海洋监测作业系统

海洋监测作业系统（精选八篇）

海洋监测作业系统 篇1

浙江省海洋与渔业局于2011年正式启动“浙江省近岸海域浮标实时监测系统建设”项目, 计划在5年内基本建成能覆盖浙江省近岸海域的浮标实时监测系统, 以获取常规水文、气象、水质 (含营养盐) 、海洋生物以及油类等参数数据, 为海洋生态环境保护和防灾减灾提供决策支撑, 为社会公众提供海洋生态环境状况实时信息服务, 为节能减排提供环境基础资料。本文在查阅历史文献资料的基础上, 介绍了国内海洋浮标监测系统的类型、系统组成、监测资料的质量控制和应用概况, 为“浙江省近岸海域浮标实时监测系统建设”以及国内同类项目建设提供技术参考。

1 海洋浮标监测系统的类型

1.1 按大小划分

按浮体大小可划分为大型浮标、中型浮标、小微浮标。大型浮标, 直径通常大于或等于10m, 造价高, 容量大、寿命长、抗恶劣环境、抗破坏性强, 适合长期定点测量。中型浮标, 直径通常为1~5m, 造价较低、运输、布放和维护方便, 适用于近岸海域水文气象或短期专题监测。小微浮标, 直径通常在1 m以下, 体积小、重量轻、成本低, 便于快速布放回收, 也可用于一次性抛弃式波浪监测。

1.2 按功能划分

按浮标主要功能用途可划分为水文气象浮标、水质浮标、导航浮标、波浪浮标、海洋光学浮标、海冰浮标、声呐浮标、通信浮标等。

1.2.1 水文气象浮标

海洋水文气象浮标通常是指直径不小于10m, 能够全天候、连续、自动采集和传输海上水文气象资料的圆盘型浮标[8], 监测系统由浮体、锚系和岸站接收装置组成, 浮体上承载各类传感器。主要观测项目包括:风向、风速、气温、湿度、气压、降水、能见度、水温、盐度、波浪、海流、叶绿素和浊度等。观测资料可用于长期和短期的天气预报、海象预报以及自然灾害 (如飓风、海啸) 警报等[9,10,11,12]。在海洋环境监测中, 海洋水文气象浮标是世界上应用最早, 也是使用数量最多的一类浮标。回顾世界各国海洋浮标的发展历史, 几乎无一例外都是从研制水文气象浮标起步的[1]。我国海洋水文气象浮标监测系统研制起步最早, 技术也最为成熟, 目前尚在服役期的海洋水文气象浮标监测系统多为山东省科学院海洋仪器仪表研究所研制。因浮体较大, 可加载多种仪器设备, 在开展海洋综合监测应用方面潜力较大, 例如可开展定点定位水文气象业务监测, 或者可作为一些特殊仪器设备的海上工作平台等。

1.2.2 水质浮标

水质监测浮标是一种监测海洋环境和海洋水产养殖区水质污染状况的浮标系统, 由浮标、锚系和接收站等部分组成, 监测要素包括磷酸盐、硝酸盐、亚硝酸盐、氨氮、盐度、pH、溶解氧、水温等, 可自动完成数据实时采集、处理、存储及传输。浮标上还可以加载叶绿素、浊度、深度、电导率等监测仪器, 用于海洋环境污染监测、港湾工程、水产养殖、赤潮预报以及海洋研究[13,14,15,16]。国家海洋技术中心和国家海洋环境监测中心等单位对海洋水质浮标监测系统的研制开发做了大量工作。

1.2.3 导航浮标

导航浮标是保障海上船舶安全航行的重要设施, 为海上船舶在夜间或雾天、阴天等恶劣条件下提供可视信号, 为海上船舶安全导航。通常由浮体、塔架、锚泊系统、导航设备和动力系统组成。导航浮标多为大型浮标, 浮体直径一般大于10m, 布置于航道的两侧, 当能见度低于某一设定值时, 航标灯将以某一个相同的闪烁频率同步导航。浮标塔架上还可以加载某些测量仪器, 以搜集海洋水文气象数据资料[17,18,19]。导航浮标的主要用途是为船舶安全航行导航, 船舶碰撞、台风过境都会造成的其位置偏移, 为船舶安全航行造成威胁。因此, 导航浮标的定位和偏移报警成为其开发研究的关键技术。中山市探海仪器有限公司以中国科学院南海海洋研究所从事浮标研究的技术班底为骨干, 开展浮标的研究和设计制造, 实现了导航浮标的产品化生产。

1.2.4 波浪浮标

波浪浮标是一种无人值守的能自动、定点、定时 (或连续) 地对海面波浪的高度、波浪周期及波浪传播方向等要素进行遥测的小型浮标测量系统[20], 主要由浮体、锚系和岸站3部分组成。浮体多为椭球形, 直径通常在1m以下, 承载波高倾斜一体化传感器、数据发射机、发射天线、电池和锚灯;锚系多采用单U形环系留结构, 便于水面浮体的固定;岸站部分包括岸站接收机和上位机, 用于监测数据的接收、处理[21,22]。波浪浮标可以实现对海洋波浪的长期、实时、定点观测, 目前主要用于近海海洋监测站、近海海洋工程测量及海洋调查考察等领域。中国科学院南海海洋研究所、中国海洋大学、山东省科学院海洋仪器仪表研究所等单位对波浪浮标都进行了比较深入的研究和探索, 取得了丰富的成果和宝贵的经验, 并已实现产品化生产, 如SZF型波浪浮标和OSB系列波浪浮标。

1.2.5 海洋光学浮标

海洋光学浮标是对海洋光学特性进行时间序列上的综合性检测的一种工具, 由标体系统、通信系统、锚系和岸站接收中心组成。为减小浮标体及其上层建筑的阴影效应对光辐射测量的影响, 保证高海况条件下浮标体的稳定性, 中国科学院南海海洋研究所研究设计出了由子、母浮标组成的海洋光学浮标监测系统[23], 母标体直径2~2.8m, 子标体略小;承载的主要设备是光学仪器, 可用于连续观测海面、海水表层、真光层乃至海底的光学特性, 以获取相应层面的太阳辐射高光谱数据;也可加载实时图像监测系统, 实现海面与水体实时采集数据的图像可视化[24]。海洋光学浮标在海洋水色遥感现场辐射定标和数据真实性检验、海洋科学观测、近海海洋环境监测和海洋军事科学方面有着重要的应用价值。

1.2.6 海冰浮标

海冰浮标是一种能够在北极和南极海域进行海洋环境监测的重要技术装备, 由浮体、锚系和传感器组成[4]。浮体直径小于1m;气象传感器安装在冰面以上, 温盐深传感器分别安装在冰下5m、25m和50m深处;锚系配重, 以减少水下系统的漂移[25]。该浮标可以在恶劣环境下实现无人值守的全天候、全天时、长期连续观测, 不仅可以监测海 (冰) 气交换界面的环境参数 (如表层冰温、气温、气压、风向、风速) , 还可监测水下环境剖面参数 (如温度剖面和盐度剖面) ;对于研究海冰生成与融化过程的环境条件、探测极区的气象与水文参数、追踪浮冰的漂流方向和路径以及对洋流的研究均具有重要价值[26]。我国在海冰浮标的开发和应用方面均投入了大量科研力量, 推动了极地海冰浮标观测研究的进程, 如2003年国家海洋技术中心就在北极布放了自行研制的极区卫星跟踪水文气象观测浮标, 并取得了宝贵连续的海冰和气象等数据资料[27]。

1.2.7 声呐浮标

声呐浮标是探测水下目标 (潜艇) 的浮标式声呐仪, 是一种水声遥感探测器。它与浮标信号接收处理设备等组成浮标声呐系统, 用于军事领域航空反潜探测和固定声呐监视系统对水下潜艇的预警。声呐浮标通常分为航空声呐浮标和锚系声呐浮标两大类。航空声呐浮标装备于反潜巡逻机、反潜直升机和某些水上飞机上, 由机上的投放装置以一定阵式逐个有序地布放在潜艇可能存在的区域四周, 或遮拦在其航线前, 形成浮标阵;反潜机布标后, 在浮标区上空盘旋, 监听浮标发来的信号, 可获知某个浮标附近是否存在潜艇, 并测得其位置和运动信息。航空声呐浮标又分为主动式和被动式两种, 一般初始探测时主要使用被动浮标, 进入攻击阶段再使用主动浮标对目标精确定位[28]。锚系声呐浮标是在航空声呐浮标的基础上发展起来的, 由飞机或舰船布设锚定于海底, 用于弥补固定声呐监视系统的探测盲区。中船重工集团第715研究所和海军航空工程学院为我国声呐浮标的研制和应用做了大量工作。

1.2.8 通信浮标

通信浮标 (拖曳浮标) 作为潜艇在水下实现和外界通信的媒介, 是一种典型的通过一种组合的系留/传输线与潜艇相连接的水面下方的运载工具, 可实现潜艇与战斗群的信息互通, 大大提升潜艇的隐蔽通信功能[29]。另一种通信浮标, 主要由浮体、锚系组成, 用以完成水下测量装置与水面舰船平台或岸基平台之间的数据传输和指令中继[30]。

1.3 按锚系划分

按是否有锚系, 可以划分为有锚系留浮标、无锚浮标。有锚系留浮标多为大型浮标, 如导航浮标、水文气象浮标、水质浮标等, 锚系置于海底, 用以浮标定位, 防止走标;少数为中小型浮标, 锚系悬浮于水体中, 用以浮体的定位和减少水下系统的漂移, 如波浪浮标和海冰浮标。无锚浮标, 浮标没有锚系, 悬浮于水体之上, 在指令控制下上下运动, 如潜艇通信浮标, 可通过系留/传输线与潜艇相连接, 实现信息传输。

2 海洋浮标监测系统组成

海洋浮标监测系统通常由浮标系统、锚泊系统和岸站系统3部分组成。

2.1 浮标系统

包括浮体、标架、供电设备、防护设备和各类传感器等。

2.1.1 浮体

浮体是塔架和各类仪器设备在海上的承载体, 形状有圆盘形、圆柱形、船形、球形、椭球形、圆台形等[31]。考虑到牢固耐用和减轻自身重力, 浮体材质多采用复合型材料, 如造船钢 (3C) 、PVC、铝合金、超强离子聚合胶、玻璃钢等, 且除设备舱外其他舱室均填充浮力材料。目前浮体生产已经实现国产化, 如国家海洋技术中心、山东省科学院海洋仪器仪表研究所、中船重工集团第715研究所 (杭州应用声学研究所) 等科研单位已经有浮体产品化生产。今后的研究重点要向质轻、防腐、防生物附着、耐用等方向发展。

2.1.2 标架

标架通常采用普通钢 (A3) 、不锈钢材质, 上面安装气象传感器、警示灯、GPS定位仪、雷达反射器、太阳能电池板等。近年来又选用铝合金材料, 在确保标架坚固耐用的同时减轻标体重量。

2.1.3 供电系统

浮标通常被布放于远离岸边的海水中, 这就要求其具有独立的供电系统。小型浮标一般配备一次性锂-锰干电池或碱性电池提供能量。中型浮标均采用太阳能电池和蓄电池组合供电, 例如厦门湾海洋水质在线监测浮标配置3块MSX20R型海洋级超强太阳能电池板, 储电系统选用100AH/20HR LCX1265CH型高性能蓄电池, 整个系统由太阳能电池板、保护电路和蓄电池组成。大型导航浮标因其结构和功能特点而采用柴油发电机供电, 同时也配备蓄电池组。当前的常规方式是为海洋浮标监测系统配备太阳能电池, 考虑到阴雨天气和风浪的影响, 除常规太阳能电池以外, 还可以考虑研制配备风力发电机、波浪发电机等, 采用风光波能互补供电, 保障海上长期阴雨天气、恶劣海况下的不间断供电。

2.1.4 防护设备

为避免浮体及设备受外力 (如渔船) 冲击而损坏, 在标架上安装警示灯和雷达反射器, 同时在浮体最大直径外围及标架周边设置防撞橡胶圈。为能实时掌握浮标锚泊位置, 浮标上还装有GPS卫星定位系统, 浮标一旦发生漂移或丢失, 可及时到现场修正或按移动轨迹找寻。

2.1.5 防污损措施

为避免和减少海水侵蚀和生物附着对浮体的负面影响, 保障正常工作, 对浮体及水下仪器和锚系进行防污损处理是十分必要的。传统的做法是涂覆防污涂料, 如氧化亚铜、氧化汞等无机毒物和有机锡化合物、有机铅等[32]。近年来, 通常采取对浮标水线以下部分设置牺牲阳极进行阴极保护的措施[33], 并对浮标全部外表面进行喷铝防腐处理, 在浮标下水前, 水线以下表面涂覆长效防污漆, 以防止海洋生物的附着。对浮标系统进行定期维护并清除附着生物也是一种有效的防护办法。

2.1.6 传感器

不同功能的浮标承载不同类型、不同数量的传感器。水文气象浮标承载水文气象传感器, 可监测风速、风向、气压、气温、流速、流向、水温等参数;水质浮标承载水质、营养盐传感器, 可监测水温、pH、盐度、溶解氧、营养盐 (磷酸盐、硝酸盐、亚硝酸盐) 、氨氮等参数, 还可以加测浊度、叶绿素和蓝绿藻等参数。此外, 一些专项浮标承载温盐传感器、波浪传感器、光学仪器等, 可获取深海温盐剖面数据、波浪数据、海洋光学特征数据等。目前, 光照、水深传感器已经实现国产化生产, 但水质、气象、营养盐传感还主要依赖进口, 如美国Wetlabs公司生产的水质和磷酸盐传感器, 芬兰Vaisala公司的六要素气象传感器, 意大利Systea公司生产的三通道 (氨氮、硝氮和亚硝氮) 传感器。进口传感器不仅价格昂贵, 且试剂更换、仪器检修周期长, 一旦发生故障, 容易造成监测中断。虽然水质、气象、营养盐传感器也有国内产品, 但相关技术参数与国际先进水平相比还存在一定差距, 还需要国内相关科研单位继续努力。

2.1.7 数据采集、存储和传输

海洋浮标监测系统数据采集普遍采用了高可靠性、低能耗微处理机作为数据采集控制的核心, 各传感器在指令控制下开展自动、长期、连续监测数据的采集, 如美国Campbell Scientific Instrument公司的CR10X型测试与控制系统。浮标上装有大容量存储卡或存储硬盘, 可将各测量项目采集的数据进行快速存储。浮标的数据传输系统主要采用无线通信方式, 目前应用较多有:GSM、CDAM和GPRS通信方式、Inmarsat-C海事卫星以及铱星卫星通信方式。海洋浮标监测系统的数据采集与传输可同时进行, 数据传输采用加密模块处理, 确保数据传输安全, 通过数据软件可浏览实时数据、报表;存储系统可采用太阳能和电池双相供电, 不会因连续阴雨天气造成数据丢失;快闪存储器容量大, 并可根据要求扩展容量, 确保数据的存储安全。一旦遇到恶劣天气, 可通过主控平台切断数据传输, 但数据采集、存储仍能正常工作, 不会造成恶劣天气时的数据漏测。

2.2 锚泊系统

锚泊系统由锚、锚链和系链环组成, 它是浮标定位的重要设施。大型导航浮标定位常采用钢筋混凝土锚旋和大抓力锚, 以防止走锚。中型水文气象、水质监测浮标通常采用全锚链单点系泊, 锚锭为水泥沉块或钢锭, 以钢丝绳或有档铸钢锚链与浮体相连。也有少数采用三锚系留, 以加强浮体的稳定性。锚泊系统的设计经验性很强, 不只与锚、链组成有关, 更与所投放浮标海域环境有关。海况良好的海域, 风浪较小, 锚由缆绳或钢丝绳系留固定;海况恶劣的海域, 风浪大, 除了增加锚重外, 还要考虑选用弹性锚链系留, 以缓冲风浪的冲击力, 确保锚泊系统位于预定区域。淤泥底质海域可选用三叉抓锚, 便于锚系抓陷固定;砂石底质海域通常选用锚定固定, 可以是单锚、双锚或多锚。

2.3 岸站系统

岸站系统由岸站计算机、卫星通信机、打印机和电源等设备组成, 完成浮标传输数据的接收、处理和存储。按照通信方式可分两类:一类是短波通信接收岸站, 接收短波通信机发来的信息, 如FZF2-1型及FZF2-2型海洋资料浮标系统的接收岸站;另一类是卫星通信接收岸站, 如FZF2-3型浮标和水质监测浮标的接收岸站。

3 海洋浮标监测数据的质量控制

浮标承载的各类仪器设备和传感器受海水侵蚀、生物附着污染、渔船等外力碰撞, 容易导致传感器灵敏度受损, 使监测值产生较大偏差。因此, 必须对浮标监测数据进行质量控制。国际Argo计划资料组根据不同的Argo资料用户, 建立了两个资料质量控制模式:实时质量控制模式和延时质量控制模式。由于实际海况的复杂多变, 这两种模式在实际应用时都需要进行完善和订正。

水质监测浮标数据质量控制方法研究较少, 目前普遍采用的一种方法是进行比对监测和偏差分析, 即人工现场监测与浮标监测同时进行, 再将两种方法获取的数据进行偏差分析。张彩云等以厦门西海域水质自动监测浮标采集的叶绿素资料为例, 通过建立域值初检验、异常值检验和均方差检验剔除其中的不良数据, 同时采用现场调查对浮标叶绿素资料进行验证, 结果表明二者的变化趋势相当一致, 但浮标测量的叶绿素值只约为现场叶绿素值的1/2。孙喜艳等选取温度、风向和风速3个参数, 计算偏差, 进行比对分析, 结果表明:现场测定温度高于浮标测定值, 而风速稍小于浮标测定值, 风向的转变比较一致[12]。

4 海洋浮标监测资料的应用

我国目前已完成投放的浮标种类多, 数量大, 每年获取的监测数据也非常丰富, 浮标监测数据的应用自然成为一个重点也是一个难点。近年来, 我国利用参与国际Argo计划的机会, 利用Argos漂流浮标资料对南海、东海和西太平洋黑潮入侵的主要特征及其季节变化进行了较好的研究, 对海流水团变化、海水温-盐度分布特征、混合层深度变化、反气旋涡特征、水层对台风过境的响应等的也进行了较好的研究。

近几年, 山东、广东、广西、海南、天津、浙江等沿海省、市、自治区陆续在所辖海域投放了水质在线监测浮标, 对其监测资料也进行了一些探索应用, 但研究成果较少, 难度也较大。目前仅在应用浮标监测资料进行赤潮预报方面取得了较好的效果[16], 赤潮暴发前往往会出现一些前兆, 如溶解氧、pH值会出现增加的趋势, 叶绿素会出现较大波动的异常现象, 再监测浮游生物量是否出现异常现象, 就可进行赤潮发生情况的判断, 进行预警预报。集水文气象水质传感器于一体的多参数监测浮标资料的应用还有待进一步研究。

摘要：文章介绍了国内海洋浮标监测系统的类型、系统组成、监测资料的质量控制和应用概况。将国内常见的海洋浮标监测系统划分为8个类型。监测系统通常由浮标系统、锚泊系统和岸站系统3部分组成, 其中浮标系统通常包括浮体、标架、供电设备、防护设备和各类传感器等。近年来研制开发集水文气象水质生物监测于一体的多参数海洋自动监测浮标系统是一个重点, 但已有浮标系统监测资料的质量控制和应用还有待进一步研究。

海洋监测作业系统 篇2

区域性海洋灾害监测预警系统研究进展

在探讨海洋环境监测技术的发展趋势,及对区域性海洋灾害监测及预警系统的`总体目标和需求进行分析的基础上,重点阐述了国内外区域性海洋灾害监测预警系统的研究进展情况,并对几个典型的综合监测预警系统进行了详细介绍.

作 者：杜立彬 王军成 孙继昌 DU Li-bin WANG Jun-cheng SUN Ji-chang 作者单位：山东省科学院海洋仪器仪表研究所,山东省海洋环境监测技术重点实验室,山东,青岛,266011刊 名：山东科学英文刊名：SHANDONG SCIENCE年，卷(期)：200922(3)分类号：P71关键词：海洋监测 区域性 海洋灾害 预警

海洋监测作业系统 篇3

随着陆地战略性资源短缺对经济社会发展的制约日益加剧, 海洋成为全世界竞争的新焦点和新热点, 海洋经济正成为沿海国家和地区竞争力评估的一个新指标。辽宁是海洋大省, 辽宁沿海经济带发展战略是国家海洋战略的重要组成部分, 辽宁海洋区位优势和海洋经济发展, 不仅在本省社会经济发展中占有重要地位, 而且在国家海洋强国战略实施中也占有重要地位。但随着海洋经济规模迅速扩大, 制约海洋经济健康发展的因素也日益显现, 特别是对海洋经济的综合管理能力不能适应海洋经济发展需要, 因此, 研究和建设辽宁省海洋经济运行监测与评估系统不仅是辽宁省海洋经济发展的需要, 也是国家整体海洋经济运行监测与评估能力建设的需要。

1 辽宁省海洋经济运行监测与评估系统构建

1.1 系统架构设计

为了充分考虑资源共享, 减少重复开发, 系统采用多层架构体系, 基于中间件技术的分布式软件体系结构, 既符合当今软件技术发展的潮流, 又能很好地满足实际的业务需求, 并具有很好的开放性、可扩展性和可维护性。系统所需的数据以分布方式存放在不同的数据库中, 所有数据均通过数据访问中间件进行访问。

系统逻辑上有四个层次组成, 分别是基础设施层、基础数据层、信息服务层和业务应用层。

1.2 系统运行网络框架设计

系统运行网络涉及到互联网、海洋专网 (数字海洋或海域动态使用监测网) 和电子政务内网三种网络, 为保障数据安全, 三种网络在物理连接上是相互隔离的, 网络终端通过交换设备连接共同的数据库系统。

1.3 系统功能模块

系统功能模块如图1所示。

1.4 系统实现

1.4.1 辽宁省海洋经济运行监测系统

海洋经济运行监测系统主要对涉海企业、涉海部门、用海企业和海洋行政主管部门等多种数据来源的海洋经济数据进行采集和整合利用。

涉海企业数据采集业务系统完成涉海企业海洋经济数据的报送, 涉海部门数据交换业务系统完成涉海部门海洋经济相关数据的获取, 海洋行政主管部门数据上报系统完成各级海洋业务数据的汇总上报, 用海企业数据采集业务系统完成用海企业海洋经济数据的报送, 省中心数据处理系统完成数据的整合、汇总、查询及向国家报送相关数据等功能。

1.4.2 辽宁省海洋经济运行GIS支撑系统

海洋经济运行GIS支撑系统基于GIS理论和方法, 运用二次开发技术结合电子地图数据管理方法, 初步实现海洋经济动态监管管理系统的建设。系统以Orcale作为后台数据库的可视化查询, 建立起清晰、规范、易于用户操作的友好界面。实现海洋经济一张图。海洋经济运行GIS支撑系统主要分为遥感数据及GIS数据处理、海洋经济GIS共享发布、海洋经济GIS展示、海洋经济GIS维护等功能。重点建立基于Web GIS技术的海洋经济运行信息查询, 提供基本查询功能和专项查询功能。基本查询功能为用户部门对数据查阅、校核提供任意条件的查询服务, 确保数据库中的任何表、任何列、任何行的数据都有被查询的机会, 提供必要的单表查询和多表关联查询的功能。专项查询是与海洋经济运行监测和评估业务相关的查询服务。其特点是根据海洋经济运行监测和评估业务主题, 对海洋经济运行基础信息作相关的计算、分析、综合处理, 其结果采用Web GIS技术同空间地理信息绑定, 并以屏幕报表、趋势图形等形式输出。

1.4.3 辽宁省海洋经济评估系统

海洋经济评估系统建设是利用省海洋经济监测数据及其他相关数据, 实现对区域海洋经济、新兴产业、主导海洋产业竞争力、海洋经济影响因素和重大事件的影响分析。对数据进行分析的基础上, 将数据融入研究成果, 实现数据向决策知识的转化。评估系统的评估内容包括:海洋经济总量分析评估、运行特点评估、产业专题评估、区域综合竞争力评估、政策效益评估、海洋经济发展影响评估、发展趋势预测、经济安全评估及预警等辅助决策任务。

2 系统应用的经济和社会效益

海洋经济运行监测与评估系统应用对象为辽宁省及所辖沿海5市1县政府和海洋行政管理部门, 具有较大的技术效益、经济效益和社会效益。技术效益表现在:对海洋经济运行监测与评估系统的研究, 为未来海洋经济发展提供技术支撑, 可在海洋经济运行管理工作中广泛应用。系统实施后, 可为省政府和有关管理部门提供辽宁省海洋经济实时运行数据, 对全省海洋经济运行态势进行准确的分析预测, 为及早发现存在的问题提供切实可行的手段。社会效益表现在:系统建立的理论体系、评估模型、研究方法及管理模式等, 可为辽宁省政府和海洋管理部门制定政策提供依据, 有利于实现海洋经济持续稳定健康发展, 为建设和谐海洋保驾护航。经济效益表现在:通过系统研究和实施, 可以满足海洋经济管理的需求, 将极大减小人为因素的影响, 能够明显降低海洋经济管理成本, 提高管理决策的科学性, 具有极大的经济效益。

3 系统性能总结

为保证系统能够长期、安全、稳定、高效地运行, 系统在设计与开发过程中呈现出了它独特的整体优越性能, 具体体现在以下几个方面:

①系统处理的准确性和及时性:系统设计过程中, 充分考虑了系统当前和将来可能承受的工作量, 使系统的处理能力和响应时间能够满足用户对信息处理的需求。

②系统的开放性和系统的可扩充性:系统开发过程中, 充分考虑了以后的可扩充性。系统可提供足够的手段进行功能的调整和扩充。只要符合一定的规范, 可以简单的加入和减少系统的模块。通过软件的修补、替换完成系统的升级和更新换代。

③系统的易用性和易维护性:软件易安装、易学习、易理解;软件具有可配置能力;用户界面友好、界面风格保持一致;各种提示信息准确, 术语规范;提供联机帮助, 软件操作方便。在系统设计过程中, 充分考虑了因机构设置及业务流程的不断变动而带来的灵活性要求。系统中所有的数据结构、操作界面、打印格式及统计要求等都是可灵活定义的, 以满足业务变化的需要;业务处理功能在一定程度内的增加或变更等需求不会影响系统的体系结构, 并能在最短的时间内实现新的需求。

④系统的标准性:系统的开发过程控制、开发技术、系统编码、文档等遵循规范化, 标准化原则, 符合信息系统开发及网络建设的国家相关行业标准。

⑤系统的容错性:系统对各种误操作和不合理操作具有屏蔽和示警能力, 能屏蔽用户操作错误, 输入数据时能进行有效性检查;具有失效恢复能力及容错性, 故障可追溯。

⑥系统的安全可靠性:系统具有保证监测数据的真实性、完整性、有效性的功能。系统具有操作授权及权限控制, 防止非法侵入, 提供运行日志管理及审计的功能;具备数据备份及数据恢复能力, 数据安全可靠。

4 结束语

按照现行标准、规范的要求, 结合辽宁省海洋经济运行监测与评估管理工作实际, 在辽宁省海洋经济现有信息资源库的基础上, 结合辽宁省海洋经济监测指标体系, 建立海洋经济监测数据逐级审批上报模式, 全面提升海洋经济数据管理和利用的信息化水平, 逐步建立具有海量海洋经济数据管理和安全存储、快速检索利用、大批量信息处理等数据处理和管理能力, 实现针对不同行业、不同类别的海洋经济数据, 运用合理的模型进行评估, 评估结果能利用共同服务平台进行发布, 完成国家建设方案中的“二个平台、四套系统”的建设目标。

通过海洋经济运行监测与评估系统建设, 实现辽宁省省、市、县三级海洋经济运行数据的交换和共享及涉海企业的经济运行数据的数据采集, 进而实现海洋经济评估, 为海洋渔业管理部门提供信息服务和决策支持, 确保全省海洋经济宏观调控的落实。

摘要：文章阐述了辽宁省海洋经济运行监测与评估系统架构、运行网络框架及系统平台组成, 详细论述了海洋经济运行监测系统、海洋经济评估系统、海洋经济GIS支持系统的功能模块。通过模拟测试, 系统表现出优越的性能。通过系统建设, 实现了全省海洋经济数据的“原始”采集, 进而实现海洋经济评估, 为海洋渔业管理部门提供信息服务和决策支持。

关键词：海洋经济运行监测系统,海洋经济评估系统,海洋经济GIS系统,海洋经济运行监测与评估系统

参考文献

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[2]王宏.加强管理促进海洋经济又好又快发展[J].中国国情国力, 2009 (8) :4-7.

[3]钟华.中国海洋经济增长质量评价研究[D].青岛:中国海洋大学, 2008.

[4]许旭.基于“五点一线”的辽宁海洋经济发展战略分析[J].国土与自然资源研究, 2007 (4) :1-3.

海洋监测作业系统 篇4

1系统设计

1.1目标构建

① 有效利用人力和设备资源, 减轻工作人员的压力。LIMS系统集业务流程管理、查询统计、检测资源管理、质量保证及控制等多个模块为一体, 使实验室达到自动化运行、信息化管理和无纸化办公的目的[2]。② 规范实验室的业务流程, 实现仪器校准管理、标准物质管理、人员上岗证管理及库存管理等, 使整个管理体系的运行更趋规范。③ 提高数据的准确性。采用LIMS系统避免了手工抄写与计算误差, 可快速准确地提供数据结果。④ 数据安全、集中式存储和共享。以电子方式安全、集中存储所有实验室数据, 并提供高效、灵活的数据查询能力。⑤ 自动计算与报表自动生成, 为分析决策提供服务。通过LIMS系统可产生大量的报表, 通过直观的图形、报表说明数据结果, 能更方便地为环境管理提供分析决策支持。

1.2结构设计

实验室信息管理系统结构设计见图1。实验室信息管理系统的系统功能设计涉及整个工作流程和实验室相关资源, 应具有设备、人员、业务流程等管理功能。系统结构需设计为监测业务管理、监测资源管理、查询统计和系统管理等几大模块。其中监测资源管理模块分为实验室人员信息模块、仪器设备信息模块、物料及试剂信息模块。

2系统实现

实验室信息管理系统分为基础软件平台和应用子系统两大部分。其中基础软件平台由成熟的商业化软件平台构成, 包括 Microsoft.Net 技术, 以及SQL Server、数据库。基础软件平台提供了应用子系统所需要的基础架构 (infrastructure) ;应用子系统是针对业务的软件模块, 具有完成与检测相关具体业务的功能。在开发平台的基础上通过快速定制开发, 实现与北海环境监测中心实验室需求相匹配的应用系统, 包括的功能有监测业务管理、监测资源管理、查询统计和系统管理。

2.1监测业务管理模块

2.1.1 样品登记

样品登记能自动导入采样人员登记的采样信息, 及时将分析任务流转给具备样品分析权限的分析部门。还能自动导入客户从网上登记的送检信息, 能从EXCEL表格中成批导入样品信息。

2.1.2 接受样品, 判断是否正常

分析部门通过系统接受任务, 并判断样品信息是否正常, 不正常则返回监测部门重新登记, 正常则签字确认并接受样品。

2.1.3 样品监管流转

分析部门接受样品后, 根据不同的分析要求将样品分发给不同实验室分析人员, 并根据优先顺序适当分配调整。分析人员进入系统接受分析任务后, 进行样品制备与分析, 同时采取质量控制措施。

2.1.4 样品分析数据录入

样品分析完成后会产生大量数据, 其中仪器自动分析数据可通过系统与仪器接口直接采集, 自动导入并保存, 不需要人工干预, 其他手工分析方式获得的数据则由分析人员录入。

2.1.5 分析数据验证

样品分析完需进行分析数据审核, 对于一些异常数据、错误数据经系统验证后需复核, 并返回相关分析人员处更改;对于质量控制数据, 系统提供给质量控制部门验证, 确保分析数据正确无误[3]。

2.1.6 分析报告编制与审核

完成分析数据验证后, 系统自动生成分析报告, 并进行电子签名审核和电子归档, 结束样品的所有业务流程。

2.1.7 提供报表

最后系统会自动为用户和流程涉及的各部门提供各类反馈报表, 其中包括相关已完成的信息和数据, 同时给领导提供分析决策报表。

2.2监测资源管理模块

监测资源管理模块主要包括实验室人员信息管理、仪器设备信息管理及物料、试剂信息管理等模块。

2.2.1 实验室人员信息模块

本模块主要用于管理实验室人员的姓名、性别、职称等基本信息;对个人技术档案等进行管理, 包括论文、专著、课题与成果、培训和持证情况等。

2.2.2 仪器设备信息管理模块

本模块是实验室信息管理中的重要内容, 该模块划分为6个子功能模块:仪器设备管理、低值品管理、易耗品管理、仪器借用管理、出入库管理和仪器维护管理[4]。

(1) 仪器设备管理, 该功能模块是为实验室管理人员和设备科人员而设。

用户可以从中获得某仪器设备的存放地点、购买日期以及厂家等信息, 还可以检索和统计某种类型仪器设备的总数量、总金额以及报表输出。易耗物品管理与低值品管理的功能与该模块类同。

(2) 仪器借用管理, 该功能模块是为实验室管理人员而设。

如某时间某仪器借给谁, 作何用途等, 只要单击“仪器借用管理”, 输入要检索的字段便知。

(3) 出入仓库管理, 该功能模块是为设备科人员而设。

对应的数据表字段:仪器编号、仪器名称、仪器型号、计量单位、数量、单价、厂家、出入库日期、出入方向、部门名称、实验室名称、经手人、备注、审核标志。如某一时间某仪器出库多少、入库多少等, 可从中轻易了解。

(4) 仪器维护管理, 该模块是为实验室管理人员而设。

它是由两个小模块组成:仪器维护与仪器标定。仪器维护模块有助于实验室管理人员记住每台仪器设备的维修历史等, 便于以后更好地维护它。仪器标定模块有助于实验室管理人员按时标定仪器仪表 (该功能模块有实时的智能化提醒) , 以保证仪器仪表的测量精度。

2.2.3 物料及试剂信息管理模块

本模块主要用于管理实验室人员对试剂申购管理、试剂材料录入和试剂材料的领用。

2.3查询统计模块

本模块能进行各项资源 (包括监测人员、监测方法、监测项目、卫生标准、仪器设备、试剂和标准品等) 的查询统计。能查询追溯到编制、审核、批准等不同阶段的监测报告;能查询到样品信息、原始记录、结果数据、评价结果、最终报告;能进行质控手册、程序文件、作业指导书等文件管理、查询;可支持按样品属性、项目、合格率和工作量等查询统计;能进行仪器设备使用率统计查询;管理部门可对各部门的工作进行汇总查询;可查询该部门一段时间内完成的工作量, 包括出错查询, 并要求打印相关报表功能等。

2.4系统管理功能

本模块包括数据库管理、系统访问控制等模块。

数据库管理模块可定期进行异地数据备份, 具备数据恢复功能[5]。系统访问控制模块有严格的权限控制, 系统权限细分到每个操作界面和每个功能按钮, 可以为每个人员、每个岗位详细设置每一项的应用权限, 权限管理逻辑严密。数据的后步完成将自动锁死前面的数据修改操作, 只有前步操作完成才能进行后面的数据操作, 本人只能修改本人登记的数据。

3结论

当前, 我国的海洋环境保护工作进入了一个新的历史时期, 海洋环境监测事业发展十分迅速, 而LIMS作为现代的实验室管理工具, 提高海洋环境监测工作效率, 规范质量管理, 保证数据可靠性, 提高环境监测为海洋环境管理服务的效能[6]。虽然目前LIMS在海洋环境监测实验室中的推进仍然困难重重, 但鉴于其广阔的应用前景, LIMS必将成为促使中国海洋环境监测实验室管理水平提升、与市场竞争机制接轨、与国际惯例接轨、与科学化管理体系接轨的重要手段和工具。

参考文献

[1]张涛, 邓爱萍.环境监测实验室信息化管理建设思路[J].江苏科技信息, 2010 (9) :21-23.

[2]沈艺.环境监测实验室信息管理系统的构建与实施[J].环境监测管理与技术, 2008, 18 (4) :4-6.

[3]汤立, 郦伟.实验室信息管理系统 (LIMS) 在环境监测系统的应用探讨[J].江苏环境科技, 2007, 20 (2) :69-71.

[4]葛照君, 盛磊.实验室信息管理系统的设计与实现[J].计算机教学与教育信息化, 2008 (13) :705-707.

[5]吴志旭, 楼振纲.环境监测实验室管理系统的开发与应用[J].化学分析计量, 2006, 15 (5) :50-53.

海洋监测作业系统 篇5

随着全球陆地资源日趋紧张和环境的不断恶化, 海洋资源的重要性日益凸现, 人类社会的发展必然越来越多地依赖海洋[1]。而人类只有在掌握了海洋环境变化规律的基础上, 才能科学、合理、经济地开发利用海洋。认识、研究海洋的变化规律, 就必须对海洋进行持久性的监测, 获取连续、可靠的数据, 进行分析评价。

当前, 自动化监测、数字式记录已逐步成为现实的作业方法, 数字化、信息化已成为海洋监测的必然趋势。海洋监测从原始信息的获取到最终产品的形成, 无不是以数字化信息作为处理的对象, 现场数据的采集、上位机数据的处理、数据的变换与管理等, 这一切都离不开计算机的应用。对于海洋监测来说, 硬件已不再是最大的障碍, 问题的关键已集中在如何结合专业特点设计出功能强大、便于维护、工程化程度高的海洋监测数据处理软件, 从而充分发挥计算机硬件的巨大潜力, 使海洋数据产品的生产更加快速、规范和完善[2]。

针对我国海洋环境监测工作的实际需求, 对海洋环境监测数据中心的关键数据处理方法进行了研究, 主要包括潮位值的数据补遗和每天潮位特征值的提取两个方面的问题。

1 潮位特征值的提取

由于设备不会像人一样智能, 做到发现海洋高潮、低潮的到来, 并有选择地记录重要数据。所以, 当自动测量设备取代人工读数记录后, 只能通过频繁的采集数据来确保重要的数据信息不被遗漏, 这样使得人类获得的数据资料非常庞大, 只有通过上位机进行处理来找出高潮潮位、低潮潮位。

1.1 潮位特征值的简介

潮汐是在日、月引潮力作用下, 海水发生的周期性运动, 分水平和垂直两个方向。完成一次涨落平均约需12h 25min, 因此一昼夜海面通常有两次涨落, 白天的称“潮”, 夜间的“汐”。受潮汐影响周期性涨落的水位称潮位, 又称潮水位。潮位的特征值主要包括:高潮潮位, 某一定时期内的高潮潮位值;低潮潮位, 某一定时期内的低潮潮位值[3]。

1.2 潮位特征值提取的具体过程

高、低潮潮位值的提取常用的判断方法是:如果某时刻潮位比其前一时刻和后一时刻的潮位都高则为高潮;如果某时刻潮位比其前一时刻和后一时刻的潮位都低则为低潮。其数学表达式如式 (1) 所示:

式 (1) 中, t为发生时刻, Δt为两个测量数据的时间间隔。

考虑到海洋监测系统采集数据的量较大, 如果使用上述方法提取高、低潮潮位, 容易受涨平和落平的影响, 为此, 本文选取了滑动平均法。

滑动平均是时间序列分析中常用的一种算术平均法, 目的是要滤去某一波动周期的变化, 求得在此周期内的平均值。随着该周期数列起点的不同, 代表数列的滑动平均值也不同。考虑到一般潮位临近高 (低) 潮点时, 高 (低) 潮点前后的几个点可以看成以改点为中心呈对称分布。这样通过采用滑动平均法来判别就可以获取高低潮位[4]。具体过程如下:

对于原始潮位值系列{X (i) , i=1, 2, ..., n}, 通过函数F一一映射生成{Y (i) , i=1, 2, ..., n}, 多点平均映射函数F如下, 以M点 (M=2k+1) 平均为例:

由式 (2) 的变换生成新的系列{Y (i) , i=1, 2, ..., n}, 然后对新系列进行潮位特征值的提取。这种方法使相互临近时刻的潮位数据出现相同的概率小了很多, 考虑遇到涨平和落平的情况, 本文对系列{Y (i) }还提出新的高、低潮判别条件, 包括主判别条件和辅助判别条件[4]。

主判别条件:

高潮的必要条件:

低潮的必要条件:

如果涨平时滑动平均值Y (i-1) =Y (i) , 则式 (3) 的判别会产生Y (i-1) 和Y (i) 都是高潮;如果落平时滑动平均值Y (i-1) =Y (i) , 则式 (4) 的判别会产生Y (i-1) 和Y (i) 都是低潮。所以本文在主判别条件的基础上提出一个辅助判别条件。

辅助判别条件:由于实际潮位具有高、低潮相间的特点, 利用这一特点进行判别。判别过程如下:

1) 取一标志位表示高、低潮, 在满足主判别条件和标志位为0时才判断Y (i) 对应的X (i) 为高潮。一旦确认, 往输出文件写入高潮出现时刻和高潮潮位的值X (i) , 并让标志位置1, 这样涨平就不会受影响;

2) 只有同时满足主判别条件和标志位为1时才判断Y (i) 对应的X (i) 为低潮, 一旦确认, 往输出文件写入低潮出现时刻和低潮潮位的值X (i) , 并让标志位置0, 这样落平就不会受影响。

1.3 滑动平均法的改进

可以看出, 滑动平均法虽然是在逐步地改进和完善, 但还存在以下两个问题。

1) 由于所处理的数据比较庞大、繁琐, 逐个数据计算费时, 误差较大。如果能找出潮位数据的规律并应用相关信息处理技术来研究, 那么特征值的提取将会逐渐变得简单、快捷。

2) 虽然滑动平均法也很好地消除了微小波动造成的伪高、低潮问题, 但是此方法还是存在缺陷, 当天的0点潮位值可能被误当作高低潮位值。

为了解决以上问题, 本文对高、低潮潮位值的提取方法做出一些改进:

1) 由于潮汐通常一天内有两次涨落, 每次涨落平均需要12h, 所以, 一天内两次高 (低) 潮相隔时间大约为12h。结合高低潮相间的特性, 可以得出, 一个高 (低) 潮和它相邻的低 (高) 潮相隔大约6h。

那么, 我们只要通过滑动平均法找出一天中的第一个特征值点 (高潮潮位值点或低潮潮位值点) , 就可以直接在大约6h后的数据中找出下一个特征值, 本文选取第 (5—9) h的数据通过滑动平均法找出第二个特征值。以此类推, 可以把一天的特征值全部找到。

通过这样改进, 大大的减少了需处理的数据量, 缩短了计算时间, 提高了结果的准确性。

2) 针对伪高、低潮问题, 本文发现这是由于0点时的数据作为一天数据的起始点, 采用滑动平均法寻找特征值时, 0点值没有前项比较值, 很容易被当作特征值, 特别是在前一天的最后一个特征值出现比较晚, 0点值接近前一天的最后一个特征值时, 伪高、低潮就会出现。

为了解决这一问题, 在寻找一天的高低潮位值时, 除了要选取当天24h的数据外, 还要再取前一天最后1h的数据, 共25h的数据来进行数据处理。这样就避免了在0点附近采用滑动平均法进行数据处理时, 由0点值无前项比较值导致的伪高、低潮潮位值的出现。

2 潮位值数据的补遗

由于海洋环境的恶劣和仪器设备的误差, 数据中心上位机从现场数据采集器获取的数据会受到一定的影响。虽然我们可以在数据采集器中分别从软、硬件上采取了一些抗干扰措施来减少外界因素的影响, 但是, 这些数据中还是会存在一些时间段上缺失部分数据。这就需要上位机通过数据处理来尽量补全这些缺失值, 保证采集数据的完整性。

在解决数据补遗问题的过程中, 通常需要先通过研究相关变量之间的函数关系来帮助我们认识所采集数据的内在规律和本质属性, 而这些变量之间的未知函数关系又常常隐含在从数据采集器得到的数据之中。因此, 能否根据一组监测数据找到变量之间相对准确的函数关系就成为解决实际问题的关键, 通常采用数据插值和曲线拟合的数据处理方法来实现。

2.1 数据插值和曲线拟合的定义

简单地讲, 所谓插值是指已知某函数在若干离散点上的函数值或导数信息, 通过求解该函数中待定形式的插值函数以及待定系数, 使得该函数在给定离散点上满足约束。而拟合是指已知某函数的若干离散函数值{f1, f2, ..., fn}, 通过调整该函数中若干待定系数f (λ1, λ2, ..., λn) , 使得该函数与已知点点集的差别 (最小二乘意义) 最小[5]。

2.2 数据补遗的具体过程

在对潮位值数据进行数据处理的过程中, 为了找出潮汐的规律, 需要从采集的监测数据 (ti, yi) , i=0, 1, ..., n中找到自变量-时间t与因变量潮位值y之间的函数关系, 用一个近似函数y=f (t) 来表示, 使用拉格朗日插值法就可求得拉格朗日多项式作为近似函数f (t) 。在大多数情况下, n的次数越高, 逼近效果就越好, 但是对于高次多项式插值问题而言, 往往会造成插值多项式的收敛性与稳定性变差, 反而逼近效果不理想。

为了避免使用高次插值, 本文采用分段插值法:即将插值区间分成一些小区间, 在每个小区间上用低次多项式进行插值, 在整个插值区间上就得到一个分段低次多项式插值函数。区间的划分可以是任意的, 各小区间上插值多项式的次数的选取也可按具体问题的要求而选择。具体过程如下:

潮位值数据的采集频率为一分钟一次, 假设时间区间[a, b]上的潮位连续函数g (t) 在a=t0<t1<…<tn=b上n+1分钟内的潮位值为g (tj) =yj, j=0, 1, ..., n。则得到n+1个数据点 (tj, yj) , 连接相邻时间的数据点 (tj-1, yj-1) 、 (tj, yj) 得到n条线段, 它们组成一条折线, 把时间区间[a, b]上这n条折线表示的函数称为被插函数g (t) 关于这n+1个数据点的分段插值函数, 记作I (t) 。按照拉格朗日插值法构造插值基函数如式 (5) 。

可得出, 用I (t) 计算数据缺失点t点的插值时, 只用到t左右相邻的两分钟的数据点, 分段插值通常有较好的收敛性和稳定性, 算法简单, 和采集的有效数据的个数无关, 可以在短时间内及时地计算出缺失值, 但在数据曲线拐点处插值函数光滑性变差。为此, 本文还采用了曲线拟合的方法。

曲线拟合从几何意义上讲, 就是寻求与给定点 (ti, yi) (i=0, 1, ..., m) 的距离平方和I为最小的曲线y=p (t) 。函数p (t) 称为拟合函数。求I的极小值的必要条件为

解方程组求出a0, a1, ..., an, 即可得出拟合多项式p (t) 来当作实际函数的近似函数[5]。通过近似函数就可以求出缺失点的数据值。

在潮位值数据补遗中, 如果缺失数据的区间较大, 相互之间间隔较短, 采用分段插值是不容易补全这些数据的, 而一定区间内基于实际有效值进行最小二乘曲线拟合得出潮位值的近似函数来求得缺失值的方法, 相对来说要更可靠一些, 并且通过该近似函数还可以预算出拟合区间附近短时间内的数据, 预测潮位曲线的走向。

3 应用

3.1 特征值提取方法的应用

应用本文提出的改进后的滑动平均法, 本文对现场实际潮位数据进行了潮位值的特征值提取 (见图1) , (a) 是某天0:00至23:00的潮位曲线和 (b) 某天12:00至第二天12:00的潮位曲线, 结合上文提到的改进方法使用滑动平均法提取高、低潮潮位值, 图1中所标黑点处为提取结果, 由图1可见, 提取的特征值与实际情况相近, 0点附近的特征值也能准确提取。

3.2 数据补遗方法的应用

结合潮位值数据缺失值点的个数和位置, 有针对性地使用数据插值和曲线拟合两种方法。

在缺失值较少、较分散时, 使用分段插值法就可以很快的算出较准确的缺失值, 如表1所示, 表1中选取的是某大约30min的潮位值, 特点就是缺失值较分散, 通过表1可以看出经数据插值处理后, 序号为4, 10, 11, 17, 18, 26缺失的潮位值全部补上。根据表1的数据绘制潮位值曲线 (见图2) , 可以看出, 曲线光滑, 补缺的数据符合潮汐的规律, 说明分段插值法可以很好的完成潮位值的数据补遗。

在缺失值较为密集的数据段, 可采用数据拟合方式来补全差值, 本文实现的潮位数据拟合效果图 (见图3) , 图中红色曲线为实际潮位曲线, 可以看出有多区间存在缺失值, 蓝色曲线为利用最小二乘法得出的拟合曲线。

从效果图可以看出, 通过最小二乘拟合获得的近似函数逼近潮位值的实际时间函数, 特别是在函数平滑上升区间 (见图3 (a) ) 和峰值拐点区间 (见图3 (b) ) 都能较为平滑的逼近实际函数, 这样通过近似函数就能较为准确的补全缺失值。

4 结束语

对现场实际数据的处理结果表明, 本文采用的数据处理方法取得了预期的效果:滑动平均法能够很好的完成高、低潮潮位值的提取, 分段插值和最小二乘拟合也可以对缺失的潮位数据进行准确的补遗。考虑到实际应用中会存在不确定因素, 这些数据处理方法还需要在上位机的实时数据处理中作进一步的改进和完善。

摘要：结合海洋环境监测系统中关键数据的特点, 针对海洋自动监测上位机数据处理中存在问题, 分别采用了滑动平均法和数据插值、拟合等方法进行高、低潮潮位值的提取和潮位值的数据补遗。对现场实际数据进行的处理结果表明, 此数据处理方法可行, 能够实现预期的效果。

关键词：海洋环境监测,潮位值,特征值提取,数据补遗

参考文献

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[3]Wikipedia contributors.Tide.Wikipedia, The Free Encyclopedia, http://en.wikipedia.org/w/index.php-title=Tide&oldid=285291563, 2009

[4]郝嘉凌, 徐洪海.滑动平均法在海量潮位数据处理中的应用, 中国科技论文在线, 2005

田间作业机车工况监测系统设计 篇6

传统的定位调度系统主要采用GPS和GSM相结合的方式实现定位和无线通信的功能[1,2]。近几年,在我国卫星导航终端市场GPS产品仍然占有垄断地位。出于战略方面的考虑,在某些非常时期( 比如战争) 美国可能关闭GPS卫星定位信号,如果我们的系统完全依赖于GPS,势必会造成很大的损失。2012年12月,我国北斗导航系统正式对亚太地区提供无源定位、导航、授时和短报文通信服务。我国北斗系统虽然已经正式运营,但系统还未构建完全,定位精度还比较低。GSM网络是最常用的现代网络之一,但人烟稀少的偏远地区等仍然存在着通信盲区; 并且,采用GSM通信方式需要向移动运营商交纳使用费用。虽然我国北斗卫星导航系统具有短报文收发功能,但是报文长度受限,并且通信费用较高,不适合农业应用。基于以上的原因,设计一种基于北斗 /GPS的双模远程无线农机信息采集系统便很有必要。

1 总体设计

本文目的是设计并实现农业机车定位与作业工况监测系统,如图1所示。系统分为上位机和下位机两部分,下位机即安装在农用机车上的信息采集监测系统,能够完成对机车当前位置、运行状态、作业状态、机车所在位置的环境信息等进行采集,并通过无线模块上传给远端服务器; 上位机由无线收发模块、协调器和PC机组成。协调器负责控制无线模块收发数据,当无线模块接收到下位机上传的数据时,数据通过协调器进行解析,将信息上传给PC机; PC机中的信息采集监测软件可以显示由下位机上传的所有信息,并可以对这些信息进行分析和存储。

2 硬件设计

2. 1 北斗 / GPS 模块

卫星信号接收机采用和芯星通公司生产的北斗 /GPS双模接收机G - Mouse,其集成了卫星接收机和天线,可同时接收BD2_B1和GPS_L1信号,具有结构紧凑、功耗低、定位精度高等优点。根据用户需求G Mouse可提供RS - 232接口或USB接口,在本设计中采用RS - 232接口。

北斗 /GPS双系统组合定位的原理与GPS单系统定位原理基本相同,不同之处在于北斗系统的导航电文采用CGS2000坐标系,系统时采用BDT[3]。GPS系统采用WGS - 84坐标系和GPST。因此,在进行定位解算之前需要将两个系统的坐标系和系统时进行统一。由于两个坐标系只有椭球扁率f值存在微小差异,在赤道上只引起毫米级误差,可以认为CGCS2000坐标系和WGS84坐标系是相容的[4]。另外,当两个系统的可见卫星数多于4颗时,伪距方程组的数量不少于未知数的数量,能够完成定位解算[5]。只有当双系统可见卫星数为4时需要获取两个系统的钟差,从而减少一个未知数,完成定位解算,这个差值可通过解析北斗 - 2的导航电文获取[6]。通过以上转换就可将两个系统的参数统一到定位方程组中,进而求解出接收机的精确位置。G - Mouse应用电路如图2所示。

2. 2 串口通信模块

由于微处理器采用TTL电平,而BD /GPS模块输出的信号为RS - 232电平,并且由于硬件系统需要与PC机连接,进行系统调试和数据传输等,因此硬件系统设计了两个COM口: COM1用于连接BD /GPS接收机,接收卫星定位数据; COM2可通过串口线与PC机连接,进行系统调试和数据传输。采用MAX232芯片进行电平转换,芯片采用 + 5V单电源供电,通过外界几个0. 1μF的电容就可以完成TTL电平与RS - 232电平的相互转换[7]。双COM口电平转换电路如图3所示。

2. 3 XBee 无线数传模块

XBee是一种远距离低功耗的数传模块。其内置了Zig Bee协议[8],支持低成本、低功耗的应用需求,模块只需要很小的发射功率,便可以提供远程设备之间可靠的数据传输。无线通信采用直序扩频( DSSS) 技术[9],16路直接序列频道可通过软件进行选择,且单个序列频道可容纳超过65 000个设备,数据传输速率最高可达250kbps[10]。XBee模块应用电路设计如图4所示。

XBee PRO模块有两种传输模式: API模式和透传模式[11]。在本设计中XBee PRO模块采用透传模式,利用AT命令设置参数,设置格式如下:

AT ASCII码命令空格参数( 可选) < CR >

例如,AT DL 11F < CR > 。

在各终端参数设置中,先输入 + + + ,返回OK后成功进入AT命令模式,然后通过ATDN NI < CR > 来更改发送数据的目标地址,等待返回OK后命令设置成功,然后再通过命令ATCN < CR > 退出AT命令设置模式。入网流程如图5所示。

无线网络节点网络设置相关代码如下:

3 上位机软件设计

田间作业机车工况监测系统上位机软件采用C#语言进行开发,开发平台采用Microsoft Visual Studio2008[12]。上位机软件能够显示由下位机上传的田间作业机车的地理位置、行进状态、作业工况,以及作业机车工作位 置的环境 温湿度等。 同时,采用Access2010数据库对所采集的数据进行储存,用户可以方便地对作业机车的数据进行查询,并且可以将历史数据导出到Excel表格当中。采用Access2010数据库的最大优点是,可以将数据库文件直接加载的软件的安装包内,无需单独安装和配置数据库[13],提高了软件的可移植性。

软件启动后能够自动识别计算机上可用的串口,波特率默认为9 600bps[14]; 在确认串口的配置正确后,点击链接按钮,上位机开始采集田间作业机车的信息; 通过选择作业车号,即可显示所查询车辆当前作业信息。另外,软件支持机车编号的修改功能,用户可以根据需要动态的添加或删除机车编号,所有添加到系统中的机车的数据都会储存到数据库中。如果机车编号被删除,上位机软件将不再查询与机车编号想对应机车的信息。系统界面如图6所示。

4 结论

田间作业机车定位与作业工况监测系统是针对我国国情而设计的一种集多参数于一体的便携式田间机车定位及农田信息采集系统。其实现了田间车辆多目标监控,建立了田间作业机车数据库和查询系统,可方便地进行多种农业机械装备数据的查询、添加、删除及保存等操作。系统可同时接收北斗定位信息和GPS定位信息,二者相互补充,采用多系统组合定位的方式提高了定位精度,并且在没有GPS定位信息的情况下可以使用北斗卫星定位系统进行定位,有效地提高了系统的稳定性。起采用基于Zig Bee技术的远距离无线数据传输模块XBee进行数据传输,不仅方便了信息采集,克服了现实环境的束缚,而且大大提高了系统可靠性,同时可采取自组网的方式拓展无线数据的传输距离。机车的位置、运行状态、作业状态等信息可通过无线方式,上传到PC机进行存储、显示和分析。

海洋监测作业系统 篇7

1系统开发环境

1.1操作系统

操作系统采用Windows XP或Windows Server2003等, 保证操作系统的完全兼容, 使本系统的安装与使用和原有机器的操作系统不发生冲突。

1.2软件开发环境

本系统选用微软公司的Visual Studio 2008 Professional Suite作为软件开发环境, 并选择面向.NET的全新开发工具——C#。C#是一种现代的完全面向对象的程序开发语言, 它使得程序员能够在新的微软.NET平台上快速开发种类丰富的应用程序。.NET平台提供了大量的工具和服务, 能够最大限度地发掘和使用计算及通信能力[2]。

数据存储方式采用Oracle10g数据库作为数据存储的解决方式。Oracle数据库包括Oracle数据库服务器和客户端。Oracle服务器是一个对象——关系数据库管理系统。它提供开放的、全面的和集成的信息管理方法, 具有场地自治性和提供数据存储透明机制, 以此可实现数据存储透明性。Oracle客户端为数据库用户操作端, 由应用、工具、SQL.NET组成, 用户操作数据库时, 必须连接到服务器, 该数据库称为本地数据库。在网络环境下其他服务器上的DB称为远程数据库。用户要存取远程DB上的数据时, 必须建立数据库链。

GIS开发平台为ArcEngine 9.3, 是一个包含完整类库的嵌入式GIS软件, 它支持多种语言 (com, JAVA, .NET以及C++) 和多种系统 (Windows和Unix) , 开发者通过ArcEngine处理, 可以定制完整的GIS软件以外, 还可以使GIS功能嵌入到其他已经存在的软件中去[3]。

2系统功能组成及模块设计

2.1系统功能组成

海洋环境监测数据库建设及可视化管理系统将完成多种来源、多种时相、多种精确度的基础数据的分布式集成与储存, 构建包含基础数据、历史数据、实时观测和准实时监测数据动态的海洋监测信息综合数据库, 在综合数据库的基础上, 开发海洋环境监测数据查询模块, 并集成海洋环境评价模块, 获得直观的可视化产品, 为海洋管理提供辅助决策结果, 提高了海洋综合分析能力。系统功能结构如图1所示。

2.2系统功能模块设计

2.2.1 用户管理模块

整个系统按照用户角色不同, 对信息管理系统的权限不同。角色分为管理员、高级用户和普通用户。在用户登录后, 根据权限, 高级管理员可以增加、删除、修改用户, 对用户分配访问权限, 管理数据库;高级用户可以访问数据库;普通用户只能访问部分数据库, 不能导出数据 (图2) 。

2.2.2 监测数据导入、导出模块

系统实现了海洋环境监测数据的批量导入, 解决了手工导入速度慢、效率低、易出错的问题。首先规范海洋环境监测数据报表, 形成统一格式, 然后通过导入模块, 将其所有监测数据批量自动导入到综合数据库。在导入之前, 对监测数据进行数据选取、数据清洁、质量控制, 以确保导入数据库的数据准确。

数据导出功能, 根据用户对监测数据报表格式的需求, 可以导出不同格式的数据报表。图3为海洋环境监测数据导入、导出界面。

2.2.3 监测数据查询模块

本模块可按时间、空间和类别等多种组合条件查询数据。查询结果在列表显示, 可排序、可组合、可分页显示, 也可另保存为文件。

2.2.4 监测数据统计分析模块

监测数据统计分析模块实现在某一时间内不同站点某个监测要素监测值的变化趋势, 并以折线图、柱状图及基于地图的柱状图的形式直观地显示。图4是化学需氧量在同一时间不同站位的变化趋势图。

2.2.5 监测数据空间分析模块

空间等值线分析的目的是在空间地理信息基础上对指定海域的监测数据进行分析, 按它们分布的强度或密度, 把监测值相同的点用线连接起来, 形成等值线, 然后分析总结其随空间的变化规律。

2.2.6 单因子分析评价模块

海洋环境质量评价主要采取单因子评价[4]。利用条件查询在地图上绘制出满足条件的站点, 根据标准指数计算公式, 计算出该监测要素的标准指数, 将各因子的监测值与评价标准指数进行比对, 采用柱状图方式加以可视化表示, 从而确定海水、沉积物和生物体的主要污染因子和影响因子。图5是不同站点的铬与标准值进行对比的柱状图。

单因子评价公式:

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2.2.7 污染点源分析评价模块

采用“等标排放法”模型, 根据各污染物和各污染源的等标排放量大小及相应的累积百分比大小, 确定主要污染物和主要污染源。利用条件查询在地图上绘制出满足条件的站点, 根据用户选择, 选用污染区域评价即按照各点源等标排放量和各污染物等标排放量来计算, 计算结果以饼状图及三维饼状图形式直观地显示, 可清晰地辨别出某区域内的重点污染源等信息。图6是某一站点不同监测要素的评价分析图。

等标排放法计算公式:

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3结束语

海洋环境监测数据库建设及可视化管理系统通过海洋基础信息集成技术、海洋异构数据集成快速访问提取及智能分析技术、海洋评价模型集成技术的研究, 为实现海洋环境信息的集成与动态管理提供技术支撑。系统通过海洋基础数据库、评价模型的建设, 实现了海洋环境专业信息的集成化、业务应用的动态化、管理决策的科学化, 为进一步提高对海洋经济发展规划与管理的支持能力, 进一步加强海洋的综合管理能力奠定基础。

摘要：针对大量来之不易的海洋环境监测数据, 设计开发了海洋环境监测数据库建设及可视化管理系统。文章对系统的功能和模块设计进行了论述, 实现了监测数据库的导入、导出, 监测数据查询及监测数据的分析评价等功能, 满足了海洋环境监测数据的管理。

关键词：海洋监测,数据库,分析评价

参考文献

[1]李立刚, 赵彩云.海洋观测数据管理系统的设计与实现[J].海洋预报, 2010, 7 (2) .

[2]赵先龙, 王川.海洋水声环境调查数据处理系统的设计与实现[J].海洋测绘, 2009, 29 (1) .

[3]朱仕杰, 南卓铜.基于ArcEngine的GIS软件框架建设[J].遥感技术与应用, 2006, 21 (4) .

海洋监测作业系统 篇8

我国玉米总产量居世界第2位,达6 000亿kg,占全世界玉米产量的22.4%以上,且耕作面积大,属于典型中耕作物,适合采用精播机械。机械精播不仅可以节省大量的人力、物力,而且能大大提高玉米产量,实现增产增收。目前,发达国家已经形成相当完善的精播体系,并得到全面的推广应用[1]。我国从20世纪70年代开始使用玉米精播机械,并得到推广应用。近年来,随着玉米培育、加工处理、施药、除草和水利灌溉技术的不断完善与发展,玉米精播种机械化技术也不断更新,使得玉米精密播种机械化在现代玉米生产中占有重要地位。但由于田间作业环境差、容易受灰尘泥土等因素影响,施肥过程中易出现机械故障,如排肥管空或阻塞等情况,一旦出现这种情况,就会出现大面积漏施,带来产量损失[2]。目前,国外玉米精播机监测技术智能化程度和可靠性都较高,而国内玉米施肥监测系统大多采用光电传感器将流动的化肥情况转换成脉冲信号,通过对脉冲信号进行放大、整形、滤波,检测化肥的流量、排肥管空或阻塞等情况,但其性能容易受耕种环境影响[3,4,5,6,7,8]。因此,很多学者尝试使用电容传感器测量来监测播种机的施肥情况[9,10],但因电容传感器价位高,很难买到成品,不易推广应用。为此,本文提出了采用电容式接近开关结合编码传感器实时监测玉米精播机施肥作业情况的系统。该系统采用电容接近开关检测排肥管作业状态,能够实现对排肥管路各个通道的单独监测,借助于系统总线将报警信息发送给上位机显示。该监测系统结构简单、简便经济、容易维护、抗污染,同时能够高效、可靠地实现在线非接触测量。

1 系统硬件设计

本系统硬件设计主要由单片机主控电路、电容式接近开关、编码传感器及信号调理电路等部分组成,如图1所示。

将电容接近开关接入信号调理电路,利用单片机读取电容接近开关检测的信号及编码传感器测得的排肥轴转动的脉冲信号,通过无线传输给上位机,并对施肥量及排肥管空或堵塞情况进行实时监测。

1.1 电容式接近开关

本系统选用开关量输出的位置传感器(LJC18A3-B-Z/BY常开型电容式接近开关)[11]。在检测时,其测量头组成电容器的一个极板,而另一个极板是装在排肥管内的弹力金属板,检测示意图如图2所示。

1.肥箱2.弹力金属板3.电容式接近开关4.排肥管

当流动的化肥击打弹力金属板时,弹力金属板和接近开关的介电常数ε变化,等效电容值跟着变化,接近开关动作发生变化,并通过单片机传给上位机,由此便可检测化肥有无。检测原理如下:

1)当排肥管内没有化肥流动时,接近开关没有动作时(感应部分没被遮挡)是断开的;

2)当排肥管内有化肥流动时,接近开关有间歇动作时(感应部分间歇被遮挡)是时开时合的;

3)当排肥管内化肥堵塞时,接近开关有动作时(感应部分被遮挡)是一直闭合的。

1.2 信号调理电路

电容式接近开关的信号调理电路采用一个光耦(TLP521)[12]对输入、输出电信号起隔离作用,从而具有良好的电绝缘能力、抗干扰能力和很强的共模抑制能力。

使用时,input接电容式接近开关的信号端,output接单片机的I/O。信号调理电路如图3所示。

1.3 编码传感器

本系统选用PKT1030-512-G05C编码传感器[13]作为间接计量施肥量。该编码传感器线驱动为5V DC,能达到512 P/R的高分辨率,即每转1圈产生512个脉冲;内部带有反接、负载短路保护回路,可靠性较高。施肥机作业时,排肥轴带动编码传感器一起转动,产生1组脉冲,并直接输入单片机的外部中断T0(CLKOUT0),通过无线传输将脉冲数给上位机,计算出施肥量。

2 系统软件设计

单片机软件部分采用Keil C语言[14]及模块化设计来实现,主要采用模块化程序设计方法。其主要包括系统初始化模块、数据采集模块及RS485总线数据通信模块,如图4所示。

3 系统性能的测试

系统性能测试在实验室进行,播种机选用黑龙江八一农垦大学研制的2BJM-9型大马力气吸式原茬精密播种机。由于没有田间动力系统,试验时用12V蓄电池供电,人工手动调速。系统测试目的如下:

1)找出实际田间作业时施肥给定量。将9行播种机中1行的2个排肥管出口用口袋封住,不断调整排肥轴转速及位于排肥轴上的肥量可调装置;用电子秤称量实际排肥量,探究其与编码传感器所采集的脉冲数之间的关系,找出实际田间作业时施肥给定量,并计算施肥总量。

2)排肥管空或堵测试。为了检验监测系统能否正确检测排肥状态,按以下几个步骤进行测试,并观察电容式接近开关显示的状态。

1)在肥箱内装满化肥,手动调整排肥轴转速,使排肥管正常排肥,观察电容式接近开关显示的状态;

2)在肥箱内加入少量化肥,手动调整排肥轴转速,当肥箱排空时,观察监测系统能否对排肥管空发出报警;

3)在肥箱内装满化肥,将排肥管下部堵住,制造堵塞现象,手动调整排肥轴转速,观察监测系统能否对堵塞发出报警。

系统性能测试表明:该系统能够完成施肥量计算,实时监测肥管空或堵塞等情况。

4 结论