基于數(shù)據(jù)抽稀算法的海洋傾廢監(jiān)管系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

黃亞飛，翟艷輝，梁 杰，湛朝清，張東瑞

(國家海洋局 南海標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量中心，廣州 510715)

0 引言

隨著改革開放，我國經(jīng)濟(jì)社會高速發(fā)展，海洋運(yùn)輸業(yè)和海岸工程建設(shè)發(fā)展迅速，同樣產(chǎn)生了大量的疏浚物，疏浚物的胡亂傾倒對海洋生態(tài)環(huán)境造成巨大破壞。海洋具有一定的自凈能力，在不破壞海洋生態(tài)平衡的前提下可容納一定廢棄物，海洋傾廢相比于陸地堆放、深埋地下和焚燒的處理方式，具有處置方式簡單、成本低、對人類健康危害較小的特點(diǎn)。原國家海洋局根據(jù)國務(wù)院的授權(quán)，按照科學(xué)合理安全經(jīng)濟(jì)的原則選劃了67個海洋傾倒區(qū)，大致均勻分布在我國近海上，使得傾倒至傾倒區(qū)的疏浚物能夠自然的被海洋降解，使得疏浚物對海洋生態(tài)環(huán)境造成的污染最小[1-4]。

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，疏浚物逐年增加，從事海洋傾倒船舶越來越多，給海洋傾倒監(jiān)管造成很大挑戰(zhàn)。不當(dāng)?shù)暮Ｑ髢A廢行為不僅不利于海洋生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展，還極大危害人類健康，因此必須采取前沿技術(shù)強(qiáng)化海洋傾廢監(jiān)管，以防止海洋環(huán)境污染?，F(xiàn)有的海洋傾廢監(jiān)管系統(tǒng)接收到傾倒船舶的控制終端發(fā)送來的定位和吃水?dāng)?shù)據(jù)，數(shù)據(jù)直接在系統(tǒng)界面顯示，造成顯示界面數(shù)據(jù)點(diǎn)過多，船舶軌跡不清，監(jiān)管人員制作監(jiān)控報表時工作量大又繁瑣。針對此問題，本文提出采用數(shù)據(jù)抽稀算法對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行抽稀處理，以減少數(shù)據(jù)量，抽稀后的數(shù)據(jù)與傾倒船舶原有的運(yùn)行軌跡基本一致[5-6]。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

海洋傾廢監(jiān)管系統(tǒng)主要由船舶信息采集器和數(shù)據(jù)處理信息系統(tǒng)兩大部分組成，圖1是海洋傾廢監(jiān)管系統(tǒng)組織架構(gòu)圖。船舶信息采集器通過定位天線實(shí)時采集船舶經(jīng)緯度，通過吃水傳感器實(shí)時采集船舶水位，通過通信天線實(shí)時將采集到的船舶經(jīng)緯度和水位信息通過碼分多址(code division multiple access，CDMA)網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)絡(luò)傳輸至數(shù)據(jù)處理信息系統(tǒng)。通信服務(wù)器作為數(shù)據(jù)處理信息系統(tǒng)的運(yùn)行平臺，用于接收船舶信息采集器發(fā)送來的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、抽稀和軌跡生成，根據(jù)每次船舶裝載前后水位差計(jì)算裝載量，根據(jù)經(jīng)緯度信息計(jì)算船舶軌跡，生成傾倒船舶運(yùn)行報表，同時將生成的船舶運(yùn)行軌跡和報表等信息通過Internet網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至計(jì)算機(jī)、手機(jī)、網(wǎng)絡(luò)顯示器，供監(jiān)管人員進(jìn)行海洋傾廢監(jiān)管[7]。

圖1 海洋傾廢監(jiān)管系統(tǒng)組織架構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

海洋傾廢監(jiān)管系統(tǒng)的船舶信息采集器從成本、靈活性等方面考慮采用無線通訊模塊和單片機(jī)作為船舶信息采集器的核心元器件，其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。船舶信息采集器主要采集船舶水位和位置信息，將整合的水位和位置信息通過CDMA網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至數(shù)據(jù)處理信息系統(tǒng)。船舶信息采集器作為海洋傾廢監(jiān)管系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集終端，根據(jù)電路功能可將船舶信息采集器劃分為主控制模塊、定位模塊、壓力模塊、通信模塊、電源模塊、NorFlash存儲模塊、Flash Memory存儲器模塊、USB下載接口和顯示模塊。

圖2 船舶信息采集器硬件結(jié)構(gòu)圖

2.1 主控制模塊的設(shè)計(jì)

主控制模塊綜合考慮處理速度、功耗、接口數(shù)量及可擴(kuò)展等因素，系統(tǒng)采用基于USB接口的微控制器Atmega2560作為主控制器，Atmega2560具有成本低、運(yùn)行穩(wěn)定可靠的優(yōu)美，具有54路數(shù)字輸入/輸出端口，16路模擬輸入端口，4路UART串口，16 MHz的晶振，控制和計(jì)算性能均可滿足使用要求[8]。Atmega2560主控芯片按GPS授時的基準(zhǔn)時間將水位和定位經(jīng)緯度每分鐘打包一個數(shù)據(jù)幀，將數(shù)據(jù)幀通過UART接口傳輸至通信模塊。

2.2 定位模塊的設(shè)計(jì)

定位模塊采用型號為AT6558的定位芯片，AT6558定位芯片是中科微第四代低功耗GNSS SOC單芯片，支持我國北斗、美國GPS、俄羅斯GLONASS、歐盟GALILEO和日本QZSS，是一款六合一的多模衛(wèi)星定位芯片，可實(shí)現(xiàn)聯(lián)合定位、導(dǎo)航和授時， AT6558定位芯片定位精度3 m，能滿足船舶在裝載區(qū)和傾倒區(qū)的精度要求。AT6558定位芯片通過RX及TX接口與Atmega2560主控芯片建立通信，通過TX接口將定位數(shù)據(jù)傳輸給Atmega2560主控芯片。定位模塊的定位天線安裝在駕駛艙頂或船舶空曠位置，實(shí)時采集船舶位置信息[9]。

2.3 壓力模塊的設(shè)計(jì)

壓力模塊板載一個型號為MIK-P300的擴(kuò)散硅芯體作為測壓單元，Atmega2560主控芯片通過PF6模擬接口讀取壓力模塊發(fā)送的電流信號，即可換算成壓力值。壓力模塊可測量范圍0～500 kPa，即0～50 m，對應(yīng)輸出電流為4～10 mA，精度達(dá)到滿量程±0.2%，可滿足全部傾倒船舶吃水深度的測量要求。壓力模塊中的壓力傳感器安裝在傾倒船舶海底門過濾器或相連的海水管道上，實(shí)時采集船舶水位信息[10-11]。為減少船舶電源電壓波動對壓力模塊輸出信號的影響，船舶信息采集器采用5 V低壓差線性穩(wěn)壓芯片進(jìn)行穩(wěn)壓。

2.4 通信模塊的設(shè)計(jì)

SIM2000C通信芯片是SIMCOM的一款CDMA模塊，工作頻率為單頻800 MHz，可以低功耗實(shí)現(xiàn)語音、SMS和數(shù)據(jù)信息的傳輸，最大上行速率153.6 Kbps，傳輸速率能滿足水位和位置信息的傳輸要求[12]。Atmega2560主控芯片通過UART接口把數(shù)據(jù)幀發(fā)送到的SIM2000C通信芯片，SIM2000C通信芯片將數(shù)據(jù)發(fā)送到CDMA網(wǎng)絡(luò)，再經(jīng)過Internet的ADSL(非對稱數(shù)據(jù)環(huán)路)數(shù)據(jù)中心將數(shù)據(jù)幀發(fā)送到通信服務(wù)器，完成數(shù)據(jù)的上傳。

通信幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)用以規(guī)范船舶信息采集器與通信服務(wù)器通信時的傳輸數(shù)據(jù)格式。數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)由幀長度、幀類型碼、流水號、設(shè)備編號、數(shù)據(jù)部分和校驗(yàn)碼六部分組成，其中數(shù)據(jù)部分包括時間、經(jīng)緯度和水位，數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

幀類型碼分為登錄類型碼和心跳類型碼，登錄類型碼用于與通信服務(wù)器建立連接，心跳類型碼用于與通信服務(wù)器傳輸數(shù)據(jù)。船舶信息采集器每發(fā)送一次幀，流水號自動加1。設(shè)備編號為船舶信息采集器唯一標(biāo)識，通信服務(wù)器通過設(shè)備編號知道數(shù)據(jù)是由哪個船舶信息采集器發(fā)送的。數(shù)據(jù)部分的經(jīng)緯度采用“度.度”格式，保留小數(shù)點(diǎn)后6位，水位保留小數(shù)點(diǎn)后1位。校驗(yàn)碼對幀數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確和安全。

2.5 NorFlash存儲模塊與Flash Memory存儲模塊

船舶信息采集器需要預(yù)先設(shè)定船舶信息采集器設(shè)備編號、數(shù)據(jù)處理信息系統(tǒng)的網(wǎng)際互連協(xié)議(Internet Protocol，IP)地址及端口號等配置參數(shù)，NorFlash存儲模塊選用具有8 M容量的W25Q128存儲芯片，其具有低功耗、寬溫度范圍、高存取速度和高安全性特點(diǎn)，可滿足本系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。Flash Memory存儲模塊采用16 G容量的TH58TEG7DCJTA20存儲芯片，將船舶信息采集器采集的數(shù)據(jù)存儲在本地，其具有非易失性，斷電數(shù)據(jù)不會丟失，同時具有容量大，可以存儲1年數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

海洋傾廢監(jiān)管系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理信息系統(tǒng)基于服務(wù)器操作系統(tǒng)Windows Server 2008進(jìn)行設(shè)計(jì)。Windows Server 2008具有移植性好和安全性高，支持SQL Server數(shù)據(jù)庫、Web、DNS、FTP、MALL、開發(fā)腳本等服務(wù)，能滿足數(shù)據(jù)處理信息系統(tǒng)所需要的功能。

數(shù)據(jù)處理信息系統(tǒng)流程如圖3所示，船舶信息采集器首先啟動，向服務(wù)器通信模塊發(fā)送套接字(socket)連接請求，如果服務(wù)器通信模塊沒有響應(yīng)socket連接請求，船舶信息采集器繼續(xù)向服務(wù)器通信模塊發(fā)送socket連接請求，直至服務(wù)器通信模塊響應(yīng)socket連接請求，如果要中斷連接，船舶信息采集器會向服務(wù)器通信模塊發(fā)送socket斷開請求，服務(wù)器通信模塊響應(yīng)socket斷開請求，通信中斷，未接收到socket連接斷開請求，船舶信息采集器和服務(wù)器通信模塊持續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。服務(wù)器通信模塊將接收到的數(shù)據(jù)存入SQL server數(shù)據(jù)庫中，SQL server數(shù)據(jù)庫接收到數(shù)據(jù)調(diào)用請求后，將數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)抽稀模塊，數(shù)據(jù)抽稀模塊完成數(shù)據(jù)抽稀后將數(shù)據(jù)發(fā)送到圖形顯示模塊，進(jìn)行軌跡顯示、報表生成等。

圖3 數(shù)據(jù)處理信息系統(tǒng)流程圖

3.1 通信模塊設(shè)計(jì)

通信服務(wù)器與船舶信息采集器采用socket連接方式進(jìn)行通信，通信流程如圖4所示[13]。通信服務(wù)器端初始化后調(diào)用socket函數(shù)，然后調(diào)用指定本地地址函數(shù)(bind)綁定服務(wù)器IP及端口地址，調(diào)用等待連接狀態(tài)(listen)對端口進(jìn)行監(jiān)聽，調(diào)用接受連接請求(accept)等待船舶信息采集器連接。在船舶信息采集器初始化后創(chuàng)建一個socket連接，調(diào)用指定地址函數(shù)(connect)定義服務(wù)器主機(jī)地址和端口號，向通信服務(wù)器發(fā)送同步序列編號(synchronize sequence numbers，SYN)，并進(jìn)入等待通信服務(wù)器確認(rèn)狀態(tài)，通信服務(wù)器收到SYN，確認(rèn)船舶信息采集器發(fā)送的SYN包，同時發(fā)送SYN包和確認(rèn)字符(acknowledge character，ACK)，通信服務(wù)器進(jìn)入等待船舶信息采集器確認(rèn)狀態(tài)，船舶信息采集器收到SYN和ACK，向通信服務(wù)器發(fā)送ACK確認(rèn)，此時船舶信息采集器和通信服務(wù)器建立連接，調(diào)用讀函數(shù)(read)和寫函數(shù)(write)開始數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)船舶信息采集器要斷開連接，調(diào)用通信關(guān)閉函數(shù)(close)向通信服務(wù)器發(fā)送斷開連接請求，通信服務(wù)器收到斷開連接請求，調(diào)用close，關(guān)閉通信連接。

圖4 通信流程圖

3.2 數(shù)據(jù)抽稀模塊

船舶信息采集器每分鐘發(fā)送一個數(shù)據(jù)，大量數(shù)據(jù)直接呈現(xiàn)在圖形顯示模塊，會大量占用計(jì)算機(jī)、手機(jī)、網(wǎng)絡(luò)顯示器的內(nèi)存空間，不利于圖形的顯示。曲線抽稀算法中的步長法是沿連續(xù)曲線每隔一定步長抽取一點(diǎn)，其余點(diǎn)全部壓縮掉，在相鄰抽取點(diǎn)間用直線連接[14]。借鑒步長法的思想，根據(jù)數(shù)據(jù)的參數(shù)類型，以時間間隔、水位變化和距離變化為參數(shù)，在不改變數(shù)據(jù)所表達(dá)船舶運(yùn)行軌跡的前提下，最大限度減少數(shù)據(jù)個數(shù)，算法流程如圖5所示。Tn、Dn和Cn分別為原始數(shù)據(jù)對應(yīng)的時間、水位和經(jīng)緯度，Tm、Dm和Cm為抽取點(diǎn)對應(yīng)的時間、水位和經(jīng)緯度，如果Tn與Tm之差大于120 min，n自動加1，并將此時的Tn、Dn和Cn的值賦給Tm、Dm和Cm，否則，進(jìn)入水位變化判斷；如果Dn與Dm之差大于0.4 m，n自動加1，并將此時的Tn、Dn和Cn相應(yīng)的賦給Tm、Dm和Cm，否則，進(jìn)入距離變化判斷；如果Cn與Cm之間的距離變化大于1000 m，n自動加1，并將此時的Tn、Dn和Cn相應(yīng)的賦給Tm、Dm和Cm，否則，n自動加1。所抽取得到的數(shù)據(jù)點(diǎn)再發(fā)送至圖形顯示模塊進(jìn)行軌跡生成，原始數(shù)據(jù)作為存儲在數(shù)據(jù)庫中備查。

圖5 數(shù)據(jù)抽稀算法流程圖

根據(jù)上述數(shù)據(jù)抽稀算法流程圖，運(yùn)用Matalab對船舶采集信息器完整的裝載、航行和傾倒數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)抽稀計(jì)算，對計(jì)算好的數(shù)據(jù)運(yùn)用Origin軟件繪制數(shù)據(jù)抽稀前后生成軌跡對比，如圖6所示。圖6(a)為原始數(shù)據(jù)生成軌跡情況，圖6(b)為抽稀算法數(shù)據(jù)生成軌跡情況，抽稀算法數(shù)據(jù)點(diǎn)連成的軌跡與原始數(shù)據(jù)點(diǎn)連成的軌跡線基本一致，從兩圖形成軌跡的數(shù)據(jù)點(diǎn)可以看出，圖6(b)的數(shù)據(jù)點(diǎn)明顯比圖6(a)的少，同時形成的軌跡更簡潔。

圖6 數(shù)據(jù)抽稀前后生成軌跡對比

3.3 圖形顯示模塊

圖形顯示模塊的功能主要有實(shí)時監(jiān)控、軌跡回放、查詢統(tǒng)計(jì)、工程管理、設(shè)備管理、任務(wù)管理、系統(tǒng)設(shè)置，如圖7所示。實(shí)時監(jiān)控通過選定一批船舶，實(shí)時的監(jiān)控該批船舶的運(yùn)行狀態(tài)和軌跡，通過設(shè)置的刷新頻率可以自動在顯示界面上顯示目前船舶實(shí)時位置。軌跡回放通過選定特定船舶，回放該船舶指定時間段的運(yùn)行軌跡，同時在屏幕正下方出現(xiàn)相應(yīng)的時間標(biāo)尺，顯示船舶水位。查詢統(tǒng)計(jì)包括3個子模塊，查詢、統(tǒng)計(jì)和報表管理，查詢包括實(shí)時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)包括違規(guī)明細(xì)、傾廢量統(tǒng)計(jì)和疑似違規(guī)處理，報表管理包括工程監(jiān)控日報、船舶監(jiān)控登記和船舶安裝與拆卸。工程管理是工程信息的新增與管理，包括工程信息管理、工程分配、許可證管理、發(fā)證單位、申請單位、作業(yè)單位、施工區(qū)和傾倒區(qū)的信息管理。設(shè)備管理是針對船舶信息采集器的添加和管理。任務(wù)管理是上級管理員審批下級管理員提交的信息，若上級管理員審批不通過則退回下級管理員修改。系統(tǒng)設(shè)置提供對用戶的新增、修改、刪除和查詢操作，查看系統(tǒng)日志、在線用戶，抽稀參數(shù)設(shè)置等操作。

圖7 圖形顯示模塊功能圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

通過數(shù)據(jù)處理信息系統(tǒng)的設(shè)備管理子模塊，將設(shè)備編號添加至系統(tǒng)，同時將此設(shè)備安裝的船舶和該設(shè)備一同綁定在同一個工程中，將船舶信息采集器安裝在船舶上，完成整個系統(tǒng)的調(diào)試。提取船舶信息數(shù)據(jù)采集器發(fā)送來的大約21天共30 000個數(shù)據(jù)，其中7天停工，14天作業(yè)，作業(yè)期間共傾倒32次，數(shù)據(jù)樣本充足，原始數(shù)據(jù)每分鐘發(fā)送1個，吃水深度精度為0.1 m，定位精度為3 m，通過對設(shè)置不同抽稀參數(shù)值，抽稀數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 不同數(shù)據(jù)抽稀參數(shù)下的數(shù)據(jù)減少比例

分析數(shù)據(jù)我們可以發(fā)現(xiàn)在選取不同的時間間隔、水位變化和距離變化參數(shù)后，數(shù)據(jù)量減少95%以上。這是由于各參數(shù)的間隔段可以把重復(fù)的數(shù)據(jù)濾除，抽取關(guān)鍵數(shù)據(jù)點(diǎn)，抽取的關(guān)鍵數(shù)據(jù)點(diǎn)對濾除掉的數(shù)據(jù)具有代表性，表示在此時間段內(nèi)船舶信息的關(guān)鍵參數(shù)，抽取的數(shù)據(jù)點(diǎn)組成的船舶軌跡與原始數(shù)據(jù)組成的船舶軌跡基本一致。通過測試，采用少量數(shù)據(jù)表達(dá)船舶傾倒各狀態(tài)，有效降低重復(fù)數(shù)據(jù)的顯示問題，同時減少了計(jì)算機(jī)內(nèi)存的占用，降低了計(jì)算機(jī)的配置和運(yùn)行成本，監(jiān)管人員更方便、高效地進(jìn)行傾廢監(jiān)管，滿足了工程設(shè)計(jì)需求。

5 結(jié)束語

該設(shè)計(jì)方案已在海洋傾廢監(jiān)管中得到系統(tǒng)級驗(yàn)證，對提高海洋傾廢監(jiān)管效率起到了關(guān)鍵性作用。采用時間間隔、水位變化和距離變化作為數(shù)據(jù)抽稀算法的參數(shù)，既能在通信服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中存儲原始數(shù)據(jù)，又能使圖形顯示的數(shù)據(jù)量減少95%以上，有效提升船舶軌跡的簡潔度，在工程實(shí)際應(yīng)用上具有明顯優(yōu)勢。該設(shè)計(jì)方案對提高海洋傾廢監(jiān)管具有較高的通用性設(shè)計(jì)意義，后期還需深入研究基于數(shù)據(jù)抽稀算法的船舶傾廢狀態(tài)的自動判別，提高海洋傾廢監(jiān)管的智能化水平。