孫 凱， 李智剛， 秦寶成， 李默竹

(1.機(jī)器人學(xué)國家重點實驗室 中國科學(xué)院 沈陽自動化研究所，遼寧 沈陽 110016；2.中國科學(xué)院 研究生院，北京 100049)

海底觀測網(wǎng)控制系統(tǒng)設(shè)計

孫 凱1,2， 李智剛1， 秦寶成1， 李默竹1

(1.機(jī)器人學(xué)國家重點實驗室 中國科學(xué)院 沈陽自動化研究所，遼寧 沈陽 110016；2.中國科學(xué)院 研究生院，北京 100049)

海底觀測網(wǎng)通過光電復(fù)合纜為運(yùn)行于海底的各種物理、化學(xué)、地質(zhì)、生物等傳感器提供連續(xù)電能和數(shù)據(jù)帶寬，是近幾年海洋科學(xué)研究的新的重要手段。介紹了中國科學(xué)院重大科技基礎(chǔ)設(shè)施預(yù)先研究項目——南海海底觀測示范網(wǎng)控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)、硬件及軟件系統(tǒng)設(shè)計。經(jīng)過水池試驗表明：研究的控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)視頻、控制命令等信息通過光纖以太網(wǎng)的實時雙向傳輸，能夠?qū)崿F(xiàn)對電能質(zhì)量指標(biāo)和絕緣、漏水等安全指標(biāo)的實時監(jiān)控，能夠?qū)崿F(xiàn)故障的智能處理，滿足設(shè)計要求。

海底觀測網(wǎng)； 控制系統(tǒng)； 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架； 光交換機(jī)

0 引 言

我國是個海洋大國，擁有豐富的海洋資源，大陸海岸線總長度超過1.8×104km，管轄海域近300×104km2。開發(fā)海洋是推動我國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的一項戰(zhàn)略任務(wù)，我國要加強(qiáng)海洋調(diào)查評價和規(guī)劃，全面推進(jìn)海域使用管理，加強(qiáng)海洋環(huán)境保護(hù)，促進(jìn)海洋開發(fā)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展[1]。海底觀測網(wǎng)絡(luò)的研究與建設(shè)是目前國際海洋研究領(lǐng)域研究的熱點[2]。海底觀測網(wǎng)能夠獲取包括海洋物理、化學(xué)、地址、生物等觀測數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)涉及海洋資源與能源、氣候、環(huán)境、生態(tài)等方面，對于海洋科學(xué)研究、海洋環(huán)境保護(hù)，以及海底資源勘探與開發(fā)等都具有十分重要的意義[3]。因此，近年來各國紛紛提出計劃或投入巨資建設(shè)本國的大規(guī)模纜系海底觀測系統(tǒng)[4～6]。

目前,世界各國海底觀測網(wǎng)的研究已經(jīng)全面展開。自20世紀(jì)90年代以來，美、加、日等海洋技術(shù)發(fā)達(dá)國家紛紛開展了海底觀測網(wǎng)的研究與建設(shè)，其中典型代表有：1998年，美國華盛頓大學(xué)與伍茲霍爾海洋研究所開展了NEPTUNE計劃，加拿大于1999年6月加入[7]。2003年，日本東京大學(xué)主持建設(shè)了海底地震觀測網(wǎng)ARENA(advanced real-time earth monitoring network in the area)，以提供地震、海洋學(xué)和生物學(xué)等信息[8]。

監(jiān)控系統(tǒng)是海底長期觀測系統(tǒng)的核心組成部分，具有最終意義的海洋監(jiān)測數(shù)據(jù)是通過監(jiān)控采集和傳輸?shù)桨墩具M(jìn)行顯示和存儲使用的，監(jiān)控系統(tǒng)還負(fù)責(zé)監(jiān)測和保護(hù)系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

海底觀測網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上分為三個層:第一層次為岸站監(jiān)控子系統(tǒng),包括監(jiān)控計算機(jī)、監(jiān)視器、視頻解碼器、網(wǎng)管型光交換機(jī)、服務(wù)器;第二層次為主接駁盒監(jiān)控子系統(tǒng),安裝運(yùn)行于主接駁盒電子艙內(nèi),是海底長期觀測系統(tǒng)的主節(jié)點，可以從主接駁盒內(nèi)再分支出不同的次節(jié)點,系統(tǒng)主要包括網(wǎng)管型光交換機(jī)、以太網(wǎng)邏輯控制器、電壓變換器、電流傳感器、電壓傳感器、繼電器等主要電子元件,能夠監(jiān)控每一個次級接駁盒的供電狀態(tài)(電壓、電流)，并作為次級接駁盒數(shù)據(jù)傳輸?shù)桨墩镜闹欣^；第三層次為次級接駁盒監(jiān)控子系統(tǒng),負(fù)責(zé)為水下攝像機(jī)、ADCP、水質(zhì)儀等設(shè)備供電和進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,該層控制系統(tǒng)將PAL制式視頻和串行格式數(shù)據(jù)如RS—232,RS—422,RS—485均轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)傳輸格式數(shù)據(jù)。因此，海底觀測網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸統(tǒng)一為以太網(wǎng)格式，利于擴(kuò)展和維護(hù)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig 1 Total structure of control system

2 硬件設(shè)計

2.1 岸站監(jiān)控系統(tǒng)

岸站監(jiān)控系統(tǒng)是海底長期觀測系統(tǒng)的頂層部分，主要設(shè)備安裝在岸站監(jiān)控室內(nèi),岸站監(jiān)控子系統(tǒng)的主要設(shè)備如圖2所示。監(jiān)控計算機(jī)實時顯示水下攝像機(jī)拍攝到的畫面和系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)信息。光以太網(wǎng)交換機(jī)選用MOXA的EDS—728,該交換機(jī)具有1 GB/s的光纖接口，還具有100 MB/s的網(wǎng)線接口，具有較強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)管理和通信能力。視頻解碼器和光交換機(jī)通過網(wǎng)線連接，視頻解碼器的視頻輸出信號通過BNC視頻線連接視頻顯示器。本系統(tǒng)視頻解碼器選擇MOXA的Dport361。服務(wù)器通過網(wǎng)線連接光以太網(wǎng)交換機(jī)。監(jiān)控程序控制視頻數(shù)據(jù)、海洋觀測設(shè)備數(shù)據(jù)存儲到服務(wù)器上。服務(wù)器選用惠普DL385機(jī)架式刀片服務(wù)器。

圖2 岸站監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)架Fig 2 Architecture of control system in shore station

2.2 主接駁盒監(jiān)控系統(tǒng)

主接駁盒監(jiān)控系統(tǒng)處于岸站監(jiān)控系統(tǒng)和次接駁盒監(jiān)控系統(tǒng)之間，是數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹欣^站。主接駁盒監(jiān)控系統(tǒng)管理所有次級接駁盒的供電狀況，如電流、電壓等。若某一個次級接駁盒的供電出現(xiàn)故障，主接駁盒的監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)能檢測到故障并在必要時切斷該次級接駁盒的供電。主接駁盒監(jiān)控系統(tǒng)主要元器件包括光以太網(wǎng)交換機(jī)、以太網(wǎng)控制器、電源管理系統(tǒng)等。在本系統(tǒng)中，主接駁盒光以太網(wǎng)交換機(jī)選用MOXA EDS—G509。該交換機(jī)具有1GB/s的數(shù)據(jù)通信能力，通過光纖和岸站光交換機(jī)連接。光以太網(wǎng)交互機(jī)通過網(wǎng)線連接以太網(wǎng)控制器。以太網(wǎng)控制器選用WAGO的750—881可編程邏輯控制器，用來采集主接駁盒控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和接收岸站監(jiān)控程序指令。電源管理系統(tǒng)主要設(shè)備為電流傳感器、電壓傳感器等、繼電器等，負(fù)責(zé)采集監(jiān)控次級接駁盒的供電狀況。主接駁盒實物及監(jiān)控系統(tǒng)連接關(guān)系如圖3所示。

圖3 主接駁盒監(jiān)控系統(tǒng)Fig 3 Main junction box control system

2.3 次級接駁盒監(jiān)控系統(tǒng)

次級接駁盒監(jiān)控系統(tǒng)負(fù)責(zé)采集海洋觀測設(shè)備的數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)對海洋觀測設(shè)備的電源管理和數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換和傳輸服務(wù)。從4(a)可看到艙蓋上裝有水下連接器，用來連接海洋觀測設(shè)備和主接駁盒電子艙,圖4(b)所示為次接駁盒監(jiān)控系統(tǒng)電子艙和水下攝像機(jī)，次級接駁盒監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備主要包括光以太網(wǎng)交換機(jī)、以太網(wǎng)控制器、視頻編碼器、串口/以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器等。視頻編碼器的作用是將模擬視頻信號轉(zhuǎn)換為符合以太網(wǎng)傳輸協(xié)議的數(shù)字信號，海洋觀測設(shè)備的數(shù)據(jù)類型復(fù)雜多樣，使用串口/以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器統(tǒng)一將其轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)類型數(shù)據(jù)。經(jīng)過轉(zhuǎn)換，觀測網(wǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)格式均統(tǒng)一，有利于系統(tǒng)的進(jìn)一步擴(kuò)展。

圖4 次級接駁盒框架與電子艙Fig 4 Frame and electronic cabin of secondary junction box

3 軟件設(shè)計

海底觀測網(wǎng)軟件系統(tǒng)應(yīng)滿足實時性強(qiáng)、網(wǎng)絡(luò)通信性能好、操作簡潔易懂、界面美觀友好等要求。岸站監(jiān)控軟件采用C#作為控制程序設(shè)計的工具，采用實時性較好的TCP/IP通信模式，保障了通信的實時性和穩(wěn)定性。主接駁盒和次級接駁盒監(jiān)控軟件采用嵌入式設(shè)計方法，實現(xiàn)與岸站實時通信。

3.1 岸站監(jiān)控系統(tǒng)軟件

岸基站監(jiān)控軟件主要實現(xiàn)與水下接駁盒的網(wǎng)絡(luò)通信；對接駁盒上傳的數(shù)據(jù)按照規(guī)定的協(xié)議解析并進(jìn)行實時動態(tài)顯示；通過人機(jī)監(jiān)控界面能夠直觀地了解到水下各系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)；通過人機(jī)界面開啟、關(guān)斷水下海洋觀測設(shè)備的供電；實現(xiàn)海底接駁盒的電能分配和控制。程序的數(shù)據(jù)接收采用異步監(jiān)聽方式，無需接收數(shù)據(jù)時掛起主線程，提高了執(zhí)行效率和穩(wěn)定性。

3.2 主接駁盒與次級接駁盒監(jiān)控軟件

主接駁盒和次級接駁盒監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)均有以太網(wǎng)邏輯控制器，并根據(jù)實際需要加裝了數(shù)字量輸出、模擬量輸入、模擬量輸出、溫度采集等不同種類和功能的模塊。邏輯控制器內(nèi)運(yùn)行有邏輯控制程序。邏輯控制程序完成的主要功能有：同岸站監(jiān)控系統(tǒng)實時通信、采集傳感器數(shù)據(jù)、執(zhí)行岸站監(jiān)控軟件發(fā)出的控制命令等。圖5為以太網(wǎng)邏輯控制器內(nèi)控制程序工作流程。

圖5 水下控制節(jié)點程序流程圖Fig 5 Program flow chart of underwater control node

4 系統(tǒng)測試與試驗

海底觀測網(wǎng)進(jìn)行了海水浸泡試驗，控制系統(tǒng)達(dá)到了良好的效果。主接駁監(jiān)控系統(tǒng)、次級接駁盒監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)Ω髯韵到y(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測并在岸站監(jiān)控系統(tǒng)顯示。岸站監(jiān)控程序顯示了主接駁盒監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送的主接駁盒狀態(tài)數(shù)據(jù)，主要為供電電壓、電流、絕緣、漏水值等信息,如表1。視頻監(jiān)控顯示是海底觀測網(wǎng)的重要的功能，本控制系統(tǒng)采用視頻編碼器壓縮視頻信號，采用三層交換機(jī)系統(tǒng)傳輸視頻信號，在岸站監(jiān)控計算機(jī)內(nèi)通過軟件解碼并實時顯示視頻。

表1 主接駁盒狀態(tài)數(shù)據(jù)Tab 1 Datas of status of main junction box

5 結(jié) 論

本文提出了一種海底觀測網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的構(gòu)架結(jié)構(gòu)，分層次設(shè)計思想和網(wǎng)絡(luò)通信方法，介紹了實現(xiàn)該控制系統(tǒng)的主要電子元件及連接關(guān)系，介紹了控制系統(tǒng)軟件設(shè)計的主要思想。經(jīng)過水池試驗表明：控制系統(tǒng)實現(xiàn)了電能的輸送和檢測，實現(xiàn)了水面監(jiān)控系統(tǒng)與水下監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)的雙向?qū)崟r傳輸，實現(xiàn)了安全監(jiān)控功能要求，滿足了設(shè)計要求。

[1] 孫志輝．用科學(xué)發(fā)展觀引領(lǐng)我國海洋經(jīng)濟(jì)又好又快發(fā)展[J]．求是,2006(11):56-58．

[2] 汪品先．關(guān)于建設(shè)海底觀測平臺的建議[J]．學(xué)會，2005(5)：52-53．

[3] Christlan R R,Diglacomo P M,Thomas C M.Opportunities and challenges of establishing coastal observing system[J].Estuaries and Coasts,2006,29(5):871-875.

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[8] 王項南，馬麗珊，熊 焰,等.深海觀測平臺技術(shù)[J].海洋技術(shù)，2007,26(3)：16-18．

Design on control system for ocean observatories

SUN Kai1,2， LI Zhi-gang1， QIN Bao-cheng1， LI Mo-zhu1

(1.State Key Laboratory of Robotics,Shenyang Institute of Automation,Chinese Academy of Sciences,Shenyang 110016,China;2.Graduate School of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)

Ocean observatories provides continuous power and data bandwidth for various kinds of physical,chemical,geological and biological sensors by hybrid power/optical fiber cables,which is new important way for ocean research recently.Present total configuration of the control system and the design of hardware and software system of the significant science and technology infrastructure advance research project“South China Sea Subsea Demonstrated Observatory”.The experimental results prove that the system can meet the requirements of transmitting video signals and datas by optical fibers,monitoring and controlling the security of system such as insulation and leaking.

ocean observatories； control system； network architecture； optical switches

10.13873/J.1000—97877(2014)08—0094—03

2014—01—22

TP 277

A

1000—9787(2014)08—0094—03

孫 凱(1979-)，男，吉林省集安人，博士研究生，助理研究員，主要從事海洋裝備相關(guān)控制系統(tǒng)算法設(shè)計、優(yōu)化、分析與研究。