海洋站自動觀測設(shè)備智能監(jiān)控報警系統(tǒng)設(shè)計

呂富良，王志勇，劉曉飛，姜萬軍，鄭智勇

(1.山東省海洋生態(tài)環(huán)境與防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室 青島 266033；2.國家海洋局北海預(yù)報中心 青島 266033)

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海洋站自動觀測設(shè)備智能監(jiān)控報警系統(tǒng)設(shè)計

呂富良1，2，王志勇1，2，劉曉飛1，2，姜萬軍1，2，鄭智勇1，2

(1.山東省海洋生態(tài)環(huán)境與防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室 青島 266033；2.國家海洋局北海預(yù)報中心 青島 266033)

海洋環(huán)境觀測數(shù)據(jù)是加強海洋行政管理、海洋環(huán)境保護和海洋防災(zāi)減災(zāi)能力建設(shè)的基礎(chǔ)和重要技術(shù)保證，海洋環(huán)境觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量和時效在海洋災(zāi)害預(yù)警、防災(zāi)減災(zāi)中有著舉足輕重的作用。保證觀測數(shù)據(jù)的連續(xù)準(zhǔn)確，不僅需要觀測人員高度負責(zé)，而且還應(yīng)配備穩(wěn)定可靠、質(zhì)量可行的觀測設(shè)備和傳送暢通的通信線路。隨著海洋環(huán)境觀測任務(wù)的增加和海洋觀測自動化水平的提高，在觀測設(shè)備運行中及時、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)故障和查找問題亟須建立一套質(zhì)量可靠、實時報警的監(jiān)控系統(tǒng)。文章結(jié)合多年海洋站工作經(jīng)驗以及小麥島海洋環(huán)境監(jiān)測站實際情況，基于構(gòu)建故障報警和監(jiān)控系統(tǒng)在海洋站自動化觀測系統(tǒng)中的作用，提出海洋站觀測設(shè)備智能監(jiān)控報警系統(tǒng)的設(shè)計構(gòu)想，并對系統(tǒng)組成和系統(tǒng)應(yīng)具備的功能進行論述。

海洋觀測；海洋站；自動觀測設(shè)備；監(jiān)控報警系統(tǒng)

1 引言

海洋環(huán)境觀測是海洋站主要的工作職能之一，是一項長期的、連續(xù)的、純公益性的海洋基礎(chǔ)工作。通過先進監(jiān)測設(shè)備和有效運行，獲取的觀測數(shù)據(jù)可為各級海洋行政主管部門加強海洋行政管理、合理開發(fā)利用海洋資源、減少海洋災(zāi)害損失提供重要的技術(shù)依據(jù)。

在我國漫長的海岸線上，進行海洋環(huán)境觀測的海洋站目前約有100余個。為滿足國家海洋防災(zāi)減災(zāi)、國防建設(shè)需要，還有更多的海洋站處于建設(shè)和待建設(shè)中。目前國家海洋局全部海洋站(包括無人值守站和共建站)都已安裝自動臺站觀測系統(tǒng)，每日都在連續(xù)不斷地進行著海洋水文、氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)和其他項目監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸[1]。隨著監(jiān)測與觀測技術(shù)的發(fā)展，海洋站也在不斷增加新的監(jiān)測設(shè)備和監(jiān)測項目，以期為我國海洋防災(zāi)減災(zāi)提供更加強有力的技術(shù)支撐。海洋站由于地處沿海，環(huán)境條件比較惡劣，鹽霧、濕度等因素難免對海洋觀測監(jiān)測設(shè)備造成一定程度的不利影響，常因設(shè)備出現(xiàn)問題卻不能被及時發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致觀測數(shù)據(jù)異常甚至缺失；若能做到及早發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障，就可以爭取時間組織人員進行維修，以保證在最短時間內(nèi)恢復(fù)觀測監(jiān)測系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)。實時監(jiān)控報警系統(tǒng)已在消防、交通等行業(yè)廣泛實施，部分自動氣象觀測站也已開發(fā)并使用實時數(shù)據(jù)監(jiān)測及短信報警軟件[2-4]，由此本文根據(jù)小麥島海洋站實際工作情況，提出建立海洋站自動觀測系統(tǒng)智能監(jiān)控報警系統(tǒng)。

2 小麥島海洋站自動觀測設(shè)備

2.1 現(xiàn)有觀測設(shè)備組成

小麥島海洋站建立于1959年，位于青島市嶗山區(qū)小麥島，長年開展海洋水文氣象自動觀測，同時進行五號碼頭、田橫等長期驗潮站的數(shù)據(jù)監(jiān)測管理；因該站地處優(yōu)越位置條件，加之配備GPS觀測、海嘯預(yù)警監(jiān)測、X波段雷達、地波雷達等在線監(jiān)測設(shè)備，數(shù)據(jù)接收和監(jiān)控工作量很大(圖1)。

圖1 小麥島海洋站觀測設(shè)備工作流程

2.2 當(dāng)前觀測設(shè)備監(jiān)控存在的困難

首先，小麥島海洋站的海洋水文氣象自動觀測系統(tǒng)由多個傳感器、數(shù)據(jù)接收處理和上傳設(shè)備等組成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。各傳感器作為獨立工作單元分布在室外的觀測點，進行實時數(shù)據(jù)采集，各個節(jié)點都有發(fā)生故障、影響數(shù)據(jù)獲取的可能；其次，觀測值班人員主要負責(zé)對海洋水文氣象自動觀測系統(tǒng)設(shè)備進行日常巡視，而其他項目監(jiān)測設(shè)備如X波段雷達、地波雷達、太陽輻射通量和大氣監(jiān)測設(shè)備等雖在線運行，但各設(shè)備的觀測數(shù)據(jù)大部分都是后臺運行，每臺設(shè)備均設(shè)有不同的數(shù)據(jù)處理(或監(jiān)控)計算機，觀測人員對設(shè)備的數(shù)據(jù)不能及時查看或無法查看，因此很難及時發(fā)現(xiàn)部分設(shè)備的運行中斷；再次，觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量目前完全依靠觀測人員人工查看，而觀測儀器多、數(shù)據(jù)量龐大，易造成部分觀測數(shù)據(jù)存在偏差而難以發(fā)現(xiàn)；最后，每次出現(xiàn)故障時，觀測人員因技術(shù)所限，不能及時發(fā)現(xiàn)問題出處，需要專業(yè)技術(shù)人員到站檢修才能確定儀器故障、線路傳輸故障等原因，極大延長故障時間。值得注意的是，以上問題在無人值守海洋站和夜間不值班海洋站更為突出。

3 海洋站自動觀測設(shè)備智能監(jiān)控報警系統(tǒng)的設(shè)計

3.1 系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)

根據(jù)上文提到的海洋站自動觀測設(shè)備的組成和當(dāng)前監(jiān)控的困難，提出構(gòu)建海洋站自動觀測設(shè)備智能監(jiān)控報警系統(tǒng)的基本設(shè)計構(gòu)想。通過建立一套智能監(jiān)控報警系統(tǒng)，將海洋站所有觀測監(jiān)測設(shè)備全部納入監(jiān)控，對各個設(shè)備的信號傳輸和供電電源進行監(jiān)視，實時了解觀測監(jiān)測系統(tǒng)的工作狀態(tài)，一旦發(fā)生設(shè)備故障或數(shù)據(jù)異常等情況，系統(tǒng)能及時發(fā)現(xiàn)故障所在并同時進行現(xiàn)場聲光顯示報警和遠程報警，方便工作人員及時排查故障，以保證在最短時間內(nèi)恢復(fù)系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)，使得觀測監(jiān)測資料連續(xù)、完整、準(zhǔn)確。

3.2 系統(tǒng)設(shè)計原則

設(shè)計海洋站設(shè)備監(jiān)控報警系統(tǒng)應(yīng)符合國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，做到無誤報、無漏報和人性化、智能化。應(yīng)遵循以下原則。

(1)確保安全性，海洋站監(jiān)控報警系統(tǒng)應(yīng)能24 h連續(xù)運轉(zhuǎn)，系統(tǒng)的安全性、可靠性必須予以高度重視，不能影響觀測監(jiān)測設(shè)備的正常運行。系統(tǒng)設(shè)計須符合《中華人民共和國公共安全行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》。

(2)提高經(jīng)濟實用性，在標(biāo)準(zhǔn)化和結(jié)構(gòu)化的前提下，達到功能和經(jīng)濟的優(yōu)化設(shè)計，并能夠推廣普及。

(3)滿足先進性，在滿足現(xiàn)有需求的前提下充分考慮各種智能化，適應(yīng)技術(shù)發(fā)展的趨勢，保證多種觀測監(jiān)測設(shè)備的兼容性，具有高度集成性，在實現(xiàn)技術(shù)上保持先進性。

3.3 系統(tǒng)構(gòu)成及工作流程

智能監(jiān)控報警系統(tǒng)主要包括硬件監(jiān)控和軟件監(jiān)控兩部分(圖2)。硬件監(jiān)控主要由報警控制器、智能報警裝置、聲光顯示面板、無線發(fā)送裝置構(gòu)成，對海洋站不同的傳感器、采集器、數(shù)據(jù)處理設(shè)備、傳輸設(shè)備等的供電電源線路和信號線路上加裝報警控制裝置，對電源、信號線路進行實時監(jiān)控，通過設(shè)置不同的報警序列做出對應(yīng)觀測監(jiān)測設(shè)備的報警指示和警報?，F(xiàn)場報警提醒采用主機和聲光警笛一體化設(shè)計，當(dāng)海洋站任一觀測監(jiān)測設(shè)備出現(xiàn)AC220V電源電壓中斷或獨立設(shè)備自身出現(xiàn)故障不能工作時，報警控制器立即啟動，判斷供電線路或信號線路故障，并將相應(yīng)故障信號發(fā)送至值班室聲光顯示面板接收器上(圖3)，啟動智能聲光報警電路，根據(jù)報警序列對應(yīng)的監(jiān)測項目指示燈立即閃爍并由超強蜂鳴器發(fā)出報警聲音，對現(xiàn)場值班人員進行提醒。值得注意的是，聲光顯示面板設(shè)計具備開放性和可擴展性，可根據(jù)海洋站實際，增加X波段雷達、地波雷達等其他監(jiān)測項目。

圖2 智能監(jiān)控系統(tǒng)報警流程

考慮到海洋站工作的特殊性，無人值守站和有人值守站的夜間無法對觀測監(jiān)測設(shè)備的工作情況進行定點巡視，監(jiān)控報警系統(tǒng)除采用現(xiàn)場報警提醒之外，還應(yīng)具備無線遠程報警功能，分別對海洋站內(nèi)值班人員和海洋站外管理人員提供報警功能。無線遠程報警的實現(xiàn)原理是，預(yù)先在海洋站監(jiān)控報警系統(tǒng)內(nèi)輸入有關(guān)值班管理人員的手機號碼，當(dāng)海洋站任一觀測監(jiān)測設(shè)備出現(xiàn)電源中斷或獨立設(shè)備自身出現(xiàn)故障不能工作，在完成現(xiàn)場提醒報警的同時，立即啟動短信報警程序，系統(tǒng)依托中國移動的GPRS 網(wǎng)絡(luò)將故障設(shè)備以手機短信的方式發(fā)送到有關(guān)人員手機上，完成報警目的。相關(guān)人員通過短信可遠程及時了解現(xiàn)場儀器設(shè)備故障情況，及時組織協(xié)調(diào)排除故障，從而最大限度減少數(shù)據(jù)的丟失，確保觀測監(jiān)測數(shù)據(jù)的完整性。

在硬件監(jiān)控的基礎(chǔ)上，軟件監(jiān)控主要由數(shù)據(jù)庫、前端顯示軟件構(gòu)成，將所有觀測監(jiān)測設(shè)備獲取的實時資料存入數(shù)據(jù)庫并進行查詢和檢查，包括：缺測數(shù)據(jù)檢查，記錄觀測要素為空值的數(shù)據(jù)；極值數(shù)據(jù)檢查，根據(jù)設(shè)備觀測范圍和歷史觀測設(shè)置極值，記錄超出極值范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)；網(wǎng)絡(luò)傳輸檢查，記錄因網(wǎng)絡(luò)不通暢造成未傳輸成功的數(shù)據(jù)。根據(jù)上述出錯信息，做出對應(yīng)設(shè)備的報警警示和警報，在前端顯示軟件中顯示報警，供值班人員查看，同時也利用無線遠程報警，發(fā)送手機短信給有關(guān)管理人員。

圖3 智能監(jiān)控系統(tǒng)聲光顯示面板示意

3.4 系統(tǒng)特點

海洋站監(jiān)控報警系統(tǒng)采用先進的工藝制作，力求結(jié)構(gòu)設(shè)計新穎、美觀、大方。整個系統(tǒng)應(yīng)具有以下特點：①具有較強的耐腐蝕、防潮、防塵、防高溫和防干擾能力；②設(shè)備體積小、重量輕，低功耗，使用壽命長，安裝方便；③采用聲光一體化專用集成芯片設(shè)計；④通過硬件和軟件監(jiān)控的結(jié)合，實現(xiàn)對整個觀測監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)控的全覆蓋，既保證硬件故障被及時發(fā)現(xiàn)，也提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率，減少數(shù)據(jù)錯報、漏報。

4 結(jié)語

基于小麥島海洋站觀測監(jiān)測設(shè)備運行現(xiàn)狀，提出構(gòu)建海洋站觀測監(jiān)測設(shè)備智能監(jiān)控報警系統(tǒng)的設(shè)想，對海洋站實時在線設(shè)備工作情況進行監(jiān)控，以達到便于值班人員和技術(shù)維修人員及早發(fā)現(xiàn)問題、采取措施并盡最大可能減少數(shù)據(jù)丟失的目的。該系統(tǒng)的建設(shè)具有很好的推廣普及性，可在岸基海洋站、海島站、平臺站、浮標(biāo)上等推廣使用，實現(xiàn)現(xiàn)場報警提醒和遠程報警提醒管理，使相關(guān)人員能及時了解站點的儀器供電情況和觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪B續(xù)性、完整性。下一步將加強合作與交流，盡快促進智能監(jiān)控報警系統(tǒng)的實現(xiàn)和應(yīng)用推廣。

[1] 張喜驗.自動化臺站觀測網(wǎng)的模塊化技術(shù)研究[J].山東科學(xué)，2001，14(3)：25-29.

[2] 李彥，羅續(xù)業(yè).海洋監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡(luò)概念與應(yīng)用探討[J].海洋技術(shù)，2006，25(4)：33-35.

[3] 曹亮，于軍琪.基于ARM與GPRS的火災(zāi)報警遠程監(jiān)控系統(tǒng)[J].國外電子測量技術(shù)，2006，25(12)：20-22.

[4] 高峰，侯飆.自動氣象站實時數(shù)據(jù)監(jiān)測及SMS報警系統(tǒng)[J].氣象水文儀器，2009(2)：84-90.

On a Design of Intelligent Monitoring and Alarming System for Automatic Equipment of the Ocean Station

LV Fuliang1，2，WANG Zhiyong1，2，LIU Xiaofei1，2，JIANG Wanjun1，2，ZHENG Zhiyong1，2

(1.Shandong Provincial Key Laboratory of Marine Ecology and Environment & Disaster Prevention and Mitigation，Qingdao 266033，China；2.North China Sea Marine Forecasting Center of State Oceanic Administration，Qingdao 266033，China)

Ocean environmental observation data is the foundation and important technical support of marine administrative management，marine environmental protection and prevention and reduction of marine disaster.The quality and timeliness of the data plays a significant role in the prediction，warning，prevention and reduction of marine disaster.To guarantee the accuracy and continuity of the observation data，not only the highly responsible staffs，but also stable and reliable observation equipment and open communication lines are needed.With the increase of marine environment observation mission and the improvement of automation in observation，what is needed now is a reliable and real-time monitoring and alarming system which can find the problems and bugs timely and accurately when the observation is performing.With many years working experiences in ocean station and the situation in the Xiaomaidao ocean station，we introduced the effects and put forward the design of monitoring and alarming system for automatic equipment，and also discussed the composition and required functions of the system.

Ocean observation，Ocean station，Automatic equipment，Intelligent monitoring and alarming system

2015-11-03；

2016-04-02

呂富良，高級工程師，研究方向為海洋環(huán)境監(jiān)測，電子信箱：lfl7280@163.com

P71

A

1005-9857(2016)05-0100-04