基于北斗衛(wèi)星的遠(yuǎn)海船舶氣象播報系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用

任蔓延，胡知斌，仇文峰

（中交疏浚技術(shù)裝備國家工程研究中心有限公司，上海 201208）

0 引言

我國遠(yuǎn)海由于復(fù)雜的海洋環(huán)境加之多變的氣候條件給遠(yuǎn)海施工船舶的航行安全帶來了巨大的挑戰(zhàn)。確保船舶及人員的海上安全是航海人的職責(zé)，航海人應(yīng)充分了解和掌握海域氣象條件，在各種氣象條件下保證海上船舶及人員安全[1]。

遠(yuǎn)海工程的實施，離不開對溫度、波浪、潮位、風(fēng)速、風(fēng)向、流速及流向等氣象要素的監(jiān)測。為了更好的促進(jìn)遠(yuǎn)海開發(fā)建設(shè)，保障遠(yuǎn)海施工船舶的航行安全，需要獲取準(zhǔn)確的氣象信息資料[2]。

目前，我國已初步形成了一定的海洋站監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，大部分為沿海海洋氣象觀測臺站，遠(yuǎn)海海洋觀測站部署數(shù)量少、分布也不盡合理，監(jiān)測范圍有限，同時還存在著觀測點設(shè)置、觀測手段和方法不同，數(shù)據(jù)的間隔一般比較長，觀測頻率比較低，數(shù)據(jù)量較少，且大多的觀測站數(shù)據(jù)不能實時傳輸?shù)确矫娴膯栴}，難以滿足遠(yuǎn)海工程的設(shè)計、施工要求[3-4]。因此，如何建立同時采集多種數(shù)據(jù)、實時傳輸發(fā)布的遠(yuǎn)海海洋氣象系統(tǒng)，成為推進(jìn)遠(yuǎn)海工程實施的關(guān)鍵。

1 系統(tǒng)設(shè)計

3G/4G網(wǎng)絡(luò)不能夠有效的覆蓋遠(yuǎn)海區(qū)域，船舶獲取氣象信息依賴于北斗衛(wèi)星系統(tǒng)[5]?；诒倍沸l(wèi)星的遠(yuǎn)海船舶氣象播報系統(tǒng)[6]主要分為以下5個部分：船端氣象系統(tǒng)、岸端氣象系統(tǒng)、ArcGIS服務(wù)、Web服務(wù)以及數(shù)據(jù)誤差訂正模型。系統(tǒng)拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 系統(tǒng)拓?fù)鋱DFig.1 System topology diagram

船端系統(tǒng)采集氣象數(shù)據(jù)（溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向和氣壓）和位置數(shù)據(jù)，通過船端北斗單卡機(jī)發(fā)送至岸端北斗多卡機(jī)[7-8]，多卡機(jī)接收到氣象數(shù)據(jù)并存儲。氣象數(shù)值誤差訂正模型基于歐洲中期天氣預(yù)報中心要素和氣象儀數(shù)據(jù)，利用絕對誤差訂正方法對氣象預(yù)報數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差訂正。船端通過北斗單卡機(jī)定時向岸端請求氣象預(yù)報數(shù)據(jù)以及其它船舶氣象數(shù)據(jù)，岸端北斗多卡機(jī)接收到請求后會將氣象預(yù)報數(shù)據(jù)和其它船舶氣象數(shù)據(jù)通過多卡機(jī)發(fā)送至目標(biāo)船。本系統(tǒng)選擇12個固定點進(jìn)行氣象預(yù)報。

1.1 船端系統(tǒng)

船端系統(tǒng)，硬件部分主要由船載氣象儀，工控機(jī)，北斗單卡機(jī)組成；軟件使用C#開發(fā)的WPF應(yīng)用程序，使用ArcGISRunTime組件提供的API加載離線地圖（tpk格式）。主要功能為采集船載氣象儀的數(shù)據(jù)并實時上傳，向岸端請求氣象預(yù)報數(shù)據(jù)及其它船舶氣象數(shù)據(jù)。在界面顯示中，鼠標(biāo)移至固定點，顯示當(dāng)前天氣預(yù)報；鼠標(biāo)移至船舶位置，顯示船舶氣象儀數(shù)據(jù)。點擊固定點，可以查看未來3 d的氣象預(yù)報數(shù)據(jù)；點擊船舶位置，顯示目標(biāo)船氣象儀的歷史數(shù)據(jù)。

1.2 岸端系統(tǒng)

岸端系統(tǒng)，硬件部分包括，北斗多卡機(jī)，工控機(jī)及服務(wù)器；軟件開發(fā)所使用的技術(shù)與船端相同。主要功能有：接收船端發(fā)送的氣象數(shù)據(jù)，并進(jìn)行存儲；將經(jīng)過數(shù)值模擬訂正后的氣象預(yù)報數(shù)據(jù)發(fā)送到目標(biāo)船舶。在界面顯示中，鼠標(biāo)移至固定點，顯示當(dāng)前天氣預(yù)報；鼠標(biāo)移至船舶，顯示該船氣象儀數(shù)據(jù)。點擊固定點，可以查看未來3 d的氣象預(yù)報數(shù)據(jù)；點擊船舶位置，顯示目標(biāo)船氣象儀的歷史數(shù)據(jù)。

1.3 ArcGIS服務(wù)

將S-57格式的電子海圖轉(zhuǎn)換格式，并通過ArcGIS平臺發(fā)布地圖服務(wù)。對已發(fā)布的MapServer，通過 ArcMap，ArcGISExplorer，ArcGISJavaScript，Google Eearth，ArcGIS.com.Map及 Bing Maps的方式進(jìn)行訪問查看。地圖支持18級任一比例縮放，電子海圖可以為船舶提供海圖數(shù)據(jù)，指導(dǎo)船舶的施工航行。

1.4 Web服務(wù)

Web服務(wù)基于B/S架構(gòu)，采用.NET+FLEX開發(fā)模式，并結(jié)合ArcGIS地圖插件，部署于IIS中運行。用戶在瀏覽器中訪問Web服務(wù)，可以查看各船舶的氣象數(shù)據(jù)、固定點的氣象預(yù)報及各船舶的歷史氣象數(shù)據(jù)。

1.5 數(shù)值誤差訂正模型

基于歐洲中期天氣預(yù)報中心高分辨率全球數(shù)值預(yù)報模式的多要素預(yù)報產(chǎn)品作為模型訂正的基礎(chǔ)預(yù)報，結(jié)合船端采集的氣象數(shù)據(jù)計算過去一段時間內(nèi)基礎(chǔ)數(shù)值預(yù)報對于船舶所處位置的溫度、風(fēng)速、風(fēng)向、氣壓和相對濕度5個要素的預(yù)報誤差。

開發(fā)的數(shù)值預(yù)報訂正模型于每日08時和20時分別基于基礎(chǔ)數(shù)值預(yù)報制作12個固定點未來72 h內(nèi)逐12 h的溫度、風(fēng)向、風(fēng)速、氣壓和相對濕度等要素的原始預(yù)報產(chǎn)品，并讀入此前已經(jīng)計算得到的過去11 h中基礎(chǔ)數(shù)值預(yù)報對于溫度、風(fēng)速、氣壓和相對濕度的預(yù)報誤差，將不同要素的預(yù)報誤差與相應(yīng)的原始預(yù)報值相加，最終形成固定點訂正后的預(yù)報產(chǎn)品。數(shù)據(jù)訂正流程如圖2。

圖2 數(shù)據(jù)訂正流程圖Fig.2 Flow chart of data correction

2 系統(tǒng)應(yīng)用

選擇廈門海域作為本系統(tǒng)的應(yīng)用示范。2016年10月，廈門大小嶝島造地工程建設(shè)，選擇中交上海航道局在廈門海域施工船舶新海燕，新海豚，新海豚2號作為目標(biāo)船，選取需要預(yù)報的12個固定點（見圖3，覆蓋整個廈門海域）。試驗時間為2016年10月—2016年12月。

圖3 12個固定點Fig.3 12 fixed points

在Web平臺中，查看船舶采集數(shù)據(jù)及天氣預(yù)報數(shù)據(jù)，圖4顯示新海豚實時數(shù)據(jù)，圖5顯示小嶝島當(dāng)天早上08:00的預(yù)報數(shù)據(jù)。

圖4 新海豚采集的數(shù)據(jù)Fig.4 Xinhaitun data acquisition

圖5 小嶝島氣象預(yù)報Fig.5 Xiaodeng Island forecast

在Web平臺中，可以查看固定點未來3 d的氣象預(yù)報數(shù)據(jù)，船舶位置的歷史氣象數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)中心建設(shè)在本公司，提供外網(wǎng)訪問端口，用戶可以隨時通過廣域網(wǎng)訪問Web端發(fā)布的氣象服務(wù)，了解施工區(qū)域的天氣狀況。

3 實驗數(shù)據(jù)分析

系統(tǒng)發(fā)布的氣象數(shù)據(jù)與中國天氣網(wǎng)進(jìn)行對比分析，對比數(shù)據(jù)見表1。

選擇廈門海域的土嶼與中國天氣網(wǎng)廈門地區(qū)的天氣預(yù)報做對比分析（土嶼離廈門島比較近，能夠代表廈門的天氣狀況）。從表1中13 d的觀測數(shù)據(jù)可以看出，雖然系統(tǒng)中對土嶼的氣象預(yù)報與中國天氣網(wǎng)對廈門的氣象預(yù)報有些偏差，但是兩者的預(yù)報都能夠反映當(dāng)?shù)貧庀鬆顩r，此偏差在接受的范圍之內(nèi)，可以認(rèn)為是準(zhǔn)確反映廈門地區(qū)的氣象狀況。

表1 本系統(tǒng)與中國天氣網(wǎng)天氣預(yù)報比對Table 1 Comparison between the system with China Weather Network

4 結(jié)語

通過以上分析，基于北斗的遠(yuǎn)海氣象播報系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地反映廈門海域的氣象狀況。通過氣象數(shù)值模型誤差訂正，使用北斗作為通信鏈路，能夠成功地反映預(yù)報區(qū)域的天氣情況，為遠(yuǎn)海預(yù)報提供了新的預(yù)報方法。此方法能夠為遠(yuǎn)海施工，船舶航行提供準(zhǔn)確的氣象預(yù)報，為船舶航行施工提供安全保障。

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