任蔓延，胡知斌，仇文峰

（中交疏浚技術(shù)裝備國(guó)家工程研究中心有限公司，上海 201208）

0 引言

我國(guó)遠(yuǎn)海由于復(fù)雜的海洋環(huán)境加之多變的氣候條件給遠(yuǎn)海施工船舶的航行安全帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。確保船舶及人員的海上安全是航海人的職責(zé)，航海人應(yīng)充分了解和掌握海域氣象條件，在各種氣象條件下保證海上船舶及人員安全[1]。

遠(yuǎn)海工程的實(shí)施，離不開(kāi)對(duì)溫度、波浪、潮位、風(fēng)速、風(fēng)向、流速及流向等氣象要素的監(jiān)測(cè)。為了更好的促進(jìn)遠(yuǎn)海開(kāi)發(fā)建設(shè)，保障遠(yuǎn)海施工船舶的航行安全，需要獲取準(zhǔn)確的氣象信息資料[2]。

目前，我國(guó)已初步形成了一定的海洋站監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，大部分為沿海海洋氣象觀測(cè)臺(tái)站，遠(yuǎn)海海洋觀測(cè)站部署數(shù)量少、分布也不盡合理，監(jiān)測(cè)范圍有限，同時(shí)還存在著觀測(cè)點(diǎn)設(shè)置、觀測(cè)手段和方法不同，數(shù)據(jù)的間隔一般比較長(zhǎng)，觀測(cè)頻率比較低，數(shù)據(jù)量較少，且大多的觀測(cè)站數(shù)據(jù)不能實(shí)時(shí)傳輸?shù)确矫娴膯?wèn)題，難以滿(mǎn)足遠(yuǎn)海工程的設(shè)計(jì)、施工要求[3-4]。因此，如何建立同時(shí)采集多種數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)傳輸發(fā)布的遠(yuǎn)海海洋氣象系統(tǒng)，成為推進(jìn)遠(yuǎn)海工程實(shí)施的關(guān)鍵。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3G/4G網(wǎng)絡(luò)不能夠有效的覆蓋遠(yuǎn)海區(qū)域，船舶獲取氣象信息依賴(lài)于北斗衛(wèi)星系統(tǒng)[5]。基于北斗衛(wèi)星的遠(yuǎn)海船舶氣象播報(bào)系統(tǒng)[6]主要分為以下5個(gè)部分：船端氣象系統(tǒng)、岸端氣象系統(tǒng)、ArcGIS服務(wù)、Web服務(wù)以及數(shù)據(jù)誤差訂正模型。系統(tǒng)拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 系統(tǒng)拓?fù)鋱DFig.1 System topology diagram

船端系統(tǒng)采集氣象數(shù)據(jù)（溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向和氣壓）和位置數(shù)據(jù)，通過(guò)船端北斗單卡機(jī)發(fā)送至岸端北斗多卡機(jī)[7-8]，多卡機(jī)接收到氣象數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)。氣象數(shù)值誤差訂正模型基于歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心要素和氣象儀數(shù)據(jù)，利用絕對(duì)誤差訂正方法對(duì)氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差訂正。船端通過(guò)北斗單卡機(jī)定時(shí)向岸端請(qǐng)求氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)以及其它船舶氣象數(shù)據(jù)，岸端北斗多卡機(jī)接收到請(qǐng)求后會(huì)將氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)和其它船舶氣象數(shù)據(jù)通過(guò)多卡機(jī)發(fā)送至目標(biāo)船。本系統(tǒng)選擇12個(gè)固定點(diǎn)進(jìn)行氣象預(yù)報(bào)。

1.1 船端系統(tǒng)

船端系統(tǒng)，硬件部分主要由船載氣象儀，工控機(jī)，北斗單卡機(jī)組成；軟件使用C#開(kāi)發(fā)的WPF應(yīng)用程序，使用ArcGISRunTime組件提供的API加載離線(xiàn)地圖（tpk格式）。主要功能為采集船載氣象儀的數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)上傳，向岸端請(qǐng)求氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)及其它船舶氣象數(shù)據(jù)。在界面顯示中，鼠標(biāo)移至固定點(diǎn)，顯示當(dāng)前天氣預(yù)報(bào)；鼠標(biāo)移至船舶位置，顯示船舶氣象儀數(shù)據(jù)。點(diǎn)擊固定點(diǎn)，可以查看未來(lái)3 d的氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)；點(diǎn)擊船舶位置，顯示目標(biāo)船氣象儀的歷史數(shù)據(jù)。

1.2 岸端系統(tǒng)

岸端系統(tǒng)，硬件部分包括，北斗多卡機(jī)，工控機(jī)及服務(wù)器；軟件開(kāi)發(fā)所使用的技術(shù)與船端相同。主要功能有：接收船端發(fā)送的氣象數(shù)據(jù)，并進(jìn)行存儲(chǔ)；將經(jīng)過(guò)數(shù)值模擬訂正后的氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)發(fā)送到目標(biāo)船舶。在界面顯示中，鼠標(biāo)移至固定點(diǎn)，顯示當(dāng)前天氣預(yù)報(bào)；鼠標(biāo)移至船舶，顯示該船氣象儀數(shù)據(jù)。點(diǎn)擊固定點(diǎn)，可以查看未來(lái)3 d的氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)；點(diǎn)擊船舶位置，顯示目標(biāo)船氣象儀的歷史數(shù)據(jù)。

1.3 ArcGIS服務(wù)

將S-57格式的電子海圖轉(zhuǎn)換格式，并通過(guò)ArcGIS平臺(tái)發(fā)布地圖服務(wù)。對(duì)已發(fā)布的MapServer，通過(guò) ArcMap，ArcGISExplorer，ArcGISJavaScript，Google Eearth，ArcGIS.com.Map及 Bing Maps的方式進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)查看。地圖支持18級(jí)任一比例縮放，電子海圖可以為船舶提供海圖數(shù)據(jù)，指導(dǎo)船舶的施工航行。

1.4 Web服務(wù)

Web服務(wù)基于B/S架構(gòu)，采用.NET+FLEX開(kāi)發(fā)模式，并結(jié)合ArcGIS地圖插件，部署于IIS中運(yùn)行。用戶(hù)在瀏覽器中訪(fǎng)問(wèn)Web服務(wù)，可以查看各船舶的氣象數(shù)據(jù)、固定點(diǎn)的氣象預(yù)報(bào)及各船舶的歷史氣象數(shù)據(jù)。

1.5 數(shù)值誤差訂正模型

基于歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心高分辨率全球數(shù)值預(yù)報(bào)模式的多要素預(yù)報(bào)產(chǎn)品作為模型訂正的基礎(chǔ)預(yù)報(bào)，結(jié)合船端采集的氣象數(shù)據(jù)計(jì)算過(guò)去一段時(shí)間內(nèi)基礎(chǔ)數(shù)值預(yù)報(bào)對(duì)于船舶所處位置的溫度、風(fēng)速、風(fēng)向、氣壓和相對(duì)濕度5個(gè)要素的預(yù)報(bào)誤差。

開(kāi)發(fā)的數(shù)值預(yù)報(bào)訂正模型于每日08時(shí)和20時(shí)分別基于基礎(chǔ)數(shù)值預(yù)報(bào)制作12個(gè)固定點(diǎn)未來(lái)72 h內(nèi)逐12 h的溫度、風(fēng)向、風(fēng)速、氣壓和相對(duì)濕度等要素的原始預(yù)報(bào)產(chǎn)品，并讀入此前已經(jīng)計(jì)算得到的過(guò)去11 h中基礎(chǔ)數(shù)值預(yù)報(bào)對(duì)于溫度、風(fēng)速、氣壓和相對(duì)濕度的預(yù)報(bào)誤差，將不同要素的預(yù)報(bào)誤差與相應(yīng)的原始預(yù)報(bào)值相加，最終形成固定點(diǎn)訂正后的預(yù)報(bào)產(chǎn)品。數(shù)據(jù)訂正流程如圖2。

圖2 數(shù)據(jù)訂正流程圖Fig.2 Flow chart of data correction

2 系統(tǒng)應(yīng)用

選擇廈門(mén)海域作為本系統(tǒng)的應(yīng)用示范。2016年10月，廈門(mén)大小嶝島造地工程建設(shè)，選擇中交上海航道局在廈門(mén)海域施工船舶新海燕，新海豚，新海豚2號(hào)作為目標(biāo)船，選取需要預(yù)報(bào)的12個(gè)固定點(diǎn)（見(jiàn)圖3，覆蓋整個(gè)廈門(mén)海域）。試驗(yàn)時(shí)間為2016年10月—2016年12月。

圖3 12個(gè)固定點(diǎn)Fig.3 12 fixed points

在Web平臺(tái)中，查看船舶采集數(shù)據(jù)及天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，圖4顯示新海豚實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，圖5顯示小嶝島當(dāng)天早上08:00的預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)。

圖4 新海豚采集的數(shù)據(jù)Fig.4 Xinhaitun data acquisition

圖5 小嶝島氣象預(yù)報(bào)Fig.5 Xiaodeng Island forecast

在Web平臺(tái)中，可以查看固定點(diǎn)未來(lái)3 d的氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，船舶位置的歷史氣象數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)中心建設(shè)在本公司，提供外網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)端口，用戶(hù)可以隨時(shí)通過(guò)廣域網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)Web端發(fā)布的氣象服務(wù)，了解施工區(qū)域的天氣狀況。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

系統(tǒng)發(fā)布的氣象數(shù)據(jù)與中國(guó)天氣網(wǎng)進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)比數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

選擇廈門(mén)海域的土嶼與中國(guó)天氣網(wǎng)廈門(mén)地區(qū)的天氣預(yù)報(bào)做對(duì)比分析（土嶼離廈門(mén)島比較近，能夠代表廈門(mén)的天氣狀況）。從表1中13 d的觀測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，雖然系統(tǒng)中對(duì)土嶼的氣象預(yù)報(bào)與中國(guó)天氣網(wǎng)對(duì)廈門(mén)的氣象預(yù)報(bào)有些偏差，但是兩者的預(yù)報(bào)都能夠反映當(dāng)?shù)貧庀鬆顩r，此偏差在接受的范圍之內(nèi)，可以認(rèn)為是準(zhǔn)確反映廈門(mén)地區(qū)的氣象狀況。

表1 本系統(tǒng)與中國(guó)天氣網(wǎng)天氣預(yù)報(bào)比對(duì)Table 1 Comparison between the system with China Weather Network

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上分析，基于北斗的遠(yuǎn)海氣象播報(bào)系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地反映廈門(mén)海域的氣象狀況。通過(guò)氣象數(shù)值模型誤差訂正，使用北斗作為通信鏈路，能夠成功地反映預(yù)報(bào)區(qū)域的天氣情況，為遠(yuǎn)海預(yù)報(bào)提供了新的預(yù)報(bào)方法。此方法能夠?yàn)檫h(yuǎn)海施工，船舶航行提供準(zhǔn)確的氣象預(yù)報(bào)，為船舶航行施工提供安全保障。

[1] 彭偉，徐俊臣，杜玉杰，等.基于北斗系統(tǒng)的海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].海洋技術(shù)，2009，28（3）：13-15.PENG Wei，XU Jun-chen,DU Yu-jie,et al.Design of marine monitoringdatatransmittingsystembased on Beidou Satellites System[J].Ocean technology,2009,28（3）:13-15.

[2] 陳宏，彭國(guó)均.航標(biāo)遙測(cè)遙控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].船海工程，2007，36（2）：126-128.CHEN Hong,PENGGuo-jun.Design and realization of the remote metering and control system for the navigational aids[J].Ship&Ocean Engineering,2007,36(2):126-128.

[3] 李子富，彭國(guó)均，黃鵬飛.航標(biāo)遙測(cè)遙控系統(tǒng)的優(yōu)化[J].集美大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，15（5）：358-363.LI Zi-fu,PENG Guo-jun,HUANG Peng-fei.Optimization of the remote metering and control systemfor n avigation aids[J].Journal of Jimei University:Natural Science,2010,15(5):358-363.

[4] 甘露，魏武，張錦波.基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的航標(biāo)遙控遙測(cè)節(jié)能研究[J].微計(jì)算機(jī)信息，2007，23（10-1）：105-107.GAN Lu,WEIWu,ZHANGJin-bo.Research of energy saving on remote monitoring pharos based on wireless sensor networks[J].Microcomputer Information,2007，23(10-1)：105-107.

[5] 劉宇宏，陳龍，王亞鳴.基于北斗的連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位綜合服務(wù)平臺(tái)設(shè)計(jì)及其應(yīng)用[J].上海航天，2014，31（1）：37-43.LIUYu-hong,CHENLong,WANGYa-ming.ABeidoucontinuously operatingreferencesystem design and its application[J].Aerospace Shanghai,2014,31(1):37-43.

[6]唐金元.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航區(qū)域系統(tǒng)發(fā)展應(yīng)用綜述[J].全球定位系統(tǒng)，2013，38（5）：47-52.TANGJin-yuan.Developingand applyinganalysisof BeiDou navigation satellites regional system[J].GNSS World of China,2013,38(5):47-52.

[7] 繆袁泉，丁琪，胡知斌.基于北斗短報(bào)文功能的疏浚船舶數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國(guó)港灣建設(shè)，2014（10）：53-56.MIAOYuan-quan,DINGQi,HUZhi-bin.Design of dredgingdata transmission systembased on Beidou Satellite SMS[J].China Harbour Engineering,2014(10):53-56.

[8]田俊峰，崔銀秋.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在遠(yuǎn)海島礁建設(shè)中的應(yīng)用探討[J].中國(guó)港灣建設(shè)，2014（7）：1-3.TIAN Jun-feng,CUI Yin-qiu.Application of BeiDou navigation satellite system in open-sea reef construction[J].China Harbour Engineering,2014(7):1-3.