CN107656724A - 志愿船海洋水文气象观测软件、系统及软件开发方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种志愿船海洋水文气象观测软件系统，包括全局控制模块、外设驱动模块、外设通信模块、数据采集模块、数据管理模块、统计分析报表模块、数据可视化模块和数据导出模块。本技术方案大大提高了软件的复用性，通过观测软件系统的热部署，可实现对于海洋水文、气象的连续不间断观测，满足重点区域对于高质量水文、气象保障的要求。对观测过程中的地理位置信息，观测时间信息，志愿船的航行状态信息进行全方位记录，确保了海洋水文气象观测数据的完整性，为志愿船海洋水文气象观测软件技术的进一步发展奠定了坚实的基础。
Description
技术领域
本发明涉及计算机软件领域，特别涉及志愿船海洋水文气象观测软件实现技术领域，具体是指一种志愿船海洋水文气象观测软件系统设计方法。
背景技术
志愿船观测是由商船、交通船、渔船以及其他从事海上活动的船舶承担的一项义务工作，在这些船只上安装船舶自动观测设备，以获取近岸、中远海和远洋航线上的海洋观测资料。本发明中一种志愿船海洋水文气象观测软件系统指运行于上述船舶自动观测设备上的系统软件。志愿船海洋水文气象观测软件系统被认为是志愿船观测的核心。随着国家对于志愿船观测的逐步重视，对于志愿船海洋水文气象观测软件的开发需求显著增加。同时，由于志愿船海洋水文气象观测要素繁多，统计报表格式复杂，通信方式多样，导致志愿船海洋水文气象观测软件的开发效率低、周期长、集成难度大。因此，研究志愿船海洋水文气象观测软件系统及设计方法显得尤为必要。
志愿船海洋水文气象观测软件系统大多是针对特定型号的海洋水文、气象传感器进行集成，系统采用分时策略通过私有协议从各个传感器获取观测数据，使用文件系统或数据库系统对观测数据进行持久化，执行观测数据的可视化，并依据实际报表格式生成统计报表，通过通讯设备发送特定的观测数据及统计报表。在一定程度上，实现了观测过程的自动化，但是现有软件系统仍然存在以下几个方面的问题。首先，观测软件系统架构缺少组件化支持，各个功能模块耦合严重，开发、测试效率低，降低了系统的可靠性。此外，对于新传感器类型、新通信设备类型的添加，需要修改现有观测软件系统代码，降低了系统的可复用性和可扩展性。其次，对于观测软件系统的程序更新，需要关闭当前的观测软件系统，无法实现程序的热部署(热部署是指通过接口的兼容性设计及软件模块的动态重载入，在不中断现有水文、气象观测的前提下，实现软件系统的更新。热部署功能能够有效的保障志愿船海洋水文气象观测的连续性)。
目前志愿船海洋水文气象观测软件的开发主要集中在具体问题的解决方面，没有系统化的志愿船海洋水文气象观测软件开发方法的研究工作。
发明内容
本发明的目的是克服了上述现有技术中的缺点，提出一种能够有效解决志愿船海洋水文气象观测软件的开发效率低、开发周期长，高可靠性、高可重用性无法满足和缺少热部署功能支持的问题。开发支持组件化架构，满足高可靠性、高复用性、可扩展的志愿船海洋水文气象观测软件系统及方法。
为了实现上述目的，本发明的志愿船海洋水文气象观测软件系统及方法如下：
所述的志愿船海洋水文气象观测软件系统，其主要特点是，该系统包括全局控制模块、外设驱动模块、外设通信模块、数据采集模块、数据管理模块、统计分析报表模块、数据可视化模块和数据导出模块。
全局控制模块，负责各个模块组件的动态加载及组件之间的通信及数据交换，在系统初始化时加载必要的组件化运行时环境，并完成外设驱动模块、外设通信模块、数据采集模块、数据管理模块、统计分析报表模块、数据可视化模块和数据导出模块的初始化；
外设驱动模块，根据外部设备的元数据描述，加载相应的驱动程序，并对驱动程序的版本及接口信息进行验证；
外设通信模块，提供对于Modbus数据总线的支持，外设通信模块与各个水文、气象传感器、通讯设备终端等的通信均遵循Modbus通讯协议，实现与外部设备通信的统一管理；
数据采集模块，通过传感器通信模块向各个水文、气象传感器发送逻辑指令和接收来自传感器通信模块的传感器数据，所述的逻辑命令与实际传感器类型具有无关性；
数据管理模块，从数据采集模块获取数据，对文件系统或数据库进行观测数据存储和获取，为其它模块提供观测数据，实现了对于观测数据的统一管理；
统计分析报表模块，对观测数据进行统计分析，支持以报表模板的形式对统计报表进行设计，对统计报表的添加、修改等操作均可通过报表模板实现，无需修改相应的代码；
数据可视化模块，支持实时观测数据的显示，以虚拟仪表的方式显示当前的风速、风向、气温、气压、空气湿度、波浪特征、海水表层温度、盐度等水文、气象观测要素。提供统计观测数据的显示，支持以玫瑰图的形式显示风场统计信息、以方向谱的形式显示波浪统计信息、以数据曲线的形式显示风速、风向、气压、空气湿度、海水表层温度、盐度等的统计信息；
数据导出模块，支持Xml、NetCDF等常用海洋水文、气象数据格式的导出，可导出至SD卡、U盘等移动存储设备。
志愿船海洋水文气象观测系统主要包括自动测报仪主机和外部设备两部分组成，该观测软件系统运行于志愿船上安装的自动测报仪主机，测报仪主机的组成包括显示器、键盘、存储器、工作指示灯、报警蜂鸣器、报警指示灯、交直流电源、主机箱和设备接插件组成。外围设备包括卫星通讯系统、GPS定位系统、风传感器、温湿度传感器、方位传感器、气压传感器和扩展的其他传感器。其中，扩展的其他传感器包括：船用表层温、盐传感器链观测子系统、X波段雷达浪流观测子系统、双目立体视觉波浪观测子系统等。外围设备中传感器设备主要完成各种观测参数的测量，卫星通讯系统主要用于测报仪与外界的数据通讯。外围设备与主机之间通过通讯协议进行数据传输。
该志愿船海洋水文气象观测软件系统的热部署是指通过接口的兼容性设计及软件模块的动态重载入，在不中断现有水文、气象观测的前提下，实现软件系统的更新。热部署功能能够有效的保障志愿船海洋水文气象观测的连续性。
该志愿船海洋水文气象观测系统实现采用志愿船海洋水文气象观测软件开发方法实现，志愿船海洋水文气象观测软件开发方法，包括以下步骤：
(1)全局控制模块的初始化；
(2)海洋水文、气象传感器的初始化；
(3)通讯设备的初始化；
(4)数据管理模块的初始化；
(5)数据采集过程的执行；
(6)海洋水文、气象观测数据的持久化；
(7)海洋实时水文、气象观测数据的可视化显示；
(8)海洋水文、气象观测数据的统计分析；
(9)海洋水文、气象观测数据的统计报表生成；
(10)海洋水文、气象观测数据的传输。
全局控制模块的初始化用于加载必要的组件化运行时环境，并完成外设驱动模块、外设通信模块、数据采集模块、数据管理模块、统计分析报表模块、数据可视化模块和数据导出模块的初始化；海洋水文、气象传感器的初始化用于根据传感器元数据信息查找并加载传感器的驱动程序；通讯设备的初始化，用于根据通讯设备的元数据信息查找并加载通讯设备的驱动程序；数据管理模块的初始化，用于根据数据管理配置文件加载数据库系统或文件存储系统；数据采集过程的执行，用于通过数据总线接口，使用Modbus协议向水文、气象传感器发送逻辑指令；传感器接收到逻辑指令后，通过数据总线接口，使用Modbus协议向数据采集模块发送观测数据，数据采集模块接收到观测数据采集过程结束；海洋水文、气象观测数据的持久化，用于将观测数据存储到数据库系统或文件存储系统；海洋实时水文、气象观测数据的可视化显示，以虚拟仪表的方式显示当前的风速、风向、气温、气压、空气湿度、波浪特征、海水表层温度、盐度等水文、气象观测要素。提供统计观测数据的显示，支持以玫瑰图的形式显示风场统计信息、以方向谱的形式显示波浪统计信息、以数据曲线的形式显示风速、风向、气压、空气湿度、海水表层温度、盐度等的统计信息；所述的海洋水文、气象观测数据的统计分析，用于对原始观测数据进行特征计算，支持波浪能量谱、波浪方向谱、风速矢量场、风向矢量场、海流矢量场的计算；所述的海洋水文、气象观测数据的统计报表生成，用于按照用户指定的格式要求，生产观测数据的统计报表；所述的海洋水文、气象观测数据的传输，用于将海洋水文、气象观测数据或统计分析数据通过卫星通信、移动网络等方式发送至地面接收站。
志愿船海洋水文气象观测软件开发方法，以观测数据的地理位置信息，观测数据的时间戳为索引，以志愿船的航行状态为辅助信息，实现了海洋水文气象观测数据的有效记录，并通过日志信息记录软件系统的各类事件信息，及时发现观测过程的问题所在。
志愿船海洋水文气象观测软件开发方法实现了风速、风向、气温、气压、湿度、波浪、海流、海水表层温盐的随船观测，实现了志愿船海洋水文气象观测软件的热部署，确保了整个海洋水位气象观测过程数据的完整性和连续性；当前的志愿船海洋水文气象观测软件运行于单片嵌入式主板上，因此难以实现软件的热部署，本发明在硬件上采用两片独立的嵌入式主板设计，实现双系统热备，传感器观测数据同时被运行于两片嵌入式主板上的志愿船海洋水文气象观测软件接收，全局控制模块保持一个软件系统正常运行，对另一个系统执行关闭、更新、重启操作，从而实现热部署；热部署的实现还需要采集硬件支持信号的复制及多路传输，软件系统外部接口的规范化定义；实现了传感器、通讯设备等外设的统一管理，通过添加新的传感器、传感器元数据及数据总线接口模块，即可实现对于新类型传感器及通讯设备的使用；在架构设计上充分考虑了海洋水文气象观测的实际需求，以模块化的方式涵盖了海洋水文气象观测的各个方面，同时充分考虑了架构的高可用行，支持海洋水文、气象传感器、通信设备的热插拔，通过观测软件系统的热部署，可实现对于海洋水文、气象的连续不间断观测，满足重点区域对于高质量水文、气象保障的要求。对观测过程中的地理位置信息，观测时间信息，志愿船的航行状态信息进行全方位记录，确保了海洋水文气象观测数据的完整性，对于志愿船海洋水文气象观测软件技术的设计和开发具有促进作用。
附图说明
图1：本发明基于志愿船海洋水文气象观测软件系统的整体逻辑功能模块架构示意图；
图2：本发明的实现志愿船海洋水文气象观测软件系统开发方法中的志愿船海洋水文气象观测系统设计结构示意图；
图3：本发明的实现志愿船海洋水文气象观测软件系统的整体流程示意图；
图4：本发明的实现志愿船海洋水文气象观测软件系统的工作过程示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例详细说明。
如图1所示，该志愿船海洋水文气象观测软件系统，其中包括全局控制模块、外设驱动模块、外设通信模块、数据采集模块、数据管理模块、统计分析报表模块、数据可视化模块及数据导出模块。
全局控制模块，实现各个模块组件的动态加载及组件之间的通信及数据交换，在系统初始化时加载必要的组件化运行时环境，并完成外设驱动模块、外设通信模块、数据采集模块、数据管理模块、统计分析报表模块、数据可视化模块和数据导出模块的初始化；
外设驱动模块，根据外部设备的元数据描述，加载相应的驱动程序，并对驱动程序的版本及接口信息进行验证；
外设通信模块，提供对于Modbus数据总线的支持，外设通信模块与各个水文、气象传感器、通讯设备终端等的通信均遵循Modbus通讯协议，实现与外部设备通信的统一管理；
数据管理模块，从数据采集模块获取数据，对文件系统或数据库进行观测数据存储和获取，为其它模块提供观测数据，实现了对于观测数据的统一管理；
统计分析报表模块，对观测数据进行统计分析，支持以报表模板的形式对统计报表进行设计，对统计报表的添加、修改等操作均可通过报表模板实现，无需修改相应的代码；
数据可视化模块，支持实时观测数据的显示，以虚拟仪表的方式显示当前的风速、风向、气温、气压、空气湿度、波浪特征、海水表层温度、盐度等水文、气象观测要素。提供统计观测数据的显示，支持以玫瑰图的形式显示风场统计信息、以方向谱的形式显示波浪统计信息、以数据曲线的形式显示风速、风向、气压、空气湿度、海水表层温度、盐度等的统计信息；
数据导出模块，支持Xml、NetCDF等常用海洋水文、气象数据格式的导出，可导出至SD卡、U盘等移动存储设备。
其中，志愿船海洋水文气象观测系统主要包括自动测报仪主机和外部设备两部分组成，该观测软件系统运行于志愿船上安装的自动测报仪主机，测报仪主机的组成包括显示器、键盘、存储器、工作指示灯、报警蜂鸣器、报警指示灯、交直流电源、主机箱和设备接插件组成。外围设备包括卫星通讯系统、GPS定位系统、风传感器、温湿度传感器、方位传感器、气压传感器和扩展的其他传感器。其中，扩展的其他传感器包括：船用表层温、盐传感器链观测子系统、X波段雷达浪流观测子系统、双目立体视觉波浪观测子系统等。外围设备中传感器设备主要完成各种观测参数的测量，卫星通讯系统主要用于测报仪与外界的数据通讯。外围设备与主机之间通过通讯协议进行数据传输。
其中，志愿船海洋水文气象观测软件系统的热部署是指通过接口的兼容性设计及软件模块的动态重载入，在不中断现有水文、气象观测的前提下，实现软件系统的更新。热部署功能能够有效的保障志愿船海洋水文气象观测的连续性。
如图2-3所示，实现志愿船海洋水文气象观测软件系统开发方法，其中包括以下步骤：
(1)全局控制模块的初始化；
(2)海洋水文、气象传感器的初始化；
(3)通讯设备的初始化；
(4)数据管理模块的初始化；
(5)数据采集过程的执行；
(6)海洋水文、气象观测数据的持久化；
(7)海洋实时水文、气象观测数据的可视化显示；
(8)海洋水文、气象观测数据的统计分析；
(9)海洋水文、气象观测数据的统计报表生成；
(10)海洋水文、气象观测数据的传输。
其中，所述的全局控制模块的初始化用于加载必要的组件化运行时环境，并完成外设驱动模块、外设通信模块、数据采集模块、数据管理模块、统计分析报表模块、数据可视化模块和数据导出模块的初始化；所述的海洋水文、气象传感器的初始化用于根据传感器元数据信息查找并加载传感器的驱动程序；所述的通讯设备的初始化，用于根据通讯设备的元数据信息查找并加载通讯设备的驱动程序；所述的数据管理模块的初始化，用于根据数据管理配置文件加载数据库系统或文件存储系统；所述的数据采集过程的执行，用于通过数据总线接口，使用Modbus协议向水文、气象传感器发送逻辑指令。传感器接收到逻辑指令后，通过数据总线接口，使用Modbus协议向数据采集模块发送观测数据，数据采集模块接收到观测数据采集过程结束；所述的海洋水文、气象观测数据的持久化，用于将观测数据存储到数据库系统或文件存储系统；所述的海洋实时水文、气象观测数据的可视化显示，以虚拟仪表的方式显示当前的风速、风向、气温、气压、空气湿度、波浪特征、海水表层温度、盐度等水文、气象观测要素。提供统计观测数据的显示，支持以玫瑰图的形式显示风场统计信息、以方向谱的形式显示波浪统计信息、以数据曲线的形式显示风速、风向、气压、空气湿度、海水表层温度、盐度等的统计信息；所述的海洋水文、气象观测数据的统计分析，用于对原始观测数据进行特征计算，支持波浪能量谱、波浪方向谱、风速矢量场、风向矢量场、海流矢量场的计算；所述的海洋水文、气象观测数据的统计报表生成，用于按照用户指定的格式要求，生产观测数据的统计报表；所述的海洋水文、气象观测数据的传输，用于将海洋水文、气象观测数据或统计分析数据通过卫星通信、移动网络等方式发送至地面接收站。
志愿船海洋水文气象观测软件系统开发方法，实现了风速、风向、气温、气压、湿度、波浪、海流、海水表层温盐的随船观测，实现了志愿船海洋水文气象观测软件的热部署，确保了整个海洋水位气象观测过程数据的完整性和连续性。
志愿船海洋水文气象观测软件系统开发方法，实现了传感器、通讯设备等外设的统一管理，通过添加新的传感器、传感器元数据及数据总线接口模块，即可实现对于新类型传感器及通讯设备的使用。
志愿船海洋水文气象观测软件系统开发方法，以观测数据的地理位置信息，观测数据的时间戳为索引，以志愿船的航行状态为辅助信息，实现了海洋水文气象观测数据的有效记录，并通过日志信息记录软件系统的各类事件信息，及时发现观测过程的问题所在。
如图4所示，外设海洋水文气象传感器通过数据总线与志愿船海洋水文气象观测系统采集硬件相连，数据采集模块通过数据总线接口，使用Modbus协议向水文、气象传感器发送逻辑指令。传感器接收到逻辑指令后，通过数据总线接口，使用Modbus协议向数据采集模块发送观测数据，数据采集模块接收观测数据，完成海洋水文气象数据的观测。
采用上述的志愿船海洋水文气象观测软件系统及方法，在架构设计上充分考虑了海洋水文气象观测的实际需求，以模块化的方式涵盖了海洋水文气象观测的各个方面，同时充分考虑了架构的高可用行，支持海洋水文、气象传感器、通信设备的热插拔，通过观测软件系统的热部署，可实现对于海洋水文、气象的连续不间断观测，满足重点区域对于高质量水文、气象保障的要求。对观测过程中的地理位置信息，观测时间信息，志愿船的航行状态信息进行全方位记录，确保了海洋水文气象观测数据的完整性，为志愿船海洋水文气象观测软件技术的进一步发展奠定了坚实的基础。
说明书中，本发明已参照其特定的实施例作出描述。但是，很明显仍可以做出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。实施例仅说明本发明的技术方案，而非对其进行任何限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.志愿船海洋水文气象观测软件，其特征在于，包括全局控制模块、外设驱动模块、外设通信模块、数据采集模块、数据管理模块、统计分析报表模块、数据可视化模块和数据导出模块,所述的
全局控制模块，负责各个模块组件的动态加载及组件之间的通信及数据交换，在系统初始化时加载必要的组件化运行时环境，并完成外设驱动模块、外设通信模块、数据采集模块、数据管理模块、统计分析报表模块、数据可视化模块和数据导出模块的初始化；
外设驱动模块，根据外部设备的元数据描述，加载相应的驱动程序，并对驱动程序的版本及接口信息进行验证；
外设通信模块，提供对于Modbus数据总线的支持，外设通信模块与各个水文、气象传感器、通讯设备终端等的通信均遵循Modbus通讯协议，实现与外部设备通信的统一管理；
数据采集模块，通过传感器通信模块向各个水文、气象传感器发送逻辑指令和接收来自传感器通信模块的传感器数据，所述的逻辑命令与实际传感器类型具有无关性；
数据管理模块，从数据采集模块获取数据，对文件系统或数据库进行观测数据存储和获取，为其它模块提供观测数据，实现了对于观测数据的统一管理；
统计分析报表模块，对观测数据进行统计分析，支持以报表模板的形式对统计报表进行设计，对统计报表的添加、修改等操作均可通过报表模板实现，无需修改相应的代码；
数据可视化模块，支持实时观测数据的显示，以虚拟仪表的方式显示当前的水文、气象观测要素；提供统计观测数据的显示，支持以玫瑰图的形式显示风场统计信息、以方向谱的形式显示波浪统计信息、以数据曲线的形式显示风速、风向、气压、空气湿度、海水表层温度、盐度等的统计信息；
数据导出模块，支持Xml、NetCDF等常用海洋水文、气象数据格式的导出，可将数据以常用格式导出至SD卡、U盘等移动存储设备。
2.如权利要求1所述的志愿船海洋水文气象观测软件，其特征在于，水文、气象观测要素包括风速、风向、气温、气压、空气湿度、波浪特征、海水表层温度、盐度。
3.如权利要求1所述的志愿船海洋水文气象观测软件，其特征在于，常用格式包括Xml、NetCDF海洋水文、气象数据格式。
4.志愿船海洋水文气象观测系统，其特征在于，包括权利要求1所述的志愿船海洋水文气象观测软件、自动测报仪主机和外部设备，志愿船海洋水文气象观测软件安装在自动测报仪主机上。
5.如权利要求4所述的志愿船海洋水文气象观测系统，其特征在于，测报仪主机包括显示器、键盘、存储器、工作指示灯、报警蜂鸣器、报警指示灯、交直流电源、主机箱和设备接插件。
6.如权利要求4所述的志愿船海洋水文气象观测系统，其特征在于，外围设备包括卫星通讯系统、GPS定位系统、风传感器、温湿度传感器、方位传感器、气压传感器、船用表层温、盐传感器链观测子系统、X波段雷达浪流观测子系统、双目立体视觉波浪观测子系统，外围设备中传感器设备主要完成各种观测参数的测量，卫星通讯系统主要用于测报仪与外界的数据通讯，外围设备与主机之间通过通讯协议进行数据传输。
7.志愿船海洋水文气象观测软件开发方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)全局控制模块的初始化；
(2)海洋水文、气象传感器的初始化；
(3)通讯设备的初始化；
(4)数据管理模块的初始化；
(5)数据采集过程的执行；
(6)海洋水文、气象观测数据的持久化；
(7)海洋实时水文、气象观测数据的可视化显示；
(8)海洋水文、气象观测数据的统计分析；
(9)海洋水文、气象观测数据的统计报表生成；
(10)海洋水文、气象观测数据的传输。
8.根据权利7所述的志愿船海洋水文气象观测软件开发方法，其特征在于，全局控制模块的初始化用于加载必要的组件化运行时环境，并完成外设驱动模块、外设通信模块、数据采集模块、数据管理模块、统计分析报表模块、数据可视化模块和数据导出模块的初始化；海洋水文、气象传感器的初始化用于根据传感器元数据信息查找并加载传感器的驱动程序；通讯设备的初始化，用于根据通讯设备的元数据信息查找并加载通讯设备的驱动程序；数据管理模块的初始化，用于根据数据管理配置文件加载数据库系统或文件存储系统；数据采集过程的执行，用于通过数据总线接口，使用Modbus协议向水文、气象传感器发送逻辑指令，传感器接收到逻辑指令后，通过数据总线接口，使用Modbus协议向数据采集模块发送观测数据，数据采集模块接收到观测数据采集过程结束；海洋水文、气象观测数据的持久化，用于将观测数据存储到数据库系统或文件存储系统；海洋实时水文、气象观测数据的可视化显示，以虚拟仪表的方式显示当前的风速、风向、气温、气压、空气湿度、波浪特征、海水表层温度、盐度等水文、气象观测要素，提供统计观测数据的显示，支持以玫瑰图的形式显示风场统计信息、以方向谱的形式显示波浪统计信息、以数据曲线的形式显示风速、风向、气压、空气湿度、海水表层温度、盐度等的统计信息；海洋水文、气象观测数据的统计分析，用于对原始观测数据进行特征计算，支持波浪能量谱、波浪方向谱、风速矢量场、风向矢量场、海流矢量场的计算；海洋水文、气象观测数据的统计报表生成，用于按照用户指定的格式要求，生产观测数据的统计报表；所述的海洋水文、气象观测数据的传输，用于将海洋水文、气象观测数据或统计分析数据通过卫星通信、移动网络等方式发送至地面接收站。
9.根据权利4所述的志愿船海洋水文气象观测软件开发方法，其特征在于，开发方法以观测数据的地理位置信息，观测数据的时间戳为索引，以志愿船的航行状态为辅助信息，实现海洋水文气象观测数据的有效记录，通过日志信息记录软件系统的各类事件信息，及时发现观测过程的问题所在。
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