陳厚瑾， 于生寶

(吉林大學(xué) 儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院，吉林 長春 130026)

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海洋可控源甲板監(jiān)控系統(tǒng)顯示設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳厚瑾， 于生寶

(吉林大學(xué) 儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院，吉林 長春 130026)

在海洋可控源甲板監(jiān)控系統(tǒng)中，需要通過工作站來設(shè)置位于海底的電磁采集站和發(fā)射機(jī)的初始參數(shù)，工作站通過接收鎧裝電纜傳回的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，對(duì)發(fā)射機(jī)工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的顯示和監(jiān)控。鑒于此，介紹了海洋可控源甲板監(jiān)控系統(tǒng)和經(jīng)緯度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換算法，研究了在.NET Framework系統(tǒng)平臺(tái)下應(yīng)用Socket、多線程、GDI+和OpenGL等相關(guān)技術(shù)對(duì)海洋可控源甲板監(jiān)控系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行動(dòng)態(tài)的監(jiān)測?；谝陨戏椒ǖ木C合運(yùn)用，利用模塊化的編程設(shè)計(jì)方法，經(jīng)過大量的測試實(shí)驗(yàn)和檢測證明，海洋可控源甲板監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行情況穩(wěn)定、顯示和監(jiān)測的效果良好，也可用于類似的工業(yè)場合。

NET Framework； 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換； Socket;多線程； 圖形設(shè)備接口

0 引 言

隨著陸地資源的日漸貧乏與短缺，對(duì)海洋資源的研究與利用逐漸加大，海底資源勘探顯得至關(guān)重要。在現(xiàn)代地球物理探測中，已發(fā)展了多種電磁探測技術(shù)，如海洋可控源電磁法(Marine Controlled-Source Electromagnetic Methods, MCSEM)利用海底巖石介質(zhì)的電磁感應(yīng)信息，采用人工發(fā)射的低頻電磁場測量海底結(jié)構(gòu)[1-3]，作為一種海洋油氣探測新技術(shù)打破了海洋非地震勘探的沉悶，被稱為“自3D反射地震出現(xiàn)至今幾十年來最為重要的地球物理勘探技術(shù)”,對(duì)海底油氣具有較強(qiáng)的探測能力[4-5]。電磁法經(jīng)過幾十年的研究和開發(fā)，隨著數(shù)字儀器技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)和資料解釋方法的改進(jìn)而日趨成熟、可靠[6]。國外已經(jīng)有少數(shù)研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行了小范圍的探測實(shí)例，并取得了初步階段的成果，我國在這一領(lǐng)域當(dāng)中尚處在理論研究與實(shí)踐探索階段[7]。海洋可控源甲板監(jiān)控系統(tǒng)是海洋電磁探測系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，通過實(shí)時(shí)顯示由鎧裝電纜傳回的數(shù)據(jù)對(duì)發(fā)射機(jī)工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并記錄發(fā)射機(jī)姿態(tài)、電流等工作狀態(tài)參數(shù)。

Microsoft.NET Framework系統(tǒng)平臺(tái)是Windows的新型編程模型，一個(gè)全新的技術(shù)平臺(tái)。它具有功能強(qiáng)大并與新技術(shù)相結(jié)合的突出特點(diǎn)，用來構(gòu)建人性化的用戶體驗(yàn)應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)了跨技術(shù)邊界的無縫通信，并且能支持各種業(yè)務(wù)流程。本文基于.NET平臺(tái)下的Socket、多線程、GDI+和OpenGL技術(shù)利用C#語言將它們進(jìn)行組合應(yīng)用，對(duì)海洋可控源甲板監(jiān)控系統(tǒng)中的重要數(shù)據(jù)信息采用實(shí)時(shí)顯示的處理方式，通過解析信標(biāo)機(jī)的地理信息得到船只的實(shí)際位置，使用海事船體位置經(jīng)緯度信息轉(zhuǎn)化二維導(dǎo)航數(shù)據(jù)信息算法，實(shí)現(xiàn)地理位置到應(yīng)用程序窗體坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，從而達(dá)到了很好的航跡監(jiān)測效果。

1 海洋可控源甲板監(jiān)控系統(tǒng)

海洋可控源甲板監(jiān)控系統(tǒng)作為海洋CSEM勘探系統(tǒng)中的重要組成部分，主要由監(jiān)控系統(tǒng)與數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)組成。設(shè)計(jì)海洋可控源甲板監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)顯示接收系統(tǒng)、發(fā)射裝置的狀態(tài)參數(shù)以及采集站和海事船只的動(dòng)態(tài)。圖1是海洋可控源甲板監(jiān)控系統(tǒng)整體框圖，工作站通過串行通信成功將信標(biāo)機(jī)中信息讀取出來并進(jìn)一步進(jìn)行解析應(yīng)用，通過局域網(wǎng)與電磁發(fā)射機(jī)、接收機(jī)控制端進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。為了可以更為直觀地對(duì)海底地形情況、勘測設(shè)備工作狀態(tài)以及反饋的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測控制，將實(shí)時(shí)獲取的數(shù)據(jù)信息通過一維、二維和三維的方式來顯示。在通信數(shù)據(jù)量非常大的海洋可控源甲板監(jiān)控系統(tǒng)中，對(duì)不同類型的數(shù)據(jù)采取不同的顯示方式更便于技術(shù)人員進(jìn)行及時(shí)有效的監(jiān)測和航跡規(guī)劃跟蹤設(shè)計(jì)。

2 二維顯示設(shè)計(jì)

實(shí)時(shí)傳輸大量數(shù)據(jù)信息是海洋可控源甲板監(jiān)控系統(tǒng)的突出特點(diǎn)和設(shè)計(jì)難點(diǎn)，本文對(duì)于不同含義的數(shù)據(jù)信息采取不同方法顯示，供技術(shù)人員進(jìn)行監(jiān)測和處理。圖2為海洋可控源甲板監(jiān)控系統(tǒng)的顯示方式結(jié)構(gòu)圖。對(duì)于艙內(nèi)參數(shù)、發(fā)射機(jī)參數(shù)、絞車參數(shù)等簡單數(shù)據(jù)信息采用一維顯示方式，電流幅值、離地高度和船體航跡信息采用二維波形圖顯示，發(fā)射機(jī)姿態(tài)、拖體行進(jìn)軌跡和接收機(jī)投放采用三維顯示更為直觀。

圖1 海洋可控源甲板監(jiān)控系統(tǒng)框圖

圖2 海洋可控源甲板監(jiān)控系統(tǒng)顯示結(jié)構(gòu)框圖

2.1 Socket網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)的應(yīng)用

通過網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)信息時(shí)，必須要使用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議來確保數(shù)據(jù)之間的正確傳輸。本文采用目前被廣泛運(yùn)用的TCP/IP(傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議)協(xié)議來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信，它將工作站、發(fā)射端、接收端、變頻電源、絞車控制端和船艙監(jiān)控的終端連接在一起組成局域網(wǎng)，如圖3所示。其中TCP對(duì)應(yīng)傳輸層，它保證信息的可靠傳輸；IP提供網(wǎng)絡(luò)層服務(wù)，完成結(jié)點(diǎn)的編址、尋址和信息的分拆和打包。工作站運(yùn)行過程中有多個(gè)應(yīng)用程序同時(shí)進(jìn)行，為了很好地進(jìn)行區(qū)分，本文應(yīng)用套接字(Socket)的接口來實(shí)現(xiàn)功能劃分。

圖3 局域網(wǎng)

在海洋可控源甲板監(jiān)控系統(tǒng)中，建立在傳輸層協(xié)議的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Socket(套接字)作為網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)交換的排隊(duì)點(diǎn)，是TCP/IP網(wǎng)絡(luò)最為通用的API[8]。在網(wǎng)絡(luò)通信過程中發(fā)射機(jī)源源不斷地向工作站發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，需要使用Socket類為網(wǎng)絡(luò)通信提供一套豐富的方法和屬性，用來管理連接，實(shí)現(xiàn)Berkeley通信端套接字接口，同時(shí)它還定義了綁定、連接網(wǎng)絡(luò)端點(diǎn)及傳輸數(shù)據(jù)所需的各種方法，提供處理端點(diǎn)連接傳輸?shù)燃?xì)節(jié)所需要的功能。圖4為Socket的工作流程圖。

圖4 Socket工作流程圖

工作站與發(fā)射端通信時(shí)，每個(gè)終端均有一個(gè)IP地址，使用TCP/IP的不同程序有相應(yīng)的端口號(hào)(Port)，根據(jù)IP地址的差異來區(qū)分終端，進(jìn)而根據(jù)不同的端口號(hào)將數(shù)據(jù)信息傳輸至所需程序中。套接字的應(yīng)用示意圖如圖5所示所示。

圖5 套接字

使用Socket之前首先添加它的命名空間：

using System.Net.Sockets;

聲明Socket對(duì)象：

public Socket sockClient;//用于與工作站通信的套接字

實(shí)例化Socket對(duì)象，并進(jìn)行連接：

sockClient=new Socket(AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Stream, ProtocolType.Tcp);

IPAddress ipServ=IPAddress.Parse(txtIP.Text);

sockClient.Connect(ipServ, Int32.Parse(txtPort.Text));

判斷Socket是否連接，然后使用Send方法發(fā)送數(shù)據(jù)：

byte[] dataSend = Encoding.UTF8.GetBytes(strSend. ToCharArray());

sockClient.Send(dataSend, dataSend.Length, 0);

2.2 多線程編程技術(shù)的應(yīng)用

甲板監(jiān)控系統(tǒng)是實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，對(duì)數(shù)據(jù)信息的顯示具有很高的要求，通常要求服務(wù)器能夠同時(shí)處理多個(gè)任務(wù)。在工作站程序運(yùn)行時(shí)，由于需要實(shí)時(shí)接收數(shù)據(jù)，因此會(huì)長時(shí)間占用CPU，而C#消息機(jī)制是消息流水線響應(yīng)機(jī)制，如果在主線程上處理語句的時(shí)間過長會(huì)導(dǎo)致主UI線程阻塞,停止響應(yīng)或響應(yīng)不順暢[9]。為了避免主線程負(fù)荷過重導(dǎo)致程序癱瘓，引入多線程技術(shù)來滿足實(shí)時(shí)性要求。

多線程技術(shù)充分利用了CPU的空閑時(shí)間片,用盡可能少的時(shí)間來對(duì)用戶的要求做出響應(yīng),使得進(jìn)程的整體運(yùn)行效率得到較大提高,同時(shí)增強(qiáng)了應(yīng)用程序的靈活性[10]。在主線程運(yùn)行的同時(shí)，并發(fā)多個(gè)輔助線程，完成其他相應(yīng)處理，減輕主UI線程的任務(wù)量。由此，很好地實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)性和多個(gè)任務(wù)同時(shí)處理的難題，使得通信高效有序的進(jìn)行。

2.3 GDI+技術(shù)的應(yīng)用

在海洋可控源甲板監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)中，為便于研究人員監(jiān)測控制，對(duì)于電流值、拖體離地高度等信息以直觀的圖形圖像的方式進(jìn)行顯示。本文應(yīng)用.NET Framework中的理想實(shí)現(xiàn)形式圖形設(shè)備接口(Graphics Device Interface+，GDI+)技術(shù)進(jìn)行圖形編程，其提供的圖形設(shè)備接口，通過一套部署為委托代碼的類來展現(xiàn)，簡化了圖形程序設(shè)計(jì)任務(wù)[11-12],達(dá)到更為簡單明晰的監(jiān)測效果。

Graphics類是GDI+的核心，它提供將對(duì)象繪制到顯示設(shè)備的方法。本文中，二維波形圖運(yùn)用Graphics的DrawCurve方法來繪制，使用指定的張力繪制經(jīng)過一組指定的PointF結(jié)構(gòu)的基數(shù)樣條，從相對(duì)于數(shù)組開始位置的偏移量開始繪制，其操作流程圖如圖6所示，其語法格式如下：

public void DrawCurve

(Pen pen,//畫筆(確定曲線顏色、寬度和樣式等屬性)

PointF[] points,//結(jié)構(gòu)數(shù)組，定義樣條

int offset,//定義從PointF參數(shù)組中的第一個(gè)元素到曲線中起始點(diǎn)的偏移量

int numberOfSegments,//定義起始點(diǎn)之后包含在曲線中的段數(shù)

float tension)//定義大于或等于0.0F的值，該值指定曲線的張力。

3 三維顯示設(shè)計(jì)

在海洋可控源甲板監(jiān)控系統(tǒng)中對(duì)于發(fā)射機(jī)姿態(tài)、拖體行進(jìn)軌跡以及接收機(jī)投放的數(shù)據(jù)信息顯示本文運(yùn)用OpenGL(Open Graphin Library)技術(shù)，此技術(shù)為實(shí)現(xiàn)逼真的三維繪制效果和建立交互的三維場景提供了高效的底層API接口。OpenGL可以在不同的平臺(tái)(如：Windows、Linux、Unix、Mac OS等)間進(jìn)行移植，故使用OpenGL編寫的軟件具有很好的移植性。設(shè)計(jì)中運(yùn)用到的紋理映射技術(shù)是OpenGL的一個(gè)主要技術(shù)，在進(jìn)行模型轉(zhuǎn)換和投影轉(zhuǎn)換都能執(zhí)行操作，可用到所有的圖元-點(diǎn)、線、多邊形、位圖和圖像上。圖7、8為使用此技術(shù)設(shè)計(jì)的三維仿真圖。

圖6 GDI+操作流程圖

圖7 拖體行進(jìn)軌跡示意圖

圖8 接收機(jī)投放仿真示意圖

4 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換算法

海洋可控源甲板監(jiān)控系統(tǒng)中對(duì)于船體航跡監(jiān)測的設(shè)計(jì)，主要是對(duì)GPS信標(biāo)機(jī)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，將其中的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為二維坐標(biāo)值。

根據(jù)實(shí)際地理環(huán)境，地球是一個(gè)近乎標(biāo)準(zhǔn)的橢球體，假設(shè)地球是一個(gè)完美的球體，那么它的半徑就是地球的平均半徑，記為R，則R=6 371.004 km。如果以0°經(jīng)線為基準(zhǔn)，那么根據(jù)地球表面任意兩點(diǎn)的經(jīng)緯度就可以計(jì)算出這兩點(diǎn)間的地表距離(這里忽略地球表面地形對(duì)計(jì)算帶來的誤差，僅僅是理論上的估算值)。設(shè)第一點(diǎn)A的經(jīng)緯度為(LonA,LatA)，第二點(diǎn)B的經(jīng)緯度為(LonB,LatB)，按照0°經(jīng)線的基準(zhǔn)，東經(jīng)取經(jīng)度的正值(Longitude)，西經(jīng)取經(jīng)度負(fù)值(-Longitude)，北緯取90-緯度值(90-Latitude)，南緯取90+緯度值(90+Latitude)，則經(jīng)過上述處理過后的兩點(diǎn)被計(jì)為(MLonA,MLatA)和(MLonB,MLatB)。則可以得到計(jì)算兩點(diǎn)距離的如下公式：

D=R·arccosC

5 結(jié) 語

本文基于.NET Framework系統(tǒng)平臺(tái)利用Socket、多線程、GDI+和OpenGL等技術(shù)很好地解決了電流幅值、拖體離地高度的二維動(dòng)態(tài)波形圖和船體航跡圖的實(shí)時(shí)顯示等問題，使軟件的各項(xiàng)性能指標(biāo)均有所改善，提高了軟件的執(zhí)行效率和實(shí)時(shí)性。經(jīng)大量測試該海洋可控源甲板監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示模塊在現(xiàn)場運(yùn)行情況良好，未出現(xiàn)過中斷響應(yīng)超時(shí)或者數(shù)據(jù)延時(shí)等情況，并且經(jīng)過多次改變實(shí)驗(yàn)環(huán)境的測試，該軟件在Windows 7和Windows XP環(huán)境下的工作情況同樣良好，可移植性較好，證明了此方案的可行性和可實(shí)現(xiàn)性。

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Design and Realization of Deck Monitored Control System for Controlled-source Electromagnetic Method

CHENHou-jin，YUSheng-bao

(College of Instrumentation and Electrical Engineering, Jilin University, Changchun 130026, China)

In the deck monitored control system for controlled-source electromagnetic method， parameters of seafloor electromagnetic acquisition station and parameters of transmitter should be set via the host, it is a very important part for the real-time monitoring and showing to the working status of the transmitter by the returned transmitter armored cable data. In view of this, the paper introduces a deck monitored control system designed by controlled source electromagnetic method and latitude coordinate conversion algorithm. The key research is the dynamic testing of real-time interactive interface data in deck monitored control system by the application of Socket, multithreading, GDI+ and OpenGL technology and .NET Framework system platform. Based on the above method, the experimental and detectable results show that the deck monitored control system with controlled-source electromagnetic method are stable and the results are good to meet woth the use of modular programming designed, It can also be used for similar industrial applications.

.NET Framework；coordinate conversion; Socket；multithreading; Graphics Device Inter facet

2014-07-25

陳厚瑾(1989-)，女，滿族，吉林長春人，碩士生，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)技術(shù)、電磁法儀器。

于生寶(1963-)，男，吉林長春人，教授，博士生導(dǎo)師。

Tel.：13578940257； E-mail:1515456841@qq.com

TP 311.1

A

1006-7167(2015)05-0067-04