基于分布式的海洋綜合導航系統框架設計與實現

中圖分類號：P631 文獻標識碼：A DOI：10.13810/j.cnki.issn.1000-7210.20240531

Abstract：The marineintegrated navigation systems arelimited in functionality，having problems such as the inability to be released across operation system platforms，inability to adapt to the unique displays and operations in various spatial locations such as instrument rooms， source gun control system operation rooms， bridges， and aft decks offield operation fleets.These limitation saffct production operation eficiency and make it dificult to conduct subsequent maintenance and development，and function expansion. To this end，this paper systematically summarizes：the software functional modules of the marine integrated navigation system，data interaction and collaborative work of each module，safety management of the operation fleet，management of key basic information，and specific navigation operation requirements ofeach operation team.By comparing the diferences between REST and gRPC in interface protocol conventions， transmission protocols， streaming processng and request response， the strong type and serialization，and system performance，the technical advantages of gRPC in high-concurrency and low-latency scenarios of ocean exploration are demonstrated.Meanwhile，a framework for a distributed marine integrated navigation system based on the gRPC framework is designed，and the main program and remote procedure callservice program of the integrated navigation system are developed，thereby realizing dynamic management and monitoring of other modules running in the system by a system service pro gram.The main program is responsible for the system configuration，startup，and shutdown management of

thesubmodule program of the integrated navigation system. The development practice proves that the inter grated navigation system based on the distributed system architecture has realized the deployment of the system modules in the local and remote areas，and can meet the needs of navigation operation，navigation display， and quality control of various operating locations of the fleets.

Keywords： marine seismic exploration，integrated navigation，distributed framework，REST technology，gRPC technology

方守川，易昌華，曹國發，等，[J].石油地球物理勘探，2025， 60（4） ： 1059-1066.

FANG Shouchuan，YI Changhua，CAO Guofa，et al.Framework design and implementation of distributed marine integrated navigation systems[J].Oil Geophysical Prospecting，2025，60（4） ：1059-1066.

0 引言

目前，海洋地震勘探采集主要采用海底電纜OBC（OceanBottomCable）海洋節點OBN（OceanBottomNode）及海洋拖纜（MarineStreamer）三種方式及其三者的混合方式[1-2]。海洋勘探綜合導航系統是野外地震采集過程中放纜、海洋檢波器定位及同步采集激發控制的核心，需具備野外地震隊的生產計劃制定、施工設計、施工作業管理、導航定位質量控制、生產安全管理等功能[3-5]。

近二十年以來，為了滿足海洋勘探導航定位作業的需要，國內外的學者和從事地球物理勘探的工程師開發了多個用于海洋地震勘探的綜合導航系統。于志剛基于Access數據庫和VisualBasic語言開發了一套能夠用于淺海過渡帶地震勘探的導航軟件；方守川等開發了基于客戶及服務程序結構、用于海洋海底電纜勘探采集作業的Dolphin綜合導航系統，并詳細介紹了的其關鍵技術和系統細節；郭功營等8介紹了Dolphin海上綜合導航定位系統，并闡述了海底電纜施工作業中震源陣列導航定位的工作原理，及在OBC地震勘探中的應用；胡家賦等[9]利用VisualStudio2O1O集成開發環境研發了一個基于MVC（ModeViewControl）多層次結構設計、能夠用于海洋海底地震儀（OceanBottomSeismometer，OBS）布設和地震勘探采集的導航軟件。

以上這些系統和軟件在功能上實現了海洋油氣勘探節點投放和導航定位的基本需要，但是功能較單一，不能跨操作系統發布；系統各子程序發布、運行不適應野外作業船隊中儀器室、震源控制操作室、駕駛臺、后甲板等各個空間位置的差異化需求；不方便系統安裝布設；不利于各個班組作業人員掌握作業船隊運行情況；系統后續維護、開發難。這些系統要么是只能單船運行，要么就不是真正意義上的分布式系統，不能滿足當前野外施工中作業船隊更加數字化、智能化地統一指揮與管理的高要求，難以提高作業效率、降低作業風險。為此，本文提出了基于分布式設計的可以跨越操作系統（Linux和Windows安裝的海洋地震勘探綜合導航系統，而且容易維護升級，可用于OBN和OBC地震勘探的實時導航作業。

1海洋勘探綜合導航系統

如圖1所示，一套完整的能夠用于海洋地震勘探的綜合導航定位系統由高精度全球導航衛星系統（Global Navigation Satellite System，GNSS）、電羅經、測深儀、導航工作站、綜合導航軟件、導航定位接口單元（或叫同步采集控制器）、網絡集線器Hub、無線網絡通訊設備等組成。對于特定角色的聲學定位作業船還需安裝聲學定位系統。假如有拖帶陣列的震源船，還需安裝用于震源陣列定位的RGPS（RelativeGPS）定位系統。

綜合導航系統具體包括主控制程序、項目信息和坐標系統管理、設備接口配置、定位網絡設置、測線設計、數據采集、定位網絡計算、導航控制、導航顯示、轉彎上線設計、自動艙、數據記錄、數據傳輸、質量控制及地理信息管理系統（GeographicInformationSystem，GIS）等功能模塊。各個模塊的數據交互通過系統核心數據庫和進程間的通信實現；特定的模塊產生特定的數據并消費由其他模塊產生的數據。系統各個模塊之間還需要進程間的事務通信，用于通知控制事件和模塊之間的協同工作。

圖1海洋勘探綜合導航系統組成

綜合導航軟件的主控制模塊負責啟動和停正系統其他子程序，設置本地和遠端數據庫服務。項目信息和坐標管理模塊負責設置作業項目信息和坐標基準及地圖投影類型。設備接口配置模塊負責設置GNSS、測深儀、電羅經等設備接口，測試這些接口連接的正確性，設置作業船同步采集控制器的信號觸發通道參數等。定位網絡設置模塊負責設置各個作業船只的定位網絡的節點、觀測值及定位網絡的組成。測線設計模塊負責放纜、放炮及聲學定位的設計和管理。數據采集模塊負責從串口實時解析來自GNSS等導航定位設備的數據，并提交到數據庫。定位網絡計算模塊負責從數據庫中讀取實時更新的導航定位設備數據，并利用卡爾曼濾波等技術完成作業船定位網絡計算、放纜作業控制、實時聲學定位計算及放炮作業控制。導航控制、導航顯示、轉彎上線設計、自動舵、數據記錄、數據傳輸、質量控制及GIS等模塊分別實現各自的功能。

綜合導航定位系統在海洋OBC或OBN施工采集過程中實現了海洋電纜放纜或節點釋放導航控制、海洋電纜或節點的聲學定位工作以及震源船導航和同步激發控制。

為了滿足野外作業隊伍安全管理的需要，船隊中每條作業船的導航系統通過建立的無線通信網絡（如無線網狀電臺組成的局域網絡）實現作業船之間的數據共享和交互。每條作業船能夠對自己的導航、定位、設備數據和作業船運行狀態進行實時監控，也可以監控船隊中其他作業船的導航、定位、設備數據和實時運行狀態。

一些非常重要的基礎項目數據，如項目信息、坐標基準、坐標轉換方式、測線信息、每條作業船的定位網絡參數設置、導航定位接口設置、工區基礎地理信息、水下地形分布、工區油田基礎設施等，可以在母船進行設置和集中統一管理，并通過無線網絡發布到各船，避免系統中這些基礎數據的管理混亂，以減小野外作業過程中出錯的可能。

為了使作業人員能夠直觀了解當前作業船的地震采集工作狀態，在勘探作業船駕駛臺、導航員機房、后甲板及甲方監督工作室等空間位置，都需要安裝導航軟件的部分模塊。比如在駕駛臺要把導航系統與作業船上的自動駕駛系統相連接，需要設置自動舵系統與導航系統之間的數據接口，并運行數據采集模塊以完成二者之間自動駕駛數據的交互；在駕駛臺當班的船長、大副或水手等作業人員需要通過導航系統的導航顯示模塊了解當前作業船與施工測線的相對關系，以保證作業船在安全條件下航行在當前測線上及控制航行速度。導航員所在的儀器機房需要布置綜合導航系統的主體控制部分，導航員可以根據生產作業計劃設置或切換當前作業測線，監視當前船的導航狀態，控制導航定位數據的質量，并提供給其他班組的作業人員相關作業信息以方便各個班組的作業調整。后甲板作業人員可通過導航系統的顯示模塊所提供的測線導航信息進行放纜、節點釋放工作或震源陣列的收放作業。甲方監督工作室導航顯示模塊可以讓甲方監督方便地了解當前測線、作業船的作業狀態、震源陣列深度、槍壓及槍同步的質量等信息。

所以，一個完備的綜合導航系統可以管理船隊中每條船，配置每個工作站及在工作站上布置模塊。作業船隊中船的角色有母船和子船，按其承擔的工作任務又分為放纜船（或節點船）、定位船、震源船、儀器船及其他作業船。一個船隊中母船有且只有一條，其他都為子船。一般情況下，一條船至少有1臺導航工作站（或計算機），這臺工作站運行系統的所有模塊，包括子模塊；為了滿足儀器室導航員對導航作業和質量監控的需要，可能存在一條船配置多臺工作站的情況，某些子模塊可以根據需要布置在另外的計算機上，而系統核心數據庫只能在其中1臺工作站中。這樣的現場作業需求，就需要分布式配置、運行綜合導航系統的各個功能模塊才能滿足。

2分布式構建技術選型

2.1 方案介紹

根據海洋勘探綜合導航系統的需求、結構特點和運行環境，在協議約定、傳輸協議、流式處理與請求、強類型與序列化、性能等五個方面，對REST（RepresentationalStateTransfer，表現層狀態轉換）和gRPC（GoogleRemoteProcedureCall，Google遠程過程調用）兩種分布式構建技術進行了對比，以選擇合適的方案進行海洋勘探綜合導航系統的設計和構建。

2.1.1 REST框架

REST框架是Fielding[10提出來的一種軟件架構技術，能夠最小化延遲和網絡通信而又最大限度地提高軟件組件實現的獨立性和可擴展性。

目前，根據使用RESTWeb服務的數量來看，REST近年來已經成為最主要的Web服務設計模式[11-12]

需要注意的是，REST是設計風格而不是標準。REST通常基于HTTP（HyperTextTransferProtocol，超文本傳輸協議）、URI（UniformResourceIdentifier，統一資源標識符）和XML（ExtensibleMarkupLanguage，可擴展標記語言）以及HTML（HyperTextMarkupLanguage，超文本標記語言）這些現有且廣泛流行的協議和標準[13]。

REST以HTTP協議定義、約定一系列URL（UniformResourceLocator，統一資源定位器）來操作資源，它描述的是網絡中客戶端與服務端的一種交互形式。

REST框架Web服務的核心概念在于對資源的抽象，資源被URIs（UniformResourceIdentifier，統一資源標識符）表征。客戶使用HTTP協議發送請求給這些URIs，然后相應的資源的狀態就可能會發生變化。

REST的一個重要特點是無狀態，這意味著在請求之間沒有客戶端上下文存儲。來自任何客戶端的每個請求都包含服務所需的所有信息，并且會話狀態保存在客戶端中。

李延[4提出了基于REST架構的Web服務設計方法，并實現了一個REST架構下的Web服務原型系統。

2.1.2 gRPC框架

gRPC是由谷歌公司設計開發，以ProtoBuf（ProtocolBuffers）序列化協議為接口定義語言、可支持眾多編程語言的分布式軟件開源框架[15]

gRPC利用允許雙向通信的HTTP2.O協議。

通過該協議，緩沖區使用二進制數據通信，以序列化、結構化數據[16]。gRPC具有以下重要特征：

（1）開發語言豐富，可支持自前流行的眾多語言構建服務；

（2）基于HTTP2.0協議，支持雙向流，使其更加適用系統中客戶端和服務端之間的通信；

（3）基于IDL（InteractiveDataLanguage）定義服務，能夠創建接口文件，并在在不同平臺下編譯接□文件，融入到系統開發者的工程項目中；

（4）支持ProtoBuf序列化，是谷歌獨有的一種二進制數據交互方式，與平臺無關，且壓縮和傳輸效率高、語法簡單、表達能力強[17-18]

2.2 備選方案的比較

2.2.1接口協議約定

REST 在 API（Application Programming Interface，應用程序編程接口）中定義URL唯一標識的資源，例如/user。然后，將標準的HTTP方法Post、Get，Put和Delete映射到CRUD（Create，創建；Read，讀取;Update，更新；Delete，刪除）等動作。Post用于創建，Get用于檢索，Put用于更新，Delete用于刪除。在處理CRUD時，雖然場景映射直接，但復雜業務需要精心設計資源模型，需要引入子資源或結合狀態碼處理異步操作，使得處理流程變得復雜。

REST和gRPC之間最大的區別之一是有效負載的格式。REST通常使用JSON（JavaScriptObjectNotation，JavaScript對象表示法）發送消息，其主要優點是易于閱讀，并在大多數語言中得到支持。然而，JSON的主要缺點在于不是模式驅動、沒有類型、沒有版本。這些缺陷導致序列化問題，尤其是在故障級聯、面向微服務的體系結構中可能帶來災難性的后果。序列化工具集需要處理整個有效負載并推斷每個屬性的類型。

在gRPC中，基于ProtocolBuffers（Protobuf）接口定義語言，通過協議文件顯式聲明定義可遠程調用的方法集合和規范用于輸入/輸出的結構化數據類型。通過該接口直接映射編程語言的原生方法調用，實現業務邏輯與通信層的無縫對接，而規避REST中HTTP方法到業務動作的間接映射問題。可以實現多語言 SDK（SoftwareDevelopmentKit）軟件開發工具包一致性的客戶端代碼；對比REST不同團隊的HTTP端點設計差異，避免了“接口碎

片化\"問題。

2.2.2 傳輸協議

REST是基于HTTP的文本類傳輸方式，很大程度上取決于HTTP（通常為HTTP1.1）的請求—響應模型。HTTP1.1太大且很復雜，而且HTTP1.1對延遲很敏感，每個單獨的請求都需要TCP（Trans-missionControlProtocol，傳輸控制協議）握手，并且大量的請求會對加載所需的時間造成重大損失。在大多數情況下，帶寬的持續改進并不能根本解決這些延遲問題。

gRPC使用較新的HTTP2.O協議。HTTP2.0協議是二進制的，在降低HTTP1.1中處理幀的復雜度方面有很大的改進。HTTP2.0的主要改進是使用多路復用流。單個HTTP2.OTCP連接可以支持許多雙向流。這些流可以交錯（不排隊），并且可以同時發送多個請求，而無需為每個流建立新的TCP連接。此外，服務器可以通過已建立的連接（HTTP2.0推送）將通知推送到客戶端。

2.2.3流式處理與請求—響應

REST僅支持HTTP1.x中可用的請求一響應模型。但是gRPC充分利用了HTTP2.O的功能，允許不間斷流式傳輸信息。gRPC支持服務器端流式處理、客戶端流式處理和雙向流式處理等多種方式。

（1）服務器端流式處理。服務器端一旦收到從客戶端發過來的數據請求，將自動發送回響消息給對應的客戶端。客戶端從返回的數據流里一直讀取，直到沒有剩余的服務端消息為止。

（2）客戶端流式處理。客戶端向一個響應服務器端發送多個服務請求。一旦客戶端完成消息寫入，就等待服務器端讀取這些消息并返回相應的應答。服務器端返回單個請求的響應，隨后就可能會自動收到每個客戶端的相關詳細信息及尾隨響應元數據。

（3）雙向流式處理。在這種情況下，客戶端和服務器以幾乎自由的形式相互發送信息。海洋勘探設備實時數據和各個子模塊之間的通知消息的推送特別適合采用這種方式。

2.2.4強類型與序列化

REST對交換負載的結構沒有強制要求。理論上REST消息可以發送任何格式作為響應，使用者沒有協調請求和響應格式的正式機制。但實際上整個REST生態系統包括工具、最佳實踐和教程都使用JSON。JSON必須序列化并轉換為服務器端和客戶端的目標編程語言。一方面，JSON在理論上更靈活，因為可以發送動態數據，并且不必遵循剛性結構。然而，這也容易引發運行時異常（與gRPC的強類型接口相比），文本解析開銷效率也低于gRPC的二進制協議。

gRPC服務協定使用強類型消息，這些消息從其Protobuf表示形式自動轉換為服務器上和客戶端上的編程語言。它能夠以較小的消息負載進行非常高效的序列化。

2.2.5 性能

gRPC是以HTTP2.O協議為基礎進行設計，與REST所采用的HTTP1. x 協議相比，具有顯著的性能優勢。

ProtocolBuffers是一種非常高效且包裝豐富的協議格式。REST使用的JSON是一種文本格式。雖然可以壓縮JSON減少網絡傳輸的數據量，但是在序列化和反序列化上的性能差距，以及每次請求都發起單獨的HTTP連接的網絡連接開銷仍然沒有改進。

對于一些行業專用系統的開發，大多數開發者更注重開發的效率，而不是完全遵守REST這樣的規范，真正完全遵守的場景確實也不多。

gRPC允許不同應用程序、語言和平臺之間的無縫通信。不同的團隊可以就相互約定達成協議并獨立工作，同時由ProtoBuf提供強大的跨平臺支持實現靈活而又順利的集成。gRPC以API為中心，它的服務定義直接映射到程序方法，不需要額外轉換為資源驅動的建模。

對于物探作業船隊中專業服務端之間的數據通信，大部分共用網絡服務器不需要對外開放，只在其作業船隊的局域網內部進行相互間的調用。所以，在這種實際情況下使用gRPC不僅是個不錯的選擇，而且也一定能滿足共用服務器之間相互調用對網絡性能和數據延時的要求。

3基于gRPC系統框架設計與實現

綜合以上REST和gRPC在協議約定、傳輸協議、流式處理與請求、強類型與序列化及性能等五個方面對比，考慮到海洋地震勘探導航系統在作業船隊安裝和發布的需要，選擇gRPC構建系統，如圖2所示。

首先，定義基于Protobuf的IDL（接口定義語言），協議文件的結構化數據類型和方法：包括導航工作站的設置參數、導航工作站的狀態參數（工作磁盤，已用磁盤空間大小，總共磁盤空間大小，剩余空間大小、連接的顯示器個數）系統模塊運行列表及子模塊運行的服務方法等。協議文件修改后使用ProtocolBuffers編譯器生成 C++ 代碼文件，該文件定義了一個完整的gRPC服務接口，支持主機和應用的配置管理、狀態查詢及控制，以供編寫遠程過程調用服務程序。其具體操作如下：如果是在Windows平臺上，先把protoc可執行程序放在src/mingw64/bin目錄下，或提前將此目錄加入路徑環境變量，執行如下命令：

（1）運行協議生成命令，帶參數指定協議文件的路徑，指定生成的 C++ 代碼的輸出目錄及需要編譯的協議文件。（2）運行協議生成命令，帶參數指定生成的gRPC相關的 代碼的輸出目錄。（3）運行協議插件命令，帶參數指定gRPC代碼生成插件的路徑，生成gRPC相關的代碼。

而在linux平臺上，與Windows平臺的gRPC代碼生成命令類似，只是插件的路徑不同。其一般存在于用戶主目錄下的.local/bin目錄中。

通過以上步驟，生成4個文件，其中Dolphinpb.cc和Dolphin.pb.h，包含消息類型定義和序列化方法，Dolphin.grpc.pb.cc 和 Dolphin.grpc.pb.h，包含服務接口定義。

其次，編寫綜合導航系統遠程過程調用服務程序。將上述4個文件加入到gRPC服務程序的工程項目文件中，建立一個服務器類啟動某個網絡地址段和端口的監聽主程序和子程序客戶端的請求。在主程序和子程序客戶端的開發中引入這些文件，使之能實現正常的請求、連接和數據發送。

完成開發的綜合導航系統模塊主要包括：主控制程序、坐標系統與項目管理、實時導航接口設置、測線設計管理、定位網絡設置程序、數據采集進程、定位網絡計算、測線導航控制程序、導航轉向上線控制程序、導航顯示程序、質量控制模塊、自動舵模塊、數據記錄模塊、空間地理信息模塊、數據傳輸模塊等。

圖2綜合導航系統框架

4 應用效果分析

設計完成的海洋地震勘探導航系統的主體基于分布式架構體系，實現了由一個系統服務程序動態管理（發布，啟動和停止）和監視系統中運行的其他模塊。在這個體系結構中，系統服務程序是預先啟動運行的，客戶程序發送任何數據請求到系統服務程序由gRPC實現。系統通過gRPC框架實現了子模塊運行在不同的機器上面，各模塊訪問自己本條船的核心中央數據庫。遠端同步其他作業船數據庫的工作由專門的通信模塊完成，使得系統的總體結構清晰，數據共享和交互相對獨立于地震勘探導航定位的專門任務。各個模塊可根據野外作業的實際需要分布式發布在作業船隊中的各個工作空間（儀器室、震源槍控系統操作室、駕駛臺、后甲板等）以減低主機的負擔，并方便綜合導航系統部署在作業船的各個位置、自動舵等及其他船上系統之間的連接布置，而有利于野外生產作業的監控和監視，如圖3所示。

設計完成的系統適用于單船和多船的應用，系統的各子模塊可以部署在船上局域網內不同的工作站上。而每個工作站（或計算機）上的綜合導航系統的入口點是主控制程序，通過主控制程序可以啟動、停正其他的所有子模塊，其中需要注意的是，如果需要遠程控制某一條作業船，同時應該在遠程控制操作端的工作站上安裝部署遠程調用gRPC服務程序。

4.1 服務的注冊和注銷

注冊gRPC服務可以有兩種方式：一是安裝程序時自動注冊為系統服務；二是利用命令行手動注冊。

安裝時，選擇了服務和系統模塊組件，程序會自動將gRPC服務注冊為系統服務；或使用管理員權限運行CMD（Command的縮寫，即命令提示符）并執行系統框架提供的注冊遠程過程調用命令scqueryrpcserver。程序卸載時會自動注銷gRPC服務，也可用以下方法進行手工注銷：以管理員身份運行CMD進入程序安裝目錄下的bin目錄，執行注銷遠程過程調用命令RpcServer.exe-u即可注銷gRPC服務。

圖3綜合導航系統船隊部署

4.2服務的啟動和停止

在系統啟動之前，需要首先啟動gRPC服務。使用管理員權限運行CMD并執行啟動遠程過程調用命令scstartrpcserver啟動gRPC服務；或進入Windows服務管理器頁面選中rpcserver服務右鍵Start。服務的停止，可使用管理員權限運行CMD并執行停止遠程過程調用命令 sc stoprpcserver停止gRPC服務；或進人windows服務管理器選中名字為Dolphin的服務右鍵點擊Stop。

作為其中一個客戶端程序的系統主控制模塊具體功能包括配置文件管理、子模塊進程管理、系統日志、系統監視等四部分。它通過對配置文件的設置完成綜合導航系統的各子模塊的啟動、停止的管理。

即首先應該在配置文件管理中按要求對系統的各子模塊做好相應的配置，然后，通過子模塊進程管理完成對各子模塊的啟動、停止操作。

5 結束語

區別于以往的系統，本文設計了基于gRPC框架的分布式綜合導航系統，突破了以往導航系統功能較單一、不能跨操作系統發布、系統后續維護開發不易、作業人員不方便掌握作業船隊運行情況等限制，形成的新的系統框架具有如下優勢：

（1）系統框架基于遠程過程調用gRPC分布式構建，系統各個模塊可方便部署在在作業船隊的儀器室、震源槍控系統操作室、駕駛臺、后甲板等各個空間位置，方便了各個崗位的生產作業。

（2）基于gRPC技術的分布式構建的綜合導航系統將能夠實現遠程控制作業，減少在船導航員工數量，改變海洋勘探作業隊伍的施工作業和質量控制流程，滿足未來野外施工作業中作業船隊對更加數字化、智能化地統一指揮與管理的需求，從而提升作業效率并降低作業風險。

（3）新的綜合導航系統是一個可以跨越操作系統（Linux和Windows）平臺協同開發的海洋地震勘探實時導航控制和質量控制系統，在開發過程和完善過程中可以綜合整合研發資源，提高開發效率，快速形成產品。

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（本文編輯：宜明理）

作者簡介

方守川教授級高級工程師，1973年生；1996年獲中國地質大學（武漢）工程測量專業學士學位，2014年獲武漢大學大地測量學與測量工程專業博士學位；現任東方地球物理公司高級技術專家，主要從事石油物探測量導航定位、空間地理信息技術等方面的研究工作。