海洋环境数据系统设计论文

1引言海洋科学研究与环境有着密不可分的关系，不同的海洋环境，可能带来截然不同的科学研究结果。有时，海区的环境条件甚至还决定了科学研究能否顺利进行。建设数字化海区和科学研究仿真系统，是提高海洋科学研究效率的科学的、有效的手段。数字化海区和科学研究仿真系统都必须以被研究海区的环境参数作为数据平台。下面是小编整理的《海洋环境数据系统设计论文(精选3篇)》，仅供参考，大家一起来看看吧。

海洋环境数据系统设计论文 篇1：

探讨物联网技术在海洋环境监测中的应用

摘 要：随着社会经济发展的速度逐渐加快，环境污染的问题也开始日益严重。海洋作为地球表面水资源的集中地点，其污染治理已经成为我国目前亟待解决的首要问题之一。海洋环境监测系统是海洋污染问题治理的基础条件，提高其监测质量对于海洋治理来讲具有非常重要的价值。而物联网技术已经开始应用于各个领域，成为促进各领域发展的重要手段。基于此，以下文章中筆者将就在海洋环境监测中如何应用物联网做出分析。

关键词：海洋环境监测;物联网技术;应用

改革开放以后的很长一段时间内，为了能够获取更大的经济效益，开拓脱贫致富的道路，各种工业开始飞速发展着，在推动社会经济发展的同时，也对自然资源大量的索取，生态环境遭到破坏[1]。近些年来，随着环保理念的提出，海洋环境的污染问题已经得到了高度重视，在物联网技术的应用下，不仅能够加强对海洋环境的保护，还能够帮助人们更加深入的了解海洋状况，从而更好的对海洋环境进行管理。

一、在海洋环境监测系统中应用物联网技术

就目前海洋环境监测系统而言，主要有水上监控与水下监控两个部分，同时应用三维结构的传感网络，而该传感网络的组成主要包括三个部分：1.不同类型的海上传感器;2.水下自动探测器;3.固定采集设备。在区域、类型不同的区分下，传感器也会按照类型的组成单独的节点，每个区域的传感器会对海洋浑浊度、盐度、重金属含量等相关指标参数进行采集，这些采集到的参数会经过统一的通信协议向汇聚节点进行传输，再由汇聚节点完成各项参数的统计工作，最后通过通信、卫星技术传递给监控中心进行分类、存储，供相关人员使用，数据库与互联网相互连通，当有外界用户想要获取时必须要通过身份验证才能获取到想要了解的监控数据[2]。在整个海洋监测系统中，各个监控阶段是非常重要的组成部分，一般来讲，每个节点都包括数据采集、处理、传输、供给模块。

二、无线网络中的ZigBee组网技术

（一）什么是ZigBee组网技术

ZigBee组网技术是一种近距离，复杂度、功耗、速率以及成本均较低的双向无线通讯技术。在应用该项技术时，需要确保各种电子设备之间具有距离短、功耗低且传输速率低的特点，这样该项技术才能够完成数据传输以及典型周期性、间歇性、低反应时间数据传输[3]。对于海洋环境监测系统而言，网络耗能时间短是其使用时间的重要因素，而在整个监控系统具有的3层结构中，其中耗能量最大的单元即为单个阶段内数据采集、传输。而在海洋环境监测系统中应用ZigBee组网技术可在满足其实时性要求的同时，降低其耗能，因此，目前海洋环境监测系统中单个节点约定的通信方式，即ZigBee组网技术。

（二）ZBR的计算方式

在ZigBee中，按照节点资源与功能对海洋环境监测系统中的节点进行区分，可分为三种类型，即RN（+、-）、RFD，其中RN代表存储空间，“+”代表充足同时伴有无线路由功能，“-”代表不足且不伴有无线路由功能，应用Cluster-Tree的计算方式对信息传输至能进行计算，RN（+、-）与RFD的区别就在于，前者无论存储空间足或者不足，均可对数据进行转发，而后者不具备这种转发能力，在进行数据转发时，要以父节点为介导[4]。因此，目前ZBR方式已经打破C-T算法的局限性，开始与路由寻址功能相结合，实现了整个节点内部信息高效传播。就ZigBee而言，地址分发功能是其自身具备的通信功能，在此基础上与海洋环境监控系统中传感网络节点的具体行为相结合，在以下文章中，将来自于监控系统传感网络中的三个参数引入，即1.结合物联网技术应用的整个海洋环境监测系统中划分最大的子节点数，以Cm代表;2.在系统中，容纳路由器最多数量，以Rm代表;3.网络深度，以Lm代表。

这里我们可以先做一个设想，假如在扩展监控系统探测的前提下，节点全部应用“Node”表示，新带入节点加脚标“n”，父节点加脚标“k”，各个节点分配的地址均用“A”表示，深度应用“Depth”表示，当已知节点地址、网络层次深度后，最后得出等式应当为Depth（n-k）=1。

当ZigBee通信结构为树状结构时，需要再次引入三个参数，即1.在整个机构中每层容纳节点个数，以Cm1表示;2.每层中路由数最大，以Rm1表示;3.结构中网络层数，以Lm1表示。

求树状结构中e层节点时，按照上层父节点的地址分配协议进行计算，得出以下几种计算方式。1.假设n节点时该节点父节点接收的第N个节点，且RFD为节点类型，那么在计算其分配地址时，应该得出以下等式：n+Cskip（e）×Rm+Ak=An。2.前提条件相同，但节点类型换为RN（+、-），在计算分配地址时的等式应该为An= Cskip（e）×（ n-1）+1+Ak。

三、ZigBee协议软件流程

（一）网络处于初始状态

选择一个能够将整个海洋监测系统归于初始状态的协调器，且需要其具备ZigBee 通信功能。RFD在检查是否有信标在周围节点中存在时，先要扫描周围节点，然后向节点发送信息，确定本节点可作为初始协调器的条件即能够在周期内检测到，与此同时，建立相应网络，将自身信标广播给周围节点。再然后，通过信道扫描，找出周围节点中适合能量的信道，并根据路由计算方式计算出最有效的信道，以此作为基础，将传输网络建立[5]。

（二）在网络中加入节点

在初始化步骤完成后，网络仍然不能够应用于实际工作当中，还需要在此网络中加入其它传感器，在选择加入网络的节点时，需要先对上层节点进行扫描，然后选择父节点发送请求入网信息，如果网络地址能够通过此节点成功返回，则能够作为标识用于传输、接收数据。

结束语：

总而言之，对海洋环境进行监测并不断提升监测效率，是促进生态环境与社会经济发展的重要举措之一。本文中先对海洋环境监测系统中应用物联网技术进行简单论述，然后分析计算方式，最后对ZigBee协议软件流程进行探讨，希望能够为相关工作带来有价值的参考。

参考文献：

[1]沈伟. 物联网技术在环境监测中的应用[J]. 电脑编程技巧与维护， 2016（12）：41-42.

[2]付宗魁， 蔡芳萍. 海洋环境监测系统方案设计与研究[J]. 物联网技术， 2016， 6（4）：20-20.

[3]赵艳玲. 物联网技术在海洋监控系统中的应用[J]. 舰船科学技术， 2016（1x）：175-177.

[4]姚喆怡. 基于物联网定位技术的海洋监测系统研究[D].2015.

[5]陈作聪. 海洋环境实时物联网监控系统设计[J]. 烟台大学学报（自然科学与工程版）， 2015（4）：308-312.

作者简介：

王慧娟，女，汉1984年11月30日，硕士物理海洋学，中国海洋大学，中级工程师，海洋环境。

作者：王慧娟

海洋环境数据系统设计论文 篇2：

海区海洋环境仿真系统的设计与实现

1 引言

海洋科学研究与环境有着密不可分的关系，不同的海洋环境，可能带来截然不同的科学研究结果。有时，海区的环境条件甚至还决定了科学研究能否顺利进行。建设数字化海区和科学研究仿真系统，是提高海洋科学研究效率的科学的、有效的手段。数字化海区和科学研究仿真系统都必须以被研究海区的环境参数作为数据平台。

海区海洋环境仿真系统就是在上述背景之下开发设计的。本文重点介绍系统的组成、原理和功能。

2 系统设计思想及体系结构

2.1 系统设计思想

(1) 采用先进的科学计算可视化技术

科学计算可视化是80年代后期由美国科学家提出并发展的一门新兴技术，它将科学计算过程中及计算结果所产生的数据转换成图形或图像信息，并可进行交互式分析。本系统使用了由美国RSI公司开发的IDL科学计算可视化语言，它具有集开放性、高维分析能力、科学计算能力、实用性及可视化分析于一体的特点，使用户可以对任意科学数据进行可视化分析。

(2) 基于模型/模式/数据一体化的自完备的数据库系统

由于海洋环境及相关要素数据形式的特殊性，传统的关系型数据库已不能满足其存储要求，主要表现在存取效率低下。因此，有必要在关系型数据库的基础上加以扩展，使之既利用成熟的关系型数据库产品的快速检索能力、又能够满足本系统的快速存取要求。本系统根据海洋环境监测数据，建立的“海洋环境数据库”是一个模型/模式/数据一体化的数据库系统。在这个数据库中不但存储了海洋环境资料、统计产品等数据，还存储了可运行的相关的海洋环境模式，从而构成一个自完备的海洋环境数据处理系统。用户可以根据具体需要从模式/模型库中选择适当的模式/模型来处理数据，也可以利用相关资料对模型进行校验。

2.2 系统开发平台与总体结构

系统所选用的开发平台为：

（1）数据库管理系统：Oracle；

（2）开发软件： C++、Fortran；

（3）图形图像软件：IDL。

系统总体结构框图如图所示:

3 系统主要模块及实现

3.1 系统主控模块

主控模块是应用系统运行的核心，它通过系统主界面、菜单以及功能选项与系统用户交互，控制所有的数据流动及管理、功能模块调用。

主控模块及系统主界面使用IDL语言开发。其它功能模块则根据具体需求使用IDL或其他编程语言实现。主控模块与其他模块以及数据库之间通过各自的接口实现连接。

3.2 系统功能模块

软件功能模块的划分和确定是依据整个系统的需求和结构确定的，从软件功能上，本系统划分为：参数设置模块、系统维护模块、数据查询模块、声场分析模块、海洋环境仿真模块。

(1) 参数设置模块

参数设置主要用于设置屏幕显示的区域以及数据源。

(2) 系统维护模块

系统维护模块只有具有管理员权限的操作人员才能使用。

系统维护模块下面又可以分为数据录入模块、信息维护模块、用户管理模块等子模块。

其中数据录入子模块主要实现实测数据的入库工作，录入的数据包括实测水文数据等。

(3) 数据查询模块

查询是系统的一个主要功能。本系统的查询功能包括水文统计数据的查询、实测水文资料的查询、实测水声特征数据的查询和海底底质数据图片的查询等。

(4) 声场分析模块

声场分析模块主要是根据海洋环境的有关数据，通过模型的计算，得到海洋声场的有关特征参数。在系统数据库中存有声场分析模型。声场分析的结果可以用图形和数据两种形式显示、打印输出。

(5) 环境仿真模块

环境仿真模块集成了多个海洋环境模式，通过利用IDL语言提供的人机交互、信号处理、可视化分析等强大功能，开发了仿真模块中所需的功能与操作，实现了对海洋环境数据的二维和三维可视化分析，能够较为精确和直观地反映出海洋环境信息。

3.3 系统数据处理流程

数据流程是指在用户的业务处理过程中，数据的流动过程。它包括各个业务环节对数据的需求及其需求关系。在应用系统运行过程中，数据流程决定了各个模块的调用关系。

本系统数据处理的业务流程大致可以分为两条线：

(1) 水文实测数据的统计

通过各种观测设备采集的原始实测水文数据，连同其对应的时空属性数据，转换为实测水文数据标准格式文件后，输入水文实测数据库。水文实测数据库的数据，定期统计为网格数据，输入水文统计数据库。

(2) 水文实测数据的处理

通过各种制式的录音设备采集的原始水声数据，转换为特定制式，交由实测数据处理机处理，产生实测的要素数据。

4 结束语

海区海洋环境仿真系统的建立，适应了海洋科技发展的需要，对提高海洋环境的科学研究水平有着十分重要的意义，它将为我国海洋科学现代化发挥重要作用。

参考文献

[1]徐波,翁焕新,董成松.基于GIS的海洋环境信息数据库在海洋环境信息可视化分析中的应用[J].浙江大学学报,2004,31(4):470-475.

作者：孙　兵

海洋环境数据系统设计论文 篇3：

南海海岛自动气象站对海洋环境的适应性和性能

摘 要：本文结合南海海岛自动气象站高湿、高温、强辐射、高盐雾、强风等环境特点，对南海海岛自动气象站出现的故障进行分析总结，然后从南海海岛自动气象结构和防护要求出发，提出了金属防锈防腐等防护措施，延长南海海岛自动气象站对海洋环境的适应性和设备的使用年限。

关键词：南海海岛;海洋气象站适应性;防护措施

1引言

由于南海海岛所处海域为热带季风气候区域，北纬10°，为比较典型的海洋性气候，加上南海距离陆地海岸线比较远、海岛交通不便、维修难度比较大，受特殊地理环境因素的影响，结构材料极易被腐蚀，为提高设备运行的可靠性和稳定性，需对自动气象站对海洋环境的适应性进行分析。

2 南海海岛气象站海洋环境的适应性

南海海岛站包括采集器、传感器、供电和通信系统、结构安设附件、标准紧固件及管道线缆等，海南气象局会每年定期对南海海岛站的设施进行巡检。2015年6月，海南气象局对包括南沙、西沙海岛在内的12个站点共计24套设施进行巡检，检查结果发现，南海海岛站点共计237处设备故障点，诱因是设备材料、制作技术等，表现为金属材料的腐锈蚀盐化、非金属材料的设备老化、设备对海洋环境的适应性等;设备有结构件、传感器、电缆机箱及紧固件等;构件是风杆、拉索、相应的横臂支架，结合对检查结果及故障原因分析可知，南海海岛站因受到海洋环境“两强、三高”影响，平均寿命降低，情况严重的只占普通气象站的1/3～1/2，基于目前南海海岛特殊自然环境条件、制作工艺及生产技术情况，提升新建的南海海岛站在海洋环境适应性和稳定运行期，由半年升到一年，基本符合海洋设备的应用要求[1]。

3 南海海岛气象站的防护技术

当下南海海岛站设备材料分为金属钢铁材料和非金属材料，南海海岛站集成性的影响因素为钢铁结构的腐蚀、盐化及非金属材料老化等。在进行南海海岛站具体防护设计时要结合部件特点选取相应的防腐材料，如铝、钛合金、不锈钢金属材料、聚碳酸酯等非金属材料，南海海岛站设备材料需选用一定的镀涂工艺，降低材料因环境因素而引起的变化性。

3.1 金属材料的防锈蚀方法

海洋环境会引起金属材料的腐蚀、锈蚀，主要是由于金属和海洋环境周围介质直接接触，因海水作用而发生化学、电化学反应，造成金属材料的损坏，从以下入手：

（1）阻隔金属和介质的直接接触，通过一定的措施使得金属表面生产一层氧化保护膜，阻隔金属和介质的直接接触，达到防腐蚀效果;

（2）阳极保护，于金属表面涂刷一层活性材料，以此为阳极，因涂刷层电位低于金属基体而呈现负极性，故在电化学反应中以阳极的形式遭到腐蚀，而作为阴极的金属材料则被保护，金属表面涂刷层的消耗使得金属材料得到保护。

鉴于上述两种方式，选取金属材料时，结合试验结果，最佳金属材料为316不锈钢，其防腐方法以阻隔金属材料和介质为主，通过在材料中掺入Cr、Mo等易氧化元素，在金属材料表层生成致密的Cr2O3等保护膜，进而阻隔金属材料和周围环境介质的接触，实现在一般大氣、酸碱盐等环境中的金属材料防腐;阳极保护措施中，可在风塔、结构件、紧固件等金属设施表层涂刷一层Zn、Al等，钢铁金属材料为基底，Zn、Al镀层为阳极，电化学反应时，阳极镀层因氧化腐蚀而形成致密的氧化保护膜，进而有效保护基底材料，实现金属材料的防腐。

3.2 南海海岛线缆的老化、腐蚀防御

南海海岛站建筑结构及施工环境特殊，如长期高温、强湿度、辐射环境的作用等，使得多数南海海岛站电缆线路呈现裸露状态，降低了设备性能，引发设备故障，电缆所用橡胶材料包括丁苯橡胶、天然橡胶、乙丙橡胶等;塑料材料包括聚乙烯、聚丙、烯聚氯乙烯等，以上均不符合高温、高湿、强辐射等特殊环境的使用需求，故在保证南海海岛站电气设备的性能的前期下，需尽可能选取耐高温、耐高湿、耐强辐射等复合橡胶材料，有效抵御紫外线，确保线缆不会出现因日照腐蚀而引起损坏[2]，同时电缆还需具有一定的耐磨、抗酸碱腐蚀、不易撕裂等特性及铜网屏蔽线等材料。

3.3 焊接工艺的预防处理

金属材料的防腐性能和金属件的焊接技术有一定的关系。金属件在焊接时需选用氩弧焊的方式，由于氩气的波纹很细，且成型非常美观，故将氩气作为保护气体，可有效保护焊缝，焊接质量也得以保障。此外由于氩弧焊的能量较集中，焊接时热影响的区域很小，有效降低其变形和变性，选取焊接材料时，性能需优于焊接母材料，这样可有效保证焊缝的材料和母体材料成分一致[3]。氩弧焊工艺可有效保障焊缝性能及化学成分，使得焊缝成分和机械性能保持和母体材料一致，避免晶界处的腐蚀，有效提升设备的防腐性能。

3.4 表面涂覆措施的要点

对于南海海岛站的设备机箱及结构件等为实现防腐、隔热的目标，需在其表面涂刷一层保护膜。调研发现，结构件的表面涂刷可选用静电喷涂工艺，其原理是借助静电原理把塑料粉末喷刷至金属材料表层，静电作用使得塑料粉末均匀附着在金属表层，进而呈现粉末状涂层，经过高温的烘烤、熔化、固化等过程，粉末状涂层于金属表面构成了均匀的保护层，具有较高的机械强度、强附着力、耐老化、耐腐蚀性。南海海岛站的设备结构件、机箱等选用表面静电喷涂制作可有效降低设备的腐蚀，提升设备使用寿命，符合海洋环境下金属构件的设备防腐。

4 南海海岛气象站组成成分的防护方案

4.1 风杆防护

因南海海岛站周围特殊的气候条件，使得常规的气象风杆的安装、使用及维护过程中出现较多问题。通过试验对比分析，最终选取由玻璃纤维复合非金属材料构成的新型风杆，玻璃纤维复合非金属材料的质量更轻、强度更高、抗腐蚀性能更好，在运输、安设过程中更便捷，完全满足海洋特殊环境的应用要求[4]。对于风杆安设的附件，包括拉索、索扣、预埋件等均选用316不锈钢材料制备，可有效提升设备的抗腐蚀性能。风塔结构的南海海岛站，可选用热镀锌技术处理风塔材料：风塔制作时，可在钢铁结构表层喷刷一层Zn、Al等阳极性材料，避免电化学反应对钢铁材料造成腐蚀，实现设备防腐。

4.2 机箱防护

因南海海岛站周围环境较特殊，为提升南海海岛站机箱的特殊环境适应性，增强机箱的吸热、密封、抗腐蚀等性能，机箱制备时需排除聚热材料，原因是聚热材料易吸热造成机箱温度增加，温度太高对采集器的性能和寿命将会产生直接影响。机箱最佳材料为316不锈钢板或混合橡胶材料，其中316不锈钢机箱需选用氩弧焊工艺进行焊接、拼装，并于机箱表层开展静电喷涂作业，确保机械的抗腐蚀性，提供机械的防护性能。为满足机箱的防水防尘需求，机箱和门之间的密封条可选用聚氨酯材料，其中聚氨酯材料的材质柔软、密封性强、结合力好，不易发生脱落，均符合南海海岛站机箱制作需求，适用于海洋环境。

4.3 传感器防腐处理

（1）目前大多数南海海岛站风传感器均为YOUNG风传感器，安设和更换时需用黄油处理紧固螺丝来降低结构件的腐蚀程度，同时需用电工胶布裹缠引线的线缆接口来降低线缆的老化及腐蚀，选用穿管处理通信线缆，尽可能避免线缆外漏。

（2）温湿度传感器主要安设于防辐射罩里，高温作用使得防辐射罩内外具有较大的温差，易产生液化的小水珠，并且附着在防辐射罩内，引起湿敏元件出现饱和情况，造成测量误差。市面上的VISALA公司制造的加热型温湿度传感器HMP155A，可借助加热器件来处理高湿条件下湿敏元件的饱和情况，同时借助热轰击方式处理湿敏元件污染情况，避免设备腐蚀[5]。设备使用时，需用电工胶布裹缠接线航空插头，避免航空插头因盐化而出现腐蚀。

（3）常规雨量传感器在特殊的海洋环境条件下，高温、高湿、高盐雾、强辐射等条件作用均易出现盐化腐蚀，长期使用会产生堵塞，故使用时尽可能选用非金属材料生产的雨量筒。

5 结论

综上所述，本文基于南海海島自动气象站项目，对其实际运行中存在的防护问题进行详细分析，为应对海洋环境的特殊条件如南海海岛强风、强辐射、高温、高湿度、高盐性等，从南海海岛站的结构、设备、材料、集成性等方面入手，采用多种电子设备防护工艺及有效防护方案，有效提升海洋特殊环境条件作用下的南海海岛站使用性能，延长设备维护使用时间。

参考文献：

[1]陈亮，王小坚，吴坤悌，等.海南省气象服务产品分发系统设计与应用[M].海口：气象出版社，2015.

[2]翁武坤，谢健群，林苗青.浅谈海岛自动气象站的防锈措施[C].中国福建厦门，2011.

[3]李莹，赵彦兴，张珍文.地面气象自动观测定时数据缺测的处理方法[J].江西农业，2017，（02）：43-45.

[4]陈慧，彭丽娜，韩晶霞，等.自动站观测数据综合应用业务系统的设计与实现[J].农业与技术，2017，（04）：71-73.

[5]张远洪，罗晓松，赵大清，等.浅析移动通信网络升级对区域自动气象站GPRS通信的影响[J].贵州气象，2017，（01）：17-19.

基金项目：农业农村部渔业安全生产管理项目（171721301124112041-01，171721301124112041-02）;农业农村部南海渔业安全应急处置与对策研究（02011020191111）;农业农村部外海渔业开发重点实验室2018年度开放基金课题（LOF 2018-05）。

作者：黄应邦 林锡坤 马胜伟 陈余海 潘灶林 吴洽儿