马宇坤，戴　俊(.中国船舶重工集团公司第七二四研究所，南京53;.南京炮兵学院，南京0000)



海洋立体环境综合观测系统的设计与实现

马宇坤1，戴俊2
(1.中国船舶重工集团公司第七二四研究所，南京211153;2.南京炮兵学院，南京210000)

摘要:介绍了海洋立体环境综合观测系统的设计与实现。该系统利用多种先进的传感器设备和智能化的数据分析技术，设计实现了岸、海、空及水下立体观测系统。系统采用了层次化模块化的软件设计模式，实现了针对多种传感器数据的多维多时空的统一化处理。

关键词:海洋观测;多源数据融合;多传感器

0　引言

中国是一个海洋大国，拥有漫长的大陆海岸线和广阔的海上领土面积，并拥有丰富的海洋资源可供开发利用。在漫长的海岸线和广阔的领海海域内实施国家海洋战略，开发和利用海洋资源，发展海洋经济，维护海洋权益，预防和减轻海洋灾害等一切活动，都依赖于通过对海洋观测掌握和预报准确的态势信息来实现［1］。本文所述海洋立体环境综合观测系统，主要针对我国海洋信息需求和信息应用的发展需求，从海洋立体环境综合观测系统体系结构、功能任务、系统组成等方面论述了海洋立体环境综合观测系统的设计与实现方法，可为构建我国分布式网络化的海洋立体环境综合监测和保障系统奠定技术基础［2］。

1　系统的体系构建

海洋立体环境综合观测系统体系结构包括多源信息传感器层、信息管理层、信息处理层和信息应用层等，形成覆盖空、岸、海面和水下的网络化立体观测体系结构。该系统主要功能是利用多类传感器实时获取观测区域内的空中、水面和水下的目标环境、大气海洋动力环境、海气边界层海洋动力环境、水下海洋动力环境、海洋生态环境和海上电磁传播环境等态势与环境信息，通过综合观测信息处理系统对获取的信息进行数据同化、匹配融合与目标识别处理，进行综合、解译和预测海洋立体环境信息。

海洋立体环境综合观测系统主要由各型接触式和非接触式传感器平台、综合信息处理、信息综合与解译、态势与信息展现平台等组成。系统体系结构和组成如图1所示。

图1　空、海、陆一体的海洋立体环境综合观测系统示意图

2　系统设计与实现

2.1系统框架

海洋立体环境综合观测系统可分为传感器子系统、显示控制子系统、多源综合处理子系统、数据库和重放子系统等功能子系统。在工程设计与应用中，包括各种传感器、数据专用传输信道、信息综合处理指挥中心(含多功能信息综合处理设备、显控台，以及数据库、数据记录与数据重放处理设备等)。

通过安装在海面、岸基、水下的各型传感器，实时监测海洋上多种观测数据［4］。监测的测量数据经加密后通过专用信道上传到指挥中心，数据在指挥中心首先经过多源数据融合处理，然后将信息分两路，一路分发至显示控制子系统供操作人员观测调用，一路分发至数据库和重放子系统供后期处理［5］。

2.2传感器子系统

传感器子系统采用物理、化学、红外、光电、电磁波等各类传感器和仪器，通过岸基、浮标、潜标、船载、海洋平台、海床等设备搭载平台，形成空、岸、海立体空间的探测，实现对大气、海洋立体综合环境信息的感知。

按照探测设备种类和实现方式，海洋立体环境综合观测系统的设计应包括多种雷达以及自动气象水文站、自动船舶识别、红外光电、浮标、潜标和声纳等传感器级子系统。

传感器各子系统采用独立或协同工作模式，用于完成大气动力环境、海洋动力环境、目标环境、生态环境等方面的监测。

2.3显示控制子系统

显示控制子系统主要完成海洋立体环境综合观测系统的多信息按需显示与多功能操作控制，并实现与本项目用户的互联互通接口交互。显示控制子系统显控界面由两个屏幕组成，如图2所示。

(1)态势显示窗口

实现电子数据的可视化组织、展现和电子海图的无极缩放、平移、鹰眼、量算。在海图窗口上，可以显示多功能测波雷达探测到的雷达视频，根据雷达视频可以录取不同的水面目标。对于己方目标，可以显示主动识别信息。

(2)测量控制窗口

通过对海洋立体环境综合观测系统工作方式、处理模式的按需控制，一级菜单以扁平化风格进行组织，以便在同一层级下可以显示更多统计内容，关键信息可以在主屏幕上进行弹出显示。将海洋环境分为以下4大板块进行观测:海洋动力环境、海洋目标环境、海洋生态环境和海洋综合环境［3］，同时具有传感器管理和系统管理功能。

图2　显示控制子系统实景界面

2.4多源综合处理子系统

多传感器综合处理器是海洋立体环境综合观测系统的核心，其主要对两类信息进行融合:

(1)目标信息的融合，其功能是将来自各雷达站的雷达视频信息、跟踪数据信息、AIS信息及CCTV信息等进行融合，实现对多雷达目标的判定和跟踪、雷达目标和AIS目标的融合、雷达站间交接、CCTV联动、对目标的危险判断和报警等。

(2)对环境信息的融合，根据从多个传感器采集的针对同一环境参数的不同测量值，选取适当的融合算法，对各种海洋参数进行基于多维多时空的归一化融合处理。

2.5数据库和重放子系统

数据服务和数据分析是海洋立体环境综合观测系统的主要业务。所以，高效合理的数据库设计和实现是系统建设成功的关键之一。数据库子系统选用Windows Server 2008作为服务器的操作系统，选用SQL server 2008作为中心站数据库平台。SQL server 2008数据库术语关系型数据库，采用完全开放策略，并提供基于角色分工的安全保密策略，在数据库管理、完整性检查、安全性、一致性方面都有良好的表现［6］。中心站的数据库总体关系型设计如图3。

对于雷达视频、AIS数据文件、CCTV回放等比特型大规模数据，不适合放入数据库中直接存储。在本系统中，在数据库系统之外再建立一个重放子系统，将它们作为比特型数据根据时间存入重放子系统的文件系统中，然后再编写程序根据时间、地点等要素，对客户提供回放功能。

3　系统设计运行特点

3.1态势统一

各级信息综合处理系统所获取的海上目标环境信息和海洋环境信息应能一致和同步，即在任何时间对于相同的目标环境和相同的海洋环境信息，各级信息综合处理系统输出和显示的信息要素总能保持一致，以此保障各级用户能够及时一致地理解相同海上目标环境和海洋环境的信息要素。

图3　系统数据库关系型设计

3.2按需保障

各级信息综合处理系统可根据保障模式、使用权限和用户需要，灵活地定制信息分发规则，保障各类用户能够及时、可靠地获取所需海上目标环境和海洋环境信息，有效控制信息的分发内容和分发范围。

3.3按区处理

按照信息保障任务需要和观测区规定，对各级信息综合处理系统划分海上目标环境和海洋环境信息处理的责任区。信息综合处理系统负责处理本责任区内的所有海上目标环境和海洋环境信息，形成本责任区综合信息。

3.4随遇接入

实时信息获取平台和信息综合处理系统之间应能

依托综合通信网络，实现系统的无缝互连和信息的自动交换，能就近接入网络节点、自动选择网络路径，尽量提高各系统对接入地点、接入方式的自适应性，以此保障信息获取平台不随系统接入点、接入方式的变化而变化，保持信息交换关系不变、信息交换不中断。

3.5安全保密

采取多种安全保密措施，确保目标环境和海洋环境信息收集、传输、处理、分发全过程的信息保密、信息与系统的安全防护。

3.6抗毁重组

每个信息综合处理系统具有备份系统，相关信息综合处理系统可互相接替。依托综合通信网络，采用具有多路由迂回能力的通信网络，设置能够实时接替和异地备份的信息综合处理系统，采取网络管理控制手段，使信息综合处理系统具备较强的抗毁生存能力。

4　结束语

本文首先介绍了海洋立体环境综合观测系统的项目背景，然后介绍了系统的组成框架，包括传感器子系统、显示控制子系统、多源综合处理子系统、数据库和重放子系统，最后介绍了本系统的设计运行特点。通过本系统的构建，实现了对海洋环境全面、多层次、多维、长期连续的不间断观测，以及时准确地掌握海洋环境运动变化的规律。将来有望向国家海洋、气象、渔业、环保、能源、交通等政府决策机构提供立体化的海洋环境信息，这对于国家未来发展具有十分深远的意义。

参考文献:

［1］石田耕三.环境监测技术的现状及发展趋势［J］.中国环境监测，2005，21(1):21-22.

［2］许丽娜，王孝强.我国海洋环境监测工作现状及发展对策［J］.海洋环境科学，2003，22(1): 14-15.

［3］GB/T14914-2006，海滨观测规范.

［4］周智海.海洋环境监测和信息服务集成系统规范化设计考虑［J］.气象水文海洋仪器，2004，Z1(02):4-6.

［5］汪洋，王文俊，詹易生，等.海洋环境监测系统动态集成框架研究［J］.海洋技术，2004，23(4): 6-8.

［6］高冬梅.SQL Server 2008数据库程序设计［M］.北京:机械工业出版社，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

作者简介:马宇坤(1980-)，男，工程师，研究方向:机电一体化;戴俊(1986-)，男，教员，硕士，研究方向:作战指挥。

收稿日期:2015-01-15;修回日期:2015-03-10

文章编号:1009－0401(2015)02－0005－03

文献标志码:A

中图分类号:TN95