基于GPRS/GPS/GIS的船舶溢油遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究
汪渝 熊德琪
（大連海事大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院）
摘要：目前，我國(guó)船舶溢油導(dǎo)致近海石油污染日益加重，因此實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地監(jiān)視溢油位置和漂移軌跡是采取有效溢油應(yīng)急行動(dòng)的關(guān)鍵，衛(wèi)星遙感雖可用于探測(cè)海面溢油，但時(shí)間滯后，不夠及時(shí)。本文致力于為船舶溢油提供一種準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的應(yīng)急監(jiān)測(cè)手段。
重點(diǎn)開(kāi)發(fā)一種與海面油膜漂浮移動(dòng)性能相似的、具有GPS信號(hào)接收的GPS浮標(biāo)，在船舶發(fā)生溢油事故后立即將其投放在海面溢油層中隨油膜一起漂移。監(jiān)測(cè)中心通過(guò)GPRS移動(dòng)通信網(wǎng)實(shí)時(shí)接收GPS浮標(biāo)發(fā)出速度、方向、及時(shí)間的定位信息，并由GIS界面平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)溢油位置實(shí)時(shí)定位追蹤顯示。
本文在分析了GPS技術(shù)、GPRS技術(shù)以及相關(guān)的TCP/IP技術(shù)的基礎(chǔ)上，從系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)的角度闡述了基于GPRS分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)GPS監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控終端的軟硬件設(shè)計(jì)、監(jiān)控中心的軟件設(shè)計(jì)、定位數(shù)據(jù)的傳輸?shù)取Ｓ兄诤Ｊ戮值纫缬蛻?yīng)急部門(mén)和單位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、監(jiān)視和預(yù)測(cè)溢油走向，為船舶溢油應(yīng)急指揮提供一種準(zhǔn)確實(shí)時(shí)、成本低廉、全天候的溢油全程監(jiān)測(cè)手段。
關(guān)鍵詞：溢油監(jiān)測(cè)?GPS浮標(biāo)通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)（GPRS）地理信息系統(tǒng)(GIS)
一、引言
隨著我國(guó)石油進(jìn)出口量和海上運(yùn)輸量的逐年遞增，船舶溢油導(dǎo)致近海石油污染日益加劇，因此實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地監(jiān)視溢油位置和漂移軌跡是采取有效溢油應(yīng)急行動(dòng)的關(guān)鍵。目前我國(guó)對(duì)海面溢油的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)手段十分缺乏，現(xiàn)場(chǎng)觀察由于受距離、夜晚光線等限制，有很大的局限性。衛(wèi)星遙感和雷達(dá)雖可用于海面溢油探測(cè)，但時(shí)間滯后，不夠及時(shí)，而且費(fèi)用較高。因此，急需一種準(zhǔn)確實(shí)時(shí)、成本低廉、全天候的海面溢油監(jiān)測(cè)應(yīng)急手段。
（一）系統(tǒng)的組成框圖
在車(chē)載GPS監(jiān)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)上研制可應(yīng)用于船舶溢油的遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)由能接收并發(fā)送GPS定位信息的GPS浮標(biāo)、GPRS無(wú)線通訊網(wǎng)、接收信息并通過(guò)GIS平臺(tái)實(shí)現(xiàn)溢油位置可視化跟蹤顯示的監(jiān)測(cè)中心組成，如圖1所示。
圖1 “3G”船舶溢油遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成框圖
（二）系統(tǒng)涉及的“3G”
20世紀(jì)70年代由美國(guó)海陸空三軍聯(lián)合研制的空間衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS是目前使用最多的全球衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)，它有3部分組成：地面控制部分、空間部分（由24顆衛(wèi)星組成）、用戶(hù)接收部分（由GPS接收機(jī)和天線組成），具有定位精度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、全天候工作且成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。GPRS（通用分組無(wú)線技術(shù)）是在現(xiàn)有的GSM（全球移動(dòng)通信系統(tǒng)）網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上通過(guò)增加一些硬件設(shè)備并對(duì)原有網(wǎng)絡(luò)升級(jí)，形成的一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)邏輯實(shí)體。GPRS與GSM相比最大的優(yōu)點(diǎn)在于它是一種分組交換系統(tǒng)，可以面向用戶(hù)提供廣域的無(wú)線IP連接。中國(guó)移動(dòng)公司在2000年底推出了GPRS業(yè)務(wù)，目前中國(guó)移動(dòng)GPRS網(wǎng)絡(luò)已覆蓋全國(guó)所有省、直轄市、自治區(qū)。地理信息系統(tǒng)GIS是集計(jì)算機(jī)、地球科學(xué)和信息科學(xué)為一體的技術(shù)。它的特征是以地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，在計(jì)算機(jī)軟、硬件的支持下，對(duì)空間相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、管理、操作、分析、模擬和顯示并采用地理模型分析方法，提供多種空間和動(dòng)態(tài)的地理信息，為決策服務(wù)而建立的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。應(yīng)用GPS定位技術(shù)，結(jié)合GPRS無(wú)線數(shù)據(jù)通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和地理信息系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程移動(dòng)目標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。
二、系統(tǒng)研發(fā)的主要內(nèi)容
系統(tǒng)研發(fā)主要包括以下內(nèi)容：GPS浮標(biāo)的軟、硬件設(shè)計(jì)；GPRS通信網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)；GIS界面平臺(tái)定位信息的可視化；溢油位置、走向的預(yù)測(cè)等。系統(tǒng)利用具有與海面油膜相似漂浮移動(dòng)性能的GPS浮標(biāo)來(lái)對(duì)海面的油膜進(jìn)行跟蹤。在船舶發(fā)生溢油事故后立即將其投放在海面溢油層中隨油膜一起漂移，監(jiān)測(cè)中心通過(guò)GPRS移動(dòng)通信網(wǎng)實(shí)時(shí)接收GPS浮標(biāo)發(fā)出的速度、方向、及時(shí)間的定位信息，并由GIS界面平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)溢油位置的實(shí)時(shí)定位追蹤顯示。GPS具備的全天候?qū)崟r(shí)提供三維位置、三維速度及時(shí)間等信息的特點(diǎn)，是其他定位方式無(wú)法比擬的。同時(shí)，GPRS是一種分組交換系統(tǒng)，特別適用于間斷的、突發(fā)性的或頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸，也適用于偶爾的大數(shù)據(jù)量傳輸，并且GPRS具有永遠(yuǎn)在線、按流量計(jì)費(fèi)、快速登錄、高速傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，可以滿足船舶溢油應(yīng)急監(jiān)測(cè)的需要。
考慮到整個(gè)覆有溢油的流場(chǎng)區(qū)域的節(jié)點(diǎn)流速不一致的問(wèn)題，系統(tǒng)擬用多投擲或多綁定GPS浮標(biāo)，由這些信號(hào)數(shù)據(jù)再加以采用合適的流場(chǎng)仿真方法推算整個(gè)流場(chǎng)的潮流數(shù)據(jù)，進(jìn)而達(dá)到預(yù)測(cè)潮流場(chǎng)流速數(shù)據(jù)、預(yù)測(cè)溢油走向等多方面功能，有望在以往通過(guò)劃分網(wǎng)格加以數(shù)值模擬流場(chǎng)來(lái)預(yù)測(cè)溢油走向的準(zhǔn)確性方面跨越一步。
溢油監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所需的空間信息及其相關(guān)的屬性信息由GIS進(jìn)行組織管理，GIS作為溢油應(yīng)急系統(tǒng)的地理信息管理平臺(tái)，逐漸被證明是存儲(chǔ)、管理、分析地理信息的有效技術(shù)。溢油監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是GIS的二次開(kāi)發(fā)成果，在綜合分析各方面的情況后，本系統(tǒng)選擇MapInfo6.0及其組件MapX結(jié)合VB6.0進(jìn)行開(kāi)發(fā)。
三、系統(tǒng)原理與設(shè)計(jì)
（一）系統(tǒng)的組成原理
本系統(tǒng)由3部分組成，GPS浮標(biāo)、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)（GPRS網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)絡(luò)）、監(jiān)測(cè)中心。系統(tǒng)組成原理圖如下圖所示。
GPS浮標(biāo)
監(jiān)測(cè)中心
GPRS網(wǎng)絡(luò)
Internet網(wǎng)絡(luò)
圖2 溢油監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成原理圖
在溢油發(fā)生后立即將1－5個(gè)GPS浮標(biāo)從船上、飛機(jī)上投放到厚油膜層中隨油膜一起漂移，GPS浮標(biāo)中內(nèi)置的GPS模塊采集定位數(shù)據(jù)，并通過(guò)GPRS模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到GPRS網(wǎng)絡(luò)然后到Internet網(wǎng)絡(luò)，最終發(fā)送到監(jiān)測(cè)中心。監(jiān)測(cè)中心的中心計(jì)算機(jī)上裝有系統(tǒng)軟件，實(shí)時(shí)接收傳來(lái)的定位信息，并在GIS平臺(tái)下顯示油膜的位置和漂移速度，從而形成一條透明的數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ馈?br />
（二）系統(tǒng)的硬件組成
系統(tǒng)的硬件組成主要是GPS浮標(biāo)部分。它內(nèi)部由3部分組成，組成原理圖如下圖所示。
GPS?模塊
ARM控制器
GPRS模塊
圖3 GPS浮標(biāo)組成原理圖
1.GPS模塊
GPS模塊采用臺(tái)灣ProGin公司的NR-85系列模塊，它具有高靈敏度及低耗電的特性，使用最新的瑞士Nemeri芯片，提供16通道的快速定位技術(shù)，以及每秒一次的導(dǎo)航輸出。它采用了最新科技的裝配工藝和高水平的綜合電路設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的超小尺寸和超強(qiáng)的省電能力。
2.ARM控制器
ARM控制器采用的是PHILIPS LPC2104系列32位ARM微控制器，它是一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的32位ARM7TDMI-S CPU,并帶有32k字節(jié)（kb）嵌入的高速Flash程序存儲(chǔ)器。由于LPC2104采用非常小的64腳封裝、極低的功耗、多個(gè)32位定時(shí)器，這使得它們特別適用于工業(yè)控制、訪問(wèn)控制、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等應(yīng)用領(lǐng)域。
3.GPRS模塊
GPRS模塊采用Wavecom公司研制的基于GPRS/GSM網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊Q2406B,它具有標(biāo)準(zhǔn)的AT命令接口，可提供GSM語(yǔ)音、短消息和GPRS上網(wǎng)等業(yè)務(wù)，自帶TCP/IP協(xié)議棧。模塊為60腳封裝。大小約為5.8×3.2×0.4(cm)。厚度僅為4mm，非常容易集成到應(yīng)用產(chǎn)品中。其內(nèi)部包括通用接口、音頻接口、SIM接口及射頻接口；具有內(nèi)部的Flash存儲(chǔ)器，SRAM，A/D轉(zhuǎn)換、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、聲音合成、供電電路等；能完成電池管理、存儲(chǔ)器管理、I/O口控制、SIM控制、GPRS控制及鍵盤(pán)控制。
（三）系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括GPS浮標(biāo)和監(jiān)測(cè)中心的軟件設(shè)計(jì)。
1.GPS浮標(biāo)的軟件控制
GPS浮標(biāo)的軟件設(shè)計(jì)主要包括兩個(gè)部分：ARM控制器程序的編寫(xiě)和Q2406B無(wú)線通信模塊程序的編寫(xiě)。其中ARM控制器的程序主要為系統(tǒng)初始化，串口接收GPS信號(hào)，以及與Q2406B通信等，采用高級(jí)語(yǔ)言C編寫(xiě)。Q2406B的程序流程為模塊初始化、PDP（分組數(shù)據(jù)協(xié)議）的上下文激活、TCP（UDP）/IP連接的建立、GPRS數(shù)據(jù)的讀取/發(fā)送、GPRS網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)檢測(cè)。
2.AT指令實(shí)現(xiàn)串口通信
利用無(wú)線通信模塊進(jìn)行通信產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，首先是熟悉模塊的功能及各種AT指令。將計(jì)算機(jī)串口同模塊相連，運(yùn)行串口調(diào)試程序，選擇所使用的串口號(hào)并以一定的波特率同模塊進(jìn)行通信，它們之間交流的“語(yǔ)法”就是AT指令。
對(duì)于Q2406B模塊來(lái)說(shuō)，可以使用以下的AT指令使其連接到GPRS網(wǎng)絡(luò)上。AT+CGREG＝1將模塊申請(qǐng)注冊(cè)到GPRS網(wǎng)絡(luò)中；AT+CGATT＝1進(jìn)行GPRS附著；AT#GPRSMODE=1模塊以GPRS模式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；AT#APNSERV＝“CMNET”設(shè)置接入點(diǎn)名稱(chēng)（為中國(guó)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)）；AT#CONNECTIONSTART 開(kāi)始進(jìn)行GPRS連接；當(dāng)選擇的傳輸層協(xié)議為T(mén)CP協(xié)議時(shí)，使用以下的AT指令與遠(yuǎn)程的服務(wù)器進(jìn)行TCP/IP連接。AT#TCPSERV＝“ip” 用來(lái)設(shè)置或返回遠(yuǎn)程服務(wù)器的IP地址；AT#TCPPORT＝“port”用來(lái)設(shè)置或返回遠(yuǎn)程服務(wù)器的端口；AT#OTCP 打開(kāi)TCP連接。當(dāng)選擇的傳輸層協(xié)議為UDP協(xié)議時(shí)，使用的AT指令分別為AT#UDPSERV＝“ip”、AT#UDPPORT＝“port”。當(dāng)完成以上的調(diào)試之后，GPRS模塊便可以通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)到遠(yuǎn)程的服務(wù)器端口中。
3.監(jiān)測(cè)中心的軟件設(shè)計(jì)
監(jiān)測(cè)中心的軟件主要包括服務(wù)器接收軟件的編寫(xiě)和GIS界面下的溢油預(yù)測(cè)軟件。其中，服務(wù)器軟件主要采用Winsock API函數(shù)。在Windows平臺(tái)下完成高性能的TCP/IP通信的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序，需要直接使用Winsock API接口。基于Winsock的TCP/IP通信技術(shù)開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序的幾個(gè)主要步驟：在服務(wù)器端建立Socket，用Bind方法綁定，進(jìn)入Listen(監(jiān)聽(tīng))狀態(tài)，一旦有客戶(hù)端接入，用Accept方法接收并創(chuàng)建新的Socket與之通信。客戶(hù)端用Connect方法與服務(wù)器建立連接。雙方收發(fā)數(shù)據(jù)都使用Send和Receive方法。
UDP/IP通信協(xié)議與TCP/IP協(xié)議不同的是UDP（用戶(hù)數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議）傳輸協(xié)議是一種面向數(shù)據(jù)報(bào)的簡(jiǎn)單傳輸協(xié)議，在進(jìn)行通信之前不需要進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)，而TCP傳輸協(xié)議則是面向連接的，在進(jìn)行通信之前要進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)。UDP是一種不可靠的、小的、節(jié)約資源的傳輸協(xié)議，而TCP則是可靠安全的、更復(fù)雜的傳輸協(xié)議。UDP適用于小量數(shù)據(jù)的發(fā)送（單獨(dú)的報(bào)文），而TCP則更適用于需要保證數(shù)據(jù)可靠性的應(yīng)用場(chǎng)合，比如圖像數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程無(wú)線傳輸?shù)取１鞠到y(tǒng)服務(wù)器接收軟件的設(shè)計(jì)采用了TCP/UDP兩種傳輸協(xié)議，操作靈活，簡(jiǎn)便。服務(wù)器軟件界面如圖4所示。
圖4 “3G”溢油監(jiān)測(cè)系統(tǒng)服務(wù)器接收界面
溢油預(yù)測(cè)軟件主要是MapX功能的開(kāi)發(fā)。MapInfo MapX是一個(gè)用來(lái)做地圖化工作的OCX控件，它可以很容易在應(yīng)用程序中加入強(qiáng)大的制圖功能。它可以把數(shù)據(jù)用地圖的形式顯示出來(lái)，更易于理解。通過(guò)與VB的結(jié)合，開(kāi)發(fā)GIS二次平臺(tái)，能夠很容易的實(shí)現(xiàn)圖層基本控制、圖層數(shù)據(jù)維護(hù)、圖層數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等。利用MapX和VB結(jié)合的組件式GIS，通過(guò)離散點(diǎn)插值擴(kuò)散法和診斷模式為主的數(shù)學(xué)同化方法，對(duì)區(qū)域內(nèi)海上溢油的走向和分布進(jìn)行監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)分析。本系統(tǒng)利用MapX與VB6.0結(jié)合開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)GIS主界面如圖5所示。
圖5“3G”溢油監(jiān)測(cè)系統(tǒng)面向用戶(hù)主界面（底圖為大連灣海域）
四、系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)
系統(tǒng)以VB6.0作為GIS的二次開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，基于MapX來(lái)管理圖形數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)。MapX雖然是GIS的一個(gè)組件，但它具備GIS的主要功能。目前，系統(tǒng)能夠完成的功能主要有地圖顯示功能，如全圖顯示、無(wú)極縮放、漫游、動(dòng)態(tài)標(biāo)記、分層顯示以及溢油定位連續(xù)動(dòng)態(tài)顯示及軌跡回放等；系統(tǒng)實(shí)時(shí)接收跟隨溢油漂移的GPS浮標(biāo)的定位數(shù)據(jù)，并將其通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，由地理坐標(biāo)變?yōu)槠聊蛔鴺?biāo)，在地圖上以一定的符號(hào)顯示，還可以選擇回放溢油軌跡，輸入相應(yīng)時(shí)間和位置模擬溢油軌跡，預(yù)測(cè)溢油走向等功能；由所測(cè)GPS浮標(biāo)漂移速度結(jié)合適當(dāng)?shù)乃俣葓?chǎng)仿真算法來(lái)預(yù)測(cè)未來(lái)溢油的走向趨勢(shì)；可隨時(shí)查詢(xún)溢油的位置信息，污染潮流場(chǎng)的流速，流向以及浪高等數(shù)據(jù)；可隨時(shí)得知GPS浮標(biāo)的位置，監(jiān)測(cè)中心可通過(guò)此位置進(jìn)行應(yīng)急確認(rèn)，可以立即向距其周?chē)Ｓ虻膽?yīng)急船舶發(fā)出指令實(shí)施應(yīng)急。
五、結(jié)束語(yǔ)
基于GPRS/GPS/GIS的船舶溢油遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)絡(luò)傳送所取得的定位信息與電子海圖經(jīng)過(guò)匹配，在海圖上便可以顯示出GPS浮標(biāo)的走動(dòng)，間接了解溢油走向。利用應(yīng)急船舶上的導(dǎo)航系統(tǒng)和接收到的移動(dòng)站位置信息便可以使應(yīng)急單位找到溢油所處地點(diǎn)，從而進(jìn)行及時(shí)的應(yīng)急措施。本系統(tǒng)為近海船舶溢油提供了一種全天候、準(zhǔn)確實(shí)時(shí)、成本低廉的應(yīng)急監(jiān)測(cè)手段。
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作者簡(jiǎn)介?汪渝（1981-）,女,大連海事大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院碩士研究生,主要研究方向?yàn)楹Ｑ蟓h(huán)境管理與規(guī)劃.電話：0411-85825265,E-mail:tanjingwy@sina.com.
導(dǎo)師簡(jiǎn)介?熊德琪（1967-）,男,大連海事大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院教授,博士生導(dǎo)師.電話：0411-84729615,E-mail:xiongdq@dlmu.edu.cn.Abstract:?Shipping oil spill leads to increasingly pollution to coastal waters.?Surveillance model of the place and trace of the spilled-oil is the key technique of Oil-Spill Emergency Response system. Though ocean airborne remote sensing technique can be used to monitor oil spill, it is not timely. This paper is devoted to provide a precise emergency monitoring measure for shipping oil spill.
A buoy equipped with GPRS/GPS module which floats synchronously with the oil spill is introduced into this research. It can send its location, velocity and time to the monitoring center through GPRS communication net. GIS is used for spilled-oil tracing and monitoring.
Based on research of GPRS, GPS and related TCP/IP, this paper gives a design of new system as a whole, and the implement of software and hardware design of monitoring terminal on GPS buoy, and software implement of supervising and controlling center, and transmission way of position data. On the basis of the “GIS/GPS/GSM” system emergency department can trace spilled-oil timely and correctly. Besides, it predicts the future place of spilled-oil more exactly .The tech this paper argue provides an all-day method for spilled-oil contingency department more accurately and less costly.Key words: spilled-oil monitor; GPS buoy;?General Packet Radio Service?(GPRS);?Geographic Information System (GIS)
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