海洋工程論文海洋水質(zhì)監(jiān)測(cè)浮標(biāo)數(shù)據(jù)管理研究

　　這篇海洋工程論文發(fā)表了海洋水質(zhì)監(jiān)測(cè)浮標(biāo)數(shù)據(jù)管理研究，論文探討了如何對(duì)海洋水質(zhì)監(jiān)測(cè)浮漂進(jìn)行綜合管理，這項(xiàng)核心信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是海洋工程監(jiān)測(cè)重點(diǎn)，為海洋環(huán)境綜合管理、海洋環(huán)境保護(hù)、海洋資源合理開發(fā)提供服務(wù)。

　　【摘要】近年來(lái),隨著海洋水質(zhì)監(jiān)測(cè)浮標(biāo)在國(guó)內(nèi)得到的廣泛重視與快速發(fā)展，針對(duì)長(zhǎng)期、定點(diǎn)、連續(xù)、準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的科學(xué)管理伴隨著浮標(biāo)一起成為熱點(diǎn)研究課題。介紹海洋水質(zhì)監(jiān)測(cè)浮標(biāo)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)以“‘一體化’數(shù)據(jù)管理應(yīng)用開發(fā)與集成框架”為核心來(lái)設(shè)計(jì),嚴(yán)格按照海洋監(jiān)測(cè)相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)集成了數(shù)據(jù)安全控制、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、數(shù)據(jù)模型等功能，并為后續(xù)開發(fā)與完善提供了數(shù)據(jù)接口。

　　【關(guān)鍵詞】海洋工程論文,自動(dòng)監(jiān)測(cè),數(shù)據(jù)管理,浮標(biāo)

　　1需求分析

　　海洋水質(zhì)監(jiān)測(cè)浮標(biāo)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)功能需求包括對(duì)投放在海上的水質(zhì)監(jiān)測(cè)浮標(biāo)的綜合管理，制訂實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制程序，數(shù)據(jù)有效性評(píng)估和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)集的統(tǒng)計(jì)分析等。數(shù)據(jù)管理模塊是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵所在，是其他功能模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、交換等工作的基礎(chǔ)。而數(shù)據(jù)管理模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)必須嚴(yán)格按照海洋監(jiān)測(cè)相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)，最終構(gòu)建一個(gè)集成、穩(wěn)定、開放、可共享和可擴(kuò)展的海洋環(huán)境資料數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)[1]。數(shù)據(jù)管理模塊從數(shù)據(jù)集中實(shí)時(shí)獲取海洋水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、集成數(shù)據(jù)安全控制、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、數(shù)據(jù)建模等功能，分別形成相互關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)集，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建海洋環(huán)境資料數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)，為模型分析和數(shù)據(jù)產(chǎn)品提供強(qiáng)大的數(shù)據(jù)支撐。性能需求主要通過(guò)功能需求實(shí)現(xiàn)來(lái)體現(xiàn)，要求系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，容錯(cuò)性強(qiáng)，界面友好，能夠滿足海洋水質(zhì)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、傳輸、接收、管理、查詢、分析、預(yù)警、發(fā)布、存檔等各方面的要求。系統(tǒng)各性能指標(biāo)包括系統(tǒng)響應(yīng)速度，平均無(wú)故障運(yùn)行時(shí)間間隔等要求均需按照國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

　　2設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　海洋水質(zhì)監(jiān)測(cè)浮標(biāo)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)采用瀏覽器/服務(wù)器(Brower/Server，簡(jiǎn)稱B/S)和客戶機(jī)/服務(wù)器(Client/Server,簡(jiǎn)稱C/S)混合模式開發(fā)，基于C#、.NET開發(fā)環(huán)境，以MicrosoftSQLServer為數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)。本系統(tǒng)遵循以數(shù)據(jù)為重點(diǎn)、以提高數(shù)據(jù)管理、分析為目標(biāo)的指導(dǎo)思想，對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行有秩序、科學(xué)的管理、展示和分析，講究系統(tǒng)的先進(jìn)性、實(shí)用性原則，標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化原則，高性能和穩(wěn)定性原則，開放性、可擴(kuò)展性原則，安全性、可靠性原則，經(jīng)濟(jì)和時(shí)效性等設(shè)計(jì)原則。海洋水質(zhì)監(jiān)測(cè)浮標(biāo)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的體系構(gòu)架以“‘一體化’數(shù)據(jù)管理應(yīng)用開發(fā)與集成框架”為核心來(lái)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)海洋水質(zhì)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、傳輸、接收、管理、查詢、分析、預(yù)警、發(fā)布、存檔全過(guò)程管理。利用地理信息系統(tǒng)技術(shù)對(duì)浮標(biāo)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和分析，以統(tǒng)一的方式對(duì)浮標(biāo)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)海洋水質(zhì)監(jiān)測(cè)浮標(biāo)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)了對(duì)浮標(biāo)的多點(diǎn)、多傳感器、長(zhǎng)時(shí)間序列的關(guān)聯(lián)存儲(chǔ)、條件檢索和動(dòng)態(tài)展現(xiàn)，通過(guò)將浮標(biāo)總表與浮標(biāo)分表相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)多層次、全方位的海洋水質(zhì)數(shù)據(jù)管理功能，系統(tǒng)功能圖[2]如圖1所示。海洋水質(zhì)監(jiān)測(cè)浮標(biāo)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了登錄、個(gè)人首頁(yè)、地理信息、統(tǒng)計(jì)分析、數(shù)據(jù)表格、浮標(biāo)管理、GPS信息、模型管理、系統(tǒng)運(yùn)維九大模塊，集成了數(shù)據(jù)安全控制、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、數(shù)據(jù)模型等功能，并為后續(xù)開發(fā)與完善提供了數(shù)據(jù)接口。

　　2.1數(shù)據(jù)安全控制

　　基于海洋水質(zhì)監(jiān)測(cè)浮標(biāo)的數(shù)據(jù)的重要性與保密性，數(shù)據(jù)安全控制尤為重要。(1)加密傳輸數(shù)據(jù)在浮標(biāo)端發(fā)出之前就需要對(duì)受保護(hù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密[3]，即對(duì)客戶端需要讀取的數(shù)據(jù)在服務(wù)端先加密再發(fā)往客戶端，客戶端則對(duì)授權(quán)用戶采用相應(yīng)的解密措施，在客戶端軟件中實(shí)施解密。(2)存取控制實(shí)為授權(quán)機(jī)制，它規(guī)定某個(gè)范圍的數(shù)據(jù)，在何種條件下，準(zhǔn)許何種操作。對(duì)于數(shù)據(jù)庫(kù)表的存取控制，一種方法是定義用戶權(quán)限表，只有指定的用戶才能進(jìn)行相應(yīng)的操作，如對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行擁有、只讀、只寫、讀寫、刪除等操作;另一種方法是對(duì)表定義訪問(wèn)權(quán)限。對(duì)于文件系統(tǒng)的存取控制，一種方法是控制文件的存取，另一種方法是置于與文件樹關(guān)聯(lián)的各級(jí)目錄中。(3)口令保護(hù)即對(duì)已授權(quán)用戶分配特定的口令。系統(tǒng)登錄模塊中有用戶口令識(shí)別模塊，通過(guò)對(duì)分配給用戶的特定口令來(lái)識(shí)別并確認(rèn)用戶的訪問(wèn)權(quán)限，口令識(shí)別認(rèn)證通過(guò)后用戶才允許進(jìn)入系統(tǒng)，且進(jìn)入系統(tǒng)后根據(jù)不同權(quán)限的用戶分配不同的操作權(quán)限。口令法的優(yōu)點(diǎn)在于軟件比較簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是口令本身保密性不強(qiáng)，而通過(guò)加密后再傳送口令這一方法能有效的解決這一保密性問(wèn)題。(4)日志管理系統(tǒng)全面采取日志管理監(jiān)控機(jī)制。用戶對(duì)數(shù)據(jù)的創(chuàng)建、瀏覽、修改、刪除等都將被系統(tǒng)監(jiān)控并記錄，記錄的詳細(xì)信息包括時(shí)間、用戶、用戶IP地址、所進(jìn)行的操作等。對(duì)數(shù)據(jù)備份也會(huì)生成相應(yīng)的備份日志文件，以方便在數(shù)據(jù)恢復(fù)時(shí)準(zhǔn)確掌握備份數(shù)據(jù)情況。(5)數(shù)據(jù)備份數(shù)據(jù)是系統(tǒng)的基礎(chǔ)，任何情況下，保障數(shù)據(jù)的完整與安全都至關(guān)重要。完善的數(shù)據(jù)備份機(jī)制，是保障數(shù)據(jù)完整與安全的重要手段之一。考慮到管理業(yè)務(wù)的特點(diǎn)，本系統(tǒng)采用完全備份和增量備份組合的機(jī)制。每周一個(gè)備份循環(huán)，周日進(jìn)行完全備份，其它工作日采用增量備份。另一方面，為防止一些不可抗拒的外來(lái)因素對(duì)數(shù)據(jù)備份存儲(chǔ)介質(zhì)帶來(lái)永久性損壞而造成數(shù)據(jù)的損失，必須周期性的將數(shù)據(jù)備份文件復(fù)制到異地存儲(chǔ)設(shè)備，以最大限度地保障數(shù)據(jù)安全。

　　2.2數(shù)據(jù)質(zhì)量控制

　　海洋水質(zhì)監(jiān)測(cè)浮標(biāo)的每一條數(shù)據(jù)入數(shù)據(jù)庫(kù)之前，會(huì)通過(guò)數(shù)據(jù)校驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?shù)據(jù)校正、異常值檢測(cè)等一系列的質(zhì)量控制程序，將數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不完整、數(shù)據(jù)異常、儀器故障等情況在數(shù)據(jù)狀態(tài)一欄標(biāo)注出來(lái)，以供進(jìn)一步審核判斷，保障數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。(1)解析模型解析模型是接收模型的核心內(nèi)容，接收模型主要為接收服務(wù)提供數(shù)據(jù)接收算法依據(jù)，包括接收字段的長(zhǎng)度、接收頻率、接收地址、有效性、接收次數(shù)及接收對(duì)應(yīng)浮標(biāo)等。接收模型可針對(duì)單個(gè)浮標(biāo)多種協(xié)議單獨(dú)設(shè)立接收規(guī)則。解析模型主要輔助數(shù)據(jù)接收模型中解析服務(wù)對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，能驗(yàn)證通訊包結(jié)構(gòu)，驗(yàn)證數(shù)據(jù)解析配置，驗(yàn)證周期配置，修正公式校正等，并根據(jù)結(jié)果存入數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)的對(duì)應(yīng)表中。解析模型可針對(duì)單個(gè)浮標(biāo)多種傳感器數(shù)據(jù)單獨(dú)設(shè)立解析規(guī)則，如時(shí)間周期、編碼對(duì)應(yīng)等。解析模型的流程圖[2]如圖2所示。(2)異常值檢測(cè)由于海洋環(huán)境明顯的動(dòng)態(tài)效應(yīng)[4]，海洋水質(zhì)監(jiān)測(cè)浮標(biāo)所得到的數(shù)據(jù)存在著一定的異常率。核心問(wèn)題是如何在數(shù)據(jù)入庫(kù)的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)異常值的自動(dòng)檢測(cè)，并正確地標(biāo)記出異常值的位置，這就是所謂的異常值定位問(wèn)題。本系統(tǒng)中異常值檢測(cè)包括閾值檢測(cè)和異常數(shù)據(jù)判斷。閾值檢測(cè)根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)已設(shè)置的監(jiān)測(cè)參數(shù)數(shù)值上下限初步判斷異常值。異常數(shù)據(jù)判斷依據(jù)已制定的異常數(shù)據(jù)判斷算法執(zhí)行。譬如pH的異常數(shù)據(jù)判斷，若某個(gè)pH數(shù)據(jù)與時(shí)間序列前10個(gè)數(shù)據(jù)和后面10個(gè)數(shù)據(jù)相比分別有8個(gè)以上的差值大于0.5，即標(biāo)記為異常值。經(jīng)過(guò)異常值檢測(cè)后進(jìn)入數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)都已做標(biāo)記，同時(shí)系統(tǒng)還具備了人工審核功能。對(duì)于標(biāo)記出異常的數(shù)據(jù)在人工審核階段可以對(duì)其進(jìn)行再次的判定，若確認(rèn)是異常值，在之后的一系列數(shù)據(jù)應(yīng)用中此異常數(shù)據(jù)將被排除。

　　2.3數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

　　數(shù)據(jù)表格主要將各浮標(biāo)數(shù)據(jù)及傳感器的實(shí)時(shí)信息進(jìn)行展現(xiàn)、導(dǎo)出、部署等，具體包含數(shù)據(jù)列表、數(shù)據(jù)報(bào)表、數(shù)據(jù)導(dǎo)出、數(shù)據(jù)補(bǔ)數(shù)、傳感器狀態(tài)和數(shù)據(jù)量統(tǒng)計(jì)功能。數(shù)據(jù)列表將各浮標(biāo)及傳感器的實(shí)時(shí)信息進(jìn)行展現(xiàn)如圖3所示。數(shù)據(jù)導(dǎo)出對(duì)數(shù)據(jù)列表中個(gè)數(shù)據(jù)執(zhí)行導(dǎo)出動(dòng)作，可按條件、范圍導(dǎo)出。數(shù)據(jù)補(bǔ)數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)漏發(fā)或異常數(shù)據(jù)的補(bǔ)發(fā)功能，補(bǔ)數(shù)功能支持時(shí)間段選擇。補(bǔ)數(shù)功能主要由浮標(biāo)管理員發(fā)起，通過(guò)系統(tǒng)將可視化命令轉(zhuǎn)化為浮標(biāo)指令下達(dá)至浮標(biāo)。傳感器狀態(tài)模塊記錄傳感器周期性狀態(tài)，并實(shí)時(shí)展現(xiàn)。同時(shí)給出各狀態(tài)的統(tǒng)計(jì)圖、標(biāo)準(zhǔn)值并預(yù)警。數(shù)據(jù)量統(tǒng)計(jì)對(duì)數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)中的浮標(biāo)數(shù)據(jù)量進(jìn)行總體統(tǒng)計(jì)，包括對(duì)傳感器的各項(xiàng)具體指標(biāo)。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析是以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接收、解析和處理后的海洋水質(zhì)監(jiān)測(cè)要素?cái)?shù)據(jù)為基礎(chǔ)，為用戶提供數(shù)據(jù)查詢、分析、顯示、轉(zhuǎn)換、導(dǎo)出等功能，實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)從采集、傳輸?shù)綌?shù)據(jù)共享、利用和分析的過(guò)程。其中曲線圖模塊對(duì)浮標(biāo)各傳感器的監(jiān)測(cè)參數(shù)有效值進(jìn)行曲線圖展現(xiàn)，如圖4所示。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)模塊對(duì)多個(gè)浮標(biāo)的各監(jiān)測(cè)參數(shù)有效值分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并展示，便于用戶直觀的查看并做出正確的判斷。對(duì)報(bào)表統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以進(jìn)行導(dǎo)出。

　　2.4數(shù)據(jù)模型

　　數(shù)據(jù)模型是使用數(shù)據(jù)管理模塊提供的海洋水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)資料進(jìn)行建模分析并對(duì)其發(fā)生狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)及預(yù)警。該模塊是利用先進(jìn)的數(shù)據(jù)挖掘算法，如模糊聚類分析、支持向量機(jī)等，建立海洋水質(zhì)評(píng)價(jià)模型、海洋水質(zhì)要素預(yù)警模型等，分析海洋災(zāi)害發(fā)生時(shí)的特征、發(fā)生的原因并預(yù)測(cè)出海洋災(zāi)害即將發(fā)生的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)海洋災(zāi)害特征要素的自動(dòng)預(yù)警預(yù)報(bào)，為海洋相關(guān)部門提供可靠的、科學(xué)的依據(jù)。數(shù)據(jù)模型從建模開始就是在不斷的更新過(guò)程中的，通過(guò)不斷的驗(yàn)證以及反饋?zhàn)詣?dòng)修正，確保數(shù)據(jù)模型的精確性和可用性。數(shù)據(jù)模型中提供了多種基礎(chǔ)類的評(píng)價(jià)預(yù)警模型，也提供了相應(yīng)的接口供用戶修正數(shù)據(jù)模型。

　　2.5數(shù)據(jù)接口

　　對(duì)系統(tǒng)中已有的數(shù)據(jù)接口進(jìn)行了顯示和說(shuō)明，可進(jìn)行是否打開操作。數(shù)據(jù)接口除了在實(shí)施系統(tǒng)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)開發(fā)的新接口外，系統(tǒng)還提供部分常用接口和說(shuō)明供其他系統(tǒng)和用戶調(diào)用。數(shù)據(jù)接口一般有數(shù)據(jù)底層交互接口，XML等通用文件交互接口，WebService網(wǎng)絡(luò)交互接口和類庫(kù)調(diào)用交互接口等多種方式，具體根據(jù)系統(tǒng)間可提供的交互度為基礎(chǔ)選擇最優(yōu)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)接。

　　3結(jié)束語(yǔ)

　　海洋水質(zhì)監(jiān)測(cè)浮標(biāo)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)是海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)的核心信息系統(tǒng)之一，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，綜合考慮了系統(tǒng)架構(gòu)、技術(shù)方案、軟硬件設(shè)施、運(yùn)維服務(wù)能力等方面，確保系統(tǒng)的高性能和低故障率。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了登錄、個(gè)人首頁(yè)、地理信息、統(tǒng)計(jì)分析、數(shù)據(jù)表格、浮標(biāo)管理、GPS信息、模型管理、系統(tǒng)運(yùn)維九大模塊，集成了數(shù)據(jù)安全控制、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、數(shù)據(jù)模型等功能，并為后續(xù)開發(fā)與完善提供了數(shù)據(jù)接口。基于國(guó)家對(duì)海洋水質(zhì)監(jiān)測(cè)高度的重視，監(jiān)測(cè)浮標(biāo)不斷的規(guī)模化發(fā)展，數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)也逐步發(fā)展成為能實(shí)時(shí)地、連續(xù)地、長(zhǎng)期地、準(zhǔn)確地提供監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的海上在線監(jiān)測(cè)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了海洋水質(zhì)監(jiān)測(cè)由瞬時(shí)監(jiān)測(cè)向連續(xù)監(jiān)測(cè)，由定期監(jiān)測(cè)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的跨越。在此基礎(chǔ)上，今后將著力于構(gòu)建海洋水質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)體系，實(shí)現(xiàn)海洋水質(zhì)評(píng)價(jià)由定性評(píng)價(jià)到定量評(píng)價(jià)，由單一學(xué)科評(píng)價(jià)到生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)，由現(xiàn)狀評(píng)價(jià)到趨勢(shì)評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)的轉(zhuǎn)變，開發(fā)建立符合監(jiān)測(cè)海域環(huán)保、海洋開發(fā)利用、減災(zāi)、防災(zāi)需要的實(shí)測(cè)、預(yù)報(bào)及預(yù)警等評(píng)價(jià)信息產(chǎn)品，為海洋相關(guān)部門提供詳實(shí)可靠的數(shù)據(jù)信息、科學(xué)的預(yù)報(bào)、預(yù)警信息，為海洋環(huán)境綜合管理、海洋環(huán)境保護(hù)、海洋資源合理開發(fā)提供服務(wù)。

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　　作者：賈馮圳 單位：杭州應(yīng)用聲學(xué)研究所

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