海洋觀測網實時監控系統的設計與實現

呂憧憬，姜曉軼，王 漪，席曉桃

（1.國家海洋信息中心 國家海洋局 數字海洋科學技術重點實驗室，天津 300171）

海洋觀測網實時監控系統的設計與實現

呂憧憬1，姜曉軼1，王 漪1，席曉桃1

（1.國家海洋信息中心 國家海洋局 數字海洋科學技術重點實驗室，天津 300171）

綜合GIS、數據庫和富客戶端開發等技術，設計一套B/S環境下的海洋觀測網實時監控系統，實現了海洋臺站、浮標和志愿船等海洋觀測設備的實時狀態監控、預警和故障統計分析等功能，能為相關部門及時掌握觀測網運行狀況、提升海洋環境觀測預報管理水平提供高效的解決方案。

Flex；ArcGIS Server；海洋臺站；浮標；運行監控

海洋觀測是研究海洋、開發海洋、利用海洋的基礎[1]。海洋觀測所獲取的資料，對海洋的防災減災、權益維護、資源開發、環境保護、國防建設及海洋科學研究等方面具有重大意義[2]。海洋臺站、浮標、志愿船等是海洋觀測信息獲取的重要手段，經過多年的建設，我國已建成以海洋臺站、浮標為主，志愿船和斷面調查船為輔，覆蓋渤海、黃海、東海和南海等海域的較為系統、完善的海洋觀測網[3]。但這些觀測設施的運行維護大多由沿海省市海洋部門負責，監管分散，缺乏統一的運行監控系統，不利于相關部門及時掌握各個觀測設備的運行狀態，無法提供高效的決策輔助。本文針對海洋觀測網運行監控的迫切需求，建設了一套監控實時、界面友好、操作流暢的海洋觀測網運行監控系統。

1 總體設計

1.1 系統架構設計

本系統采取輕量級開發框架PureMVC進行設計，分為數據層、服務層和應用層，3個層之間通過消息響應機制進行通信，模塊之間耦合度低，系統功能易擴展和維護（圖1）[4]。

圖1 系統設計架構圖

1）數據層。數據層包含空間數據庫和屬性數據庫兩個部分，前者主要以圖層的形式存儲海洋臺站、浮標、志愿船及底圖等數據，如設備參數、所屬分局/中心站及位置信息等，通過ArcSDE接口與服務層交互；后者主要存儲觀測設備的實時運行狀態、歷史故障信息、統計信息及實時采集的數據等，通過JDBC進行數據讀取。

2）服務層。服務層對系統的業務邏輯進行設計，并以服務的方式進行發布。按照數據特征，可分為針對空間數據的GIS服務和針對屬性數據的屬性服務。GIS服務提供了基礎地圖服務、空間查詢量算、空間分析和統計分析服務，該服務采用ESRI公司提供的ArcGIS Server通過REST接口對外發布[5]。屬性服務包括運行狀態查詢檢索、故障統計分析、觀測要素可視化及狀態信息更新等服務，這些服務被封裝成Web Services服務，以請求/響應機制對外發布服務。

3）應用層。應用層將根據業務需要構建專題應用模塊，直接為用戶服務。本系統針對我國海洋觀測網運行狀態監控的業務需求，選取Flex Viewer作為開發框架，開發了海洋臺站監控模塊、浮標監控模塊、志愿船監控模塊及故障警告模塊等應用模塊，以FlashPlayer和Web瀏覽器的方式為用戶提供應用服務。該Flex Viewer框架中自帶了一些基本地圖功能模塊（Widget），如鷹眼視圖、導航控件等，滿足了基本地圖操作。系統建設只需要開發業務相關的Widget，并配置到config.xml文件中[6]，框架將自動完成模塊的加載應用，極大地提高了系統開發效率。

1.2 系統功能設計

海洋觀測網運行實時監控系統包含業務功能模塊和GIS功能模塊兩大類（圖2）。

圖2 系統功能結構圖

1.2.1 業務功能模塊

業務功能模塊根據運行監控對象的不同，劃分為海洋臺站、浮標、志愿船3個監控模塊，同時為了便于用戶操作，本系統將故障警告模塊單獨安置，動態提示故障報警信息，方便決策者及時掌握臺站、浮標和志愿船當前運行狀況并制定決策方案。

1）海洋臺站監控模塊將所有海洋臺站按照管轄歸屬劃分為3大類，再根據管轄歸屬范圍內的沿海市劃分小類。將臺站以“海區-沿海市-臺站”三級列表的形式進行組織，通過點擊列表中的臺站進行地圖定位并顯示到地圖上。點擊地圖上該臺站的位置圖標，查詢該臺站的屬性信息。海洋臺站模塊同時實現了分鐘報信息監控，能夠實現分鐘級的臺站觀測要素，如潮位、氣溫、水溫、鹽度、氣壓、風速、風向和降水量等要素的監控，并能夠將部分要素當天觀測數據以曲線的形式繪制出來。數據接收情況統計和故障信息統計實現了按分局、中心站、臺站、時間段進行歷史故障統計。

2）浮標監控模塊與海洋臺站類似，實現了浮標定位及信息查詢功能、小時級的浮標觀測數據接收、監控與觀測要素可視化功能、浮標故障查看及歷史故障統計、觀測數據接收情況統計等一系列功能。

3）志愿船監控模塊主要實現了志愿船定位查詢和故障信息統計功能。志愿船主要分為執法船、考察船、搜救船及其他船舶4類，其他船舶包括科考船只、勘探船、漁船及隸屬其他企業法人的船舶。由于志愿船的組成較為復雜，且船舶采集的數據較為重要，其實時采集的數據不在本系統中查詢可視化，但是志愿船的運行狀態、實時位置信息的監控，對海洋決策者宏觀把握、統一調度、輔助決策存在重大的意義。

4）故障警告模塊實時監控海洋臺站、浮標及志愿船的工作狀態，實時列出產生故障的觀測設備，并在地圖上展示出來，其中運行正常的設備以綠色圖標指示，出現故障的設備以紅色閃爍圖標指示出來。用戶可以直觀、快速地關注并定位到故障設施，并作出維修、更換等應急決策。

1.2.2 GIS功能模塊

GIS功能模塊主要實現地圖相關基本操作，包括底圖切換控制、圖層控制、屬性查詢、鷹眼視圖、底圖導航等功能。

地圖切換功能支持多個不同類型底圖的切換，主要有兩種類型，一種是Dynamic類型，它支持地圖操作的無級縮放，但是這種類型的底圖顯示效率較差；另一種是Tiled類型，它首先需要用ArcGIS Server進行切片處理，設定好幾個固定比例尺，以地圖瓦片的形式發布，地圖只能在設定好的幾個比例尺間進行放縮，優點是顯示效率較高。Flex Viewer框架還支持Google地圖和百度地圖服務的導入。考慮到底圖顯示效率及系統部署，將采取瓦片的形式提供底圖服務。

其他幾項GIS功能直接采用了Flex Viewer框架提供的插件進行修改實現，滿足用戶基本地圖操作，組件樣式美觀、操作流暢。

2 系統實現

2.1 實時監控數據獲取

海洋觀測設備實時監控數據的獲取、傳輸與存儲是系統建設的基礎和前提。為了有效獲取海洋臺站、浮標及志愿船的實時信息，將不同觀測設備進行分別處理。

海洋臺站和浮標觀測設備本身具備數據傳輸和通信機制，其運行狀態及觀測數據將實時傳輸到地方海洋監測站，再由地方海洋監測站傳輸到所屬海區，然后由各海區經專網傳輸到數據管理中心。志愿船的監控狀況較為復雜，本系統只對已經安裝船舶監控自動識別系統（AIS）的部分志愿船進行信息采集，將船舶實時信息以短報文的形式發送到數據管理中心，由相關部門對這些數據進行接收和入庫處理。

2.2 系統開發實現

本系統采用Flex進行富客戶端應用程序開發，將展示邏輯和業務邏輯轉移到客戶端，能夠很大程度上提升服務器并行服務的用戶訪問量。選取ESRI公司推出的Flex Viewer作為WebGIS應用程序的開發框架。Flex Viewer框架采用了模塊化架構，并以插件的形式搭建一個應用程序框架，它提供了一套模塊的接口標準，負責協調各個模塊之間的通信，控制程序的頁面布局，以配置文件的形式對功能模塊進行組織[7]。空間數據采用ArcSDE進行管理，屬性數據存儲到SQL Server2008中。數據訪問采用Web Services的方式，用Java語言編寫并以Tomcat進行發布，以WSDL語言發送請求，響應結果以JSON字符串的形式返回到客戶端，數據訪問過程遵守SOAP協議，如圖3所示。采用ArcGIS Server提供地圖發布服務，底圖包括Tiled和Dynamic兩種類型，前者為tiff格式全球地形瓦片底圖，后者為shape格式地形底圖。

圖3 Web Services數據調用

2.3 系統部署與試運行

目前，該系統已經在相關職能部門完成了部署及試運行，運行狀況良好。接下來將根據系統試運行狀況，對海洋觀測設備的數目和類別進行適當增加，并依照用戶的反饋意見進一步完善系統功能。系統部分功能示例如圖4。

圖4 系統部分功能截圖（系統采用的是ArcGISonline網絡地圖，審圖號：GS(2010)6011）

3 結 語

本文通過對WebGIS相關技術進行研究，設計研發了海洋觀測網運行監控系統，實現了海洋臺站、浮標和志愿船的實時監控。從功能角度而言，系統實現了海洋觀測設備監控業務的主要功能模塊，涉及到設備的觀測要素實時監控與可視化、數據接收情況及故障信息查詢統計、實時故障警報等功能。從實現角度而言，本系統采用PureMVC 3層架構、基于Flex Viewer框架并以功能插件的形式完成了B/S模式富客戶端應用系統開發。該系統的建立將為海洋相關部門及時掌握觀測設備運行狀況、輔助決策提供了一套高效的解決方案。

[1] 尹路,李延斌,馬金鋼.海洋觀測技術現狀綜述[J].艦船電子工程,2013,33(11):4-7

[2] 羅續業.發展海洋觀測技術 建設業務保障體系[J].海洋開發與管理,2012(6):29-30

[3] 林春梅,余麒祥,曹宇峰.淺談海洋臺站工作的管理[J].海洋開發與管理,2013(4):44-47

[4] 陳士城,劉曉春,劉旭,等.基于Flex和ArcGIS Server的WebGIS框架設計與應用[J].地理空間信息,2014,12(2):109-110

[5] 黃冬梅,曹燕琴,張明華.基于Flex和WebGIS的風暴潮輔助決策系統[J].計算機應用與軟件,2014,31(3):51-54

[6] 袁宏,鐘紅梅,賴德軍,等.基于Flex Viewer框架的地質災害在線實時監測預警系統研究[J].自然災害學報,2013, 22(2):177-184

[7] 許自舟,梁斌,張浩,等.基于ArcGIS Server的海洋環境信息服務平臺設計與實現[J].海洋環境科學,2013,32(2):284-288

P208

B

1672-4623（2015）04-0080-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.04.029

呂憧憬，碩士，主要研究領域為海洋地理信息系統。

2014-08-07。

項目來源：國家自然科學基金資助項目（41271391、41171304）。