張東明 曹曉鐘 汪章維 王志誠

(1.浙江省大氣探測技術(shù)保障中心,浙江 杭州 310000;2.中國氣象局氣象探測中心,北京 100000)

0 引 言

目前我國遠海海域的氣象觀測主要是通過海洋氣象漂流浮標(biāo)、海洋船舶氣象觀測以及衛(wèi)星、雷達等觀測手段。海洋氣象漂流浮標(biāo)是一種隨表層海流漂移、可用于海洋水文要素觀測、海洋表面氣象要素觀測、并利用北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)定位及傳輸數(shù)據(jù)的海洋氣象觀測儀器。它具有觀測活動范圍大、適應(yīng)環(huán)境性強等鮮明特點。我國發(fā)展海洋探測的目標(biāo)是提高海洋災(zāi)害的預(yù)警能力、增強對我國遠海海域水文及氣象要素的監(jiān)測能力、加快海洋環(huán)境資源開發(fā)利用。

海洋氣象漂流浮標(biāo)運行監(jiān)控系統(tǒng)是浮標(biāo)研制開發(fā)的系統(tǒng)上位機軟件部分,主要是負責(zé)海洋氣象漂流浮標(biāo)出航前的系統(tǒng)配置、運行數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)解析及分析、浮標(biāo)運行實時位置及發(fā)送相關(guān)指令的工作。完備的海洋氣象漂流浮標(biāo)運行監(jiān)控系統(tǒng)是發(fā)展海洋環(huán)境監(jiān)測的關(guān)鍵。系統(tǒng)遵循可行性原則、完整性原則、科學(xué)性原則、穩(wěn)定性原則，避免系統(tǒng)死鎖。系統(tǒng)通過實現(xiàn)多樣化通信手段、特定氣象要素自定義化控件、特定數(shù)據(jù)庫設(shè)計、浮標(biāo)狀態(tài)3D顯示及浮標(biāo)地理信息定位顯示等實現(xiàn)系統(tǒng)的多樣化。

1 漂流浮標(biāo)平臺介紹

海洋氣象漂流浮標(biāo)水面結(jié)構(gòu)近似圓球狀,浮標(biāo)體采用多水密封隔艙式結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。對部件材料采取了相關(guān)防護措施,具備防鹽霧、防腐蝕等功能。由于觀測儀既要用拉格朗日法測流,又要獲取海表面氣壓、氣溫、風(fēng)的數(shù)據(jù),各傳感器擁有其最適合的安裝位置,氣象漂流浮標(biāo)應(yīng)該具有隨流的特性。浮標(biāo)的大部分傳感器均位于封閉球外面。球體頂部裝有多種常規(guī)觀測傳感器設(shè)備,用于測量常規(guī)濕度、溫度等觀測要素；球體內(nèi)部裝有通信模塊、采集器模塊、電池組、太陽能板等,是整個觀測儀的儀器艙和各個傳感器的安裝載體,同時為整個觀測儀提供浮力。球體底部裝有用于測量海溫、浪高等海洋觀測要素的傳感器。海洋氣象漂流浮標(biāo)結(jié)構(gòu)及實物圖如圖1所示。

圖1 海洋氣象漂流浮標(biāo)結(jié)構(gòu)及實物圖

海洋氣象漂流浮標(biāo)經(jīng)由北斗傳輸終端將采集信息發(fā)送給北斗衛(wèi)星,北斗通信衛(wèi)星再將該信息發(fā)送給北斗指揮機,海洋氣象岸基服務(wù)器同北斗指揮機進行通信,運行監(jiān)控系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行接收、顯示、入庫、查詢等功能操作,同時運行監(jiān)控系統(tǒng)通過通信子模塊向北斗發(fā)送控制參數(shù)。海洋氣象漂流浮標(biāo)運行監(jiān)控系統(tǒng)具有在出海前實驗聯(lián)調(diào)功能,海洋氣象漂流浮標(biāo)與其運行監(jiān)控系統(tǒng)之間進行通信的命令,以實現(xiàn)對設(shè)備各參數(shù)的傳遞及設(shè)置。通過中央處理器與傳感器間的通信命令,完成對傳感器參數(shù)的傳遞及配置，從傳感器獲取及設(shè)置各種參數(shù)。氣象漂流浮標(biāo)北斗通信系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 海洋氣象漂流浮標(biāo)北斗通信系統(tǒng)框圖

2 海洋氣象漂流浮標(biāo)運行監(jiān)控系統(tǒng)軟件架構(gòu)

海洋氣象漂流浮標(biāo)運行監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)的思想是分布式采集,集中式處理。海洋氣象漂流浮標(biāo)運行監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計要體現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定高效的指標(biāo)。系統(tǒng)應(yīng)具有動態(tài)實時顯示海洋氣象水文數(shù)據(jù)變化、智能存儲數(shù)據(jù)等一系列基礎(chǔ)功能。海洋氣象漂流浮標(biāo)運行監(jiān)控系統(tǒng)要對其浮標(biāo)系統(tǒng)狀態(tài)、電源管理狀態(tài)、傳感器工作狀態(tài)及數(shù)據(jù)質(zhì)量等做出綜合評估。海洋氣象漂流浮標(biāo)運行監(jiān)控系統(tǒng)實時監(jiān)測氣象漂流浮標(biāo)的運行狀態(tài)及數(shù)據(jù)存儲等工作,做好氣象漂流浮標(biāo)資料的匯總、管理和服務(wù)工作。海洋氣象漂流浮標(biāo)運行監(jiān)控系統(tǒng)不僅需要承擔(dān)運行監(jiān)控功能,還應(yīng)該具有設(shè)置浮標(biāo)部分傳感器狀態(tài)的功能。系統(tǒng)既可用于浮標(biāo)上位機觀測終端,又可用于實驗測試浮標(biāo)采集器。該系統(tǒng)包括以下幾大模塊：系統(tǒng)界面模塊、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控模塊、觀測數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊、浮標(biāo)運行狀態(tài)模塊、浮標(biāo)位置監(jiān)控界面、系統(tǒng)通信模塊及數(shù)據(jù)庫模塊等重要模塊。

海洋氣象漂流浮標(biāo)運行監(jiān)控系統(tǒng)通過各種通信手段,完成對浮標(biāo)數(shù)據(jù)的收集、處理、存儲、應(yīng)用、分析、顯示功能。觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)控與產(chǎn)品服務(wù)需要完成大量數(shù)據(jù)分析處理工作,海洋氣象漂流浮標(biāo)觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)控結(jié)構(gòu)更適合采用C/S架構(gòu)。海洋氣象漂流浮標(biāo)運行監(jiān)控系統(tǒng)包括自動監(jiān)測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、海洋浮標(biāo)自動監(jiān)測監(jiān)控與預(yù)警系統(tǒng)、設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)控、綜合分析評估等四大功能模塊。

(1)氣象漂流浮標(biāo)的數(shù)據(jù)信息管理功能，主要是對海洋氣象漂流浮標(biāo)觀測數(shù)據(jù)及浮標(biāo)系統(tǒng)相關(guān)信息進行入庫管理、相關(guān)查詢。將觀測的海洋氣象數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析,可以根據(jù)相關(guān)要求進行觀測數(shù)據(jù)及浮標(biāo)系統(tǒng)狀態(tài)查詢,并且具有刪除、更新等相關(guān)操作功能。為方便觀測人員進行數(shù)據(jù)查詢,系統(tǒng)設(shè)計了Excel導(dǎo)出SQL中氣象數(shù)據(jù)功能；同時考慮到有些服務(wù)器并未安裝數(shù)據(jù)庫軟件,所以運控系統(tǒng)可以用TXT文本存儲相關(guān)的數(shù)據(jù)。

(2)氣象漂流浮標(biāo)實時觀測及系統(tǒng)報警功能，主要是對觀測海域氣象水文觀測要素進行實時監(jiān)控,如有數(shù)據(jù)違背常規(guī),運行監(jiān)控系統(tǒng)將及時剔除無用數(shù)據(jù)。模塊功能包括漂流浮標(biāo)觀測數(shù)據(jù)的實時及歷史查詢、浮標(biāo)運行狀態(tài)監(jiān)控與自動預(yù)警、浮標(biāo)當(dāng)前位置及狀態(tài)查詢等功能。

(3)設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)控模塊,實時接收海洋氣象漂流觀測儀運行狀態(tài)信息和性能參數(shù),實現(xiàn)遠端實時監(jiān)控設(shè)備及主要單元運行狀態(tài)；提供關(guān)于浮標(biāo)故障及主要器件運行錯誤的報警,并生成故障記錄。

(4)海洋氣象漂流浮標(biāo)運行監(jiān)控系統(tǒng)綜合業(yè)務(wù)評定根本目標(biāo)是基于對儀器運行狀態(tài)、觀測要素的質(zhì)量等監(jiān)控信息開展數(shù)據(jù)分析,為決策部門、保障部門和設(shè)備生產(chǎn)廠家等提供設(shè)備可靠性、維修性、保障性結(jié)果,為設(shè)備定型和升級改造提供依據(jù),同時針對海洋氣象數(shù)據(jù)開展浮標(biāo)系統(tǒng)狀況評估。

從功能實現(xiàn)的角度來看,海洋氣象漂流浮標(biāo)運行監(jiān)控系統(tǒng)主要分3層。

第一層為數(shù)據(jù)通信層,通過多種通信方式提供系統(tǒng)需要的各種數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)的訪問功能。

第二層為數(shù)據(jù)處理層，包括數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)緩存以及數(shù)據(jù)更新。該模塊從服務(wù)器上獲取數(shù)據(jù),然后將這些數(shù)據(jù)拆分合并整理成各個模塊所需的格式。數(shù)據(jù)處理模塊緩存了配置信息,當(dāng)其他模塊需要這些信息時都是從該模塊的緩存中獲取,提高了系統(tǒng)的運行速度。

第三層為監(jiān)控顯示層,搭建運行監(jiān)控業(yè)務(wù)的顯示模塊,為整個業(yè)務(wù)系統(tǒng)應(yīng)用提供浮標(biāo)信息監(jiān)控的功能模塊。模塊封裝包括通用的GIS功能、數(shù)據(jù)監(jiān)測管理以及用ADO技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)操作等部分內(nèi)容。

3 海洋氣象漂流浮標(biāo)運行監(jiān)控系統(tǒng)通信及數(shù)據(jù)解析

3.1 通信機制

應(yīng)用北斗數(shù)據(jù)傳輸終端將海洋氣象漂流浮標(biāo)采集的海洋水文氣象要素信息,通過北斗衛(wèi)星短報文通信發(fā)送至海洋氣象漂流浮標(biāo)運控系統(tǒng)平臺。海洋氣象漂流浮標(biāo)項目應(yīng)用的北斗接收機采用高強度封閉式設(shè)計,更加適合在高腐蝕等環(huán)境下工作；通信方式采用可靠的接口,通過運行監(jiān)控系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)。通過以上總結(jié)的主要特點,此模塊可以很好地應(yīng)用于漂流浮標(biāo)項目設(shè)計中,并且通過北斗傳輸模塊，可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性及運行監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)接收的穩(wěn)定性。

3.2 北斗數(shù)據(jù)通信協(xié)議

北斗數(shù)據(jù)采用RS-232接口實現(xiàn)通信,通過將計算機與串口模塊相連,完成大量的數(shù)據(jù)通信。北斗衛(wèi)星傳輸數(shù)據(jù)格式定義如圖3所示,數(shù)據(jù)總長度共計64字節(jié)、 512位。

圖3 北斗衛(wèi)星傳輸數(shù)據(jù)格式定義

3.3 數(shù)據(jù)解析方法

海洋氣象漂流浮標(biāo)運行監(jiān)控系統(tǒng)通信模塊首先判斷接收的數(shù)據(jù)格式是否滿足BG開始ED結(jié)尾的要求;接著將原始數(shù)據(jù)文件拆分成有意義的數(shù)據(jù)項,并對數(shù)據(jù)文件格式進行校驗,同時檢查源數(shù)據(jù)之間及源數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)之間的邏輯關(guān)系,將滿足要求的數(shù)據(jù)用于運行監(jiān)控系統(tǒng)處理，正式入庫。將錯誤的數(shù)據(jù)保留并進行跟蹤處理,生成錯誤記錄信息。數(shù)據(jù)解析流程圖如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)解析流程圖

4 海洋氣象漂流浮標(biāo)運行監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)

海洋氣象漂流浮標(biāo)終端控制命令集的制定參考了《地面氣象數(shù)據(jù)對象字典》中《地面氣象數(shù)據(jù)對象字典終端控制命令》的內(nèi)容,結(jié)合海洋氣象漂流浮標(biāo)的具體特點,制定了終端控制命令集。

模塊測試實驗通過浮標(biāo)采集器與海洋氣象漂流浮標(biāo)運控系統(tǒng)做聯(lián)合調(diào)試,通過浮標(biāo)運控系統(tǒng)向浮標(biāo)采集器發(fā)送相應(yīng)的指令,通過浮標(biāo)運控系統(tǒng)接收到的數(shù)據(jù)判斷采集器是否正常工作以及各傳感器是否異常。運控系統(tǒng)操作指令用來控制兩個終端間的通信。

(1)通信配置模塊。通信配置模塊完成與數(shù)據(jù)傳輸有關(guān)的處理、串口通信配置、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置等。在存儲路徑下實時接收保存數(shù)據(jù)，統(tǒng)計發(fā)送及接收字節(jié)數(shù),自定義采樣間隔時間等配置,負責(zé)向浮標(biāo)發(fā)出控制指令。計數(shù)器可以統(tǒng)計一定時間段的接收及發(fā)送字節(jié),雙擊收發(fā)數(shù)據(jù)窗口可以清空顯示區(qū)域,可以通過設(shè)定的自動發(fā)送時間周期，定期地發(fā)出控制指令。系統(tǒng)實現(xiàn)了Socket網(wǎng)絡(luò)通信的功能。

(2)觀測數(shù)據(jù)模塊。海洋氣象觀測數(shù)據(jù)模塊提供對區(qū)域海洋環(huán)境氣象的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)。觀測數(shù)據(jù)分為海洋氣象要素及海洋水文要素,其中要素變化分為惰性要素及非惰性要素,系統(tǒng)采用多種方式顯示數(shù)據(jù)的變化。將不同的海洋氣象水文要素以最適合的方式進行數(shù)據(jù)顯示。

(3)位置顯示模塊。當(dāng)海洋氣象漂流浮標(biāo)運行監(jiān)控系統(tǒng)接收到GPS地理位置數(shù)據(jù)時,浮標(biāo)地理位置監(jiān)控將顯示當(dāng)前浮標(biāo)所處的位置。

(4)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控模塊。海洋氣象漂流浮標(biāo)各傳感器狀態(tài)構(gòu)成運控系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控模塊。觀測人員可通過歷史查詢查看指定時間內(nèi)浮標(biāo)的運行狀態(tài)信息。當(dāng)系統(tǒng)狀態(tài)出現(xiàn)問題時,系統(tǒng)將報警信息發(fā)送給監(jiān)控人員進行反饋。

(5)姿態(tài)檢測展示模塊。漂流浮標(biāo)主機系統(tǒng)配置GPS定位系統(tǒng)和電子羅盤，可以監(jiān)測漂流浮標(biāo)的位置坐標(biāo)和工作姿態(tài)等。海洋氣象漂流浮標(biāo)在海面上可能出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)、上下顛簸、前后搖晃、隨風(fēng)漂流等,我們可以由這些數(shù)據(jù)評測海浪的大小及洋流的情況等。系統(tǒng)直觀地記錄漂流浮標(biāo)是否在正常的姿態(tài)范圍內(nèi)工作,判斷浮標(biāo)數(shù)據(jù)是否具有應(yīng)用價值。

(6)數(shù)據(jù)管理模塊。數(shù)據(jù)顯示區(qū)域用于顯示數(shù)據(jù)查詢記錄。通過數(shù)據(jù)查詢功能,可以輕松地獲取數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù),并進行導(dǎo)出,及時將缺測數(shù)據(jù)進行插入操作。

5 結(jié) 語

本文對海洋氣象漂流浮標(biāo)的整體項目、運行監(jiān)控系統(tǒng)軟件架構(gòu)做了簡要介紹,對應(yīng)用北斗通信部分做了詳細的論述。海洋氣象漂流浮標(biāo)運行監(jiān)控系統(tǒng)采用了功能模塊化設(shè)計思想，系統(tǒng)數(shù)據(jù)的存儲，應(yīng)用相對成熟的SQL Server進行設(shè)計開發(fā)。研究了海洋氣象漂流浮標(biāo)運行監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計的工作邏輯,以減少該系統(tǒng)各模塊的耦合度。