陳杰, 張曉楠, 蔡玉龍, 高皜, 劉杰, 李正寶

(齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院)，山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266001)

海洋是地球的動態(tài)引擎，驅(qū)動能量傳輸和基本循環(huán)，對全球的氣候變遷、生態(tài)循環(huán)、物種繁衍、人類進化等具有舉足輕重的作用[1]。海底觀測網(wǎng)能夠長期實時、連續(xù)獲取海洋物理、化學(xué)、地質(zhì)、生物等觀測數(shù)據(jù)，對于海洋科學(xué)研究、海洋環(huán)境保護以及海底資源勘探與開發(fā)都具有十分重要的意義[2-3]。近年來，海底觀測網(wǎng)絡(luò)的研究與建設(shè)已經(jīng)成為國際海洋研究領(lǐng)域的熱點[4]。

數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)(data management system for seafloor observatory network， SON-DMS)是海底觀測網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)核心、控制核心，是連接遠程用戶與海底設(shè)備之間的紐帶[5]。在海底觀測網(wǎng)絡(luò)運行過程中，SON-DMS需要與海底設(shè)備建立實時通信鏈路，采集各類傳感器數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)；需要管理成百上千種儀器并對設(shè)備運行狀態(tài)和故障進行實時監(jiān)控和應(yīng)急處理。同時，SON-DMS需要對實時采集的數(shù)據(jù)進行解析、存儲、顯示、管理等，為用戶提供數(shù)據(jù)服務(wù)。因此，SON-DMS已經(jīng)成為海底觀測網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，設(shè)計開發(fā)自適應(yīng)、可擴展、開放式的SON-DMS成為海底觀測網(wǎng)絡(luò)的重要研究內(nèi)容。

目前，國內(nèi)外開展的海底觀測網(wǎng)絡(luò)研究中，比較成熟的海底觀測網(wǎng)信息系統(tǒng)主要是VENUS和NEPTUNE的信息管理系統(tǒng)(data management and archiving system， DMAS)。DMAS能夠?qū)⒑５子^測數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)共享給全球用戶，在線查看觀測的視頻、傳感器數(shù)據(jù)等觀測資料。管理用戶可以對設(shè)備進行在線控制，例如在線開啟其海底攝像頭[6-8]。但DMAS以文件系統(tǒng)形式保存觀測數(shù)據(jù)[9]，其觀測數(shù)據(jù)比較分散，對歷史數(shù)據(jù)的查詢分析和數(shù)據(jù)產(chǎn)品制作等處理難度大、效率低。隨著國內(nèi)海底觀測網(wǎng)絡(luò)研究的發(fā)展，相關(guān)研究單位也開發(fā)了一些觀測網(wǎng)SON-DMS。但是這些系統(tǒng)的功能比較單一，或只適用于其對應(yīng)的局域觀測網(wǎng)，難以完全滿足海底觀測網(wǎng)動態(tài)管理和自適應(yīng)控制的需求。本文通過分析海底觀測網(wǎng)在通信、管理、故障診斷、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制等方面的系統(tǒng)需求，構(gòu)建了SON-DMS的功能模型，設(shè)計了SON-DMS關(guān)鍵技術(shù)的相關(guān)實現(xiàn)算法，給出了系統(tǒng)的實現(xiàn)方案并通過海試驗證了系統(tǒng)的性能。

1 系統(tǒng)分析

海底觀測網(wǎng)絡(luò)是一個比較龐大的觀測系統(tǒng)，通過鎧裝海底光電復(fù)合纜連接成百上千種科學(xué)觀測儀器，實現(xiàn)海底大范圍的長期實時連續(xù)觀測。在網(wǎng)絡(luò)運行過程中，SON-DMS需要實時接收、存儲海量采集數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)在存儲格式、采集頻率、數(shù)據(jù)質(zhì)量等方面存在差異，設(shè)計高效的海量數(shù)據(jù)自動接收、解析和存儲算法，實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)實時并發(fā)接收及異構(gòu)解析功能成為SON-DMS的基本功能。同時SON-DMS還需要對海底連接的上千種儀器設(shè)備實現(xiàn)動態(tài)管理，這些儀器的數(shù)量、種類、數(shù)據(jù)格式、指令格式、供電通信格式、布放位置等存在較大差異，采用可擴展的設(shè)計模式，實現(xiàn)海底觀測儀器動態(tài)管理成為SON-DMS的又一重要功能需求。而且，海底觀測網(wǎng)絡(luò)需要實時監(jiān)測海底設(shè)備能源分配狀態(tài)、通信信道狀態(tài)、艙內(nèi)環(huán)境參數(shù)、傳感器狀態(tài)等水下接駁設(shè)備與傳感器的狀態(tài)參數(shù)，并對異常和故障進行快速診斷和分級處理。因此，實現(xiàn)故障診斷和自處理能力是SON-DMS系統(tǒng)設(shè)計的又一關(guān)鍵需求，能為海底觀測網(wǎng)絡(luò)長期穩(wěn)定可靠運行提供重要保障。最后，海底觀測網(wǎng)絡(luò)還需要對接收的數(shù)據(jù)進行質(zhì)量控制、產(chǎn)品制作等處理，為用戶提供多類型、多學(xué)科海洋數(shù)據(jù)可視化展示平臺，采用可視化展示分析技術(shù)實現(xiàn)智能交互是SON-DMS的關(guān)鍵技術(shù)和難點[10-13]。

通過上述分析，我們建立SON-DMS功能模型如圖1所示，該模型從數(shù)據(jù)通信、設(shè)備管理、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)產(chǎn)品方面對SON-DMS功能進行了分解：

(1)數(shù)據(jù)通信。SON-DMS要接收海底觀測儀器通過光纜上傳的數(shù)據(jù)，必須具有網(wǎng)絡(luò)通信的功能。數(shù)據(jù)通信部分要能夠達到以下要求：同時處理多個網(wǎng)絡(luò)連接，對每個連接進行IP判斷，保證通信數(shù)據(jù)的完整，能夠正確收發(fā)數(shù)據(jù)，能夠轉(zhuǎn)發(fā)控制指令。

(2)設(shè)備管理。整個海底觀測網(wǎng)絡(luò)會有多個節(jié)點，每個節(jié)點會有數(shù)個接駁盒，每個接駁盒可以接有多種傳感器。每種設(shè)備的IP地址、通信協(xié)議、通信數(shù)據(jù)格式等都會有所區(qū)別。SON-DMS必須具備設(shè)備管理功能，管理系統(tǒng)的節(jié)點信息和子系統(tǒng)信息，同時可以查看節(jié)點信息及子系統(tǒng)信息內(nèi)容，并且可以添加、修改相關(guān)信息，保證設(shè)備增加或者刪除時，系統(tǒng)能夠以最短的時間適應(yīng)這些動態(tài)變化。

(3)數(shù)據(jù)處理。SON-DMS的核心是為了獲取、存儲海洋數(shù)據(jù)，而設(shè)備上傳的數(shù)據(jù)可能是采集到的“源數(shù)據(jù)”，SON-DMS必須要區(qū)分不同類別的數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過相應(yīng)的公式換算得到用戶“可理解”的數(shù)據(jù)，再將這些數(shù)據(jù)依據(jù)各自的時間信息存儲到數(shù)據(jù)庫指定的數(shù)據(jù)表里面。SON-DMS需要解析存儲觀測數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)并對異常進行自動監(jiān)控及報警。

(4)數(shù)據(jù)產(chǎn)品。為了對數(shù)據(jù)進行直觀顯示，SON-DMS需要將數(shù)據(jù)制作成數(shù)據(jù)產(chǎn)品展示給用戶，以數(shù)據(jù)表格或者曲線形式對實時數(shù)據(jù)及歷史數(shù)據(jù)進行顯示。同時，為了提高數(shù)據(jù)分析的準確性，SON-DMS需要對解析的數(shù)據(jù)進行有效的質(zhì)量控制。

2 關(guān)鍵技術(shù)與算法實現(xiàn)

在SON-DMS系統(tǒng)設(shè)計中，數(shù)據(jù)通信是其正常運行的前提，設(shè)計高質(zhì)量的通信策略是海底觀測網(wǎng)能否正常運行的關(guān)鍵；設(shè)備動態(tài)管理是SON-DMS保證海底觀測網(wǎng)掛載的各設(shè)備正常運行的基礎(chǔ)；故障診斷與自適應(yīng)處理技術(shù)是海底觀測網(wǎng)絡(luò)長期可靠運行的必要保障；數(shù)據(jù)質(zhì)量控制是SON-DMS提供優(yōu)質(zhì)用戶服務(wù)和數(shù)據(jù)產(chǎn)品的關(guān)鍵。因此，通過重點分析SON-DMS設(shè)計中的難點問題和關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計相關(guān)實現(xiàn)算法才能保證SON-DMS的長期可靠運行。

2.1 數(shù)據(jù)通信

海底觀測網(wǎng)長期放置在水下，每天24 h不間斷產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，而且不同設(shè)備的數(shù)據(jù)在采集頻率、數(shù)據(jù)格式等方面存在差異。另外海底觀測網(wǎng)系統(tǒng)龐大，水下環(huán)境復(fù)雜，海底通信網(wǎng)的不穩(wěn)定有可能導(dǎo)致重要數(shù)據(jù)或者指令丟失，因此，實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的同步并發(fā)處理及提高指令執(zhí)行成功率是數(shù)據(jù)通信所要解決的難點問題。

由于通信協(xié)議是通信傳輸中的基本單位，協(xié)議設(shè)計的好壞直接影響數(shù)據(jù)通信的效率，本文針對海底觀測網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)特點首先設(shè)計了一種通用型的通信協(xié)議，其協(xié)議格式如表1所示，結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。該協(xié)議將內(nèi)容形式各異的數(shù)據(jù)進行封裝，可以提高系統(tǒng)的解析速度，保證數(shù)據(jù)通信完整性。該通信協(xié)議主要分成3部分：包頭、包體和校驗位。包頭部分包含節(jié)點ID號定義、時間戳等公共信息定義，長度以及格式固定。包體為完成的具體業(yè)務(wù)需要的接口參數(shù)信息，根據(jù)各自設(shè)備內(nèi)容不同而有不同的格式和長度，依據(jù)具體數(shù)據(jù)內(nèi)容進行分裝、定義。校驗位為包頭與包體的CRC32校驗，長度及格式固定。

表1 自定義通信協(xié)議格式

圖2 通信協(xié)議結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure chart of communication protocol

SON-DMS與水下設(shè)備進行通信時，為了兼顧通信效率和通道利用率，將數(shù)據(jù)接收與指令發(fā)送設(shè)計成兩個相互獨立的并發(fā)通信模塊，各自獨立完成其功能。數(shù)據(jù)接收模塊每次接收數(shù)據(jù)時對數(shù)據(jù)進行包編號、校驗和判斷，若二者都正確則對數(shù)據(jù)進行解析并存儲到數(shù)據(jù)庫，通過重連機制實時監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)并自動恢復(fù)通信連接，以提升網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可靠性和自恢復(fù)能力。數(shù)據(jù)指令發(fā)送模塊采用握手機制提高單次通信成功率，通過重發(fā)機制保證指令可靠傳輸與執(zhí)行反饋。

2.2 設(shè)備管理

海底觀測網(wǎng)在長期運行過程中會遇到傳感器需要變更物理接口或隨著探測需求的變化而增加傳感器的情況。這種設(shè)備狀態(tài)的動態(tài)變化對系統(tǒng)設(shè)計提出了更高的要求，需要設(shè)計可擴展性高的算法和結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)設(shè)備的動態(tài)管理需求。

參考MBARI以及VENUS數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)設(shè)計方案[14-16]，在吸取國外數(shù)據(jù)管理經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，根據(jù)前面介紹的設(shè)備管理需求，本文首先建立水下接駁設(shè)備的元數(shù)據(jù)表格與動態(tài)配置表格。元數(shù)據(jù)表格主要是對電氣參數(shù)、接口形式、數(shù)據(jù)格式、通信參數(shù)、指令格式等設(shè)備基本信息進行管理。當設(shè)備信息改變時，主要通過對元數(shù)據(jù)表格的增刪改查來進行維護。動態(tài)配置表對實際物理接口、協(xié)議編號、設(shè)備名稱進行動態(tài)管理。物理接口與數(shù)據(jù)包中的節(jié)點ID號有唯一的映射關(guān)系，而與所接的設(shè)備不存在唯一的對應(yīng)關(guān)系，其映射關(guān)系如圖3所示。

圖3 設(shè)備動態(tài)管理映射圖Fig.3 Device dynamic management map

從圖3中可以看出，物理接口com1可以連接設(shè)備1至設(shè)備n中的任意一個，當接口更換新的傳感器，只需要在SON-DMS中完成對動態(tài)配置表格的更改，即建立好物理接口與實際設(shè)備的映射，程序便能從設(shè)備元數(shù)據(jù)表格中找出對應(yīng)設(shè)備的映射，從而查找對應(yīng)的數(shù)據(jù)格式等參數(shù)，然后利用正則表達式解析出數(shù)據(jù)。如果新增傳感器，則首先在設(shè)備元數(shù)據(jù)表格中增添新增設(shè)備的數(shù)據(jù)格式等參數(shù)信息，然后在SON-DMS動態(tài)配置表中配置該設(shè)備所連接的物理接口。

2.3 故障診斷

海底觀測網(wǎng)需要長期布放在海底，海底環(huán)境復(fù)雜多變，海底觀測網(wǎng)絡(luò)布放工程難度大，維修費用昂貴，一旦某一設(shè)備出現(xiàn)通信異常、數(shù)據(jù)異常等故障問題后不及時處理可能會影響整個海底觀測網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，從而對整個系統(tǒng)造成致命打擊。SON-DMS需要實現(xiàn)對水下設(shè)備運行狀態(tài)進行實時故障檢測與診斷、異常信息報警及應(yīng)急處理等。海底觀測網(wǎng)需要監(jiān)控的設(shè)備較多，狀態(tài)參數(shù)具有大數(shù)據(jù)特點，如何快速定位故障并給出故障優(yōu)先級處理順序是故障診斷研究的重點內(nèi)容。

故障診斷的難點在于海底觀測網(wǎng)絡(luò)布放在深海，只能依靠獲取的狀態(tài)數(shù)據(jù)進行判斷。本設(shè)計首先按照海底觀測網(wǎng)監(jiān)控的狀態(tài)參數(shù)進行分類，主要包括各路電參數(shù)監(jiān)測，艙體內(nèi)溫濕度、漏水、壓力狀態(tài)監(jiān)測，過壓過流保護監(jiān)測和通信控制監(jiān)測。具體故障診斷內(nèi)容如表2所示。

表2 故障監(jiān)測內(nèi)容

2.4 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制

海底觀測網(wǎng)絡(luò)中的傳感器可能受周邊環(huán)境、傳感器本身非線性等因素的影響出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失或者數(shù)據(jù)失真的現(xiàn)象。SON-DMS在數(shù)據(jù)產(chǎn)品制作時必須對解析完成的傳感器數(shù)據(jù)進行有效的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制，以降低數(shù)據(jù)錯誤率。海底觀測網(wǎng)絡(luò)中傳感器數(shù)值有可能是隨機干擾造成的無效異常值，也有可能是海洋參數(shù)連續(xù)變化出現(xiàn)的有效參考值，因此，在線剔除異常數(shù)值，并最大限度地保留在線數(shù)據(jù)有效信息是數(shù)據(jù)質(zhì)量控制的重要研究內(nèi)容。

本文采用一種改進的53H算法。53H算法最先是由Tukey提出的，其基本思想是產(chǎn)生一個曲線的平滑估計，然后通過將測量值與這一估計值進行比較來識別異常點[17]。其步驟如下：

第1步 設(shè)x(i)為測量的在線數(shù)據(jù)序列。為從x(i)構(gòu)造一個新序列x1(i),取x(1)，x(2),…，x(5)的中間值作為x1(3)，然后舍去x(1)、加入x(6)，取中間值得到x1(4)；以此類推，直到加入最后一個數(shù)據(jù)。顯然，x1(i)的項數(shù)比x(i)少4項。

第2步 用類似的方法在x1(i)的相鄰3個數(shù)中選取中間值而構(gòu)成序列x2(i)。

第3步 最后由序列x2(i)按如下方式構(gòu)成x3(i)：

x3(i)=0.25x2(i-1)+0.5x2(i)+0.25x2(i+1)。

(1)

這是一個Hanning平滑濾波器[18]，因此該方法稱為53H法。

第4步 如果有下式成立，則用x3(i)代替x(i)，

|x(i)-x3(i)|>k，

(2)

其中，k為一預(yù)定值。

由運算步驟可以看出序列x(i)的開始4個點和末尾4個點沒有得到有效平滑，因此本文將此算法作如下改進。

第5步 將x(i)序列開始的8個點和末尾8個點反序排列生成序列x′(i)，即為：

x(8),x(7),x(6),x(5),x(4),x(3),x(2),x(1),x(9),…,x(n-8),x(n),x(n-1),x(n-2),x(n-3),x(n-4),x(n-5),x(n-6),x(n-7)。

由于改進的53H算法對序列開始和末尾的8個點進行了正反兩次平滑，因此，只要選定適當?shù)膋值，該算法可以在不改變序列特性的情況下使所有的點都得到有效平滑。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

SON-DMS開發(fā)環(huán)境采用Microsoft Visual Studio 2010，編程語言采用C#，數(shù)據(jù)庫類型為MySQL，數(shù)據(jù)通信骨干網(wǎng)采用基于TCP-IP協(xié)議的Socket通信技術(shù)，儀器端口采用串口通信技術(shù)。

3.1 數(shù)據(jù)通信

SON-DMS數(shù)據(jù)通信采用多線程處理機制實現(xiàn)并行處理，為每個連接創(chuàng)建一個線程來解決數(shù)據(jù)處理的并發(fā)問題，并采用雙Socket、長短連接相結(jié)合的通信模式保證接收與發(fā)送過程互不干擾。數(shù)據(jù)接收模塊采用Socket長連接，其流程圖如圖4所示，在保持連接期間，如果沒有數(shù)據(jù)包發(fā)送，需要雙方發(fā)送鏈路檢測包以維持此連接，若連接斷開，系統(tǒng)設(shè)有網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)檢測及重連機制以保證通信可靠性。指令發(fā)送模塊采用Socket短連接， SON-DMS發(fā)送完指令并接收到來自水下表示已經(jīng)正確接收和解碼的返回包后，馬上斷開連接以減少系統(tǒng)開銷。其流程圖如圖5所示，其中nT(n

圖4 接收數(shù)據(jù)流程圖Fig.4 Flow chart of receiving data

圖5 發(fā)送指令流程圖Fig.5 Flow chart of sending instruction

3.2 設(shè)備管理

主要通過對數(shù)據(jù)庫設(shè)備信息表的維護實現(xiàn)設(shè)備的動態(tài)管理，程序界面設(shè)計時使用動態(tài)樹控件來顯示設(shè)備名稱以及設(shè)備數(shù)值等信息，動態(tài)配置解析完成傳感器數(shù)據(jù)后，從數(shù)據(jù)庫讀取信息或者利用C#委托回調(diào)機制直接送到界面動態(tài)樹顯示。

3.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理使用多線程機制提高執(zhí)行效率和程序工作的并發(fā)性。SON-DMS數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)的工作流程是當建立連接后，由SON-DMS發(fā)送數(shù)據(jù)采集等控制命令，海底采集程序接收到命令后將所得到的數(shù)據(jù)按照自定義協(xié)議打包，然后傳送給SON-DMS處理，數(shù)據(jù)處理流程圖如圖6所示。同時，SON-DMS后臺程序創(chuàng)建每種異常自動監(jiān)測的線程，每隔固定時間按表2中的內(nèi)容進行監(jiān)測，無需人員實時守護。SON-DMS中集成SMS短信報警平臺，異常出現(xiàn)后，會立即通過手機短信通知相關(guān)人員。

圖6 數(shù)據(jù)處理流程圖Fig.6 Flow chart of data processing

3.4 數(shù)據(jù)產(chǎn)品制作

SON-DMS處理兩種類型的傳感器數(shù)據(jù)，即每種傳感器實際測量的數(shù)據(jù)以及經(jīng)過53H數(shù)據(jù)質(zhì)量控制算法計算得到的數(shù)值，數(shù)據(jù)產(chǎn)品的展示主要是將此兩類傳感器數(shù)據(jù)以及其他被測物理量使用C#委托回調(diào)機制送到界面制成實時曲線圖或者表格，同樣可以采用曲線或者表格的方式查詢歷史數(shù)據(jù)。使用線程機制保證圖形界面的實時響應(yīng)。

4 系統(tǒng)試驗

4.1 試驗方案

采用本文設(shè)計的SON-DMS的海底觀測網(wǎng)于2017年8月—11月在青島膠州灣中苑碼頭完成3個多月的海試試驗。海試過程中，數(shù)據(jù)采集器上掛載5個傳感器，實時自動監(jiān)測溶解氧、甲烷、葉綠素、濁度、CDOM五類海洋環(huán)境參數(shù)。另外在岸邊安裝攝像頭，遠程終端設(shè)備可連接攝像頭對岸邊進行遠程監(jiān)控。

4.2 試驗結(jié)果及其分析

試驗結(jié)果表明，SON-DMS在3個多月連續(xù)運行期間能夠準確獲取包括溶解氧、甲烷、葉綠素等五種海洋化學(xué)參數(shù)，能夠成功發(fā)送各類指令并成功執(zhí)行。系統(tǒng)對各種數(shù)據(jù)進行準確解析、存儲、查詢以及顯示。SON-DMS具有較好的穩(wěn)定性、完善的功能性和友好的人機接口，典型界面如圖7～8所示。此外，SON-DMS還解決了海底觀測網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)涉及的難點問題，具體表現(xiàn)在：

圖7 SON-DMS典型界面IFig.7 Typical interface I of SON-DMS

圖8 SON-DMS典型界面IIFig.8 Typical interface II of SON-DMS

(1)SON-DMS具有強大的數(shù)據(jù)通信能力。

海底觀測網(wǎng)實時監(jiān)控系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定運行3個多月，SON-DMS收到有效科學(xué)數(shù)據(jù)多達560萬條，數(shù)據(jù)丟包率僅為0.045%，指令響應(yīng)時間小于3 s，指令執(zhí)行成功率高達98.2%，這些性能指標說明在保證系統(tǒng)響應(yīng)能力前提下，海底觀測網(wǎng)數(shù)據(jù)通信關(guān)鍵技術(shù)中采用的通信協(xié)議格式能保證數(shù)據(jù)通信的完整性，雙Socket、長短連接結(jié)合的機制能提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

(2)SON-DMS具有靈活的設(shè)備動態(tài)管理能力。

海試中，傳感器設(shè)備需要更換接口或在接口上新增傳感器時，只需在SON-DMS配置界面中動態(tài)配置物理接口所接的實際設(shè)備，該映射建立完成后，整個系統(tǒng)便可以在2 min之內(nèi)以Socket網(wǎng)絡(luò)通信方式接收到數(shù)據(jù)，說明以動態(tài)配置表與元數(shù)據(jù)表映射關(guān)系建立的方式動態(tài)管理設(shè)備比改變代碼更為靈活。

(3)SON-DMS具備異常自動監(jiān)控、故障及時報警的能力。

在實際驗證中，考慮到無法現(xiàn)場復(fù)現(xiàn)觀測儀器故障，采用模擬故障方法，針對電參數(shù)、溫濕度、漏水故障，通過改變閾值檢測診斷工作；針對通信故障，通過主動切斷網(wǎng)絡(luò)連接檢測。模擬試驗表明，SON-DMS能監(jiān)控表2中列舉的任意一種故障，而且能夠通過短信及時報警。

(4)海底觀測網(wǎng)絡(luò)實時監(jiān)控系統(tǒng)具有較低的數(shù)據(jù)錯誤率。

以溶解氧采集到的頻率為例，經(jīng)53H數(shù)據(jù)質(zhì)量控制處理后，傳感器數(shù)據(jù)的錯誤率(指SON-DMS接收到的異常傳感數(shù)據(jù)與全部傳感器數(shù)據(jù)的比值)由0.011%降低為0.000 81%，如表3所示。溶解氧原始頻率曲線與數(shù)據(jù)質(zhì)量控制處理曲線對比如圖9所示。從對比曲線整體圖以及局部放大圖中可以看出，經(jīng)過53H數(shù)據(jù)質(zhì)量控制處理后得到的曲線有效剔除了異常值，并且在保留原始曲線趨勢性的基礎(chǔ)上，對原始的曲線進行了有效的平滑。

表3 海底觀測網(wǎng)絡(luò)實時監(jiān)控系統(tǒng)的傳感數(shù)據(jù)錯誤率分析

圖9 數(shù)據(jù)對比曲線圖Fig.9 Curve of data comparison

5 結(jié)論

本文設(shè)計的SON-DMS由數(shù)據(jù)通信、設(shè)備管理、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)產(chǎn)品4大子系統(tǒng)構(gòu)成，解決了SON-DMS中涉及的數(shù)據(jù)通信、設(shè)備管理、故障診斷及數(shù)據(jù)質(zhì)量控制等難點問題。經(jīng)試驗驗證，該SON-DMS具有良好的穩(wěn)定性、完善的功能性和便捷的人機接口。此外，系統(tǒng)集成的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制機制降低了系統(tǒng)數(shù)據(jù)錯誤率，提高了可靠性。這些特性使得開發(fā)的SON-DMS能夠滿足海底觀測網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)階段的應(yīng)用需求。

目前，SON-DMS已實際應(yīng)用一年，運行情況良好。但是隨著海底觀測網(wǎng)的擴大，SON-DMS并沒有包括對接駁盒的管理，而且存在界面不夠美觀等問題。因此，下一步的工作是在保證和提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時，逐步完善系統(tǒng)現(xiàn)存的不足之處。