馬宇坤，戴　俊(.中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京53;.南京炮兵學院，南京0000)

?

海洋立體環(huán)境綜合觀測系統(tǒng)的設計與實現

馬宇坤1，戴俊2
(1.中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京211153;2.南京炮兵學院，南京210000)

摘要:介紹了海洋立體環(huán)境綜合觀測系統(tǒng)的設計與實現。該系統(tǒng)利用多種先進的傳感器設備和智能化的數據分析技術，設計實現了岸、海、空及水下立體觀測系統(tǒng)。系統(tǒng)采用了層次化模塊化的軟件設計模式，實現了針對多種傳感器數據的多維多時空的統(tǒng)一化處理。

關鍵詞:海洋觀測;多源數據融合;多傳感器

0　引言

中國是一個海洋大國，擁有漫長的大陸海岸線和廣闊的海上領土面積，并擁有豐富的海洋資源可供開發(fā)利用。在漫長的海岸線和廣闊的領海海域內實施國家海洋戰(zhàn)略，開發(fā)和利用海洋資源，發(fā)展海洋經濟，維護海洋權益，預防和減輕海洋災害等一切活動，都依賴于通過對海洋觀測掌握和預報準確的態(tài)勢信息來實現［1］。本文所述海洋立體環(huán)境綜合觀測系統(tǒng)，主要針對我國海洋信息需求和信息應用的發(fā)展需求，從海洋立體環(huán)境綜合觀測系統(tǒng)體系結構、功能任務、系統(tǒng)組成等方面論述了海洋立體環(huán)境綜合觀測系統(tǒng)的設計與實現方法，可為構建我國分布式網絡化的海洋立體環(huán)境綜合監(jiān)測和保障系統(tǒng)奠定技術基礎［2］。

1　系統(tǒng)的體系構建

海洋立體環(huán)境綜合觀測系統(tǒng)體系結構包括多源信息傳感器層、信息管理層、信息處理層和信息應用層等，形成覆蓋空、岸、海面和水下的網絡化立體觀測體系結構。該系統(tǒng)主要功能是利用多類傳感器實時獲取觀測區(qū)域內的空中、水面和水下的目標環(huán)境、大氣海洋動力環(huán)境、海氣邊界層海洋動力環(huán)境、水下海洋動力環(huán)境、海洋生態(tài)環(huán)境和海上電磁傳播環(huán)境等態(tài)勢與環(huán)境信息，通過綜合觀測信息處理系統(tǒng)對獲取的信息進行數據同化、匹配融合與目標識別處理，進行綜合、解譯和預測海洋立體環(huán)境信息。

海洋立體環(huán)境綜合觀測系統(tǒng)主要由各型接觸式和非接觸式傳感器平臺、綜合信息處理、信息綜合與解譯、態(tài)勢與信息展現平臺等組成。系統(tǒng)體系結構和組成如圖1所示。

圖1　空、海、陸一體的海洋立體環(huán)境綜合觀測系統(tǒng)示意圖

2　系統(tǒng)設計與實現

2.1系統(tǒng)框架

海洋立體環(huán)境綜合觀測系統(tǒng)可分為傳感器子系統(tǒng)、顯示控制子系統(tǒng)、多源綜合處理子系統(tǒng)、數據庫和重放子系統(tǒng)等功能子系統(tǒng)。在工程設計與應用中，包括各種傳感器、數據專用傳輸信道、信息綜合處理指揮中心(含多功能信息綜合處理設備、顯控臺，以及數據庫、數據記錄與數據重放處理設備等)。

通過安裝在海面、岸基、水下的各型傳感器，實時監(jiān)測海洋上多種觀測數據［4］。監(jiān)測的測量數據經加密后通過專用信道上傳到指揮中心，數據在指揮中心首先經過多源數據融合處理，然后將信息分兩路，一路分發(fā)至顯示控制子系統(tǒng)供操作人員觀測調用，一路分發(fā)至數據庫和重放子系統(tǒng)供后期處理［5］。

2.2傳感器子系統(tǒng)

傳感器子系統(tǒng)采用物理、化學、紅外、光電、電磁波等各類傳感器和儀器，通過岸基、浮標、潛標、船載、海洋平臺、海床等設備搭載平臺，形成空、岸、海立體空間的探測，實現對大氣、海洋立體綜合環(huán)境信息的感知。

按照探測設備種類和實現方式，海洋立體環(huán)境綜合觀測系統(tǒng)的設計應包括多種雷達以及自動氣象水文站、自動船舶識別、紅外光電、浮標、潛標和聲納等傳感器級子系統(tǒng)。

傳感器各子系統(tǒng)采用獨立或協同工作模式，用于完成大氣動力環(huán)境、海洋動力環(huán)境、目標環(huán)境、生態(tài)環(huán)境等方面的監(jiān)測。

2.3顯示控制子系統(tǒng)

顯示控制子系統(tǒng)主要完成海洋立體環(huán)境綜合觀測系統(tǒng)的多信息按需顯示與多功能操作控制，并實現與本項目用戶的互聯互通接口交互。顯示控制子系統(tǒng)顯控界面由兩個屏幕組成，如圖2所示。

(1)態(tài)勢顯示窗口

實現電子數據的可視化組織、展現和電子海圖的無極縮放、平移、鷹眼、量算。在海圖窗口上，可以顯示多功能測波雷達探測到的雷達視頻，根據雷達視頻可以錄取不同的水面目標。對于己方目標，可以顯示主動識別信息。

(2)測量控制窗口

通過對海洋立體環(huán)境綜合觀測系統(tǒng)工作方式、處理模式的按需控制，一級菜單以扁平化風格進行組織，以便在同一層級下可以顯示更多統(tǒng)計內容，關鍵信息可以在主屏幕上進行彈出顯示。將海洋環(huán)境分為以下4大板塊進行觀測:海洋動力環(huán)境、海洋目標環(huán)境、海洋生態(tài)環(huán)境和海洋綜合環(huán)境［3］，同時具有傳感器管理和系統(tǒng)管理功能。

圖2　顯示控制子系統(tǒng)實景界面

2.4多源綜合處理子系統(tǒng)

多傳感器綜合處理器是海洋立體環(huán)境綜合觀測系統(tǒng)的核心，其主要對兩類信息進行融合:

(1)目標信息的融合，其功能是將來自各雷達站的雷達視頻信息、跟蹤數據信息、AIS信息及CCTV信息等進行融合，實現對多雷達目標的判定和跟蹤、雷達目標和AIS目標的融合、雷達站間交接、CCTV聯動、對目標的危險判斷和報警等。

(2)對環(huán)境信息的融合，根據從多個傳感器采集的針對同一環(huán)境參數的不同測量值，選取適當的融合算法，對各種海洋參數進行基于多維多時空的歸一化融合處理。

2.5數據庫和重放子系統(tǒng)

數據服務和數據分析是海洋立體環(huán)境綜合觀測系統(tǒng)的主要業(yè)務。所以，高效合理的數據庫設計和實現是系統(tǒng)建設成功的關鍵之一。數據庫子系統(tǒng)選用Windows Server 2008作為服務器的操作系統(tǒng)，選用SQL server 2008作為中心站數據庫平臺。SQL server 2008數據庫術語關系型數據庫，采用完全開放策略，并提供基于角色分工的安全保密策略，在數據庫管理、完整性檢查、安全性、一致性方面都有良好的表現［6］。中心站的數據庫總體關系型設計如圖3。

對于雷達視頻、AIS數據文件、CCTV回放等比特型大規(guī)模數據，不適合放入數據庫中直接存儲。在本系統(tǒng)中，在數據庫系統(tǒng)之外再建立一個重放子系統(tǒng)，將它們作為比特型數據根據時間存入重放子系統(tǒng)的文件系統(tǒng)中，然后再編寫程序根據時間、地點等要素，對客戶提供回放功能。

3　系統(tǒng)設計運行特點

3.1態(tài)勢統(tǒng)一

各級信息綜合處理系統(tǒng)所獲取的海上目標環(huán)境信息和海洋環(huán)境信息應能一致和同步，即在任何時間對于相同的目標環(huán)境和相同的海洋環(huán)境信息，各級信息綜合處理系統(tǒng)輸出和顯示的信息要素總能保持一致，以此保障各級用戶能夠及時一致地理解相同海上目標環(huán)境和海洋環(huán)境的信息要素。

圖3　系統(tǒng)數據庫關系型設計

3.2按需保障

各級信息綜合處理系統(tǒng)可根據保障模式、使用權限和用戶需要，靈活地定制信息分發(fā)規(guī)則，保障各類用戶能夠及時、可靠地獲取所需海上目標環(huán)境和海洋環(huán)境信息，有效控制信息的分發(fā)內容和分發(fā)范圍。

3.3按區(qū)處理

按照信息保障任務需要和觀測區(qū)規(guī)定，對各級信息綜合處理系統(tǒng)劃分海上目標環(huán)境和海洋環(huán)境信息處理的責任區(qū)。信息綜合處理系統(tǒng)負責處理本責任區(qū)內的所有海上目標環(huán)境和海洋環(huán)境信息，形成本責任區(qū)綜合信息。

3.4隨遇接入

實時信息獲取平臺和信息綜合處理系統(tǒng)之間應能

依托綜合通信網絡，實現系統(tǒng)的無縫互連和信息的自動交換，能就近接入網絡節(jié)點、自動選擇網絡路徑，盡量提高各系統(tǒng)對接入地點、接入方式的自適應性，以此保障信息獲取平臺不隨系統(tǒng)接入點、接入方式的變化而變化，保持信息交換關系不變、信息交換不中斷。

3.5安全保密

采取多種安全保密措施，確保目標環(huán)境和海洋環(huán)境信息收集、傳輸、處理、分發(fā)全過程的信息保密、信息與系統(tǒng)的安全防護。

3.6抗毀重組

每個信息綜合處理系統(tǒng)具有備份系統(tǒng)，相關信息綜合處理系統(tǒng)可互相接替。依托綜合通信網絡，采用具有多路由迂回能力的通信網絡，設置能夠實時接替和異地備份的信息綜合處理系統(tǒng)，采取網絡管理控制手段，使信息綜合處理系統(tǒng)具備較強的抗毀生存能力。

4　結束語

本文首先介紹了海洋立體環(huán)境綜合觀測系統(tǒng)的項目背景，然后介紹了系統(tǒng)的組成框架，包括傳感器子系統(tǒng)、顯示控制子系統(tǒng)、多源綜合處理子系統(tǒng)、數據庫和重放子系統(tǒng)，最后介紹了本系統(tǒng)的設計運行特點。通過本系統(tǒng)的構建，實現了對海洋環(huán)境全面、多層次、多維、長期連續(xù)的不間斷觀測，以及時準確地掌握海洋環(huán)境運動變化的規(guī)律。將來有望向國家海洋、氣象、漁業(yè)、環(huán)保、能源、交通等政府決策機構提供立體化的海洋環(huán)境信息，這對于國家未來發(fā)展具有十分深遠的意義。

參考文獻:

［1］石田耕三.環(huán)境監(jiān)測技術的現狀及發(fā)展趨勢［J］.中國環(huán)境監(jiān)測，2005，21(1):21-22.

［2］許麗娜，王孝強.我國海洋環(huán)境監(jiān)測工作現狀及發(fā)展對策［J］.海洋環(huán)境科學，2003，22(1): 14-15.

［3］GB/T14914-2006，海濱觀測規(guī)范.

［4］周智海.海洋環(huán)境監(jiān)測和信息服務集成系統(tǒng)規(guī)范化設計考慮［J］.氣象水文海洋儀器，2004，Z1(02):4-6.

［5］汪洋，王文俊，詹易生，等.海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)動態(tài)集成框架研究［J］.海洋技術，2004，23(4): 6-8.

［6］高冬梅.SQL Server 2008數據庫程序設計［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2009.

Design and implementation of an integrated 3D marine environment observation system

MA Yu-kun1，DAI Jun2
(1.No.724 Research Institute of CSIC，Nanjing 211153; 2.Nanjing Artillery Academy，Nanjing 210000)

Abstract:An integrated 3D marine environment observation system is designed and realized covering air，surface，shore and underwater observation through multiple advanced sensors and intelligent data analysis technologies.The system adopts the layered and modularized software design pattern，realizing the unification of various data with multiple dimensions and time and space.

Keywords:marine observation; multi-source data fusion; multiple sensors

作者簡介:馬宇坤(1980-)，男，工程師，研究方向:機電一體化;戴俊(1986-)，男，教員，碩士，研究方向:作戰(zhàn)指揮。

收稿日期:2015-01-15;修回日期:2015-03-10

文章編號:1009－0401(2015)02－0005－03

文獻標志碼:A

中圖分類號:TN95