海底有纜觀測(cè)站數(shù)據(jù)采集、管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與海底運(yùn)行驗(yàn)證

高世陽(yáng)，李智剛，孫 凱

（1.海軍裝備部駐天津地區(qū)防救軍事代表室，天津 300042；2.中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所，遼寧 沈陽(yáng) 11006）

海底有纜觀測(cè)站數(shù)據(jù)采集、管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與海底運(yùn)行驗(yàn)證

高世陽(yáng)1，李智剛2，孫 凱2

（1.海軍裝備部駐天津地區(qū)防救軍事代表室，天津 300042；2.中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所，遼寧 沈陽(yáng) 11006）

文中設(shè)計(jì)了一套用于海底觀測(cè)網(wǎng)的信息采集系統(tǒng)。提出了一種基于事件觸發(fā)和定時(shí)驅(qū)動(dòng)相結(jié)合的通過(guò)光網(wǎng)傳送IP包的信息監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)制；提出了由岸站監(jiān)控中心層、光傳輸主干層、海洋數(shù)據(jù)采集層組成的監(jiān)控和信息采集監(jiān)控系統(tǒng)總體構(gòu)架；設(shè)計(jì)了通訊控制策略及自定義的通訊協(xié)議。采用該信息采集系統(tǒng)的海底觀測(cè)網(wǎng)在試驗(yàn)海域進(jìn)行了海底布放。經(jīng)過(guò)8個(gè)月的海底連續(xù)運(yùn)行，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，能夠正確地采集海洋傳感器和自身系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)。

海底觀測(cè)網(wǎng)；信息采集監(jiān)控；通信設(shè)計(jì)；海底連續(xù)運(yùn)行

海洋覆蓋了地球超過(guò)70%的表面積，但是到目前為止，人們對(duì)于地球系統(tǒng)構(gòu)成的認(rèn)知還很有限。很大程度上由于人類活動(dòng)的緣故，大洋氣候、環(huán)流、化學(xué)成分已經(jīng)發(fā)生改變，海洋生物正在以驚人的速度減少。所以，通過(guò)科學(xué)手段，增加人們對(duì)于海洋環(huán)境現(xiàn)狀的認(rèn)知，對(duì)于海洋保護(hù)及人類自身都十分重要[1]。作為一種全新的海洋研究手段，海洋有纜實(shí)時(shí)觀測(cè)將使我們對(duì)海洋的認(rèn)知手段發(fā)生革命性的變化[2-4]。海底觀測(cè)網(wǎng)是一種典型的海洋有纜實(shí)時(shí)有纜觀測(cè)系統(tǒng)。與浮標(biāo)和船基觀測(cè)相比，海底觀測(cè)網(wǎng)因其能夠連續(xù)、實(shí)時(shí)、近距離的觀察和采集海洋生態(tài)數(shù)據(jù)，成為目前海洋科學(xué)研究的熱點(diǎn)[5]。海洋科學(xué)正在從“考察”進(jìn)入“觀測(cè)”的新時(shí)期。海底觀測(cè)系統(tǒng)作為繼地面、洋面和空間之后觀測(cè)地球系統(tǒng)的第三個(gè)平臺(tái)，將為海洋各個(gè)領(lǐng)域開(kāi)啟學(xué)科發(fā)展的新途徑[6]。世界海底觀測(cè)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展迅速，美國(guó)、加拿大、歐洲、日本等均已建成自己的海底觀測(cè)網(wǎng)。其中最著名的是海王星 (North-East Pacific Time-Series Undersea Networked Experiment，NEPTUNE)，即“東北太平洋連續(xù)記錄海底試驗(yàn)網(wǎng)”。我國(guó)海底觀測(cè)網(wǎng)發(fā)展較晚，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的信息采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了水下攝像體系、ADCP、水質(zhì)儀、熱感應(yīng)儀、聲通訊機(jī)等海洋觀測(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集；實(shí)現(xiàn)了岸基站對(duì)水下觀測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

1 海洋信息采集、監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

如圖1所示，海底觀測(cè)示范網(wǎng)信息采集、監(jiān)控系統(tǒng)為三個(gè)層次，分別是陸地綜合信息處理層、信息傳輸主干層、海洋信息獲取層。陸地綜合信息獲取層運(yùn)行于岸站內(nèi)，信息傳輸主干層和海洋信息獲取層運(yùn)行于海底主接駁盒和次級(jí)接駁盒內(nèi)?；谒陆玉g技術(shù)來(lái)完成電能和信息集中、轉(zhuǎn)換、處理的裝置，稱為接駁盒[7]。接駁盒內(nèi)有密封耐壓艙體，通過(guò)水密接插件傳輸電能和數(shù)據(jù)。圖1（a）所示為南海觀測(cè)示范網(wǎng)主接駁盒，圖1（b）所示為次級(jí)接駁盒。

陸地綜合信息處理層包括互聯(lián)網(wǎng)管理單元、觀測(cè)網(wǎng)管理單元?；ヂ?lián)網(wǎng)管理單元的功能是接收并處理通過(guò)換聯(lián)網(wǎng)接入的遠(yuǎn)程指令、請(qǐng)求及其他數(shù)據(jù)服務(wù)，如下載某些海洋數(shù)據(jù)，在線觀看海底影像等；觀測(cè)網(wǎng)管理單元的功能是實(shí)時(shí)監(jiān)控海底觀測(cè)網(wǎng)各個(gè)分系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)信息，如某一功能或結(jié)構(gòu)單元的輸入電壓、運(yùn)行電流、溫度、絕緣情況等。觀測(cè)網(wǎng)管理單元的另一個(gè)重要功能是和信息傳輸主干層及海洋信息獲取層進(jìn)行實(shí)時(shí)雙向通訊，將海洋數(shù)據(jù)采集到岸站或者向下發(fā)出指令。信息傳輸主干層和海洋信息獲取層所有電子元件均裝載于主接駁盒和次級(jí)接駁盒的電子艙內(nèi)。

圖1 接駁盒實(shí)物圖

信息傳輸主干層貫穿岸站及主、次接駁盒，以光纖作為傳輸介質(zhì)，應(yīng)用Ethernet IP技術(shù)、自定義通訊協(xié)議等技術(shù)手段，搭建信息傳輸?shù)闹鞲傻繹8]。海洋信息獲取層由各種物理、化學(xué)等傳感器組成，應(yīng)用各種自定義不同的數(shù)據(jù)接口協(xié)議獲取傳感器數(shù)據(jù)。

圖2 海洋信息采集、監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

按照?qǐng)D2信息采集、監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)，海底觀測(cè)示范網(wǎng)采用如圖3的組成實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。岸站包括刀片式服務(wù)器、防火墻、瘦客戶服務(wù)器、系統(tǒng)監(jiān)控計(jì)算機(jī)、海洋數(shù)據(jù)可視化顯示系統(tǒng)組成，實(shí)現(xiàn)陸地綜合信息處理層的功能；信息傳輸主干層包括光以太網(wǎng)交換機(jī)、視頻以太網(wǎng)服務(wù)器、串口以太網(wǎng)服務(wù)器、數(shù)據(jù)處理邏輯控制器和自行研制的系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)板。海洋信息獲取層包含主要包含各種海洋物理、海洋化學(xué)、海洋圖像傳感器。南海海底觀測(cè)網(wǎng)示范網(wǎng)安裝了ADCP、水質(zhì)儀、熱感應(yīng)儀、聲學(xué)設(shè)備等海洋傳感器[9]。

圖3 海底觀測(cè)示范網(wǎng)信息系統(tǒng)組成圖

2 陸地綜合信息處理層設(shè)計(jì)

陸地綜合信息處理層是海底觀測(cè)網(wǎng)的信息管理系統(tǒng)和安全監(jiān)控系統(tǒng)。信息管理主要包括視頻圖像、海洋觀測(cè)儀器數(shù)據(jù)、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的分類、存儲(chǔ)、更新及發(fā)布。信息安全主要包括網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)權(quán)限管理、數(shù)據(jù)訪問(wèn)管理、數(shù)據(jù)下載管理等。在刀片式服務(wù)器內(nèi)建立Oracle Server數(shù)據(jù)庫(kù)，存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)類型包括視頻格式.avr，.mpeg4，音頻格式wma，mp3，數(shù)據(jù)格式包括mat，dat等[10]。圖4所示為南海海底觀測(cè)網(wǎng)綜合信息監(jiān)控站畫(huà)面。圖5為綜合信息存儲(chǔ)站-刀片式服務(wù)器。

3 信息傳輸主干層設(shè)計(jì)

3.1 信息傳輸主干層通訊構(gòu)架及協(xié)議

信息傳輸主干層主要運(yùn)行于接駁盒的電子艙內(nèi)。電子艙是密閉的結(jié)構(gòu)體，材料為不銹鋼316。電子艙與艙外通過(guò)水密接插件進(jìn)行電能和信息的傳輸。電子艙如圖6所示。

圖4 綜合信息監(jiān)控站運(yùn)行畫(huà)面

圖5 刀片式服務(wù)器

圖6 接駁盒內(nèi)電子能

海底觀測(cè)網(wǎng)信息傳輸系統(tǒng)在路徑上分為干路和支路。干路以光纖作為信息傳輸介質(zhì)，傳輸數(shù)據(jù)量峰值可達(dá)1 Gbps[11-12]；支路以網(wǎng)線作為傳輸介質(zhì)，數(shù)據(jù)帶寬為100 Mbps/10 Mbps自適應(yīng)。干路通訊管理及傳輸設(shè)備為光以太網(wǎng)交換機(jī)；支路通訊傳輸設(shè)備為以太網(wǎng)控制器和串口/以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器。以太網(wǎng)控制器連接串口/以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器和系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)板，串口/以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器連接物理、化學(xué)海洋數(shù)據(jù)觀測(cè)設(shè)備。圖7所示為傳輸主干層架構(gòu)。

通訊協(xié)議采用OSI開(kāi)放式系統(tǒng)互聯(lián)7層協(xié)議。協(xié)議結(jié)構(gòu)如圖8所示。最頂層的應(yīng)用層設(shè)計(jì)了自定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用來(lái)完成海底觀測(cè)網(wǎng)特定的數(shù)據(jù)服務(wù)[12]。

圖7 傳輸主干層架構(gòu)圖

圖8 海底觀測(cè)網(wǎng)通信協(xié)議

3.2 信息傳輸主干層通訊策略

考慮到海底觀測(cè)網(wǎng)的實(shí)際應(yīng)用需求，海底觀測(cè)網(wǎng)主干層通訊采用基于事件觸發(fā)和定時(shí)觸發(fā)相結(jié)合的通訊策略?；谑录|發(fā)策略主要用于監(jiān)控海底觀測(cè)網(wǎng)自身運(yùn)行的狀態(tài)，比如檢測(cè)系統(tǒng)的輸入電壓、電流、功率，檢測(cè)整個(gè)供電系統(tǒng)的安全狀況，如絕緣、漏水檢測(cè)、溫度檢測(cè)等。當(dāng)有某一指標(biāo)超過(guò)安全值時(shí)，就形成一個(gè)“事件”，該事件便會(huì)觸發(fā)觀測(cè)網(wǎng)信息采集、監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)激反應(yīng)，進(jìn)行故障隔離和恢復(fù)。對(duì)于來(lái)自internet的數(shù)據(jù)下載請(qǐng)求等事件也是通過(guò)事件觸發(fā)機(jī)制進(jìn)行相應(yīng)；定時(shí)觸發(fā)的通訊策略主要用于海洋數(shù)據(jù)的采集、更新數(shù)據(jù)庫(kù)及監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)海洋數(shù)據(jù)等功能。海洋數(shù)據(jù)主要由傳感器進(jìn)行采集，如何獲取有效時(shí)間間隔的海洋數(shù)據(jù)是海洋觀測(cè)根本需要。南海海底觀測(cè)示范網(wǎng)的所有海洋數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔均不超過(guò)100 ms，可以滿足海洋科學(xué)家獲得“長(zhǎng)期、連續(xù)”海洋數(shù)據(jù)的需求。通訊策略示意圖如圖9所示。

圖9 通訊策略示意圖

3.3 自定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

在OSI開(kāi)放式系統(tǒng)互聯(lián)7層協(xié)議的應(yīng)用層，根據(jù)海底觀測(cè)網(wǎng)數(shù)據(jù)通訊的需要及海洋觀測(cè)設(shè)備的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了自定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行信息傳輸。從圖10可以看出，自定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在海底觀測(cè)網(wǎng)信息采集系統(tǒng)的三層構(gòu)架中均有出現(xiàn)。

圖10 自定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)使用情況圖

陸地綜合信息處理層的一個(gè)重要功能是顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。通訊主干層通過(guò)UDP協(xié)議將系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)信息包含于自定義格式數(shù)據(jù)保內(nèi)，圖11所示以陸地綜合信息處理層為例說(shuō)明該層的自定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)形式。

圖11 自定義數(shù)據(jù)格式示例

4 海洋信息獲取層通信設(shè)計(jì)

海洋信息獲取層通信設(shè)計(jì)包括兩部分，一是如何獲取海洋信息，二是獲取海洋信息之后如何處置。在獲取海洋信息方面，由于海洋觀測(cè)設(shè)備復(fù)雜多樣，每種觀測(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)類型和格式不盡相同。以南海海底觀測(cè)網(wǎng)為例，海洋觀測(cè)設(shè)備的數(shù)據(jù)類型包括RS232，RS485，RS422，PAL制式視頻等。為了便于獲取數(shù)據(jù)及統(tǒng)一管理，海底觀測(cè)網(wǎng)全網(wǎng)采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式，即以太網(wǎng)格式。為此，系統(tǒng)采用了串口/以太網(wǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和視頻編碼器，將不同類型數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)數(shù)據(jù)，為每一個(gè)海洋信息采集設(shè)備分配唯一的IP地址及MAC地址，統(tǒng)一采用UDP協(xié)議進(jìn)行通信。在陸地綜合信息處理層，為方便研究人員應(yīng)用海洋數(shù)據(jù)，又將以太網(wǎng)數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換為.dat，.avi，.mpeg4等類型，進(jìn)行存儲(chǔ)及提供下載服務(wù)。

圖12 本系統(tǒng)安裝的部分海洋觀測(cè)設(shè)備

5 系統(tǒng)海底實(shí)際布放及連續(xù)運(yùn)行檢驗(yàn)

采用本文設(shè)計(jì)的海洋信息采集、監(jiān)控系統(tǒng)的海底觀測(cè)網(wǎng)已于2013年5月份鋪設(shè)于我國(guó)海域并經(jīng)過(guò)了6個(gè)月的連續(xù)運(yùn)行檢驗(yàn)。運(yùn)行結(jié)果表明，海底觀測(cè)示范網(wǎng)信息采集、監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)的要求，具體如下：

信息采集監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控海底觀測(cè)網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，能夠通過(guò)信息采集監(jiān)控系統(tǒng)遙控海底接駁盒內(nèi)繼電器、開(kāi)關(guān)等動(dòng)作；信息采集監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)采集海底物理、化學(xué)數(shù)據(jù)并在陸地綜合信息處理層實(shí)時(shí)顯示；信息采集監(jiān)控系統(tǒng)能夠存儲(chǔ)海洋數(shù)據(jù)及海底觀測(cè)網(wǎng)自身運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)。圖13為主播接駁盒南海布放，圖14為岸上監(jiān)控室監(jiān)控計(jì)算機(jī)主界面。圖15為海洋觀測(cè)設(shè)備（水質(zhì)儀）的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示畫(huà)面。

圖13 主接駁盒海上布放照片

圖14 海底觀測(cè)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)界面

圖15 水質(zhì)儀數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示窗口

6 結(jié)束語(yǔ)

海底觀測(cè)示范網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了能源供給系統(tǒng)、信息管理系統(tǒng)、電能傳輸、接駁盒技術(shù)等觀測(cè)網(wǎng)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)；實(shí)現(xiàn)了海洋觀測(cè)設(shè)備的入網(wǎng)及數(shù)據(jù)傳輸；實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的海上布放、維護(hù)等施工作業(yè)過(guò)程。經(jīng)過(guò)從海底布放到如今的連續(xù)運(yùn)行檢驗(yàn)，本文所研究的信息采集監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)狀良好，完成了監(jiān)控、保護(hù)觀測(cè)網(wǎng)系統(tǒng)自身和構(gòu)建信息傳輸管理通道的要求。

[1]Christopher R Barnes,Mairi MR Best,Fern R Johnson,et al.Challenges,Benefits,and Opportunities in Installingand Operating Cabled Ocean Observatories:Perspectives FromNEPTUNE Canada[J].IEEE Journal ofOceanic Engineering,2013,38(1):144-157.

[2]ADChave,GWaterworth,AR Maffei,et al Cabledocean observatorysystems[J].Mar Technol Soc J,2004,38(2):30-43.

[3]P Phibbs,S Lentz.Cabled ocean science observatories as testbeds for underwater technology[C]//OCEANS Eur.Conf.,2007,DOI: 10.1109/OCEANSE.2007.4302268.

[4]P Favali,R Person,C R Barnes,et al.Seafloor observatory science[C]//OceanObs’09:SustainedOcean Observations and Information for Society,J.Hall,D.E.Harrison,and D.Stammer,Eds.,Venice,Italy,2009(2):21-25.DOI:10.5270/OceanObs09.cwp.28

[5]Isern AR,Clark H L．The Ocean Observatories Initiative:AContinuedPresence for Interactive Ocean Research[J].Marine Technology SocietyJournal，2003,37:26-41.

[6]WangPinxian.Seafloor observations:The third platformfor Earth systemobservation[J].Chinese Journal ofNature,2007,29(3):125-130.

[7]陳鷹，楊燦軍，陶春輝，等.海底觀測(cè)系統(tǒng)［M］北京:海洋出版社，2006．

[8]盧漢良，李德駿，楊燦軍，等.深海海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)信息采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2011,24(3):407-411．

[8]李毛和，張美郭.用于海洋測(cè)量的化學(xué)和生物傳感器[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2000,3(1):74-77.

[10]B Pirenne,E Guillemot.Seafloor observations:The third platform for Earth system observation[J].Chinese Journal of Nature,2007,29 (3):125-130.

[11]林康，劉敬彪，盛慶華.一路視頻雙向數(shù)據(jù)的光纖傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].光通信技術(shù)，2012(3):33-35．

[12]李明偉，葉紅軍，李昕欣.基于XC2VP30的多路數(shù)字視頻光端機(jī)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2008(10):61-62,65．

Design and Operational Testing of the Data Acquisition and Management System of Seafloor Cabled Observatories

GAO Shi-yang1,LI Zhi-gang2,SUN Kai2
1.Military Representative Office of Navy Equipment Department of Salvage in Tianjin Area,Tianjin 300042,China; 2.Shenyang Institute of Automation,Shenyang 110016,Liaoning Province,China

A set of information acquisition and monitoring system is designed for seafloor observatory network, and a kind of monitoring system and its operational mechanism are presented in this paper,which transmits IP packets through optical network based on the combination of event-triggered and timing-driven devices.In addition,the overall framework of the monitoring and control system is put forward,which is composed of the shore station control center layer,the optical transmission backbone layer,and the marine data acquisition layer. This paper also designs the communication control strategies and custom communication protocols.The seafloor observatory network with this information acquisition and monitoring system has been placed on the seabed in the experimental sea area.After 8 months of continuous operation under the sea,this system has been running in a stable state,capable of correctly collecting data both of marine sensors and its systems.

seafloor observatory network,information acquisition and monitoring,communication design, continuous seafloor operation

P715

A

1003-2029（2017）03-0034-06

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.03.007

2017-05-30

高世陽(yáng)（1979-），男，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)楹Ｑ蠹夹g(shù)。E-mail：zhangzhenvip2011@sina.com