海洋可控源甲板監控系統顯示設計與實現

陳厚瑾， 于生寶

(吉林大學 儀器科學與電氣工程學院，吉林 長春 130026)

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海洋可控源甲板監控系統顯示設計與實現

陳厚瑾， 于生寶

(吉林大學 儀器科學與電氣工程學院，吉林 長春 130026)

在海洋可控源甲板監控系統中，需要通過工作站來設置位于海底的電磁采集站和發射機的初始參數，工作站通過接收鎧裝電纜傳回的相關數據信息，對發射機工作狀態進行實時的顯示和監控。鑒于此，介紹了海洋可控源甲板監控系統和經緯度坐標轉換算法，研究了在.NET Framework系統平臺下應用Socket、多線程、GDI+和OpenGL等相關技術對海洋可控源甲板監控系統中的實時數據信息進行動態的監測。基于以上方法的綜合運用，利用模塊化的編程設計方法，經過大量的測試實驗和檢測證明，海洋可控源甲板監控系統的運行情況穩定、顯示和監測的效果良好，也可用于類似的工業場合。

NET Framework； 坐標轉換； Socket;多線程； 圖形設備接口

0 引 言

隨著陸地資源的日漸貧乏與短缺，對海洋資源的研究與利用逐漸加大，海底資源勘探顯得至關重要。在現代地球物理探測中，已發展了多種電磁探測技術，如海洋可控源電磁法(Marine Controlled-Source Electromagnetic Methods, MCSEM)利用海底巖石介質的電磁感應信息，采用人工發射的低頻電磁場測量海底結構[1-3]，作為一種海洋油氣探測新技術打破了海洋非地震勘探的沉悶，被稱為“自3D反射地震出現至今幾十年來最為重要的地球物理勘探技術”,對海底油氣具有較強的探測能力[4-5]。電磁法經過幾十年的研究和開發，隨著數字儀器技術、數據處理技術和資料解釋方法的改進而日趨成熟、可靠[6]。國外已經有少數研究機構進行了小范圍的探測實例，并取得了初步階段的成果，我國在這一領域當中尚處在理論研究與實踐探索階段[7]。海洋可控源甲板監控系統是海洋電磁探測系統的關鍵技術，通過實時顯示由鎧裝電纜傳回的數據對發射機工作狀態進行實時監控，并記錄發射機姿態、電流等工作狀態參數。

Microsoft.NET Framework系統平臺是Windows的新型編程模型，一個全新的技術平臺。它具有功能強大并與新技術相結合的突出特點，用來構建人性化的用戶體驗應用程序，實現了跨技術邊界的無縫通信，并且能支持各種業務流程。本文基于.NET平臺下的Socket、多線程、GDI+和OpenGL技術利用C#語言將它們進行組合應用，對海洋可控源甲板監控系統中的重要數據信息采用實時顯示的處理方式，通過解析信標機的地理信息得到船只的實際位置，使用海事船體位置經緯度信息轉化二維導航數據信息算法，實現地理位置到應用程序窗體坐標的轉換，從而達到了很好的航跡監測效果。

1 海洋可控源甲板監控系統

海洋可控源甲板監控系統作為海洋CSEM勘探系統中的重要組成部分，主要由監控系統與數據服務系統組成。設計海洋可控源甲板監控系統能夠實時顯示接收系統、發射裝置的狀態參數以及采集站和海事船只的動態。圖1是海洋可控源甲板監控系統整體框圖，工作站通過串行通信成功將信標機中信息讀取出來并進一步進行解析應用，通過局域網與電磁發射機、接收機控制端進行實時通信。為了可以更為直觀地對海底地形情況、勘測設備工作狀態以及反饋的數據進行監測控制，將實時獲取的數據信息通過一維、二維和三維的方式來顯示。在通信數據量非常大的海洋可控源甲板監控系統中，對不同類型的數據采取不同的顯示方式更便于技術人員進行及時有效的監測和航跡規劃跟蹤設計。

2 二維顯示設計

實時傳輸大量數據信息是海洋可控源甲板監控系統的突出特點和設計難點，本文對于不同含義的數據信息采取不同方法顯示，供技術人員進行監測和處理。圖2為海洋可控源甲板監控系統的顯示方式結構圖。對于艙內參數、發射機參數、絞車參數等簡單數據信息采用一維顯示方式，電流幅值、離地高度和船體航跡信息采用二維波形圖顯示，發射機姿態、拖體行進軌跡和接收機投放采用三維顯示更為直觀。

圖1 海洋可控源甲板監控系統框圖

圖2 海洋可控源甲板監控系統顯示結構框圖

2.1 Socket網絡編程技術的應用

通過網絡傳輸數據信息時，必須要使用網絡協議來確保數據之間的正確傳輸。本文采用目前被廣泛運用的TCP/IP(傳輸控制協議/網際協議)協議來實現實時通信，它將工作站、發射端、接收端、變頻電源、絞車控制端和船艙監控的終端連接在一起組成局域網，如圖3所示。其中TCP對應傳輸層，它保證信息的可靠傳輸；IP提供網絡層服務，完成結點的編址、尋址和信息的分拆和打包。工作站運行過程中有多個應用程序同時進行，為了很好地進行區分，本文應用套接字(Socket)的接口來實現功能劃分。

圖3 局域網

在海洋可控源甲板監控系統中，建立在傳輸層協議的數據結構Socket(套接字)作為網絡中數據交換的排隊點，是TCP/IP網絡最為通用的API[8]。在網絡通信過程中發射機源源不斷地向工作站發送數據時，需要使用Socket類為網絡通信提供一套豐富的方法和屬性，用來管理連接，實現Berkeley通信端套接字接口，同時它還定義了綁定、連接網絡端點及傳輸數據所需的各種方法，提供處理端點連接傳輸等細節所需要的功能。圖4為Socket的工作流程圖。

圖4 Socket工作流程圖

工作站與發射端通信時，每個終端均有一個IP地址，使用TCP/IP的不同程序有相應的端口號(Port)，根據IP地址的差異來區分終端，進而根據不同的端口號將數據信息傳輸至所需程序中。套接字的應用示意圖如圖5所示所示。

圖5 套接字

使用Socket之前首先添加它的命名空間：

using System.Net.Sockets;

聲明Socket對象：

public Socket sockClient;//用于與工作站通信的套接字

實例化Socket對象，并進行連接：

sockClient=new Socket(AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Stream, ProtocolType.Tcp);

IPAddress ipServ=IPAddress.Parse(txtIP.Text);

sockClient.Connect(ipServ, Int32.Parse(txtPort.Text));

判斷Socket是否連接，然后使用Send方法發送數據：

byte[] dataSend = Encoding.UTF8.GetBytes(strSend. ToCharArray());

sockClient.Send(dataSend, dataSend.Length, 0);

2.2 多線程編程技術的應用

甲板監控系統是實時監測系統，對數據信息的顯示具有很高的要求，通常要求服務器能夠同時處理多個任務。在工作站程序運行時，由于需要實時接收數據，因此會長時間占用CPU，而C#消息機制是消息流水線響應機制，如果在主線程上處理語句的時間過長會導致主UI線程阻塞,停止響應或響應不順暢[9]。為了避免主線程負荷過重導致程序癱瘓，引入多線程技術來滿足實時性要求。

多線程技術充分利用了CPU的空閑時間片,用盡可能少的時間來對用戶的要求做出響應,使得進程的整體運行效率得到較大提高,同時增強了應用程序的靈活性[10]。在主線程運行的同時，并發多個輔助線程，完成其他相應處理，減輕主UI線程的任務量。由此，很好地實現了實時性和多個任務同時處理的難題，使得通信高效有序的進行。

2.3 GDI+技術的應用

在海洋可控源甲板監控系統的研發中，為便于研究人員監測控制，對于電流值、拖體離地高度等信息以直觀的圖形圖像的方式進行顯示。本文應用.NET Framework中的理想實現形式圖形設備接口(Graphics Device Interface+，GDI+)技術進行圖形編程，其提供的圖形設備接口，通過一套部署為委托代碼的類來展現，簡化了圖形程序設計任務[11-12],達到更為簡單明晰的監測效果。

Graphics類是GDI+的核心，它提供將對象繪制到顯示設備的方法。本文中，二維波形圖運用Graphics的DrawCurve方法來繪制，使用指定的張力繪制經過一組指定的PointF結構的基數樣條，從相對于數組開始位置的偏移量開始繪制，其操作流程圖如圖6所示，其語法格式如下：

public void DrawCurve

(Pen pen,//畫筆(確定曲線顏色、寬度和樣式等屬性)

PointF[] points,//結構數組，定義樣條

int offset,//定義從PointF參數組中的第一個元素到曲線中起始點的偏移量

int numberOfSegments,//定義起始點之后包含在曲線中的段數

float tension)//定義大于或等于0.0F的值，該值指定曲線的張力。

3 三維顯示設計

在海洋可控源甲板監控系統中對于發射機姿態、拖體行進軌跡以及接收機投放的數據信息顯示本文運用OpenGL(Open Graphin Library)技術，此技術為實現逼真的三維繪制效果和建立交互的三維場景提供了高效的底層API接口。OpenGL可以在不同的平臺(如：Windows、Linux、Unix、Mac OS等)間進行移植，故使用OpenGL編寫的軟件具有很好的移植性。設計中運用到的紋理映射技術是OpenGL的一個主要技術，在進行模型轉換和投影轉換都能執行操作，可用到所有的圖元-點、線、多邊形、位圖和圖像上。圖7、8為使用此技術設計的三維仿真圖。

圖6 GDI+操作流程圖

圖7 拖體行進軌跡示意圖

圖8 接收機投放仿真示意圖

4 坐標轉換算法

海洋可控源甲板監控系統中對于船體航跡監測的設計，主要是對GPS信標機中的數據進行解析，將其中的經緯度數據轉換為二維坐標值。

根據實際地理環境，地球是一個近乎標準的橢球體，假設地球是一個完美的球體，那么它的半徑就是地球的平均半徑，記為R，則R=6 371.004 km。如果以0°經線為基準，那么根據地球表面任意兩點的經緯度就可以計算出這兩點間的地表距離(這里忽略地球表面地形對計算帶來的誤差，僅僅是理論上的估算值)。設第一點A的經緯度為(LonA,LatA)，第二點B的經緯度為(LonB,LatB)，按照0°經線的基準，東經取經度的正值(Longitude)，西經取經度負值(-Longitude)，北緯取90-緯度值(90-Latitude)，南緯取90+緯度值(90+Latitude)，則經過上述處理過后的兩點被計為(MLonA,MLatA)和(MLonB,MLatB)。則可以得到計算兩點距離的如下公式：

D=R·arccosC

5 結 語

本文基于.NET Framework系統平臺利用Socket、多線程、GDI+和OpenGL等技術很好地解決了電流幅值、拖體離地高度的二維動態波形圖和船體航跡圖的實時顯示等問題，使軟件的各項性能指標均有所改善，提高了軟件的執行效率和實時性。經大量測試該海洋可控源甲板監控系統實時顯示模塊在現場運行情況良好，未出現過中斷響應超時或者數據延時等情況，并且經過多次改變實驗環境的測試，該軟件在Windows 7和Windows XP環境下的工作情況同樣良好，可移植性較好，證明了此方案的可行性和可實現性。

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Design and Realization of Deck Monitored Control System for Controlled-source Electromagnetic Method

CHENHou-jin，YUSheng-bao

(College of Instrumentation and Electrical Engineering, Jilin University, Changchun 130026, China)

In the deck monitored control system for controlled-source electromagnetic method， parameters of seafloor electromagnetic acquisition station and parameters of transmitter should be set via the host, it is a very important part for the real-time monitoring and showing to the working status of the transmitter by the returned transmitter armored cable data. In view of this, the paper introduces a deck monitored control system designed by controlled source electromagnetic method and latitude coordinate conversion algorithm. The key research is the dynamic testing of real-time interactive interface data in deck monitored control system by the application of Socket, multithreading, GDI+ and OpenGL technology and .NET Framework system platform. Based on the above method, the experimental and detectable results show that the deck monitored control system with controlled-source electromagnetic method are stable and the results are good to meet woth the use of modular programming designed, It can also be used for similar industrial applications.

.NET Framework；coordinate conversion; Socket；multithreading; Graphics Device Inter facet

2014-07-25

陳厚瑾(1989-)，女，滿族，吉林長春人，碩士生，主要研究方向為計算機技術、電磁法儀器。

于生寶(1963-)，男，吉林長春人，教授，博士生導師。

Tel.：13578940257； E-mail:1515456841@qq.com

TP 311.1

A

1006-7167(2015)05-0067-04