海洋水文多要素监测系统分析

海洋水文多要素监测系统分析

邹曙光

国家海洋局烟台海洋环境监测中心站 264321

摘要：随着现代化技术以及信息化手段的飞速发展，社会已经进入到了全新的科技时代当中，这也为各类技术手段的发展起到了良好的促进作用，而在当前的水文监测工作开展过程中，由于海洋领域的不断拓展，再加上监测内容的持续提升，这就需要建立起全新的海洋水文多要素监测系统，在其中引入微博通信技术以及物联网技术等现代化的技术手段，其不仅能够展开更加高效的海洋水文监测工作，还可以有效解决传统监测工作开展过程中存在的各类问题。因此，文章首先对海洋水文多元素监测系统的设计展开深入分析；在此基础上，提出基于北斗卫星的海洋水文多要素监测系统。

关键词：海洋水文多要素；北斗卫星；监测系统

引言：在社会经济高速发展的背景下，水生态文明也呈现出一种不断发展的状态，这也使得水文监测工作开展过程中的监测内容不断提高，从原本较为基本的水雨情监测工作，进一步拓展为水位、雨量、流量以及温度等多种要素的监测。而在传统的水文监测工作当中，其所采取的传输方式主要就是GSM传输或是4G传输方式，而由于大部分海洋区域当中并没有实现网络信号的全面覆盖，很难开展海洋监测数据信息的传输工作，传统的水文监测平台当中，大多处理的都是较为单一的水文要素，无法适用于水文多要素的统一接收处理当中。因此，针对这些海洋水文监测当中存在的各类问题，海洋水文多要素监测系统的建设过程中，就应当充分结合大数据技术、微波通信技术等多种技术手段，并充分融入传统的水文监测方式，根据云计算平台建立起水文数据中心，对监测数据信息展开深入分析，以此来实现对于海上水文监测的实时监控以及实时预警。

1. 海洋水文多要素监测系统的设计

1. 微波通信

微波通信能够为海上水文监测提供出更加优异的传输途径，这种微波通信，其主要就是采用波长维持在0.1mm-1m之间的电磁波进行通信。而相对于光纤通信以及电缆通信相比，这种微波通信模式并不需要采用各类固体介质，并且在确保两点之间的直线距离不存在障碍的情况下，就可以采取微波传输的方式，由于其所具备的这种特征，使其在海洋传输中得到了较为广泛的应用，而受到微波通信传输距离产生的影响，就要在不同的站点当中及时建立起必要的中继站，以此来保证基本的通信质量与通信效率，而海洋水文多元素监测系统的网络建设，可以进一步划分为地面部分以及海面部分。其中地面部分的建设中，水文多要素接收系统大多都会部署在水文内网当中，利用通信光纤或是交换机进行连接，并使得通信光纤的另一端部位可以通过交换机，进一步与地面微波站进行连接；其次为海面部分的建设，在每一个水文监测站点当中，都会采用微波中继站或是小型交换机进行连接，由于站点之间距离产生的限制，在海面微波中继站之间就应当采用微波通信的方式加以连接，以此来构建出更加稳定的微波通信网络。同时，地面与海面之间，也同样需要采用微波通信方式来建立起较为稳定的连接状态，使得海面与地面的微波通信网络可以建立起海洋水文监测中的数据信息传输通道，并且相对于较为传统的水文通信模式来说，大多都会利用水文采集设备以及水文多要素接收系统来展开传输线路之间的转换，以此来保证水文传输的实时性与高效性^[1]。

2. 水文多要素平台

海洋水文多要素监测系统，其能有效满足海洋水文监测当中监测要素比较多，并且数据信息需求量较大的基本需求，同时，根据微服务架构所建立起的分布式平台，也可以更好的支持水文多要素监测系统的高效运转以及灵活拓展。而将spring boot微服务框开发作为基础所在，可以将海洋水文多要素监测系统进一步划分为数据信息展示微服务、数据信息处理微服务以及数据信息计算微服务等多种内容，并直接利用spring cioud对微服务内容加以管理。而系统的整体框架，主要为管理层、通信层、业务层以及核心数据库等多方面内容，其中的管理层，所负责的就是对于整个海洋水文多要素平台的运行管理，其中囊括了扩展配置管理工作、故障管理工作以及安全管理工作等多种内容，而在管理模块则为故障管理模块、性能监控模块与安全监控模块等，故障管理模块能够对系统的故障节点展开实时监控，并根据负载均衡来对故障节点部位展开必要的容灾处理，而性能监控模块主要就是对系统内部的资源占用情况以及运行效率进行监控，安全监控模块则是对系统的配置情况与运转情况加以监控，以此来提高系统运转的安全性与稳定性；通信层负责的则是遥测站数据信息的汇集工作，以及各个水文多要素平台与遥测站RTU之间的通信情况，以此来确保RTU所具备的业务数据信息可以有效传递至相应的平台当中，确保平台内部的各类遥测站指令信息可以更好的传递至RTU当中，在具体的通讯接口方面，则要利用开发的标准协议内容来对接口多种通讯方式进行支持；业务层所负责的则是对遥测站内部各类实时数据信息展开解析计算，以此来判断数据信息的合理性，而根据水文通讯规约等多种数据信息协议内容，则要开发出具备着标准化特征的数据解析接口，确保业务层能够在应用层与通讯层之间起到更好的桥梁作用，并提供出必要的数据信息接口服务以及信息查询接口服务，以此来有效起到承上启下的功能。

3. 云数据中心

根据海洋水文监测数据信息，可以进一步建立起海洋水文大数据中心，并且还要根据这部分大数据来建立起海洋的水文分析系统，并在其中提供出更加标准的数据访问API。而平台方面则要对开源组件展开必要的增强以及封装处理，提供出稳定性比较高的数据储存以及查询分析能力。而站在水文数据信息分析的角度上来看，应当对监测数据进行清晰，根据审查数据信息以及系统所具备的是被检查功能来判定设备以及数据的具体状态，将历史数据信息作为基础来建立起对应的水文分析模型，实现对于错误数据信息的清洗。同时，云数据中心还能够为海上水文分析提供出必要的数据信息支持，建立起一种具备着特色的水文分析报告，其中包括潮位变化分析报告、入海口倒流分析以及雨情分析报告等内容^[2]。

2. 基于北斗卫星的海洋水文多要素监测系统

1. 系统的总体设计

在基于北斗卫星的海洋水文多要素监测系统当中，其总体结构可以有效划分为岸站监控单元系统以及浮标单元系统，其中的岸站监控单元具体包括岸基监控中心、数据信息接收模块以及数据信息库等；而在浮标单元当中则包括了数据信息采集、数据处理模块、电源模块以及北斗用户机等。浮标单元所起到的主要作用，就在于对布放海区内部的盐度信息、深度数据以及温度信息等多方面内容进行采集，并利用北斗卫星系统来直接向着岸站监控单元传输必要的数据信息，岸站监控单元所负责的工作内容则是接收浮标单元中传送的数据信息，并对数据信息展开必要的管理，以此来实现对于浮标的定位跟踪以及实时监控^[3]。

2. 系统的主要模块

1. 实时通信模块系统。在海洋中的实时监测系统当中，其所采用的实时通信模块就在于北斗卫星系统，北斗卫星系统属于我国自主进行研发，并且得到了全面发展优化的系统，可以在全球范围内实现定位导航等作用，整体具备着较高的可靠性以及准确性，能够实现全天候工作。同时，应用北斗卫星系统还有这较高的安全性，保证数据信息传输过程中的及时性，而在海洋水文的实时监测阶段中，科学合理的采用北斗卫星系统以及岸基设备，能够在最大程度上保证海洋水文数据信息可以得到更加准确的传播。在海洋水文多要素监控系统当中，浮标平台内部所采用的主要为嵌入式的北斗终端机，这种终端机的总体体积相对较小，在使用过程中也并不会产生较高的能源消耗，这就进一步提高了整体系统的实用性，使其在海洋浮标系统当中具备着较为显著的应用优势。而岸基中心站与海上水文监测节点之间所采取的通信方式，可以详细划分为两种模式，第一种为通过北斗卫星系统来将北斗通信终端与浮标系统有效连接在一起，这样就能够对监测节点展开更加准确的遥测遥控；另一种则是利用互联网技术，根据数据信息传输的及基本需求来构建出更加全面的虚拟专线，并在海上浮标监测点与岸基中心站之间构建出更加稳定的通信渠道。

2. 岸基中心站的监控软件模块。岸基中心站当中所具备的主要功能，就在于对海上浮标系统内部所传输的监测数据信息进行接收、处理以及储存，同时，岸基中心站还要及时向浮标监测平台发布出对应的指令信息，及时读取出浮标监测系统内部所采集到的数据信息。而对于数据信息所进行的储存，主要就是将收集到的数据信息有效转移至岸基中心站的本地储存系统之中，为了有效满足以上功能能够顺利实现，岸基中心监控软件当中就要设计出数据库与通讯这两个接口。除此之外，为了满足海洋水文多要素监测的多种需求，岸基中心站还要展开必要的数据信息转换，这种数据转换所指的主要就是海上浮标传输过程中得出的数据信息能够根据相应的标准内容展开换算，在这一工作过程中还能够帮助相应的工作人员得出与之对应的数据结果，而生成出的报文也是根据规定的文件格式以及数据信息作为基础内容所构成的数据文件格式。

3. 浮标单元与数据信息采集模块。浮标单元系统内部的工作内容，主要包括了以下几方面内容，分别为北斗卫星系统的数据信息传输、接收岸站系统质量以及发送数据信息等。同时，浮标单元系统还要积极与数据信息采集模块之间进行即时通讯，并对数据采集模块下达出对应的指令内容。而数据采集系统当中所涉及到的工作内容，具体包括以下两方面内容，分别为接收主控指令并将得到的数据信息进行传输，以及传感器数据的必要转换^[4]。

3. 系统的稳定性测试

1. 压力采集测试。在压力采集测试当中，其所使用的主要为精密数字压力表、手动水压源以及密封压力罐等装置展开测试工作，而其精密数字压力表的精度应当稳定控制在0.05%左右。而将采集阵元终端有效放入到密封压力罐当中，就可以利用连接管与手动水压源展开必要的测试口连接，而在另一个测试口当中则要接上另一个精密压力表，并利用手动水压源来注入自来水，通过水东水压源所具备的手动加压阀以及微加压阀展开必要的加压处理，并将采集阵元终端当中存在的数据信息与精密数字压力表的数据信息加以比较。

2. 温度采集测试。在温度采集测试当中，大多都会采用恒温槽装置来进行必要的测试处理，在恒温槽的设置过程中，分辨率则要设置在0.01℃，并将所有温度传感器利用导线来连接在一起，进一步放置到恒温水槽当中，在前端部位的采集板则要与电缆进行连接，而后接入到主控板之中，而后利用RS232将主控板与计算机连接在一起，这样就能够对20个阵元的温度数据信息展开同时采集，并准确读出恒温槽当中显示的温度数据以及采集阵元终端中得出的采集数据信息。而在实际采集阶段中，应当先从35℃开始，依次向下进行调整，其中的间隔应当稳定在0.1℃，采集完毕后的数据信息还要展开拟合处理，得到更加完整的数据曲线，并在其中挑选出较为关键的温度点展开再次测量，将这部分温度点当中采集出的数据信息来与数据曲线之间进行对比。

3. 系统联调测试。按照系统实际使用方式，将整个系统各个部分连接起来。采集系统部分除了没有将主控板和电池放入标体外，其他均按照整个系统实际使用方式连接，两个北斗通信终端伸出实验室窗外接收卫星信号。采集阵元终端没有放入液体，而是采集空气的温度和压力。而系统应当设置为每 5 min 采集一次数据，并通过北斗通信终端传输岸基系统进行入库，最后通过检验数据库入库的采集数据来得到最终结果^[5]。

结论：在海洋水文多要素监测系统的研究过程中，应当科学合理的引入微波通信，云数据中心以及水文多要素平台，确保海洋水文多要素监测系统能够有效发挥出自身的实际作用。同时，北斗卫星系统在海洋水文多要素监测系统当中同样起到了至关重要的作用，其不仅可以利用岸基中心站来对浮标系统展开必要的遥测遥控，还可以将传输回来的水文数据进行处理过后，提供至数据库当中，为海洋观测事业的可持续发展奠定坚实基础。

参考文献：

[1]刘帅,朱敏杰,杜晓辉,徐大千,姜飞,施继伟,韩东祥.气象水文海洋仪器可靠性强化试验技术应用研究[J].海洋技术学报,2021,40(03):16-23.

[2]侯柳,刘伟,卢怡,夏璐怡.气象海洋水文仪器网APP的设计与实现[J].信息与电脑(理论版),2020,32(17):73-76.

[3]魏永亮,胡松,于潭,王家为.海洋水文气象调查与观测虚拟仿真建设及思考[J].教育教学论坛,2020(37):87-88.

[4]高明,尹志涛,韩松. 海洋水文多要素监测系统研究[C]. 河海大学.2020年（第八届）中国水利信息化技术论坛论文集.河海大学:北京沃特咨询有限公司,2020:120-125.

[5]王思又. 海洋水文数据可视化平台设计与实现[D].山东科技大学,2020.

姓名：邹曙光，1963.11，男，汉，山东省威海市，工程师，研究方向：水文气象观测、海水污染监测，单位所属省市：山东省威海市