一種多功能海上臺風預警和搜救系統(tǒng)的研究

　　隨著海洋事業(yè)的不斷向前發(fā)展，海上臺風預警和搜救問題已越來越成為急需解決的問題，目前最常用的無線數據網絡有GPRS或CDMA11x。無論是CDMA11x還是GPRS網絡，其上行帶寬均在100kbps以下，監(jiān)控畫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間間隔為幾秒的圖像，圖像連續(xù)性差，還無法傳輸實時連貫的畫面。即使傳輸QCIF格式的連續(xù)視頻畫面也要通過多路捆綁才能實現(xiàn)。因此系統(tǒng)終端和后臺監(jiān)控系統(tǒng)只通過短消息等方式實現(xiàn)通信聯(lián)系，有限的數據傳輸制約了終端功能的擴展，無法解決無線視頻傳輸所需移動通信網絡的帶寬瓶頸問題，從而導致對海上臺風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的多功能臺風預警和搜救系統(tǒng)。

1　系統(tǒng)總體設計

　　系統(tǒng)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(zhí)行層

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

　　1.3 通信層

　　通信層是整個系統(tǒng)的溝通核心，實現(xiàn)每個移動船舶的位置信息、狀態(tài)信息、報警信息向中心的發(fā)送以及中心向移動船舶發(fā)送指示、控制命令的發(fā)送。

　　1.4 管理監(jiān)控層

　　管理監(jiān)控層是系統(tǒng)的門戶，其內部通過千兆局域網將通信服務器、數據庫服務器和監(jiān)控臺互連，實時接收處理來自受控船舶的各種信息，并提供友好的人機界面。監(jiān)管中心系統(tǒng)包括通信接口、GIS地理信息模塊、中心數據庫服務、電子地圖數據等多個子系統(tǒng)。監(jiān)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、船舶數據管理等。

2　系統(tǒng)軟硬件方案設計

　　2.1 硬件設計

　　系統(tǒng)終端硬件采用嵌入式開發(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行嵌入式系統(tǒng)開發(fā)，能夠對視頻等信息進行處理。

　　同時，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，具備延時少、體積小、可靠性高等特點。傳輸模塊負責將經過編碼的數據發(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。數據以無線方式發(fā)出后，經移動通信基站進入3G網絡，并進一步通過公網傳輸至該系統(tǒng)監(jiān)控中心局域網內。其結構如圖2所示。

　　2.2 軟件設計

　　由于嵌入式系統(tǒng)的硬件資源有限，因此嵌入式Linux操作系統(tǒng)都是針對具體的應用通過配置linux內核和嵌入式C庫定制的，使得整個系統(tǒng)能夠存放到容量較小的Flash中。事實上，Linux的動態(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?；诖耍诠P者實現(xiàn)的平臺上，使用的操作系統(tǒng)是對Linux進行了定制的RTlinux。

　　上行數據主要是系統(tǒng)終端向管理監(jiān)控中心傳輸數據，主要信息有船舶的實時位置、速度、狀態(tài)、周圍環(huán)境數據和報警數據等；下行數據是由監(jiān)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(qū)分出信息類型，從而提高系統(tǒng)通信效率。按通信協(xié)議封裝的數據利用3G網絡發(fā)給通信服務器，通信服務器軟件，通過接口獲取數據包，判斷數據的合法性，若是合法數據則進行協(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)和回復信息通過數據庫操作提交到后臺數據庫中，GIS地理信息模塊定時地從數據庫讀取經緯度數據進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(tǒng)中的坐標，然后在電子地圖上實時顯示船舶狀態(tài)?？蛻舳藨密浖@得的命令信息和調度信息發(fā)送給通信服務器，通信服務器遵循統(tǒng)客戶端各模塊通信協(xié)議進行協(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3G網絡發(fā)往移動終端，終端接收并解析數據包，做出響應。監(jiān)控終端和監(jiān)控中心服務通信實現(xiàn)后，監(jiān)控中心的監(jiān)控軟件即可在此基礎上利用GIS地理信息模塊實現(xiàn)船舶的動態(tài)跟蹤及其他應用如軌跡回放、地圖操作等。

　　船舶的動態(tài)顯示需要用到ARCMAP的動態(tài)圖層來實現(xiàn)，這樣可以加快繪圖顯示速度。船舶用點圖元來表示，點圖元在地圖中的位置就是GPS定位的經緯度數據，根據GPS接收數據的頻率來實時刷新該圖層，就達到了船舶的實時定位了。移動終端每隔幾秒獲取船舶的經緯度數據，刷新動態(tài)圖層即可在屏幕上可以看到船舶實時顯示。

3　后臺監(jiān)控設計

　　根據系統(tǒng)設計要求和目前GIS系統(tǒng)開發(fā)的趨勢，該系統(tǒng)采用的是組件式GIS和萬維網GIS（Web2GIS）結合的開發(fā)模式，因為組件式GIS基于標準的組件式平臺，各個組件之間不僅可以進行自由、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(guī)范；具有高效無縫的系統(tǒng)集成、無須專門GIS開發(fā)語言、大眾化的GIS、成本低等特點；對于WebGIS來講，從WWW的任意一個節(jié)點，Internet用戶可以瀏覽萬維網GIS站點中的空間數據、制作專題圖，以及進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結合的網絡計算機模式，利用C#開發(fā)語言、使用GIS組件在WindowsXP的網絡操作系統(tǒng)中完成該系統(tǒng)的開發(fā)。

4　差分GPS定位技術

　　為了提高GPS定位精確度，采用GPSRTK（Real2Time2Kinematic）技術，RTK技術是GPS實時載波相位差分的簡稱，是實時處理2個測站載波相位觀測量的差分方法。這是一種將GPS與數傳技術相結合，實時解算并進行數據處理，在短時間內得到高精度位置信息的技術。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（稱為流動站）上，基準站和流動站同時接收同一時間、同一GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號，基準站所獲得的觀測值與己知位置信息進行比較，得到GPS差分改正值。然后將這個改正值通過無線電數據鏈電臺及時傳遞給衛(wèi)星的流動站精化其GPS觀測值，從而得到經差分改正后流動站較準確的實時位置。

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

5　結語

　　本文結合監(jiān)控系統(tǒng)通信方式的現(xiàn)狀設計了一種基于3G的臺風預警和搜救系統(tǒng)。系統(tǒng)采用3G無線通信，解決了傳統(tǒng)通信方式監(jiān)控系統(tǒng)的傳輸速度慢、可靠性低等問題。其終端的視頻監(jiān)控功能更加適應現(xiàn)代化交通管理中多變的信息采集環(huán)境，在監(jiān)控領域有很強的推廣性。隨著315G、3175G甚至4G網絡技術逐步深入研究與試用，系統(tǒng)不斷向著實時視頻通信方向發(fā)展，其應用前景將更為廣闊。