海洋立體環(huán)境綜合觀測系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

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

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海洋立體環(huán)境綜合觀測系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

馬宇坤1，戴俊2
(1.中國船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京211153;2.南京炮兵學(xué)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(shè)計與實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)利用多種先進(jìn)的傳感器設(shè)備和智能化的數(shù)據(jù)分析技術(shù)，設(shè)計實(shí)現(xiàn)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(shè)計模式，實(shí)現(xiàn)了針對多種傳感器數(shù)據(jù)的多維多時空的統(tǒng)一化處理。

關(guān)鍵詞:海洋觀測;多源數(shù)據(jù)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(lǐng)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(lǐng)海海域內(nèi)實(shí)施國家海洋戰(zhàn)略，開發(fā)和利用海洋資源，發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)，維護(hù)海洋權(quán)益，預(yù)防和減輕海洋災(zāi)害等一切活動，都依賴于通過對海洋觀測掌握和預(yù)報準(zhǔn)確的態(tài)勢信息來實(shí)現(xiàn)［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(yīng)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(jié)構(gòu)、功能任務(wù)、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(shè)計與實(shí)現(xiàn)方法，可為構(gòu)建我國分布式網(wǎng)絡(luò)化的海洋立體環(huán)境綜合監(jiān)測和保障系統(tǒng)奠定技術(shù)基礎(chǔ)［2］。

1　系統(tǒng)的體系構(gòu)建

海洋立體環(huán)境綜合觀測系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)包括多源信息傳感器層、信息管理層、信息處理層和信息應(yīng)用層等，形成覆蓋空、岸、海面和水下的網(wǎng)絡(luò)化立體觀測體系結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)主要功能是利用多類傳感器實(shí)時獲取觀測區(qū)域內(nèi)的空中、水面和水下的目標(biāo)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(jìn)行數(shù)據(jù)同化、匹配融合與目標(biāo)識別處理，進(jìn)行綜合、解譯和預(yù)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(xiàn)平臺等組成。系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)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(shè)計與實(shí)現(xiàn)

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(shù)據(jù)庫和重放子系統(tǒng)等功能子系統(tǒng)。在工程設(shè)計與應(yīng)用中，包括各種傳感器、數(shù)據(jù)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(shè)備、顯控臺，以及數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)記錄與數(shù)據(jù)重放處理設(shè)備等)。

通過安裝在海面、岸基、水下的各型傳感器，實(shí)時監(jiān)測海洋上多種觀測數(shù)據(jù)［4］。監(jiān)測的測量數(shù)據(jù)經(jīng)加密后通過專用信道上傳到指揮中心，數(shù)據(jù)在指揮中心首先經(jīng)過多源數(shù)據(jù)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(diào)用，一路分發(fā)至數(shù)據(jù)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(xué)、紅外、光電、電磁波等各類傳感器和儀器，通過岸基、浮標(biāo)、潛標(biāo)、船載、海洋平臺、海床等設(shè)備搭載平臺，形成空、岸、海立體空間的探測，實(shí)現(xiàn)對大氣、海洋立體綜合環(huán)境信息的感知。

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

傳感器各子系統(tǒng)采用獨(dú)立或協(xié)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(biāo)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(shí)現(xiàn)與本項(xiàng)目用戶的互聯(lián)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(shí)現(xiàn)電子數(shù)據(jù)的可視化組織、展現(xiàn)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(dá)探測到的雷達(dá)視頻，根據(jù)雷達(dá)視頻可以錄取不同的水面目標(biāo)。對于己方目標(biāo)，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(fēng)格進(jìn)行組織，以便在同一層級下可以顯示更多統(tǒng)計內(nèi)容，關(guān)鍵信息可以在主屏幕上進(jìn)行彈出顯示。將海洋環(huán)境分為以下4大板塊進(jìn)行觀測:海洋動力環(huán)境、海洋目標(biāo)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(shí)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(jìn)行融合:

(1)目標(biāo)信息的融合，其功能是將來自各雷達(dá)站的雷達(dá)視頻信息、跟蹤數(shù)據(jù)信息、AIS信息及CCTV信息等進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)對多雷達(dá)目標(biāo)的判定和跟蹤、雷達(dá)目標(biāo)和AIS目標(biāo)的融合、雷達(dá)站間交接、CCTV聯(lián)動、對目標(biāo)的危險判斷和報警等。

(2)對環(huán)境信息的融合，根據(jù)從多個傳感器采集的針對同一環(huán)境參數(shù)的不同測量值，選取適當(dāng)?shù)娜诤纤惴ǎ瑢Ω鞣N海洋參數(shù)進(jìn)行基于多維多時空的歸一化融合處理。

2.5數(shù)據(jù)庫和重放子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)服務(wù)和數(shù)據(jù)分析是海洋立體環(huán)境綜合觀測系統(tǒng)的主要業(yè)務(wù)。所以，高效合理的數(shù)據(jù)庫設(shè)計和實(shí)現(xiàn)是系統(tǒng)建設(shè)成功的關(guān)鍵之一。數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)選用Windows Server 2008作為服務(wù)器的操作系統(tǒng)，選用SQL server 2008作為中心站數(shù)據(jù)庫平臺。SQL server 2008數(shù)據(jù)庫術(shù)語關(guān)系型數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)庫管理、完整性檢查、安全性、一致性方面都有良好的表現(xiàn)［6］。中心站的數(shù)據(jù)庫總體關(guān)系型設(shè)計如圖3。

對于雷達(dá)視頻、AIS數(shù)據(jù)文件、CCTV回放等比特型大規(guī)模數(shù)據(jù)，不適合放入數(shù)據(jù)庫中直接存儲。在本系統(tǒng)中，在數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)根據(jù)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(jù)時間、地點(diǎn)等要素，對客戶提供回放功能。

3　系統(tǒng)設(shè)計運(yùn)行特點(diǎn)

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(biāo)環(huán)境信息和海洋環(huán)境信息應(yīng)能一致和同步，即在任何時間對于相同的目標(biāo)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(biāo)環(huán)境和海洋環(huán)境的信息要素。

圖3　系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫關(guān)系型設(shè)計

3.2按需保障

各級信息綜合處理系統(tǒng)可根據(jù)保障模式、使用權(quán)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(biāo)環(huán)境和海洋環(huán)境信息，有效控制信息的分發(fā)內(nèi)容和分發(fā)范圍。

3.3按區(qū)處理

按照信息保障任務(wù)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(biāo)環(huán)境和海洋環(huán)境信息處理的責(zé)任區(qū)。信息綜合處理系統(tǒng)負(fù)責(zé)處理本責(zé)任區(qū)內(nèi)的所有海上目標(biāo)環(huán)境和海洋環(huán)境信息，形成本責(zé)任區(qū)綜合信息。

3.4隨遇接入

實(shí)時信息獲取平臺和信息綜合處理系統(tǒng)之間應(yīng)能

依托綜合通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無縫互連和信息的自動交換，能就近接入網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、自動選擇網(wǎng)絡(luò)路徑，盡量提高各系統(tǒng)對接入地點(diǎn)、接入方式的自適應(yīng)性，以此保障信息獲取平臺不隨系統(tǒng)接入點(diǎn)、接入方式的變化而變化，保持信息交換關(guān)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(biāo)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(hù)。

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(guān)信息綜合處理系統(tǒng)可互相接替。依托綜合通信網(wǎng)絡(luò)，采用具有多路由迂回能力的通信網(wǎng)絡(luò)，設(shè)置能夠?qū)崟r接替和異地備份的信息綜合處理系統(tǒng)，采取網(wǎng)絡(luò)管理控制手段，使信息綜合處理系統(tǒng)具備較強(qiáng)的抗毀生存能力。

4　結(jié)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(xiàng)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(shù)據(jù)庫和重放子系統(tǒng)，最后介紹了本系統(tǒng)的設(shè)計運(yùn)行特點(diǎn)。通過本系統(tǒng)的構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)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(zhǔn)確地掌握海洋環(huán)境運(yùn)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(jī)構(gòu)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(yuǎn)的意義。

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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(jī)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(xiàn)標(biāo)志碼:A

中圖分類號:TN95