基于GPRS/GPS/GIS的船舶溢油远程监测系统的研究

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基于GPRS/GPS/GIS的船舶溢油远程监测系统的研究

汪渝 熊德琪

（大连海事大学环境科学与工程学院）

摘要：目前，我国船舶溢油导致近海石油污染日益加重，因此实时准确地监视溢油位置和漂移轨迹是采取有效溢油应急行动的关键，卫星遥感虽可用于探测海面溢油，但时间滞后，不够及时。本文致力于为船舶溢油提供一种准确实时的应急监测手段。



重点开发一种与海面油膜漂浮移动性能相似的、具有GPS信号接收的GPS浮标，在船舶发生溢油事故后立即将其投放在海面溢油层中随油膜一起漂移。监测中心通过GPRS移动通信网实时接收GPS浮标发出速度、方向、及时间的定位信息，并由GIS界面平台实现对溢油位置实时定位追踪显示。
本文在分析了GPS技术、GPRS技术以及相关的TCP/IP技术的基础上，从系统总体设计的角度阐述了基于GPRS分组数据网络GPS监控系统的设计，实现了监控终端的软硬件设计、监控中心的软件设计、定位数据的传输等。有助于海事局等溢油应急部门和单位进行实时监控、监视和预测溢油走向，为船舶溢油应急指挥提供一种准确实时、成本低廉、全天候的溢油全程监测手段。




关键词：溢油监测 GPS浮标通用分组无线业务（GPRS）地理信息系统(GIS)
一、引言
随着我国石油进出口量和海上运输量的逐年递增，船舶溢油导致近海石油污染日益加剧，因此实时准确地监视溢油位置和漂移轨迹是采取有效溢油应急行动的关键。目前我国对海面溢油的实时监测手段十分缺乏，现场观察由于受距离、夜晚光线等限制，有很大的局限性。卫星遥感和雷达虽可用于海面溢油探测，但时间滞后，不够及时，而且费用较高。因此，急需一种准确实时、成本低廉、全天候的海面溢油监测应急手段。
（一）系统的组成框图
在车载GPS监控系统开发基础上研制可应用于船舶溢油的远程无线监测系统。系统由能接收并发送GPS定位信息的GPS浮标、GPRS无线通讯网、接收信息并通过GIS平台实现溢油位置可视化跟踪显示的监测中心组成，如图1所示。

图1 “3G”船舶溢油远程监测系统组成框图

（二）系统涉及的“3G”
20世纪70年代由美国海陆空三军联合研制的空间卫星定位系统GPS是目前使用最多的全球卫星定位导航系统，它有3部分组成：地面控制部分、空间部分（由24颗卫星组成）、用户接收部分（由GPS接收机和天线组成），具有定位精度高、实时性强、全天候工作且成本低廉等优点。GPRS（通用分组无线技术）是在现有的GSM（全球移动通信系统）网络基础上通过增加一些硬件设备并对原有网络升级，形成的一个新的网络逻辑实体。GPRS与GSM相比最大的优点在于它是一种分组交换系统，可以面向用户提供广域的无线IP连接。中国移动公司在2000年底推出了GPRS业务，目前中国移动GPRS网络已覆盖全国所有省、直辖市、自治区。地理信息系统GIS是集计算机、地球科学和信息科学为一体的技术。它的特征是以地理空间数据库为基础，在计算机软、硬件的支持下，对空间相关数据进行采集、管理、操作、分析、模拟和显示并采用地理模型分析方法，提供多种空间和动态的地理信息，为决策服务而建立的计算机系统。应用GPS定位技术，结合GPRS无线数据通信技术、网络技术和地理信息系统，可以实现对远程移动目标的实时监控。
二、系统研发的主要内容
系统研发主要包括以下内容：GPS浮标的软、硬件设计；GPRS通信网络传输数据；GIS界面平台定位信息的可视化；溢油位置、走向的预测等。系统利用具有与海面油膜相似漂浮移动性能的GPS浮标来对海面的油膜进行跟踪。在船舶发生溢油事故后立即将其投放在海面溢油层中随油膜一起漂移，监测中心通过GPRS移动通信网实时接收GPS浮标发出的速度、方向、及时间的定位信息，并由GIS界面平台实现对溢油位置的实时定位追踪显示。GPS具备的全天候实时提供三维位置、三维速度及时间等信息的特点，是其他定位方式无法比拟的。同时，GPRS是一种分组交换系统，特别适用于间断的、突发性的或频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输，并且GPRS具有永远在线、按流量计费、快速登录、高速传输等优点，可以满足船舶溢油应急监测的需要。
考虑到整个覆有溢油的流场区域的节点流速不一致的问题，系统拟用多投掷或多绑定GPS浮标，由这些信号数据再加以采用合适的流场仿真方法推算整个流场的潮流数据，进而达到预测潮流场流速数据、预测溢油走向等多方面功能，有望在以往通过划分网格加以数值模拟流场来预测溢油走向的准确性方面跨越一步。
溢油监测系统所需的空间信息及其相关的属性信息由GIS进行组织管理，GIS作为溢油应急系统的地理信息管理平台，逐渐被证明是存储、管理、分析地理信息的有效技术。溢油监测系统是GIS的二次开发成果，在综合分析各方面的情况后，本系统选择MapInfo6.0及其组件MapX结合VB6.0进行开发。
三、系统原理与设计
（一）系统的组成原理
本系统由3部分组成，GPS浮标、数据传输网络（GPRS网络和Internet网络）、监测中心。系统组成原理图如下图所示。

GPS浮标

监测中心

GPRS网络

Internet网络

图2 溢油监测系统组成原理图

在溢油发生后立即将1－5个GPS浮标从船上、飞机上投放到厚油膜层中随油膜一起漂移，GPS浮标中内置的GPS模块采集定位数据，并通过GPRS模块将数据发送到GPRS网络然后到Internet网络，最终发送到监测中心。监测中心的中心计算机上装有系统软件，实时接收传来的定位信息，并在GIS平台下显示油膜的位置和漂移速度，从而形成一条透明的数据传输的通道。
（二）系统的硬件组成
系统的硬件组成主要是GPS浮标部分。它内部由3部分组成，组成原理图如下图所示。

GPS 模块

ARM控制器

GPRS模块

图3 GPS浮标组成原理图

1.GPS模块
GPS模块采用台湾ProGin公司的NR-85系列模块，它具有高灵敏度及低耗电的特性，使用最新的瑞士Nemeri芯片，提供16通道的快速定位技术，以及每秒一次的导航输出。它采用了最新科技的装配工艺和高水平的综合电路设计，从而实现了产品的超小尺寸和超强的省电能力。
2.ARM控制器
ARM控制器采用的是PHILIPS LPC2104系列32位ARM微控制器，它是一个支持实时仿真和跟踪的32位ARM7TDMI-S CPU,并带有32k字节（kb）嵌入的高速Flash程序存储器。由于LPC2104采用非常小的64脚封装、极低的功耗、多个32位定时器，这使得它们特别适用于工业控制、访问控制、远程监测系统等应用领域。
3.GPRS模块
GPRS模块采用Wavecom公司研制的基于GPRS/GSM网络的无线数据传输模块Q2406B,它具有标准的AT命令接口，可提供GSM语音、短消息和GPRS上网等业务，自带TCP/IP协议栈。模块为60脚封装。大小约为5.8×3.2×0.4(cm)。厚度仅为4mm，非常容易集成到应用产品中。其内部包括通用接口、音频接口、SIM接口及射频接口；具有内部的Flash存储器，SRAM，A/D转换、实时时钟、声音合成、供电电路等；能完成电池管理、存储器管理、I/O口控制、SIM控制、GPRS控制及键盘控制。
（三）系统的软件设计
系统软件设计主要包括GPS浮标和监测中心的软件设计。
1.GPS浮标的软件控制
GPS浮标的软件设计主要包括两个部分：ARM控制器程序的编写和Q2406B无线通信模块程序的编写。其中ARM控制器的程序主要为系统初始化，串口接收GPS信号，以及与Q2406B通信等，采用高级语言C编写。Q2406B的程序流程为模块初始化、PDP（分组数据协议）的上下文激活、TCP（UDP）/IP连接的建立、GPRS数据的读取/发送、GPRS网络状态检测。
2.AT指令实现串口通信
利用无线通信模块进行通信产品的开发，首先是熟悉模块的功能及各种AT指令。将计算机串口同模块相连，运行串口调试程序，选择所使用的串口号并以一定的波特率同模块进行通信，它们之间交流的“语法”就是AT指令。
对于Q2406B模块来说，可以使用以下的AT指令使其连接到GPRS网络上。AT+CGREG＝1将模块申请注册到GPRS网络中；AT+CGATT＝1进行GPRS附着；AT#GPRSMODE=1模块以GPRS模式进行数据传输；AT#APNSERV＝“CMNET”设置接入点名称（为中国移动网络）；AT#CONNECTIONSTART 开始进行GPRS连接；当选择的传输层协议为TCP协议时，使用以下的AT指令与远程的服务器进行TCP/IP连接。AT#TCPSERV＝“ip” 用来设置或返回远程服务器的IP地址；AT#TCPPORT＝“port”用来设置或返回远程服务器的端口；AT#OTCP 打开TCP连接。当选择的传输层协议为UDP协议时，使用的AT指令分别为AT#UDPSERV＝“ip”、AT#UDPPORT＝“port”。当完成以上的调试之后，GPRS模块便可以通过GPRS网络和Internet网络发送数据到远程的服务器端口中。
3.监测中心的软件设计
监测中心的软件主要包括服务器接收软件的编写和GIS界面下的溢油预测软件。其中，服务器软件主要采用Winsock API函数。在Windows平台下完成高性能的TCP/IP通信的网络应用程序，需要直接使用Winsock API接口。基于Winsock的TCP/IP通信技术开发应用程序的几个主要步骤：在服务器端建立Socket，用Bind方法绑定，进入Listen(监听)状态，一旦有客户端接入，用Accept方法接收并创建新的Socket与之通信。客户端用Connect方法与服务器建立连接。双方收发数据都使用Send和Receive方法。
UDP/IP通信协议与TCP/IP协议不同的是UDP（用户数据报协议）传输协议是一种面向数据报的简单传输协议，在进行通信之前不需要进行监听，而TCP传输协议则是面向连接的，在进行通信之前要进行监听。UDP是一种不可靠的、小的、节约资源的传输协议，而TCP则是可靠安全的、更复杂的传输协议。UDP适用于小量数据的发送（单独的报文），而TCP则更适用于需要保证数据可靠性的应用场合，比如图像数据的远程无线传输等。本系统服务器接收软件的设计采用了TCP/UDP两种传输协议，操作灵活，简便。服务器软件界面如图4所示。

图4 “3G”溢油监测系统服务器接收界面

溢油预测软件主要是MapX功能的开发。MapInfo MapX是一个用来做地图化工作的OCX控件，它可以很容易在应用程序中加入强大的制图功能。它可以把数据用地图的形式显示出来，更易于理解。通过与VB的结合，开发GIS二次平台，能够很容易的实现图层基本控制、图层数据维护、图层数据统计等。利用MapX和VB结合的组件式GIS，通过离散点插值扩散法和诊断模式为主的数学同化方法，对区域内海上溢油的走向和分布进行监测和预测分析。本系统利用MapX与VB6.0结合开发的系统GIS主界面如图5所示。

图5“3G”溢油监测系统面向用户主界面（底图为大连湾海域）

四、系统的功能实现
系统以VB6.0作为GIS的二次开发语言，基于MapX来管理图形数据与属性数据。MapX虽然是GIS的一个组件，但它具备GIS的主要功能。目前，系统能够完成的功能主要有地图显示功能，如全图显示、无极缩放、漫游、动态标记、分层显示以及溢油定位连续动态显示及轨迹回放等；系统实时接收跟随溢油漂移的GPS浮标的定位数据，并将其通过坐标转换，由地理坐标变为屏幕坐标，在地图上以一定的符号显示，还可以选择回放溢油轨迹，输入相应时间和位置模拟溢油轨迹，预测溢油走向等功能；由所测GPS浮标漂移速度结合适当的速度场仿真算法来预测未来溢油的走向趋势；可随时查询溢油的位置信息，污染潮流场的流速，流向以及浪高等数据；可随时得知GPS浮标的位置，监测中心可通过此位置进行应急确认，可以立即向距其周围海域的应急船舶发出指令实施应急。
五、结束语
基于GPRS/GPS/GIS的船舶溢油远程监测系统通过移动通信网络和Internet网络传送所取得的定位信息与电子海图经过匹配，在海图上便可以显示出GPS浮标的走动，间接了解溢油走向。利用应急船舶上的导航系统和接收到的移动站位置信息便可以使应急单位找到溢油所处地点，从而进行及时的应急措施。本系统为近海船舶溢油提供了一种全天候、准确实时、成本低廉的应急监测手段。

参考文献

1. 刘光.地理信息系统-组件开发篇[M].中国电力出版社,2003.
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4. 王安宁.基于GPRS的远程无线自动抄表系统[J].农机化研究,2005,1(1):251-253。
5. Wavecom AT commands for GPRS V1.3, 2001.
6. AT Commands Interface Guide for IP Connectivity, 002, 2003.
作者简介 汪渝（1981-）,女,大连海事大学环境科学与工程学院硕士研究生,主要研究方向为海洋环境管理与规划.电话：0411-85825265,E-mail:tanjingwy@sina.com.
导师简介 熊德琪（1967-）,男,大连海事大学环境科学与工程学院教授,博士生导师.电话：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)