基于GPRSGPSGIS的船舶溢油遠程監(jiān)測系統(tǒng)的研究

1、基于GPRS/GPS/GIS的船舶溢油遠程監(jiān)測系統(tǒng)的研究汪渝 熊德琪 （大連海事大學環(huán)境科學與工程學院）摘要：目前，我國船舶溢油導致近海石油污染日益加重，因此實時準確地監(jiān)視溢油位置和漂移軌跡是采取有效溢油應急行動的關鍵，衛(wèi)星遙感雖可用于探測海面溢油，但時間滯后，不夠及時。本文致力于為船舶溢油提供一種準確實時的應急監(jiān)測手段。重點開發(fā)一種與海面油膜漂浮移動性能相似的、具有GPS信號接收的GPS浮標，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)測中心通過GPRS移動通信網(wǎng)實時接收GPS浮標發(fā)出速度、方向、及時間的定位信息，并由GIS界面平臺實現(xiàn)對溢油位置實時定位追蹤顯示。本文在分

2、析了GPS技術、GPRS技術以及相關的TCP/IP技術的基礎上，從系統(tǒng)總體設計的角度闡述了基于GPRS分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡GPS監(jiān)控系統(tǒng)的設計，實現(xiàn)了監(jiān)控終端的軟硬件設計、監(jiān)控中心的軟件設計、定位數(shù)據(jù)的傳輸?shù)?。有助于海事局等溢油應急部門和單位進行實時監(jiān)控、監(jiān)視和預測溢油走向，為船舶溢油應急指揮提供一種準確實時、成本低廉、全天候的溢油全程監(jiān)測手段。關鍵詞： 溢油監(jiān)測 GPS浮標 通用分組無線業(yè)務（GPRS）地理信息系統(tǒng)(GIS) 一、引言隨著我國石油進出口量和海上運輸量的逐年遞增，船舶溢油導致近海石油污染日益加劇，因此實時準確地監(jiān)視溢油位置和漂移軌跡是采取有效溢油應急行動的關鍵。目前我國對海面溢油的實時

3、監(jiān)測手段十分缺乏，現(xiàn)場觀察由于受距離、夜晚光線等限制，有很大的局限性。衛(wèi)星遙感和雷達雖可用于海面溢油探測，但時間滯后，不夠及時，而且費用較高。因此，急需一種準確實時、成本低廉、全天候的海面溢油監(jiān)測應急手段。（一） 系統(tǒng)的組成框圖在車載GPS監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)基礎上研制可應用于船舶溢油的遠程無線監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)由能接收并發(fā)送GPS定位信息的GPS浮標、GPRS無線通訊網(wǎng)、接收信息并通過GIS平臺實現(xiàn)溢油位置可視化跟蹤顯示的監(jiān)測中心組成，如圖1所示。 圖1 “3G”船舶溢油遠程監(jiān)測系統(tǒng)組成框圖（二）系統(tǒng)涉及的“3G”20世紀70年代由美國海陸空三軍聯(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

4、位導航系統(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）、用戶接收部分（由GPS接收機和天線組成），具有定位精度高、實時性強、全天候工作且成本低廉等優(yōu)點。GPRS（通用分組無線技術）是在現(xiàn)有的GSM（全球移動通信系統(tǒng)）網(wǎng)絡基礎上通過增加一些硬件設備并對原有網(wǎng)絡升級，形成的一個新的網(wǎng)絡邏輯實體。GPRS與GSM相比最大的優(yōu)點在于它是一種分組交換系統(tǒng)，可以面向用戶提供廣域的無線IP連接。中國移動公司在2000年底推出了GPRS業(yè)務，目前中國移動GPRS網(wǎng)絡已覆蓋全國所有省、直轄市、自治區(qū)。地理信息系統(tǒng)GIS是集計算機、地球科學和信息科學為一體的技術。它的特征是以地理空間數(shù)據(jù)庫為基礎，

5、在計算機軟、硬件的支持下，對空間相關數(shù)據(jù)進行采集、管理、操作、分析、模擬和顯示并采用地理模型分析方法，提供多種空間和動態(tài)的地理信息，為決策服務而建立的計算機系統(tǒng)。應用GPS定位技術，結合GPRS無線數(shù)據(jù)通信技術、網(wǎng)絡技術和地理信息系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對遠程移動目標的實時監(jiān)控。二、系統(tǒng)研發(fā)的主要內容 系統(tǒng)研發(fā)主要包括以下內容：GPS浮標的軟、硬件設計；GPRS通信網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)；GIS界面平臺定位信息的可視化；溢油位置、走向的預測等。系統(tǒng)利用具有與海面油膜相似漂浮移動性能的GPS浮標來對海面的油膜進行跟蹤。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)測中心通過GPRS移動通信網(wǎng)實時接

6、收GPS浮標發(fā)出的速度、方向、及時間的定位信息，并由GIS界面平臺實現(xiàn)對溢油位置的實時定位追蹤顯示。GPS具備的全天候實時提供三維位置、三維速度及時間等信息的特點，是其他定位方式無法比擬的。同時，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具有永遠在線、按流量計費、快速登錄、高速傳輸?shù)葍?yōu)點，可以滿足船舶溢油應急監(jiān)測的需要?？紤]到整個覆有溢油的流場區(qū)域的節(jié)點流速不一致的問題，系統(tǒng)擬用多投擲或多綁定GPS浮標，由這些信號數(shù)據(jù)再加以采用合適的流場仿真方法推算整個流場的潮流數(shù)據(jù)，進而達到預測潮流場流速數(shù)據(jù)、預測溢油走向等多方面

7、功能，有望在以往通過劃分網(wǎng)格加以數(shù)值模擬流場來預測溢油走向的準確性方面跨越一步。 溢油監(jiān)測系統(tǒng)所需的空間信息及其相關的屬性信息由GIS進行組織管理，GIS作為溢油應急系統(tǒng)的地理信息管理平臺，逐漸被證明是存儲、管理、分析地理信息的有效技術。溢油監(jiān)測系統(tǒng)是GIS的二次開發(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結合VB6.0進行開發(fā)。三、系統(tǒng)原理與設計（一）系統(tǒng)的組成原理 本系統(tǒng)由3部分組成，GPS浮標、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡（GPRS網(wǎng)絡和Internet網(wǎng)絡）、監(jiān)測中心。系統(tǒng)組成原理圖如下圖所示。GPS浮標監(jiān)測中心GPRS網(wǎng)絡Internet網(wǎng)絡圖2 溢油監(jiān)測系統(tǒng)組

8、成原理圖在溢油發(fā)生后立即將15個GPS浮標從船上、飛機上投放到厚油膜層中隨油膜一起漂移，GPS浮標中內置的GPS模塊采集定位數(shù)據(jù)，并通過GPRS模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到GPRS網(wǎng)絡然后到Internet網(wǎng)絡，最終發(fā)送到監(jiān)測中心。監(jiān)測中心的中心計算機上裝有系統(tǒng)軟件，實時接收傳來的定位信息，并在GIS平臺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?。（二）系統(tǒng)的硬件組成 系統(tǒng)的硬件組成主要是GPS浮標部分。它內部由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浮標組成原理圖1.GPS模塊GPS模塊采用臺灣ProGin公司的NR-85系列模塊，它具有高靈敏

9、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，以及每秒一次的導航輸出。它采用了最新科技的裝配工藝和高水平的綜合電路設計，從而實現(xiàn)了產(chǎn)品的超小尺寸和超強的省電能力。2.ARM控制器 ARM控制器采用的是PHILIPS LPC2104系列32位ARM微控制器，它是一個支持實時仿真和跟蹤的32位ARM7TDMI-S CPU,并帶有32k字節(jié)（kb）嵌入的高速Flash程序存儲器。由于LPC2104采用非常小的64腳封裝、極低的功耗、多個32位定時器，這使得它們特別適用于工業(yè)控制、訪問控制、遠程監(jiān)測系統(tǒng)等應用領域。3.GPRS模塊 GPRS模塊采用Wavecom公司研制

10、的基于GPRS/GSM網(wǎng)絡的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊Q2406B,它具有標準的AT命令接口，可提供GSM語音、短消息和GPRS上網(wǎng)等業(yè)務，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，非常容易集成到應用產(chǎn)品中。其內部包括通用接口、音頻接口、SIM接口及射頻接口；具有內部的Flash存儲器，SRAM，A/D轉換、實時時鐘、聲音合成、供電電路等；能完成電池管理、存儲器管理、I/O口控制、SIM控制、GPRS控制及鍵盤控制。（三）系統(tǒng)的軟件設計 系統(tǒng)軟件設計主要包括GPS浮標和監(jiān)測中心的軟件設計。1.GPS浮標的軟件控制GPS浮標的軟件

11、設計主要包括兩個部分：ARM控制器程序的編寫和Q2406B無線通信模塊程序的編寫。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，以及與Q2406B通信等，采用高級語言C編寫。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)絡狀態(tài)檢測。2.AT指令實現(xiàn)串口通信 利用無線通信模塊進行通信產(chǎn)品的開發(fā)，首先是熟悉模塊的功能及各種AT指令。將計算機串口同模塊相連，運行串口調試程序，選擇所使用的串口號并以一定的波特率同模塊進行通信，它們之間交流的“語法”就是AT指令。 對于Q2406B模塊來說，可以

12、使用以下的AT指令使其連接到GPRS網(wǎng)絡上。AT+CGREG1將模塊申請注冊到GPRS網(wǎng)絡中；AT+CGATT1進行GPRS附著；AT#GPRSMODE=1模塊以GPRS模式進行數(shù)據(jù)傳輸；AT#APNSERV“CMNET”設置接入點名稱（為中國移動網(wǎng)絡）；AT#CONNECTIONSTART 開始進行GPRS連接；當選擇的傳輸層協(xié)議為TCP協(xié)議時，使用以下的AT指令與遠程的服務器進行TCP/IP連接。AT#TCPSERV“ip” 用來設置或返回遠程服務器的IP地址；AT#TCPPORT“port”用來設置或返回遠程服務器的端口；AT#OTCP 打開TCP連接。當選擇的傳輸層協(xié)議為UDP協(xié)議時，

13、使用的AT指令分別為AT#UDPSERV“ip”、AT#UDPPORT“port”。當完成以上的調試之后，GPRS模塊便可以通過GPRS網(wǎng)絡和Internet網(wǎng)絡發(fā)送數(shù)據(jù)到遠程的服務器端口中。3.監(jiān)測中心的軟件設計 監(jiān)測中心的軟件主要包括服務器接收軟件的編寫和GIS界面下的溢油預測軟件。其中，服務器軟件主要采用Winsock API函數(shù)。在Windows平臺下完成高性能的TCP/IP通信的網(wǎng)絡應用程序，需要直接使用Winsock API接口?；赪insock的TCP/IP通信技術開發(fā)應用程序的幾個主要步驟：在服務器端建立Socket，用Bind方法綁定，進入Listen(監(jiān)聽)狀態(tài)，一旦有客

14、戶端接入，用Accept方法接收并創(chuàng)建新的Socket與之通信。客戶端用Connect方法與服務器建立連接。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（用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議）傳輸協(xié)議是一種面向數(shù)據(jù)報的簡單傳輸協(xié)議，在進行通信之前不需要進行監(jiān)聽，而TCP傳輸協(xié)議則是面向連接的，在進行通信之前要進行監(jiān)聽。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、更復雜的傳輸協(xié)議。UDP適用于小量數(shù)據(jù)的發(fā)送（單獨的報文），而TCP則更適用于需要保證數(shù)據(jù)可靠性的應用場合，比如圖像數(shù)據(jù)的遠程無線傳輸?shù)?。本系統(tǒng)服務器接收軟件的設計采用了TC

15、P/UDP兩種傳輸協(xié)議，操作靈活，簡便。服務器軟件界面如圖4所示。 圖4 “3G”溢油監(jiān)測系統(tǒng)服務器接收界面溢油預測軟件主要是MapX功能的開發(fā)。MapInfo MapX是一個用來做地圖化工作的OCX控件，它可以很容易在應用程序中加入強大的制圖功能。它可以把數(shù)據(jù)用地圖的形式顯示出來，更易于理解。通過與VB的結合，開發(fā)GIS二次平臺，能夠很容易的實現(xiàn)圖層基本控制、圖層數(shù)據(jù)維護、圖層數(shù)據(jù)統(tǒng)計等。利用MapX和VB結合的組件式GIS，通過離散點插值擴散法和診斷模式為主的數(shù)學同化方法，對區(qū)域內海上溢油的走向和分布進行監(jiān)測和預測分析。本系統(tǒng)利用MapX與VB6.0結合開發(fā)的系統(tǒng)GIS主界面如圖5所示。

16、圖5“3G”溢油監(jiān)測系統(tǒng)面向用戶主界面（底圖為大連灣海域）四、系統(tǒng)的功能實現(xiàn) 系統(tǒng)以VB6.0作為GIS的二次開發(fā)語言，基于MapX來管理圖形數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)。MapX雖然是GIS的一個組件，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、無極縮放、漫游、動態(tài)標記、分層顯示以及溢油定位連續(xù)動態(tài)顯示及軌跡回放等；系統(tǒng)實時接收跟隨溢油漂移的GPS浮標的定位數(shù)據(jù)，并將其通過坐標轉換，由地理坐標變?yōu)槠聊蛔鴺?，在地圖上以一定的符號顯示，還可以選擇回放溢油軌跡，輸入相應時間和位置模擬溢油軌跡，預測溢油走向等功能；由所測GPS浮標漂移速度結合適當?shù)乃俣葓龇抡嫠惴▉眍A測未來溢油

17、的走向趨勢；可隨時查詢溢油的位置信息，污染潮流場的流速，流向以及浪高等數(shù)據(jù)；可隨時得知GPS浮標的位置，監(jiān)測中心可通過此位置進行應急確認，可以立即向距其周圍海域的應急船舶發(fā)出指令實施應急。五、結束語 基于GPRS/GPS/GIS的船舶溢油遠程監(jiān)測系統(tǒng)通過移動通信網(wǎng)絡和Internet網(wǎng)絡傳送所取得的定位信息與電子海圖經(jīng)過匹配，在海圖上便可以顯示出GPS浮標的走動，間接了解溢油走向。利用應急船舶上的導航系統(tǒng)和接收到的移動站位置信息便可以使應急單位找到溢油所處地點，從而進行及時的應急措施。本系統(tǒng)為近海船舶溢油提供了一種全天候、準確實時、成本低廉的應急監(jiān)測手段。參考文獻1. 劉光.地理信息系統(tǒng)-組件

18、開發(fā)篇M.中國電力出版社,2003.2. 崔彥鋒,許小榮.VB網(wǎng)絡與遠程控制編程實例教程M.北京希望電子出版社,2002.3. 金永福,熊德琪,嚴世強.GPS/GSM/GIS海上溢油跟蹤監(jiān)測系統(tǒng)的研究J.交通環(huán)保,2003,24(6):6-8.4. 王安寧.基于GPRS的遠程無線自動抄表系統(tǒng)J.農機化研究,2005,1(1):251-253。5. Wavecom AT commands for GPRS V1.3, 2001.6. AT Commands Interface Guide for IP Connectivity, 002, 2003.作者簡介 汪渝（1981-）,女,大連海事大學

19、環(huán)境科學與工程學院碩士研究生,主要研究方向為海洋環(huán)境管理與規(guī)劃.電話E-mail:tanjingwy.導師簡介 熊德琪（1967-）,男,大連海事大學環(huán)境科學與工程學院教授,博士生導師.電話E-mail:xiongdq.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 techniqu

20、e 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 re