喬延龍，陳亮，殷小亞

(1.天津市海洋咨詢評(píng)估中心 天津 300457； 2.天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 天津 300072；3.天津渤海水產(chǎn)研究所 天津 300457)

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天津大神堂海洋特別保護(hù)區(qū)監(jiān)視監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)*

喬延龍1，2，陳亮1，殷小亞3

(1.天津市海洋咨詢評(píng)估中心 天津 300457； 2.天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 天津 300072；3.天津渤海水產(chǎn)研究所 天津 300457)

文章介紹了天津大神堂實(shí)施離岸監(jiān)視監(jiān)控的可行性和重要性，提出了離岸海洋環(huán)境下，海洋監(jiān)視監(jiān)控平臺(tái)前端數(shù)據(jù)采集、無線數(shù)據(jù)傳輸、后端數(shù)據(jù)接收和處理等技術(shù)要求及設(shè)計(jì)原則，并對(duì)監(jiān)視監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行了分析，以期為我國海洋觀測和監(jiān)測臺(tái)站建設(shè)提供參考。

監(jiān)視監(jiān)控系統(tǒng)；監(jiān)視監(jiān)控平臺(tái)；無線數(shù)據(jù)傳輸；海洋觀測

由于地殼運(yùn)動(dòng)和獨(dú)特海洋生態(tài)環(huán)境，天津大神堂成為我國北方緯度最高的現(xiàn)代活體牡蠣礁聚集海域，區(qū)域內(nèi)的長牡蠣、毛蚶、褶牡蠣、脈紅螺等海洋生物資源豐富。為了進(jìn)一步保護(hù)貝類生物資源，國家海洋局批準(zhǔn)建立天津大神堂牡蠣礁國家級(jí)海洋特別保護(hù)區(qū)，天津市設(shè)立貝類增養(yǎng)殖區(qū)，在最近發(fā)布的“天津市海洋生態(tài)紅線區(qū)報(bào)告”中，“天津大神堂牡蠣礁國家級(jí)海洋特別保護(hù)區(qū)”是天津市劃定的5個(gè)海洋生態(tài)紅線區(qū)之一。

在渤海經(jīng)濟(jì)圈和京津冀一體化提升到國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略總體布局的背景下，經(jīng)國務(wù)院批準(zhǔn)，天津確定為全國第五個(gè)海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展試點(diǎn)區(qū)，天津?yàn)I海新區(qū)作為全國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重點(diǎn)地區(qū)，海洋經(jīng)濟(jì)得到快速發(fā)展。在科學(xué)開發(fā)海洋資源的前提下，為了加強(qiáng)海洋生態(tài)環(huán)境保護(hù)，實(shí)現(xiàn)海洋經(jīng)濟(jì)開發(fā)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展，保護(hù)大神堂淺?；铙w牡蠣礁，加強(qiáng)海洋特別保護(hù)區(qū)的生物資源和生態(tài)環(huán)境監(jiān)管，同時(shí)兼顧天津和渤海灣北部海域溢油、赤潮、環(huán)境監(jiān)測、海洋災(zāi)害預(yù)警與防范、海域動(dòng)態(tài)管理、海洋綜合管理、海洋公眾服務(wù)等海洋觀測和監(jiān)測的業(yè)務(wù)化應(yīng)用需求，借鑒先進(jìn)通信技術(shù)和成熟的監(jiān)視監(jiān)控平臺(tái)構(gòu)建經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)用高清化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)成果，本文提出了基于離岸平臺(tái)的天津大神堂海洋監(jiān)視監(jiān)控系統(tǒng)，利用海洋監(jiān)視監(jiān)控平臺(tái)進(jìn)行視頻、環(huán)境等數(shù)據(jù)統(tǒng)一監(jiān)控，并提供業(yè)務(wù)化接口，具備開放性和擴(kuò)增能力，便于開展分步驟的后續(xù)海洋監(jiān)視監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)。

1 監(jiān)視監(jiān)控系統(tǒng)的總體分析

根據(jù)天津市海洋觀測網(wǎng)絡(luò)布局，規(guī)劃在濱海新區(qū)塘沽、漢沽、大港分別建設(shè)3個(gè)岸基海洋監(jiān)測站，在天津北部大神堂國家級(jí)海洋特別保護(hù)區(qū)和南部海域建設(shè)兩座海洋監(jiān)視監(jiān)控平臺(tái)，形成“三近、兩遠(yuǎn)”的近岸近海海洋觀測體系，開展天津全海域的海洋要素觀測和海洋環(huán)境監(jiān)測。

大神堂海洋監(jiān)視監(jiān)控系統(tǒng)由離岸海上監(jiān)視監(jiān)測平臺(tái)、無線傳輸和岸基監(jiān)控中心3部分組成，該系統(tǒng)定位為海洋智慧監(jiān)視監(jiān)測系統(tǒng)，是一套集視頻監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測、海域監(jiān)管、災(zāi)害預(yù)警、指揮調(diào)度為一體的智能信息系統(tǒng)。前端監(jiān)視監(jiān)控平臺(tái)能夠?yàn)榘痘O(jiān)控中心提供準(zhǔn)確、及時(shí)的數(shù)據(jù)信息，對(duì)海洋特別保護(hù)區(qū)進(jìn)行實(shí)時(shí)視頻圖像、生態(tài)環(huán)境、防災(zāi)減災(zāi)監(jiān)視監(jiān)控，并對(duì)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)資料進(jìn)行存儲(chǔ)、調(diào)用、處理，通過開放式的系統(tǒng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)與多部門及其他應(yīng)用單位的互聯(lián)互通，構(gòu)建以大神堂海洋監(jiān)視監(jiān)控系統(tǒng)為核心的天津海洋大數(shù)據(jù)信息中心。

2 建設(shè)原則

(1)規(guī)范性:在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，遵從各項(xiàng)技術(shù)規(guī)定，做好系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。運(yùn)用模塊化結(jié)構(gòu)，符合國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)規(guī)范，保證系統(tǒng)性能和技術(shù)要求穩(wěn)定可靠。

(2)先進(jìn)性:結(jié)合數(shù)字海洋、智慧海洋的發(fā)展需要，采用先進(jìn)的監(jiān)控技術(shù)、監(jiān)測技術(shù)、傳輸技術(shù)和存儲(chǔ)技術(shù)，提升系統(tǒng)的技術(shù)壽命，強(qiáng)化系統(tǒng)升級(jí)的可延續(xù)性，保障系統(tǒng)安全運(yùn)行并具發(fā)展?jié)摿Α?/p>

(3)操作性:充分考慮與其他系統(tǒng)的連接，實(shí)現(xiàn)清晰、簡潔、友好，操控簡便、靈活的人-機(jī)對(duì)話界面，系統(tǒng)采用全中文、圖形化軟件，便于實(shí)現(xiàn)整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)管理與維護(hù)。

(4)安全性:為了保證海洋數(shù)據(jù)信息安全，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫構(gòu)建分層次和級(jí)別、保證數(shù)據(jù)庫在各種級(jí)別保密程度上的查詢訪問，具備數(shù)據(jù)備份和系統(tǒng)恢復(fù)功能，防止數(shù)據(jù)信息被任意查詢和破壞。

3 監(jiān)視監(jiān)控系統(tǒng)的架構(gòu)

3.1 系統(tǒng)組成

在中央分成海域使用金支出項(xiàng)目“天津大神堂前?；钅迪牻釜?dú)特生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)與修復(fù)項(xiàng)目”的支持下，天津市海洋咨詢評(píng)估中心負(fù)責(zé)天津大神堂海洋監(jiān)視監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)工作。天津大神堂海洋監(jiān)視監(jiān)控系統(tǒng)共包括三大子系統(tǒng)：數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、信息傳輸子系統(tǒng)、中心控制子系統(tǒng)。

3.2 功能模塊設(shè)計(jì)

3.2.1 監(jiān)視監(jiān)控平臺(tái)

大神堂海洋監(jiān)視監(jiān)控平臺(tái)距岸線約5 km，水深約4 m，平臺(tái)建設(shè)休息間和設(shè)備間組成的環(huán)境監(jiān)測室。其中，休息間用于臨時(shí)應(yīng)急、連續(xù)試驗(yàn)等情況下派駐人員值守；設(shè)備間設(shè)置溫鹽井、驗(yàn)潮井和監(jiān)測預(yù)留井，可實(shí)時(shí)獲取溫度、鹽度、重金屬、溶解氧、營養(yǎng)鹽、潮位等監(jiān)測指標(biāo)的連續(xù)數(shù)據(jù)。在環(huán)境監(jiān)測室房頂搭載重型云臺(tái)的數(shù)字監(jiān)控?cái)z像機(jī)，對(duì)半徑約3 km的范圍進(jìn)行視頻實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控。在平臺(tái)高樁墩臺(tái)和環(huán)境監(jiān)測室屋頂分別布設(shè)風(fēng)力發(fā)電設(shè)備和太陽能電池板，保持穩(wěn)定的電力輸出。同時(shí)在平臺(tái)安裝防雷接地系統(tǒng)和安全警示燈，提升監(jiān)視監(jiān)控平臺(tái)的安全等級(jí)。

3.2.2 無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)是指前端采集的數(shù)據(jù)經(jīng)編譯處理后，以數(shù)字信號(hào)方式通過載體(如光纖、網(wǎng)線、無線等)傳送到數(shù)據(jù)監(jiān)控中心。結(jié)合天津大神堂前海活牡蠣礁獨(dú)特生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)與修復(fù)項(xiàng)目要求和國內(nèi)外先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，大神堂監(jiān)視監(jiān)控平臺(tái)使用IP無線網(wǎng)橋方式進(jìn)行組網(wǎng)，可實(shí)現(xiàn)平臺(tái)在離岸可視環(huán)境下的長時(shí)間無人值守運(yùn)轉(zhuǎn)，保證平臺(tái)前端視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)、雙向控制信號(hào)、遠(yuǎn)程語音報(bào)警業(yè)務(wù)、防盜報(bào)警等高效運(yùn)行。

3.2.3 岸基監(jiān)控中心

岸基監(jiān)控中心是整個(gè)系統(tǒng)的管理單位，包括數(shù)據(jù)機(jī)房、中控室、會(huì)商室3個(gè)區(qū)域，各區(qū)域按照功能布設(shè)不同的設(shè)備。在渤海海洋監(jiān)測監(jiān)視基地業(yè)務(wù)樓搭建無線傳輸接收終端，將數(shù)據(jù)信息傳輸至數(shù)據(jù)機(jī)房，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和保存，同時(shí)在中控室設(shè)置多個(gè)PC終端，用于獲取存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加工，制作成不同的數(shù)字產(chǎn)品，通過會(huì)商室的大屏幕進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)字產(chǎn)品發(fā)布。同時(shí)安裝交換機(jī)和網(wǎng)絡(luò)防火墻設(shè)備，保證對(duì)內(nèi)的安全訪問和對(duì)外網(wǎng)絡(luò)的安全連接，通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與上、下級(jí)單位聯(lián)網(wǎng)的智能監(jiān)視監(jiān)控管理系統(tǒng)。

4 監(jiān)視監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)

4.1 無線數(shù)據(jù)傳輸

由于平臺(tái)選址區(qū)域海洋環(huán)境條件復(fù)雜，距離岸線約5 km，采用傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)或者光纖傳輸數(shù)據(jù)損耗大、成本高。為實(shí)現(xiàn)前端采集數(shù)據(jù)至監(jiān)控中心機(jī)房的高效鏈路傳輸，平臺(tái)采用5.8G無線數(shù)字微波系統(tǒng)，即基于IP網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字化傳輸網(wǎng)絡(luò)模式，利用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的組網(wǎng)方式架構(gòu)IP數(shù)據(jù)通路，提供穩(wěn)定、高帶寬的IP數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，不僅能夠傳送多路全數(shù)字高清(1 080P)視頻圖像、雙向控制信號(hào)、語音信號(hào)，而且還能夠?yàn)闅庀髮W(xué)、水文學(xué)、水質(zhì)學(xué)等多種數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)提供穩(wěn)定和充裕的數(shù)據(jù)傳輸通道，構(gòu)成監(jiān)視監(jiān)測的無線專用網(wǎng)絡(luò)。

隨著數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩珕栴}日益突出，加強(qiáng)來源認(rèn)證、保密通信和授權(quán)訪問等數(shù)據(jù)安全服務(wù)顯得尤為重要。在現(xiàn)有微波作為傳輸數(shù)據(jù)文件主鏈路的基礎(chǔ)上，該系統(tǒng)兼容北斗衛(wèi)星、移動(dòng)3G/4G網(wǎng)絡(luò)等多種輔助信道，將來可開展主輔混合組網(wǎng)模式，配備“雙信道”，通過設(shè)置通信的優(yōu)先級(jí)別，根據(jù)不同需求，實(shí)現(xiàn)不同無線傳輸信道的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。

4.2 能源供給方式

大神堂海洋監(jiān)視監(jiān)控平臺(tái)屬于無人值守海洋觀測平臺(tái)，搭載視頻采集、無線傳輸、環(huán)境監(jiān)測、氣象監(jiān)測、警示燈及其他先進(jìn)設(shè)備儀器，將產(chǎn)生較大的電力能源消耗。此外，平臺(tái)建設(shè)周邊海域海洋工程開發(fā)活動(dòng)頻繁，綜合安全、節(jié)能、維護(hù)等方面考慮，平臺(tái)選用風(fēng)光互補(bǔ)的電力能源供給模式，在平臺(tái)高樁墩臺(tái)安裝風(fēng)力發(fā)電機(jī)和環(huán)境監(jiān)測室屋頂布設(shè)先進(jìn)環(huán)保的太陽能電池板，并配置多組膠體蓄電池，即便是在雨、雪等惡劣天氣條件下，也能為平臺(tái)搭載的設(shè)備儀器提供穩(wěn)定的電力能源供應(yīng)。

4.3 鋼樁保護(hù)措施

國內(nèi)外的研究結(jié)果表明，在海洋環(huán)境中，鋼結(jié)構(gòu)的局部腐蝕速度遠(yuǎn)大于平均腐蝕速度，這種局部腐蝕會(huì)造成鋼結(jié)構(gòu)物的腐蝕穿孔或應(yīng)力集中，成為鋼結(jié)構(gòu)物的安全隱患。大神堂海洋監(jiān)視監(jiān)控平臺(tái)的鋼管樁貫穿水位變動(dòng)區(qū)、海水全浸區(qū)和海泥區(qū)3個(gè)區(qū)域，鋼管樁將受到氯化物、硫化物、各種陰陽離子及海洋微生物的腐蝕，平臺(tái)結(jié)構(gòu)將不可避免地受到一定程度的腐蝕。為降低平臺(tái)鋼管樁的腐蝕速率，依據(jù)國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合平臺(tái)鋼管樁環(huán)氧重型防腐工藝，對(duì)平臺(tái)鋼管樁采取“鋼管樁犧牲陽極陰極保護(hù)”防腐蝕措施，增加海洋監(jiān)視監(jiān)控平臺(tái)使用年限，為大神堂海洋監(jiān)視監(jiān)控平臺(tái)提供穩(wěn)定、有效的保護(hù)。

4.4 警示和報(bào)警系統(tǒng)

大神堂海洋監(jiān)視監(jiān)控平臺(tái)位于渤海灣的灣頂，天津中心漁港航道東北側(cè)，西北方向?yàn)楸苯姀S，并且周邊海域是重要漁業(yè)生產(chǎn)區(qū)域，為了防止過往船只碰撞，在鋼樁、墩臺(tái)和環(huán)境監(jiān)測室墻面噴涂交通熒光標(biāo)示，并在監(jiān)測室屋頂拐角處架設(shè)安全警示燈。為了提高安全防盜，在環(huán)境監(jiān)測室的屋頂安裝一臺(tái)紅外高速球機(jī)，利用紅外線報(bào)警技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)全平臺(tái)預(yù)警報(bào)警全覆蓋。若發(fā)現(xiàn)有人入侵及其他意外情況，可自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信息，通過岸基指揮中心實(shí)時(shí)與球機(jī)實(shí)現(xiàn)語音對(duì)講的功能，及時(shí)采取相應(yīng)的干預(yù)措施。

4.5 預(yù)留擴(kuò)展模塊

根據(jù)“天津大神堂前?；钅迪牻釜?dú)特生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)與修復(fù)項(xiàng)目”要求，大神堂海洋監(jiān)視監(jiān)控平臺(tái)主要功能是監(jiān)視項(xiàng)目示范區(qū)周邊的漁業(yè)生產(chǎn)情況，加強(qiáng)項(xiàng)目示范區(qū)管理，維護(hù)項(xiàng)目示范區(qū)的生態(tài)修復(fù)效果。由于平臺(tái)受外界干擾少，可以更為準(zhǔn)確地反映自然海域的環(huán)境狀況變化，為了發(fā)揮平臺(tái)最大作用，在滿足監(jiān)視功能的基礎(chǔ)上，設(shè)置了常規(guī)環(huán)境監(jiān)測的溫鹽井、潮汐監(jiān)測的驗(yàn)潮井及開展其他監(jiān)測項(xiàng)目的預(yù)留井。同時(shí)，平臺(tái)可以搭載氣象觀測設(shè)備，開展大氣二氧化碳通量、濕度、風(fēng)速、降雨量等氣象因素觀測，還可以在平臺(tái)周圍進(jìn)行一些有離岸要求的科研試驗(yàn)，打造高校和科研院所的“海上實(shí)驗(yàn)室”。

5 應(yīng)用前景

天津地處渤海灣的灣頂，冬季存在結(jié)冰現(xiàn)象，為了降低養(yǎng)護(hù)成本，結(jié)合“天津大神堂前海活牡蠣礁獨(dú)特生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)與修復(fù)項(xiàng)目”要求，將大神堂海洋監(jiān)視監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)的平臺(tái)由最初確定的浮標(biāo)改為樁基水泥墩臺(tái)。大神堂海洋監(jiān)視監(jiān)控平臺(tái)建成后，將成為全國首個(gè)基于離岸的海洋監(jiān)視監(jiān)控專用平臺(tái)，對(duì)于天津大神堂牡蠣礁海洋特別保護(hù)區(qū)監(jiān)管和保護(hù)工作意義重大。同時(shí)，也是天津市和渤海灣北部海域海洋觀測網(wǎng)和海域使用動(dòng)態(tài)監(jiān)視監(jiān)測管理系統(tǒng)的重要組成部分。

大神堂海洋監(jiān)視監(jiān)控系統(tǒng)的平臺(tái)設(shè)計(jì)綜合相關(guān)部門的需求，搭載設(shè)備儀器采用國內(nèi)外先進(jìn)成熟的產(chǎn)品，系統(tǒng)集成融合了視頻圖像高清技術(shù)、風(fēng)光供電互補(bǔ)技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、GIS地理信息系統(tǒng)技術(shù)、自動(dòng)報(bào)警技術(shù)等，在發(fā)揮監(jiān)視監(jiān)控功能時(shí)，還可以兼顧海洋環(huán)境監(jiān)測和觀測，對(duì)赤潮、漏油等突發(fā)事件進(jìn)行及時(shí)觀測預(yù)警。此外，根據(jù)天津市海洋功能區(qū)劃將中心漁港和濱海旅游區(qū)功能區(qū)定位為休閑旅游，利用監(jiān)視監(jiān)控系統(tǒng)制作數(shù)字產(chǎn)品，通過政府官網(wǎng)、微博、微信等媒介實(shí)時(shí)發(fā)布“舒適度指數(shù)”，包括水溫、氣溫、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向等信息，促進(jìn)周邊旅游業(yè)快速發(fā)展。隨著天津市海洋事業(yè)快速發(fā)展，大神堂海洋監(jiān)視監(jiān)控平臺(tái)將打造成為集監(jiān)視監(jiān)測、科研、應(yīng)急、旅游服務(wù)等多項(xiàng)功能于一體的多功能平臺(tái)，為區(qū)域提供更多、更好的涉海服務(wù)。

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中央分成海域使用金支出項(xiàng)目“天津大神堂前?；钅迪牻釜?dú)特生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)與修復(fù)項(xiàng)目”；廣東省漁業(yè)生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目(GDKFL2012-10)；國家海洋局海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(201505027，201505018).

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