海洋氣象漂流浮標運行監控系統設計研究*

張東明 曹曉鐘 汪章維 王志誠

(1.浙江省大氣探測技術保障中心,浙江 杭州 310000;2.中國氣象局氣象探測中心,北京 100000)

0 引 言

目前我國遠海海域的氣象觀測主要是通過海洋氣象漂流浮標、海洋船舶氣象觀測以及衛星、雷達等觀測手段。海洋氣象漂流浮標是一種隨表層海流漂移、可用于海洋水文要素觀測、海洋表面氣象要素觀測、并利用北斗衛星通信系統定位及傳輸數據的海洋氣象觀測儀器。它具有觀測活動范圍大、適應環境性強等鮮明特點。我國發展海洋探測的目標是提高海洋災害的預警能力、增強對我國遠海海域水文及氣象要素的監測能力、加快海洋環境資源開發利用。

海洋氣象漂流浮標運行監控系統是浮標研制開發的系統上位機軟件部分,主要是負責海洋氣象漂流浮標出航前的系統配置、運行數據接收、數據解析及分析、浮標運行實時位置及發送相關指令的工作。完備的海洋氣象漂流浮標運行監控系統是發展海洋環境監測的關鍵。系統遵循可行性原則、完整性原則、科學性原則、穩定性原則，避免系統死鎖。系統通過實現多樣化通信手段、特定氣象要素自定義化控件、特定數據庫設計、浮標狀態3D顯示及浮標地理信息定位顯示等實現系統的多樣化。

1 漂流浮標平臺介紹

海洋氣象漂流浮標水面結構近似圓球狀,浮標體采用多水密封隔艙式結構設計方案。對部件材料采取了相關防護措施,具備防鹽霧、防腐蝕等功能。由于觀測儀既要用拉格朗日法測流,又要獲取海表面氣壓、氣溫、風的數據,各傳感器擁有其最適合的安裝位置,氣象漂流浮標應該具有隨流的特性。浮標的大部分傳感器均位于封閉球外面。球體頂部裝有多種常規觀測傳感器設備,用于測量常規濕度、溫度等觀測要素；球體內部裝有通信模塊、采集器模塊、電池組、太陽能板等,是整個觀測儀的儀器艙和各個傳感器的安裝載體,同時為整個觀測儀提供浮力。球體底部裝有用于測量海溫、浪高等海洋觀測要素的傳感器。海洋氣象漂流浮標結構及實物圖如圖1所示。

圖1 海洋氣象漂流浮標結構及實物圖

海洋氣象漂流浮標經由北斗傳輸終端將采集信息發送給北斗衛星,北斗通信衛星再將該信息發送給北斗指揮機,海洋氣象岸基服務器同北斗指揮機進行通信,運行監控系統對數據進行接收、顯示、入庫、查詢等功能操作,同時運行監控系統通過通信子模塊向北斗發送控制參數。海洋氣象漂流浮標運行監控系統具有在出海前實驗聯調功能,海洋氣象漂流浮標與其運行監控系統之間進行通信的命令,以實現對設備各參數的傳遞及設置。通過中央處理器與傳感器間的通信命令,完成對傳感器參數的傳遞及配置，從傳感器獲取及設置各種參數。氣象漂流浮標北斗通信系統框圖如圖2所示。

圖2 海洋氣象漂流浮標北斗通信系統框圖

2 海洋氣象漂流浮標運行監控系統軟件架構

海洋氣象漂流浮標運行監控系統開發的思想是分布式采集,集中式處理。海洋氣象漂流浮標運行監控系統的系統架構設計要體現系統穩定高效的指標。系統應具有動態實時顯示海洋氣象水文數據變化、智能存儲數據等一系列基礎功能。海洋氣象漂流浮標運行監控系統要對其浮標系統狀態、電源管理狀態、傳感器工作狀態及數據質量等做出綜合評估。海洋氣象漂流浮標運行監控系統實時監測氣象漂流浮標的運行狀態及數據存儲等工作,做好氣象漂流浮標資料的匯總、管理和服務工作。海洋氣象漂流浮標運行監控系統不僅需要承擔運行監控功能,還應該具有設置浮標部分傳感器狀態的功能。系統既可用于浮標上位機觀測終端,又可用于實驗測試浮標采集器。該系統包括以下幾大模塊：系統界面模塊、系統狀態監控模塊、觀測數據監控模塊、浮標運行狀態模塊、浮標位置監控界面、系統通信模塊及數據庫模塊等重要模塊。

海洋氣象漂流浮標運行監控系統通過各種通信手段,完成對浮標數據的收集、處理、存儲、應用、分析、顯示功能。觀測數據質量監控與產品服務需要完成大量數據分析處理工作,海洋氣象漂流浮標觀測數據質量監控結構更適合采用C/S架構。海洋氣象漂流浮標運行監控系統包括自動監測數據管理系統、海洋浮標自動監測監控與預警系統、設備運行狀態監控、綜合分析評估等四大功能模塊。

(1)氣象漂流浮標的數據信息管理功能，主要是對海洋氣象漂流浮標觀測數據及浮標系統相關信息進行入庫管理、相關查詢。將觀測的海洋氣象數據進行統計分析,可以根據相關要求進行觀測數據及浮標系統狀態查詢,并且具有刪除、更新等相關操作功能。為方便觀測人員進行數據查詢,系統設計了Excel導出SQL中氣象數據功能；同時考慮到有些服務器并未安裝數據庫軟件,所以運控系統可以用TXT文本存儲相關的數據。

(2)氣象漂流浮標實時觀測及系統報警功能，主要是對觀測海域氣象水文觀測要素進行實時監控,如有數據違背常規,運行監控系統將及時剔除無用數據。模塊功能包括漂流浮標觀測數據的實時及歷史查詢、浮標運行狀態監控與自動預警、浮標當前位置及狀態查詢等功能。

(3)設備運行狀態監控模塊,實時接收海洋氣象漂流觀測儀運行狀態信息和性能參數,實現遠端實時監控設備及主要單元運行狀態；提供關于浮標故障及主要器件運行錯誤的報警,并生成故障記錄。

(4)海洋氣象漂流浮標運行監控系統綜合業務評定根本目標是基于對儀器運行狀態、觀測要素的質量等監控信息開展數據分析,為決策部門、保障部門和設備生產廠家等提供設備可靠性、維修性、保障性結果,為設備定型和升級改造提供依據,同時針對海洋氣象數據開展浮標系統狀況評估。

從功能實現的角度來看,海洋氣象漂流浮標運行監控系統主要分3層。

第一層為數據通信層,通過多種通信方式提供系統需要的各種數據及數據的訪問功能。

第二層為數據處理層，包括數據獲取、數據緩存以及數據更新。該模塊從服務器上獲取數據,然后將這些數據拆分合并整理成各個模塊所需的格式。數據處理模塊緩存了配置信息,當其他模塊需要這些信息時都是從該模塊的緩存中獲取,提高了系統的運行速度。

第三層為監控顯示層,搭建運行監控業務的顯示模塊,為整個業務系統應用提供浮標信息監控的功能模塊。模塊封裝包括通用的GIS功能、數據監測管理以及用ADO技術實現數據操作等部分內容。

3 海洋氣象漂流浮標運行監控系統通信及數據解析

3.1 通信機制

應用北斗數據傳輸終端將海洋氣象漂流浮標采集的海洋水文氣象要素信息,通過北斗衛星短報文通信發送至海洋氣象漂流浮標運控系統平臺。海洋氣象漂流浮標項目應用的北斗接收機采用高強度封閉式設計,更加適合在高腐蝕等環境下工作；通信方式采用可靠的接口,通過運行監控系統接收數據。通過以上總結的主要特點,此模塊可以很好地應用于漂流浮標項目設計中,并且通過北斗傳輸模塊，可以提高系統的穩定性及運行監控系統數據接收的穩定性。

3.2 北斗數據通信協議

北斗數據采用RS-232接口實現通信,通過將計算機與串口模塊相連,完成大量的數據通信。北斗衛星傳輸數據格式定義如圖3所示,數據總長度共計64字節、 512位。

圖3 北斗衛星傳輸數據格式定義

3.3 數據解析方法

海洋氣象漂流浮標運行監控系統通信模塊首先判斷接收的數據格式是否滿足BG開始ED結尾的要求;接著將原始數據文件拆分成有意義的數據項,并對數據文件格式進行校驗,同時檢查源數據之間及源數據與歷史數據之間的邏輯關系,將滿足要求的數據用于運行監控系統處理，正式入庫。將錯誤的數據保留并進行跟蹤處理,生成錯誤記錄信息。數據解析流程圖如圖4所示。

圖4 數據解析流程圖

4 海洋氣象漂流浮標運行監控系統實現

海洋氣象漂流浮標終端控制命令集的制定參考了《地面氣象數據對象字典》中《地面氣象數據對象字典終端控制命令》的內容,結合海洋氣象漂流浮標的具體特點,制定了終端控制命令集。

模塊測試實驗通過浮標采集器與海洋氣象漂流浮標運控系統做聯合調試,通過浮標運控系統向浮標采集器發送相應的指令,通過浮標運控系統接收到的數據判斷采集器是否正常工作以及各傳感器是否異常。運控系統操作指令用來控制兩個終端間的通信。

(1)通信配置模塊。通信配置模塊完成與數據傳輸有關的處理、串口通信配置、網絡參數配置等。在存儲路徑下實時接收保存數據，統計發送及接收字節數,自定義采樣間隔時間等配置,負責向浮標發出控制指令。計數器可以統計一定時間段的接收及發送字節,雙擊收發數據窗口可以清空顯示區域,可以通過設定的自動發送時間周期，定期地發出控制指令。系統實現了Socket網絡通信的功能。

(2)觀測數據模塊。海洋氣象觀測數據模塊提供對區域海洋環境氣象的實時監測數據。觀測數據分為海洋氣象要素及海洋水文要素,其中要素變化分為惰性要素及非惰性要素,系統采用多種方式顯示數據的變化。將不同的海洋氣象水文要素以最適合的方式進行數據顯示。

(3)位置顯示模塊。當海洋氣象漂流浮標運行監控系統接收到GPS地理位置數據時,浮標地理位置監控將顯示當前浮標所處的位置。

(4)系統狀態監控模塊。海洋氣象漂流浮標各傳感器狀態構成運控系統狀態監控模塊。觀測人員可通過歷史查詢查看指定時間內浮標的運行狀態信息。當系統狀態出現問題時,系統將報警信息發送給監控人員進行反饋。

(5)姿態檢測展示模塊。漂流浮標主機系統配置GPS定位系統和電子羅盤，可以監測漂流浮標的位置坐標和工作姿態等。海洋氣象漂流浮標在海面上可能出現旋轉、上下顛簸、前后搖晃、隨風漂流等,我們可以由這些數據評測海浪的大小及洋流的情況等。系統直觀地記錄漂流浮標是否在正常的姿態范圍內工作,判斷浮標數據是否具有應用價值。

(6)數據管理模塊。數據顯示區域用于顯示數據查詢記錄。通過數據查詢功能,可以輕松地獲取數據庫中的數據,并進行導出,及時將缺測數據進行插入操作。

5 結 語

本文對海洋氣象漂流浮標的整體項目、運行監控系統軟件架構做了簡要介紹,對應用北斗通信部分做了詳細的論述。海洋氣象漂流浮標運行監控系統采用了功能模塊化設計思想，系統數據的存儲，應用相對成熟的SQL Server進行設計開發。研究了海洋氣象漂流浮標運行監控系統設計的工作邏輯,以減少該系統各模塊的耦合度。