岸島觀測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

■ 王夢璇

1 概述

為落實(shí)習(xí)近平總書記建設(shè)海洋強(qiáng)國重要指示，中國電子科技集團(tuán)啟動(dòng)建設(shè)了藍(lán)海信息網(wǎng)絡(luò)示范系統(tǒng)，是踐行央企使命擔(dān)當(dāng)?shù)闹匾痉豆こ?。岸島觀測系統(tǒng)作為藍(lán)海信息網(wǎng)絡(luò)示范系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，由空海監(jiān)視雷達(dá)、VTS 雷達(dá)、光電、AIS 系統(tǒng)、ADS-B 系統(tǒng)、北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)、氣象數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)等組成，完成對(duì)布設(shè)地點(diǎn)附近海域內(nèi)的空中和水面目標(biāo)的實(shí)時(shí)觀測，通過多源觀測信息的融合和綜合處理，形成整體態(tài)勢信息。

2 系統(tǒng)特點(diǎn)

1）多種目標(biāo)觀測手段：系統(tǒng)整合雷達(dá)探測、AIS、光電監(jiān)視、ADS-B 等多種觀測手段，可發(fā)現(xiàn)空中、水面的不同類型目標(biāo)；

2）綜合分析處理能力：系統(tǒng)綜合處理包括空中、水面活動(dòng)目標(biāo)位置、視頻和自然環(huán)境等信息，并對(duì)這些信息進(jìn)行處理，分析信息之間的關(guān)聯(lián)性；

3）利用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備遠(yuǎn)程遙控及信息接入和集中處理；

4）面向服務(wù)的設(shè)計(jì)：系統(tǒng)是集成多種傳感手段的綜合信息平臺(tái)，為上級(jí)應(yīng)用提供監(jiān)控海域內(nèi)目標(biāo)信息、環(huán)境信息服務(wù)；

5）分布式結(jié)構(gòu)化系統(tǒng)：系統(tǒng)采用分層體系架構(gòu)，由感知層、傳輸層、平臺(tái)層、應(yīng)用層和支撐系統(tǒng)共同組成完善的體系；

6）環(huán)境適應(yīng)能力：系統(tǒng)設(shè)計(jì)中考慮設(shè)備在高溫高濕高鹽霧惡劣環(huán)境中能正常使用。

3 主要功能

3.1 目標(biāo)探測功能

1）具有對(duì)海目標(biāo)的視距/超視距監(jiān)視功能；

2）具有對(duì)空目標(biāo)的監(jiān)視功能；

3）位置信息獲取功能：接收船舶防碰撞信號(hào)（AIS）、飛機(jī)航行廣播信號(hào)（ADS-B）等信息，獲得區(qū)域內(nèi)相關(guān)船只和飛機(jī)的位置信息；

4）目標(biāo)觀察功能：對(duì)進(jìn)入視頻監(jiān)測范圍的目標(biāo)進(jìn)行視頻監(jiān)測和識(shí)別。

3.2 自然環(huán)境監(jiān)測功能

觀測布設(shè)地點(diǎn)的環(huán)境氣象要素：風(fēng)向、風(fēng)速、氣溫、相對(duì)濕度、氣壓、雨量等信息。

3.3 信息處理功能

1）系統(tǒng)根據(jù)預(yù)先制定的目標(biāo)信息融合規(guī)則，對(duì)AIS 信息與對(duì)海雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行人工/自動(dòng)識(shí)別；

2）將ADS-B 信息與對(duì)空雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行人工/自動(dòng)識(shí)別；

3）系統(tǒng)能采用自動(dòng)和手動(dòng)兩種方式對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別；

4）系統(tǒng)能根據(jù)目標(biāo)監(jiān)控系統(tǒng)獲得的目標(biāo)信息來分析目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡，并進(jìn)行跟蹤；

5）系統(tǒng)可針對(duì)自然環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，主要包括：環(huán)境溫濕度、雨量、風(fēng)速等全周期分析。

3.4 顯示功能

1）系統(tǒng)支持標(biāo)準(zhǔn)電子海圖顯示，具有漫游、放大、縮小、距離與方位量算、多目標(biāo)顯示、目標(biāo)標(biāo)簽顯示、海圖打印與保存、輔助圖層管理等功能。

2）能以表格、態(tài)勢圖等多種方式顯示目標(biāo)監(jiān)控系統(tǒng)獲得的目標(biāo)信息、軌跡和目標(biāo)的詳細(xì)信息。

3）系統(tǒng)能選擇展示光電設(shè)備獲得的圖像，同時(shí)還可以對(duì)歷史圖像進(jìn)行播放和查詢；

4）可顯示島礁信息系統(tǒng)傳送來的數(shù)據(jù)；

5）可顯示處理水下信息系統(tǒng)傳送來的數(shù)據(jù)；

6）系統(tǒng)能同時(shí)展示觀測海域空中、水面、水下的多種目標(biāo)的位置及其他相關(guān)信息；

7）系統(tǒng)能展示岸島目標(biāo)態(tài)勢和氣象參數(shù)。

3.5 系統(tǒng)管理及警示功能

完成系統(tǒng)各設(shè)備的監(jiān)控及管理，系統(tǒng)能對(duì)選定的威脅目標(biāo)進(jìn)行警示。

4 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)構(gòu)架

系統(tǒng)有空海監(jiān)視雷達(dá)系統(tǒng)、VTS 雷達(dá)系統(tǒng)、光電系統(tǒng)、AIS 系統(tǒng)、ADS-B系統(tǒng)、氣象參數(shù)測量系統(tǒng)、綜合處理控制系統(tǒng)等設(shè)備。

空海監(jiān)視雷達(dá)完成中近海水面目標(biāo)的視距/超視距監(jiān)視，完成空中目標(biāo)的監(jiān)視。VTS 雷達(dá)完成港口及航道船舶監(jiān)控及交通設(shè)施的監(jiān)視。AIS 系統(tǒng)接收水面船舶發(fā)射的報(bào)文信息。ADS-B 系統(tǒng)接收空中目標(biāo)發(fā)送的報(bào)文信息。光電監(jiān)視系統(tǒng)完成近海水面目標(biāo)的監(jiān)視。氣象測量系統(tǒng)完成觀測站點(diǎn)的氣象參設(shè)測量。

綜合處理控制系統(tǒng)完成岸島觀測系統(tǒng)的信息綜合處理、顯示控制，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)?？娠@示光電系統(tǒng)發(fā)送的實(shí)時(shí)視頻信息；各設(shè)備工作狀態(tài)信息；可根據(jù)需要完成對(duì)各觀測站的設(shè)備遠(yuǎn)程操控；形成大范圍覆蓋的海域及其空域的監(jiān)視管控能力，并將處理分類后的信息分發(fā)給上級(jí)控制中心，進(jìn)一步處理后向不同用戶提供信息服務(wù)；同時(shí)可接收上級(jí)控制中心發(fā)來的控制指令。

系統(tǒng)從架構(gòu)上分為前端感知層、數(shù)據(jù)傳輸層、平臺(tái)層和應(yīng)用層四部分組成。

4.2 系統(tǒng)分層設(shè)計(jì)

4.2.1 前段感知層

前段感知層是集成各種目標(biāo)傳感器、氣象信息監(jiān)測和管控設(shè)備共同組成。主要包括下面一些：

1）雷達(dá)設(shè)備：用于對(duì)周邊監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的活動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)控；雷達(dá)設(shè)備可以在復(fù)雜環(huán)境下完成對(duì)機(jī)動(dòng)目標(biāo)的探測、分辨和定位，具有全天候、探測距離遠(yuǎn)、發(fā)現(xiàn)捕捉目標(biāo)能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

2）光電監(jiān)控設(shè)備：用于對(duì)15 公里內(nèi)的可見光和紅外目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)視和跟蹤；光電跟蹤分系統(tǒng)是由集成在轉(zhuǎn)塔上的變焦紅外熱像儀和電視攝像機(jī)組成，能夠全天時(shí)搜索跟蹤監(jiān)視重點(diǎn)目標(biāo)，并對(duì)海上目標(biāo)粗略被動(dòng)測距。通過千兆網(wǎng)發(fā)送探測結(jié)果和監(jiān)視圖像。

3）AIS 監(jiān)控設(shè)備：設(shè)備用于對(duì)近海海域（10 海里內(nèi)）的過往船舶的動(dòng)態(tài)信息（位置信息、ROT、COG 等）進(jìn)行監(jiān)控，并可獲取過往船舶的相關(guān)靜態(tài)信息（船名、MMSI、IMO 等）及航行相關(guān)信息（人數(shù)、吃水深度等）。

圖4.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4）ADS-B 監(jiān)控設(shè)備：該監(jiān)控設(shè)備用于接收200 公里內(nèi)裝備了ADS-B 發(fā)射設(shè)備的飛機(jī)，通過數(shù)據(jù)鏈廣播的自身的精確位置和其它數(shù)據(jù)（如速度、高度及飛機(jī)是否轉(zhuǎn)彎、爬升或下降等）。

5）氣象監(jiān)測設(shè)備：自動(dòng)地觀測和存儲(chǔ)氣象觀測數(shù)據(jù)，完成氣象相關(guān)參數(shù)采集處理和傳輸?shù)南到y(tǒng)，主要由氣象傳感器、采集器、通訊接口、系統(tǒng)電源等組成。

4.2.2 網(wǎng)絡(luò)傳輸層

根據(jù)不同的使用環(huán)境可以采用下面幾種方式：

1）衛(wèi)星通信：衛(wèi)星通信一般使用在海上和邊遠(yuǎn)地區(qū)。主要的優(yōu)勢是大部分區(qū)域都已經(jīng)覆蓋。主要的劣勢是帶寬價(jià)格較高、數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延較大，并且偶爾會(huì)出現(xiàn)無法傳輸?shù)那闆r。

2）3G、4G 網(wǎng)絡(luò)：信號(hào)覆蓋的區(qū)域可以使用3G 或4G 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。由于3G 和4G 網(wǎng)絡(luò)采用非對(duì)稱的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，因此上傳的數(shù)據(jù)不能滿足前端傳感器中視頻數(shù)據(jù)和電磁原始數(shù)據(jù)的傳輸帶寬的要求。

3）有線數(shù)據(jù)傳輸：主要包括采用光纖和網(wǎng)線的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，當(dāng)前有線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸已經(jīng)可以達(dá)到每秒100MBps 的傳輸速度。但是有線網(wǎng)絡(luò)存在布線困難的問題。

4）北斗短信數(shù)據(jù)傳輸：系統(tǒng)可以利用北斗短信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。但由于北斗短信只能傳輸簡單的目標(biāo)信息，僅能作為傳輸備份鏈路。

5）無線數(shù)據(jù)鏈通信網(wǎng)絡(luò)：主要優(yōu)勢是利于構(gòu)建覆蓋大面積的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，能為設(shè)備提供數(shù)據(jù)和話音通信，傳輸速率80kbps 的傳輸帶寬，端機(jī)重量小于20kg。主要缺點(diǎn)是無法實(shí)現(xiàn)超視距的數(shù)據(jù)傳輸，每個(gè)網(wǎng)狀網(wǎng)節(jié)點(diǎn)之間的距離不超過40 公里。

對(duì)于傳輸鏈路的選擇可以根據(jù)不同的使用環(huán)境進(jìn)行考慮：岸島觀測系統(tǒng)設(shè)備架設(shè)在陸上，可借助公網(wǎng)或鋪設(shè)專用光纖傳輸線完成數(shù)據(jù)傳輸；無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)可作為備用數(shù)據(jù)傳輸方式。

4.2.3 服務(wù)平臺(tái)層

（1）信息處理平臺(tái)

信息處理平臺(tái)是整個(gè)平臺(tái)層的核心部分，它一方面匯聚前端感知層采集的各類數(shù)據(jù)，進(jìn)行集中的管理、存儲(chǔ)、分析、挖掘；另一方面它與應(yīng)用層接口，向應(yīng)用層提供各類信息數(shù)據(jù)服務(wù)。信息處理平臺(tái)所提供服務(wù)主要包括：數(shù)據(jù)接入及轉(zhuǎn)發(fā)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、通信服務(wù)、目標(biāo)數(shù)據(jù)融合處理、氣象信息統(tǒng)計(jì)等。

1）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)庫、文件系統(tǒng)兩種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)管理，并建立了完善的備份與容災(zāi)策略，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各類信息數(shù)據(jù)統(tǒng)一、安全、高效的存取。

2）通信服務(wù)：系統(tǒng)為應(yīng)用層提供各級(jí)監(jiān)控站和控制中心之間的通信服務(wù)能力，包括發(fā)送文字或語音的消息等。

3）數(shù)據(jù)接入及分發(fā)：將傳感器傳輸過來的信息根據(jù)不同格式進(jìn)行統(tǒng)一轉(zhuǎn)換，根據(jù)應(yīng)用層不同系統(tǒng)要求進(jìn)行數(shù)據(jù)定向分發(fā)等。

數(shù)據(jù)融合處理服務(wù)：

a）向前端監(jiān)控設(shè)備下發(fā)各類控制指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)特定目標(biāo)的追蹤觀測；

b）實(shí)現(xiàn)目標(biāo)觀測數(shù)據(jù)（含近場雷達(dá)數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)、AIS 目標(biāo)數(shù)據(jù)、ADS-B 目標(biāo)數(shù)據(jù)）的管理、分析、關(guān)聯(lián)、識(shí)別能力。

氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：通過對(duì)監(jiān)管區(qū)域的氣象水文數(shù)據(jù)采集、處理、分析，形成區(qū)域氣象數(shù)據(jù)庫。

（2）數(shù)據(jù)交換平臺(tái)

數(shù)據(jù)交換平臺(tái)是整個(gè)平臺(tái)層進(jìn)行數(shù)據(jù)接入、交換的中心。它主要包括連接接入控制、傳輸協(xié)議轉(zhuǎn)換、外部數(shù)據(jù)接口。

1）連接接入控制：連接接入控制主要實(shí)現(xiàn)各級(jí)監(jiān)控站、二級(jí)控制中心接入核心控制中心的接入鑒權(quán)、連接建立、數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔僮骺刂啤?/p>

2）傳輸協(xié)議轉(zhuǎn)換：數(shù)據(jù)交換平臺(tái)從各級(jí)監(jiān)控站、二級(jí)控制中心接收各監(jiān)測設(shè)備上報(bào)的各類信息數(shù)據(jù)，并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)議解析，并轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)后臺(tái)處理所需協(xié)議格式。

3）外部數(shù)據(jù)接口：數(shù)據(jù)交換平臺(tái)提供外部數(shù)據(jù)接口功能，實(shí)現(xiàn)與上級(jí)數(shù)據(jù)中心或其他外部信息系統(tǒng)互連，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)間的共享。

（3）系統(tǒng)維護(hù)平臺(tái)

系統(tǒng)維護(hù)平臺(tái)是為系統(tǒng)管理人員提供系統(tǒng)日常管理維護(hù)的操作接口。它主要由網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理、系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控、系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)組成。

1）網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理：網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（二級(jí)控制中心、固定監(jiān)控站）的添加、刪除、修改、查詢、啟用、禁用等功能。

2）系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控：實(shí)現(xiàn)對(duì)各級(jí)控制中心、固定監(jiān)控站運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，監(jiān)控對(duì)象包括前端的各種監(jiān)測設(shè)備、傳輸設(shè)備、后臺(tái)服務(wù)器，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障或異常時(shí)，監(jiān)控界面進(jìn)行警示，提醒管理人員進(jìn)行相關(guān)的維護(hù)管理工作。

3）系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)：系統(tǒng)維護(hù)平臺(tái)通過遠(yuǎn)程下發(fā)設(shè)置控制命令實(shí)現(xiàn)對(duì)前端監(jiān)測設(shè)備的參數(shù)設(shè)置及維護(hù)工作（如開關(guān)機(jī)、自檢等）；同時(shí)可以通過遠(yuǎn)程方式實(shí)現(xiàn)對(duì)二級(jí)控制中心服務(wù)器的維護(hù)管理。

4.2.4 應(yīng)用服務(wù)

應(yīng)用服務(wù)是以雷達(dá)視頻、電子海圖、光電實(shí)時(shí)視頻等為主要展現(xiàn)手段，為用戶提供應(yīng)用服務(wù)。應(yīng)用層提供的服務(wù)主要包括：目標(biāo)跟蹤、態(tài)勢顯示、視頻監(jiān)控等。

1）目標(biāo)跟蹤：系統(tǒng)可以通過雷達(dá)持續(xù)跟蹤、視頻設(shè)備持續(xù)監(jiān)控等方式對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤，通過在電子海圖上繪制目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡及實(shí)時(shí)視頻顯示等方式呈現(xiàn)給用戶。

2）態(tài)勢顯示：系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取區(qū)域內(nèi)目標(biāo)信號(hào)分布信息，并根據(jù)多系統(tǒng)綜合給出目標(biāo)的合法性，形成監(jiān)管區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)態(tài)勢，為監(jiān)管部門的行動(dòng)決策提供數(shù)據(jù)支撐。

3）視頻監(jiān)控：系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)顯示各監(jiān)控站上傳的多路視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，便于及時(shí)、有效、準(zhǔn)確的掌握監(jiān)管區(qū)域的安全態(tài)勢。

圖4.3 綜合顯示示意圖

5 總結(jié)

海岸防御對(duì)于國家安全十分重要，本文通過空海監(jiān)視雷達(dá)、VTS 雷達(dá)、光電、AIS 系統(tǒng)、ADS-B 系統(tǒng)、氣象儀等多種監(jiān)控設(shè)備實(shí)現(xiàn)近海海域和遠(yuǎn)海島礁的信息采集和集成，在海域態(tài)勢感知、海洋環(huán)境觀測信息服務(wù)等方面做出積極探索。