史文華杜 朝

(1.南京理工大學 自動化學院，南京 210094; 2.北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

0 引言

我國是海洋大國，有三百多萬平方公里的專屬經(jīng)濟區(qū)和一萬八千多公里的海岸線，海洋環(huán)境監(jiān)測已經(jīng)列入國家中長期科技發(fā)展綱要[1]。海洋監(jiān)測技術作為海洋科學和技術的重要組成部分，在維護海洋權益、開發(fā)海洋資源、預警海洋災害、保護海洋環(huán)境、加強國防建設、謀求新的發(fā)展空間等方面起著十分重要的作用[2]。

目前，海洋監(jiān)測活動門檻較高，通常由大專院校、科研院所、軍事單位、國家單位等組織進行。海洋監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集、傳輸、存儲、處理、應用等工作由隸屬于特定單位的專業(yè)團隊進行。各單位之間，各團隊之間，因為缺乏必要的共享機制，導致在數(shù)據(jù)獲取層面，缺乏兼具通用性和高水平的海洋監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集設備；在數(shù)據(jù)傳輸層面，缺乏全球覆蓋且24小時不間斷的高速通信解決方案；在數(shù)據(jù)存儲與處理層面，缺乏具有較強通用性的解決方案；在數(shù)據(jù)應用層面，缺乏能覆蓋不同級別用戶、不同級別海洋監(jiān)測數(shù)據(jù)需求，被人們廣泛認可的海洋監(jiān)測數(shù)據(jù)應用平臺。

本文以智能控制的無人船為傳感器平臺；基于新一代衛(wèi)星通信技術構建全球測控網(wǎng)絡；基于大數(shù)據(jù)技術實現(xiàn)海洋監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲、處理、分析等工作的自動化；基于互聯(lián)網(wǎng)技術的最新成果，建立海洋監(jiān)測數(shù)據(jù)的服務框架；提出了一套全新的海洋監(jiān)測及數(shù)據(jù)應用的解決方案。

1 系統(tǒng)架構

總體看來，海洋監(jiān)測數(shù)據(jù)從產(chǎn)生到應用，需要在圖1所示的諸多層級中進行傳遞與加工，才能最終達到服務于海洋研究、海洋開發(fā)、海洋利用的目的。

圖1 海洋監(jiān)測層級

采集層：由各種各樣的傳感器節(jié)點組成，對溫度、濕度、風速、鹽度、重金屬鹽濃度等多種參數(shù)進行采集和測量，采集頻率和方式，由特定監(jiān)測參數(shù)的特性決定。

匯聚層：對局部區(qū)域的海洋監(jiān)測數(shù)據(jù)進行匯集、過濾、篩選、打包、預處理等操作，通過傳輸層完成海洋監(jiān)測數(shù)據(jù)的回傳。

傳輸層：通過衛(wèi)星、微波中繼、無線電船臺、陸地移動通信網(wǎng)、存儲延時轉發(fā)等多種方式，完成海洋監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳送。

處理層：對回傳的海洋監(jiān)測數(shù)據(jù)進行存儲、解析、分析、融合、挖掘等相應操作，將原始數(shù)據(jù)處理成可進行科研、商業(yè)應用的數(shù)據(jù)。

應用層：適用于所有需要海洋監(jiān)測數(shù)據(jù)服務的個人、組織、科研機構、政府團體、軍事單位的系統(tǒng)平臺?？赏ㄟ^API接口、C/S程序、B/S程序、移動端程序等多種方式提供服務。

智能傳感器、無人控制、大數(shù)據(jù)處理、人工智能等為代表的新一代信息技術的蓬勃發(fā)展，為海洋監(jiān)測活動感知層、傳輸層、數(shù)據(jù)層、應用層的技術革新打下了堅實的基礎。

2 無人船平臺

無人船(USV)是一種新型的搭載平臺，可搭載多種海洋監(jiān)測傳感器，能夠以遙控或自主運行的方式完成連續(xù)性海洋參數(shù)測量。隨著定位、導航、控制等相關技術的快速發(fā)展，越來越多的無人海洋自動平臺應用于海洋監(jiān)測領域，工作于海氣界面的無人船逐漸成為海洋監(jiān)測平臺研究和應用的一個熱點。

無人船的工作區(qū)域可覆蓋封閉式管道、內陸湖泊、內陸河流、近海、遠海、遠海等多種場景[3]。本文以海洋監(jiān)測為主要研究對象，因此著重研究工作于海洋環(huán)境下的無人船。

按照工作場景劃分，可選的海洋無人船由港口環(huán)境無人船、近海(船)無人船、遠海無人船(可補給)、遠海無人船(不可補給)等類型組成[4]。

港口環(huán)境無人船主要工作于港口、碼頭、跨海大橋、近岸島嶼等場景，基本特點如下：體型較小，長度普遍在1米至5米范圍；以電池作為能源供給，工作時間較短、工作半徑較小；支持人工遙控和自主運行兩種工作模式，采用案基通信系統(tǒng)進行雙向通信；多工作于封閉、可控的海域，作為輔助性工具平臺，不需要適應惡劣的海況。

近海(船)無人船主要工作于離岸(船)100公里以內的范圍，基本特點如下：體型較大，長度普遍在7.5～15米之間；采用電池或燃油作為能源供給，工作時間較長、工作半徑較大；支持人工遙控和自主運行兩種工作模式，采用案基通信手段與控制中心(船)進行雙向通信；多工作于開放、具有不確定性的海域，作為輔助性工具平臺，需要適應較惡劣的海況。

遠海無人船(可補給)工作于遠離海岸的區(qū)域，可通過補給船、補給站等方式進行燃料補給，其基本特點如下：體型較大，長度在5～100米之間；采用化學燃料作為能源供給，工作時間較長、工作半徑較大；支持人工遙控和自主運行兩種工作模式，采用岸基、衛(wèi)星等多種通信方式進行雙向通信，在100公里以外海域，主要通過衛(wèi)星進行通信；多工作于開放、具有不確定性的海域，作為輔助性工具平臺，需要適應多數(shù)惡劣的海況，在無法保證補給的情況下，無法出海工作。

遠海無人船(不可補給)工作于遠離海岸的區(qū)域，無法進行能源補給，主要通過太陽能、風能、潮汐能等獲得動力，其基本特點如下：采用可再生能源，不需要專門的補給工作和補給設備；需要具備極強的生存能力，能夠在最惡劣的海況中正常航行；可通過衛(wèi)星與后方控制中心進行雙向通信，確保指令接收和數(shù)據(jù)回傳；理論上可工作于各種海域，受能源類型的制約，航行速度較慢。

圖2 無人船類型

作為一個傳感器平臺，無人船的可搭載空間由船上部分和船下部分組成，不同的位置，可以搭載不同的傳感器：

1)大氣監(jiān)測：風速、風向、光合作用、日照強度、氣溫、相對濕度、壓力、大氣pCO2濃度等。

2)物理監(jiān)測：波浪高度、波浪周期、磁場強度、深度。

3)海洋監(jiān)測：海水表面溫度、洋流、pH值、有色可溶性有機物、紅外散射、分解氧濃度、海水pCO2濃度、水溫、鹽度、哺乳動物聲音、魚群密度等。

4)復雜監(jiān)測設備：淺底層剖面儀、潮位儀、聲吶、三維激光等。

5)輔助：水面攝像頭、水下攝像頭、AIS終端。

基于無人船的關鍵技術，制造出適用的無人船，具備在復雜、危險的海域內具有穩(wěn)定的航行能力和應對突發(fā)狀況的能力，實現(xiàn)實時監(jiān)控自身的設備運行狀況、感知外界信息、做出正確的決策并嚴格執(zhí)行，而這些操作主要依靠與外界環(huán)境交互的傳感器系統(tǒng)、高級別的自主導航系統(tǒng)、精準的自動控制程序以及穩(wěn)定快速的網(wǎng)絡通訊技術等。最終從大氣監(jiān)測、海洋表面監(jiān)測、深海監(jiān)測等各空間獲取監(jiān)測指標數(shù)據(jù)。

3 衛(wèi)星測控終端

海洋監(jiān)測需要長時間、大范圍的連續(xù)進行，本文所述的解決方案，以各種不同類型的無人船作為傳感器平臺，根據(jù)實際監(jiān)測需要配備不同的儀器設備，通過無線鏈路進行雙向通信。對于港口、內海、島嶼周邊、大陸附近等區(qū)域，可以采用常規(guī)通信手段；對于更廣闊的開放水域，只能使用衛(wèi)星通信。

1)海事衛(wèi)星：可以提供低速率語音和數(shù)據(jù)服務，也提供高速率[5]。通信費用非常昂貴，如果應用于海洋監(jiān)測，不適于長時間、大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)膱鼍啊?/p>

2)銥星：真正的全球通系統(tǒng)。復雜的技術導致終端和服務價格極其昂貴，不適于長時間、大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)膱鼍啊?/p>

3)OrbComm：已廣泛應用在集裝箱監(jiān)控、重型工業(yè)設備監(jiān)控等多個領域，對于數(shù)據(jù)量較小的狀態(tài)量監(jiān)測，是一個不錯的選擇[6]。

4)北斗：通過北斗系統(tǒng)獨有的短報文功能，實現(xiàn)無人船在全球范圍內的雙向通信，其缺點是通信速率較低。

5)VSAT動中通：傳輸帶寬和傳輸速度越來越大，終端體積也變得越來越小，可為用戶提供穩(wěn)定的寬帶網(wǎng)絡服務。其主要缺點是終端硬件設備價格較高，終端設備尺寸及天線指向問題限制了應用場景，跨越區(qū)域時需要切換衛(wèi)星。

從減少通信成本、實現(xiàn)統(tǒng)一架構的角度出發(fā)，設計、研制了一種通用性的衛(wèi)星測控終端，其基本技術要求如表1所示。

表1 衛(wèi)星測控終端功能需求

衛(wèi)星測控終端采用模塊化設計方式，由ZYNQ平臺、3G/4G模塊、北斗導航模塊、GPS導航模塊、WiFi模塊、舒拉亞通信模塊、模擬采集模塊、總線接口、電源管理等電路組成。硬件設計如圖3所示，主要由ZYNQ、北斗導航芯片、GPS導航芯片、WiFi芯片、Thuraya芯片、3G/4G芯片、CAN總線電路、RS232接口電路、千兆以太網(wǎng)電路、模擬采集模塊、電源模塊、時鐘電路、復位電路等組成，其中ZYNQ作為中心控制器，控制其它各模塊的工作狀態(tài)及數(shù)據(jù)交互。

圖3 衛(wèi)星測控終端硬件組成

4 多船衛(wèi)星測控

如圖4所示，本文所述的海洋監(jiān)測系統(tǒng)，以搭載不同傳感器的無人船，作為信息獲取的平臺；可岸基通信的無人船，直接通過岸基測控網(wǎng)/站進行測控；需要衛(wèi)星通信的無人船，通過地面測控中心結合衛(wèi)星網(wǎng)絡的方式進行測控；地面測控中心從業(yè)務上可以劃分為兩部分：運行控制中心和客戶服務中心。

運行控制中心不負責通信衛(wèi)星星座的運營，其測控對象是安裝有衛(wèi)星測控終端的所有海上終端節(jié)點。終端數(shù)據(jù)的空間段傳輸，全部由衛(wèi)星通信服務商提供和保證，運行控制中心通過地面網(wǎng)絡從服務商處獲取終端數(shù)據(jù)，可根據(jù)實際需要選擇最符合成本控制策略和用戶需求的衛(wèi)星通信服務商。

圖4 海洋監(jiān)測系統(tǒng)組成

運行控制中心通過衛(wèi)星鏈路接收/發(fā)送數(shù)據(jù)包，從而與遠程海上終端進行單向、雙向通信，其主要的功能點如下：

1)入網(wǎng)受控設備的管理問題：每一個接受本系統(tǒng)平臺管理的遠程海洋終端，應該可以在“注冊”、“刪除”、“凍結”等狀態(tài)中切換，實現(xiàn)不同的管理。

2)衛(wèi)星通信服務提供商的支持問題：根據(jù)不同的需求，系統(tǒng)平臺可能需要與海事衛(wèi)星、國產(chǎn)通信衛(wèi)星、國際通信衛(wèi)星、OrbComm、銥星等多種衛(wèi)星通信系統(tǒng)集成，需要解決服務切換、數(shù)據(jù)發(fā)送與接收等問題。

3)系統(tǒng)防災冗余問題：本系統(tǒng)的測控與運營中心，需要24小時穩(wěn)定的不停機運行，主系統(tǒng)、分系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲等相關設備、軟件，需要考慮防災冗余設計；

4)數(shù)據(jù)存儲與備份：本系統(tǒng)平臺長期運行后，會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，需要解決相應的存儲、備份、查詢等問題。

5)可擴展的數(shù)據(jù)格式定義與解析：不同的用戶應用，對發(fā)送/接收數(shù)據(jù)的格式定義各不相同，運營中心應具備定義數(shù)據(jù)格式并自動解析的功能。

圖5 運行和控制中心軟件界面

運控平臺軟件要同運控中心服務器進行雙向數(shù)據(jù)通信，從服務器中獲取在運控平臺軟件中顯示的無人節(jié)點位置、工作情況、探測數(shù)據(jù)等運控信息，向服務器發(fā)送用戶的各種節(jié)點操控指令、數(shù)據(jù)查詢指令等。

運控平臺軟件將無人節(jié)點的各類工作狀態(tài)信息、探測的載荷數(shù)據(jù)、圖像數(shù)據(jù)等，借助GIS系統(tǒng)進行可視化直觀顯示，顯示界面要求具有常規(guī)的放大、縮小、瀏覽、定位，圖層顯示/隱藏，信息標志等功能。

任務規(guī)劃軟件運行在PC機上，通過網(wǎng)絡與其他軟件互聯(lián)，用于根據(jù)用戶“需求”對無人船的運行軌跡進行規(guī)劃，并將規(guī)劃后的數(shù)據(jù)發(fā)送給運控服務軟件?？筛鶕?jù)用戶“需求”和各無人船節(jié)點的狀態(tài)，通過一定的算法，規(guī)劃出每一條無人船未來一段時間的運行軌跡和載荷工作任務，從而滿足用戶對數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)采集頻率、數(shù)據(jù)采集區(qū)域的需求。

5 數(shù)據(jù)服務

海洋監(jiān)測的目的是連續(xù)獲取真實的海洋數(shù)據(jù)，處理、分析后應用于海洋科學研究、海洋監(jiān)測、海洋資源開發(fā)、海洋權益維護等海洋活動?，F(xiàn)階段，我國海洋數(shù)據(jù)的應用具有下列特點：

1)專業(yè)性強：不同的海洋監(jiān)測活動，立足于不同的業(yè)務需求，監(jiān)測數(shù)據(jù)由組織監(jiān)測活動專業(yè)的部門所有，開放性差，普通用戶難以獲取、利用相關的數(shù)據(jù)。

2)門檻高：除了溫度、濕度、風速、氣壓等簡單的物理量[7]，海洋數(shù)據(jù)的分析和處理需要較高的理論、技術水平，普通的用戶很難具備這樣的專業(yè)素養(yǎng)，這在某種角度降低海洋監(jiān)測數(shù)據(jù)的性價比。

3)渠道少：目前，獲取海洋監(jiān)測數(shù)據(jù)的主要方式是從相關網(wǎng)站下載數(shù)據(jù)，如美國的NOAA、中國的各大海洋局和相關研究所、歐美/日本的相關研究機構等[8、9]。

4)服務差：目前，海洋研究相關網(wǎng)站主要提供各種源數(shù)據(jù)的下載服務，用戶下載回來的結果都是原始數(shù)據(jù)，用戶必須自己進行處理，才能得到滿足特定需求的服務數(shù)據(jù)[10]。

海洋監(jiān)測數(shù)據(jù)的最終用戶，不同于科研人員以及專業(yè)的技術人員，往往不具備數(shù)據(jù)檢索、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析的能力，其直接需求通常不能通過傳感器直接獲取，而必須通過多種數(shù)據(jù)綜合分析得出，用戶需要的只是處理后的、能直接指導工作的最終結果。

海洋監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理、應用、服務流程如圖6所示。原始監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲于數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，具備基本的備份、冗余防災等功能；基于主流大數(shù)據(jù)框架，可實現(xiàn)對海量監(jiān)測數(shù)據(jù)的檢索、分析、挖掘等功能，生成第一級處理數(shù)據(jù)；根據(jù)用戶需求，可動態(tài)定義數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)處理方法，生成滿足用戶要求的第二級數(shù)據(jù)報告；通過人性化的前端交互工具，用戶可以通過PC機、手機、PAD等多種方式完成需求發(fā)布、數(shù)據(jù)訂閱、服務訂閱等工作；基于通用的API接口，用戶可以進行各種程序二次開發(fā)工作，直接調用各級監(jiān)測數(shù)據(jù)。

用戶服務軟件，提供給終端用戶使用，采用B/S架構開發(fā)，其表現(xiàn)形式是一個對外公布的網(wǎng)站。用戶可以通過PC機的瀏覽器瀏覽此網(wǎng)站。在用戶服務軟件上，用戶亦可以進行基本信息瀏覽、原始數(shù)據(jù)下載、數(shù)據(jù)需求申請、無人船狀態(tài)查詢、數(shù)據(jù)報告查詢、數(shù)據(jù)訂閱等操作。

圖7 海洋監(jiān)測數(shù)據(jù)應用

6 結束語

基于以上研究的最終目標是在全球海域布設無人船，形成全球海洋無人觀測網(wǎng)絡，每條船上根據(jù)需要配置不同的海洋觀測儀器，如水質傳感器、營養(yǎng)鹽傳感器、重金屬傳感器、有機物傳感器、氣象傳感器等，在運控系統(tǒng)的規(guī)劃調度下，借助實時衛(wèi)星通信技術，觀測網(wǎng)絡可以連續(xù)、實時獲取全球海洋觀測資料數(shù)據(jù)，運控系統(tǒng)收集全球海洋觀測數(shù)據(jù)，經(jīng)過多種數(shù)據(jù)融合、分析處理后形成多種海洋觀測應用數(shù)據(jù)。

目前，原理樣機已設計實現(xiàn)，并構建了一個自我閉環(huán)的小系統(tǒng)，驗證了海洋監(jiān)測感知層、匯聚層、傳輸層、應用層的所有關鍵節(jié)點，從原理上證明了采用無人船進行海洋監(jiān)測并提供數(shù)據(jù)服務的可能性，為后繼的研究工作打下了堅實的基礎。