海洋工程論文海洋水質監測浮標數據管理研究

　　這篇海洋工程論文發表了海洋水質監測浮標數據管理研究，論文探討了如何對海洋水質監測浮漂進行綜合管理，這項核心信息監測系統是海洋工程監測重點，為海洋環境綜合管理、海洋環境保護、海洋資源合理開發提供服務。

　　【摘要】近年來,隨著海洋水質監測浮標在國內得到的廣泛重視與快速發展，針對長期、定點、連續、準確的監測數據的科學管理伴隨著浮標一起成為熱點研究課題。介紹海洋水質監測浮標數據管理系統的設計與實現，該系統以“‘一體化’數據管理應用開發與集成框架”為核心來設計,嚴格按照海洋監測相關規范、標準，實現集成了數據安全控制、數據質量控制、數據統計分析、數據模型等功能，并為后續開發與完善提供了數據接口。

　　【關鍵詞】海洋工程論文,自動監測,數據管理,浮標

　　1需求分析

　　海洋水質監測浮標數據管理系統功能需求包括對投放在海上的水質監測浮標的綜合管理，制訂實時監測數據質量控制程序，數據有效性評估和監測數據集的統計分析等。數據管理模塊是整個系統的關鍵所在，是其他功能模塊實現數據的存儲、交換等工作的基礎。而數據管理模塊的設計與實現必須嚴格按照海洋監測相關規范、標準，最終構建一個集成、穩定、開放、可共享和可擴展的海洋環境資料數據倉庫[1]。數據管理模塊從數據集中實時獲取海洋水質監測數據、集成數據安全控制、數據質量控制、數據統計分析、數據建模等功能，分別形成相互關聯的數據集，在此基礎上構建海洋環境資料數據倉庫，為模型分析和數據產品提供強大的數據支撐。性能需求主要通過功能需求實現來體現，要求系統運行穩定，容錯性強，界面友好，能夠滿足海洋水質數據監測、傳輸、接收、管理、查詢、分析、預警、發布、存檔等各方面的要求。系統各性能指標包括系統響應速度，平均無故障運行時間間隔等要求均需按照國家相關標準。

　　2設計與實現

　　海洋水質監測浮標數據管理系統采用瀏覽器/服務器(Brower/Server，簡稱B/S)和客戶機/服務器(Client/Server,簡稱C/S)混合模式開發，基于C#、.NET開發環境，以MicrosoftSQLServer為數據庫管理系統。本系統遵循以數據為重點、以提高數據管理、分析為目標的指導思想，對基礎數據進行有秩序、科學的管理、展示和分析，講究系統的先進性、實用性原則，標準化、規范化原則，高性能和穩定性原則，開放性、可擴展性原則，安全性、可靠性原則，經濟和時效性等設計原則。海洋水質監測浮標數據管理系統的體系構架以“‘一體化’數據管理應用開發與集成框架”為核心來設計，實現海洋水質數據監測、傳輸、接收、管理、查詢、分析、預警、發布、存檔全過程管理。利用地理信息系統技術對浮標數據的統計和分析，以統一的方式對浮標和基礎數據進行管理，在此基礎上設計并實現海洋水質監測浮標數據管理系統。該系統可以實現了對浮標的多點、多傳感器、長時間序列的關聯存儲、條件檢索和動態展現，通過將浮標總表與浮標分表相結合，實現多層次、全方位的海洋水質數據管理功能，系統功能圖[2]如圖1所示。海洋水質監測浮標數據管理系統實現了登錄、個人首頁、地理信息、統計分析、數據表格、浮標管理、GPS信息、模型管理、系統運維九大模塊，集成了數據安全控制、數據質量控制、數據統計分析、數據模型等功能，并為后續開發與完善提供了數據接口。

　　2.1數據安全控制

　　基于海洋水質監測浮標的數據的重要性與保密性，數據安全控制尤為重要。(1)加密傳輸數據在浮標端發出之前就需要對受保護的數據進行加密[3]，即對客戶端需要讀取的數據在服務端先加密再發往客戶端，客戶端則對授權用戶采用相應的解密措施，在客戶端軟件中實施解密。(2)存取控制實為授權機制，它規定某個范圍的數據，在何種條件下，準許何種操作。對于數據庫表的存取控制，一種方法是定義用戶權限表，只有指定的用戶才能進行相應的操作，如對數據庫進行擁有、只讀、只寫、讀寫、刪除等操作;另一種方法是對表定義訪問權限。對于文件系統的存取控制，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聯的各級目錄中。(3)口令保護即對已授權用戶分配特定的口令。系統登錄模塊中有用戶口令識別模塊，通過對分配給用戶的特定口令來識別并確認用戶的訪問權限，口令識別認證通過后用戶才允許進入系統，且進入系統后根據不同權限的用戶分配不同的操作權限。口令法的優點在于軟件比較簡單，缺點是口令本身保密性不強，而通過加密后再傳送口令這一方法能有效的解決這一保密性問題。(4)日志管理系統全面采取日志管理監控機制。用戶對數據的創建、瀏覽、修改、刪除等都將被系統監控并記錄，記錄的詳細信息包括時間、用戶、用戶IP地址、所進行的操作等。對數據備份也會生成相應的備份日志文件，以方便在數據恢復時準確掌握備份數據情況。(5)數據備份數據是系統的基礎，任何情況下，保障數據的完整與安全都至關重要。完善的數據備份機制，是保障數據完整與安全的重要手段之一。考慮到管理業務的特點，本系統采用完全備份和增量備份組合的機制。每周一個備份循環，周日進行完全備份，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因素對數據備份存儲介質帶來永久性損壞而造成數據的損失，必須周期性的將數據備份文件復制到異地存儲設備，以最大限度地保障數據安全。

　　2.2數據質量控制

　　海洋水質監測浮標的每一條數據入數據庫之前，會通過數據校驗模型、數據校正、異常值檢測等一系列的質量控制程序，將數據結構不完整、數據異常、儀器故障等情況在數據狀態一欄標注出來，以供進一步審核判斷，保障數據準確可靠。(1)解析模型解析模型是接收模型的核心內容，接收模型主要為接收服務提供數據接收算法依據，包括接收字段的長度、接收頻率、接收地址、有效性、接收次數及接收對應浮標等。接收模型可針對單個浮標多種協議單獨設立接收規則。解析模型主要輔助數據接收模型中解析服務對接收的數據進行解析，能驗證通訊包結構，驗證數據解析配置，驗證周期配置，修正公式校正等，并根據結果存入數據倉庫的對應表中。解析模型可針對單個浮標多種傳感器數據單獨設立解析規則，如時間周期、編碼對應等。解析模型的流程圖[2]如圖2所示。(2)異常值檢測由于海洋環境明顯的動態效應[4]，海洋水質監測浮標所得到的數據存在著一定的異常率。核心問題是如何在數據入庫的過程中實現異常值的自動檢測，并正確地標記出異常值的位置，這就是所謂的異常值定位問題。本系統中異常值檢測包括閾值檢測和異常數據判斷。閾值檢測根據系統內已設置的監測參數數值上下限初步判斷異常值。異常數據判斷依據已制定的異常數據判斷算法執行。譬如pH的異常數據判斷，若某個pH數據與時間序列前10個數據和后面10個數據相比分別有8個以上的差值大于0.5，即標記為異常值。經過異常值檢測后進入數據庫的數據都已做標記，同時系統還具備了人工審核功能。對于標記出異常的數據在人工審核階段可以對其進行再次的判定，若確認是異常值，在之后的一系列數據應用中此異常數據將被排除。

　　2.3數據統計分析

　　數據表格主要將各浮標數據及傳感器的實時信息進行展現、導出、部署等，具體包含數據列表、數據報表、數據導出、數據補數、傳感器狀態和數據量統計功能。數據列表將各浮標及傳感器的實時信息進行展現如圖3所示。數據導出對數據列表中個數據執行導出動作，可按條件、范圍導出。數據補數實現對漏發或異常數據的補發功能，補數功能支持時間段選擇。補數功能主要由浮標管理員發起，通過系統將可視化命令轉化為浮標指令下達至浮標。傳感器狀態模塊記錄傳感器周期性狀態，并實時展現。同時給出各狀態的統計圖、標準值并預警。數據量統計對數據倉庫中的浮標數據量進行總體統計，包括對傳感器的各項具體指標。數據統計分析是以實時數據接收、解析和處理后的海洋水質監測要素數據為基礎，為用戶提供數據查詢、分析、顯示、轉換、導出等功能，實現信息數據從采集、傳輸到數據共享、利用和分析的過程。其中曲線圖模塊對浮標各傳感器的監測參數有效值進行曲線圖展現，如圖4所示。數據統計模塊對多個浮標的各監測參數有效值分別進行統計并展示，便于用戶直觀的查看并做出正確的判斷。對報表統計結果可以進行導出。

　　2.4數據模型

　　數據模型是使用數據管理模塊提供的海洋水質監測數據資料進行建模分析并對其發生狀況進行評價及預警。該模塊是利用先進的數據挖掘算法，如模糊聚類分析、支持向量機等，建立海洋水質評價模型、海洋水質要素預警模型等，分析海洋災害發生時的特征、發生的原因并預測出海洋災害即將發生的時間，實現海洋災害特征要素的自動預警預報，為海洋相關部門提供可靠的、科學的依據。數據模型從建模開始就是在不斷的更新過程中的，通過不斷的驗證以及反饋自動修正，確保數據模型的精確性和可用性。數據模型中提供了多種基礎類的評價預警模型，也提供了相應的接口供用戶修正數據模型。

　　2.5數據接口

　　對系統中已有的數據接口進行了顯示和說明，可進行是否打開操作。數據接口除了在實施系統時現場開發的新接口外，系統還提供部分常用接口和說明供其他系統和用戶調用。數據接口一般有數據底層交互接口，XML等通用文件交互接口，WebService網絡交互接口和類庫調用交互接口等多種方式，具體根據系統間可提供的交互度為基礎選擇最優方式進行數據對接。

　　3結束語

　　海洋水質監測浮標數據管理系統是海洋環境監測的核心信息系統之一，在系統設計實現過程中，綜合考慮了系統架構、技術方案、軟硬件設施、運維服務能力等方面，確保系統的高性能和低故障率。系統實現了登錄、個人首頁、地理信息、統計分析、數據表格、浮標管理、GPS信息、模型管理、系統運維九大模塊，集成了數據安全控制、數據質量控制、數據統計分析、數據模型等功能，并為后續開發與完善提供了數據接口。基于國家對海洋水質監測高度的重視，監測浮標不斷的規模化發展，數據管理系統也逐步發展成為能實時地、連續地、長期地、準確地提供監測區域內水質監測數據的海上在線監測網，實現了海洋水質監測由瞬時監測向連續監測，由定期監測到實時監測的跨越。在此基礎上，今后將著力于構建海洋水質實時監測與動態評價體系，實現海洋水質評價由定性評價到定量評價，由單一學科評價到生態系統評價，由現狀評價到趨勢評價與預測的轉變，開發建立符合監測海域環保、海洋開發利用、減災、防災需要的實測、預報及預警等評價信息產品，為海洋相關部門提供詳實可靠的數據信息、科學的預報、預警信息，為海洋環境綜合管理、海洋環境保護、海洋資源合理開發提供服務。

　　參考文獻

　　[1]李俊.海洋環境在線監測及赤潮災害預報系統研究[D].山東大學,2007:9-12.

　　[2]王瑞金.統一建模語言UML及其建模實例[J].計算機應用研究,2002,(8).

　　[3]何志強.近岸海域浮標實時監測系統設計概要[J].聲學與電子工程,2014,(3):47-49.

　　[4]阮華杰.生態浮標預測赤潮暴發的分析[J].聲學與電子工程,2014,(2):44-46.

　　作者：賈馮圳 單位：杭州應用聲學研究所

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