智能单机版岸基监控技术

波浪滑翔机岸基显控系统主要实现数据接收处理、指令发送、航路规划、环境探测数据的分类存储与管理、矢量地图的轨迹显示、环境采集要素及产品显示、探测平台运行状态可视化查询等功能，利用波浪滑翔机岸基显控系统可实现在岸基显控中心对波浪滑翔机及其搭载的仪器进行全时段的可视化监视与控制。岸基控制平台分系统架构如图1所示。

图1 岸基控制平台分系统架构

波浪滑翔机岸基显控系统主要包括探测航路规划及数据处理子系统、通信控制子系统、自动判情子系统及硬件支撑环境，其中探测航路规划及数据处理系统由航路规划分系统、数据接收处理和质量控制分系统、探测综合应用分系统、观探测设备监控分系统及综合显示分系统等组成；通信控制系统由通信控制软件和卫星通信终端组成，其中通信控制软件由主界面显示模块卫星通讯模块、地图控制模块、数据显示模块等四个子模块组成，其通过卫星终端与平台进行通信，完成探测平台的卫星定位以及数据实时传输；硬件支持环境由计算机终端、不间断电源、磁盘阵列等基础硬件设备组成，为波浪滑翔机岸基显控系统提供运行环境支撑。

系统采用分布式架构，可分为前端、后端、地图服务和数据库。该岸基控制平台是在Microsoft Visual Studio Ultimate开发环境下、基于C/S模式设计的。监控软件主要功能模块包括导航任务规划、海洋移动平台状态监控与配置管理、航迹跟踪显示、传感器数据可视化处理、卫星通讯、数据管理与历史数据备份等功能。前端使用WPF等技术开发，后端使用基于C#语言，地图服务Geo Server可使用在线地图数据或离线地图数据，支持本地部署地图服务器；数据库采用SQL Server，可集群扩展，支持高并发和高可用性。

1.综合显示及数据可视化子

综合显示分系统通过将不同来源的数据进行整合，并提供友好的用户界面，使操作人员能够实时了解海上环境和风/浪混合动力无人自主探测平台的位置及状态。它可以提供目标跟踪、监视船只、数据管理、报警等功能。如图2所示，界面通过鼠标滚轮进行放大缩小，通过拖动来调节位置，已有设备、轨迹、封控区等都可显示在地图上，并且可通过在右上角下拉框中选择快速定位到某个设备，方便操作人员进行观测。

图2 主界面显示模块

主界面显示模块可综合显示来自卫星、串口、IP网络等多种信息源的探测数据，以图、表、地图的形式呈现给用户。支持多种主流地图、海图、自定义地图的显示，支持地图选择目标、测距、轨迹、设定区域等基本和专业操作，经纬度显示精度为米级（具体取决于设备传回的精度），符合国际WMS地图标准，可进行历史数据的复现。通过高速缓存等方法，实现数据高效检索和显示。完成平台的状态监控、卫星通讯链路管理、海洋环境监测任务控制等，同时以数字、图表、三维地图等形式提供海洋移动平台的运行状态、定位信息、航迹显示等，实现海洋移动平台的监控任务。

2.声学数据可视化

声学数据可视化采用声学 LOFAR 图进行可视化，如图15所示，声学 LOFAR 图是一种基于声纳技术的水下图像成像方法。它使用低频声纳波进行成像，可以在水下环境中获取高分辨率的图像，并且具有良好的穿透力和较低的散射噪声。

声学 LOFAR 图的成像原理是：在水下环境中发射低频声纳波，波在传播过程中被反射、散射、折射等，最终被接收器接收到。根据接收到的声纳信号强度和时间差信息，可以重构出水下环境中的物体信息。通过对多次接收到的声纳信号进行处理和叠加，可以得到高分辨率的声学 LOFAR 图像。声学 LOFAR 图在水下探测、海洋勘探、水下搜救等领域具有广泛的应用。

图3 声学数据显示界面

2.软件安全性和稳定性

在软件的安全性和稳定性方面，将使用加密和校验机制来确保指令的安全性和可靠性。在指令传输过程中，将对指令进行加密，以防止指令被非法获取和篡改。同时，还将实现校验机制，对指令进行校验，以确保指令的完整性和正确性。

本设计中采用AES加解密方法，高级加密标准（Advanced Encryption Standard，AES）是一种对称加密算法，它采用分组密码体制，将明文分成固定长度的数据块进行加密，其加解密原理如图4所示。AES算法主要包括密钥扩展、初始轮密钥加、轮函数和最终轮密钥加等步骤。通过多次迭代和轮函数变换，实现对明文数据的安全加密。在指令传输过程中，采用AES加密算法对指令进行加密处理。首先，将待传输的指令按照AES算法的要求进行分组；然后，使用预设的密钥对分组后的指令进行加密；最后，将加密后的指令通过网络进行传输。接收方在收到加密指令后，使用相同的密钥进行解密，还原出原始指令。通过AES加密技术，可以有效防止指令在传输过程中被非法获取和解析。密钥管理是AES加密技术的关键环节。在本系统中，我们采用密钥分发中心（KDC）的方式进行密钥管理。KDC负责生成和管理密钥，并为合法的通信双方分发密钥。通信双方在建立连接时，首先向KDC申请密钥；KDC验证双方身份后，将密钥通过安全通道分发给双方；双方收到密钥后，即可使用AES算法进行加密通信。

图4 AES加解密原理

3.硬件支撑环境

岸基控制平台硬件由电脑、配电柜、中星12、24V配电盒、串口服务器、天通供电盒、北斗一体机、天通天线、交换机、走线桥架等组成，岸基控制平台硬件如图5所示。

图5 岸基硬件连接示意图

将天通天线、北斗一体机、中星12安装固定在楼顶或空旷的地方，如图6所示。天通天线、北斗一体机、中星12的连接线接入配电柜。天通天线、北斗一体机由北斗配电盒和24V配电盒供电，通讯口连接串口服务器，再由串口服务器连接电脑。中星12馈线连接卫星路由器，路由器连接H3C交换机，由交换机连接电脑。所有天线安装应选取空旷无遮挡的地方。天通天线至少保证西南空域无遮挡；中星12安装前确定天线方位角和仰角，保证该方向空域无遮挡。中星12底座使用沙袋固定，防止大风导致天线角度改变。广州岸基配电柜无防水功能，需安装在室内。天线线缆如果太长，需要预留够室内正合适的长度，在室外将线缆盘好用轧带捆好，保持整洁美观。

图6 天线安装

智能网页版岸基监控技术

在当今时代，为了对海洋环境进行准确实时监测，越来越多的新型无人设备不断涌现，例如信标机、浮标等。其中波浪滑翔器作为一种自然能驱动的海洋无人航行器以其独特的优点被广泛使用，有着十分广阔的应用场景。但是，还没有一套完全合适、功能齐全的软件系统可以实时、准确地接收这些新型设备采集的数据并做出实时指示。远海数据的实时传输与接收对于新型设备的下一步任务指示以及内地人员的分析具有至关重要的作用。因此，专门开发针对以上问题的智能岸基系统对于促进海洋监测领域的发展具有一定的推动作用。

为确保智能岸基系统的高可用、高性能、高并发，实现新型无人设备的实时通讯、智能值守、数据分析等关键技术，智能岸基系统技术主要涉及以下关键领域：

1.多源融合的数据显示和数据复现技术

通过分析波浪滑翔器采集数据、发送数据和接收数据的特点，搭建铱星、天通、北斗多链路的多端通讯设施，支持多种不同设备同时回传数据。利用Netty相关技术与网络通讯协议相关理论，实现系统与多台设备的双向数据实时通讯，保证系统的低延迟与高实时。其次，为了确保数据传输的安全性，通过制定传输协议与特定的加密算法，将回传数据实时复现，发送数据实时加密。此外，为了便于实时掌握诸多设备的航行情况以及航行位置，融入多端数据展示技术，搭建私有地图与现有市面流行地图相结合的多端展示层环境。这对于发现设备异常后进行处置操作有着不可替代的作用。

2.智能值守技术

为了简化人员的繁琐操作，设计智能值守策略，帮助波浪滑翔器等设备人员及时发现设备存在的问题，并进行默认的任务规避操作。对于多端不同数据在多个处理流程中的分析结果，做出不同的响应，并支持电话、邮件、短信、声音等多种报警与唤醒方式，便于及时处置。其次，设置一系列规则算子，进行智能判断，对不同的数据进行划分后，动态选择规则算子。也可针对人员自定义的规则算子进行及时判断。此外，构建指令操作指令库，旨在减少人员生成指令的不规范化与二义化。在发生异常时，根据指令库中的指令与当前状态的匹配程度，灵活的推荐适当的指令供选择，节省时间。若无人选择指令，将会在一定的时间内进行合理控制，保障远海任务的正常执行以及数据的正常收集，确保系统始终保持靠可靠状态。

3.指令技术和人机交互工程学方法

通过对指令格式进行分析，构建用于描述指令的专用结构，将指令结构标准化，模板化。通过合理运用人机交互工程学原理和技术，致力于优化人与系统之间的交互过程，提高系统的易用性和效率，减少人员操作步骤，降低误操作率。此外，针对多端设备设计多种融合的指令模板，直接作用于系统中，提高系统的智能化与兼容性。根据指令模块，迅速构建并发送指令，减少系统交互时间。对波浪滑翔器的远海任务的下一步任务，精确指导。

4.基于规则引擎的自动报警技术

复杂海洋环境下波浪滑翔机数据量复杂多变，如何有效的判断波浪滑翔器处于报警边缘成为一个关键技术难题。DROOLS（JBOSS RULES）是使用java语言开发的开源业务规则引擎。它是一个易于访问企业策略、易于调整以及易于管理的开源业务规则引擎，符合业内标准，速度快、效率高。业务分析师或审核人员可以利用它轻松查看业务规则，从而检验是否已编码的规则执行了所需的业务规则。

项目团队为了解决这样的难题，提出一种基于DROOLS的自动报警技术，在多端数据复现后，立即进入该流程中。在本系统中，DROOLS被用来定义波浪滑翔器异常规则，当波浪滑翔器回传给岸基的信息触发异常规则之后，系统将给指定的管理员用户发送报警邮件并在“报警信息页面”显示出详细的报警信息，提供给管理员用户参考。报警信息基于历史情况进行综合考量与评判。

5.卫星通讯协议模板化和自动解析技术

随着互联网的迅猛发展，TCP/IP协议已经成为21世纪初应用最广泛的通讯协议，各种通讯媒介都被用来传输IP数据。卫星通信是数据通信网络的重要形式，传统上是作为“通信子网”，即只支持网络层以下的功能，是数据包传输的透明通道。为更有效地提供数据传输业务，减少与其他网络协议的接口转换，TCP/IP在卫星通信网中的应用已受到关注。团队成员根据TCP/IP协议建立与卫星通讯的双向通道，充分考虑了无网络环境的远航航行，构造天通通信,铱星通信与北斗/GPS通信三合一功能。

在系统自动解析技术中，通过先前设定的解析规则进行解析，保密性与安全性极高。智能解析过程根据卫星和设备的类型，智能选择所需的通讯方式、通讯参数、解析引擎配置文件等。

6.智能岸基系统技术成果

　　高可用、高并发、高可靠的智能岸基软件系统已正式上线。