湖區風速監測與預普系統框架設計

【摘要】隨著國民經濟的不斷發展，湖區航道在內河運輸（貨運、客運）中發揮著越來越大的作用。但是水上復雜多變的天氣情況和難以準確預測的臺風，給湖區航道的安全出行帶來極大的威脅。建設一套湖區風速監測預警系統，通過航道網監測點的數據采集傳感器實時監測湖區的相關參數，通過ZigBee無線傳感器網絡上傳到上位機，經信息處理系統分析，提前預測風速變化情況，及時發出湖區航行預警信息。

【關鍵詞】湖區；風速；ZigBee；預警系統

引言

由于臺風等惡劣氣象條件造成的重大人身傷亡事故和重大財產損失的報道屢見報端，給湖區運輸造成嚴重的影響。為了實時監測湖區范圍內大風等惡劣天氣，減輕事故造成的人員傷亡和財產損失，研制一套湖區風速監測與預警系統，服務海事監管部門，一旦發現環境危害可能會引發船舶交通事故，立刻對航道內的通行船舶發出預警，使船舶能夠及時采取措施，避免危機的發生。

1、預警系統功能目標

湖區風速監測與預警系統的功能依據湖區海事預警安全管理的功能并結合預警系統本身特點可以確定以下4個基本功能：

（1）監測功能：通過數據采集系統全程實時監測湖區航線環境狀況，收集、處理后將數據發送給上位機，確保監測信息數據及時、準確。

（2）預警功能：采用安全預警模型對當前的警源因素分析，判斷出湖區航運安全狀態的評價指標情況，確定是否需要進行預警。

（3）預警信息發布功能：以GIS地理信息技術為基礎，按照真實的預警級別，結合評判出的主要致災因素和建議采取的應急管理措施，展現給決策者，及時通過各種信息發布設施向相關船舶，盡快地降低或消除安全風險，以達到預警的目的。

（4）數據輸入與查詢功能：預警信息系統不僅要為相關海事監管部門提供信息輸入和查詢功能，更要為相關用戶如船員船舶公司等提供預警信息查詢等功能，有助于海事監管部門直觀把握湖區航線安全狀態。

2、系統總體架構

為了實現湖區預警的目標，預警系統必須具備數據采集、網絡傳輸、信息處理、信息預警、網絡發布等功能。從總體結構上，將風速監測與預警系統分成數據監測與采集模塊、無線網絡傳輸模塊、上位機數據處理與控制模塊、預警信息發布模塊共4個模塊，組成了湖區風速監測與預警系統。圖1所示為系統總體模塊結構。

3、系統功能模塊設計

（1）數據采集模塊

湖區風速監測與預警系統建立的基礎是對影響船舶安全航行的因素進行監測，其中環境因素對船舶航行影響最大，需要重點監測。

在湖區風速監測和預警系統中，數據監測和采集模塊在整個系統中占據很重要的位置，小到每條預警信息的發出，大到整個湖區航運安全狀態的評估、應急管理措施的制定都必須以精確的采集數據為基礎。因此，采集哪些信息，怎樣及時、準確地將信息傳輸到上位機是整個預警系統建立和高效運轉的前提。

（2）無線網絡傳輸模塊

湖區范圍環境限制比較高，有線通信鋪設光纜的成本太高，而且一旦出現故障不能夠及時查出原因。無線通信方式，能夠在短時間內組成通信網絡，而且也很容易對無線網絡進行擴容。ZigBee無線通信網絡在靈活性和移動性上比有線組網要有很大優勢，可通過多個傳感器節點和一個控制中心組成星狀網絡拓撲結構，布設成本比較低，并且監測設備比較小，耗電量較低，可采用太陽能充電的方式保證設備的正常工作。因此ZigBee無線通信網絡非常適用湖區風速預警信息系統的數據傳輸模塊。

采用無線數據采集系統獲取風速、風向、天氣、溫度等因素的實時數據，通過無線傳感器網絡的傳輸，再把數據發送給控制中心。控制網絡中所有ZigBee傳感器模塊都將收到的數據傳輸給控制中心，控制中心通過 串行通訊與上位機相連，接收上位機發送的控制命令。

（3）上位機數據處理控制模塊

數據庫是預警信息系統的重要組成部分。數據庫儲存儲的不只是風速監測數據，還包括各種氣象數據、風速預測數據、用戶船舶信息等數據，數據量較多，基本要求如下：能夠保證數據的獨立性，存儲數據的準確性，確保存儲數據的安全性，防止被破壞，存儲空間具有可擴充性。

上位機數據處理和控制模塊主要是實現傳感器數據信息的接收、顯示、數據處理和分析以及發送控制指令等功能。上位機程序包括信號傳輸模塊、以及數據接收、處理、顯示、保存等模塊。

（4）預警信息發布模塊

預警信息發布模塊是以GIS地理信息技術為基礎，在接收到上位機傳來處理過的數據后，預測分析未來不同時間段的風速估計值。綜合所有自然、船舶、人員、管理等所有因素的出安全評價，給出當前船舶在湖區航行的安全狀況。

預警信息發布系統將數據實時上傳到互聯網上，海事監管部門或者用戶可以在任何地點通過Internet進行訪問，以及共享到用戶的PC終端或其他手持終端設備上，采取相應措施盡快地降低或消除安全風險，從而保證湖區風速預警能夠達到預防事故、減少惡劣天氣帶來的人員傷亡和經濟損失。

結束語：

湖區風速監測與預警系統建設的目的是為了減少船舶在惡劣天氣情況下發生事故，保障航行船舶的財產和人員安全。針對湖區風速預測和預警信息系統進行總體結構設計，并介紹了相關各功能模塊的功能及設計結構要求，建議采用ZigBee無線通信技術進行數據傳輸，對整個預警系統所涉及到的軟件硬件模塊進行了框架設計，為以后進行系統實際開發給出了研究方向。

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作者簡介：董海濤，男，漢，籍貫：河北省秦皇島市昌黎縣 研究方向：智慧交通