海洋可控源甲板监控系统显示设计与实现

陈厚瑾， 于生宝

(吉林大学 仪器科学与电气工程学院，吉林 长春 130026)



海洋可控源甲板监控系统显示设计与实现

陈厚瑾， 于生宝

(吉林大学 仪器科学与电气工程学院，吉林 长春 130026)

在海洋可控源甲板监控系统中，需要通过工作站来设置位于海底的电磁采集站和发射机的初始参数，工作站通过接收铠装电缆传回的相关数据信息，对发射机工作状态进行实时的显示和监控。鉴于此，介绍了海洋可控源甲板监控系统和经纬度坐标转换算法，研究了在.NET Framework系统平台下应用Socket、多线程、GDI+和OpenGL等相关技术对海洋可控源甲板监控系统中的实时数据信息进行动态的监测。基于以上方法的综合运用，利用模块化的编程设计方法，经过大量的测试实验和检测证明，海洋可控源甲板监控系统的运行情况稳定、显示和监测的效果良好，也可用于类似的工业场合。

NET Framework； 坐标转换； Socket;多线程； 图形设备接口

0 引 言

随着陆地资源的日渐贫乏与短缺，对海洋资源的研究与利用逐渐加大，海底资源勘探显得至关重要。在现代地球物理探测中，已发展了多种电磁探测技术，如海洋可控源电磁法(Marine Controlled-Source Electromagnetic Methods, MCSEM)利用海底岩石介质的电磁感应信息，采用人工发射的低频电磁场测量海底结构[1-3]，作为一种海洋油气探测新技术打破了海洋非地震勘探的沉闷，被称为“自3D反射地震出现至今几十年来最为重要的地球物理勘探技术”,对海底油气具有较强的探测能力[4-5]。电磁法经过几十年的研究和开发，随着数字仪器技术、数据处理技术和资料解释方法的改进而日趋成熟、可靠[6]。国外已经有少数研究机构进行了小范围的探测实例，并取得了初步阶段的成果，我国在这一领域当中尚处在理论研究与实践探索阶段[7]。海洋可控源甲板监控系统是海洋电磁探测系统的关键技术，通过实时显示由铠装电缆传回的数据对发射机工作状态进行实时监控，并记录发射机姿态、电流等工作状态参数。

Microsoft.NET Framework系统平台是Windows的新型编程模型，一个全新的技术平台。它具有功能强大并与新技术相结合的突出特点，用来构建人性化的用户体验应用程序，实现了跨技术边界的无缝通信，并且能支持各种业务流程。本文基于.NET平台下的Socket、多线程、GDI+和OpenGL技术利用C#语言将它们进行组合应用，对海洋可控源甲板监控系统中的重要数据信息采用实时显示的处理方式，通过解析信标机的地理信息得到船只的实际位置，使用海事船体位置经纬度信息转化二维导航数据信息算法，实现地理位置到应用程序窗体坐标的转换，从而达到了很好的航迹监测效果。

1 海洋可控源甲板监控系统

海洋可控源甲板监控系统作为海洋CSEM勘探系统中的重要组成部分，主要由监控系统与数据服务系统组成。设计海洋可控源甲板监控系统能够实时显示接收系统、发射装置的状态参数以及采集站和海事船只的动态。图1是海洋可控源甲板监控系统整体框图，工作站通过串行通信成功将信标机中信息读取出来并进一步进行解析应用，通过局域网与电磁发射机、接收机控制端进行实时通信。为了可以更为直观地对海底地形情况、勘测设备工作状态以及反馈的数据进行监测控制，将实时获取的数据信息通过一维、二维和三维的方式来显示。在通信数据量非常大的海洋可控源甲板监控系统中，对不同类型的数据采取不同的显示方式更便于技术人员进行及时有效的监测和航迹规划跟踪设计。

2 二维显示设计

实时传输大量数据信息是海洋可控源甲板监控系统的突出特点和设计难点，本文对于不同含义的数据信息采取不同方法显示，供技术人员进行监测和处理。图2为海洋可控源甲板监控系统的显示方式结构图。对于舱内参数、发射机参数、绞车参数等简单数据信息采用一维显示方式，电流幅值、离地高度和船体航迹信息采用二维波形图显示，发射机姿态、拖体行进轨迹和接收机投放采用三维显示更为直观。

图1 海洋可控源甲板监控系统框图

图2 海洋可控源甲板监控系统显示结构框图

2.1 Socket网络编程技术的应用

通过网络传输数据信息时，必须要使用网络协议来确保数据之间的正确传输。本文采用目前被广泛运用的TCP/IP(传输控制协议/网际协议)协议来实现实时通信，它将工作站、发射端、接收端、变频电源、绞车控制端和船舱监控的终端连接在一起组成局域网，如图3所示。其中TCP对应传输层，它保证信息的可靠传输；IP提供网络层服务，完成结点的编址、寻址和信息的分拆和打包。工作站运行过程中有多个应用程序同时进行，为了很好地进行区分，本文应用套接字(Socket)的接口来实现功能划分。

图3 局域网

在海洋可控源甲板监控系统中，建立在传输层协议的数据结构Socket(套接字)作为网络中数据交换的排队点，是TCP/IP网络最为通用的API[8]。在网络通信过程中发射机源源不断地向工作站发送数据时，需要使用Socket类为网络通信提供一套丰富的方法和属性，用来管理连接，实现Berkeley通信端套接字接口，同时它还定义了绑定、连接网络端点及传输数据所需的各种方法，提供处理端点连接传输等细节所需要的功能。图4为Socket的工作流程图。

图4 Socket工作流程图

工作站与发射端通信时，每个终端均有一个IP地址，使用TCP/IP的不同程序有相应的端口号(Port)，根据IP地址的差异来区分终端，进而根据不同的端口号将数据信息传输至所需程序中。套接字的应用示意图如图5所示所示。

图5 套接字

使用Socket之前首先添加它的命名空间：

using System.Net.Sockets;

声明Socket对象：

public Socket sockClient;//用于与工作站通信的套接字

实例化Socket对象，并进行连接：

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

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

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

判断Socket是否连接，然后使用Send方法发送数据：

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

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

2.2 多线程编程技术的应用

甲板监控系统是实时监测系统，对数据信息的显示具有很高的要求，通常要求服务器能够同时处理多个任务。在工作站程序运行时，由于需要实时接收数据，因此会长时间占用CPU，而C#消息机制是消息流水线响应机制，如果在主线程上处理语句的时间过长会导致主UI线程阻塞,停止响应或响应不顺畅[9]。为了避免主线程负荷过重导致程序瘫痪，引入多线程技术来满足实时性要求。

多线程技术充分利用了CPU的空闲时间片,用尽可能少的时间来对用户的要求做出响应,使得进程的整体运行效率得到较大提高,同时增强了应用程序的灵活性[10]。在主线程运行的同时，并发多个辅助线程，完成其他相应处理，减轻主UI线程的任务量。由此，很好地实现了实时性和多个任务同时处理的难题，使得通信高效有序的进行。

2.3 GDI+技术的应用

在海洋可控源甲板监控系统的研发中，为便于研究人员监测控制，对于电流值、拖体离地高度等信息以直观的图形图像的方式进行显示。本文应用.NET Framework中的理想实现形式图形设备接口(Graphics Device Interface+，GDI+)技术进行图形编程，其提供的图形设备接口，通过一套部署为委托代码的类来展现，简化了图形程序设计任务[11-12],达到更为简单明晰的监测效果。

Graphics类是GDI+的核心，它提供将对象绘制到显示设备的方法。本文中，二维波形图运用Graphics的DrawCurve方法来绘制，使用指定的张力绘制经过一组指定的PointF结构的基数样条，从相对于数组开始位置的偏移量开始绘制，其操作流程图如图6所示，其语法格式如下：

public void DrawCurve

(Pen pen,//画笔(确定曲线颜色、宽度和样式等属性)

PointF[] points,//结构数组，定义样条

int offset,//定义从PointF参数组中的第一个元素到曲线中起始点的偏移量

int numberOfSegments,//定义起始点之后包含在曲线中的段数

float tension)//定义大于或等于0.0F的值，该值指定曲线的张力。

3 三维显示设计

在海洋可控源甲板监控系统中对于发射机姿态、拖体行进轨迹以及接收机投放的数据信息显示本文运用OpenGL(Open Graphin Library)技术，此技术为实现逼真的三维绘制效果和建立交互的三维场景提供了高效的底层API接口。OpenGL可以在不同的平台(如：Windows、Linux、Unix、Mac OS等)间进行移植，故使用OpenGL编写的软件具有很好的移植性。设计中运用到的纹理映射技术是OpenGL的一个主要技术，在进行模型转换和投影转换都能执行操作，可用到所有的图元-点、线、多边形、位图和图像上。图7、8为使用此技术设计的三维仿真图。

图6 GDI+操作流程图

图7 拖体行进轨迹示意图

图8 接收机投放仿真示意图

4 坐标转换算法

海洋可控源甲板监控系统中对于船体航迹监测的设计，主要是对GPS信标机中的数据进行解析，将其中的经纬度数据转换为二维坐标值。

根据实际地理环境，地球是一个近乎标准的椭球体，假设地球是一个完美的球体，那么它的半径就是地球的平均半径，记为R，则R=6 371.004 km。如果以0°经线为基准，那么根据地球表面任意两点的经纬度就可以计算出这两点间的地表距离(这里忽略地球表面地形对计算带来的误差，仅仅是理论上的估算值)。设第一点A的经纬度为(LonA,LatA)，第二点B的经纬度为(LonB,LatB)，按照0°经线的基准，东经取经度的正值(Longitude)，西经取经度负值(-Longitude)，北纬取90-纬度值(90-Latitude)，南纬取90+纬度值(90+Latitude)，则经过上述处理过后的两点被计为(MLonA,MLatA)和(MLonB,MLatB)。则可以得到计算两点距离的如下公式：

D=R·arccosC

5 结 语

本文基于.NET Framework系统平台利用Socket、多线程、GDI+和OpenGL等技术很好地解决了电流幅值、拖体离地高度的二维动态波形图和船体航迹图的实时显示等问题，使软件的各项性能指标均有所改善，提高了软件的执行效率和实时性。经大量测试该海洋可控源甲板监控系统实时显示模块在现场运行情况良好，未出现过中断响应超时或者数据延时等情况，并且经过多次改变实验环境的测试，该软件在Windows 7和Windows XP环境下的工作情况同样良好，可移植性较好，证明了此方案的可行性和可实现性。

[1] 李 慧，林 君，周逢道，等.海洋可控源电磁探测技术海底工程勘探应用研究[J].上海交通大学学报，2013，46(7)：1153-1158.

[2] 盛 堰，邓 明，巍文博，等.海洋电磁探测技术发展现状及探测天然气水合物的可行性[J].工程地球物理学报，2012,9(2)：127-133.

[3] 刘长胜，周逢道，林 君.海洋可控源电磁法油气探测能力的仿真分析[J].电波科学学报，2012,27(4)：747-772.

[4] 沈金松,陈小宏.海洋油气勘探中可控源电磁探测法(CSEM)的发展与启示[J].石油地球物理勘探,2009,44(1):119-127.

[5] 孙卫斌，何展翔.海洋可控源电磁勘探技术与装备[J].物探装备，2010,20(1)：51-56.

[6] 王华龙，于生宝.海洋可控源甲板监控系统GPS对钟的设计与实现[J].科学技术与工程，2014,14(2)：176-178.

[7] 王 艳,刘长胜,林 君,等.浅海底瞬变电磁探测技术研究新进展[J].吉林大学学报(地球科学版),2005,35:23-26.

[8] 邹 月，陈建兵.Socket的网络编程研究与实现[J].电脑编程技巧与维护，2009(8)：10-12，24.

[9] 王腾龙，于生宝，陈厚瑾.海洋可控源甲板监控系统串行通信设计与实现[J].传感器与微系统，2013，32(8):67-70.

[10] 张焰林.基于VB.NET的多线程技术应用[J].计算机系统应用，2009(2)：136-138.

[11] 董高祯.基于GDI+的矢量综合录井图绘制系统的设计与实现[J].录井工程，2013,24(1)：69-72.

[12] 何海江.基于GDI+的颜色配置组件[J].计算机系统应用，2004(5)：51.

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

陈厚瑾(1989-)，女，满族，吉林长春人，硕士生，主要研究方向为计算机技术、电磁法仪器。

于生宝(1963-)，男，吉林长春人，教授，博士生导师。

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

TP 311.1

A

1006-7167(2015)05-0067-04