“雪龍”號科考綜合管理系統的設計和應用

夏寅月 陳清滿 朱兵 陳際雨

(1 中國極地研究中心,上海 200136;2 自然資源部海洋環境探測技術與應用重點實驗室,廣東 廣州 510300)

0 引言

科學考察船是獲取海洋探測數據的重要基礎平臺,其運營管理水平對科學考察的執行效率具有顯著影響。先進的船舶性能是基本的先決條件,完善的科考設備是獲取精準海洋科考數據資料的關鍵技術支撐,規范的船舶管理是有效運行的有力保障,技術隊伍是獲取科學、準確調查資料的關鍵[1]。

自1994 年首次執行中國極地考察任務以來,“雪龍”號科考船(以下簡稱“雪龍”號)共承擔了23 次中國南極科學考察和9 次中國北極科學考察,在保障長城站、中山站、昆侖站和羅斯海新站后勤和能力建設的同時,還承擔了重點海域的科學調查任務[2]。由于受南北極多變的氣候條件、局部的海冰覆蓋等因素影響,在進行綜合海洋科學調查時,大多面臨時間緊任務量大的困難。如何利用有限作業窗口期,快速高效地完成既定的科學考察任務,需要合理的航線和站點規劃,多學科科考作業統籌考慮,充分利用站前與站后的低速航行期完成磁力觀測、微塑料取樣、磷蝦取樣等走航拖曳作業。合理制定綜合海洋調查作業順序、統籌航次考察作業內容成為了確保完成考察任務的關鍵。

開發一套適用于極地考察現場作業的綜合管理系統,統籌航次調查作業進程,安全規范管理考察作業項目,并實時顯示專業調查作業需要的信息,實現信息共享,利用現代化手段管理科考作業十分必要。南北極海域有著區別于中低緯度大洋的特殊環境,具有氣溫低、氣旋多、海冰覆蓋的特點,“雪龍”號的作業模式不同于一般考察船。實驗室管理人員整理了科考作業實際需求,開發了一套科考綜合管理系統。該系統統籌了各學科海洋作業的需求,結合站點分布特點,合理規劃航線及作業順序,節約了作業時間,提高了作業效率和燃油經濟效率,一定程度上保障了作業安全。在系統開發應用之前,駕駛臺與舯部、艉部作業組的溝通,需通過電話或對講機等工具,且只有作業組長配備了相應的通訊工具,而在系統應用之后,每個組員都可以在實驗室實時掌握船舶動態和考察作業進展,作業的效率得到了較大的提高。

目前國內的主流科學考察船基本上配備了科考綜合管理系統(表1),但各船的系統差別較大。有的船舶科考綜合管理系統開發較早,為2000 年左右,基于當時的技術手段,系統側重于現場數據和樣品登記表的管理,數據通過web 表單,手動形式錄入,偏重于數據采集和管理,對站位調查作業模式未涉及;有的系統還未調試完成,尚未通過驗收;有的船舶交付時間較晚,尚未執行考察任務,系統尚未投入使用。本文將重點介紹“雪龍”號科考船的科考綜合管理系統的設計與應用,為未來更好地對科考船,尤其是極地科考船進行管理提供參考。

表1 國內主流考察船科考綜合管理系統應用實例Table 1.Application examples of integrated management system for scientific observation in research vessels

1 “雪龍”號科考綜合管理系統的設計思路

作為我國南北極考察的重要力量,“雪龍”號自1994 年執行南極科學考察,先后參與建成了中國南極中山站、昆侖站和泰山站,目前正在建造的羅斯海新站的建設物資主要也由“雪龍”號運輸。繁重的建設物資運輸任務大大壓縮了執行科學考察任務的時間。此外,歷次南極考察總要預留一定的時間用于科考綜合調查作業,但嚴酷的自然環境、多變的氣候條件、嚴重的海冰覆蓋,都使得開展南極調查作業困難重重。留給科考作業的時間窗口經常只有短短的幾天或者幾個小時,船舶必須在規定的時間內趕往下一個作業站點。利用有限的時間,開展更多的綜合調查作業,取得寶貴的數據和珍貴的樣品,顯得非常重要,必須通過科考綜合管理系統才能實現。該系統的主要功能為合理規劃航線和安排作業時間,保障科考任務順利完成的同時提高考察作業的安全程度。系統主要結構分為三個部分,分別是電子海圖和科考站位管理系統、科考設備顯示屏幕共享系統和科考作業視頻監控系統,如圖1 所示。

圖1 “雪龍”號科考綜合管理系統圖Fig.1.Diagram of integrated management system for scientific observation in R/V Xuelong

1.1 電子海圖和科考站位管理系統

電子海圖和科考站位管理系統用于在電子海圖上顯示實時船位、航向、航速信息、計劃作業站點位置信息,以及每個站點的科考任務。同時根據氣象云圖與海冰圖的對比,提前了解站點位置的海冰覆蓋情況,設計到達站點后擬開展的作業內容和順序,結合相應航線的規劃及航行時間、科考作業時間的預估,通過計算將上述內容直觀地在電子海圖上顯示出來。通過直觀的電子海圖顯示,便于管理科考作業進程,并為完成宏觀考察任務提供保障。

1.2 科考設備顯示屏幕共享系統

科考設備顯示屏幕共享系統將科考儀器獲取的數據和圖像的顯示頁面實時共享至各實驗室的大屏幕上,為開展各項科考作業提供科學參考。如:開展磷蝦拖網作業的同時,實時掌握科學漁探儀探測到的數據信息,針對性地控制拖網作業深度,對提高采樣成功率非常關鍵;開展地球物理作業的同時,實時查看深水多波束獲取的水深信息,綜合分析海底地形信息,調整地球物理儀器參數等。

1.3 科考作業視頻監控系統

科考作業視頻監控系統實時顯示科考作業現場狀況,首先有利于規范管理科考作業現場秩序,監督作業人員安全裝備的穿戴,其次有利于觀察作業現場設備儀器準備情況以及人員就位情況,再者還可以通過對作業現場情況的查看來預估作業完成時間,為下一項作業提供準備時間。通過一系列的綜合立體管理方法整體規劃布局科考作業活動,極大地提高了作業效率。

2 電子海圖和科考站位管理系統功能設計、應用和實踐

在以往的航次調查中,“雪龍”號開展調查作業任務時,由作業組將制定好的站位表格提交駕駛臺,駕駛員根據站位表航行到指定站點后,通過電話或對講機聯系作業組組長,組長再依次通知作業組員,隨后開展調查作業。作業人員不能直觀查看船舶動態,只能被動接收指令,對即將開展的調查作業內容也較難及時掌握。基于這一現狀,迫切需要設計一款針對極地考察作業現場的科考管理軟件,用于綜合管理科考作業。針對該情況,實驗室管理人員總結以往考察的經驗,針對性的提出站位作業需求,開發出了一套適合“雪龍”號考察作業模式的電子海圖和科考站位管理系統。

作為一款服務科考作業的電子海圖管理系統,不僅需要具有傳統航海電子海圖的功能,更需要服務科考調查作業。“雪龍”號在電子海圖和科考站位管理系統中增加了科考數據接入、站位管理等功能,集成化后的電子海圖管理系統使得科考作業效率大大提高,規范了管理的同時也提高了考察的安全性。

2.1 電子海圖和科考站位管理系統主界面

自1986 年起,人們開始在電子海圖上進行航線設計,借助定位儀在電子海圖上實時顯示船位、船速、航向等航行參數[3]。“雪龍”號電子海圖和科考站位管理系統分兩個部分,分別是科考數據采集服務器和客戶端。基于船舶的科考數據采集服務器,電子海圖管理系統通過實時的數據下載方式,來更新客戶端海圖數據信息,如:定位信息、羅經信息、氣象信息、船舶主機工況等;客戶端地圖采用墨卡托投影方式,進行實時數據傳輸,不斷更新相關信息的顯示(圖2)。

圖2 電子海圖和科考站位管理系統主界面Fig.2.Main interface of electronic chart display and information system

系統主界面主要由五個部分組成,即海圖顯示區、系統工具區、水平面板區、垂直面板區和狀態欄。海圖顯示區用于顯示海圖和進行相關信息疊加,是圖形化信息展示區;系統工具區是進行功能選擇的區域,可進行海圖區域放大、縮小等功能;水平面板區是顯示海圖計算、航線設計、海圖標繪、天氣預報、站位管理和航跡回放等功能的交互界面;垂直面板區顯示內容主要為各科考設備的實時數據;狀態欄顯示當前所在位置的經緯度、當前顯示比例尺、當前操作說明等。界面簡潔大方,重要信息一目了然,方便實時查看船位信息、了解船舶動態、記錄相關數據等。

系統中可以通過海圖選擇設置,選擇不同的符號庫,顯示不同的海圖相關信息,如等深線、參考水深、相關國家專屬經濟區等,通過等深線、專屬經濟區的綜合顯示,便于實時觀察船舶動態,提前規劃航線(圖3)。

圖3 標準電子海圖效果Fig.3.Standard electronic chart effect

2.2 海圖計算

海圖計算作為電子海圖的一項重要功能,主要用于測量海圖上任意兩點間的距離和相對方位,同時還可以測量任意點與某條船舶的距離以及與該船航向的相對方位(圖4)。通過測量兩點間距離和船舶航速可以估算所需的航行時間,計算預計到達時間。所有計算的里程數據均可選擇三種單位進行顯示,包括海里、千米和米。本系統不僅能測量兩點之間的距離,還能通過連續選擇測量點實時顯示分段和合計距離。

圖4 海圖計算示例Fig.4.An example of chart calculation

2.3 航線管理

船舶航行前首先要設計好船舶航行的路線,制定計劃航線,并計劃船舶在每段航線上的航速和該航線上的安全寬度,以及到達每個轉向點(如港口)時預計到達的時間等各類數據。通過船舶航行時的位置報告顯示,可隨時觀測船舶航行情況,實現對船舶的實時監控。

選擇航線設計工具,系統即進入航線設計狀態。在航線設計狀態下,將顯示航線設計的浮動界面(圖5)。通過該界面中提供的功能,實現對航線的設計。切換到其他工具時,將退出航線設計狀態。

圖5 航線設計浮動界面Fig.5.Floating interface of route design

2.4 站位管理

特定海區的作業,通常是以站點的形式排布,到達指定站點后隨即開展綜合調查作業項目,如:下放CTD 作業、分層采水、大體積原位過濾、浮游生物垂直拖網、箱式沉積采樣、重力柱沉積采樣、中層魚類拖網、底棲生物拖網、湍流觀測、多聯生物網采樣作業等。作業海區由于受海冰和氣旋影響,可用于穿行的航道也一直處于變化中,相對準確的預測到達時間,排布到達后的作業順序,預估作業需要的時間,計算作業完成時間,設定下一站點位置等綜合信息的計算和顯示能夠更好地輔助科考作業的順利完成。

站位管理是進行科考調查作業管理的主要功能,站位是指科考船舶在航行過程中需要執行科考任務的位置。在該位置船舶將停航,并進行一系列的科考活動。將站位計劃導入到系統后,根據站位計劃以及船舶航行動態信息,系統自動提示下一科考站位與當前船位的關系。當船舶即將到站前,進行聲音和閃爍提示。當船舶到達站位后,及時記錄當時的水深值,以及航行時間和實際到達站位時間等信息。站位管理界面如圖6 所示,在海圖顯示區繪制各個站位的位置,查詢各個站位的詳細信息,同時可以調整站位計劃,改變站位順序,維護科考任務信息,調整各個站位需要執行的科考任務及先后順序。

圖6 站位管理界面功能說明Fig.6.Function description of station management interface

導入的站位信息將在海圖顯示區顯示,顯示內容包括站位位置以及站位之間的連線。如圖7所示。

圖7 站位顯示Fig.7.Station display

例如,“雪龍”號在南極中山站開展第二次卸貨作業期間(通常為大型車輛和極地油料運輸)經常因為天氣原因,不能開展作業艇運輸任務,此時考察隊會參照科考綜合管理系統里根據作業站點內容規劃的任務,計算出航行時間和作業時間,決定開展中山站外圍普里茲灣綜合調查任務的具體安排。

2.5 科考數據采集和服務器存儲

科考數據管理系統利用現代計算機和軟件技術,整合現有的觀測設備數據,實現了觀測數據的自動化管理,有效降低觀測系統的管理成本,同時為信息動態發布網站提供了更多的數據信息和資源[4]。科考數據采集和服務器存儲功能是電子海圖和科考站位管理系統的主要功能之一。通常由于海冰覆蓋,氣旋影響或者大冰山干擾等原因,實際作業站位與計劃站位往往存在一定的距離偏差。當開始停船作業時,系統能實時記錄實際站位的數據,包括位置、水深、氣溫、濕度、風速、風向、海表溫度、鹽度、葉綠素、溶解氧等相關信息。在完成調查任務后,可通過數據表導出的形式將站位信息完整導出,便于后期進行數據處理。

3 科考設備顯示屏幕共享系統

船舶的科考實驗室配備大量的科考觀測設備。通常情況下,科考設備的軟件操作和數據界面顯示在與其直接連接的計算機屏幕上,而開展海洋調查的作業區,分布在船舶的不同區域。如何在作業的同時,實時觀察設備測量界面,對于高效精準地開展綜合調查作業尤為關鍵。

3.1 科考設備顯示屏幕共享系統設計

“雪龍”號為船齡接近30 年的老船,設計之初為北冰洋遠洋運輸船,自1994 年首次開展我國極地考察至今經過多次改造工程。2007 年船舶生活區改造的同時,在船舶的舯部和艉部甲板位置設計了多個科考實驗室、科考設備區和調查作業區。通過多次改造工程,先后安裝了萬米測深儀、科學魚探儀、深水多波束系統、聲學多普勒海流計等調查設備。由于實驗室的設計和調查設備的安裝分別處于不同時間的改造工程里,較難做到整體規劃,所以各個科考設備相對獨立運行。

目前國內外先進的科學考察船都配備有船用計算機網絡,并以此為平臺將通訊、導航、數據采集、重點部位監控、船舶信息管理等集成為一個綜合的船舶計算機網絡信息集成系統,用于提高整個船舶的現代化管理水平[5]。“雪龍”號的船舶局域網相對成熟,已基本做到全船覆蓋。網絡信號將所需的視頻信號通過局域網廣播的形式發布,并在所需位置通過視頻解碼的形式顯示,解決了屏幕共享的難題。科考設備顯示屏幕共享系統將現有設備連成一個整體,通過矩陣控制軟件將設備顯示界面擴展發布到所需顯示的作業區。同時針對“雪龍”號作業區的分布特點,設計了舯部和艉部作業區科考大屏共享系統,解決了作業現場無法觀測調查設備運行情況的問題,系統圖如圖8 所示。

圖8 科考設備顯示屏幕共享系統圖Fig.8.Large screen sharing system diagram

3.2 科考設備顯示屏幕共享系統的實現

“雪龍”號利用視頻矩陣控制器,將需要的視頻信號同步采集,再通過視頻編碼器將視頻信號發布出去。在需要讀取視頻信號的舯部實驗室三個科考大屏幕和艉部實驗室兩塊科考大屏幕位置安裝視頻解碼器,通過解碼顯示到對應的科考大屏幕上。通過調節視頻矩陣控制器,可以按照需求選擇在科考大屏幕上的投放界面,調查作業人員可在作業區實時觀察相關科考設備觀測界面。對于個別需要實時操作的設備,可借助網絡軟件臨時操作,最大化滿足科考作業現場需求。

信息智能化建設的主要目標是實現數字智能化作業,而建設目標實現的核心是保持系統的先進性[6]。本系統的硬件設備選用,考慮到了信息技術的快速發展,在保證信息系統建設完成后,可根據信息化發展需求,增加其他擴展接口。通過視頻矩陣控制軟件,可以在不同作業區顯示需要的屏幕內容(圖9)。通過實時的界面觀測,考察隊員可以做到相對精準地釋放采樣器,提高采樣成功率。通過數據對比,自從大屏幕共享系統運行后,中國水產科學研究院東海水產研究所開展的磷蝦拖網作業采樣成功率得到了較大提高。

圖9 舯部科考大屏幕Fig.9.The big screen of scientific research in the middle of the vessel

4 科考作業視頻監控系統

“雪龍”號作業區分為不同部分,分別有CTD 絞車間、CTD 采樣間、實驗室區、右舷作業區、艉部作業區、表層海水采樣間等;不同的作業區有著不同的功能。監控系統由攝像、傳輸、控制、顯示和記錄登記5 大部分組成。攝像機通過同軸視頻電纜、網線、光纖將視頻圖像傳輸到控制主機,控制主機再將視頻信號分配到各監視器及錄像設備,同時可將需要傳輸的語音信號同步錄入到錄像機內。通過控制主機,操作人員可發出指令,對云臺進行控制以及對鏡頭進行調焦變倍的操作,并可通過控制主機實現在多路攝像機和云臺之間的切換。利用特殊的錄像處理模式,可對圖像進行錄入、回放、處理等操作,使錄像效果達到最佳。通過視頻監控系統的建立,可以實時觀察作業區的作業狀態、作業人員的安全裝備穿著情況和監控儀器的準備情況,便于觀察整個作業現場,了解實時作業進程;監督現場作業人員安全規范穿著和調查作業規范執行情況。通過視頻服務器,硬盤錄像機等設備,可以保存超過一個月時間的監控畫面內容(圖10)。

圖10 科考作業視頻監控系統界面Fig.10.CCTV monitoring of scientific observation working site

隨著船舶網絡信息化的不斷發展,通過位于“雪龍”號數據中心的通訊服務器,可以定期將部分現場畫面傳輸回國內,使得國內關心極地科考作業的廣大人民群眾能直觀了解現場作業場景,感受極地考察作業現場環境。

5 結論

南北極考察具有時間緊、任務重、作業時間窗口短、作業學科多、科考設備多等特點。“雪龍”號作為一條接近30 年船齡的老船,目前仍舊在科考作業最前線繼續服役。學習先進科技,與時俱進,更好地服務科學考察,是每一代極地考察工作者不斷追求的動力。通過設計和應用科考綜合管理系統,提高了科考作業的效率,拓展了科考支撐的能力。

例如,在中國第32 次南極科學考察中,通過該系統合理規劃站位作業,在開展調查作業中發揮了重要作用,考察站位完成數量創下歷年考察之最。在極地專項執行期間,在南極重點海域開展的多學科綜合考察和研究取得了一系列成果[7]。本文闡述的科考綜合管理系統在其中起到了重要作用。

在近幾次的南北極科考作業期間,“雪龍”號實驗室管理人員在對參加航次的考察隊員調查中發現,科考綜合管理系統可以很好地滿足調查作業需求,總體滿意度較高。實驗室管理人員在作業中同時收集系統應用中存在的問題,不斷完善整個系統的運作,提高作業效率。正是由于該系統在“雪龍”號的經驗積累和成功應用,自主建造“雪龍2”號時,在該系統基礎上進行了進一步改進和完善。例如,在“雪龍2”號的海圖系統中增加了冰圖數據覆蓋功能,能夠更加直觀的實現數據對比。通過不斷的經驗積累和系統完善,在不斷提高考察船的硬件能力的同時,發掘探索更科學的管理辦法,提高管理水平,服務我國的極地考察事業,同時也為類似船舶科考作業系統設計提供借鑒。