（控制理论与控制工程专业论文）海洋环境在线监测及赤潮灾害预报系统研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 我国是世界上赤潮灾害较严重的国家之一，赤潮灾害的频发严重影响了我国 的生态环境并导致巨大的经济损失。因此迫切需要研制高精度的海洋环境在线监 测及赤潮灾害预报系统。本文结合当前国内外先进的海洋监测技术，以嵌入式系 统、x m l 标记语言、网络通讯技术、数据仓库、动态网页等技术为支撑，设计 了海洋环境在线监测系统的架构，实现了海洋环境要素监测子系统和海洋信息在 线管理子系统的开发，并引入基于聚类分析的数据挖掘算法，对赤潮的预警模型 进行了初步研究。 本文首先以海洋监测系统的需求和发展趋势为依托，确定了系统的设计目 标，并在此基础上设计了海洋环境在线监测系统的整体架构。然后，以该框架为 依托，详细设计了海洋环境要素监测子系统和海洋信息在线管理子系统。其中， 海洋环境要素在线监测子系统以l i n l l 】嵌入式系统为平台，使用g p r s 无线传输 技术作为通讯手段，实现了分布式控制，解决了浮标与台站之间传输介质问题以 及海洋要素的远程在线监测问题。同时，设计了基于订l 的数据交换机制，成 功地实现了海洋监测数据的实时上传及l j i l i l 】【平台与w i n d o w s 平台的无缝连接。 监测网络由传感器、浮标和台站三种类型的监测设备构成三级网络结构，具有极 好的扩展性。海洋信息在线管理子系统以数据仓库为中心，运用了m i c r o s o f i i s ， a p a c h et o m c a t 服务器技术，以及a sp n e t 、j s p 动态网页技术，通过i n t e m e t 实现客户端和数据仓库的远程交互，及时地对数据仓库中的数据进行维护和更 新，有效地实现了海洋数据的在线发布及在线管理。为了方便海洋监测要素的监 测，实时地反映海洋数据的变化规律，开发了海洋数据动态曲线发布系统，该系 统可以在线监测海洋数据变化规律，并可通过网络浏览动态曲线，具有很高的实 时性。 最后，本文探讨了基于聚类分析的数据挖掘算法在赤潮预警方面的应用。在 对传统的f c m 聚类算法以及赤潮爆发规律进行深入研究的基础上，做了大量试 验。在传统的f c m 聚类分析算法的基础上加以改进，提出了预处理加权f c m 算法p w - f c m ，取得了良好的效果。 关键词：海洋监测：分布式系统；远程控制；赤潮：聚类分析 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t c 1 1 i mi so n eo f t h ec o 姗t r i 髂w i ms e o 瞄h 栅血ia l g a lb l o o m so i a b ) d i s 勰t e 培 i nt h ew o r l d f r e q u e n th a bd i s a s t c 培c 哪e d 靶v e 坞d 锄a g et 0t 1 1 e c c o l o 百c a l a i r o 咖e n t 勰d c i a le c o m y e 街c i e mm a r i n co n l i i l em o i l i t o r i n g 卸d l a b d i s 勰t e rp r e d i c t i n gs ”t e mi sn e c d c dt ob ed e s i 印c du r g e n t l ymt 1 1 i sp a p b a s e do n t l l ea d v 锄c e do c e 觚m o n i t o 血g 僦h o l o g y 锄b c d d e ds y s t e m ，x m l ，n e m o r k c o m 删c a t i 0 1 l d a t aw a r e h o u s es u p p o r t ，d y n a m i cw e bt e c h n o l o 西e sa r eu s e dt o d e s i 印觚i n t e g r a t c ds y s t e m m 痂e l i n em o i l i t o 咖gm e a i l w h j l e ，c l u s t e r 觚a l y s i s o fd a t am i n i n ga l g o 删m si si n 咖d u c e dt 0d op r e l i l l l i n a r ys t i l d yo nh a bw a r i l i n g m o ( 1 e l mm i sp a p e rt h ew h o l e 胁洲r ko fm 椭eo n l i n em o i l i t o r i n gs y s t 锄i s d e s i 髓e db a s e do nt h en e e d 锄dt h et c c h n i q u ed e v e l o p i n g 慨n do fh a bd i s 硒t e r p r e d i c t i l 瑁u n d e r 也i s 矗锄e w o r k ，w ed e s i g 【lm em 碰n ee l 锄e n to n l i n em o n i t o r i n g s u b s y s t 唧a r l dm a r i n ei n f 0 珊a t i o no n l i l l em a n a 百n gs u b s y s t 锄m a 咖ee l e m e n t o n l i i l em o n i t o r i n gs u b s y s t 锄i sb u i ho nt t l ep l a t f o m lo fl i n u x 印1 b e d d e ds y s t 锄n s o l v e st h ep r o b l c mo f 岫s f i o r n lm e d i 啪b e 脚e b u o y s 锄ds t a t i o n sb yd i s t r i b u t i o n c o n 仃o im e m o dw i mg p r sw i r e l e s sc o 姗砥c a t i o nt e c h n o l o 肼m e a n w t l i l e ，t l l e l i n u xp l a t f o 衄a n dw i n d o w sp l a t f b 珊黜s e 锄l e s s l yc o 皿e c t e db a s e do nm ex m l d a t a 仃a i l s 白m a t i o ns om a tm em 撕n em o i l i t o r i n gd a t ac 孤b eu p l o a d e di nr e a lt i m e t h em o i l i t o r i n gn e m o r ki sc o i l s i s t c do fs e l l r s ，b u o y s 锄ds t a t i o n st oma ：k ci ta t h r e e - l e v e ln 咖o r kc o n s t m c t i o i l wh i c hh 私ag o o da b i l i t yo fe x p a i l s i b i l i t y m 撕n e i n f o m l a t i o no n i i i l em 锄a 百n gs u b s y s t 锄i 8b u i nb 嬲e do nt h cd a 恤w a r e h o l l s ew i t l lt l l e t e c h n o l o g i e so fm i c r o s o ni i s ，a p a c h et b m c a ts e r v e ra n da sp n e t ，j s pd y n 锄i c w 曲s i t eb r o w s i n g t h em a i n t e 觚c ea f l du p d a t eo f m a r i n ed a t ai nd a t aw a r e h o u s ec a n b ee 髂i l yi m p l e m e n t e dm r o u g hl d n 哥d i s t a n c ea l t e m a t i o nb e t w e c i lc l i e n t 飘dd a t a w a r c i l o l l s e h l t c m e t nm a l 【e sm 础n ed a t ao n l i n ep u b i i s l l i n ga n dm 孤a g e i i l e mv e 叮 p r a c t i c a la n de f f t i v e t h em a r i n e d a t ad ”锄i cc u n ，e s p u b l i s h i n gs y s t 锄i s d e v e l o p e df o rr e s e a r c ho nr e g u l a t i o no fm 捌n ed a t av 捌e t ya i l df o rt h ec o n v e n i e n c e o fm a 打n ee l e m e mm o n i t o r i n g t h es y s t 锄c a nm o l l i t o rt h em l e so fm 撕n ed a t a i h 山东大学硕士学位论文 c h a n g i n g t h ed y i 姗i cc u r v c a nb eb r o w s e d o nl i n ei n 豫a lt i m e f i n a l l y ，m ep 印e rd i s c u s s e dm e 印p l i c a t i o no fd a t am i i l i n ga l g o r i t l l i i l i nh a b d i s 船t c rp r c d i c t i n gb a s e do nc l u s t e r 锄l y s i s l 0 t so fc x p e 血n e m sa r em a d eb a s e d 蚰 t h ed e e d s e a r c hw i t l l 订a d i t i o l l a lf c mc l u s t e ra l g o r i t h ma n dt l l em l eo f h a bd i s a s t c r a ne 仃e c t i v ep f c t r e a t m e n tw e i g h t e df c ma l g o r i t h n ln a t i l e dp w _ f c mi sp r o p o s e d b a s c do n 吐l et r a d 谁o n a 王f c mc l 眦r 锄a l y s i sa 1 9 0 r i t h m t h em ww a ys h o w sm o r e e x c e l l tp c r f 0 肌删ec o m p 黜dw i m 仃a d i t i 伽a lf c mc l u s t c ra l g o r i m m i ( e yw o r d s ：m a r i m o i l i t o r i n g ；d i s 研b u t c ds y s t 锄；r c m o t ec o n 仃o l ；h a b ；c l u s t c r a m a l y s i s 山东大学硕士学位论文 符号说明 h a b ( h 砌f i l la l g a lb l m s ) g i s ( g e o 伊a p h i ci r i f o 衄a t i o ns y s t 锄) x m l ( e x t 锄s i b l em a r k u p g l i a g e ) g p r s ( g e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c c ) a s p ( a c t i v es e r v e rp a g e ) a d 0 ( a c t i v e xd a t a0 b j e c 埘 j s p ( j a v as e r v e r p a g c ) j d b c ( j a v ad a t a b a s ec o 肌e c t i o n ) f c m ( f u z z yc m e a n s ) 赤潮 地理信息系统 可扩展标记语言 通用分组无线业务 动态服务器页面 a c t i v c x 数据对象 j a v a 服务端网页 j a v a 数据库连接 c 均值模糊聚类 v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：痉缝 日期： 。h 司s 甚 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 盔筵导师签名：乏避，、期：兰! i 兰：堡论文作者签名：盔篮导师签名：么么幽日，、期：兰! i 兰：堡 山东大学硕士学位论文 1 1 课题背景及研究意义 第一章绪论 海洋覆盖着地球十分之七以上的面积，蕴藏着极其丰富的资源。现有研究成 果表明，海洋资源种类繁多，海洋生物、石油天然气、固体矿产、可再生能源等 资源丰富，可开发潜力巨大。随着陆上资源日趋匮乏，海洋资源的重要性日益凸 现，世界海洋经济必将持续快速地发展，成为世界经济发展中的新增长点【1 。2 l 。 我国是一个海洋大国，海岸线长达1 8 0 0 0 公里，管辖的海域面积近3 0 0 万平方公 里，合理开发海洋资源，顺利发展海洋经济对我国的经济可持续发展战略的实施 有着举足轻重的作用。 然而海洋也会给我们带来一定的灾害威胁，如我国南部沿海经常遭受风暴潮 的袭击，全国很多海域近年来赤潮频发，这些灾害每年给我国带来的经济损失以 百亿元计【3 。5 1 。伴随着人类大规模开发利用海洋，海洋的污染程度也日趋严重， 加重了导致赤潮灾害发生的频率。现在我国是世界上赤潮灾害最严重的国家之 一，赤潮灾害给沿海经济发展和人民生命财产安全带来巨大威胁【6 。引。因此迫切 需要研制高精度的海洋环境在线监测及赤湖灾害预报系统，以满足海洋开发和社 会发展的需求。 针对以上情况，我国政府对海洋监测给与了高度的重视，在“九五”、“十 五”期间持续加大对海洋监测技术研究的投入力度，确立了国家“十五”攻关项 目“海洋环境预测和减灾技术”，旨在加强海洋监测高技术研究。而且将海洋监 测技术主题确立为国家8 6 3 计划资源环境领域的四个主题之一，加大对海洋监测 技术的扶持力度，提高对海洋环境的监测和保护能力，并支持海洋资源开发和海 上国际建设。 本课题是山东省科学技术发展计划重点项目“海洋环境在线监测及灾害智能 预警系统的研制( 2 0 0 4 g g 2 2 0 5 1 0 8 ) ”的子课题。本论文的研究成果，对我国加 强赤潮灾害的赈灾减灾工作和海洋环境保护工作，有重要的实用价值；对及时、 准确地掌握我国海域环境变化信息，增强赤潮灾害预报和预警能力，降低赤潮灾 害造成的人民生命、财产的损失具有重要的理论意义及实用价值；并能为各级政 府进行综合管理，维护海洋权益，合理开发利用海洋资源，保护海洋环境等重大 山东大学硕士学位论文 决策和长远规划提供及时、准确、可靠的科学依据。为十六大提出的实施海洋开 发战略部署做出贡献。 1 2 国内外海洋监测研究现状 1 2 1 国际研究现状 世界先进海洋国家从2 0 世纪7 0 年代就开始发展海洋自动观测系统，美国、 欧盟、俄罗斯、加拿大等发达海洋强国及集团不断强化更新本国管辖海域以及世 界各国共有海域海洋环境和资源的监测调查手段，且不断推出海洋监测高科技产 品。经过持续多年的投入和发展，这些国家的海洋监测技术已走在世界前列。2 0 世纪8 0 年代美国、德国、挪威等国家就开发成功了各自的海洋自动监测系统， 并在国际市场上取得良好经济效益。 ( 1 ) 2 0 世纪8 0 年代初，美国就建立了海岸海洋自动观测网( m a n ) 。该网有 4 8 个站( 1 3 个岸站，9 个近海平台站，1 7 个灯塔站) ，可对风速、风向、气温、 气压、表层水文、波浪、潮汐等环境要素进行自动观测。 ( 2 ) 2 0 世纪8 0 年代末，德国的m e 砌江a d 海洋环境自动监测系统中应用了 2 7 个传感器，其中污染和生态环境监测传感器或仪器监测的海洋要素监测的海 洋要素有溶解氧、叶绿素a 、颗粒浓度和粒径、营养盐、荧光，重金属、微量有 机污染物等。 ( 3 ) 挪威的s e a w a t c h 海洋自动监测系统采用模块化和标准化结构，对海 洋环境要素进行综合监测，实时传输。该系统在国际市场上取得良好经济效益。 欧洲、印度、东南亚等地区许多国家都有广泛的使用。 1 2 2 国内研究现状 我国在海洋监测领域的研究起步较晚，技术比较落后，海洋科学与技术的总 体实力与海洋强国之间还存在很大差距。目前，我国大部分海洋监测站仍以人工 监测为主，自动化水平较低；虽然国内也自主研发出一些监测设备，但是由于缺 乏成果的标准化鉴定，一直无法大批量进入市场。目前，国内高档海洋仪器市场 的9 5 都被国外产品所占据，但是由于地域、气候等差别和价格因素，许多国 外设备并不完全适合我国国情。 与此同时，经过几十年来的努力，特别是“九五”期间的海洋监测高技术研 2 山东大学硕士学位论文 究，已取得了一批成果，开发了一批产品，实现了跨越式发展，显著缩短了与发 达国家在海洋监测技术方面的差距。国家在“十五”计划中持续加强对发展海洋 监测技术的支持力度，目标是在g o o s ( 全球海洋监测系统) 框架下，建设中国 近海海洋立体监测系统，加强对近海环境的调查和监测，提高数据处理和数据产 品服务能力，促进人口、资源、环境的协调发展，支持海洋强国的建设。在海洋 监测设备技术提高的基础上，我国逐步建立起海洋监测台站、浮标、调查船、卫 星遥感及航空遥感等组成的海洋环境立体监测网络。 1 3 存在的问题与不足 尽管我国在海洋监测及赤潮灾害预报方面取得了不少成就，但仍有不少技术 问题亟待解决，具体地讲，有如下几方面； ( 1 ) 大量历史监测数据的管理混乱，各个专题或专项调查、监测数据库多有 交叉、重复，但又不能实现信息共享，通用性和扩展性较差，数据库使用效率较 低； ( 2 ) 海洋灾害预报模式大多采用基于明确物理过程的数值预报模式，而事实 上赤潮灾害生成物理机制的复杂性和随机性比较严重，因此数值预报模式存在一 定的局限性，在一定程度上也降低了赤潮灾害预报的准确性； ( 3 ) 监测数据准确性和实时性较低，一般一天只监测几个时间段，不能昼夜 连续地实时监测，而且大多数系统采用单传感器处理技术，也在一定程度上降低 了检测数据的准确性和可靠性，无法为后续的数据处理提供及时、准确、可靠的 数据。 1 4 本文主要研究内容 本文一共分为六章，所进行的主要工作和研究内容如下： ( 1 ) 第一章介绍了海洋监测与赤潮灾害预报的背景及研究意义，分析了海洋 监测与赤潮灾害预报系统的国内外研究现状以及国内在相关研究中的不足，进而 确定了本文研究的主要内容。 ( 2 ) 第二章研究分析了海洋监测系统的设计需求和发展趋势，确立了海洋监 测系统的设计目标，并以此为依托，设计了海洋环境在线监测及赤潮灾害预报系 山东大学硕士学位论文 统整体架构。按照设计目标，建立了海洋环境在线监测与赤潮灾害预报系统集成 架构模型，并分别对集成架构的系统组成结构、系统集成协议和系统功能设计进 行了详细的分析和阐述，同时给出了具体的实现方案。 ( 3 ) 第三章设计实现了实时海洋监测要素数据采集子系统。根据海洋数据实 时采集的需要，结合了相关技术，实现了海洋监测要素的实时采集、传输以及分 布式集散控制，为海洋环境在线监测和赤潮灾害预报提供了可靠保障。 ( 4 ) 第四章研究并设计了海洋监测数据实时发布子系统。在深入研究海洋数 据资料的特点以及赤潮监测与预报需求的基础上，结合数据仓库技术、动态网页 技术和c l i e 州s e r v e r 通信模式，设计了海洋监测实时发布系统的集成架构，实现 了海洋数据的在线远程实时维护和发布。 ( 5 ) 第五章研究了数据挖掘方法在赤潮灾害预测中的应用。在充分研究模糊 聚类算法优势的基础上，针对赤潮灾害爆发的特点，对经典的算法进行了改进， 提出了种用来预测赤潮灾害的模糊聚类算法数学模型，取得了良好的效果。 ( 6 ) 第六章对全文进行了总结，并对今后需进一步开展的研究工作做出了展 望。 4 山东大学硕士学位论文 第二章海洋环境在线监测及赤潮灾害预报系统架构设计 近年来，随着信息网络技术的日臻成熟、完善，及大量网络通信基础设施的 兴建，信息系统建设的重点开始从单个应用系统的建设向应用集成系统的建设转 移，如“数字地球”和“数字海洋”等大型应用集成系统。同时，伴随着网络技 术和传感器技术的快速发展，传统的海洋监测技术也随之有了长足的进步。海洋 监测自2 0 世纪9 0 年代开始取得了重大进展，突破了以船只考察为主的格局，先 进的计算机技术、能源技术、无线电传输技术和电子技术的引进，使各种海洋监 测仪器成为汇集多种先进技术的载体，海洋监测正在向实时、密集、立体、长期、 系统方向发展。 目前已经出现了多样化的监测海洋 手段和技术，如浮标和浅标技术、水声监 测技术、岸基高频低波雷达海洋环境探测 技术、水下观测平台技术、沿海生态环境 自动监测技术和遥感海洋应用技术等 。将这些监测技术通过监测信息系统 有机的组合起来，海洋环境监测系统也从 最初的单一海洋要素采集器或海洋监测 图2 1 区域海洋立体监测集成系统示意图 站的多要素观测系统，发展到区域海洋监测系统集成，并逐渐向建设国家级全 球性的一体化的海洋环境立体监测网络体系发展。区域海洋立体监测集成系统示 意图如图2 1 【1 2 1 所示，该系统集空中、海面、水下、海岸多平台监测设备为一体， 连同数据中心、数据通信网络一起共同构成海洋环境立体监测网络体系。海洋监 测信息系统，通过由各种先进监测设备和手段组成的立体监测网络体系，获取海 洋监测要素信息。先进的监测手段已经可以提供包括气象、水文、化学、生物要 素的近实时的全方位信息，尤其是气象和水文监测技术目前已经足以提供实时的 监测数据【1 3 d 引。本文以当今先进的计算机技术、网络技术、控制理论与技术以及 嵌入式系统等为背景，结合国内外海洋监测与灾害预报系统的研究成果和最新发 展趋势，设计了海洋环境在线监测与赤潮灾害预报系统集成架构，为实现海洋环 境要素的实时数据、延时数据和历史数据的采集、处理、分析、管理及数据通信 网络、数据库、赤潮预报模型、信息产品开发、数据资源共享与信息服务等功能 山东大学硕士学位论文 模块的集成，构造网络化、分布化、智能化、综合化的海洋环境监测与赤潮灾害 预报系统奠定了基础。 2 1 系统设计目标 海洋环境在线监测与赤潮灾害预报系统架构( f m 2 h a b p s ：t h ef m m e w o r ko f m a r i n em o n i t m i n ga n dh a 唧f i i la l g a ib l o o m sp r c d i c t i n gs y s t 唧) 是按照智能化、 模块化、网络化、多功能化、标准化和规范化的原则，以实现立体监测、数据集 成、数据处理与信息产品开发、数据共享与信息服务等功能为目的，设计并构造 一个用户需求驱动的，端到端的海洋环境监测与赤潮灾害预报系统。该系统能实 时或准实时地、长期地、连续地、准确地完成监测区域海洋环境要素监测数据的 采集、通信、分析、处理、存储及数据库管理，制作出符合监测海域的环保、海 洋资源开发利用、减灾及防灾需要的实测、预报、预警、评价、图形和统计分析 等信息产品，并能够及时、有效地响应不同用户群体的信息需求，为各类专业或 普通用户提供多种基本的或个性化的定制信息产品，使用户能够快速、准确地获 取并使用他们所关心的海洋要素的监测信息与赤潮灾害预报信息。最终，实现和 其他海洋环境监测系统互通互联、互相补充，构建一体化的海洋环境立体监测网 络体系，共享海洋信息资源，及时、准确地跟踪和反映海洋环境监测要素的变化 状况，为管理决策者提供详实可靠的监测数据信息，科学的预报、预警信息，共 同为我国海洋环境资源的保护、开发及利用服务。 f m 2 h a b p s 的设计兼顾了系统的灵活性、可扩展性和对用户需求变化及实现 约束的适应性，确保在技术层面和非技术层面上都符合规范逻辑和清晰易懂。这 样的设计方法既兼顾了系统的向下兼容性( 即海洋环境监测与赤潮灾害预报系统 可以充分依托应用该系统监测海域现有的海洋环境监测基础设施，有效地利用现 存的监测系统、监测数据及专家知识) ，又保证了系统实现业务化运行的可行性。 按照此设计目标，最终实现的海洋环境在线监测与赤潮灾害预报系统将具有如下 特点： ( 1 ) 自动综合监测，由单一的海洋环境参数监测系统或人工采集、分析系统 向自动的、复杂的多层次、全方位的海洋环境参数监测系统发展。测量参数包括 水文、气象、化学、生物等类别的近3 0 个参数。 6 山东大学硕士学位论文 ( 2 ) 模块化结构，各功能模块采用开放式、标准化、和模块化设计，根据具 体需要，可以灵活地集成或拼装成不同用途的自动监测系统，无需重新开发软件。 ( 3 ) 提供基于x m l 的数据交换标准，可轻松实现系统内部或和其他异构监测 系统之间的数据交换、传输及处理等。 ( 4 ) 在线预警，采用先进的数据挖掘算法建立相关的赤潮预测模型，利用监 测网络提供的实时监测数据实现在线赤潮灾害预报。 ( 5 ) 数据实时传输，利用无线或有线通讯手段向监测网络中心和用户实时传 输监测数据。 ( 6 ) 监测网络和信息网络二网合一，实现集中监视、操作和管理。使得管理 与现场分离，管理更加综合化和系统化。通过人机接口，可对远程监测设备进行 实时采集、分析、记录、监视和操作控制，及在线巡检、动态配置等。 ( 7 ) 数据资源共享，互为补充，提高系统资源利用率，减少数据资源的浪费。 ( 8 ) 增强服务功能，监测和服务一体化，为各类用户提供通用服务和定制的 个性化服务，使用户能高效地使用系统提供的数据资源。 2 2f m 2 h a b p s 设计 海洋环境在线监测及赤潮灾害预报系统不同于普通的信息系统，整个系统的 设计、构建、实施都是围绕海洋环境资源这一特殊的工业生产背景展开的。 f m 2 h a b p s 的设计以海洋环境监测数据为主线，集合了现代监测技术、网络通 信技术、数据仓库技术和数据分析技术，实现了多层次、全方位的海洋环境数据 监测、传输、管理、分析发布功能。f m 2 h a b p s 的架构图如图2 2 所示。 d a t ag i 伽b 服务器服务器 簟一 一一 一 图2 2f m 2 h a b p s 系统架构 7 山东大学硕士学位论文 作为一个综合性的信息监测与管理系统，海洋环境在线监测及赤潮灾害预报 在空间位置上具有分布性，由监测设备组成数据监测子系统处于近海环境，数据 管理子系统、模型分析子系统和数据产品子系统位于陆上数据中心，它们之间通 过无线和有线相结合的通讯网络联系起来，如图2 3 所示。 i i ；夏；一ji i 磊孟i j 数 规 产 品 用户 服政府部门 务 涉海单位 通 环境要素 数 传智数 据 数信 雾； 信 公益事业 气象 据 能据 传 据息 水文 采 一感 二 采输处产 次集一 通 理品 仪处建制 化学 集 器表理 信 库 作 生物 网网 科研机构 络络 图2 3f m 2 h a b p s 系统集成总体结构框图 为了将分布在不同场所的异构子系统无缝地集成在一起，实现用户与各子系 统及各子系统之间的交互，f m 2 h a b p s 设计了一套系统集成协议用于支持分布 式、异构子系统之间的交互。各子系统之间交互的核心是数据交互( 即数据交换) ， 在这一层面，各子系统应能够相互透明地访问分布的、异构的数据集。同时，交 互不应仅仅是各子系统互相交换数据，也应当包含在数据交换过程中发生的对数 据的操作( 数据请求，添加、删除、查询等) ，这往往涉及到不同子系统的不同 软件功能模块之间的相互调用、相互协作。此外，无论是对数据的操作，还是数 据本身，为了在各子系统之间尤其是在异构平台之间进行交互，需要将所有的操 作( 服务调用) 和操作的数据( 服务调用的参数和返回值) 进行规范化的描述， 形成规范化的文档后进行发布，以供所有需要参与交互的子系统共同遵守。 针对不同层面的交互，f m 2 h a b p s 定义了包含数据交换标准和数据通信协 议在内的一组系统集成协议。数据交换标准是根据“海洋调查规范( g b 厂r 1 2 7 6 3 ) ”、“海洋监测规范( g b 厂r1 7 3 7 8 1 9 9 8 ) ”、“海洋赤潮监测技术导则( h y 厂r 0 6 9 2 0 0 3 ) ”、“海洋站自动化观测通用技术要求( h y ，r0 5 9 2 0 0 2 ) ”和“海洋调 查观测监测档案业务规范”等涉海领域的规范标准，结合海洋环境监测与赤潮灾 害预报系统的实际需求制订的基于x m l 格式的数据交换文档。数据通信协议包 括：基于h 1 v r p ( h y p e m x tt r 妣s p o r t p m t o c o i ，超文本传输协议) 、t c p ( t r a 璐m i s s i o n c o 曲0 lp m t o c o l ，传输控制协议) 、u d p ( u s e rd a t a g r a mp r o t o c o l ，用户数据报协 8 山东大学硕士学位论文 议) 和s o a p ( s i m p l e0 b i e c ta c c e s sp r o t o c o l ，简单对象访问协议) 的数据通信 协议。其中，h r r p 是疑b 服务器用来处理服务器和客户机之闯的数据流的协议， 属于应用层的面向对象的协议；t c p 是一种提供面向连接的可靠的字节流传送服 务的协议：u d p 是一种提供用户之间的不可靠无连接的报文传输服务的协议： s o a p 是一个基于x m l 的消息协议，它指定了从一个过程发送基于x m l 的消 息到另一个过程的方式，通常是从一台机器到另一台机器【1 9 抛】。 2 3 子系统功能设计 根据系统设计目标，从系统集成层面规划，f m 2 乩忸p s 由监测子系统、数 据管理子系统、模型分析予系统和数据产品子系统组成，其基本模型如图2 4 所 示。 用户用户 图2 4 系统功能分配结构图 2 3 1 数据监测子系统 数据监测子系统位于海洋环境在线监测及赤潮灾害预报系统架构的最底层， 是整个系统的基础，为数据管理、模型分析以及数据产品子系统提供监测数据。 数据监测子系统由数据采集子模块和数据集成子模块组成，其系统结构如图2 5 所示。 数据采集子模块工作于现场监测平台上，通过和各类基本传感器的交互，自 动完成海洋环境要素现场监测、采集，并实现数据预处理、暂存和传输的功能。 其基本工作过程是：通过各类基本传感器( 如温度传感器) ，采集海洋中的基本 监测要素变量( 如水湿、盐度、浮游生物含量等) ，然后对其进行预处理，并按 照系统定制的数据交换标准将采集的监测要素数据封装打包，通过数据通信网络 9 山东大学硕士学位论文 ( 以太网或g s m g p r s 等) 将封装好的数据包实时地传输给上层监测台站。 数据集成予模块运行在监测台站上，负责接收底层来自多个不同现场监测平 台( 数据采集模块) 发送的现场监测数据，对这些数据进行基本的校验，汇总处 理，存入本地数据库，然后按照系统制定的数据交换标准将这些数据封装成标准 的数据文档并发送至数据中心( 数据管理子系统) 。一个监测台站( 数据集成模 块) 可连接多个现场监测平台( 数据采集模块) 。 数据获取c = = 无线传输c = = 协议解析c = = 协议转换c = = 数据传输 图2 5 数据监测子系统结构图 2 3 2 数据管理子系统 数据管理子系统是整个系统的核心和枢纽。所有予系统都通过数据管理予系 统实现数据的存储、交换等工作。而数据管理子系统设计的核心就是数据库建模， 该子系统严格按照各种海洋监测规范、标准要求的数据格式设计、实施，并建立 了一个集成、稳定、开放、可共享和可扩展的海洋环境资料数据仓库。整个数据 管理子系统的基本业务流程如图2 6 所示。 1 0 数据支捧 数据抽象 数据分析决策支持 图2 6 数据管理工作流程 山东大学硕士学位论文 数据管理子系统从监测子系统获取实时海洋环境监测数据，然后完成监测数 据的数码转换、质量控制、数据分类等标准化、规范化处理，形成相互关联的时 空数据集，并建立实时、延时和相关主题数据库，在此基础上构建海洋环境资料 数据仓库，为模型分析子系统和数据产品子系统提供强大的数据支撑。 大量信息技术的引入，使海洋环境资料数据的获取能力大幅提高，数据量急 剧增大。同时，海洋信息产品日益多元化，对数据处理分析能力的要求也日渐增 长。传统的数据库技术越来越无法满足海洋信息领域对数据处理的要求，而数据 仓库作为一种针对海量、复杂数据进行管理和分析的技术，并不是一种全新的技 术，而是传统数据库技术的延伸和扩展。因此，建立数据仓库，既能充分利用现 有的数据库，又能满足海洋信息领域数据管理的长期需求。 海洋环境资料数据仓库是在系统掌握海洋资料特性和基础数据库应用的目 的及需求的基础上，严格按照海洋监测数据规范设计、实施的。除了满足赤潮监 测与预报系统的需要，还提供了标准的数据接口，使其他系统可以通过数据接口 访问、操作海洋环境资料数据仓库并进行系统间的数据交互。 2 3 3 模型分析子系统 模型分析子系统功能主要是针对赤潮灾害进行建模分析并对其发生状况进 行预测。赤潮现象是混沌的，其数学模型的建立相当复杂。鉴于赤潮现象与诸多 海洋要素( 水文、气象、化学、生物) 之间复杂的相关性，模型分析子系统使用 数据管理子系统提供的和赤潮现象相关的海洋环境要素监测数据资料，利用先进 的数据挖掘算法建立赤潮预报模型，实现藻类密度的在线预报和报警，对赤潮发 生的征兆、发生的时间及发生的原因做出分析，为涉海管理部门的减灾、防灾决 策提供可靠的、科学的依据。模型分析子系统提供短期、中期和长期预报三种预 报模式，用户可以根据不同需要选择适当的预报模式。同时模型分析子系统既可 以在线运行，也可以离线运行。模型分析子系统可以根据预报结果和真实发生状 况对预报模型进行在线自动修正，确保预报模型的精确性和可用性。 2 3 4 数据产品子系统 数据产品子系统是整个海洋监测信息系统的终端产品，向用户提供信息服 务。数据产品子系统是以数据管理子系统和模型分析子系统处理后的海洋环境要 素监测数据或分析结果为基础，完成海洋环境要素监测数据的管理、查询、分析， 山东大学硕士学位论文 处理及显示，实现相关信息产品的制作与管理、数据共享与信息服务的系统。 图2 7 数据产品子系统结构图 同时，数据产品子系统也是通过数据通信网络实现对其它子系统的统一管 理、控制和调度的系统。本质上，数据产品子系统是最终实现用户与数据交互的 系统。该子系统由g i s 地理信息模块、海洋环境要素实时监测模块、数据处理 与信息制作模块和系统管理模块构成，如图2 7 所示。 2 4 小结 本章在充分分析了海洋环境的功能需求和设计目标的基础上，以当今先进的 计算机技术、网络技术、控制理论与技术，以及嵌入式系统等为背景，结合国内 外有海洋监测技术的研究成果及最新发展趋势，提出了海洋环境在线监测及赤潮 山东大学硕士学位论文 灾害预报系统的总体架构f m 2 h a b p s ，并分别对集成架构的系统组成结构、系 统集成协议和系统功能设计进行了分析和阐述，并理清了各个子系统之间地相互 依托关系，为实现海洋环境要素的实时、延时，历史数据的采集、处理、分析、 管理和数据通信网络、数据库、赤潮预报模型、信息产品开发、数据资源共享与 信息服务等功能模块的集成，构造网络化、分布化、智能化、综合化的海洋环境 在线监测及赤潮灾害预报分析系统奠定了基础。 山东大学硕士学位论文 第三章海洋环境要素监测子系统设计与实现 海洋环境要素监测子系统是以实时检测技术、计算机监测技术、网络通信技 术等为基础，以海洋环境要素在线监测、传输、集中、整合为目的的数据获取系 统，是海洋环境在线监测及赤潮灾害预报系统的重要组成部分，是海洋信息应用 的源头，是整个系统的基础。传统的监测数据的采集方式主要是人工采集，准确 性和实时性较低，而且大多数系统采用单传感器处理技术，也在一定程度上降低 了检测数据的准确性和可靠性，无法为后续的数据处理提供及时、准确、可靠的 数据2 3 。2 6 】。近年来，检测技术、集散控制技术以及网络技术的发展为海洋环境要 素监测技术的提高提供了契机。随着计算机技术，网络及无线传输技术1 2 7 1 以及 传感器技术的成熟并应用于海洋监测领域，各种海洋监测仪器或系统汇集多种尖 端科技，使得海洋监测向实时、密集、立体、长期、系统的方向发展。世界上各 海洋国家都十分注重发展海洋监测技术，取得了大量先进的技术成果。基于网络 的海洋环境要素监测系统可以根据实际需要通过网络配置需要采集的数据，不需 要的数据可以不必采集，与传统的人工采集相比，既节省了人力、物力，又提高 了实时性和灵活性。同时，集合了当代监控系统自动运行、自动控制、数据自动 采集处理、自动报警、自动校正等优势，实现了系统的高度自动化，为整个海洋 环境要素数据的整合、运用、发布提供了有力支撑，为整个海洋环境在线监测及 赤潮灾害预报系统的安全高效运转提供了可靠保障。 本章所设计的海洋环境要素监测子系统是基于以太网，i n t e m e t 的监控系统， 系统由监测要素传感器、海洋浮标和海岸台站构成分布式海洋环境监测网络，对 大面积的近海海况的水文、气象、化学、生物等各类要素进行实时在线监测，并 将监测所得数据通过标准协议和接口上传到海洋信息数据仓库，为上层的数据管 理分析子系统和数据产品子系统以实时或延时的方式提供实测数据。本系统的设 计方案引入了先进的嵌入式计算软硬件技术【2 8 - 3 0 1 、无线网络传输技术以及工业计 算机监控领域内标准的数据访问协议，使得系统具有高度的自动化，极大的灵活 性及开放性。与传统的人工监测系统和半自动监测系统相比，基于嵌入式技术的 海洋环境在线监测系统无论在数据采集的精确性还是数据传输的实时性、可靠性 都有极大的提高。 山东大学硕士学位论文 3 1 海洋要素监测子系统架构设计 3 1 1 监测设备层次架构 海洋环境监测不同于工业生产环境的监测，为了保证监测结果的科学性准确 性，通常需要对大面积海域进行多点监测，且监测要素及监测点数量大，分布广。 依据系统中各设备的功能特点，分为三级架构，见图3 1 。图中共有三类设备， 底层为直接获取海洋环境参数的传感器、监测仪表、探测器等。中间层设备为海 洋浮标，海洋浮标管理连接多个监测设备，通常采用r s 2 3 2 4 8 5 ，以太网等有线 连接。海洋浮标和传感器等监测设备位于海洋环境中，定时采集各种海洋环境参 数，它们构成了数据采集模块。顶层为海洋台站设备，它位于近海海岸，以无线 ( g s m ，g p r s ) 的方式与多个海洋浮标连接，监视并控制海洋浮标的工作状态， 接收海洋浮标定时传来的监测数据。海洋台站设备上装有嵌入式数据库，可以集 成管理大量的海洋监测数据。海洋台站对外提供标准的数据接口，即数据监测子 系统和数据管理之间的数据接口。通过该接口，数据管理子系统可以连接多个海 洋台站。整个监控子系统内，各层设备自上向下实现分级管理，这种分布式架构 使得各层设备分工明确，使得系统搭建灵活，维护便利。 图3 1 海洋监测系统设备层次架构 3 1 2 监测子系统模块期分 海洋环境在线监测系统从功能上可以进一步划分为数据采集子模块和数据 集成子模块，这是由于海洋监测系统的具体需求决定，模块架构图如图3 2 所示。 1 6 山东大学硕士学位论文 数据采集子模块由海洋浮标和连接其上的要素传感器组成，通过传感器自动完成 海洋环境要素现场监测、采集，并实现数据预处理、暂存和传输的功能。其基本 工作过程是：通过各类基本传感器( 如温度传感器) ，采集海洋中的基本监测要 素变量( 如水温、盐度、浮游生物含量等) ，然后对其进行预处理，并按照系统 内部定义的协议将采集的监测要素数据封装打包，通过数据通信网络( 以太网或 g s m g p r s 等) 将封装好的数据包实时地传输给上层监测台站。 ； 数据采集模块 ! i g p r s ； 数据集成模块 i ： ；几t ； 图3 2 监测子系统结构图 数据采集子模块支持r s 2 3 2 ，4 8 5 总线、以太网( e t l l e m e t ) 和通用分组无线 业务( g p r s ：g e n e m lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 三种网络通信方式。传感器和浮标设 备之间通过r s 2 3 2 4 8 5 或以太网相连，数据及命令传输基于m o d b u s 协议。m o d b u s 协议是应用于p l c 或其他控制器上的一种通用语言，通过此协议，控制器相互 之间、控制器通过网络( 如以太网) 和其他设备之间实现串行通信。该协议已经 成为通用工业标准，许多工业设备，包括p l c 、智能仪表、传感器等都在使用