海底有纜觀測站數(shù)據(jù)采集、管理系統(tǒng)設計與海底運行驗證

高世陽，李智剛，孫 凱

（1.海軍裝備部駐天津地區(qū)防救軍事代表室，天津 300042；2.中國科學院沈陽自動化研究所，遼寧 沈陽 11006）

海底有纜觀測站數(shù)據(jù)采集、管理系統(tǒng)設計與海底運行驗證

高世陽1，李智剛2，孫 凱2

（1.海軍裝備部駐天津地區(qū)防救軍事代表室，天津 300042；2.中國科學院沈陽自動化研究所，遼寧 沈陽 11006）

文中設計了一套用于海底觀測網(wǎng)的信息采集系統(tǒng)。提出了一種基于事件觸發(fā)和定時驅(qū)動相結合的通過光網(wǎng)傳送IP包的信息監(jiān)控系統(tǒng)運行機制；提出了由岸站監(jiān)控中心層、光傳輸主干層、海洋數(shù)據(jù)采集層組成的監(jiān)控和信息采集監(jiān)控系統(tǒng)總體構架；設計了通訊控制策略及自定義的通訊協(xié)議。采用該信息采集系統(tǒng)的海底觀測網(wǎng)在試驗海域進行了海底布放。經(jīng)過8個月的海底連續(xù)運行，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)運行穩(wěn)定，能夠正確地采集海洋傳感器和自身系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)。

海底觀測網(wǎng)；信息采集監(jiān)控；通信設計；海底連續(xù)運行

海洋覆蓋了地球超過70%的表面積，但是到目前為止，人們對于地球系統(tǒng)構成的認知還很有限。很大程度上由于人類活動的緣故，大洋氣候、環(huán)流、化學成分已經(jīng)發(fā)生改變，海洋生物正在以驚人的速度減少。所以，通過科學手段，增加人們對于海洋環(huán)境現(xiàn)狀的認知，對于海洋保護及人類自身都十分重要[1]。作為一種全新的海洋研究手段，海洋有纜實時觀測將使我們對海洋的認知手段發(fā)生革命性的變化[2-4]。海底觀測網(wǎng)是一種典型的海洋有纜實時有纜觀測系統(tǒng)。與浮標和船基觀測相比，海底觀測網(wǎng)因其能夠連續(xù)、實時、近距離的觀察和采集海洋生態(tài)數(shù)據(jù)，成為目前海洋科學研究的熱點[5]。海洋科學正在從“考察”進入“觀測”的新時期。海底觀測系統(tǒng)作為繼地面、洋面和空間之后觀測地球系統(tǒng)的第三個平臺，將為海洋各個領域開啟學科發(fā)展的新途徑[6]。世界海底觀測網(wǎng)技術發(fā)展迅速，美國、加拿大、歐洲、日本等均已建成自己的海底觀測網(wǎng)。其中最著名的是海王星 (North-East Pacific Time-Series Undersea Networked Experiment，NEPTUNE)，即“東北太平洋連續(xù)記錄海底試驗網(wǎng)”。我國海底觀測網(wǎng)發(fā)展較晚，本文設計并實現(xiàn)的信息采集系統(tǒng)實現(xiàn)了水下攝像體系、ADCP、水質(zhì)儀、熱感應儀、聲通訊機等海洋觀測設備數(shù)據(jù)的實時采集；實現(xiàn)了岸基站對水下觀測系統(tǒng)運行狀態(tài)的實時監(jiān)控。

1 海洋信息采集、監(jiān)控系統(tǒng)總體設計

如圖1所示，海底觀測示范網(wǎng)信息采集、監(jiān)控系統(tǒng)為三個層次，分別是陸地綜合信息處理層、信息傳輸主干層、海洋信息獲取層。陸地綜合信息獲取層運行于岸站內(nèi)，信息傳輸主干層和海洋信息獲取層運行于海底主接駁盒和次級接駁盒內(nèi)。基于水下接駁技術來完成電能和信息集中、轉(zhuǎn)換、處理的裝置，稱為接駁盒[7]。接駁盒內(nèi)有密封耐壓艙體，通過水密接插件傳輸電能和數(shù)據(jù)。圖1（a）所示為南海觀測示范網(wǎng)主接駁盒，圖1（b）所示為次級接駁盒。

陸地綜合信息處理層包括互聯(lián)網(wǎng)管理單元、觀測網(wǎng)管理單元。互聯(lián)網(wǎng)管理單元的功能是接收并處理通過換聯(lián)網(wǎng)接入的遠程指令、請求及其他數(shù)據(jù)服務，如下載某些海洋數(shù)據(jù)，在線觀看海底影像等；觀測網(wǎng)管理單元的功能是實時監(jiān)控海底觀測網(wǎng)各個分系統(tǒng)的運行狀態(tài)信息，如某一功能或結構單元的輸入電壓、運行電流、溫度、絕緣情況等。觀測網(wǎng)管理單元的另一個重要功能是和信息傳輸主干層及海洋信息獲取層進行實時雙向通訊，將海洋數(shù)據(jù)采集到岸站或者向下發(fā)出指令。信息傳輸主干層和海洋信息獲取層所有電子元件均裝載于主接駁盒和次級接駁盒的電子艙內(nèi)。

圖1 接駁盒實物圖

信息傳輸主干層貫穿岸站及主、次接駁盒，以光纖作為傳輸介質(zhì)，應用Ethernet IP技術、自定義通訊協(xié)議等技術手段，搭建信息傳輸?shù)闹鞲傻繹8]。海洋信息獲取層由各種物理、化學等傳感器組成，應用各種自定義不同的數(shù)據(jù)接口協(xié)議獲取傳感器數(shù)據(jù)。

圖2 海洋信息采集、監(jiān)控系統(tǒng)總體結構

按照圖2信息采集、監(jiān)控系統(tǒng)總體設計，海底觀測示范網(wǎng)采用如圖3的組成實現(xiàn)系統(tǒng)功能。岸站包括刀片式服務器、防火墻、瘦客戶服務器、系統(tǒng)監(jiān)控計算機、海洋數(shù)據(jù)可視化顯示系統(tǒng)組成，實現(xiàn)陸地綜合信息處理層的功能；信息傳輸主干層包括光以太網(wǎng)交換機、視頻以太網(wǎng)服務器、串口以太網(wǎng)服務器、數(shù)據(jù)處理邏輯控制器和自行研制的系統(tǒng)運行狀態(tài)檢測板。海洋信息獲取層包含主要包含各種海洋物理、海洋化學、海洋圖像傳感器。南海海底觀測網(wǎng)示范網(wǎng)安裝了ADCP、水質(zhì)儀、熱感應儀、聲學設備等海洋傳感器[9]。

圖3 海底觀測示范網(wǎng)信息系統(tǒng)組成圖

2 陸地綜合信息處理層設計

陸地綜合信息處理層是海底觀測網(wǎng)的信息管理系統(tǒng)和安全監(jiān)控系統(tǒng)。信息管理主要包括視頻圖像、海洋觀測儀器數(shù)據(jù)、系統(tǒng)運行狀態(tài)數(shù)據(jù)的分類、存儲、更新及發(fā)布。信息安全主要包括網(wǎng)絡訪問權限管理、數(shù)據(jù)訪問管理、數(shù)據(jù)下載管理等。在刀片式服務器內(nèi)建立Oracle Server數(shù)據(jù)庫，存儲的數(shù)據(jù)類型包括視頻格式.avr，.mpeg4，音頻格式wma，mp3，數(shù)據(jù)格式包括mat，dat等[10]。圖4所示為南海海底觀測網(wǎng)綜合信息監(jiān)控站畫面。圖5為綜合信息存儲站-刀片式服務器。

3 信息傳輸主干層設計

3.1 信息傳輸主干層通訊構架及協(xié)議

信息傳輸主干層主要運行于接駁盒的電子艙內(nèi)。電子艙是密閉的結構體，材料為不銹鋼316。電子艙與艙外通過水密接插件進行電能和信息的傳輸。電子艙如圖6所示。

圖4 綜合信息監(jiān)控站運行畫面

圖5 刀片式服務器

圖6 接駁盒內(nèi)電子能

海底觀測網(wǎng)信息傳輸系統(tǒng)在路徑上分為干路和支路。干路以光纖作為信息傳輸介質(zhì)，傳輸數(shù)據(jù)量峰值可達1 Gbps[11-12]；支路以網(wǎng)線作為傳輸介質(zhì)，數(shù)據(jù)帶寬為100 Mbps/10 Mbps自適應。干路通訊管理及傳輸設備為光以太網(wǎng)交換機；支路通訊傳輸設備為以太網(wǎng)控制器和串口/以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器。以太網(wǎng)控制器連接串口/以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器和系統(tǒng)運行狀態(tài)檢測板，串口/以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器連接物理、化學海洋數(shù)據(jù)觀測設備。圖7所示為傳輸主干層架構。

通訊協(xié)議采用OSI開放式系統(tǒng)互聯(lián)7層協(xié)議。協(xié)議結構如圖8所示。最頂層的應用層設計了自定義的數(shù)據(jù)結構，用來完成海底觀測網(wǎng)特定的數(shù)據(jù)服務[12]。

圖7 傳輸主干層架構圖

圖8 海底觀測網(wǎng)通信協(xié)議

3.2 信息傳輸主干層通訊策略

考慮到海底觀測網(wǎng)的實際應用需求，海底觀測網(wǎng)主干層通訊采用基于事件觸發(fā)和定時觸發(fā)相結合的通訊策略。基于事件觸發(fā)策略主要用于監(jiān)控海底觀測網(wǎng)自身運行的狀態(tài)，比如檢測系統(tǒng)的輸入電壓、電流、功率，檢測整個供電系統(tǒng)的安全狀況，如絕緣、漏水檢測、溫度檢測等。當有某一指標超過安全值時，就形成一個“事件”，該事件便會觸發(fā)觀測網(wǎng)信息采集、監(jiān)控系統(tǒng)應激反應，進行故障隔離和恢復。對于來自internet的數(shù)據(jù)下載請求等事件也是通過事件觸發(fā)機制進行相應；定時觸發(fā)的通訊策略主要用于海洋數(shù)據(jù)的采集、更新數(shù)據(jù)庫及監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)、存儲海洋數(shù)據(jù)等功能。海洋數(shù)據(jù)主要由傳感器進行采集，如何獲取有效時間間隔的海洋數(shù)據(jù)是海洋觀測根本需要。南海海底觀測示范網(wǎng)的所有海洋數(shù)據(jù)的時間間隔均不超過100 ms，可以滿足海洋科學家獲得“長期、連續(xù)”海洋數(shù)據(jù)的需求。通訊策略示意圖如圖9所示。

圖9 通訊策略示意圖

3.3 自定義數(shù)據(jù)結構

在OSI開放式系統(tǒng)互聯(lián)7層協(xié)議的應用層，根據(jù)海底觀測網(wǎng)數(shù)據(jù)通訊的需要及海洋觀測設備的特點，設計了自定義的數(shù)據(jù)結構進行信息傳輸。從圖10可以看出，自定義數(shù)據(jù)結構在海底觀測網(wǎng)信息采集系統(tǒng)的三層構架中均有出現(xiàn)。

圖10 自定義數(shù)據(jù)結構使用情況圖

陸地綜合信息處理層的一個重要功能是顯示系統(tǒng)運行狀態(tài)。通訊主干層通過UDP協(xié)議將系統(tǒng)運行狀態(tài)信息包含于自定義格式數(shù)據(jù)保內(nèi)，圖11所示以陸地綜合信息處理層為例說明該層的自定義數(shù)據(jù)結構形式。

圖11 自定義數(shù)據(jù)格式示例

4 海洋信息獲取層通信設計

海洋信息獲取層通信設計包括兩部分，一是如何獲取海洋信息，二是獲取海洋信息之后如何處置。在獲取海洋信息方面，由于海洋觀測設備復雜多樣，每種觀測設備數(shù)據(jù)類型和格式不盡相同。以南海海底觀測網(wǎng)為例，海洋觀測設備的數(shù)據(jù)類型包括RS232，RS485，RS422，PAL制式視頻等。為了便于獲取數(shù)據(jù)及統(tǒng)一管理，海底觀測網(wǎng)全網(wǎng)采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式，即以太網(wǎng)格式。為此，系統(tǒng)采用了串口/以太網(wǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和視頻編碼器，將不同類型數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)數(shù)據(jù)，為每一個海洋信息采集設備分配唯一的IP地址及MAC地址，統(tǒng)一采用UDP協(xié)議進行通信。在陸地綜合信息處理層，為方便研究人員應用海洋數(shù)據(jù)，又將以太網(wǎng)數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換為.dat，.avi，.mpeg4等類型，進行存儲及提供下載服務。

圖12 本系統(tǒng)安裝的部分海洋觀測設備

5 系統(tǒng)海底實際布放及連續(xù)運行檢驗

采用本文設計的海洋信息采集、監(jiān)控系統(tǒng)的海底觀測網(wǎng)已于2013年5月份鋪設于我國海域并經(jīng)過了6個月的連續(xù)運行檢驗。運行結果表明，海底觀測示范網(wǎng)信息采集、監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)了設計目標的要求，具體如下：

信息采集監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)控海底觀測網(wǎng)系統(tǒng)運行狀態(tài)，能夠通過信息采集監(jiān)控系統(tǒng)遙控海底接駁盒內(nèi)繼電器、開關等動作；信息采集監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崟r采集海底物理、化學數(shù)據(jù)并在陸地綜合信息處理層實時顯示；信息采集監(jiān)控系統(tǒng)能夠存儲海洋數(shù)據(jù)及海底觀測網(wǎng)自身運行狀態(tài)數(shù)據(jù)。圖13為主播接駁盒南海布放，圖14為岸上監(jiān)控室監(jiān)控計算機主界面。圖15為海洋觀測設備（水質(zhì)儀）的數(shù)據(jù)實時顯示畫面。

圖13 主接駁盒海上布放照片

圖14 海底觀測網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)界面

圖15 水質(zhì)儀數(shù)據(jù)實時顯示窗口

6 結束語

海底觀測示范網(wǎng)實現(xiàn)了能源供給系統(tǒng)、信息管理系統(tǒng)、電能傳輸、接駁盒技術等觀測網(wǎng)最小系統(tǒng)設計及實現(xiàn)；實現(xiàn)了海洋觀測設備的入網(wǎng)及數(shù)據(jù)傳輸；實現(xiàn)了系統(tǒng)的海上布放、維護等施工作業(yè)過程。經(jīng)過從海底布放到如今的連續(xù)運行檢驗，本文所研究的信息采集監(jiān)控系統(tǒng)運行現(xiàn)狀良好，完成了監(jiān)控、保護觀測網(wǎng)系統(tǒng)自身和構建信息傳輸管理通道的要求。

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Design and Operational Testing of the Data Acquisition and Management System of Seafloor Cabled Observatories

GAO Shi-yang1,LI Zhi-gang2,SUN Kai2
1.Military Representative Office of Navy Equipment Department of Salvage in Tianjin Area,Tianjin 300042,China; 2.Shenyang Institute of Automation,Shenyang 110016,Liaoning Province,China

A set of information acquisition and monitoring system is designed for seafloor observatory network, and a kind of monitoring system and its operational mechanism are presented in this paper,which transmits IP packets through optical network based on the combination of event-triggered and timing-driven devices.In addition,the overall framework of the monitoring and control system is put forward,which is composed of the shore station control center layer,the optical transmission backbone layer,and the marine data acquisition layer. This paper also designs the communication control strategies and custom communication protocols.The seafloor observatory network with this information acquisition and monitoring system has been placed on the seabed in the experimental sea area.After 8 months of continuous operation under the sea,this system has been running in a stable state,capable of correctly collecting data both of marine sensors and its systems.

seafloor observatory network,information acquisition and monitoring,communication design, continuous seafloor operation

P715

A

1003-2029（2017）03-0034-06

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.03.007

2017-05-30

高世陽（1979-），男，碩士，工程師，主要研究方向為海洋技術。E-mail：zhangzhenvip2011@sina.com