海洋气象漂流浮标运行监控系统设计研究*

张东明 曹晓钟 汪章维 王志诚

(1.浙江省大气探测技术保障中心,浙江 杭州 310000;2.中国气象局气象探测中心,北京 100000)

0 引 言

目前我国远海海域的气象观测主要是通过海洋气象漂流浮标、海洋船舶气象观测以及卫星、雷达等观测手段。海洋气象漂流浮标是一种随表层海流漂移、可用于海洋水文要素观测、海洋表面气象要素观测、并利用北斗卫星通信系统定位及传输数据的海洋气象观测仪器。它具有观测活动范围大、适应环境性强等鲜明特点。我国发展海洋探测的目标是提高海洋灾害的预警能力、增强对我国远海海域水文及气象要素的监测能力、加快海洋环境资源开发利用。

海洋气象漂流浮标运行监控系统是浮标研制开发的系统上位机软件部分,主要是负责海洋气象漂流浮标出航前的系统配置、运行数据接收、数据解析及分析、浮标运行实时位置及发送相关指令的工作。完备的海洋气象漂流浮标运行监控系统是发展海洋环境监测的关键。系统遵循可行性原则、完整性原则、科学性原则、稳定性原则，避免系统死锁。系统通过实现多样化通信手段、特定气象要素自定义化控件、特定数据库设计、浮标状态3D显示及浮标地理信息定位显示等实现系统的多样化。

1 漂流浮标平台介绍

海洋气象漂流浮标水面结构近似圆球状,浮标体采用多水密封隔舱式结构设计方案。对部件材料采取了相关防护措施,具备防盐雾、防腐蚀等功能。由于观测仪既要用拉格朗日法测流,又要获取海表面气压、气温、风的数据,各传感器拥有其最适合的安装位置,气象漂流浮标应该具有随流的特性。浮标的大部分传感器均位于封闭球外面。球体顶部装有多种常规观测传感器设备,用于测量常规湿度、温度等观测要素；球体内部装有通信模块、采集器模块、电池组、太阳能板等,是整个观测仪的仪器舱和各个传感器的安装载体,同时为整个观测仪提供浮力。球体底部装有用于测量海温、浪高等海洋观测要素的传感器。海洋气象漂流浮标结构及实物图如图1所示。

图1 海洋气象漂流浮标结构及实物图

海洋气象漂流浮标经由北斗传输终端将采集信息发送给北斗卫星,北斗通信卫星再将该信息发送给北斗指挥机,海洋气象岸基服务器同北斗指挥机进行通信,运行监控系统对数据进行接收、显示、入库、查询等功能操作,同时运行监控系统通过通信子模块向北斗发送控制参数。海洋气象漂流浮标运行监控系统具有在出海前实验联调功能,海洋气象漂流浮标与其运行监控系统之间进行通信的命令,以实现对设备各参数的传递及设置。通过中央处理器与传感器间的通信命令,完成对传感器参数的传递及配置，从传感器获取及设置各种参数。气象漂流浮标北斗通信系统框图如图2所示。

图2 海洋气象漂流浮标北斗通信系统框图

2 海洋气象漂流浮标运行监控系统软件架构

海洋气象漂流浮标运行监控系统开发的思想是分布式采集,集中式处理。海洋气象漂流浮标运行监控系统的系统架构设计要体现系统稳定高效的指标。系统应具有动态实时显示海洋气象水文数据变化、智能存储数据等一系列基础功能。海洋气象漂流浮标运行监控系统要对其浮标系统状态、电源管理状态、传感器工作状态及数据质量等做出综合评估。海洋气象漂流浮标运行监控系统实时监测气象漂流浮标的运行状态及数据存储等工作,做好气象漂流浮标资料的汇总、管理和服务工作。海洋气象漂流浮标运行监控系统不仅需要承担运行监控功能,还应该具有设置浮标部分传感器状态的功能。系统既可用于浮标上位机观测终端,又可用于实验测试浮标采集器。该系统包括以下几大模块：系统界面模块、系统状态监控模块、观测数据监控模块、浮标运行状态模块、浮标位置监控界面、系统通信模块及数据库模块等重要模块。

海洋气象漂流浮标运行监控系统通过各种通信手段,完成对浮标数据的收集、处理、存储、应用、分析、显示功能。观测数据质量监控与产品服务需要完成大量数据分析处理工作,海洋气象漂流浮标观测数据质量监控结构更适合采用C/S架构。海洋气象漂流浮标运行监控系统包括自动监测数据管理系统、海洋浮标自动监测监控与预警系统、设备运行状态监控、综合分析评估等四大功能模块。

(1)气象漂流浮标的数据信息管理功能，主要是对海洋气象漂流浮标观测数据及浮标系统相关信息进行入库管理、相关查询。将观测的海洋气象数据进行统计分析,可以根据相关要求进行观测数据及浮标系统状态查询,并且具有删除、更新等相关操作功能。为方便观测人员进行数据查询,系统设计了Excel导出SQL中气象数据功能；同时考虑到有些服务器并未安装数据库软件,所以运控系统可以用TXT文本存储相关的数据。

(2)气象漂流浮标实时观测及系统报警功能，主要是对观测海域气象水文观测要素进行实时监控,如有数据违背常规,运行监控系统将及时剔除无用数据。模块功能包括漂流浮标观测数据的实时及历史查询、浮标运行状态监控与自动预警、浮标当前位置及状态查询等功能。

(3)设备运行状态监控模块,实时接收海洋气象漂流观测仪运行状态信息和性能参数,实现远端实时监控设备及主要单元运行状态；提供关于浮标故障及主要器件运行错误的报警,并生成故障记录。

(4)海洋气象漂流浮标运行监控系统综合业务评定根本目标是基于对仪器运行状态、观测要素的质量等监控信息开展数据分析,为决策部门、保障部门和设备生产厂家等提供设备可靠性、维修性、保障性结果,为设备定型和升级改造提供依据,同时针对海洋气象数据开展浮标系统状况评估。

从功能实现的角度来看,海洋气象漂流浮标运行监控系统主要分3层。

第一层为数据通信层,通过多种通信方式提供系统需要的各种数据及数据的访问功能。

第二层为数据处理层，包括数据获取、数据缓存以及数据更新。该模块从服务器上获取数据,然后将这些数据拆分合并整理成各个模块所需的格式。数据处理模块缓存了配置信息,当其他模块需要这些信息时都是从该模块的缓存中获取,提高了系统的运行速度。

第三层为监控显示层,搭建运行监控业务的显示模块,为整个业务系统应用提供浮标信息监控的功能模块。模块封装包括通用的GIS功能、数据监测管理以及用ADO技术实现数据操作等部分内容。

3 海洋气象漂流浮标运行监控系统通信及数据解析

3.1 通信机制

应用北斗数据传输终端将海洋气象漂流浮标采集的海洋水文气象要素信息,通过北斗卫星短报文通信发送至海洋气象漂流浮标运控系统平台。海洋气象漂流浮标项目应用的北斗接收机采用高强度封闭式设计,更加适合在高腐蚀等环境下工作；通信方式采用可靠的接口,通过运行监控系统接收数据。通过以上总结的主要特点,此模块可以很好地应用于漂流浮标项目设计中,并且通过北斗传输模块，可以提高系统的稳定性及运行监控系统数据接收的稳定性。

3.2 北斗数据通信协议

北斗数据采用RS-232接口实现通信,通过将计算机与串口模块相连,完成大量的数据通信。北斗卫星传输数据格式定义如图3所示,数据总长度共计64字节、 512位。

图3 北斗卫星传输数据格式定义

3.3 数据解析方法

海洋气象漂流浮标运行监控系统通信模块首先判断接收的数据格式是否满足BG开始ED结尾的要求;接着将原始数据文件拆分成有意义的数据项,并对数据文件格式进行校验,同时检查源数据之间及源数据与历史数据之间的逻辑关系,将满足要求的数据用于运行监控系统处理，正式入库。将错误的数据保留并进行跟踪处理,生成错误记录信息。数据解析流程图如图4所示。

图4 数据解析流程图

4 海洋气象漂流浮标运行监控系统实现

海洋气象漂流浮标终端控制命令集的制定参考了《地面气象数据对象字典》中《地面气象数据对象字典终端控制命令》的内容,结合海洋气象漂流浮标的具体特点,制定了终端控制命令集。

模块测试实验通过浮标采集器与海洋气象漂流浮标运控系统做联合调试,通过浮标运控系统向浮标采集器发送相应的指令,通过浮标运控系统接收到的数据判断采集器是否正常工作以及各传感器是否异常。运控系统操作指令用来控制两个终端间的通信。

(1)通信配置模块。通信配置模块完成与数据传输有关的处理、串口通信配置、网络参数配置等。在存储路径下实时接收保存数据，统计发送及接收字节数,自定义采样间隔时间等配置,负责向浮标发出控制指令。计数器可以统计一定时间段的接收及发送字节,双击收发数据窗口可以清空显示区域,可以通过设定的自动发送时间周期，定期地发出控制指令。系统实现了Socket网络通信的功能。

(2)观测数据模块。海洋气象观测数据模块提供对区域海洋环境气象的实时监测数据。观测数据分为海洋气象要素及海洋水文要素,其中要素变化分为惰性要素及非惰性要素,系统采用多种方式显示数据的变化。将不同的海洋气象水文要素以最适合的方式进行数据显示。

(3)位置显示模块。当海洋气象漂流浮标运行监控系统接收到GPS地理位置数据时,浮标地理位置监控将显示当前浮标所处的位置。

(4)系统状态监控模块。海洋气象漂流浮标各传感器状态构成运控系统状态监控模块。观测人员可通过历史查询查看指定时间内浮标的运行状态信息。当系统状态出现问题时,系统将报警信息发送给监控人员进行反馈。

(5)姿态检测展示模块。漂流浮标主机系统配置GPS定位系统和电子罗盘，可以监测漂流浮标的位置坐标和工作姿态等。海洋气象漂流浮标在海面上可能出现旋转、上下颠簸、前后摇晃、随风漂流等,我们可以由这些数据评测海浪的大小及洋流的情况等。系统直观地记录漂流浮标是否在正常的姿态范围内工作,判断浮标数据是否具有应用价值。

(6)数据管理模块。数据显示区域用于显示数据查询记录。通过数据查询功能,可以轻松地获取数据库中的数据,并进行导出,及时将缺测数据进行插入操作。

5 结 语

本文对海洋气象漂流浮标的整体项目、运行监控系统软件架构做了简要介绍,对应用北斗通信部分做了详细的论述。海洋气象漂流浮标运行监控系统采用了功能模块化设计思想，系统数据的存储，应用相对成熟的SQL Server进行设计开发。研究了海洋气象漂流浮标运行监控系统设计的工作逻辑,以减少该系统各模块的耦合度。