系統(tǒng)，最后介紹了本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)運(yùn)行特點(diǎn)。通過(guò)本系統(tǒng)的構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)了對(duì)海洋環(huán)境全面、多層次、多維、長(zhǎng)期連續(xù)的不間斷觀測(cè)，以及時(shí)準(zhǔn)確地掌握海洋環(huán)境運(yùn)動(dòng)變化的規(guī)律。將來(lái)有望向國(guó)家海洋、氣象、漁業(yè)、環(huán)保、能源、交通等政府決策機(jī)構(gòu)提供立體化的海洋環(huán)境信息，這對(duì)于國(guó)家未來(lái)發(fā)展具有十分深遠(yuǎn)的意義。

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Design and implementation of an integrated 3D marine environment observation system

MA Yu-kun1，DAI Jun2
(1.No.724 Research Institute of CSIC，Nanjing 211153; 2.Nanjing Artillery Academy，Nanjing 210000)

Abstract:An integrated 3D marine environment observation system is designed and realized covering air，surface，shore and underwater observation through multiple advanced sensors and intelligent data analysis technologies.The system adopts the layered and modularized software design pattern，realizing the unification of various data with multiple dimensions and time and space.

Keywords:marine observation; multi-source data fusion; multiple sensors

作者簡(jiǎn)介:馬宇坤(1980-)，男，工程師，研究方向:機(jī)電一體化;戴俊(1986-)，男，教員，碩士，研究方向:作戰(zhàn)指揮。

收稿日期:2015-01-15;修回日期:2015-03-10

文章編號(hào):1009－0401(2015)02－0005－03

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

中圖分類(lèi)號(hào):TN95