基于北斗卫星的远海船舶气象播报系统设计及应用
2018-03-01任蔓延胡知斌仇文峰
任蔓延,胡知斌,仇文峰
(中交疏浚技术装备国家工程研究中心有限公司,上海 201208)
0 引言
我国远海由于复杂的海洋环境加之多变的气候条件给远海施工船舶的航行安全带来了巨大的挑战。确保船舶及人员的海上安全是航海人的职责,航海人应充分了解和掌握海域气象条件,在各种气象条件下保证海上船舶及人员安全[1]。
远海工程的实施,离不开对温度、波浪、潮位、风速、风向、流速及流向等气象要素的监测。为了更好的促进远海开发建设,保障远海施工船舶的航行安全,需要获取准确的气象信息资料[2]。
目前,我国已初步形成了一定的海洋站监测网络,大部分为沿海海洋气象观测台站,远海海洋观测站部署数量少、分布也不尽合理,监测范围有限,同时还存在着观测点设置、观测手段和方法不同,数据的间隔一般比较长,观测频率比较低,数据量较少,且大多的观测站数据不能实时传输等方面的问题,难以满足远海工程的设计、施工要求[3-4]。因此,如何建立同时采集多种数据、实时传输发布的远海海洋气象系统,成为推进远海工程实施的关键。
1 系统设计
3G/4G网络不能够有效的覆盖远海区域,船舶获取气象信息依赖于北斗卫星系统[5]。基于北斗卫星的远海船舶气象播报系统[6]主要分为以下5个部分:船端气象系统、岸端气象系统、ArcGIS服务、Web服务以及数据误差订正模型。系统拓补结构如图1。
图1 系统拓扑图Fig.1 System topology diagram
船端系统采集气象数据(温度、湿度、风速、风向和气压)和位置数据,通过船端北斗单卡机发送至岸端北斗多卡机[7-8],多卡机接收到气象数据并存储。气象数值误差订正模型基于欧洲中期天气预报中心要素和气象仪数据,利用绝对误差订正方法对气象预报数据进行误差订正。船端通过北斗单卡机定时向岸端请求气象预报数据以及其它船舶气象数据,岸端北斗多卡机接收到请求后会将气象预报数据和其它船舶气象数据通过多卡机发送至目标船。本系统选择12个固定点进行气象预报。
1.1 船端系统
船端系统,硬件部分主要由船载气象仪,工控机,北斗单卡机组成;软件使用C#开发的WPF应用程序,使用ArcGISRunTime组件提供的API加载离线地图(tpk格式)。主要功能为采集船载气象仪的数据并实时上传,向岸端请求气象预报数据及其它船舶气象数据。在界面显示中,鼠标移至固定点,显示当前天气预报;鼠标移至船舶位置,显示船舶气象仪数据。点击固定点,可以查看未来3 d的气象预报数据;点击船舶位置,显示目标船气象仪的历史数据。
1.2 岸端系统
岸端系统,硬件部分包括,北斗多卡机,工控机及服务器;软件开发所使用的技术与船端相同。主要功能有:接收船端发送的气象数据,并进行存储;将经过数值模拟订正后的气象预报数据发送到目标船舶。在界面显示中,鼠标移至固定点,显示当前天气预报;鼠标移至船舶,显示该船气象仪数据。点击固定点,可以查看未来3 d的气象预报数据;点击船舶位置,显示目标船气象仪的历史数据。
1.3 ArcGIS服务
将S-57格式的电子海图转换格式,并通过ArcGIS平台发布地图服务。对已发布的MapServer,通过 ArcMap,ArcGISExplorer,ArcGISJavaScript,Google Eearth,ArcGIS.com.Map及 Bing Maps的方式进行访问查看。地图支持18级任一比例缩放,电子海图可以为船舶提供海图数据,指导船舶的施工航行。
1.4 Web服务
Web服务基于B/S架构,采用.NET+FLEX开发模式,并结合ArcGIS地图插件,部署于IIS中运行。用户在浏览器中访问Web服务,可以查看各船舶的气象数据、固定点的气象预报及各船舶的历史气象数据。
1.5 数值误差订正模型
基于欧洲中期天气预报中心高分辨率全球数值预报模式的多要素预报产品作为模型订正的基础预报,结合船端采集的气象数据计算过去一段时间内基础数值预报对于船舶所处位置的温度、风速、风向、气压和相对湿度5个要素的预报误差。
开发的数值预报订正模型于每日08时和20时分别基于基础数值预报制作12个固定点未来72 h内逐12 h的温度、风向、风速、气压和相对湿度等要素的原始预报产品,并读入此前已经计算得到的过去11 h中基础数值预报对于温度、风速、气压和相对湿度的预报误差,将不同要素的预报误差与相应的原始预报值相加,最终形成固定点订正后的预报产品。数据订正流程如图2。
图2 数据订正流程图Fig.2 Flow chart of data correction
2 系统应用
选择厦门海域作为本系统的应用示范。2016年10月,厦门大小嶝岛造地工程建设,选择中交上海航道局在厦门海域施工船舶新海燕,新海豚,新海豚2号作为目标船,选取需要预报的12个固定点(见图3,覆盖整个厦门海域)。试验时间为2016年10月—2016年12月。
图3 12个固定点Fig.3 12 fixed points
在Web平台中,查看船舶采集数据及天气预报数据,图4显示新海豚实时数据,图5显示小嶝岛当天早上08:00的预报数据。
图4 新海豚采集的数据Fig.4 Xinhaitun data acquisition
图5 小嶝岛气象预报Fig.5 Xiaodeng Island forecast
在Web平台中,可以查看固定点未来3 d的气象预报数据,船舶位置的历史气象数据。数据中心建设在本公司,提供外网访问端口,用户可以随时通过广域网访问Web端发布的气象服务,了解施工区域的天气状况。
3 实验数据分析
系统发布的气象数据与中国天气网进行对比分析,对比数据见表1。
选择厦门海域的土屿与中国天气网厦门地区的天气预报做对比分析(土屿离厦门岛比较近,能够代表厦门的天气状况)。从表1中13 d的观测数据可以看出,虽然系统中对土屿的气象预报与中国天气网对厦门的气象预报有些偏差,但是两者的预报都能够反映当地气象状况,此偏差在接受的范围之内,可以认为是准确反映厦门地区的气象状况。
表1 本系统与中国天气网天气预报比对Table 1 Comparison between the system with China Weather Network
4 结语
通过以上分析,基于北斗的远海气象播报系统能够准确地反映厦门海域的气象状况。通过气象数值模型误差订正,使用北斗作为通信链路,能够成功地反映预报区域的天气情况,为远海预报提供了新的预报方法。此方法能够为远海施工,船舶航行提供准确的气象预报,为船舶航行施工提供安全保障。
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