任蔓延，胡知斌，仇文峰

（中交疏浚技術(shù)裝備國家工程研究中心有限公司，上海 201208）

0 引言

我國遠海由于復(fù)雜的海洋環(huán)境加之多變的氣候條件給遠海施工船舶的航行安全帶來了巨大的挑戰(zhàn)。確保船舶及人員的海上安全是航海人的職責，航海人應(yīng)充分了解和掌握海域氣象條件，在各種氣象條件下保證海上船舶及人員安全[1]。

遠海工程的實施，離不開對溫度、波浪、潮位、風速、風向、流速及流向等氣象要素的監(jiān)測。為了更好的促進遠海開發(fā)建設(shè)，保障遠海施工船舶的航行安全，需要獲取準確的氣象信息資料[2]。

目前，我國已初步形成了一定的海洋站監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，大部分為沿海海洋氣象觀測臺站，遠海海洋觀測站部署數(shù)量少、分布也不盡合理，監(jiān)測范圍有限，同時還存在著觀測點設(shè)置、觀測手段和方法不同，數(shù)據(jù)的間隔一般比較長，觀測頻率比較低，數(shù)據(jù)量較少，且大多的觀測站數(shù)據(jù)不能實時傳輸?shù)确矫娴膯栴}，難以滿足遠海工程的設(shè)計、施工要求[3-4]。因此，如何建立同時采集多種數(shù)據(jù)、實時傳輸發(fā)布的遠海海洋氣象系統(tǒng)，成為推進遠海工程實施的關(guān)鍵。

1 系統(tǒng)設(shè)計

3G/4G網(wǎng)絡(luò)不能夠有效的覆蓋遠海區(qū)域，船舶獲取氣象信息依賴于北斗衛(wèi)星系統(tǒng)[5]?；诒倍沸l(wèi)星的遠海船舶氣象播報系統(tǒng)[6]主要分為以下5個部分：船端氣象系統(tǒng)、岸端氣象系統(tǒng)、ArcGIS服務(wù)、Web服務(wù)以及數(shù)據(jù)誤差訂正模型。系統(tǒng)拓補結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 系統(tǒng)拓撲圖Fig.1 System topology diagram

船端系統(tǒng)采集氣象數(shù)據(jù)（溫度、濕度、風速、風向和氣壓）和位置數(shù)據(jù)，通過船端北斗單卡機發(fā)送至岸端北斗多卡機[7-8]，多卡機接收到氣象數(shù)據(jù)并存儲。氣象數(shù)值誤差訂正模型基于歐洲中期天氣預(yù)報中心要素和氣象儀數(shù)據(jù)，利用絕對誤差訂正方法對氣象預(yù)報數(shù)據(jù)進行誤差訂正。船端通過北斗單卡機定時向岸端請求氣象預(yù)報數(shù)據(jù)以及其它船舶氣象數(shù)據(jù)，岸端北斗多卡機接收到請求后會將氣象預(yù)報數(shù)據(jù)和其它船舶氣象數(shù)據(jù)通過多卡機發(fā)送至目標船。本系統(tǒng)選擇12個固定點進行氣象預(yù)報。

1.1 船端系統(tǒng)

船端系統(tǒng)，硬件部分主要由船載氣象儀，工控機，北斗單卡機組成；軟件使用C#開發(fā)的WPF應(yīng)用程序，使用ArcGISRunTime組件提供的API加載離線地圖（tpk格式）。主要功能為采集船載氣象儀的數(shù)據(jù)并實時上傳，向岸端請求氣象預(yù)報數(shù)據(jù)及其它船舶氣象數(shù)據(jù)。在界面顯示中，鼠標移至固定點，顯示當前天氣預(yù)報；鼠標移至船舶位置，顯示船舶氣象儀數(shù)據(jù)。點擊固定點，可以查看未來3 d的氣象預(yù)報數(shù)據(jù)；點擊船舶位置，顯示目標船氣象儀的歷史數(shù)據(jù)。

1.2 岸端系統(tǒng)

岸端系統(tǒng)，硬件部分包括，北斗多卡機，工控機及服務(wù)器；軟件開發(fā)所使用的技術(shù)與船端相同。主要功能有：接收船端發(fā)送的氣象數(shù)據(jù)，并進行存儲；將經(jīng)過數(shù)值模擬訂正后的氣象預(yù)報數(shù)據(jù)發(fā)送到目標船舶。在界面顯示中，鼠標移至固定點，顯示當前天氣預(yù)報；鼠標移至船舶，顯示該船氣象儀數(shù)據(jù)。點擊固定點，可以查看未來3 d的氣象預(yù)報數(shù)據(jù)；點擊船舶位置，顯示目標船氣象儀的歷史數(shù)據(jù)。

1.3 ArcGIS服務(wù)

將S-57格式的電子海圖轉(zhuǎn)換格式，并通過ArcGIS平臺發(fā)布地圖服務(wù)。對已發(fā)布的MapServer，通過 ArcMap，ArcGISExplorer，ArcGISJavaScript，Google Eearth，ArcGIS.com.Map及 Bing Maps的方式進行訪問查看。地圖支持18級任一比例縮放，電子海圖可以為船舶提供海圖數(shù)據(jù)，指導船舶的施工航行。

1.4 Web服務(wù)

Web服務(wù)基于B/S架構(gòu)，采用.NET+FLEX開發(fā)模式，并結(jié)合ArcGIS地圖插件，部署于IIS中運行。用戶在瀏覽器中訪問Web服務(wù)，可以查看各船舶的氣象數(shù)據(jù)、固定點的氣象預(yù)報及各船舶的歷史氣象數(shù)據(jù)。

1.5 數(shù)值誤差訂正模型

基于歐洲中期天氣預(yù)報中心高分辨率全球數(shù)值預(yù)報模式的多要素預(yù)報產(chǎn)品作為模型訂正的基礎(chǔ)預(yù)報，結(jié)合船端采集的氣象數(shù)據(jù)計算過去一段時間內(nèi)基礎(chǔ)數(shù)值預(yù)報對于船舶所處位置的溫度、風速、風向、氣壓和相對濕度5個要素的預(yù)報誤差。

開發(fā)的數(shù)值預(yù)報訂正模型于每日08時和20時分別基于基礎(chǔ)數(shù)值預(yù)報制作12個固定點未來72 h內(nèi)逐12 h的溫度、風向、風速、氣壓和相對濕度等要素的原始預(yù)報產(chǎn)品，并讀入此前已經(jīng)計算得到的過去11 h中基礎(chǔ)數(shù)值預(yù)報對于溫度、風速、氣壓和相對濕度的預(yù)報誤差，將不同要素的預(yù)報誤差與相應(yīng)的原始預(yù)報值相加，最終形成固定點訂正后的預(yù)報產(chǎn)品。數(shù)據(jù)訂正流程如圖2。

圖2 數(shù)據(jù)訂正流程圖Fig.2 Flow chart of data correction

2 系統(tǒng)應(yīng)用

選擇廈門海域作為本系統(tǒng)的應(yīng)用示范。2016年10月，廈門大小嶝島造地工程建設(shè)，選擇中交上海航道局在廈門海域施工船舶新海燕，新海豚，新海豚2號作為目標船，選取需要預(yù)報的12個固定點（見圖3，覆蓋整個廈門海域）。試驗時間為2016年10月—2016年12月。

圖3 12個固定點Fig.3 12 fixed points

在Web平臺中，查看船舶采集數(shù)據(jù)及天氣預(yù)報數(shù)據(jù)，圖4顯示新海豚實時數(shù)據(jù)，圖5顯示小嶝島當天早上08:00的預(yù)報數(shù)據(jù)。

圖4 新海豚采集的數(shù)據(jù)Fig.4 Xinhaitun data acquisition

圖5 小嶝島氣象預(yù)報Fig.5 Xiaodeng Island forecast

在Web平臺中，可以查看固定點未來3 d的氣象預(yù)報數(shù)據(jù)，船舶位置的歷史氣象數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)中心建設(shè)在本公司，提供外網(wǎng)訪問端口，用戶可以隨時通過廣域網(wǎng)訪問Web端發(fā)布的氣象服務(wù)，了解施工區(qū)域的天氣狀況。

3 實驗數(shù)據(jù)分析

系統(tǒng)發(fā)布的氣象數(shù)據(jù)與中國天氣網(wǎng)進行對比分析，對比數(shù)據(jù)見表1。

選擇廈門海域的土嶼與中國天氣網(wǎng)廈門地區(qū)的天氣預(yù)報做對比分析（土嶼離廈門島比較近，能夠代表廈門的天氣狀況）。從表1中13 d的觀測數(shù)據(jù)可以看出，雖然系統(tǒng)中對土嶼的氣象預(yù)報與中國天氣網(wǎng)對廈門的氣象預(yù)報有些偏差，但是兩者的預(yù)報都能夠反映當?shù)貧庀鬆顩r，此偏差在接受的范圍之內(nèi)，可以認為是準確反映廈門地區(qū)的氣象狀況。

表1 本系統(tǒng)與中國天氣網(wǎng)天氣預(yù)報比對Table 1 Comparison between the system with China Weather Network

4 結(jié)語

通過以上分析，基于北斗的遠海氣象播報系統(tǒng)能夠準確地反映廈門海域的氣象狀況。通過氣象數(shù)值模型誤差訂正，使用北斗作為通信鏈路，能夠成功地反映預(yù)報區(qū)域的天氣情況，為遠海預(yù)報提供了新的預(yù)報方法。此方法能夠為遠海施工，船舶航行提供準確的氣象預(yù)報，為船舶航行施工提供安全保障。

[1] 彭偉，徐俊臣，杜玉杰，等.基于北斗系統(tǒng)的海洋環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計[J].海洋技術(shù)，2009，28（3）：13-15.PENG Wei，XU Jun-chen,DU Yu-jie,et al.Design of marine monitoringdatatransmittingsystembased on Beidou Satellites System[J].Ocean technology,2009,28（3）:13-15.

[2] 陳宏，彭國均.航標遙測遙控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].船海工程，2007，36（2）：126-128.CHEN Hong,PENGGuo-jun.Design and realization of the remote metering and control system for the navigational aids[J].Ship&Ocean Engineering,2007,36(2):126-128.

[3] 李子富，彭國均，黃鵬飛.航標遙測遙控系統(tǒng)的優(yōu)化[J].集美大學學報：自然科學版，2010，15（5）：358-363.LI Zi-fu,PENG Guo-jun,HUANG Peng-fei.Optimization of the remote metering and control systemfor n avigation aids[J].Journal of Jimei University:Natural Science,2010,15(5):358-363.

[4] 甘露，魏武，張錦波.基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的航標遙控遙測節(jié)能研究[J].微計算機信息，2007，23（10-1）：105-107.GAN Lu,WEIWu,ZHANGJin-bo.Research of energy saving on remote monitoring pharos based on wireless sensor networks[J].Microcomputer Information,2007，23(10-1)：105-107.

[5] 劉宇宏，陳龍，王亞鳴.基于北斗的連續(xù)運行衛(wèi)星定位綜合服務(wù)平臺設(shè)計及其應(yīng)用[J].上海航天，2014，31（1）：37-43.LIUYu-hong,CHENLong,WANGYa-ming.ABeidoucontinuously operatingreferencesystem design and its application[J].Aerospace Shanghai,2014,31(1):37-43.

[6]唐金元.北斗衛(wèi)星導航區(qū)域系統(tǒng)發(fā)展應(yīng)用綜述[J].全球定位系統(tǒng)，2013，38（5）：47-52.TANGJin-yuan.Developingand applyinganalysisof BeiDou navigation satellites regional system[J].GNSS World of China,2013,38(5):47-52.

[7] 繆袁泉，丁琪，胡知斌.基于北斗短報文功能的疏浚船舶數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計[J].中國港灣建設(shè)，2014（10）：53-56.MIAOYuan-quan,DINGQi,HUZhi-bin.Design of dredgingdata transmission systembased on Beidou Satellite SMS[J].China Harbour Engineering,2014(10):53-56.

[8]田俊峰，崔銀秋.北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)在遠海島礁建設(shè)中的應(yīng)用探討[J].中國港灣建設(shè)，2014（7）：1-3.TIAN Jun-feng,CUI Yin-qiu.Application of BeiDou navigation satellite system in open-sea reef construction[J].China Harbour Engineering,2014(7):1-3.