海洋浮标管理信息系统的设计与实现-计算机工程
海洋环境监测数据管理系统的设计与实现的开题报告
海洋环境监测数据管理系统的设计与实现的开题报告一、选题的背景和意义海洋环境是历史悠久、复杂多变的自然环境之一，其变化对全球生态和经济发展产生着深远的影响。
因此，海洋环境监测成为了日益重要的任务。
随着海洋环境监测技术和手段的不断提升，采集的监测数据越来越庞大，导致海洋环境监测数据管理成为制约其发展的重要瓶颈。
因此，设计与实现一个基于网络的海洋环境监测数据管理系统，对于科学有效地利用已有监测数据、推动海洋环境监测工作的进一步开展、促进海洋发展和保护海洋生态具有极其重要的现实意义。
二、研究内容和目标本研究的主要内容是设计与实现一个基于网络的海洋环境监测数据管理系统。
该系统将包括监测数据采集、存储、管理和使用等方面的功能，具体工作内容如下：1. 系统需求分析：通过对海洋环境监测数据管理的需求和用户需求的调研，明确系统功能，系统性能，用户使用场景等。
2. 系统架构设计：根据需求，设计系统的软硬件架构，确定系统的基本模块，功能分析、设计，技术选型、数据字典定义、界面规划、数据库设计等。
3. 系统实现：通过使用现在已经成熟的相关技术，对系统的软硬件进行开发，完成系统的主要功能的实现。
4. 系统测试：通过对系统进行功能测试、性能测试和安全测试，保证系统的稳定和安全性本研究的目标是：通过设计与实现一个基于网络的海洋环境监测数据管理系统，建立起便捷、高效的海洋环境监测数据管理体系，为海洋环境保护和海洋资源开发提供技术支持。
三、研究方法本研究的主要研究方法如下：1. 系统需求调研：通过问卷调查和深度访谈等方式，了解用户的需求和使用场景。
2. 系统设计：通过分析需求，确定系统的软硬件架构，具体实现方式等。
3. 系统实现：采用Web前端技术、服务器端技术、数据库等相关技术对系统进行开发和实现。
4. 系统测试：完成各项功能的测试、性能测试以及安全测试。
四、研究的预期成果1. 实现一套基于网络的海洋环境监测数据管理系统。
2. 实现海洋环境监测数据的采集、存储、管理和使用等功能。
海洋信息工程在海洋地理信息系统中的应用
海洋信息工程在海洋地理信息系统中的应用在当今科技迅速发展的时代，海洋信息工程正以前所未有的力量改变着我们对海洋的认知和管理方式。
海洋地理信息系统作为海洋领域的重要工具，海洋信息工程在其中的应用更是发挥了关键作用，为海洋科学研究、资源开发、环境保护和国防安全等诸多方面提供了强大的支持。
海洋信息工程涵盖了一系列先进的技术和方法，包括传感器技术、数据采集与处理、通信技术、卫星导航、地理信息系统（GIS）技术以及计算机建模与仿真等。
这些技术的融合使得我们能够更全面、准确地获取海洋的各种信息，并对其进行深入分析和有效利用。
在海洋地理信息系统中，传感器技术是获取海洋数据的重要手段。
例如，声学传感器可以用于测量海洋的深度、水温、盐度等物理参数；光学传感器能够检测海洋中的叶绿素浓度、悬浮颗粒物等生物和化学指标。
这些传感器被广泛部署在海洋浮标、潜标、船只以及卫星上，实时采集大量的海洋数据。
然而，仅仅获取数据是不够的，还需要高效的数据采集与处理技术来将这些海量的原始数据转化为有价值的信息。
数据采集与处理系统能够对传感器收集到的数据进行筛选、校准、整合和压缩，去除噪声和错误，提取关键特征，为后续的分析和应用提供可靠的数据基础。
通信技术在海洋信息工程中也起着至关重要的作用。
由于海洋环境的特殊性，传统的通信方式在海洋中面临诸多挑战。
然而，随着卫星通信、水声通信和无线通信技术的不断发展，我们已经能够实现海洋数据的实时传输和远程共享。
卫星通信能够覆盖广阔的海洋区域，将海洋观测站和船只上的数据快速传输到陆地的控制中心；水声通信则适用于水下设备之间的信息传递，为深海探测和海底观测网络提供了通信支持；无线通信技术则在近海区域发挥着重要作用，使得海洋监测设备能够与岸边的基站保持紧密联系。
卫星导航系统，如 GPS、北斗等，为海洋地理信息系统提供了精确的位置信息。
无论是船只的航行、海洋资源的勘探，还是海洋环境的监测，都离不开卫星导航系统的定位服务。
我国海洋浮标发展现状及趋势
我国海洋浮标发展现状及趋势戴洪磊;牟乃夏;王春玉;田茂义【摘要】海洋浮标作为一种现代化的海洋监测新技术在各海洋国家逐步被重视并发展起来。
文章概述了海洋浮标技术的发展史以及在各主要海洋国家的使用情况；主要介绍了我国海洋浮标在中国科学院海洋观测研究网络建设的带领下，各沿海省市区近10 a来在黄渤海、东海、南海海域、以及极地海域布设海洋浮标的情况，包括这些浮标的种类、用途、通信方式、海洋环境监测参数等信息；展现了我国海洋浮标的研制和应用正朝向采用高新技术、降低成本、提高可靠度、扩大功能、延长工作寿命、方便布放、面向专题领域、向多站位、高密度布放、和全覆盖海域监测方向的发展趋势。
%Ocean buoys have gradually been taking seriously and developed as a new modern marine monitoring technology.This paper describes the development history of the ocean buoys in all major marine countries,and introduces the distribution of all the ocean buoys in Yellow Sea,Bohai Sea,East China Sea and South China Sea which were laid by the coastal provinces under the leadership of the marine observation & research network established by Chinese academy of science.The types, functionalities,communications,marine environmental monitoring parameters and other information of these distributed ocean buoys in China Sea are described.The research and application of our ocean buoys have developed towards the trends of adopting new technology,reducing costs,improving reliability,expanding the functionalities,extending the working life,convenient placement,thematic oriented multi-station,high density distributed and all water monitoring covered.【期刊名称】《气象水文海洋仪器》【年(卷),期】2014(000)002【总页数】5页(P118-121,125)【关键词】海洋浮标;海洋监测;中国科学院海洋观测研究网络;浮标监测网络【作者】戴洪磊;牟乃夏;王春玉;田茂义【作者单位】山东科技大学测绘工程学院，青岛 266590;山东科技大学测绘工程学院，青岛 266590;潍坊恒信工程咨询有限公司，潍坊 261061;山东科技大学测绘工程学院，青岛 266590【正文语种】中文【中图分类】P715.20 引言海洋监测是研究海洋、开发海洋和利用海洋的基础。
改进Kmeans算法的海洋数据异常检测
改进Kmeans算法的海洋数据异常检测蒋华;季丰;王慧娇;王鑫;罗一迪【摘要】为解决Kmeans算法随机指定初始点聚类和海洋Argo浮标数据异常问题,提出一种改进Kmeans算法的海洋数据异常检测方法.提出一种改进Kmeans 算法DMKmeans(density mathematics Kmeans),选取给定邻域范围内最近邻数据点最多的点为初始中心点,迭代聚类,直到准则函数收敛,聚类结束;基于DMKmeans算法对数据集聚类,使用数学模型为准则进行海洋监测数据异常检测.通过海洋监测数据异常检测仿真实验,将DMKmeans算法与传统Kmeans算法及Min-MaxKmeans算法做对比分析,其结果表明,提出算法能有效提高聚类准确率和异常检测率.【期刊名称】《计算机工程与设计》【年(卷),期】2018(039)010【总页数】5页(P3132-3136)【关键词】Kmeans算法;初始聚类中心点;离群点;海洋监测数据;异常检测【作者】蒋华;季丰;王慧娇;王鑫;罗一迪【作者单位】桂林电子科技大学计算机与信息安全学院,广西桂林541000;桂林电子科技大学计算机与信息安全学院,广西桂林541000;桂林电子科技大学计算机与信息安全学院,广西桂林541000;桂林电子科技大学计算机与信息安全学院,广西桂林541000;桂林电子科技大学计算机与信息安全学院,广西桂林541000【正文语种】中文【中图分类】TP3910 引言近十几年来我国海洋监测领域有了长足发展，获取了大量Argo浮标监测数据。
但是据Argo资料的应用研究显示，Argo浮标由于自身所携带的电导率传感器，在运行过程中由于系统漂移而导致出现错误的监测数据，需要在海洋Argo浮标监测数据处理过程中尽可能的将异常数据剔除。
在“无监督学习”(unsupervised learning)中，Kmeans算法是应用最广研究最多的聚类算法之一。
研究者们在传统Kmeans基础上提出了许多改进算法，如MinMaxKmeans算法[1]、KMOR算法[2]、Seeded-KMeans[3]和IWO-KMeans算法[4]等，聚类效果相较于传统算法有了明显改善，在此基础上进行的异常值检效率也更高。
浮标系泊系统静力计算
浮标系泊系统静力计算浮标系泊系统是一种广泛应用于海洋工程、水上建筑等领域的重要设备。
它通过将浮标与系泊链连接，不仅能为各种水上设施提供足够的浮力支持，还能有效地保护这些设施不受风、浪等自然环境的影响。
本文主要探讨浮标系泊系统的静力计算，以更深入地了解该系统的性能和设计。
一、浮标系泊系统设计浮标系泊系统的设计包括多个步骤。
首先，需要选择合适的浮标。
浮标的设计应考虑其浮力、稳定性、耐腐蚀性等因素。
同时，浮标还应具有易于识别和追踪的特点，以便于后续的监测和维护。
其次，需要设计系泊链。
系泊链的长度、强度、耐腐蚀性等参数应根据实际需求进行选择和设计。
最后，还需对系泊链进行加工制作，确保其质量和可靠性。
二、静力计算浮标系泊系统的静力计算主要包括对浮标、系泊链以及其他相关结构的力学分析。
具体而言，需要计算浮标的浮力、系泊链的拉力、摩擦力等。
根据这些计算结果，可以进一步了解整个系统的性能特征，并为系统的优化设计提供理论依据。
三、结果分析通过对浮标系泊系统进行静力计算，可以得出以下结论：1、浮标的浮力与系泊链的拉力成正比，而系泊链的拉力又与浮标和水面的距离成正比。
因此，可以通过调整浮标与水面的距离来控制整个系统的受力状况。
2、摩擦力是影响系泊系统性能的重要因素之一。
在设计中应充分考虑系泊链与水、沙等环境因素的摩擦力，以避免出现系统失稳或失效的情况。
3、浮标系泊系统的稳定性受多种因素影响，如海浪的高度、周期、方向以及风速等。
因此，在实际应用中，需要根据具体情况对系统进行相应的调整和完善。
四、总结本文对浮标系泊系统的静力计算进行了详细的研究，通过建立力学模型并进行分析，得出了系统受力状况和稳定性受多种因素影响的结论。
这些结论对于指导浮标系泊系统的优化设计具有重要的意义。
展望未来，浮标系泊系统将在更多领域得到应用，例如海洋资源开发、海洋科学研究、海上风电等领域。
因此，针对不同领域的需求，对浮标系泊系统进行深入研究和优化设计将具有更为重要的现实意义。
智能浮标系统的架构与关键技术
1112023年·第4期·总第205期智能浮标系统的架构与关键技术赖粤龙 李 凯 傅雨佳（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海 ２０００１１）摘 要：…随着对海洋的探索开发，人类对海洋数据的需求日益增长。
海上浮标作为海洋水文气象的自动观测站，在技术的加持下被赋予了越来越多的功能，被运用到探索开发海洋的方方面面。
但是，目前海上浮标的应用场景比较单调，其信息传输仍受到诸如气候环境、通信距离等因素的影响。
为满足对海洋数据日益增长的需求，该文提出一种基于海上浮标技术、海底光缆技术与网络技术相结合的智能浮标系统，并设想了这套系统的若干应用场景。
关键词：智能浮标系统；海底光缆；网络技术；数字海洋中图分类号：U662.9；P715.2………文献标志码：A………DOI ：10.19423/ki.31-1561/u.2023.04.111Architecture and Key Technologies of Intelligent Buoy SystemLAI Yuelong LI Kai FU Yujia(Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)Abstract: With the exploration and development of the ocean, human’s demand for ocean data is increasing. As an automatic observation station for marine hydrometeorology, marine buoys have been assigned more and more functions with the support of technology, and have been used in all aspects of exploration and development of the ocean. However, the current application scenarios of marine buoys are relatively monotonous, and their information transmission is still affected by factors such as climate environment and communication distance. In order to meet the growing demand for ocean data, an intelligent buoy system based on the combination of marine buoy technology, submarine optical cable fiber technology and network technology is proposed with imaginations of several application scenarios of this system.Keywords:…intelligent buoy system; submarine optical fiber cable; network technology; digital ocean收稿日期：2023-03-07；修回日期：2023-05-11作者简介：赖粤龙（1997-），男，本科，工程师。
海洋漂流浮标轨迹自动跟踪误差矫正仿真
海洋漂流浮标轨迹自动跟踪误差矫正仿真刘野;孙金伟;管万春;王楷【期刊名称】《计算机仿真》【年(卷),期】2018(35)12【摘要】研究一种有效的浮标轨迹自动跟踪误差矫正方法,可以抑制海洋声呐的影响,提高收敛效果,增强误差矫正效果,具备一定的实用性.针对当前方法在跟踪浮标轨迹时,由于海上天气的变化导致浮标轨迹自动跟踪结果与实际结果对比存在误差较大的问题,提出一种基于LOFIX的浮标轨迹自动跟踪误差矫正方法.上述方法是利用卡尔曼滤波器构建自动跟踪系统空间模型,运用该模型对海洋漂流浮标轨迹的完全状态进行简易转化,构建海洋漂流浮标轨迹自动跟踪模型.通过对选用三个浮标到达目标的漂流轨迹进行自动跟踪定位,确认其中两个浮标轨迹的对比圆,对这两个圆的交点进行计算,得到浮标轨迹跟踪误差矫正后的对比值,实现了浮标轨迹跟踪误差矫正.仿真测试表明,所提方法可以降低海洋信号干扰、提高收敛结果、减小跟踪误差、使得跟踪误差矫正结果更接近实际跟踪结果.【总页数】5页(P350-354)【作者】刘野;孙金伟;管万春;王楷【作者单位】齐鲁工业大学山东省科学院海洋仪器仪表研究所,山东青岛266000;山东省海洋环境监测技术重点实验室,山东青岛266000;国家海洋监测设备工程技术研究中心,山东青岛266000;齐鲁工业大学山东省科学院海洋仪器仪表研究所,山东青岛266000;山东省海洋环境监测技术重点实验室,山东青岛266000;国家海洋监测设备工程技术研究中心,山东青岛266000;齐鲁工业大学山东省科学院海洋仪器仪表研究所,山东青岛266000;山东省海洋环境监测技术重点实验室,山东青岛266000;国家海洋监测设备工程技术研究中心,山东青岛266000;齐鲁工业大学山东省科学院海洋仪器仪表研究所,山东青岛266000;山东省海洋环境监测技术重点实验室,山东青岛266000;国家海洋监测设备工程技术研究中心,山东青岛266000【正文语种】中文【中图分类】TP391【相关文献】1.基于卫星漂流浮标轨迹的东海边界交换估算方法研究 [J], 武则州;周锋2.海洋漂流浮标在海洋洋流模拟中的应用 [J], 戴洪磊;柳林;田茂义;韩李涛;;;;3.基于卫星高度计和浮标漂流轨迹的海洋涡旋特征信息对比分析 [J], 赵新华;侯一筠;刘泽;庄展鹏;王凯迪4.基于回归模型的南海表层漂流浮标轨迹模拟研究 [J], 綦梦楠;张娟5.利用回归模型模拟卫星跟踪海洋漂流浮标轨迹 [J], 苏京志;王东晓;陈举;杜岩;谢强因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
219467650_国家海底观测网十米浮标平台系统研究与应用
国家海底观测网十米浮标平台系统研究与应用①李 清1,陆 海2,韩 睿1,王建军2(1.上海外高桥造船海洋工程有限公司,上海 201306;2.同济大学国家海底科学观测系统项目办公室,上海 201306)摘要 国家海底科学观测网是经国家发改委批准的重大科技基础设施建设项目,旨在全方位㊁多领域㊁立体观测海洋㊂与业务化运行的浮标网不同,海底科学观测网对浮标平台的数据采集和控制系统㊁水声通信㊁系统的防护和国产仪器实验平台等方面提出了新的更高的要求㊂针对这些科学目标的工程实现,探讨对现有浮标的改进和功能增删以满足整个海底观测网的需求㊂关键词 国家海底科学观测网;海洋资料浮标;数据采集和控制系统;水声通信中图分类号:P 714 文献标志码:A 文章编号:20957297(2023)011907d o i :10.12087/oe e t .2095-7297.2023.02.19D e s i g n o f C h i n a N a t i o n a l S c i e n t i f i c S e a f l o o r O b s e r v a t o r y B u o y Pl a t f o r m L I Q i n g 1,L U H a i 2,H A N R u i 1,WA N G J i a n ju n 2(1.S h a n g h a i W a i g a o q i a o S h i p b u i l d i n g &O f f s h o r e C o .,L t d .,S h a n gh a i 201306,C h i n a ;2.P r o j e c t M a n a g e m e n t O f f i c e o f C h i n a N a t i o n a l S c i e n t i f i c S e a fl o o r O b s e r v a t o r y ,T o n g j i U n i v e r s i t y ,S h a n gh a i 201306,C h i n a )A b s t r a c t C h i n a N a t i o n a l S c i e n t i f i c S e a f l o o r O b s e r v a t o r y (C N S S O )i s a m a j o r s c i e n c e a n d t e c h n o l o g yi n f r a s t r u c t u r e p r o j e c t a p p r o v e d b y t h e N a t i o n a l D e v e l o pm e n t a n d R e f o r m C o m m i s s i o n (N D R C ),w h i c h a i m s t o o b s e r v e t h e o c e a n f r o m v a r i o u s a s p e c t s a n d f i e l d s .U n l i k e t h e b u o y n e t w o r k o p e r a t e d b y t h e g o v e r n m e n t ,C N S S O r e qu i r e s s m a r t d a t a a c q u i s i t i o n a n d c o n t r o l s y s t e m ,u n d e r w a t e r a c o u s t i c c o m m u n i c a t i o n ,s ys t e m p r o t e c t i o n a n d d o m e s t i c i n s t r u m e n t e x p e r i m e n t p l a t f o r m.I n r e s p o n s e t o t h e r e a l i z a t i o n o f t h e s e s c i e n t i f i c g o a l s ,i m pr o v e m e n t s n e e d s t o b e m a d e f o r t h e b u o y p l a t f o r m t o m e e t t h e r e qu i r e m e n t o f C N S S O .K e y wo r d s C N S S O ;b u o y ;d a t a a c q u i s i t i o n a n d c o n t r o l s y s t e m ;u n d e r w a t e r a c o u s t i c c o m m u n i c a t i o n 0 引 言长期以来,人们对于海洋观测的认识局限于岸边和表层,对于海洋内部的认识比较少㊂而随着科学研究的需要和工程技术的进步,众多国家开始建立第三代海洋观测平台海底科学观测网㊂相比于调查船测量和卫星遥感,海底科学观测网可以深入海洋内部,提供定点㊁长期㊁连续的观测数据,有助于更加深入理解海洋随时间的变化[1]㊂在海底科学观测网中,浮标观测平台能够获取海气界面的科学数据,包括大气数据和近海面水体参数,是观测网系统的重要组成部分㊂本文将从浮标平台的发展现状㊁海底观测网的功能需求分析㊁平台设计探讨㊁柴发太阳能混合能源系统4个部分来阐述㊂1 浮标观测平台的发展现状根据功能的不同,浮标观测平台可以包括浮标①基金项目:同济大学国家海底科学观测系统㊂作者简介:李清(1980 ),男,大学本科,高级工程师,主要从事船舶与海洋工程装备制造生产管理方面的研究㊂E -m a i l:l i q i n g@c h i n a s w s .c o m ㊂第10卷 第2期2023年6月海洋工程装备与技术O C E A N E N G I N E E R I N G E Q U I P M E N T A N D T E C H N O L O G YV o l .10,N o .2J u n .,2023㊃120㊃海洋工程装备与技术第10卷体㊁锚系㊁传感器系统㊁数据采集和控制系统㊁能源管理系统和通信系统㊂1.1浮标体浮标体是整个平台的载体,可以为系统提供足够的浮力,与锚系共同确保整个平台在海洋环境中的稳定工作㊂按照结构类型划分,浮标体可以分为圆盘型㊁船型和柱型等结构㊂其中,应用最广泛的㊁历史最悠久的是圆盘型浮标㊂圆盘型浮标通常按照直径分为大型㊁中型和小型3种类型㊂国外的浮标平台使用源于20世纪60年代,当时多采用12m 直径和10m直径的大型浮标[2]㊂随着材料技术的进步,美国的国家数据浮标中心(N a t i o n a l D a t a B u o y C e n t e r,N D B C)逐渐发展出了直径3m的标准浮标,成为美国浮标观测网的主力浮标[3]㊂我国的海洋浮标研制起步较晚,现在也进入了业务化运行阶段㊂我国已经初步建立了包含约130个浮标的近海浮标观测网,包括10m大型浮标㊁6m中型浮标和3m小型浮标,主要型号是10m大型浮标[4]㊂究其原因,我国近海渔业活动频繁,采用大型浮标可以降低丢失和损坏的风险,能够提高浮标系统的稳定性㊂而国外的海况比较良好,渔业活动较国内稀少,因此,采用易于运输和维护的3m小型浮标,只有在比较恶劣的海况才使用大型浮标㊂1.2锚系锚系通常由锚和系缆组成,能够为整个浮标系统提供足够的系泊力,与浮标体共同保证系统的稳定运行㊂根据系留方式的不同,锚系可以分为单点系留和多点系留㊂其中,单点系留又可以分为全锚链式系留㊁拉紧式系留㊁半拉紧式系留㊁倒S型系留和弹性系留系统[5]㊂锚的类型有有杆锚㊁无杆锚㊁大抓力锚和特种锚㊂系缆的材料类型有锚链㊁钢丝绳㊁化纤缆绳和弹性系缆原件㊂弹性系留是比较新的系留方式,可以降低海流导致的系缆运动,改善浮标的随波状态,提高浮标的数据质量[6]㊂1.3数据采集和控制系统数据采集和控制系统是整个浮标系统的控制中心和数据处理中心,能够完成对传感器的数据采集㊁远程控制和电源管理㊂数据采集系统结构可以分为采集电路㊁控制芯片㊁存储设备和相应软件等㊂当前,我国浮标平台普遍采用的数据采集和控制系统主要支持海洋气象㊁物理海洋和少量海洋传感器的采集和控制,满足国家海洋局㊁气象局等单位的业务化运行需要㊂对于这些业务化运行的浮标平台,增减传感器数量和种类都需要重新设计,增加了工作量㊂国外的发展趋势是,研制可以应用浮标㊁潜标和水下滑翔机等多种平台的低功耗的智能型数据采集和控制系统[7],其关键是模块化设计和标准化设计㊂国内的各个机构,包括中国海洋大学㊁山仪所㊁中船重工七一五所等都设计了自身的基于C A N总线的数据采集和控制系统[8㊁9],具有较好的扩展性㊂1.4电源管理系统电源管理系统是数据采集控制系统㊁通信系统和传感器系统的能量来源,能够实现电源的补充和管理㊂通常,浮标平台采用太阳能和蓄电池结合的方式实现能量的采集和存储㊂在阳光充足的时候,太阳能电池板可以将光能转化成电能,除了供应传感器消耗之外,将多余的电能储存在蓄电池中㊂在没有阳光的时候,蓄电池中的能量可以满足整个系统的运行㊂其中,电源管理模块可以监测并显示电池的电压㊁电流和温度等要素,防止蓄电池过充㊁过放和过热等[10],最终,实现系统的长期平稳运行㊂1.5通信系统通信系统是浮标平台和岸基站之间的联系通道,可以实现数据和控制指令的双向传输㊂浮标上常用的通信方式有V H F㊁C D M A㊁G P R S㊁北斗卫星和海事卫星等多种方式㊂在近海和湖泊中,手机信号比较强,采用C D M A或者G P R S信号通信具有速度快㊁费用低和稳定的特点㊂在离岸较远的区域,通信基站较少,卫星通信成为唯一的方式㊂为了避免数据的泄露和高昂的流量费,国内的浮标平台普遍采用北斗卫星通信,其在寻址方式㊁信道畅通率㊁用户容量㊁通信实时性和价格方面都优于国际海事卫星通信,但是一次只能传递78个字节,每次通信需要分成多个数据包才能完成[11]㊂1.6传感器系统传感器系统是整个浮标系统的工作部分,可以实现对多种海洋环境参数的测量㊂根据观测的科学目标的不同,搭载的传感器包括气象传感器㊁物理海洋传感器㊁海洋化学传感器和海洋生物传感器等㊂目前,国内浮标观测网搭载的传感器一般采用国外的产品,价格昂贵,维护比较麻烦㊂而国产传第2期李清,等:国家海底观测网十米浮标平台系统研究与应用㊃121㊃感器的问题在于,没有相应的产品,产品精度不能达到使用要求,或者没有在浮标上的使用经验㊂这些问题限制了国产传感器的研发和使用,导致与国外传感器产品差距越来越大,最终国内传感器产业萎缩甚至消失㊂2海底科学观测网浮标平台功能性分析在东海海域,海底科学观测网需要从海面到海底,全方位立体协同观测,从而深入理解人类活动影响下的长江口东海的物质交换及其生态环境效应,研究东海低氧区的形成机制㊁生物地球化学过程及对生态环境的影响,探索长江冲淡水与西太平洋边界海流的相互作用㊂因此,海底观测网的浮标平台提出了新的更高的要求㊂2.1搭载的传感器数量多㊁学科全㊁控制要求高业务化运行的浮标平台一般搭载海洋气象传感器㊁海洋物理传感器和少量海洋化学传感器,主要测量指定海域的气象特征㊁温度盐度深度和流速等水文特征㊂而海底科学观测网的目标在于对东海的全方位观测,不局限于气象和水文特征㊂因此,海底观测网的浮标平台除了搭载常见的海洋气象传感器(风速㊁风向㊁气压㊁气温㊁湿度等)㊁物理海洋传感器(流速㊁流向㊁水温㊁波浪等)外,还要搭载众多的海洋化学传感器,比如用于测量p H值㊁溶解氧㊁水气C O2㊁硝酸盐㊁甲烷等的传感器㊂另外,浮标平台还要搭载激光粒度仪㊁光合辐射仪㊁三波长荧光计㊁光量子效率仪和浮游生物成像和分类系统,来观察水体中的浊度㊁光合作用㊁叶绿素㊁有机质和生物丰富度㊂如此多的传感器,对浮标系统的测量项目㊁传输方式及接口㊁防护等级㊁供电及功耗㊁体积与安装㊁连续工作时间与维护周期等方面,提出了较高的要求㊂浮标平台上传感器的稳定协调工作是海底观测网长期稳定运行的重要保证㊂2.2观测网防护要求除了需要搭载传感器实现海气界面的观测之外,浮标平台还要承担守护海底缆系的作用㊂东海地区繁忙的渔业活动对于海底的缆系具有较大的威胁,需要浮标平台提供一定的示警和防护作用,来提醒渔民注意指定海域底部的缆系,从而提高整个海底科学观测网的稳定性㊂2.3水声通信要求为了实现海底科学观测网的全方位观测,除了浮标平台,还需要潜标㊁四脚架㊁观测塔等平台同时工作㊂而这些平台的能量和数据是通过海底的光电复合缆传输的㊂浮标和部分无缆的潜标必须使用无线通信,才能接入海底科学观测网㊂无线电波和激光等信息载体在水下衰减剧烈,无法实现水下信息的传输,因此声波成为水下通信的唯一载体㊂在海底观测网中,水声通信系统共有3个主要作用:将无缆区域的浮标和潜标纳入实时海底观测网,将有缆区域的无缆浮标纳入海底观测网㊁海底电缆通信故障时的数据出水应急通道㊂借助水声通信,将浮标㊁潜标㊁四脚架等平台真正整合为一个有机整体,从而更好地实现数据的实时传输㊂2.4仪器国产化要求和国外传感器相比,国产的传感器优势在于价格便宜㊁维护方便以及可以提供必要的技术支持,打破国外的技术封锁㊂缺点在于测量精度不够㊁稳定性不够和没有使用经验不足等㊂另外,某些保密性的数据也只能通过国产的仪器采集和处理㊂在海底科学观测网中,为了降低后期的运行维护成本,保证声学数据的保密性,需要传感器的国产化㊂3浮标平台设计探讨3.1智能型数据采集和控制系统设计针对当前浮标数据采集和控制系统主要支持海洋气象㊁物理海洋和少量海洋化学传感器的现状,研制模块化程度高㊁扩展能力强㊁人机交互良好㊁具备辅助预警决策功能的智能型控制系统㊂该数据采集系统主要包括主控芯片㊁C A N总线控制模块㊁分布式数据采集预处理模块和预警辅助决策模块等㊂图1所示为数据采集和控制系统结构框图㊂为了保证传感器数量的迅速扩展,采用C A N总线和分布式预处理模块结合的方法㊂分布式预处理模块包括数据采集电路㊁数据处理和控制芯片以及相应的硬件模块化设计㊂当需要增加或者改变传感器时,只需要将传感器装在预处理模块上,再将预处理模块与C A N总线相连,从而实现传感器的迅速扩展㊂另一方面,还要开发易于操作的人机界面,使得科学家在岸上能够实时监测设备的健康状况,提前发现可能出现的设备故障,发出预警,并通㊃122㊃海洋工程装备与技术第10卷图1浮标数据采集和控制系统F i g.1B u o y d a t a a c q u i s i t i o n a n d c o n t r o l s y s t e m过交互式远程控制系统对设备进行控制,从而保障海底观测网的稳定工作㊂3.2水声通信数据链为了实现潜标和浮标平台之间的水声通信,需要在浮标和海床基上加装水声通信机㊂浮标上的水声通信机基阵采用柔性线阵列,在柔性保护管内部安装发射换能器和接受水听器,外部安装透声保护罩㊂基阵主要由8个接受水听器和1个发射换能器组成,阵元间距为200m m,整体长度为2m左右㊂基阵下端配重,保证基阵在一定流速范围内可以保持基阵垂直㊂在浮标系统中,金属锚链的振动声㊁连接头旋转的声音㊁海浪冲击标体的声音等都会影响水声通信的效果㊂为了减弱这些噪声的影响,通信机基阵需要伸出浮标底部一定距离,其下端应伸出浮标地面5m左右㊂3.3浮标平台防护措施为了保证浮标平台的安全和整个海底观测网的长期运行,需要在浮标上增加安全防护装置㊂首先是报警系统,具体包括人员闯入报警㊁事故报警和故障报警等㊂这些报警系统需要加装相应的传感器,例如舱开门㊁舱进水㊁浮标移位㊁浮标倾斜等传感器㊂其次,在浮标上要加装A I S防撞系统,实时监测浮标周围12海里海域内的过往船只,对驶入2k m范围内的船只进行识别跟踪,并利用海事和渔政系统对其发出警告㊂为了避免某些没有加装A I S 系统或者A I S系统关闭的船只,可以采用V H F电台对其广播,使其远离浮标㊂最后,为了激发渔民的主动保护意识,除了每年对渔民进行宣传之外,还可以借助观测数据开发相应的数据产品以服务渔民,保障渔民的生命财产安全㊂例如,可以在渔船靠近时,向渔民的手机发送该海域的天气状况及预测,帮助渔民了解海上天气状况,减少损失㊂3.4仪器实验平台建设为了提高仪器的国产化水平,促进海洋传感器的发展,需要在浮标平台上搭建传感器的实验平台㊂在海底科学观测网中,每一个锚定点附近会有一个实验标和两个警戒标,在观测海底的同时,起到保护海底电缆的作用㊂而在每个浮标上会开6~ 8个仪器安装井,在保证海底观测网的长期稳定运行的基础上,可以将部分安装井作为国产传感器的实验平台,以验证㊁完善其使用性能㊂还可以同时搭载国外同种传感器产品,提供数据比对,以明确改进方向和验证数据的准确性㊂4柴发太阳能混合能源系统传统太阳能发电系统的发电功率与太阳能板的数量成正比,通常仅能支持低频率的数据采集㊂太阳能发电的效率受天气影响较大,无法满足浮标平台在连续阴雨天㊁台风等极端天气的用电需求㊂为了实现多种传感器全天候的高频连续观测㊁高带宽数据的实时传输,浮标平台采用柴油发电机和太第2期李清,等:国家海底观测网十米浮标平台系统研究与应用㊃123 ㊃阳能板混合发电,经蓄电池存储转换后供所有仪器设备用电㊂4.1 柴油发电机的布置柴油发电机在各类大小船舶中应用非常成熟,工作期间的振动㊁噪声和散热大,通常布置在独立的机舱中㊂在浮标平台上,柴油发电机布置在能源室深处远离浮标中心的方向,能够降低对浮标小平台仪器㊁仪器室数采设备的影响㊂油柜布置在发电机外侧,配置油位计,如图2所示㊂柴油发电机周围应预留设备维护空间,满足定期保养和检修需求㊂图2 柴油发电机的布置F i g .2 A r r a n g e m e n t o f d i e s e l ge n e r a t o r s 4.2 柴油发电机的冷却系统船用柴油发电机通常采用海水直接冷却的方式㊂海水经过滤后进入发电机冷却水管,具有冷却效率高的优点;缺点是冷却水管内部易发生腐蚀或堵塞㊂浮标平台以无人值守的方式长期工作在东海近岸含沙量高的海水中,需要采用间接海水冷却的方式㊂在冷却水管路中充满淡水,以内循环的方式冷却发电机㊂一部分冷却水管穿过舱壁后进入冷却水舱,由海水对冷却水管进行降温冷却㊂经验证,间接海水冷却的方式完全能够满足发电机的使用工况㊂4.3 柴油发电机的通风系统柴油发电机工作期间消耗新鲜空气,因此需要配置通风系统㊂新风从桅筒侧面的烟雾处理器进入结构风道㊁风机,一路直接送至能源室柴油发电机进风口附近,另外一路经电动风闸送至仪器室㊂发电机产生的废气经排烟管从桅筒背面一侧排至舱外,不影响舱内设备运行和人员工作㊂当人员需要进舱作业时,开启风机和仪器室的电动风闸,能够为仪器室快速注入新鲜空气,减少海上作业等待时间㊂4.4 柴油发电机油箱设计柴油发电机(以下简称柴发)选用K O H L E R13.5E F K O Z D ,可输出110~220V /50H z 共计7种电压,输出功率13.5k W ㊂油柜采用独立箱柜设计,按照系统的设备及柴发的设计工况,即75%负荷每日工作一小时,油耗为2.92L /h ,1500L 容积,可为柴发提供超过250天的续航,见表1㊂由于浮标平台为无人值守设计,需要设计远程读取液位数据,因此,在油柜顶部设计有浮球式磁性液位计;在侧面设计有翻转式磁性液位计,用物理显示的方式显示液位,保证了柴油液位监控的准确可靠,如图3所示㊂表1 柴油发电机油耗说明T a b .1 D i e s e l g e n e r a t o r f u e l c o n s u m p t i o n d e s c r i pt i o n 油耗60H z 50H z柴油,L /h (g ph ),%(载量)100%4.57(1.21)3.90(1.03)75%3.55(0.94)2.92(0.77)50%2.50(0.66)2.02(0.53)25%1.57(0.42)1.19(0.31)注:60H z 模式下16E K O Z D 油耗,50H z 模式下13.5E F K O Z D 油耗㊂㊃124㊃海洋工程装备与技术第10卷图3 柴油发电机示意图F i g .3 S c h e m a t i c d i a g r a m o f d i e s e l ge n e r a t o r s 4.5 水循环改进及设计柴油发电机原设计采用船用柴油机,其冷却水系统为开式二级循环冷却系统,即通过泵和管路抽取外部环境水,用环境水和发电机内部的缸套水进行热交换,是为一级循环;缸套水通过闭式循环管路再冷却柴油机气缸等部件,从而带走发电机运行产生的热量,是为二级循环㊂使用后的环境水通过排气管和高温气体一起排出㊂但是,该冷却水方式适合低盐水环境的内河环境使用,对于无人值守的海上浮标平台显然不适用㊂因此,需要将原有的开式二级循环系统改造为闭式三级循环冷却系统㊂在标体外围的浮力舱内单独划分出一个海水冷却水舱,使舱内有和吃水高度一致的海水,舱底布置耐腐蚀材质制成的热交换盘管,用来实现低温淡水与海水的热交换,是为一级循环;低温淡水部分设置有除气水箱,用于去除系统循环中产生的气体,气体通过水箱顶部的管路进入位于高位的膨胀水箱,再通过膨胀水箱上的透气管排出系统㊂膨胀水箱有两个功能:二级循环系统补水;承担系统运行时冷却水热膨胀释放㊂二级循环冷却水通过发电机内部的泵及热交换器和发电机内的三级循环系统进行热交换㊂通过改造,冷却水循环系统可大大提高冷却水系统的可靠性,从而满足浮标平台无人值守的要求,如图4所示㊂图4 水循环系统示意图F i g .4 D i a g r a m o f t h e w a t e r c i r c u l a t i o n s ys t e m 4.6 通风及排烟设计为满足浮标舱内设备散热及发电机运行对于新鲜空气的需求,浮标系统内还设计布置了通风系统㊂通风系统分为两路:日常设备运行通风及发电机送风㊂两路通风系统通过计算机控制风闸,考虑到海上环境对于设备的影响,进风口设计有盐雾过滤器㊂当日常设备运行时,风闸间歇性打开,通风第2期李清,等:国家海底观测网十米浮标平台系统研究与应用㊃125㊃系统可以带走设备运行时产生的热量,为系统可靠性提供保障㊂当柴发启动运行时,设备运行的风管分闸关闭,所有空气全部用于柴发送风㊂根据柴油机的运行需求,此时柴发的需求风量需要达到10000L/h㊂5结语本文首先介绍了浮标平台的结构组成以及国内外的进展;然后,提出了海底科学观测网对于浮标平台的功能性需求,包括对浮标数据采集和控制系统的要求㊁对水声通信的要求,和对海底电缆的防护要求和仪器国产化的要求;最后,针对海底观测网的这些需求,提出了一些建设的意见㊂总之,浮标平台未来将向智能化㊁系统化㊁网络化发展,这需要广大科技工作者的共同努力㊂参考文献[1]汪品先.从海洋内部研究海洋[J].地球科学进展,2013,28(5):517520.[2]M c c a l l J,K e r u t E,H a a s G,e t a l.E v o l u t i o n o f B u o yE l e c t r o n i c s a n d T e l e m e t r y[C].O c e a n s.I E E E,1978:19.[3]T a f t B,B u r d e t t e M,R i l e y R,e t a l.D e v e l o p m e n t o f a n N D B CS t a n d a r d B u o y[C].I E E E,2010:110.[4]王波,李民,刘世萱,等.海洋资料浮标观测技术应用现状及发展趋势[J].仪器仪表学报,2014,(11):24012414. 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(1. Institute of Surveying and Mapping School of Surveying and Land Information Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454003;
2. Institute of Geographic Sciences, Henan Academy of Sciences, Zhengzhou 450052;
现长期、自动、实时和连续获取全球海洋水深上层温度、盐 度剖面资料和海流的资料[2]。
随着我国海洋资料浮标网的逐步建立，浮标数据的使用
作为空间数据引擎，实现空间数据和属性数据的集成存储与 管理。(2)业务支撑层：通过 ArcEngine 二次开发接口和开放 数据库互连(Open Database Connectivity, ODBC)实现对数据
Design and Implementation of Oceanographic Buoy Management Information System
GUO Hong1,2,3,4, FENG De-xian1,2, GU Xing-fa3,4, YU Tao3,4, LI Jia-guo3,4
3. State Key Laboratory of Remote Sensing Science, Jointly Sponsored by the institute Institute of Remote Sensing Applications, Chinese Academy
of Sciences and Beijing Normal University, Beijing 100101;
第 36 卷 第 12 期 Vol.36 No.12 ·开发研究与设计技术·
计算机工程 Computer Engineering
文章编号：1000—3428(2010)12—00256—
文献标识码：A
2010 年 6 月 June 2010
中图分类号：N945
海洋浮标管理信息系统的设计与实现
郭 红 1,2,3,4，冯德显 1,2，顾行发 3,4，余 涛 3,4，李家国 3,4 (1. 河南理工大学测绘与国土信息工程学院，焦作 454003；2. 河南省科学院地理研究所，郑州 450052；
1 概述
我国是一个濒海大国，拥有 18 000 多千米的大陆海岸线 和近 3××106 km2 可管理的海域，有 6 000 多个 500 m2 以上 的岛屿和 1 000 多个可以利用的港湾[1]。海洋信息的监测研究
practicability of the system are demonstrated by the application solves
3. 中国科学院遥感应用研究所遥感科学国家重点实验室，北京 100101；4. 国家航天局航天遥感论证中心，北京 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ00101)
摘 要：在通过分析海洋浮标数据特点的基础上，设计并实现一个海洋浮标管理信息系统。利用地理信息系统技术对浮标数据的空间性和 时间性进行耦合，以统一的方式对空间数据和属性数据进行管理，在此基础上设计并实现海洋浮标管理信息系统。该系统可以实现了对浮 标的多点、多路径、长时间序列的关联存储、条件检索和动态展现，通过将浮标总表与浮标分表相结合，实现浮标漂移路径的追踪。最后， 通过应用实例证明了该系统的有效性与实用性。为海洋浮标资料的信息化管理提供有效的技术支持。 关键词：海洋信息；浮标；ArcEngine 组件
4. The Center for National Spaceborne Demonstration, Beijing,
100101)
【Abstract】Based on they analysiszing on of the characteristics of oceanographic buoy data, this paper uses this paper uses Geographic Information
2 海洋浮标管理信息系统设计
2.1 系统体系结构 根据浮标运行的实际需求， 本系统采用多层分布式应用
模型，形成了数据层、业务支撑层、业务应用层和用户层，
对海洋开发、交通运输、国民经济建设和国防建设等都有十 分重要的作用。浮标是一种现代化的海洋监测设施，能够实
如图 1 所示：(1)数据层：数据层主要是由基础地理数据库和 地理信息数据库组成，数据库系统采用 ArcSDE 和 Access
System(GIS)GIS technology is proposed to be applied to to couple spatiality and timeliness buoy data, and manages spatial attributes and property
attributes in a uniform manner, on the basis of which, based on which, oceanographic buoy management information system is designed and
implemented. unified. It comes true tocan save related, search conditionally and display dynamically with buoy’s multi-point, multi-path and long
long time sequentialitysequence of the buoy Finally tThe validity and
存在以下问题：(1)浮标类型多，测量数据的次数频繁，因此， 的 访 问 和 管 理 。 (3) 业 务 应 用 层 ： 是 系 统 的 核 心 ， 利 用
数据量大，且随着新浮标的不断投放，海洋浮标资料的数据 量将更大，对海洋浮标信息的数据库要求更高。(2)浮标时空