CN112423255A - 一种海洋环境在线监测预警*** - Google Patents

一种海洋环境在线监测预警*** Download PDF

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CN112423255A CN202011240681.0A CN202011240681A CN112423255A CN 112423255 A CN112423255 A CN 112423255A CN 202011240681 A CN202011240681 A CN 202011240681A CN 112423255 A CN112423255 A CN 112423255A
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Abstract

本发明公开了一种海洋环境在线监测预警***，其中，该***包括：海洋环境监测子***、海洋数据集成子***、海洋数据管理子***、海洋数据分析子***以及海洋数据信息产品子***；海洋环境监测子***用于获取海洋环境数据，海洋数据集成子***、海洋数据管理子***、海洋数据分析子***和海洋数据信息产品子***分别对海洋环境数据进线处理、构建数据库、建立海洋灾难预警模型、进行人机交互，使得预警信息及相关服务信息能及时有效地发送给用户，完成对近海海洋环境的实时监测，能够及时了解海洋环境的污染情况以及对海洋自然灾难的***，并提前做出预防措施。

Description

一种海洋环境在线监测预警***
技术领域
本发明涉及海洋监测技术领域，具体涉及一种海洋环境在线监测预警***。
背景技术
在全球陆地资源日趋紧张和环境不断恶化的今天，世界各国纷纷将目光转向海洋，开发海洋资源、发展海洋经济以为沿海国家国民经济的重要支柱。海洋的合理开发利用必须建立在丰富的海洋信息基础之上。有效开发海洋资源、发展海洋经济和保护海洋环境，必须认识并掌握海洋环境的特点和变化规律，而海洋环境监测是人类认识海洋、掌握海洋环境条件及其变化规律的基本手段。从某种意义上讲，海洋环境监测的能力，直接影响着海洋资源开发和海洋环境保护的程度和效果。
海洋开发带来巨大经济效益的同时，也带来一系列资源和生态环境问题。目前近海渔业资源捕捞过度，使海洋生物资源受到了严重的破坏。海洋环境污染日趋严重，生态环境也日趋恶劣。陆源污染是海洋环境污染最主要的污染源，石油生产也严重污染海洋环境。此外还有不断增加的有机物质、营养盐和大量的放射性物质进入海洋，工业热污染以及其他固体物质对海洋的污染也在加强。我国海洋污染主要来源于陆源排污，排入中国海域的污水和各种有毒物质的80％来自陆地。70年代以前只在少数海域发生的赤潮，近年来发生频率逐年增加，面积加大，持续时间增大，损害严重。而缓慢性的灾害如：厄尔尼诺、海岸侵蚀、海平面升降等灾害也频频出现，因此海洋环境监测技术的研究和开发显得尤为重要。
我国的海洋环境监测目前存在的主要问题：(1)缺乏一种覆盖足够细致的监测***； (2)现有海洋环境监测方式主要有现场人工采样、专用监测船或浮标原位监测的方式，这些方式存在着消耗大量劳动力、监测效率低和成本高等缺点；(3)监控***的智能化和网络化程度不高，目前海洋环境监控***中的传感器都是以有线的方式与控制台相连，且有线方式的现场布线难度和成本较高且信号线老化后***的误报警率、故障率都比较高；(4)无法实现对海洋环境的远程实时监测，导致了海洋环境发生污染时难以及时发现；(5)水中的传感器节点的的位置固定不变，探测深度和探测密度有限，难以满足海洋环境探测的需求。
发明内容
本发明是针对上述海洋环境监测中存在的问题，提供一种海洋环境在线监测预警***，本发明通过对海洋环境监测子***获取的海洋环境数据信息进行实时的传输和处理，使预警信息及相关服务信息能及时有效地发送给用户，完成对近海海洋环境的实时监测。
为实现上述目的，本发明提供了一种海洋环境在线监测预警***，包括：海洋环境监测子***、海洋数据集成子***、海洋数据管理子***、海洋数据分析子***以及海洋数据信息产品子***；
所述海洋环境监测子***用于获取海洋环境数据，所述海洋环境监测子***传输所述海洋环境数据至所述海洋数据集成子***；
所述海洋数据集成子***接收所述海洋环境数据，对所述海洋环境数据进行数据处理，并将所述海洋环境数据传输至所述海洋数据管理子***，所述海洋数据集成子***还对所述海洋环境监测子***进行远程控制；
所述海洋数据管理子***接收所述海洋环境数据，对所述海洋环境数据进行数码转换、质量控制和数据分类，形成相互关联的时空数据集，构建海洋环境数据库；
所述海洋数据分析子***根据所述海洋环境数据库提供的数据，利用数据挖掘算法建立海洋灾害预报模型，对海洋灾害进行在线报警；
所述海洋数据信息产品子***与其他各个子***进行信息交互，并用于实现人机交互。
在一个实施例中，所述海洋环境监测子***包括海洋环境监测平台、海洋环境监测设备以及供电单元；所述供电单元为所述海洋环境监测平台供电；所述海洋环境监测设备获取的海洋环境数据传输至所述海洋环境监测平台，所述海洋环境监测平台接收所述海洋环境数据，并通过无线或有线通信的方式传输至所述海洋数据集成子***。
在一个实施例中，所述海洋环境监测平台包括：天基海洋环境监测平台、空基海洋环境监测平台、岸基海洋环境监测平台、海基海洋环境监测平台以及海底海洋环境监测平台；
所述天基海洋环境监测平台包括遥感卫星；
所述空基海洋环境监测平台包括海洋巡航飞机监测、有人或无人航空遥感飞机；
所述岸基海洋环境监测平台包括固定海洋环境监测站和地波雷达站；
所述海基海洋环境监测平台包括浮标、潜标、漂流浮标、水下移动潜器、船舶；
所述海底海洋环境监测平台包括水下固定监测站、水下水声探测阵；
所有的所述海洋监测平台上均设有数据采集模块和通信模块，所述数据采集模块通过通信模块实现所述海洋环境数据的获取和传输。
在一个实施例中，所述供电单元包括风能发电模块、波浪能发电模块、太阳能发电模块和海水温差发电模块，所述天基海洋环境监测平台和所述空基海洋环境监测平台通过太阳能发电模块供电，所述岸基海洋环境监测平台、所述海基海洋环境监测平台和所述海底海洋环境监测平台通过风能发电模块、波浪能发电模块、太阳能发电模块和海水温差发电模块中的任意一种或几种供电。
在一个实施例中，所述海洋环境监测设备包括无线传感器网络和视频监测设备；所述无线传感器网络包括无线传感器节点和与汇聚节点；所述无线传感器节点包括：水文监测相关无线传感器节点、水质监测相关无线传感器节点、沉积物监测相关无线传感器节点、位置无线传感器节点和气象监测相关无线传感器节点；
所述无线传感器节点设备获取的所述海洋环境数据传输至汇聚节点并通过量子无线通信传输至相应的海洋环境监测平台；
所述视频设备获取的所述海洋环境数据直接通过量子无线通信传输至相应的海洋环境监测平台；所述海洋环境监测平台获取的信息通过无线或有线通信的方式传输至所述海洋数据集成子***。
在一个实施例中，所述无线通信方式包括：GSM、CDMA和GPRS通信方式、量子无线通信、5G无线通信、海事卫星以及铱星卫星通信方式中的一种；所述有线通信方式包括： RS-232和RS-485串口连接中的一种。
在一个实施例中，所述无线传感器节点由所述传感器单元、处理单元、无线通信单元、电源单元、定位单元和液压驱动单元组成；所述传感器单元、无线通信单元、定位单元和液压驱动单元均与所述处理单元连接，所述电源单元为所述传感器单元、处理单元、无线通信单元、定位单元和液压驱动单元供电；所述液压驱动单元驱动所述无线传感器节点在水下进行自主沉浮运动。
在一个实施例中，对所述海洋环境数据进行数据处理包括：数据预处理、数据封装、数据实时显示和数据本地存储；
所述远程控制包括：采集设备的网络连接检测、时间同步、设备巡检、日志记录查询、运行状态监测与显示、运行模式控制。
在一个实施例中，所述海洋数据集成子***还包括嵌入式Web服务器和GIS服务器；
所述嵌入式Web服务器和GIS服务器均用于用户与海洋环境监测子***的交互操作，并对所述海洋环境监测子***进行实时控制；所述嵌入式Web服务器用于实时查询所述海洋环境监测子***的状态，获取的所述海洋环境数据，所述嵌入式GIS服务器用于实时查询所述监测平台及监测设备的海洋地理空间信息。
在一个实施例中，所述海洋数据信息产品子***包括：地理信息模块、监测要素实时监测分析模块、数据处理与信息制作模块、***管理模块；所述海洋数据信息产品子***中包括的模块用于对用户提供数据查询、检索、分析、显示及管理功能，实现数据共享和信息服务。
本发明优点在于：(1)本发明通过对海洋环境监测子***采集的海洋环境数据信息进行实时的处理和传输，使预警信息及相关服务信息能及时有效地发送给用户，完成对近海海洋环境的实时监测，实现对海洋灾害包括海洋污染和海洋自然灾害的在线预警；能够及时对海洋环境的污染情况以及对海洋自然灾难进行***，并提前做出预防措施。
(2)本发明的海洋监测子***通过天-空-岸-海-底全面监测并结合无线传感器网络技术，海洋环境监测体系具有层次立体化、手段多元化、信息综合化、规模扩大化、频次精细化、设备组合化的特点；从而使得监测覆盖范围足够细致宽阔，获得的海洋环境监测数据足够全面，更有利于海洋环境的污染状况进行评估以及海洋灾难的预测的准确性；无线传感器网络的应用提高了监控***的智能化和网络化程度，改变了传统有线方式的现场布线难度和成本较高，且信号线老化后***的误报警率、故障率都比较高的问题；
(3)本发明中的无线传感器节点可在水下进行自主沉浮运动，探测深度和探测深度范围增大，可以通过对无线传感器节点进行移动可以提高探测的层次范围，提高立体探测能力，更好的满足海洋环境探测的需求，为海洋灾难的预测模型提供更加全面的数据，提高预测的准确性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的海洋环境在线监测预警***的结构原理图；
图2为本发明实施例提供的海洋环境监测子***的结构图；
图3为本发明实施例提供的海洋环境监测子***的结构原理图
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
参照图1所示，本发明提供一种海洋环境在线监测预警***，包括：
海洋环境监测子***、海洋数据集成子***、海洋数据管理子***、海洋数据分析子***以及海洋数据信息产品子***；
海洋环境监测子***用于获取海洋环境数据，海洋环境监测子***传输海洋环境数据至海洋数据集成子***；
海洋数据集成子***接收海洋环境数据，对海洋环境数据进行数据处理，并将海洋环境数据传输至海洋数据管理子***，海洋数据集成子***还对海洋环境监测子***进行远程控制；
海洋数据管理子***接收海洋环境数据，对海洋环境数据进行数码转换、质量控制和数据分类，形成相互关联的时空数据集，构建海洋环境数据库；
海洋数据分析子***根据海洋环境数据库提供的数据，利用数据挖掘算法建立海洋灾害预报模型，对海洋灾害进行在线报警；
海洋数据信息产品子***与其他各个子***进行信息交互，并用于实现人机交互。
在本实施例中，海洋数据监测子***是整个***构架的基础，为数据集成、数据管理、数据分析以及数据产品子***提供实时监测的数据，数据监测子***工作于各个监测平台上，通过和各类监测设备的交互，自动完成海洋环境数据的现场监测、采集，并实现数据传输的功能。
海洋数据集成子***在整个***中起着承上启下的作用，是海洋数据监测子***的与海洋数据管理子***之间进行数据传输的中枢，其负责接收不同的海洋环境数据监测子***的发送的现场监测数据，并对这些数据进行基本的校验、汇总处理，存入本地数据库，然后按着***制定的数据交换标准将这些数据封装成标准的数据文档发送至海洋环境数据管理子***，一个海洋数据集成子***可以连接多个数据监测子***。
海洋环境数据子***是整个***的核心和枢纽，所有的子***都通过数据管理子***实现数据的存储、交换等工作，而数据管理子***设计的核心就是数据库建模，该子***严格按照各种海洋监测规范、标准要求的数据格式设计、实施，并建立一个集成、稳定、开放、可共享和可扩展的海洋环境资料数据仓库；海洋数据管理子***从集成子***获取实时海洋环境监测数据，然后完成监测数据的数据转换、质量控制、数据分类等标准化、规范化处理，形成相互关联的时空数据集，并建立实时、延时和相关主题数据库，在此基础上构建海洋环境数控库，为海洋数据分析子***提供强大的数据支撑。
海洋数据分析子***是使用数据管理子***提供的和海洋灾害现象有关的海洋环境要素检测数据资料进行建模分析并对其发生状况进行预测，该子***是利用先进的数据挖掘算法，比如模糊聚类分析、支持向量机等建立海洋灾害预测模型，比如海洋灾害的在线预报和报警，对海洋灾害发生的征兆、发生的时间及发生的原因进行分析，为涉海管理部门的减灾、防灾决策提供可靠的、科学的依据。海洋数据分析子***提供短期、中期和长期预报三种预报模式，用户可以根据不同的需要选择适当的预报模式，海洋数据分析子***既可以在线运行，也可以离线运行；海洋数据分析子***可以根据预报结果和真实发生状态对预报模型进行在线自动修正，确保预报模型的精确性和可用性，这种在线修正预报模型的能力，保证了***的地域无关性，及***可以对任何监测海域运行，无需针对不同海域进行重新建模。
进一步地，以模糊聚类分析建立的海洋灾害预测模型为例进行描述；
设
Figure BDA0002768339150000061
为模式空间中n个模式的一组有限数据样本集， xk＝(xk1,xk2,...,xkn)T∈Rs为数据样本xk的特征矢量或模式矢量，对应特征空间中的一个点，xkj为特征矢量xk的第j维特(例如，海水的温度、盐度、PH值等特征数据)上的赋值，对给定数据样本集X的聚类分析就是要产生X的划分类别。
隶属度矩阵(划分矩阵)U：
如果利用隶属函数
Figure BDA0002768339150000062
表示样本xk与子集xi(1≤i≤c)的隶属关系，则c个子集的隶属函数构成的隶属度矩阵U＝[μik](c×n)。
聚类原型模式P:
有c个聚类中心构成的矢量，即P＝(p1,p2,...,pc)，pi(i＝1,2,....c)表示第i类的类中心，pi∈RS
FCM算法是基于目标函数的聚类算法，求出使目标函数Jm达到最小值的划分矩阵U与聚类原型(类中心)P。初始时，类中心和隶属度矩阵U都是随机产生的，之后不断进行迭代更新，目标函数Jm如下：
Figure BDA0002768339150000063
式中，
Figure 3
d(xk，p1)＝||xk，p1||，m为权重指数， d(xk，p1)为第i类中的样本xk与第i类的类中心pi之间的失真度，用两个矢量之间的距离来度量。
迭代规则公式如下：
Figure BDA0002768339150000065
Figure BDA0002768339150000071
FCM算法的聚类算法为：步骤1、设定聚类类别为c，2≤c≤n，n为数据样本集X 的个数，设定迭代停止的阈值为ε，初始化聚类原型模式P(0)，设置迭代计数器b＝0；
步骤2、利用迭代规则公式pi计算或更新划分矩阵U(b)；
步骤3、利用迭代规则公式μik更新聚类原型模式P(b+1)
步骤4、如果||pb-p(b+1)||＜ε，则算法停止并输出划分矩阵U和聚类原型P，否则 b＝b+1，继续进行计算；
其中FCM算法针对完整数据样本集合X，即
Figure BDA0002768339150000072
xk＝(xk1,xk2,...,xkn)T∈Rs；所谓完整样本为xk(k＝1,2,...,n)的每一维特征都有一个确定的取值，例如具有四个特征的完整数据样本xk＝(12,32,1,3)T，相反，如果样本xk中缺少或丢失一个或多个特征值，比如xk＝(12,？,1,？)T，样本xk丢失了第二维和第四维特征值， IDFCM算法就是基于不完整数据样本集合的模糊C均值聚类算法。
假设不完整数据样本集合为XA，
Figure BDA0002768339150000073
样本集合XA子集XW和XP，XW＝{xk|xk∈XA}，其中此时的xk是一个完整数据样本，1≤k≤n且k为自然数； XP＝{xi|xi∈XA}，xi是一个不完整数据样本，1≤i≤n且i为自然数，XW∩XP为空集，XW∪XP＝XA。特征集合XM＝{xkj|xkj＝？,1≤j≤s,1≤k≤n}， XU＝{xkj|xkj＝确定值,1≤j≤s,1≤k≤n}，XM∩XU为空集，|XM|+|XU|＝|XA|, 其中| |代表集合中元素的个数。
计算数据样本集合XA的完整率η：
Figure BDA0002768339150000074
计算数据样本xk对聚类分析的影响因子
Figure BDA0002768339150000081
计算数据样本xi与xj之间的相似度βij；
βij＝||xik-xjk||，(1≤k≤s)∧(xi∈XU)∧(xj∈XU)
IDFCM算法根据数据样本集合完整率η的情况可采用两种不同的方法进行聚类分析，若样本的完整率很高，将待聚类样本集合中所有丢失值的样本删除，然后使用FCM算法进行聚类；否则，利用样本之间的相似性补齐丢失算法使用IDFCM算法进行聚类；
IDFCM算法的聚类算法为：
根据给定的不完整数据样本集合XA，分别求出集合XW、XP、XM和XU；
根据
Figure BDA0002768339150000082
公式计算集合XA的完整率η；
若η≥0.75，表示不完整数据样本在集合XA中的占比较小，此时去除所有丢失值的样本，采用FCM算法进行聚类；
确定聚类类别数c，2≤c≤|XW|,|XW|为完整数据样本的个数，假设迭代停止的阈值为ε；初始化聚类原型模式P(0),
Figure BDA0002768339150000083
设置迭代计数器b＝0；
然后采用FCM算法进行聚类的步骤尽心聚类；
若η≤0.75，则对于任意的数据样本xk∈XP,根据数据样本xk和xi之间的相似度βik，得出其中具有最小值相似度βik时的样本xi，利用xkj(xkj∈XM)代替xij(xij∈XU)。
然后利用替换后的集合XP和XW重新构造样本集合XA'；设定聚类类别数c， 2≤c≤|XA'|,|XA'|为完整数据样本的个数，假设迭代停止的阈值为ε；初始化聚类原型模式P(0),
Figure BDA0002768339150000084
设置迭代计数器b＝0；
利用迭代公式
Figure BDA0002768339150000085
计算或更新划分矩阵U'(b)；
利用FCM算法的迭代规则公式μik更新聚类原型模式矩阵P'(b+1)；
如果||P'(b)-P'(b+1)||＜ε,则算法停止输出划分矩阵U'和聚类原型P'，否则b＝b+1，继续进行计算；
海洋数据信息产品子***是整个***的终端产品，向用户提供信息服务，其对于整个***的效能有着决定性的影响，通过***的内部通信网络为整个系提供统管理、调度服务，实现人机交互的功能。
如图2所示，在一个实施例中，海洋环境监测子***：提供所有海洋环境监测的数据源，测量方式包括常规定点测量、走航测量、实验室测量、遥感遥测、自动输入等，该子***其包括海洋环境监测平台、海洋环境监测设备以及供电单元；供电单元为海洋环境监测平台供电；海洋环境监测设备获取的数据传输至海洋环境监测平台，海洋环境监测平台接收海洋环境数据，并通过无线或有线通信的方式传输至海洋数据集成子***。
如图3所示，在本实施例中，海洋环境监测平台包括：天基海洋环境监测平台、空基海洋环境监测平台、岸基海洋环境监测平台、海基海洋环境监测平台以及海底海洋环境监测平台；所有的所述海洋监测平台上均设有数据采集模块和通信模块，所述数据采集模块通过通信模块实现所述海洋环境数据的获取和传输。
其中，天基海洋环境监测平台包括遥感卫星；空基海洋环境监测平台包括海洋巡航飞机监测、有人或无人航空遥感飞机；海洋遥感以其覆盖范围广、全天候、同步性强和可长期连续观测等优点在海洋监测中起着越来越重要的作用，海洋遥感技术可以测得海水的温度、涌升流数值、大洋平流数值、中尺度涡旋数值、海洋色素浓度、大型动植物数量、海水潮流流速、海风风力、海浪浪高等相关数据。
岸基海洋环境监测平台包括固定海洋环境监测站和地波雷达站；在我国主要以沿海建立的海洋环境监测站和岸基高频地波雷达站组成，其中，固定海洋环境监测站已实现了网络化和业务化，其特点是自动化程度高，可实现实时、长期、连续、定点监测。岸基高频地波雷达监测海洋环境，由于其探测距离远、面积大而具有广泛的应用前景，其基本原理是利用雷达海面回波多普勒谱提取海面风场、浪场、流场信息。我国自行研制的200km中程高频地波雷达OSMAR2000已在我国舟山海域和台湾海峡开展应用。
海基海洋环境监测平台包括浮标、潜标、漂流浮标、水下移动潜器、船舶；其中，潜标和浮标监测平台，锚系资料浮标是海洋监测网中最普遍采用的测量平台之一，它主要用于海洋环境定点监测；海洋资料浮标在研究海洋和大气的相互作用及全球气候变化、预报全球性和地区性海洋灾害、海洋污染监测、卫星遥感数据真实性校验、以及作为平台用于水声通信和水下GPS定位等方面发挥了重要作用；潜标监测平台，由于其主浮体安装在水下50-300m，具有良好的隐蔽性和安全性，在构建立体监测***中有较好的应用前景；
船基监测平台，主要包括船舶走航或定点的船用测量设备和船舶数据处理网络***，以船基平台为载体的走航式调查对于中远海海洋环境、海洋资源的调查研究具有十分重要的意义；目前国际上通常采用的船用调查测量设备主要有：自容式直读式高精度温盐深/剖面仪、船用走航式多普勒声学海流剖面测量仪、船用走航抛弃式温盐深测量仪、船用拖曳测量***等。
海底海洋环境监测平台包括水下固定监测站、水下水声探测阵；海底观测***在海洋预测、海洋科学研究、海洋资源开(AUV)发、地震观测、国家安全等方面具有重大的科学和现实意义。
在本实施例中，供电单元包括风能发电模块、波浪能发电模块、太阳能发电模块和海水温差发电模块，天基海洋环境监测平台和空基海洋环境监测平台通过太阳能发电模块供电，岸基海洋环境监测平台、海基海洋环境监测平台和海底海洋环境监测平台通过风能发电模块、波浪能发电模块、太阳能发电模块和海水温差发电模块中的任意一种或几种供电，采用多种方式互补供电，保障海上长期阴雨天气、恶劣海况下的不间断供电。
如图3所示，在一个实施例中，海洋环境监测设备包括无线传感器网络、遥感器和视频监测设备；其中，视频监测设备可以设置船舶上，比如设在船头的前视主摄像头和设在船尾的后视鱼眼摄像头等；无线传感器网络包括无线传感器节点和与汇聚节点；
进一步地，海洋环境监测设备还可以为波浪骑士、流式细胞仪、声学多普勒流速剖面仪等，波浪骑士漂浮设置于水体表面，用于测量波高、波向及波周期，流式细胞仪用于监测水下微型/微微型浮游生物群落，声学多普勒流速剖面仪用于测量不同深度海流的流速、流向。
无线传感器节点包括：水文监测相关无线传感器节点、水质监测相关无线传感器节点、沉积物监测相关无线传感器节点、位置无线传感器节点和气象监测相关无线传感器节点；无线传感器节点设备获取的海洋环境数据传输至汇聚节点并通过量子无线通信传输至相应的海洋环境监测平台；其中，传感器节点采集数据，并将数据多跳传输至汇聚节点，在网络初始化阶段，传感器节点通过与汇聚节点通信获取邻居节点信息并构建邻居节点列表，其中传感器节点的邻居节点为位于其通信范围内的其他传感器节点；在数据传输阶段，传感器节点侦听到一个数据报文时，从数据报文中获取下一跳节点的标识，若自己不是数据报文所指定的下一跳节点，传感器节点丢弃该数据报文，否则转发该数据报文。
如图3所示，视频监测设备和遥感器获取的海洋环境数据直接通过量子无线通信传输至相应的海洋环境监测平台；海洋环境监测平台获取的信息通过无线或有线通信的方式传输至海洋数据集成子***；其中，无线通信方式包括：GSM、CDMA和GPRS通信方式、量子无线通信、5G无线通信、海事卫星以及铱星卫星通信方式中的一种；有线通信方式包括：RS-232和RS-485串口连接中的一种。
其中，量子无线通信相比传统的通信方式具有一定的优势，时效性高、传送速度快，零障碍且抗干扰能力强，其不通过传统信道进行信息传输，与通信双方的传播媒介无关，保密性好，这是由于量子不可克隆定理决定的，同等条件下量子通信获得可靠通信所需的信噪比更低，而安全化、无线化、智能化、微型化、集成化、网络化是海洋环境监测的发展趋势，创新性结合量子通信技术和无线传感器网络应用于海洋监测时非常有必要的；
无线通信方式中优选5G无线通信，5G无线通信带来了高速率大宽带、低延时高可靠、低功耗大连接的网络环境，5G的传输速率在4G的基础上提高10-100倍，体验速率能够达到0.1-1Gbps，峰值速率能够达到10Gbps；时延降低到4G的1/10或1/5，达到毫秒量级水平，设备密集度能够达到600万个/平方公里，流量密度能够在20Tbps/平方公里以上；在视频传输方面，5G无人机可实现高清视频的传输成功实现了无人机360度全景4K高清视频的实时5G网络传输，对于远程控制方面通过毫秒级低时延5G无线通信网络，对各个检测设备进行快速控制。
在本实施例中，水文监测相关无线传感器节点包含的传感器为：水位传感器、水温传感器、盐度传感器和溶解氧传感器等；水质监测相关无线传感器节点包括传感器为：PH传感器、活性硅酸盐传感器和活性硝酸盐传感器、溶度传感器、叶绿素传感器和有色有机可溶物含量传感器等；气象监测相关无线传感器节点包括传感器为：温湿度传感器、风速风向传感器和气压传感器等；无线传感器节点通过自身连接的多种传感器采集环境信息，每个节点将采集好的环境信息经过局部融合后发送给汇聚节点，汇聚节点通过量子无线通信传输至相应的海洋环境监测平台。
在一个实施例中，无线传感器节点由传感器单元、处理单元、无线通信单元、电源单元、定位单元和液压驱动单元组成；传感器单元、无线通信单元、定位单元和液压驱动单元均与处理单元连接，电源单元为传感器单元、处理单元、无线通信单元、定位单元和液压驱动单元供电；液压驱动单元驱动无线传感器节点在水下进行自主沉浮运动；
进一步地，无线传感器节点通过改变体积而重量保持不变的原理实现传感器节点在水中的沉浮运动的，无线传感器节点的液驱动单元主要包括单充程泵、皮囊、压力传感器和高压管路等部件组成，皮囊装在传感器节点的外部，有管路与液压驱动单元相连，当泵体内的油注入皮囊后会使皮囊体积增大，致使节点的浮力逐渐增大而上升，反之泵体将皮囊内的油抽回，皮囊体积缩小，节点的浮力也随之减小，直至重力大于浮力，传感器节点逐渐下沉，从而实现传感器节点的沉浮运动。
在一个实施例中，海洋数据集成子***对海洋环境数据进行处理包括：数据预处理、数据封装、数据实时显示和数据本地存储；远程控制包括：采集设备的网络连接检测、时间同步、设备巡检、日志记录查询、运行状态监测与显示、运行模式控制。
在本实施例中，海洋数据监测子***和海洋数据集成子***通过通信网络实现相互间监测数据和控制命令的交互，实现数据处理和远程控制功能，海洋数据集成子***实现的数据处理功能和远程控制功能可进一步集成到海洋数据产品信息子***中进行集中、统一的管理。
在一个实施例中，海洋数据集成子***还包括嵌入式Web服务器和GIS服务器；
嵌入式Web服务器和GIS服务器均用于用户与海洋环境监测子***的交互操作，嵌入式Web服务器用于实时查询海洋环境监测子***的状态，获取的海洋环境数据，嵌入式GIS 服务器用于实时查询监测平台及监测设备的海洋地理空间信息；用户可以通过浏览器与底层的海洋环境监测子***进行交互操作，动态地查询监测子***的状态，进而对海洋环境监测子***进行实时控制。
在一个实施例中，所述海洋数据信息产品子***包括：地理信息模块、监测要素实时监测分析模块、数据处理与信息制作模块、***管理模块；所述海洋数据信息产品子***中包括的模块用于对用户提供数据查询、检索、分析、显示及管理功能，实现数据共享和信息服务，更好的完成人机交互。
在本实施例中，地理信息模块将海洋检测要素数据融合到精确的海洋矢量地图中，将有着复杂空间相关性的大量数据直观的呈献给公户，并提供动态的预警信息和自然灾害趋势预测；
监测要素实时监测分析模块可以同时对多个监测要素的变化进行实时跟踪，并以动态曲线的形式生动直观的反映给客户，提供多用户自定义模式，自由设定历史数据曲线绘制模式和实时动态曲线绘制模式，同时提供历史数据的各种数据分析功能，诸如月份平均值曲线绘制等；
数据处理与信息制作模块通过与海洋数据管理子***和海洋数据分析子***交互，数据处理与信息制作模块完成后期数据处理及信息产品制作和发布，包括统计分析、数据查询、数据挖掘、图形输出、信息发布等；
***管理模块***管理模块提供面向不同等级用户的服务，用户可以本地或者远程登录进行***管理工作，包括设备管理、用户管理、数据库管理、数据交换标准管理、网络信息管理和预警***专属的模型管理，该模块提供可完善的***管理接口，兼顾用户服务和底层设备的管理。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明采用基于无线通信的数据传输解决方案，对传感采集的海洋环境数据信息进行实时的处理，使预警信息及相关服务信息能及时有效地发送给用户，完成对近海海洋环境的实时监测，能够及时了解海洋环境的污染情况以及对海洋自然灾难的***，并提前做出预防措施。
(2)本发明的海洋监测子***通过天-空-岸-海-底全面监测并结合无线传感器网络技术，海洋环境监测体系具有层次立体化、手段多元化、信息综合化、规模扩大化、频次精细化、设备组合化的特点；从而使得监测覆盖范围足够细致宽阔，获得的海洋环境监测数据足够全面，更有利于海洋环境的污染状况进行评估以及海洋灾难的预测的准确性；无线传感器网络的应用提高了监控***的智能化和网络化程度，改变了传统有线方式的现场布线难度和成本较高，且信号线老化后***的误报警率、故障率都比较高的问题；
(3)本发明中的无线传感器节点可在水下进行自主沉浮运动，探测深度和探测深度范围增大，可以通过对无线传感器节点进行移动可以提高探测的层次范围，提高立体探测能力，更好的满足海洋环境探测的需求；
(4)海洋上空气象环境、海洋表层/中层/深层水体环境分别进行监测，通过对海洋气象及各层水体的监测对海洋环境有一个准确清晰的认知，通过监测数据最终分析获得的海洋环境监测报告可以顺利的分析出当前区域水体情况，是否需要人为干预进行治理，如需人为干预进行治理，具体需要采用何种手段进行干预，能够快速高效的使区域水体迅速恢复到正常生态指标范围内，为海洋环境治理提供极大的助力。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种海洋环境在线监测预警***，其特征在于，该***包括：海洋环境监测子***、海洋数据集成子***、海洋数据管理子***、海洋数据分析子***以及海洋数据信息产品子***；
所述海洋环境监测子***用于获取海洋环境数据，所述海洋环境监测子***传输所述海洋环境数据至所述海洋数据集成子***；
所述海洋数据集成子***接收所述海洋环境数据，对所述海洋环境数据进行数据处理，并将所述海洋环境数据传输至所述海洋数据管理子***，所述海洋数据集成子***还对所述海洋环境监测子***进行远程控制；
所述海洋数据管理子***接收所述海洋环境数据，对所述海洋环境数据进行数码转换、质量控制和数据分类，形成相互关联的时空数据集，构建海洋环境数据库；
所述海洋数据分析子***根据所述海洋环境数据库提供的数据，利用数据挖掘算法建立海洋灾害预报模型，对海洋灾害进行在线报警；
所述海洋数据信息产品子***与其他各个子***进行信息交互，并用于实现人机交互。
2.根据权利要求1所述的一种海洋环境在线监测预警***，其特征在于，所述海洋环境监测子***包括海洋环境监测平台、海洋环境监测设备以及供电单元；所述供电单元为所述海洋环境监测平台供电；所述海洋环境监测设备获取的海洋环境数据传输至所述海洋环境监测平台，所述海洋环境监测平台接收所述海洋环境数据，并通过无线或有线通信的方式传输至所述海洋数据集成子***。
3.根据权利要求2所述的一种海洋环境在线监测预警***，其特征在于，所述海洋环境监测平台包括：天基海洋环境监测平台、空基海洋环境监测平台、岸基海洋环境监测平台、海基海洋环境监测平台以及海底海洋环境监测平台；
所述天基海洋环境监测平台包括遥感卫星；
所述空基海洋环境监测平台包括海洋巡航飞机监测、有人或无人航空遥感飞机；
所述岸基海洋环境监测平台包括固定海洋环境监测站和地波雷达站；
所述海基海洋环境监测平台包括浮标、潜标、漂流浮标、水下移动潜器、船舶；
所述海底海洋环境监测平台包括水下固定监测站、水下水声探测阵；
所有的所述海洋监测平台上均设有数据采集模块和通信模块，所述数据采集模块通过通信模块实现所述海洋环境数据的获取和传输。
4.根据权利要求2所述的一种海洋环境在线监测预警***，其特征在于，所述供电单元包括风能发电模块、波浪能发电模块、太阳能发电模块和海水温差发电模块，所述天基海洋环境监测平台和所述空基海洋环境监测平台通过太阳能发电模块供电，所述岸基海洋环境监测平台、所述海基海洋环境监测平台和所述海底海洋环境监测平台通过风能发电模块、波浪能发电模块、太阳能发电模块和海水温差发电模块中的任意一种或几种供电。
5.根据权利要求2所述的一种海洋环境在线监测预警***，其特征在于，所述海洋环境监测设备包括无线传感器网络、遥感器和视频监测设备；所述无线传感器网络包括无线传感器节点和与汇聚节点；所述无线传感器节点包括：水文监测相关无线传感器节点、水质监测相关无线传感器节点、沉积物监测相关无线传感器节点、位置无线传感器节点和气象监测相关无线传感器节点；
所述无线传感器节点获取的所述海洋环境数据传输至汇聚节点并通过量子无线通信传输至相应的所述海洋环境监测平台；
所述视频监测设备和遥感器获取的所述海洋环境数据直接通过量子无线通信传输至相应的所述海洋环境监测平台。
6.根据权利要求5所述的一种海洋环境在线监测预警***，其特征在于，所述无线通信方式包括：GSM、CDMA和GPRS通信方式、量子无线通信、5G无线通信、海事卫星以及铱星卫星通信方式中的一种；所述有线通信方式包括：RS-232和RS-485串口连接中的一种。
7.根据权利要求5所述的一种海洋环境在线监测预警***，其特征在于，所述无线传感器节点由所述传感器单元、处理单元、无线通信单元、电源单元、定位单元和液压驱动单元组成；
所述传感器单元、无线通信单元、定位单元和液压驱动单元均与所述处理单元连接，所述电源单元为所述传感器单元、处理单元、无线通信单元、定位单元和液压驱动单元供电；所述液压驱动单元驱动所述无线传感器节点在水下进行自主沉浮运动。
8.根据权利要求1所述的一种海洋环境在线监测预警***，其特征在于，对所述海洋环境数据进行数据处理包括：数据预处理、数据封装、数据实时显示和数据本地存储；
所述远程控制包括：采集设备的网络连接检测、时间同步、设备巡检、日志记录查询、运行状态监测与显示、运行模式控制。
9.根据权利要求1所述的一种海洋环境在线监测预警***，其特征在于，所述海洋数据集成子***还包括嵌入式Web服务器和GIS服务器；
所述嵌入式Web服务器和GIS服务器均用于用户与海洋环境监测子***的交互操作，并对所述海洋环境监测子***进行实时控制；所述嵌入式Web服务器用于实时查询所述海洋环境监测子***的状态，获取的所述海洋环境数据，所述嵌入式GIS服务器用于实时查询所述监测平台及监测设备的海洋地理空间信息。
10.根据权利要求1所述的一种海洋环境在线监测预警***，其特征在于，所述海洋数据信息产品子***包括：地理信息模块、监测要素实时监测分析模块、数据处理与信息制作模块、***管理模块；所述海洋数据信息产品子***中包括的模块用于对用户提供数据查询、检索、分析、显示及管理功能，实现数据共享和信息服务。
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