海洋地質(zhì)調(diào)查遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用

鄭寶鋒 丁鴻弼

摘 要： 海洋地質(zhì)調(diào)查工作區(qū)域位置數(shù)據(jù)具有一定的安全保密性，需要建立內(nèi)部管理的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。海洋地質(zhì)調(diào)查遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)采用北斗衛(wèi)星定位通信技術(shù)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)海洋地質(zhì)調(diào)查船舶以及離船作業(yè)人員的實(shí)時(shí)定位和軌跡監(jiān)控、作業(yè)人員之間的雙向信息通信、緊急呼救與應(yīng)急保障。充分利用北斗短報(bào)文通信功能，通過(guò)軟硬件研發(fā)與集成、北斗數(shù)據(jù)傳輸儀的研制，實(shí)現(xiàn)船舶環(huán)境數(shù)據(jù)的采集、發(fā)送，以及正確接收和模擬動(dòng)畫展示，實(shí)時(shí)掌握船舶運(yùn)行數(shù)據(jù)，提高海上地質(zhì)調(diào)查作業(yè)管理和安全保障水平、突發(fā)事件應(yīng)急處置能力，保障海洋地質(zhì)調(diào)查工作者生命財(cái)產(chǎn)安全及海洋地質(zhì)調(diào)查工作順利進(jìn)行。

關(guān)鍵詞： 海洋地質(zhì)調(diào)查； 安全管理； 北斗衛(wèi)星； 遠(yuǎn)程監(jiān)控； 實(shí)時(shí)定位； 船舶監(jiān)控

中圖分類號(hào)： TN927+.2?34； X935 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）17?0040?05

Abstract： It is necessary to establish a remote monitoring system of the internal management because the position data of marine geological survey work has a certain security confidentiality. The Beidou satellite positioning communication technology and wireless network technology are used in the remote monitoring system of marine geological survey to realize the real?time positioning and trajectory monitoring for the marine geological survey ships and operating staff away the ship， two?way information communication between operating staff， emergency call and emergency safeguard. By making full use of Beidou short message communication function， the software and hardware are developed and integrated， and the Beidou data transmission instrument is developed to realize the collection， sending and correct receiving of ship environmental data， and simulation of animation display， master the ship running data in real time， improve the working management， safety guarantee level and emergency disposal ability of marine geological survey， safeguard the life and property security of the marine geological survey workers， and maintain the successful operation of marine geological survey work.

Keywords： marine geological survey； safety management； Beidou satellite； remote monitoring； real?time positioning； ship monitoring

0 引 言

現(xiàn)代化船舶通常裝備自動(dòng)化導(dǎo)航儀、自動(dòng)氣象站及運(yùn)動(dòng)姿態(tài)傳感器等儀器設(shè)備，以獲得自身的姿態(tài)運(yùn)動(dòng)參數(shù)和氣象資料。目前常用的參數(shù)類型包括航向、航速、位置、水深、風(fēng)向、風(fēng)速、溫度、氣壓、流速、流向及船舶姿態(tài)等。由于這些儀器設(shè)備自身功能所限，采集的數(shù)據(jù)通常只能夠在本地顯示，岸上船舶管理人員無(wú)法實(shí)時(shí)獲得這些數(shù)據(jù)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶狀態(tài)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，不利于安全管理。

為了實(shí)時(shí)掌握船舶的運(yùn)行情況，需要把各種儀器設(shè)備采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送到控制中心的數(shù)據(jù)服務(wù)器，并通過(guò)船舶監(jiān)控安全保障平臺(tái)展現(xiàn)出來(lái)?？紤]到海洋環(huán)境，通信系統(tǒng)采用衛(wèi)星通信的方式比較適合。海事衛(wèi)星價(jià)格較高，安全性也沒(méi)有保證。我國(guó)自行設(shè)計(jì)運(yùn)行的北斗一代衛(wèi)星附帶有短報(bào)文收發(fā)功能，不僅安全性好，運(yùn)行費(fèi)用也很低，非常適用于各類參數(shù)的發(fā)送與控制命令的接收[1?2]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

海洋地質(zhì)調(diào)查遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)為了保障系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全性，從物理上對(duì)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行隔絕。系統(tǒng)只運(yùn)行在單位的內(nèi)部局域網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，管理人員或用戶需要在本機(jī)安裝客戶端軟件才能對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行操作。設(shè)備的通信只通過(guò)北斗衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，利用北斗衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)加密技術(shù)保障數(shù)據(jù)的傳輸安全[3]。系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

1.2 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

海洋地質(zhì)調(diào)查遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)由船舶監(jiān)控安全保障平臺(tái)、移動(dòng)平臺(tái)、數(shù)據(jù)庫(kù)三大部分組成。

船舶監(jiān)控安全保障平臺(tái)主要實(shí)現(xiàn)船舶及人員監(jiān)控、業(yè)務(wù)處理和數(shù)據(jù)管理維護(hù)，包括協(xié)議交互和用戶認(rèn)證平臺(tái)。船舶監(jiān)控主要用于監(jiān)控目前處于活動(dòng)狀態(tài)的船只位置，以及查看船只的詳情、報(bào)警記錄、平安記錄、區(qū)域報(bào)警、出入港記錄、北斗短信記錄等通信數(shù)據(jù)。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)分為空間數(shù)據(jù)庫(kù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)，主要包括地理信息數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)等[4?7]。

地理信息模塊能夠支持電子地形圖、電子海圖和其他格式地圖數(shù)據(jù)，預(yù)先對(duì)各種格式地圖數(shù)據(jù)進(jìn)行融合以及發(fā)布，包括控制地圖的縮放及地圖上、下、左、右四個(gè)方向移動(dòng)的分度盤；控制地圖查看模式，支持地圖、影像、海圖和其他專有圖層等的圖層控制。

通信和調(diào)度功能支持與北斗終端進(jìn)行短報(bào)文通信，并將數(shù)據(jù)入庫(kù)統(tǒng)一管理，方便記錄與查看；通過(guò)北斗衛(wèi)星通道，向野外作業(yè)船只發(fā)送指揮調(diào)度信息，野外作業(yè)船只按照調(diào)度指令完成工作任務(wù)并返回目標(biāo)船只的位置信息。

船只出港和入港監(jiān)控系統(tǒng)提供繪制海岸區(qū)域的功能，當(dāng)單位的船只出港和入港時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)做記錄，并短信通知相關(guān)的管理人員。船只工作進(jìn)度展現(xiàn)，系統(tǒng)提供船只測(cè)線線路規(guī)劃功能，可以在線繪制測(cè)線或統(tǒng)一導(dǎo)入測(cè)線數(shù)據(jù)。當(dāng)單位的船只到達(dá)工作地點(diǎn)，并完成工作后，地圖上顯示工作測(cè)線為綠色，未完成的測(cè)線是黃色，方便管理人員查看航行的進(jìn)度。船只測(cè)線航行軌跡圖如圖2所示。

1.3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

海洋地質(zhì)調(diào)查遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)按照系統(tǒng)應(yīng)用需求、用戶需求及各種業(yè)務(wù)信息建立數(shù)據(jù)庫(kù)表，負(fù)責(zé)與數(shù)據(jù)庫(kù)管理、存儲(chǔ)、備份、同步、查詢相關(guān)的事務(wù)。數(shù)據(jù)庫(kù)使用微軟的SQL Server 2005，主體表包括船舶表、用戶表、設(shè)備表、船舶/用戶設(shè)備關(guān)系表、位置信息表、實(shí)時(shí)監(jiān)控表。數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊主要負(fù)責(zé)各類型實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的入庫(kù)處理。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊需要考慮數(shù)據(jù)接入的規(guī)律，應(yīng)對(duì)短時(shí)間內(nèi)可能突發(fā)的大量數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)備份在本項(xiàng)目中是非常關(guān)鍵的，需要同時(shí)采取實(shí)時(shí)增量備份、完整備份、多種存儲(chǔ)方式的備份；數(shù)據(jù)查詢服務(wù)模塊接收臺(tái)站應(yīng)用軟件提交的查詢請(qǐng)求，從數(shù)據(jù)庫(kù)中查詢相應(yīng)的數(shù)據(jù)，并將查詢結(jié)果返回給請(qǐng)求方。

1.4 協(xié)議交互平臺(tái)設(shè)計(jì)

基于北斗終端設(shè)備通信接口協(xié)議規(guī)范，通過(guò)軟件技術(shù)研發(fā)協(xié)議交互平臺(tái)。交互協(xié)議平臺(tái)將北斗指揮機(jī)、北斗船載終端的定位通信數(shù)據(jù)接入系統(tǒng)，形成一個(gè)可以支持多種協(xié)議、可靈活擴(kuò)展的協(xié)同平臺(tái)。

交互協(xié)議是和北斗指揮機(jī)之間的通信基礎(chǔ)，支持多設(shè)備終端的并發(fā)連接和訪問(wèn)，并解決數(shù)據(jù)安全、數(shù)據(jù)完整、終端兼容性以及服務(wù)器的負(fù)載能力等問(wèn)題。

協(xié)議解析模塊支持北斗指揮機(jī)和北斗船載、個(gè)人設(shè)備的通信數(shù)據(jù)協(xié)議，負(fù)責(zé)協(xié)議的解析、認(rèn)證；數(shù)據(jù)交換模塊功能是終端設(shè)備與服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)傳輸以及調(diào)度指令；負(fù)載均衡模塊處理海量數(shù)據(jù)上報(bào)，以及數(shù)據(jù)并發(fā)上報(bào)，平衡服務(wù)器的壓力；數(shù)據(jù)驗(yàn)證和恢復(fù)模塊處理傳輸中丟失或無(wú)效數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)的完整性；基礎(chǔ)通信模塊支持標(biāo)準(zhǔn)的TCP和UDP通信模式，完成內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換；短信通信針對(duì)短信發(fā)送設(shè)備進(jìn)行開(kāi)發(fā)，完成報(bào)警、消息、通知等手機(jī)短信的發(fā)送。

2 海上船舶動(dòng)態(tài)及環(huán)境參數(shù)傳輸系統(tǒng)研發(fā)

2.1 海上船舶動(dòng)態(tài)及環(huán)境參數(shù)傳輸系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

海上船舶動(dòng)態(tài)及環(huán)境參數(shù)集成傳輸系統(tǒng)研發(fā)包括兩部分工作內(nèi)容：

1） 研制多參數(shù)集成設(shè)備。多參數(shù)集成設(shè)備由PC機(jī)、多串口卡與集成軟件組成，多串口卡通過(guò)PCI接口與PC機(jī)連接，同時(shí)通過(guò)串口連接各種船舶動(dòng)態(tài)及環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)儀器，接收監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。集成軟件負(fù)責(zé)把接收的數(shù)據(jù)按照規(guī)定的格式組合為一條數(shù)據(jù)，再把數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送到北斗傳輸設(shè)備。

2） 北斗傳輸儀。北斗傳輸儀接收到數(shù)據(jù)后，根據(jù)北斗短報(bào)文格式要求，把數(shù)據(jù)分包處理后，通過(guò)北斗傳輸儀發(fā)送到船舶監(jiān)控安全保障系統(tǒng)的數(shù)據(jù)服務(wù)器，再把數(shù)據(jù)重新組合。這樣如果擴(kuò)展或替換監(jiān)測(cè)參數(shù)，在硬件部分只需要增加串口卡的數(shù)量，在軟件部分只需要改動(dòng)數(shù)據(jù)中心接收軟件的解析協(xié)議，就可以增加新的監(jiān)測(cè)內(nèi)容[8?11]。

船舶動(dòng)態(tài)及環(huán)境參數(shù)北斗傳輸系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

2.2 系統(tǒng)創(chuàng)新性及關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 傳感器集成設(shè)備

目前使用的姿態(tài)傳感器、導(dǎo)航儀、氣象站等儀器設(shè)備一般均具有RS 232接口。采集的數(shù)據(jù)按照設(shè)定的波特率以文本方式發(fā)送出來(lái)，儀器性能要求不同，發(fā)送的頻率也不一樣。如果把這些數(shù)據(jù)直接發(fā)送到數(shù)據(jù)中心，會(huì)造成傳輸設(shè)備的復(fù)雜性大大提高，因此需要傳感器集成設(shè)備，可以對(duì)這些不同格式、不同傳輸速率的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，把這些數(shù)據(jù)按照一定的格式整合為多條數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)發(fā)送給北斗傳輸儀。

系統(tǒng)選擇PC機(jī)作為多種參數(shù)集成設(shè)備的硬件平臺(tái)。對(duì)PC機(jī)串口進(jìn)行擴(kuò)展，采用具有8個(gè)RS 232標(biāo)準(zhǔn)串口的多串口卡。PCI接口與PC機(jī)連接，卡上具有DSP信號(hào)處理器和512 KB的內(nèi)存，當(dāng)8個(gè)串口同時(shí)工作時(shí)，可達(dá)到230.4 Kb/s的速率，可以滿足接收現(xiàn)有和未來(lái)擴(kuò)展的儀器設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)的要求。

傳輸硬件設(shè)備接收PC機(jī)數(shù)據(jù)采用透明傳輸，即將接收到的PC數(shù)據(jù)去掉起始符、識(shí)別符、標(biāo)識(shí)符和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度字節(jié)后，再以北斗用戶機(jī)4.0協(xié)議把數(shù)據(jù)透?jìng)鹘o服務(wù)器。

2.2.2 北斗傳輸儀

北斗傳輸儀采用嵌入式體系結(jié)構(gòu)，采用PIC24F?16KA102芯片作為嵌入式微處理器，接收傳感器集成設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包，按照北斗短報(bào)文要求進(jìn)行打包，通過(guò)北斗終端發(fā)送到數(shù)據(jù)中心，如圖5所示。由于北斗傳輸儀的主要工作是接收整合的數(shù)據(jù)包，按照北斗終端4.0協(xié)議格式重新打包后通過(guò)北斗終端發(fā)送到數(shù)據(jù)服務(wù)器，工作任務(wù)是順序執(zhí)行，類似于流水線模式，適合采用嵌入式設(shè)備進(jìn)行工作，可以保持高效率與低故障率[12?16]。

北斗傳輸儀主要功能是把船舶自身運(yùn)行狀態(tài)與海況信息通過(guò)北斗短報(bào)文實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)送到數(shù)據(jù)監(jiān)控中心，以便于在北斗信號(hào)覆蓋的范圍內(nèi)，船舶管理部門可以動(dòng)態(tài)獲取船舶運(yùn)行狀態(tài)與周圍氣象情況，有利于保障船舶運(yùn)行與工作安全。北斗傳輸儀性能關(guān)鍵點(diǎn)一是能否保證儀器設(shè)備長(zhǎng)期無(wú)故障運(yùn)行，二是能否保證數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生畸變。

2.3 船舶動(dòng)態(tài)、環(huán)境參數(shù)解析及信息展示功能研發(fā)

船舶監(jiān)控安全保障平臺(tái)目前已部署服務(wù)器并運(yùn)行穩(wěn)定。在完成了北斗傳輸儀的研制以及拓展了協(xié)議解析平臺(tái)的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了船舶動(dòng)態(tài)及環(huán)境參數(shù)傳輸設(shè)備的集成與應(yīng)用，通過(guò)北斗短報(bào)文通信方式完成了船舶傳感器數(shù)據(jù)的發(fā)送，以及系統(tǒng)正確接收和模擬動(dòng)畫展示，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了全方位的測(cè)試。

船舶動(dòng)態(tài)及環(huán)境數(shù)據(jù)傳回船舶監(jiān)控安全保障系統(tǒng)的數(shù)據(jù)服務(wù)器后，即可接入船舶監(jiān)控安全保障平臺(tái)軟件，以表格數(shù)據(jù)形式實(shí)時(shí)顯示；根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)可以以動(dòng)畫形式動(dòng)態(tài)模擬船舶動(dòng)態(tài)及海上環(huán)境場(chǎng)景。

2.4 船舶動(dòng)態(tài)及環(huán)境參數(shù)

船舶動(dòng)態(tài)及環(huán)境參數(shù)包括GPS、氣象、姿態(tài)、測(cè)深儀4個(gè)傳感器的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，通過(guò)北斗短報(bào)文通信的方式發(fā)送至系統(tǒng)服務(wù)器。系統(tǒng)接收到傳感器數(shù)據(jù)后，通過(guò)表格、曲線圖和模擬動(dòng)畫三種方式進(jìn)行展示，如圖6所示。

3 軟硬件整體集成測(cè)試

3.1 船舶動(dòng)態(tài)及環(huán)境參數(shù)傳輸設(shè)備測(cè)試

通過(guò)接入北斗指揮機(jī)，對(duì)北斗一代指揮機(jī)端口協(xié)議進(jìn)行了封裝、調(diào)試與開(kāi)發(fā)。將北斗指揮機(jī)監(jiān)收到的終端定位數(shù)據(jù)和通信數(shù)據(jù)接入到平臺(tái)，并保存入庫(kù)；將短信貓接入系統(tǒng)，系統(tǒng)接收到北斗設(shè)備報(bào)警信息后自動(dòng)給相關(guān)人員發(fā)送手機(jī)短信息；將北斗船載終端設(shè)備的定位通信數(shù)據(jù)接入平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)這些船只的監(jiān)控，部署軟件平臺(tái)到服務(wù)器上，完成了集成調(diào)試系統(tǒng)與北斗指揮機(jī)、短信貓、北斗設(shè)備之間的連接。

海上船舶動(dòng)態(tài)及環(huán)境參數(shù)傳輸設(shè)備通過(guò)RS 232標(biāo)準(zhǔn)串口與收集各種傳感器數(shù)據(jù)的電腦連接，實(shí)時(shí)采集船載傳感器數(shù)據(jù)，并通過(guò)北斗傳輸儀，以北斗短報(bào)文的方式將傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送至船舶監(jiān)控安全保障系統(tǒng)。系統(tǒng)收到數(shù)據(jù)后，通過(guò)解析數(shù)據(jù)并以表格、曲線圖、模擬動(dòng)畫等方式進(jìn)行展示。船舶動(dòng)態(tài)及環(huán)境參數(shù)采集、傳輸子系統(tǒng)示意圖如圖7所示。

3.2 船舶監(jiān)控安全保障平臺(tái)系統(tǒng)測(cè)試

船舶監(jiān)控安全保障系統(tǒng)從數(shù)字化管理的角度出發(fā)，集成了北斗指揮機(jī)、短信貓、北斗終端等硬件設(shè)備。利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等先進(jìn)手段，將文字信息、地理信息、圖片信息、業(yè)務(wù)內(nèi)容等統(tǒng)一建立在可隨時(shí)隨地進(jìn)行訪問(wèn)的數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)下，保證了軟件平臺(tái)與硬件設(shè)備的雙向運(yùn)行穩(wěn)定。

在完成了系統(tǒng)軟件功能的開(kāi)發(fā)、硬件設(shè)備的集成后，項(xiàng)目組對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了全方位的測(cè)試。經(jīng)過(guò)多次測(cè)試結(jié)果可知系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，功能滿足地質(zhì)調(diào)查安全生產(chǎn)需要。船舶監(jiān)控圖如圖8所示。

4 結(jié) 論

海洋地質(zhì)調(diào)查遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用為海洋地質(zhì)調(diào)查工作主體的遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理提供了現(xiàn)代化的信息技術(shù)平臺(tái)。系統(tǒng)測(cè)試運(yùn)行穩(wěn)定，可以實(shí)現(xiàn)在海洋環(huán)境下對(duì)海洋地質(zhì)調(diào)查船舶以及附屬船（艇）只的實(shí)時(shí)定位、軌跡監(jiān)控、雙向通信、船舶動(dòng)態(tài)及環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)傳輸。通過(guò)海洋地質(zhì)調(diào)查遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的推廣應(yīng)用，將提高海上地質(zhì)調(diào)查作業(yè)管理和安全保障水平和突發(fā)事件應(yīng)急救援能力，對(duì)保障海洋地質(zhì)調(diào)查工作者生命財(cái)產(chǎn)安全和海洋地質(zhì)調(diào)查工作順利進(jìn)行具有重大意義。

注：本文通訊作者為丁鴻弼。

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