萊州灣海底有纜觀測(cè)網(wǎng)自適應(yīng)監(jiān)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

陳 杰，呂 斌，劉 超，劉海林

(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)

0 引 言

隨著國(guó)家海洋牧場(chǎng)研究與建設(shè)逐漸步入正軌，海底有纜在線觀測(cè)成為實(shí)現(xiàn)海洋牧場(chǎng)可測(cè)、可控和可視的重要手段[1-2]。在“十三五”期間，依托國(guó)家發(fā)改委“智慧海洋”課題，在黃渤海重點(diǎn)區(qū)域構(gòu)建了“空、天、地、海”一體化的海洋立體感知網(wǎng)。本文就是在該課題背景下，為“智慧海洋”工程子任務(wù)-萊州灣立體感知網(wǎng)建設(shè)海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。

海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)主要由接駁盒、數(shù)據(jù)采集器以及數(shù)據(jù)采集器上的傳感器構(gòu)成，從海底到海面主要通過(guò)鎧裝的光電復(fù)合纜進(jìn)行連接[3-4]。海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控系統(tǒng)(Monitoring System for Seafloor Observatory Network， SON-MS)是整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)核心和控制核心[5]。目前公開(kāi)的比較成熟的監(jiān)控系統(tǒng)主要是加拿大的維多利亞海底實(shí)驗(yàn)網(wǎng)(Victoria Experimental Network Under the Sea，VENUS)和美國(guó)提出的“海王星”海洋觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃(the North East Pacific Time-Integrated Undersea Networked Experiment，NEPTUNE)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[6-7]。用戶(hù)可以通過(guò)VENUS和NEPTUNE監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)設(shè)備進(jìn)行在線管理，也可以查看在線視頻以及傳感器等數(shù)據(jù)，但是該監(jiān)控系統(tǒng)使用文件的形式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，沒(méi)有太多涉及設(shè)備動(dòng)態(tài)管理以及數(shù)據(jù)產(chǎn)品制作方面的考慮。國(guó)內(nèi)相關(guān)研究單位也開(kāi)發(fā)了一些海底觀測(cè)網(wǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。但大多數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)都沒(méi)有考慮設(shè)備即插即用動(dòng)態(tài)管理的需求[8]。海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)期放置水下，在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過(guò)程中，SON-MS需要接收不同設(shè)備的數(shù)據(jù)格式各異的海量數(shù)據(jù)，同時(shí)也需要將指令通過(guò)光電復(fù)合纜準(zhǔn)確下發(fā)至水下設(shè)備，不同設(shè)備的數(shù)據(jù)格式不同，水下的環(huán)境也很復(fù)雜，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化的通信協(xié)議并實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的同步解析以及指令準(zhǔn)確下發(fā)等通信問(wèn)題是監(jiān)控系統(tǒng)最基本的功能需求。同時(shí)海底網(wǎng)絡(luò)涉及的儀器設(shè)備成百上千，這些設(shè)備的接口和數(shù)據(jù)格式等形式各異，如何采用可擴(kuò)展的模式，在軟件上做到即插即用，是SON-MS的另一個(gè)功能需求。最后，SON-MS還需要對(duì)數(shù)據(jù)剔除異常值，進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和數(shù)據(jù)產(chǎn)品制作等，為用戶(hù)提供數(shù)據(jù)服務(wù)，良好的數(shù)據(jù)可視化交互是SON-MS的另一技術(shù)難點(diǎn)。本文重點(diǎn)剖析上述關(guān)鍵技術(shù)及難點(diǎn)問(wèn)題，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了自適應(yīng)可擴(kuò)展開(kāi)放式的SON-MS。

1 系統(tǒng)分析

本文提出了一種SON-MS控制模型。整個(gè)模型分為4個(gè)層：傳感層感知?jiǎng)討B(tài)海洋環(huán)境信息，形成控制模型的信息基礎(chǔ)；采集層采集現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)的海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)，并在服務(wù)層以及傳感層之間轉(zhuǎn)發(fā)信息；服務(wù)層管理各種類(lèi)型的信息，并提供一組與遠(yuǎn)程控制相關(guān)的操作；應(yīng)用層是一個(gè)面向工程的層，其使用各種信息來(lái)滿(mǎn)足項(xiàng)目需求。層與層之間的功能是相對(duì)獨(dú)立的，且其間的接口均為標(biāo)準(zhǔn)接口。每個(gè)層使用相鄰底層的服務(wù)，并向其相鄰上層提供服務(wù)。

圖1所示為由控制模型衍變而來(lái)的SON-MS的體系結(jié)構(gòu)，該體系結(jié)構(gòu)包含觀測(cè)節(jié)點(diǎn)、海上平臺(tái)和SON-MS 3部分以及觀測(cè)數(shù)據(jù)流和指令流兩種類(lèi)型的信息流。綠色為數(shù)據(jù)流，主要包括觀測(cè)節(jié)點(diǎn)處傳感器獲取的數(shù)據(jù)需要按照?qǐng)D中標(biāo)記的方向?qū)訉由蟼髦罶ON-MS。紅色為指令流，SON-MS依據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)控的需求，將指令層層下發(fā)至海底的傳感器。對(duì)照控制模型以及SON-MS的體系結(jié)構(gòu)，應(yīng)用層和服務(wù)層是部署在SON-MS中，而采集層和傳感層是分布在觀測(cè)節(jié)點(diǎn)中。由該體系結(jié)構(gòu)可知，SON-MS需要與海底的儀器建立通信連接，采集水下設(shè)備的科學(xué)數(shù)據(jù)，并同時(shí)將相應(yīng)指令下發(fā)至海底設(shè)備；SON-MS還需要管理海底成百上千種的傳感器設(shè)備并對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)以及科學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；同時(shí)SON-MS需要將源數(shù)據(jù)解析成用戶(hù)可理解的數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)以及可視化管理顯示等。由圖1可知，紅色綠色所示的雙向信息流涉及的數(shù)據(jù)通信是SON-MS正常運(yùn)行的前提，觀測(cè)節(jié)點(diǎn)處涉及的設(shè)備動(dòng)態(tài)管理是海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)可擴(kuò)展的重要功能需求，數(shù)據(jù)解析處理和質(zhì)量控制并制作成數(shù)據(jù)產(chǎn)品又是SON-MS系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心需求。

圖1 SON-MS面向信息的體系結(jié)構(gòu)Figure 1 Information-oriented architecture diagram of SON-MS

2 關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)現(xiàn)

2.1 數(shù)據(jù)通信

2.1.1 C/S架構(gòu)及遠(yuǎn)程通信模式

本文為萊州灣海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)。就C/S架構(gòu)而言，對(duì)于數(shù)據(jù)流的傳遞，服務(wù)器是監(jiān)控中心運(yùn)行SON-MS的監(jiān)控電腦，客戶(hù)端是現(xiàn)場(chǎng)的科學(xué)節(jié)點(diǎn)，包含接駁盒、數(shù)據(jù)采集器以及傳感器。C/S架構(gòu)的通信形式是SON-MS與接駁盒以及數(shù)據(jù)采集器之間是傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議(Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP)網(wǎng)絡(luò)通信，而數(shù)據(jù)采集器與傳感器之間是RS232/485/422等串口通信，接駁盒與數(shù)據(jù)采集器僅有電氣連接，并無(wú)數(shù)據(jù)交互。SON-MS獲取傳感器的數(shù)據(jù)主要是借助數(shù)據(jù)采集器，數(shù)據(jù)采集器將通過(guò)串口獲取的數(shù)據(jù)打包，通過(guò)TCP/IP通信發(fā)送至SON-MS。整個(gè)系統(tǒng)的C/S架構(gòu)以及遠(yuǎn)程通信形式如圖2所示。

圖2 SON-MS的C/S架構(gòu)以及遠(yuǎn)程通信Figure 2 The C/S architecture of SON-MS and remote communication

2.1.2 雙向Socket網(wǎng)絡(luò)通信

為保證接收數(shù)據(jù)流以及發(fā)送指令流互不干擾，本文采用雙向Socket網(wǎng)絡(luò)通信、長(zhǎng)連接與短連接交替使用的通信方式。接收水下設(shè)備數(shù)據(jù)的過(guò)程中，SON-MS作為監(jiān)聽(tīng)Socket服務(wù)器，使用Socket長(zhǎng)連接通信技術(shù)，啟用不同的端口監(jiān)聽(tīng)來(lái)自接駁盒以及數(shù)據(jù)采集器的連接，并采用多線程技術(shù)，為每個(gè)水下設(shè)備建立長(zhǎng)連接，拋出數(shù)據(jù)處理線程，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效實(shí)時(shí)并發(fā)處理。指令下發(fā)的流程為：SON-MS是Socket客戶(hù)端，水下設(shè)備是Socket服務(wù)器，SON-MS需要發(fā)送指令時(shí)，主動(dòng)連接水下服務(wù)器設(shè)備，建立當(dāng)前的Socket短連接，指令發(fā)送完成并在規(guī)定的時(shí)間間隔內(nèi)收到水下服務(wù)器反饋后，斷開(kāi)該Socket短連接。整個(gè)Socket網(wǎng)絡(luò)通信流程圖如圖3所示。圖中，N為指令發(fā)送的上限次數(shù)，n為發(fā)送指令的計(jì)數(shù)，n≤N，T為單次指令下發(fā)等待反饋時(shí)間，N和T兩個(gè)參數(shù)可以依據(jù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況自定義，nT為指令下發(fā)完之后等待指令反饋成功的時(shí)間間隔。

圖3 雙向Socket網(wǎng)絡(luò)通信流程圖Figure 3 Flow chart of bi-directional Socket network communication

2.1.3 數(shù)據(jù)流通信協(xié)議

海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)期在海底工作，源源不斷地產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)流無(wú)時(shí)無(wú)刻不在運(yùn)行之中。海底不同傳感器采集的數(shù)據(jù)在協(xié)議格式和采集時(shí)間間隔等方面存在較大差異，大大增加了后續(xù)數(shù)據(jù)傳輸和處理的難度。因此，本文設(shè)計(jì)了一種傳輸主干網(wǎng)應(yīng)用層自定義通信協(xié)議，將數(shù)據(jù)采集器采集的無(wú)規(guī)律、協(xié)議形式各異的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行有序封裝，封裝完成后的數(shù)據(jù)包將是格式統(tǒng)一的協(xié)議幀。該協(xié)議同時(shí)是后期設(shè)備實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)管理的基礎(chǔ)。

該自定義協(xié)議主要由包頭、包體、校驗(yàn)位以及固定結(jié)束符組成。其中包頭的長(zhǎng)度是固定的；不同傳感器發(fā)送的原始數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度是不定的，數(shù)據(jù)包體的長(zhǎng)度是不固定的；校驗(yàn)位放在包體后面，采用循環(huán)冗余校驗(yàn)(Cyclic Redundancy Check，CRC)，長(zhǎng)度固定為4個(gè)字節(jié)；最后為了便于整個(gè)協(xié)議的程序解析處理粘包等特殊問(wèn)題，協(xié)議最后加上固定一個(gè)字節(jié)長(zhǎng)度的結(jié)束符。固定長(zhǎng)度的包頭主要由同步頭、數(shù)據(jù)采集器編號(hào)、協(xié)議類(lèi)型、時(shí)間信息和包編號(hào)等信息組成。包體主要是傳感器等設(shè)備通過(guò)串口發(fā)送給數(shù)據(jù)采集器的原始數(shù)據(jù)包，每個(gè)傳感器所發(fā)送的數(shù)據(jù)包不同，根據(jù)每個(gè)傳感器具體的協(xié)議來(lái)進(jìn)行。校驗(yàn)位為包頭部分、包體部分以及結(jié)束符的CRC32校驗(yàn)。固定結(jié)束符一般采用固定“#”作為協(xié)議的結(jié)束標(biāo)志。

2.2 設(shè)備動(dòng)態(tài)管理

海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，不可避免會(huì)遇到傳感器設(shè)備的增刪改等問(wèn)題，具體來(lái)說(shuō)就是新增某類(lèi)傳感器、刪除傳感器或者傳感器變更接口等需求。當(dāng)遇到此類(lèi)需求時(shí)，可采用重寫(xiě)SON-MS代碼的方式來(lái)進(jìn)行設(shè)備變更與數(shù)據(jù)解析顯示的一致性，但是這種方式顯然費(fèi)時(shí)費(fèi)力且不利于動(dòng)態(tài)擴(kuò)展，因此，基于前面的數(shù)據(jù)流通信協(xié)議，本文設(shè)計(jì)了一種全新的設(shè)備動(dòng)態(tài)管理算法，使SON-MS能快速適應(yīng)傳感器變更接口或者增刪改傳感器的變化。

SON-MS首先建立水下傳感器設(shè)備的元數(shù)據(jù)表格以及體現(xiàn)水下傳感器與其他節(jié)點(diǎn)映射關(guān)系的動(dòng)態(tài)配置表格。水下設(shè)備元數(shù)據(jù)表格的屬性主要包括對(duì)傳感器設(shè)備的設(shè)備名稱(chēng)、設(shè)備編碼、電氣參數(shù)、接口形式和協(xié)議包的正則表達(dá)式等傳感器基本信息。對(duì)于傳感器某一基本信息的維護(hù)主要通過(guò)元數(shù)據(jù)表格的維護(hù)來(lái)完成。動(dòng)態(tài)配置表格存儲(chǔ)體現(xiàn)的是海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)關(guān)系的信息，通過(guò)動(dòng)態(tài)配置表格能清晰獲取設(shè)備所屬的數(shù)據(jù)采集器，采集器所屬的接駁盒等信息，動(dòng)態(tài)配置表格維護(hù)的是海底網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆成潢P(guān)系。圖4所示為設(shè)備動(dòng)態(tài)管理的映射關(guān)系圖，由圖可知，在動(dòng)態(tài)配置表格中可以找出存在唯一映射關(guān)系數(shù)據(jù)采集器的實(shí)際物理接口，由前述數(shù)據(jù)流通信協(xié)議可知，協(xié)議中的采集器編號(hào)與端口編號(hào)可以唯一地確定出實(shí)際的物理接口，而實(shí)際物理接口在滿(mǎn)足電氣參數(shù)以及接口形式條件時(shí)，可以接設(shè)備列表中的任意一個(gè)設(shè)備，即物理com接口與所接設(shè)備不存在唯一確定的映射關(guān)系。當(dāng)圖4中多對(duì)多的映射關(guān)系改變時(shí)，動(dòng)態(tài)配置表格也會(huì)隨之改變，由此可以確定出com接口與所接傳感器設(shè)備的確定映射關(guān)系。程序按照?qǐng)D5所示的算法流程就能在水下設(shè)備元數(shù)據(jù)表格中唯一確定出所接的水下設(shè)備的編號(hào)，然后依據(jù)該水下設(shè)備編號(hào)在元數(shù)據(jù)表格中就能找出協(xié)議包的正則表達(dá)式，利用正則表達(dá)式便能解析出數(shù)據(jù)。如果需要新增某類(lèi)傳感器，直接在水下設(shè)備元數(shù)據(jù)表格中進(jìn)行相應(yīng)屬性的維護(hù)，同樣新增傳感器所接的com接口則體現(xiàn)在動(dòng)態(tài)配置表格中。

圖4 設(shè)備動(dòng)態(tài)管理圖Figure 4 Diagram of equipment dynamic management

圖5 設(shè)備動(dòng)態(tài)管理算法流程圖Figure 5 Flow chart of equipment dynamic management algorithm

2.3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制

海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)能為用戶(hù)提供長(zhǎng)時(shí)間和大范圍的數(shù)據(jù)服務(wù)。科學(xué)數(shù)據(jù)的獲取主要是通過(guò)海底連接的傳感器獲得的，傳感器在長(zhǎng)時(shí)間獲取數(shù)據(jù)時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)由于干擾帶來(lái)的異常數(shù)值。因此，數(shù)據(jù)質(zhì)量控制主要研究如何在保留數(shù)據(jù)有效性的同時(shí)剔除掉異常數(shù)據(jù)。

本文采用一種改進(jìn)的53H算法。其步驟如下：

(1) 設(shè)x(i)為獲得的傳感器數(shù)據(jù)序列，該序列共有m個(gè)數(shù)值。為從x(i)構(gòu)造一個(gè)新序列x1(i)，方法是取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)。

(2) 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)。

(3) 最后由序列x2(i)按如下方式構(gòu)成x3(i)

(4)如果有下式成立，則用x3(i)代替x(i)，

式中，k為一預(yù)定值。

由運(yùn)算步驟可知，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)。

(5)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(m-8),x(m),x(m-1),x(m-2),x(m-3),x(m-4),x(m-5),x(m-6),x(m-7)。

(6)對(duì)x′(i)序列重復(fù)前4步，形成新的x3′(i)序列，用新序列中的x3′(5)，x3′(6)，x3′(7)，x3′(8)，x3′(m-7)，x3′(m-6)，x3′(m-5)和x3′(m-4)分別替代x(4)，x(3)，x(2)，x(1)，x(m)，x(m-1)，x(m-2)和x(m-3)。

3 系統(tǒng)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)場(chǎng)景

本項(xiàng)目圍繞國(guó)家“智慧海洋”工程建設(shè)的總體要求以及山東省的具體需求，在山東黃渤海重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行海洋立體感知網(wǎng)工程建設(shè)，海底觀測(cè)網(wǎng)作為立體感知網(wǎng)的重要組成部分，布放選取在萊州灣藍(lán)色海洋牧場(chǎng)，為牧場(chǎng)保駕護(hù)航，形成智慧海洋示范。該觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)于2021年8月成功布放，現(xiàn)已成功運(yùn)行近3個(gè)多月，布放海試圖如圖6所示，萊州灣海洋牧場(chǎng)海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成圖如圖7所示。

圖6 萊州灣海洋牧場(chǎng)海試Figure 6 Marine test of marine pasture in Laizhou Bay

圖7 萊州灣海洋牧場(chǎng)海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)Figure 7 Submarine observation network of marine pastures in Laizhou Bay

3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

萊州灣海洋牧場(chǎng)海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)自2021年8月布放以來(lái)，現(xiàn)已成功運(yùn)行近3個(gè)月。SON-MS作為整個(gè)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，在實(shí)時(shí)觀測(cè)傳感器控制和數(shù)據(jù)采集方面發(fā)揮了重要作用。SON-MS在觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)連續(xù)3個(gè)多月的運(yùn)行期間獲得了大量的溶解氧、CTD、葉綠素和濁度等海洋科學(xué)數(shù)據(jù)。SON-MS狀態(tài)信息顯示主界面如圖8所示。SON-MS解決了本文設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，具體如下：

圖8 SON-MS狀態(tài)信息顯示主界面Figure 8 The main interface for displaying SON-MS status information

(1) SON-MS具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)通信能力

萊州灣海洋牧場(chǎng)海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)中的接駁盒、數(shù)據(jù)采集器、傳感器以及水下視頻已穩(wěn)定運(yùn)行近3個(gè)月，接駁盒、數(shù)據(jù)采集器以及傳感器獲得有效數(shù)據(jù)674 966條，數(shù)據(jù)接收成功率高達(dá)99%以上；下發(fā)指令110條，成功次數(shù)108次，指令成功率達(dá)98.2%。獲取的典型傳感器CTD曲線如圖9～10所示。CTD傳感器鹽度數(shù)值在海洋環(huán)境穩(wěn)定情況下，測(cè)量值基本趨于穩(wěn)定；海洋環(huán)境變化，比如漲潮落潮時(shí)，測(cè)量的深度值能夠靈活有效反應(yīng)不同海洋環(huán)境變換。數(shù)據(jù)丟包率和指令執(zhí)行成功率等性能指標(biāo)說(shuō)明SON-MS符合工作穩(wěn)定性以及適應(yīng)性的要求，采用的自定義數(shù)據(jù)流通信協(xié)議、雙向Socket網(wǎng)絡(luò)通信以及長(zhǎng)短連接結(jié)合的通信機(jī)制能夠保證數(shù)據(jù)通信的可靠性和穩(wěn)定性。

圖9 CTD傳感器深度曲線Figure 9 Depth curve of CTD sensor

圖10 CTD傳感器鹽度曲線Figure 10 Salinity curve of CTD sensor

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

SON-MS設(shè)備動(dòng)態(tài)管理的主界面如圖11所示，最左側(cè)顯示的是海底網(wǎng)絡(luò)的樹(shù)形拓?fù)潢P(guān)系，如果需要在拓?fù)潢P(guān)系中對(duì)設(shè)備進(jìn)行增刪改等動(dòng)態(tài)管理，只需要鼠標(biāo)右鍵列出相應(yīng)的菜單選項(xiàng)，這樣設(shè)備的動(dòng)態(tài)管理只需要在軟件界面進(jìn)行維護(hù)，而無(wú)需后臺(tái)更改代碼，形式靈活，常規(guī)的配置可以在2 min內(nèi)完成，配置完成之后，SON-MS程序后臺(tái)便能按照動(dòng)態(tài)管理算法解析出數(shù)據(jù)。

圖11 設(shè)備動(dòng)態(tài)管理主界面Figure 11 Interface of equipment dynamic management

(3) SON-MS具有較高的數(shù)據(jù)質(zhì)量

以海洋牧場(chǎng)中較為關(guān)心的溶解氧采集到的頻率為例，如表1所示，未進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量控制時(shí)異常記錄有42個(gè)，進(jìn)行質(zhì)量控制之后異常數(shù)據(jù)降低為3個(gè)，異常值的剔除率達(dá)到93%。圖12所示為溶解氧頻率數(shù)據(jù)曲線對(duì)比圖。由圖可知，數(shù)據(jù)質(zhì)量控制算法在保留原始數(shù)據(jù)曲線特性的基礎(chǔ)上，對(duì)原始頻率曲線進(jìn)行了有效平滑，而且剔除了具有明顯錯(cuò)誤的異常值。

表1 萊州灣遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)傳感器數(shù)據(jù)錯(cuò)誤率分析

圖12 溶解氧頻率數(shù)據(jù)曲線對(duì)比圖Figure 12 Comparison of dissolved oxygen frequency data curves

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了SON-MS的系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及開(kāi)發(fā)進(jìn)展，并介紹了SON-MS在萊州灣海洋牧場(chǎng)觀測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用。本文分析了SON-MS需求，建立海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)的控制體系結(jié)構(gòu)，通過(guò)體系結(jié)構(gòu)梳理出整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)通信、設(shè)備管理以及數(shù)據(jù)質(zhì)量控制3個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，并給出了具體的實(shí)現(xiàn)算法。雖然本文描述的技術(shù)各個(gè)部分并不一定是新的，但整個(gè)系統(tǒng)是架構(gòu)、遠(yuǎn)程通信、接駁盒、數(shù)據(jù)采集器、傳感器設(shè)備接口、網(wǎng)絡(luò)配置、控制和面向?qū)ο缶幊痰木C合體，SON-MS是連接用戶(hù)與海底設(shè)備的紐帶，也是觀測(cè)能夠順利進(jìn)行的保障。

此外，本文提出的方法可以為海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)提供有益參考，像海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備動(dòng)態(tài)管理方法也可以擴(kuò)展到其他原位海洋觀測(cè)傳感器系統(tǒng)中。在未來(lái)的一些升級(jí)中，本文的設(shè)備動(dòng)態(tài)管理方法在滿(mǎn)足傳感器電氣接口等物理要求下，軟件上可以做到即插即用。