陳杰, 張曉楠, 蔡玉龍, 高皜, 劉杰, 李正寶

(齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院)，山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266001)

海洋是地球的動(dòng)態(tài)引擎，驅(qū)動(dòng)能量傳輸和基本循環(huán)，對(duì)全球的氣候變遷、生態(tài)循環(huán)、物種繁衍、人類(lèi)進(jìn)化等具有舉足輕重的作用[1]。海底觀測(cè)網(wǎng)能夠長(zhǎng)期實(shí)時(shí)、連續(xù)獲取海洋物理、化學(xué)、地質(zhì)、生物等觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)于海洋科學(xué)研究、海洋環(huán)境保護(hù)以及海底資源勘探與開(kāi)發(fā)都具有十分重要的意義[2-3]。近年來(lái)，海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)的研究與建設(shè)已經(jīng)成為國(guó)際海洋研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)[4]。

數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)(data management system for seafloor observatory network， SON-DMS)是海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)核心、控制核心，是連接遠(yuǎn)程用戶(hù)與海底設(shè)備之間的紐帶[5]。在海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過(guò)程中，SON-DMS需要與海底設(shè)備建立實(shí)時(shí)通信鏈路，采集各類(lèi)傳感器數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)；需要管理成百上千種儀器并對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和故障進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和應(yīng)急處理。同時(shí)，SON-DMS需要對(duì)實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、存儲(chǔ)、顯示、管理等，為用戶(hù)提供數(shù)據(jù)服務(wù)。因此，SON-DMS已經(jīng)成為海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)自適應(yīng)、可擴(kuò)展、開(kāi)放式的SON-DMS成為海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)的重要研究?jī)?nèi)容。

目前，國(guó)內(nèi)外開(kāi)展的海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)研究中，比較成熟的海底觀測(cè)網(wǎng)信息系統(tǒng)主要是VENUS和NEPTUNE的信息管理系統(tǒng)(data management and archiving system， DMAS)。DMAS能夠?qū)⒑５子^測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)共享給全球用戶(hù)，在線查看觀測(cè)的視頻、傳感器數(shù)據(jù)等觀測(cè)資料。管理用戶(hù)可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行在線控制，例如在線開(kāi)啟其海底攝像頭[6-8]。但DMAS以文件系統(tǒng)形式保存觀測(cè)數(shù)據(jù)[9]，其觀測(cè)數(shù)據(jù)比較分散，對(duì)歷史數(shù)據(jù)的查詢(xún)分析和數(shù)據(jù)產(chǎn)品制作等處理難度大、效率低。隨著國(guó)內(nèi)海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)研究的發(fā)展，相關(guān)研究單位也開(kāi)發(fā)了一些觀測(cè)網(wǎng)SON-DMS。但是這些系統(tǒng)的功能比較單一，或只適用于其對(duì)應(yīng)的局域觀測(cè)網(wǎng)，難以完全滿(mǎn)足海底觀測(cè)網(wǎng)動(dòng)態(tài)管理和自適應(yīng)控制的需求。本文通過(guò)分析海底觀測(cè)網(wǎng)在通信、管理、故障診斷、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制等方面的系統(tǒng)需求，構(gòu)建了SON-DMS的功能模型，設(shè)計(jì)了SON-DMS關(guān)鍵技術(shù)的相關(guān)實(shí)現(xiàn)算法，給出了系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案并通過(guò)海試驗(yàn)證了系統(tǒng)的性能。

1 系統(tǒng)分析

海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)比較龐大的觀測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)鎧裝海底光電復(fù)合纜連接成百上千種科學(xué)觀測(cè)儀器，實(shí)現(xiàn)海底大范圍的長(zhǎng)期實(shí)時(shí)連續(xù)觀測(cè)。在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過(guò)程中，SON-DMS需要實(shí)時(shí)接收、存儲(chǔ)海量采集數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)格式、采集頻率、數(shù)據(jù)質(zhì)量等方面存在差異，設(shè)計(jì)高效的海量數(shù)據(jù)自動(dòng)接收、解析和存儲(chǔ)算法，實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)并發(fā)接收及異構(gòu)解析功能成為SON-DMS的基本功能。同時(shí)SON-DMS還需要對(duì)海底連接的上千種儀器設(shè)備實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)管理，這些儀器的數(shù)量、種類(lèi)、數(shù)據(jù)格式、指令格式、供電通信格式、布放位置等存在較大差異，采用可擴(kuò)展的設(shè)計(jì)模式，實(shí)現(xiàn)海底觀測(cè)儀器動(dòng)態(tài)管理成為SON-DMS的又一重要功能需求。而且，海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)海底設(shè)備能源分配狀態(tài)、通信信道狀態(tài)、艙內(nèi)環(huán)境參數(shù)、傳感器狀態(tài)等水下接駁設(shè)備與傳感器的狀態(tài)參數(shù)，并對(duì)異常和故障進(jìn)行快速診斷和分級(jí)處理。因此，實(shí)現(xiàn)故障診斷和自處理能力是SON-DMS系統(tǒng)設(shè)計(jì)的又一關(guān)鍵需求，能為海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠運(yùn)行提供重要保障。最后，海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)還需要對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制、產(chǎn)品制作等處理，為用戶(hù)提供多類(lèi)型、多學(xué)科海洋數(shù)據(jù)可視化展示平臺(tái)，采用可視化展示分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能交互是SON-DMS的關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn)[10-13]。

通過(guò)上述分析，我們建立SON-DMS功能模型如圖1所示，該模型從數(shù)據(jù)通信、設(shè)備管理、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)產(chǎn)品方面對(duì)SON-DMS功能進(jìn)行了分解：

(1)數(shù)據(jù)通信。SON-DMS要接收海底觀測(cè)儀器通過(guò)光纜上傳的數(shù)據(jù)，必須具有網(wǎng)絡(luò)通信的功能。數(shù)據(jù)通信部分要能夠達(dá)到以下要求：同時(shí)處理多個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接，對(duì)每個(gè)連接進(jìn)行IP判斷，保證通信數(shù)據(jù)的完整，能夠正確收發(fā)數(shù)據(jù)，能夠轉(zhuǎn)發(fā)控制指令。

(2)設(shè)備管理。整個(gè)海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)會(huì)有多個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)有數(shù)個(gè)接駁盒，每個(gè)接駁盒可以接有多種傳感器。每種設(shè)備的IP地址、通信協(xié)議、通信數(shù)據(jù)格式等都會(huì)有所區(qū)別。SON-DMS必須具備設(shè)備管理功能，管理系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)信息和子系統(tǒng)信息，同時(shí)可以查看節(jié)點(diǎn)信息及子系統(tǒng)信息內(nèi)容，并且可以添加、修改相關(guān)信息，保證設(shè)備增加或者刪除時(shí)，系統(tǒng)能夠以最短的時(shí)間適應(yīng)這些動(dòng)態(tài)變化。

(3)數(shù)據(jù)處理。SON-DMS的核心是為了獲取、存儲(chǔ)海洋數(shù)據(jù)，而設(shè)備上傳的數(shù)據(jù)可能是采集到的“源數(shù)據(jù)”，SON-DMS必須要區(qū)分不同類(lèi)別的數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過(guò)相應(yīng)的公式換算得到用戶(hù)“可理解”的數(shù)據(jù)，再將這些數(shù)據(jù)依據(jù)各自的時(shí)間信息存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)指定的數(shù)據(jù)表里面。SON-DMS需要解析存儲(chǔ)觀測(cè)數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)并對(duì)異常進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)控及報(bào)警。

(4)數(shù)據(jù)產(chǎn)品。為了對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行直觀顯示，SON-DMS需要將數(shù)據(jù)制作成數(shù)據(jù)產(chǎn)品展示給用戶(hù)，以數(shù)據(jù)表格或者曲線形式對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。同時(shí)，為了提高數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性，SON-DMS需要對(duì)解析的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的質(zhì)量控制。

2 關(guān)鍵技術(shù)與算法實(shí)現(xiàn)

在SON-DMS系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)通信是其正常運(yùn)行的前提，設(shè)計(jì)高質(zhì)量的通信策略是海底觀測(cè)網(wǎng)能否正常運(yùn)行的關(guān)鍵；設(shè)備動(dòng)態(tài)管理是SON-DMS保證海底觀測(cè)網(wǎng)掛載的各設(shè)備正常運(yùn)行的基礎(chǔ)；故障診斷與自適應(yīng)處理技術(shù)是海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)期可靠運(yùn)行的必要保障；數(shù)據(jù)質(zhì)量控制是SON-DMS提供優(yōu)質(zhì)用戶(hù)服務(wù)和數(shù)據(jù)產(chǎn)品的關(guān)鍵。因此，通過(guò)重點(diǎn)分析SON-DMS設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)問(wèn)題和關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計(jì)相關(guān)實(shí)現(xiàn)算法才能保證SON-DMS的長(zhǎng)期可靠運(yùn)行。

2.1 數(shù)據(jù)通信

海底觀測(cè)網(wǎng)長(zhǎng)期放置在水下，每天24 h不間斷產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，而且不同設(shè)備的數(shù)據(jù)在采集頻率、數(shù)據(jù)格式等方面存在差異。另外海底觀測(cè)網(wǎng)系統(tǒng)龐大，水下環(huán)境復(fù)雜，海底通信網(wǎng)的不穩(wěn)定有可能導(dǎo)致重要數(shù)據(jù)或者指令丟失，因此，實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的同步并發(fā)處理及提高指令執(zhí)行成功率是數(shù)據(jù)通信所要解決的難點(diǎn)問(wèn)題。

由于通信協(xié)議是通信傳輸中的基本單位，協(xié)議設(shè)計(jì)的好壞直接影響數(shù)據(jù)通信的效率，本文針對(duì)海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)特點(diǎn)首先設(shè)計(jì)了一種通用型的通信協(xié)議，其協(xié)議格式如表1所示，結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。該協(xié)議將內(nèi)容形式各異的數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，可以提高系統(tǒng)的解析速度，保證數(shù)據(jù)通信完整性。該通信協(xié)議主要分成3部分：包頭、包體和校驗(yàn)位。包頭部分包含節(jié)點(diǎn)ID號(hào)定義、時(shí)間戳等公共信息定義，長(zhǎng)度以及格式固定。包體為完成的具體業(yè)務(wù)需要的接口參數(shù)信息，根據(jù)各自設(shè)備內(nèi)容不同而有不同的格式和長(zhǎng)度，依據(jù)具體數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行分裝、定義。校驗(yàn)位為包頭與包體的CRC32校驗(yàn)，長(zhǎng)度及格式固定。

表1 自定義通信協(xié)議格式

圖2 通信協(xié)議結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure chart of communication protocol

SON-DMS與水下設(shè)備進(jìn)行通信時(shí)，為了兼顧通信效率和通道利用率，將數(shù)據(jù)接收與指令發(fā)送設(shè)計(jì)成兩個(gè)相互獨(dú)立的并發(fā)通信模塊，各自獨(dú)立完成其功能。數(shù)據(jù)接收模塊每次接收數(shù)據(jù)時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行包編號(hào)、校驗(yàn)和判斷，若二者都正確則對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析并存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)重連機(jī)制實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)并自動(dòng)恢復(fù)通信連接，以提升網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可靠性和自恢復(fù)能力。數(shù)據(jù)指令發(fā)送模塊采用握手機(jī)制提高單次通信成功率，通過(guò)重發(fā)機(jī)制保證指令可靠傳輸與執(zhí)行反饋。

2.2 設(shè)備管理

海底觀測(cè)網(wǎng)在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中會(huì)遇到傳感器需要變更物理接口或隨著探測(cè)需求的變化而增加傳感器的情況。這種設(shè)備狀態(tài)的動(dòng)態(tài)變化對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出了更高的要求，需要設(shè)計(jì)可擴(kuò)展性高的算法和結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的動(dòng)態(tài)管理需求。

參考MBARI以及VENUS數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案[14-16]，在吸取國(guó)外數(shù)據(jù)管理經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)前面介紹的設(shè)備管理需求，本文首先建立水下接駁設(shè)備的元數(shù)據(jù)表格與動(dòng)態(tài)配置表格。元數(shù)據(jù)表格主要是對(duì)電氣參數(shù)、接口形式、數(shù)據(jù)格式、通信參數(shù)、指令格式等設(shè)備基本信息進(jìn)行管理。當(dāng)設(shè)備信息改變時(shí)，主要通過(guò)對(duì)元數(shù)據(jù)表格的增刪改查來(lái)進(jìn)行維護(hù)。動(dòng)態(tài)配置表對(duì)實(shí)際物理接口、協(xié)議編號(hào)、設(shè)備名稱(chēng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理。物理接口與數(shù)據(jù)包中的節(jié)點(diǎn)ID號(hào)有唯一的映射關(guān)系，而與所接的設(shè)備不存在唯一的對(duì)應(yīng)關(guān)系，其映射關(guān)系如圖3所示。

圖3 設(shè)備動(dòng)態(tài)管理映射圖Fig.3 Device dynamic management map

從圖3中可以看出，物理接口com1可以連接設(shè)備1至設(shè)備n中的任意一個(gè)，當(dāng)接口更換新的傳感器，只需要在SON-DMS中完成對(duì)動(dòng)態(tài)配置表格的更改，即建立好物理接口與實(shí)際設(shè)備的映射，程序便能從設(shè)備元數(shù)據(jù)表格中找出對(duì)應(yīng)設(shè)備的映射，從而查找對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)格式等參數(shù)，然后利用正則表達(dá)式解析出數(shù)據(jù)。如果新增傳感器，則首先在設(shè)備元數(shù)據(jù)表格中增添新增設(shè)備的數(shù)據(jù)格式等參數(shù)信息，然后在SON-DMS動(dòng)態(tài)配置表中配置該設(shè)備所連接的物理接口。

2.3 故障診斷

海底觀測(cè)網(wǎng)需要長(zhǎng)期布放在海底，海底環(huán)境復(fù)雜多變，海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)布放工程難度大，維修費(fèi)用昂貴，一旦某一設(shè)備出現(xiàn)通信異常、數(shù)據(jù)異常等故障問(wèn)題后不及時(shí)處理可能會(huì)影響整個(gè)海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，從而對(duì)整個(gè)系統(tǒng)造成致命打擊。SON-DMS需要實(shí)現(xiàn)對(duì)水下設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)故障檢測(cè)與診斷、異常信息報(bào)警及應(yīng)急處理等。海底觀測(cè)網(wǎng)需要監(jiān)控的設(shè)備較多，狀態(tài)參數(shù)具有大數(shù)據(jù)特點(diǎn)，如何快速定位故障并給出故障優(yōu)先級(jí)處理順序是故障診斷研究的重點(diǎn)內(nèi)容。

故障診斷的難點(diǎn)在于海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)布放在深海，只能依靠獲取的狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷。本設(shè)計(jì)首先按照海底觀測(cè)網(wǎng)監(jiān)控的狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行分類(lèi)，主要包括各路電參數(shù)監(jiān)測(cè)，艙體內(nèi)溫濕度、漏水、壓力狀態(tài)監(jiān)測(cè)，過(guò)壓過(guò)流保護(hù)監(jiān)測(cè)和通信控制監(jiān)測(cè)。具體故障診斷內(nèi)容如表2所示。

表2 故障監(jiān)測(cè)內(nèi)容

2.4 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制

海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)中的傳感器可能受周邊環(huán)境、傳感器本身非線性等因素的影響出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失或者數(shù)據(jù)失真的現(xiàn)象。SON-DMS在數(shù)據(jù)產(chǎn)品制作時(shí)必須對(duì)解析完成的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制，以降低數(shù)據(jù)錯(cuò)誤率。海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)中傳感器數(shù)值有可能是隨機(jī)干擾造成的無(wú)效異常值，也有可能是海洋參數(shù)連續(xù)變化出現(xiàn)的有效參考值，因此，在線剔除異常數(shù)值，并最大限度地保留在線數(shù)據(jù)有效信息是數(shù)據(jù)質(zhì)量控制的重要研究?jī)?nèi)容。

本文采用一種改進(jìn)的53H算法。53H算法最先是由Tukey提出的，其基本思想是產(chǎn)生一個(gè)曲線的平滑估計(jì)，然后通過(guò)將測(cè)量值與這一估計(jì)值進(jìn)行比較來(lái)識(shí)別異常點(diǎn)[17]。其步驟如下：

第1步 設(shè)x(i)為測(cè)量的在線數(shù)據(jù)序列。為從x(i)構(gòu)造一個(gè)新序列x1(i),取x(1)，x(2),…，x(5)的中間值作為x1(3)，然后舍去x(1)、加入x(6)，取中間值得到x1(4)；以此類(lèi)推，直到加入最后一個(gè)數(shù)據(jù)。顯然，x1(i)的項(xiàng)數(shù)比x(i)少4項(xiàng)。

第2步 用類(lèi)似的方法在x1(i)的相鄰3個(gè)數(shù)中選取中間值而構(gòu)成序列x2(i)。

第3步 最后由序列x2(i)按如下方式構(gòu)成x3(i)：

x3(i)=0.25x2(i-1)+0.5x2(i)+0.25x2(i+1)。

(1)

這是一個(gè)Hanning平滑濾波器[18]，因此該方法稱(chēng)為53H法。

第4步 如果有下式成立，則用x3(i)代替x(i)，

|x(i)-x3(i)|>k，

(2)

其中，k為一預(yù)定值。

由運(yùn)算步驟可以看出序列x(i)的開(kāi)始4個(gè)點(diǎn)和末尾4個(gè)點(diǎn)沒(méi)有得到有效平滑，因此本文將此算法作如下改進(jìn)。

第5步 將x(i)序列開(kāi)始的8個(gè)點(diǎn)和末尾8個(gè)點(diǎn)反序排列生成序列x′(i)，即為：

x(8),x(7),x(6),x(5),x(4),x(3),x(2),x(1),x(9),…,x(n-8),x(n),x(n-1),x(n-2),x(n-3),x(n-4),x(n-5),x(n-6),x(n-7)。

由于改進(jìn)的53H算法對(duì)序列開(kāi)始和末尾的8個(gè)點(diǎn)進(jìn)行了正反兩次平滑，因此，只要選定適當(dāng)?shù)膋值，該算法可以在不改變序列特性的情況下使所有的點(diǎn)都得到有效平滑。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

SON-DMS開(kāi)發(fā)環(huán)境采用Microsoft Visual Studio 2010，編程語(yǔ)言采用C#，數(shù)據(jù)庫(kù)類(lèi)型為MySQL，數(shù)據(jù)通信骨干網(wǎng)采用基于TCP-IP協(xié)議的Socket通信技術(shù)，儀器端口采用串口通信技術(shù)。

3.1 數(shù)據(jù)通信

SON-DMS數(shù)據(jù)通信采用多線程處理機(jī)制實(shí)現(xiàn)并行處理，為每個(gè)連接創(chuàng)建一個(gè)線程來(lái)解決數(shù)據(jù)處理的并發(fā)問(wèn)題，并采用雙Socket、長(zhǎng)短連接相結(jié)合的通信模式保證接收與發(fā)送過(guò)程互不干擾。數(shù)據(jù)接收模塊采用Socket長(zhǎng)連接，其流程圖如圖4所示，在保持連接期間，如果沒(méi)有數(shù)據(jù)包發(fā)送，需要雙方發(fā)送鏈路檢測(cè)包以維持此連接，若連接斷開(kāi)，系統(tǒng)設(shè)有網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)檢測(cè)及重連機(jī)制以保證通信可靠性。指令發(fā)送模塊采用Socket短連接， SON-DMS發(fā)送完指令并接收到來(lái)自水下表示已經(jīng)正確接收和解碼的返回包后，馬上斷開(kāi)連接以減少系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)。其流程圖如圖5所示，其中nT(n

圖4 接收數(shù)據(jù)流程圖Fig.4 Flow chart of receiving data

圖5 發(fā)送指令流程圖Fig.5 Flow chart of sending instruction

3.2 設(shè)備管理

主要通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)備信息表的維護(hù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的動(dòng)態(tài)管理，程序界面設(shè)計(jì)時(shí)使用動(dòng)態(tài)樹(shù)控件來(lái)顯示設(shè)備名稱(chēng)以及設(shè)備數(shù)值等信息，動(dòng)態(tài)配置解析完成傳感器數(shù)據(jù)后，從數(shù)據(jù)庫(kù)讀取信息或者利用C#委托回調(diào)機(jī)制直接送到界面動(dòng)態(tài)樹(shù)顯示。

3.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理使用多線程機(jī)制提高執(zhí)行效率和程序工作的并發(fā)性。SON-DMS數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)的工作流程是當(dāng)建立連接后，由SON-DMS發(fā)送數(shù)據(jù)采集等控制命令，海底采集程序接收到命令后將所得到的數(shù)據(jù)按照自定義協(xié)議打包，然后傳送給SON-DMS處理，數(shù)據(jù)處理流程圖如圖6所示。同時(shí)，SON-DMS后臺(tái)程序創(chuàng)建每種異常自動(dòng)監(jiān)測(cè)的線程，每隔固定時(shí)間按表2中的內(nèi)容進(jìn)行監(jiān)測(cè)，無(wú)需人員實(shí)時(shí)守護(hù)。SON-DMS中集成SMS短信報(bào)警平臺(tái)，異常出現(xiàn)后，會(huì)立即通過(guò)手機(jī)短信通知相關(guān)人員。

圖6 數(shù)據(jù)處理流程圖Fig.6 Flow chart of data processing

3.4 數(shù)據(jù)產(chǎn)品制作

SON-DMS處理兩種類(lèi)型的傳感器數(shù)據(jù)，即每種傳感器實(shí)際測(cè)量的數(shù)據(jù)以及經(jīng)過(guò)53H數(shù)據(jù)質(zhì)量控制算法計(jì)算得到的數(shù)值，數(shù)據(jù)產(chǎn)品的展示主要是將此兩類(lèi)傳感器數(shù)據(jù)以及其他被測(cè)物理量使用C#委托回調(diào)機(jī)制送到界面制成實(shí)時(shí)曲線圖或者表格，同樣可以采用曲線或者表格的方式查詢(xún)歷史數(shù)據(jù)。使用線程機(jī)制保證圖形界面的實(shí)時(shí)響應(yīng)。

4 系統(tǒng)試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)方案

采用本文設(shè)計(jì)的SON-DMS的海底觀測(cè)網(wǎng)于2017年8月—11月在青島膠州灣中苑碼頭完成3個(gè)多月的海試試驗(yàn)。海試過(guò)程中，數(shù)據(jù)采集器上掛載5個(gè)傳感器，實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)溶解氧、甲烷、葉綠素、濁度、CDOM五類(lèi)海洋環(huán)境參數(shù)。另外在岸邊安裝攝像頭，遠(yuǎn)程終端設(shè)備可連接攝像頭對(duì)岸邊進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果及其分析

試驗(yàn)結(jié)果表明，SON-DMS在3個(gè)多月連續(xù)運(yùn)行期間能夠準(zhǔn)確獲取包括溶解氧、甲烷、葉綠素等五種海洋化學(xué)參數(shù)，能夠成功發(fā)送各類(lèi)指令并成功執(zhí)行。系統(tǒng)對(duì)各種數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確解析、存儲(chǔ)、查詢(xún)以及顯示。SON-DMS具有較好的穩(wěn)定性、完善的功能性和友好的人機(jī)接口，典型界面如圖7～8所示。此外，SON-DMS還解決了海底觀測(cè)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)涉及的難點(diǎn)問(wèn)題，具體表現(xiàn)在：

圖7 SON-DMS典型界面IFig.7 Typical interface I of SON-DMS

圖8 SON-DMS典型界面IIFig.8 Typical interface II of SON-DMS

(1)SON-DMS具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)通信能力。

海底觀測(cè)網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行3個(gè)多月，SON-DMS收到有效科學(xué)數(shù)據(jù)多達(dá)560萬(wàn)條，數(shù)據(jù)丟包率僅為0.045%，指令響應(yīng)時(shí)間小于3 s，指令執(zhí)行成功率高達(dá)98.2%，這些性能指標(biāo)說(shuō)明在保證系統(tǒng)響應(yīng)能力前提下，海底觀測(cè)網(wǎng)數(shù)據(jù)通信關(guān)鍵技術(shù)中采用的通信協(xié)議格式能保證數(shù)據(jù)通信的完整性，雙Socket、長(zhǎng)短連接結(jié)合的機(jī)制能提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

(2)SON-DMS具有靈活的設(shè)備動(dòng)態(tài)管理能力。

海試中，傳感器設(shè)備需要更換接口或在接口上新增傳感器時(shí)，只需在SON-DMS配置界面中動(dòng)態(tài)配置物理接口所接的實(shí)際設(shè)備，該映射建立完成后，整個(gè)系統(tǒng)便可以在2 min之內(nèi)以Socket網(wǎng)絡(luò)通信方式接收到數(shù)據(jù)，說(shuō)明以動(dòng)態(tài)配置表與元數(shù)據(jù)表映射關(guān)系建立的方式動(dòng)態(tài)管理設(shè)備比改變代碼更為靈活。

(3)SON-DMS具備異常自動(dòng)監(jiān)控、故障及時(shí)報(bào)警的能力。

在實(shí)際驗(yàn)證中，考慮到無(wú)法現(xiàn)場(chǎng)復(fù)現(xiàn)觀測(cè)儀器故障，采用模擬故障方法，針對(duì)電參數(shù)、溫濕度、漏水故障，通過(guò)改變閾值檢測(cè)診斷工作；針對(duì)通信故障，通過(guò)主動(dòng)切斷網(wǎng)絡(luò)連接檢測(cè)。模擬試驗(yàn)表明，SON-DMS能監(jiān)控表2中列舉的任意一種故障，而且能夠通過(guò)短信及時(shí)報(bào)警。

(4)海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)具有較低的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤率。

以溶解氧采集到的頻率為例，經(jīng)53H數(shù)據(jù)質(zhì)量控制處理后，傳感器數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤率(指SON-DMS接收到的異常傳感數(shù)據(jù)與全部傳感器數(shù)據(jù)的比值)由0.011%降低為0.000 81%，如表3所示。溶解氧原始頻率曲線與數(shù)據(jù)質(zhì)量控制處理曲線對(duì)比如圖9所示。從對(duì)比曲線整體圖以及局部放大圖中可以看出，經(jīng)過(guò)53H數(shù)據(jù)質(zhì)量控制處理后得到的曲線有效剔除了異常值，并且在保留原始曲線趨勢(shì)性的基礎(chǔ)上，對(duì)原始的曲線進(jìn)行了有效的平滑。

表3 海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的傳感數(shù)據(jù)錯(cuò)誤率分析

圖9 數(shù)據(jù)對(duì)比曲線圖Fig.9 Curve of data comparison

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的SON-DMS由數(shù)據(jù)通信、設(shè)備管理、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)產(chǎn)品4大子系統(tǒng)構(gòu)成，解決了SON-DMS中涉及的數(shù)據(jù)通信、設(shè)備管理、故障診斷及數(shù)據(jù)質(zhì)量控制等難點(diǎn)問(wèn)題。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，該SON-DMS具有良好的穩(wěn)定性、完善的功能性和便捷的人機(jī)接口。此外，系統(tǒng)集成的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制機(jī)制降低了系統(tǒng)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤率，提高了可靠性。這些特性使得開(kāi)發(fā)的SON-DMS能夠滿(mǎn)足海底觀測(cè)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)階段的應(yīng)用需求。

目前，SON-DMS已實(shí)際應(yīng)用一年，運(yùn)行情況良好。但是隨著海底觀測(cè)網(wǎng)的擴(kuò)大，SON-DMS并沒(méi)有包括對(duì)接駁盒的管理，而且存在界面不夠美觀等問(wèn)題。因此，下一步的工作是在保證和提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時(shí)，逐步完善系統(tǒng)現(xiàn)存的不足之處。