海洋地質調查遠程監控系統研發與應用

鄭寶鋒 丁鴻弼

摘 要： 海洋地質調查工作區域位置數據具有一定的安全保密性，需要建立內部管理的遠程監控系統。海洋地質調查遠程監控系統采用北斗衛星定位通信技術和無線網絡技術，實現了對海洋地質調查船舶以及離船作業人員的實時定位和軌跡監控、作業人員之間的雙向信息通信、緊急呼救與應急保障。充分利用北斗短報文通信功能，通過軟硬件研發與集成、北斗數據傳輸儀的研制，實現船舶環境數據的采集、發送，以及正確接收和模擬動畫展示，實時掌握船舶運行數據，提高海上地質調查作業管理和安全保障水平、突發事件應急處置能力，保障海洋地質調查工作者生命財產安全及海洋地質調查工作順利進行。

關鍵詞： 海洋地質調查； 安全管理； 北斗衛星； 遠程監控； 實時定位； 船舶監控

中圖分類號： TN927+.2?34； X935 文獻標識碼： A 文章編號： 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

現代化船舶通常裝備自動化導航儀、自動氣象站及運動姿態傳感器等儀器設備，以獲得自身的姿態運動參數和氣象資料。目前常用的參數類型包括航向、航速、位置、水深、風向、風速、溫度、氣壓、流速、流向及船舶姿態等。由于這些儀器設備自身功能所限，采集的數據通常只能夠在本地顯示，岸上船舶管理人員無法實時獲得這些數據，無法實現對船舶狀態的動態監測，不利于安全管理。

為了實時掌握船舶的運行情況，需要把各種儀器設備采集的數據實時發送到控制中心的數據服務器，并通過船舶監控安全保障平臺展現出來?？紤]到海洋環境，通信系統采用衛星通信的方式比較適合。海事衛星價格較高，安全性也沒有保證。我國自行設計運行的北斗一代衛星附帶有短報文收發功能，不僅安全性好，運行費用也很低，非常適用于各類參數的發送與控制命令的接收[1?2]。

1 系統總體設計

1.1 系統架構

海洋地質調查遠程監控系統為了保障系統數據的安全性，從物理上對互聯網進行隔絕。系統只運行在單位的內部局域網絡內，管理人員或用戶需要在本機安裝客戶端軟件才能對系統進行操作。設備的通信只通過北斗衛星網絡，利用北斗衛星網絡加密技術保障數據的傳輸安全[3]。系統運行結構圖如圖1所示。

1.2 遠程監控系統功能設計

海洋地質調查遠程監控系統由船舶監控安全保障平臺、移動平臺、數據庫三大部分組成。

船舶監控安全保障平臺主要實現船舶及人員監控、業務處理和數據管理維護，包括協議交互和用戶認證平臺。船舶監控主要用于監控目前處于活動狀態的船只位置，以及查看船只的詳情、報警記錄、平安記錄、區域報警、出入港記錄、北斗短信記錄等通信數據。系統數據庫分為空間數據庫和業務數據庫，主要包括地理信息數據、實時監控數據、業務數據等[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據，預先對各種格式地圖數據進行融合以及發布，包括控制地圖的縮放及地圖上、下、左、右四個方向移動的分度盤；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。

通信和調度功能支持與北斗終端進行短報文通信，并將數據入庫統一管理，方便記錄與查看；通過北斗衛星通道，向野外作業船只發送指揮調度信息，野外作業船只按照調度指令完成工作任務并返回目標船只的位置信息。

船只出港和入港監控系統提供繪制海岸區域的功能，當單位的船只出港和入港時，系統會自動做記錄，并短信通知相關的管理人員。船只工作進度展現，系統提供船只測線線路規劃功能，可以在線繪制測線或統一導入測線數據。當單位的船只到達工作地點，并完成工作后，地圖上顯示工作測線為綠色，未完成的測線是黃色，方便管理人員查看航行的進度。船只測線航行軌跡圖如圖2所示。

1.3 系統數據庫設計

海洋地質調查遠程監控系統按照系統應用需求、用戶需求及各種業務信息建立數據庫表，負責與數據庫管理、存儲、備份、同步、查詢相關的事務。數據庫使用微軟的SQL Server 2005，主體表包括船舶表、用戶表、設備表、船舶/用戶設備關系表、位置信息表、實時監控表。數據庫結構如圖3所示。

數據存儲模塊主要負責各類型實時數據的入庫處理。數據存儲模塊需要考慮數據接入的規律，應對短時間內可能突發的大量數據；數據備份在本項目中是非常關鍵的，需要同時采取實時增量備份、完整備份、多種存儲方式的備份；數據查詢服務模塊接收臺站應用軟件提交的查詢請求，從數據庫中查詢相應的數據，并將查詢結果返回給請求方。

1.4 協議交互平臺設計

基于北斗終端設備通信接口協議規范，通過軟件技術研發協議交互平臺。交互協議平臺將北斗指揮機、北斗船載終端的定位通信數據接入系統，形成一個可以支持多種協議、可靈活擴展的協同平臺。

交互協議是和北斗指揮機之間的通信基礎，支持多設備終端的并發連接和訪問，并解決數據安全、數據完整、終端兼容性以及服務器的負載能力等問題。

協議解析模塊支持北斗指揮機和北斗船載、個人設備的通信數據協議，負責協議的解析、認證；數據交換模塊功能是終端設備與服務器之間的數據傳輸以及調度指令；負載均衡模塊處理海量數據上報，以及數據并發上報，平衡服務器的壓力；數據驗證和恢復模塊處理傳輸中丟失或無效數據，保證數據的完整性；基礎通信模塊支持標準的TCP和UDP通信模式，完成內部網絡數據交換；短信通信針對短信發送設備進行開發，完成報警、消息、通知等手機短信的發送。

2 海上船舶動態及環境參數傳輸系統研發

2.1 海上船舶動態及環境參數傳輸系統總體結構

海上船舶動態及環境參數集成傳輸系統研發包括兩部分工作內容：

1） 研制多參數集成設備。多參數集成設備由PC機、多串口卡與集成軟件組成，多串口卡通過PCI接口與PC機連接，同時通過串口連接各種船舶動態及環境參數監測儀器，接收監測數據。集成軟件負責把接收的數據按照規定的格式組合為一條數據，再把數據通過串口發送到北斗傳輸設備。

2） 北斗傳輸儀。北斗傳輸儀接收到數據后，根據北斗短報文格式要求，把數據分包處理后，通過北斗傳輸儀發送到船舶監控安全保障系統的數據服務器，再把數據重新組合。這樣如果擴展或替換監測參數，在硬件部分只需要增加串口卡的數量，在軟件部分只需要改動數據中心接收軟件的解析協議，就可以增加新的監測內容[8?11]。

船舶動態及環境參數北斗傳輸系統體系結構圖如圖4所示。

2.2 系統創新性及關鍵技術

2.2.1 傳感器集成設備

目前使用的姿態傳感器、導航儀、氣象站等儀器設備一般均具有RS 232接口。采集的數據按照設定的波特率以文本方式發送出來，儀器性能要求不同，發送的頻率也不一樣。如果把這些數據直接發送到數據中心，會造成傳輸設備的復雜性大大提高，因此需要傳感器集成設備，可以對這些不同格式、不同傳輸速率的數據進行預處理，把這些數據按照一定的格式整合為多條數據，將數據發送給北斗傳輸儀。

系統選擇PC機作為多種參數集成設備的硬件平臺。對PC機串口進行擴展，采用具有8個RS 232標準串口的多串口卡。PCI接口與PC機連接，卡上具有DSP信號處理器和512 KB的內存，當8個串口同時工作時，可達到230.4 Kb/s的速率，可以滿足接收現有和未來擴展的儀器設備傳輸數據的要求。

傳輸硬件設備接收PC機數據采用透明傳輸，即將接收到的PC數據去掉起始符、識別符、標識符和數據長度字節后，再以北斗用戶機4.0協議把數據透傳給服務器。

2.2.2 北斗傳輸儀

北斗傳輸儀采用嵌入式體系結構，采用PIC24F?16KA102芯片作為嵌入式微處理器，接收傳感器集成設備轉發的數據包，按照北斗短報文要求進行打包，通過北斗終端發送到數據中心，如圖5所示。由于北斗傳輸儀的主要工作是接收整合的數據包，按照北斗終端4.0協議格式重新打包后通過北斗終端發送到數據服務器，工作任務是順序執行，類似于流水線模式，適合采用嵌入式設備進行工作，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行狀態與海況信息通過北斗短報文實時準確地發送到數據監控中心，以便于在北斗信號覆蓋的范圍內，船舶管理部門可以動態獲取船舶運行狀態與周圍氣象情況，有利于保障船舶運行與工作安全。北斗傳輸儀性能關鍵點一是能否保證儀器設備長期無故障運行，二是能否保證數據在傳輸過程中不會產生畸變。

2.3 船舶動態、環境參數解析及信息展示功能研發

船舶監控安全保障平臺目前已部署服務器并運行穩定。在完成了北斗傳輸儀的研制以及拓展了協議解析平臺的基礎上，系統實現了船舶動態及環境參數傳輸設備的集成與應用，通過北斗短報文通信方式完成了船舶傳感器數據的發送，以及系統正確接收和模擬動畫展示，并對系統進行了全方位的測試。

船舶動態及環境數據傳回船舶監控安全保障系統的數據服務器后，即可接入船舶監控安全保障平臺軟件，以表格數據形式實時顯示；根據實時數據，系統可以以動畫形式動態模擬船舶動態及海上環境場景。

2.4 船舶動態及環境參數

船舶動態及環境參數包括GPS、氣象、姿態、測深儀4個傳感器的動態數據，通過北斗短報文通信的方式發送至系統服務器。系統接收到傳感器數據后，通過表格、曲線圖和模擬動畫三種方式進行展示，如圖6所示。

3 軟硬件整體集成測試

3.1 船舶動態及環境參數傳輸設備測試

通過接入北斗指揮機，對北斗一代指揮機端口協議進行了封裝、調試與開發。將北斗指揮機監收到的終端定位數據和通信數據接入到平臺，并保存入庫；將短信貓接入系統，系統接收到北斗設備報警信息后自動給相關人員發送手機短信息；將北斗船載終端設備的定位通信數據接入平臺，實現了對這些船只的監控，部署軟件平臺到服務器上，完成了集成調試系統與北斗指揮機、短信貓、北斗設備之間的連接。

海上船舶動態及環境參數傳輸設備通過RS 232標準串口與收集各種傳感器數據的電腦連接，實時采集船載傳感器數據，并通過北斗傳輸儀，以北斗短報文的方式將傳感器數據發送至船舶監控安全保障系統。系統收到數據后，通過解析數據并以表格、曲線圖、模擬動畫等方式進行展示。船舶動態及環境參數采集、傳輸子系統示意圖如圖7所示。

3.2 船舶監控安全保障平臺系統測試

船舶監控安全保障系統從數字化管理的角度出發，集成了北斗指揮機、短信貓、北斗終端等硬件設備。利用計算機技術、網絡技術等先進手段，將文字信息、地理信息、圖片信息、業務內容等統一建立在可隨時隨地進行訪問的數據信息系統下，保證了軟件平臺與硬件設備的雙向運行穩定。

在完成了系統軟件功能的開發、硬件設備的集成后，項目組對系統進行了全方位的測試。經過多次測試結果可知系統運行穩定，功能滿足地質調查安全生產需要。船舶監控圖如圖8所示。

4 結 論

海洋地質調查遠程監控系統的研發與應用為海洋地質調查工作主體的遠程監控與管理提供了現代化的信息技術平臺。系統測試運行穩定，可以實現在海洋環境下對海洋地質調查船舶以及附屬船（艇）只的實時定位、軌跡監控、雙向通信、船舶動態及環境參數實時傳輸。通過海洋地質調查遠程監控系統的推廣應用，將提高海上地質調查作業管理和安全保障水平和突發事件應急救援能力，對保障海洋地質調查工作者生命財產安全和海洋地質調查工作順利進行具有重大意義。

注：本文通訊作者為丁鴻弼。

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