海底有缆观测站数据采集、管理系统设计与海底运行验证

高世阳，李智刚，孙 凯

（1.海军装备部驻天津地区防救军事代表室，天津 300042；2.中国科学院沈阳自动化研究所，辽宁 沈阳 11006）

海底有缆观测站数据采集、管理系统设计与海底运行验证

高世阳1，李智刚2，孙 凯2

（1.海军装备部驻天津地区防救军事代表室，天津 300042；2.中国科学院沈阳自动化研究所，辽宁 沈阳 11006）

文中设计了一套用于海底观测网的信息采集系统。提出了一种基于事件触发和定时驱动相结合的通过光网传送IP包的信息监控系统运行机制；提出了由岸站监控中心层、光传输主干层、海洋数据采集层组成的监控和信息采集监控系统总体构架；设计了通讯控制策略及自定义的通讯协议。采用该信息采集系统的海底观测网在试验海域进行了海底布放。经过8个月的海底连续运行，数据采集系统运行稳定，能够正确地采集海洋传感器和自身系统运行数据。

海底观测网；信息采集监控；通信设计；海底连续运行

海洋覆盖了地球超过70%的表面积，但是到目前为止，人们对于地球系统构成的认知还很有限。很大程度上由于人类活动的缘故，大洋气候、环流、化学成分已经发生改变，海洋生物正在以惊人的速度减少。所以，通过科学手段，增加人们对于海洋环境现状的认知，对于海洋保护及人类自身都十分重要[1]。作为一种全新的海洋研究手段，海洋有缆实时观测将使我们对海洋的认知手段发生革命性的变化[2-4]。海底观测网是一种典型的海洋有缆实时有缆观测系统。与浮标和船基观测相比，海底观测网因其能够连续、实时、近距离的观察和采集海洋生态数据，成为目前海洋科学研究的热点[5]。海洋科学正在从“考察”进入“观测”的新时期。海底观测系统作为继地面、洋面和空间之后观测地球系统的第三个平台，将为海洋各个领域开启学科发展的新途径[6]。世界海底观测网技术发展迅速，美国、加拿大、欧洲、日本等均已建成自己的海底观测网。其中最著名的是海王星 (North-East Pacific Time-Series Undersea Networked Experiment，NEPTUNE)，即“东北太平洋连续记录海底试验网”。我国海底观测网发展较晚，本文设计并实现的信息采集系统实现了水下摄像体系、ADCP、水质仪、热感应仪、声通讯机等海洋观测设备数据的实时采集；实现了岸基站对水下观测系统运行状态的实时监控。

1 海洋信息采集、监控系统总体设计

如图1所示，海底观测示范网信息采集、监控系统为三个层次，分别是陆地综合信息处理层、信息传输主干层、海洋信息获取层。陆地综合信息获取层运行于岸站内，信息传输主干层和海洋信息获取层运行于海底主接驳盒和次级接驳盒内。基于水下接驳技术来完成电能和信息集中、转换、处理的装置，称为接驳盒[7]。接驳盒内有密封耐压舱体，通过水密接插件传输电能和数据。图1（a）所示为南海观测示范网主接驳盒，图1（b）所示为次级接驳盒。

陆地综合信息处理层包括互联网管理单元、观测网管理单元。互联网管理单元的功能是接收并处理通过换联网接入的远程指令、请求及其他数据服务，如下载某些海洋数据，在线观看海底影像等；观测网管理单元的功能是实时监控海底观测网各个分系统的运行状态信息，如某一功能或结构单元的输入电压、运行电流、温度、绝缘情况等。观测网管理单元的另一个重要功能是和信息传输主干层及海洋信息获取层进行实时双向通讯，将海洋数据采集到岸站或者向下发出指令。信息传输主干层和海洋信息获取层所有电子元件均装载于主接驳盒和次级接驳盒的电子舱内。

图1 接驳盒实物图

信息传输主干层贯穿岸站及主、次接驳盒，以光纤作为传输介质，应用Ethernet IP技术、自定义通讯协议等技术手段，搭建信息传输的主干道[8]。海洋信息获取层由各种物理、化学等传感器组成，应用各种自定义不同的数据接口协议获取传感器数据。

图2 海洋信息采集、监控系统总体结构

按照图2信息采集、监控系统总体设计，海底观测示范网采用如图3的组成实现系统功能。岸站包括刀片式服务器、防火墙、瘦客户服务器、系统监控计算机、海洋数据可视化显示系统组成，实现陆地综合信息处理层的功能；信息传输主干层包括光以太网交换机、视频以太网服务器、串口以太网服务器、数据处理逻辑控制器和自行研制的系统运行状态检测板。海洋信息获取层包含主要包含各种海洋物理、海洋化学、海洋图像传感器。南海海底观测网示范网安装了ADCP、水质仪、热感应仪、声学设备等海洋传感器[9]。

图3 海底观测示范网信息系统组成图

2 陆地综合信息处理层设计

陆地综合信息处理层是海底观测网的信息管理系统和安全监控系统。信息管理主要包括视频图像、海洋观测仪器数据、系统运行状态数据的分类、存储、更新及发布。信息安全主要包括网络访问权限管理、数据访问管理、数据下载管理等。在刀片式服务器内建立Oracle Server数据库，存储的数据类型包括视频格式.avr，.mpeg4，音频格式wma，mp3，数据格式包括mat，dat等[10]。图4所示为南海海底观测网综合信息监控站画面。图5为综合信息存储站-刀片式服务器。

3 信息传输主干层设计

3.1 信息传输主干层通讯构架及协议

信息传输主干层主要运行于接驳盒的电子舱内。电子舱是密闭的结构体，材料为不锈钢316。电子舱与舱外通过水密接插件进行电能和信息的传输。电子舱如图6所示。

图4 综合信息监控站运行画面

图5 刀片式服务器

图6 接驳盒内电子能

海底观测网信息传输系统在路径上分为干路和支路。干路以光纤作为信息传输介质，传输数据量峰值可达1 Gbps[11-12]；支路以网线作为传输介质，数据带宽为100 Mbps/10 Mbps自适应。干路通讯管理及传输设备为光以太网交换机；支路通讯传输设备为以太网控制器和串口/以太网转换器。以太网控制器连接串口/以太网转换器和系统运行状态检测板，串口/以太网转换器连接物理、化学海洋数据观测设备。图7所示为传输主干层架构。

通讯协议采用OSI开放式系统互联7层协议。协议结构如图8所示。最顶层的应用层设计了自定义的数据结构，用来完成海底观测网特定的数据服务[12]。

图7 传输主干层架构图

图8 海底观测网通信协议

3.2 信息传输主干层通讯策略

考虑到海底观测网的实际应用需求，海底观测网主干层通讯采用基于事件触发和定时触发相结合的通讯策略。基于事件触发策略主要用于监控海底观测网自身运行的状态，比如检测系统的输入电压、电流、功率，检测整个供电系统的安全状况，如绝缘、漏水检测、温度检测等。当有某一指标超过安全值时，就形成一个“事件”，该事件便会触发观测网信息采集、监控系统应激反应，进行故障隔离和恢复。对于来自internet的数据下载请求等事件也是通过事件触发机制进行相应；定时触发的通讯策略主要用于海洋数据的采集、更新数据库及监控系统数据、存储海洋数据等功能。海洋数据主要由传感器进行采集，如何获取有效时间间隔的海洋数据是海洋观测根本需要。南海海底观测示范网的所有海洋数据的时间间隔均不超过100 ms，可以满足海洋科学家获得“长期、连续”海洋数据的需求。通讯策略示意图如图9所示。

图9 通讯策略示意图

3.3 自定义数据结构

在OSI开放式系统互联7层协议的应用层，根据海底观测网数据通讯的需要及海洋观测设备的特点，设计了自定义的数据结构进行信息传输。从图10可以看出，自定义数据结构在海底观测网信息采集系统的三层构架中均有出现。

图10 自定义数据结构使用情况图

陆地综合信息处理层的一个重要功能是显示系统运行状态。通讯主干层通过UDP协议将系统运行状态信息包含于自定义格式数据保内，图11所示以陆地综合信息处理层为例说明该层的自定义数据结构形式。

图11 自定义数据格式示例

4 海洋信息获取层通信设计

海洋信息获取层通信设计包括两部分，一是如何获取海洋信息，二是获取海洋信息之后如何处置。在获取海洋信息方面，由于海洋观测设备复杂多样，每种观测设备数据类型和格式不尽相同。以南海海底观测网为例，海洋观测设备的数据类型包括RS232，RS485，RS422，PAL制式视频等。为了便于获取数据及统一管理，海底观测网全网采用统一的数据格式，即以太网格式。为此，系统采用了串口/以太网数据转换器和视频编码器，将不同类型数据统一转换为以太网数据，为每一个海洋信息采集设备分配唯一的IP地址及MAC地址，统一采用UDP协议进行通信。在陆地综合信息处理层，为方便研究人员应用海洋数据，又将以太网数据类型转换为.dat，.avi，.mpeg4等类型，进行存储及提供下载服务。

图12 本系统安装的部分海洋观测设备

5 系统海底实际布放及连续运行检验

采用本文设计的海洋信息采集、监控系统的海底观测网已于2013年5月份铺设于我国海域并经过了6个月的连续运行检验。运行结果表明，海底观测示范网信息采集、监控系统实现了设计目标的要求，具体如下：

信息采集监控系统能够实时监控海底观测网系统运行状态，能够通过信息采集监控系统遥控海底接驳盒内继电器、开关等动作；信息采集监控系统能够实时采集海底物理、化学数据并在陆地综合信息处理层实时显示；信息采集监控系统能够存储海洋数据及海底观测网自身运行状态数据。图13为主播接驳盒南海布放，图14为岸上监控室监控计算机主界面。图15为海洋观测设备（水质仪）的数据实时显示画面。

图13 主接驳盒海上布放照片

图14 海底观测网监控系统界面

图15 水质仪数据实时显示窗口

6 结束语

海底观测示范网实现了能源供给系统、信息管理系统、电能传输、接驳盒技术等观测网最小系统设计及实现；实现了海洋观测设备的入网及数据传输；实现了系统的海上布放、维护等施工作业过程。经过从海底布放到如今的连续运行检验，本文所研究的信息采集监控系统运行现状良好，完成了监控、保护观测网系统自身和构建信息传输管理通道的要求。

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Design and Operational Testing of the Data Acquisition and Management System of Seafloor Cabled Observatories

GAO Shi-yang1,LI Zhi-gang2,SUN Kai2
1.Military Representative Office of Navy Equipment Department of Salvage in Tianjin Area,Tianjin 300042,China; 2.Shenyang Institute of Automation,Shenyang 110016,Liaoning Province,China

A set of information acquisition and monitoring system is designed for seafloor observatory network, and a kind of monitoring system and its operational mechanism are presented in this paper,which transmits IP packets through optical network based on the combination of event-triggered and timing-driven devices.In addition,the overall framework of the monitoring and control system is put forward,which is composed of the shore station control center layer,the optical transmission backbone layer,and the marine data acquisition layer. This paper also designs the communication control strategies and custom communication protocols.The seafloor observatory network with this information acquisition and monitoring system has been placed on the seabed in the experimental sea area.After 8 months of continuous operation under the sea,this system has been running in a stable state,capable of correctly collecting data both of marine sensors and its systems.

seafloor observatory network,information acquisition and monitoring,communication design, continuous seafloor operation

P715

A

1003-2029（2017）03-0034-06

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.03.007

2017-05-30

高世阳（1979-），男，硕士，工程师，主要研究方向为海洋技术。E-mail：zhangzhenvip2011@sina.com