海洋地质调查远程监控系统研发与应用

郑宝锋 丁鸿弼

摘 要： 海洋地质调查工作区域位置数据具有一定的安全保密性，需要建立内部管理的远程监控系统。海洋地质调查远程监控系统采用北斗卫星定位通信技术和无线网络技术，实现了对海洋地质调查船舶以及离船作业人员的实时定位和轨迹监控、作业人员之间的双向信息通信、紧急呼救与应急保障。充分利用北斗短报文通信功能，通过软硬件研发与集成、北斗数据传输仪的研制，实现船舶环境数据的采集、发送，以及正确接收和模拟动画展示，实时掌握船舶运行数据，提高海上地质调查作业管理和安全保障水平、突发事件应急处置能力，保障海洋地质调查工作者生命财产安全及海洋地质调查工作顺利进行。

关键词： 海洋地质调查； 安全管理； 北斗卫星； 远程监控； 实时定位； 船舶监控

中图分类号： TN927+.2?34； X935 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）17?0040?05

Abstract： It is necessary to establish a remote monitoring system of the internal management because the position data of marine geological survey work has a certain security confidentiality. The Beidou satellite positioning communication technology and wireless network technology are used in the remote monitoring system of marine geological survey to realize the real?time positioning and trajectory monitoring for the marine geological survey ships and operating staff away the ship， two?way information communication between operating staff， emergency call and emergency safeguard. By making full use of Beidou short message communication function， the software and hardware are developed and integrated， and the Beidou data transmission instrument is developed to realize the collection， sending and correct receiving of ship environmental data， and simulation of animation display， master the ship running data in real time， improve the working management， safety guarantee level and emergency disposal ability of marine geological survey， safeguard the life and property security of the marine geological survey workers， and maintain the successful operation of marine geological survey work.

Keywords： marine geological survey； safety management； Beidou satellite； remote monitoring； real?time positioning； ship monitoring

0 引 言

现代化船舶通常装备自动化导航仪、自动气象站及运动姿态传感器等仪器设备，以获得自身的姿态运动参数和气象资料。目前常用的参数类型包括航向、航速、位置、水深、风向、风速、温度、气压、流速、流向及船舶姿态等。由于这些仪器设备自身功能所限，采集的数据通常只能够在本地显示，岸上船舶管理人员无法实时获得这些数据，无法实现对船舶状态的动态监测，不利于安全管理。

为了实时掌握船舶的运行情况，需要把各种仪器设备采集的数据实时发送到控制中心的数据服务器，并通过船舶监控安全保障平台展现出来。考虑到海洋环境，通信系统采用卫星通信的方式比较适合。海事卫星价格较高，安全性也没有保证。我国自行设计运行的北斗一代卫星附带有短报文收发功能，不仅安全性好，运行费用也很低，非常适用于各类参数的发送与控制命令的接收[1?2]。

1 系统总体设计

1.1 系统架构

海洋地质调查远程监控系统为了保障系统数据的安全性，从物理上对互联网进行隔绝。系统只运行在单位的内部局域网络内，管理人员或用户需要在本机安装客户端软件才能对系统进行操作。设备的通信只通过北斗卫星网络，利用北斗卫星网络加密技术保障数据的传输安全[3]。系统运行结构图如图1所示。

1.2 远程监控系统功能设计

海洋地质调查远程监控系统由船舶监控安全保障平台、移动平台、数据库三大部分组成。

船舶监控安全保障平台主要实现船舶及人员监控、业务处理和数据管理维护，包括协议交互和用户认证平台。船舶监控主要用于监控目前处于活动状态的船只位置，以及查看船只的详情、报警记录、平安记录、区域报警、出入港記录、北斗短信记录等通信数据。系统数据库分为空间数据库和业务数据库，主要包括地理信息数据、实时监控数据、业务数据等[4?7]。

地理信息模块能够支持电子地形图、电子海图和其他格式地图数据，预先对各种格式地图数据进行融合以及发布，包括控制地图的缩放及地图上、下、左、右四个方向移动的分度盘；控制地图查看模式，支持地图、影像、海图和其他专有图层等的图层控制。

通信和调度功能支持与北斗终端进行短报文通信，并将数据入库统一管理，方便记录与查看；通过北斗卫星通道，向野外作业船只发送指挥调度信息，野外作业船只按照调度指令完成工作任务并返回目标船只的位置信息。

船只出港和入港监控系统提供绘制海岸区域的功能，当单位的船只出港和入港时，系统会自动做记录，并短信通知相关的管理人员。船只工作进度展现，系统提供船只测线线路规划功能，可以在线绘制测线或统一导入测线数据。当单位的船只到达工作地点，并完成工作后，地图上显示工作测线为绿色，未完成的测线是黄色，方便管理人员查看航行的进度。船只测线航行轨迹图如图2所示。

1.3 系统数据库设计

海洋地质调查远程监控系统按照系统应用需求、用户需求及各种业务信息建立数据库表，负责与数据库管理、存储、备份、同步、查询相关的事务。数据库使用微软的SQL Server 2005，主体表包括船舶表、用户表、设备表、船舶/用户设备关系表、位置信息表、实时监控表。数据库结构如图3所示。

数据存储模块主要负责各类型实时数据的入库处理。数据存储模块需要考虑数据接入的规律，应对短时间内可能突发的大量数据；数据备份在本项目中是非常关键的，需要同时采取实时增量备份、完整备份、多种存储方式的备份；数据查询服务模块接收台站应用软件提交的查询请求，从数据库中查询相应的数据，并将查询结果返回给请求方。

1.4 协议交互平台设计

基于北斗终端设备通信接口协议规范，通过软件技术研发协议交互平台。交互协议平台将北斗指挥机、北斗船载终端的定位通信数据接入系统，形成一个可以支持多种协议、可灵活扩展的协同平台。

交互协议是和北斗指挥机之间的通信基础，支持多设备终端的并发连接和访问，并解决数据安全、数据完整、终端兼容性以及服务器的负载能力等问题。

协议解析模块支持北斗指挥机和北斗船载、个人设备的通信数据协议，负责协议的解析、认证；数据交换模块功能是终端设备与服务器之间的数据传输以及调度指令；负载均衡模块处理海量数据上报，以及数据并发上报，平衡服务器的压力；数据验证和恢复模块处理传输中丢失或无效数据，保证数据的完整性；基础通信模块支持标准的TCP和UDP通信模式，完成内部网络数据交换；短信通信针对短信发送设备进行开发，完成报警、消息、通知等手机短信的发送。

2 海上船舶动态及环境参数传输系统研发

2.1 海上船舶动态及环境参数传输系统总体结构

海上船舶动态及环境参数集成传输系统研发包括两部分工作内容：

1） 研制多参数集成设备。多参数集成设备由PC机、多串口卡与集成软件组成，多串口卡通过PCI接口与PC机连接，同时通过串口连接各种船舶动态及环境参数监测仪器，接收监测数据。集成软件负责把接收的数据按照规定的格式组合为一条数据，再把数据通过串口发送到北斗传输设备。

2） 北斗传输仪。北斗传输仪接收到数据后，根据北斗短报文格式要求，把数据分包处理后，通过北斗传输仪发送到船舶监控安全保障系统的数据服务器，再把数据重新组合。这样如果扩展或替换监测参数，在硬件部分只需要增加串口卡的数量，在软件部分只需要改动数据中心接收软件的解析协议，就可以增加新的监测内容[8?11]。

船舶动态及环境参数北斗传输系统体系结构图如图4所示。

2.2 系统创新性及关键技术

2.2.1 传感器集成设备

目前使用的姿态传感器、导航仪、气象站等仪器设备一般均具有RS 232接口。采集的数据按照设定的波特率以文本方式发送出来，仪器性能要求不同，发送的频率也不一样。如果把这些数据直接发送到数据中心，会造成传输设备的复杂性大大提高，因此需要传感器集成设备，可以对这些不同格式、不同传输速率的数据进行预处理，把这些数据按照一定的格式整合为多条数据，将数据发送给北斗传输仪。

系统选择PC机作为多种参数集成设备的硬件平台。对PC机串口进行扩展，采用具有8个RS 232标准串口的多串口卡。PCI接口与PC机连接，卡上具有DSP信号处理器和512 KB的内存，当8个串口同时工作时，可达到230.4 Kb/s的速率，可以满足接收现有和未来扩展的仪器设备传输数据的要求。

传输硬件设备接收PC机数据采用透明传输，即将接收到的PC数据去掉起始符、识别符、标识符和数据长度字节后，再以北斗用户机4.0协议把数据透传给服务器。

2.2.2 北斗传输仪

北斗传输仪采用嵌入式体系结构，采用PIC24F?16KA102芯片作为嵌入式微处理器，接收传感器集成设备转发的数据包，按照北斗短报文要求进行打包，通过北斗终端发送到数据中心，如图5所示。由于北斗传输仪的主要工作是接收整合的数据包，按照北斗终端4.0协议格式重新打包后通过北斗终端发送到数据服务器，工作任务是顺序执行，类似于流水线模式，适合采用嵌入式设备进行工作，可以保持高效率与低故障率[12?16]。

北斗传输仪主要功能是把船舶自身运行状态与海况信息通过北斗短报文实时准确地发送到数据监控中心，以便于在北斗信号覆盖的范围内，船舶管理部门可以动态获取船舶运行状态与周围气象情况，有利于保障船舶運行与工作安全。北斗传输仪性能关键点一是能否保证仪器设备长期无故障运行，二是能否保证数据在传输过程中不会产生畸变。

2.3 船舶动态、环境参数解析及信息展示功能研发

船舶监控安全保障平台目前已部署服务器并运行稳定。在完成了北斗传输仪的研制以及拓展了协议解析平台的基础上，系统实现了船舶动态及环境参数传输设备的集成与应用，通过北斗短报文通信方式完成了船舶传感器数据的发送，以及系统正确接收和模拟动画展示，并对系统进行了全方位的测试。

船舶动态及环境数据传回船舶监控安全保障系统的数据服务器后，即可接入船舶监控安全保障平台软件，以表格数据形式实时显示；根据实时数据，系统可以以动画形式动态模拟船舶动态及海上环境场景。

2.4 船舶动态及环境参数

船舶动态及环境参数包括GPS、气象、姿态、测深仪4个传感器的动态数据，通过北斗短报文通信的方式发送至系统服务器。系统接收到传感器数据后，通过表格、曲线图和模拟动画三种方式进行展示，如图6所示。

3 软硬件整体集成测试

3.1 船舶动态及环境参数传输设备测试

通过接入北斗指挥机，对北斗一代指挥机端口协议进行了封装、调试与开发。将北斗指挥机监收到的终端定位数据和通信数据接入到平台，并保存入库；将短信猫接入系统，系统接收到北斗设备报警信息后自动给相关人员发送手机短信息；将北斗船载终端设备的定位通信数据接入平台，实现了对这些船只的监控，部署软件平台到服务器上，完成了集成调试系统与北斗指挥机、短信猫、北斗设备之间的连接。

海上船舶动态及环境参数传输设备通过RS 232标准串口与收集各种传感器数据的电脑连接，实时采集船载传感器数据，并通过北斗传输仪，以北斗短报文的方式将传感器数据发送至船舶监控安全保障系统。系统收到数据后，通过解析数据并以表格、曲线图、模拟动画等方式进行展示。船舶動态及环境参数采集、传输子系统示意图如图7所示。

3.2 船舶监控安全保障平台系统测试

船舶监控安全保障系统从数字化管理的角度出发，集成了北斗指挥机、短信猫、北斗终端等硬件设备。利用计算机技术、网络技术等先进手段，将文字信息、地理信息、图片信息、业务内容等统一建立在可随时随地进行访问的数据信息系统下，保证了软件平台与硬件设备的双向运行稳定。

在完成了系统软件功能的开发、硬件设备的集成后，项目组对系统进行了全方位的测试。经过多次测试结果可知系统运行稳定，功能满足地质调查安全生产需要。船舶监控图如图8所示。

4 结 论

海洋地质调查远程监控系统的研发与应用为海洋地质调查工作主体的远程监控与管理提供了现代化的信息技术平台。系统测试运行稳定，可以实现在海洋环境下对海洋地质调查船舶以及附属船（艇）只的实时定位、轨迹监控、双向通信、船舶动态及环境参数实时传输。通过海洋地质调查远程监控系统的推广应用，将提高海上地质调查作业管理和安全保障水平和突发事件应急救援能力，对保障海洋地质调查工作者生命财产安全和海洋地质调查工作顺利进行具有重大意义。

注：本文通讯作者为丁鸿弼。

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