一種多功能海上臺風(fēng)預警和搜救系統的研究

　　隨著(zhù)海洋事業(yè)的不斷向前發(fā)展，海上臺風(fēng)預警和搜救問(wèn)題已越來(lái)越成為急需解決的問(wèn)題，目前最常用的無(wú)線(xiàn)數據網(wǎng)絡(luò )有GPRS或CDMA11x。無(wú)論是CDMA11x還是GPRS網(wǎng)絡(luò )，其上行帶寬均在100kbps以下，監控畫(huà)面的圖像格式要求在320×240以上。通常情況下傳輸的是一幅幅采集時(shí)間間隔為幾秒的圖像，圖像連續性差，還無(wú)法傳輸實(shí)時(shí)連貫的畫(huà)面。即使傳輸QCIF格式的連續視頻畫(huà)面也要通過(guò)多路捆綁才能實(shí)現。因此系統終端和后臺監控系統只通過(guò)短消息等方式實(shí)現通信聯(lián)系，有限的數據傳輸制約了終端功能的擴展，無(wú)法解決無(wú)線(xiàn)視頻傳輸所需移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )的帶寬瓶頸問(wèn)題，從而導致對海上臺風(fēng)預警和搜救始終不能普及。為此，本文設計了一種基于GPS/3G/GIS的多功能臺風(fēng)預警和搜救系統。

1　系統總體設計

　　系統整體結構如圖1所示。

　　1.1 終端適配層

　　包括高速攝像頭、打印機和傳感器等可擴展的外部設備。

　　1.2 終端執行層

　　即船舶移動(dòng)終端，是系統的基礎，主要完成視頻監控功能及GPS定位數據、報警信息和服務(wù)請求信息的采集、傳送及監控中心控制、配置命令的接收和執行等。

　　1.3 通信層

　　通信層是整個(gè)系統的溝通核心，實(shí)現每個(gè)移動(dòng)船舶的位置信息、狀態(tài)信息、報警信息向中心的發(fā)送以及中心向移動(dòng)船舶發(fā)送指示、控制命令的發(fā)送。

　　1.4 管理監控層

　　管理監控層是系統的門(mén)戶(hù)，其內部通過(guò)千兆局域網(wǎng)將通信服務(wù)器、數據庫服務(wù)器和監控臺互連，實(shí)時(shí)接收處理來(lái)自受控船舶的各種信息，并提供友好的人機界面。監管中心系統包括通信接口、GIS地理信息模塊、中心數據庫服務(wù)、電子地圖數據等多個(gè)子系統。監控層的功能主要有電子地圖的顯示和操作、船舶跟蹤顯示、船舶數據查詢(xún)、船舶數據管理等。

2　系統軟硬件方案設計

　　2.1 硬件設計

　　系統終端硬件采用嵌入式開(kāi)發(fā)平臺，主要模塊有處理器，3G通信模塊，GPS信號接受模塊，手柄控制模塊，液晶顯示模塊，攝像頭，電源模塊，存儲模塊等組成。在處理器的選擇上，采用ARM芯片，它強大的運算速度和數據處理能力以及便于進(jìn)行嵌入式系統開(kāi)發(fā)，能夠對視頻等信息進(jìn)行處理。

　　同時(shí)，支持同步錄音功能。視頻編碼模塊采用基于H1264標準的編碼設備，為嵌入式結構，具備延時(shí)少、體積小、可靠性高等特點(diǎn)。傳輸模塊負責將經(jīng)過(guò)編碼的數據發(fā)送出去。一張3G卡對應一路通道，根據數據量大小，可分別采用單路或多路捆綁方式發(fā)送。數據以無(wú)線(xiàn)方式發(fā)出后，經(jīng)移動(dòng)通信基站進(jìn)入3G網(wǎng)絡(luò )，并進(jìn)一步通過(guò)公網(wǎng)傳輸至該系統監控中心局域網(wǎng)內。其結構如圖2所示。

　　2.2 軟件設計

　　由于嵌入式系統的硬件資源有限，因此嵌入式Linux操作系統都是針對具體的應用通過(guò)配置linux內核和嵌入式C庫定制的，使得整個(gè)系統能夠存放到容量較小的Flash中。事實(shí)上，Linux的動(dòng)態(tài)模塊加載，使Linux的裁減極為方便，高度模塊化的部件使添加也非常容易?；诖?，在筆者實(shí)現的平臺上，使用的操作系統是對Linux進(jìn)行了定制的RTlinux。

　　上行數據主要是系統終端向管理監控中心傳輸數據，主要信息有船舶的實(shí)時(shí)位置、速度、狀態(tài)、周?chē)h(huán)境數據和報警數據等；下行數據是由監控中心向船舶終端傳輸的數據，主要為指揮信息、指令信息等。因為上下行數據內容及數據量有很大的不同，因此采用不同封裝格式以迅速地區分出信息類(lèi)型，從而提高系統通信效率。按通信協(xié)議封裝的數據利用3G網(wǎng)絡(luò )發(fā)給通信服務(wù)器，通信服務(wù)器軟件，通過(guò)接口獲取數據包，判斷數據的合法性，若是合法數據則進(jìn)行協(xié)議解析，提取船舶的GPS定位數據或報警數據等，如若不合法則丟棄。合法數據中的屬于報警信息和緊急故障信息需要優(yōu)先處理，給出警報信號，其他的狀態(tài)和回復信息通過(guò)數據庫操作提交到后臺數據庫中，GIS地理信息模塊定時(shí)地從數據庫讀取經(jīng)緯度數據進(jìn)行坐標轉換和投影變換后，將其轉換到電子地圖所采用的平面坐標系統中的坐標，然后在電子地圖上實(shí)時(shí)顯示船舶狀態(tài)?？蛻?hù)端應用軟件將獲得的命令信息和調度信息發(fā)送給通信服務(wù)器，通信服務(wù)器遵循統客戶(hù)端各模塊通信協(xié)議進(jìn)行協(xié)議解析，判斷數據合法性之后，合法數據按下行數據格式組幀打包后經(jīng)3G網(wǎng)絡(luò )發(fā)往移動(dòng)終端，終端接收并解析數據包，做出響應。監控終端和監控中心服務(wù)通信實(shí)現后，監控中心的監控軟件即可在此基礎上利用GIS地理信息模塊實(shí)現船舶的動(dòng)態(tài)跟蹤及其他應用如軌跡回放、地圖操作等。

　　船舶的動(dòng)態(tài)顯示需要用到ARCMAP的動(dòng)態(tài)圖層來(lái)實(shí)現，這樣可以加快繪圖顯示速度。船舶用點(diǎn)圖元來(lái)表示，點(diǎn)圖元在地圖中的位置就是GPS定位的經(jīng)緯度數據，根據GPS接收數據的頻率來(lái)實(shí)時(shí)刷新該圖層，就達到了船舶的實(shí)時(shí)定位了。移動(dòng)終端每隔幾秒獲取船舶的經(jīng)緯度數據，刷新動(dòng)態(tài)圖層即可在屏幕上可以看到船舶實(shí)時(shí)顯示。

3　后臺監控設計

　　根據系統設計要求和目前GIS系統開(kāi)發(fā)的趨勢，該系統采用的是組件式GIS和萬(wàn)維網(wǎng)GIS（Web2GIS）結合的開(kāi)發(fā)模式，因為組件式GIS基于標準的組件式平臺，各個(gè)組件之間不僅可以進(jìn)行自由、靈活的重組，而且具有可視化的界面和使用方便的標準接口，支持ActiveX規范；具有高效無(wú)縫的系統集成、無(wú)須專(zhuān)門(mén)GIS開(kāi)發(fā)語(yǔ)言、大眾化的GIS、成本低等特點(diǎn)；對于WebGIS來(lái)講，從WWW的任意一個(gè)節點(diǎn)，Internet用戶(hù)可以瀏覽萬(wàn)維網(wǎng)GIS站點(diǎn)中的空間數據、制作專(zhuān)題圖，以及進(jìn)行各種空間檢索和空間分析等。采用目前成熟的C/S和B/S結合的網(wǎng)絡(luò )計算機模式，利用C#開(kāi)發(fā)語(yǔ)言、使用GIS組件在WindowsXP的網(wǎng)絡(luò )操作系統中完成該系統的開(kāi)發(fā)。

4　差分GPS定位技術(shù)

　　為了提高GPS定位精確度，采用GPSRTK（Real2Time2Kinematic）技術(shù)，RTK技術(shù)是GPS實(shí)時(shí)載波相位差分的簡(jiǎn)稱(chēng)，是實(shí)時(shí)處理2個(gè)測站載波相位觀(guān)測量的差分方法。這是一種將GPS與數傳技術(shù)相結合，實(shí)時(shí)解算并進(jìn)行數據處理，在短時(shí)間內得到高精度位置信息的技術(shù)。載波相位差分可使定位精度達到厘米級。它的工作原理是將一臺接收機置于基準站上，另一臺或幾臺接收機置于載體（稱(chēng)為流動(dòng)站）上，基準站和流動(dòng)站同時(shí)接收同一時(shí)間、同一GPS衛星發(fā)射的信號，基準站所獲得的觀(guān)測值與己知位置信息進(jìn)行比較，得到GPS差分改正值。然后將這個(gè)改正值通過(guò)無(wú)線(xiàn)電數據鏈電臺及時(shí)傳遞給衛星的流動(dòng)站精化其GPS觀(guān)測值，從而得到經(jīng)差分改正后流動(dòng)站較準確的實(shí)時(shí)位置。

　　GPS海上定位時(shí)，可能會(huì )出現GPS信號中斷的情況，根據船舶的航道和方向進(jìn)行線(xiàn)性插值數據補償，在當前行使方向上用線(xiàn)性插值預測的方法，直到接收到正確的GPS數據點(diǎn)為止。同時(shí)，在終端安裝軟件Agent,利用Agent的自治性、社會(huì )性、反應性和主動(dòng)性，通過(guò)傳感器感知環(huán)境并通過(guò)效應器作用于環(huán)境，對中斷的信號進(jìn)行學(xué)習推理，作出合理準確的推斷。

5　結語(yǔ)

　　本文結合監控系統通信方式的現狀設計了一種基于3G的臺風(fēng)預警和搜救系統。系統采用3G無(wú)線(xiàn)通信，解決了傳統通信方式監控系統的傳輸速度慢、可靠性低等問(wèn)題。其終端的視頻監控功能更加適應現代化交通管理中多變的信息采集環(huán)境，在監控領(lǐng)域有很強的推廣性。隨著(zhù)315G、3175G甚至4G網(wǎng)絡(luò )技術(shù)逐步深入研究與試用，系統不斷向著(zhù)實(shí)時(shí)視頻通信方向發(fā)展，其應用前景將更為廣闊。