CN115437035B - 一种科考船气象智能预警系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种科考船气象智能预警系统，包括实况模块、台风模块、预测模块、网络模块、存储模块、可视化模块、智能分析模块和日志记录模块；所述实况模块、台风模块和预测模块均通过网络模块与存储模块连接，存储模块分别连接可视化模块、智能分析模块和日志记录模块。所述实况模块能够接收风速传感器、气压传感器、相对湿度传感器和温度传感器的测量数据。本发明解决了船舶气象缺乏实况、台风、预测全面联动预警的问题，实现了自动气象站系统多平台，多应用场景扩展；并通过自动气象站阈值设定，建立了自动预警体系，实现了自动气象站数值、图、表、四色图形显示的数据可视化。

Description

一种科考船气象智能预警系统及方法

技术领域

本发明涉及海上气象预警领域，具体地说是涉及一种科考船气象智能预警系统及方法。

背景技术

远洋科考事业飞速发展，大洋一号、向阳红01、探索一号、深海一号、科学号、大洋号等船舶均工作在远离航道的大洋，工作海域台风频发，气象复杂多变。恶劣的气象变化，会给船舶、人员、设备带来巨大的安全隐患。目前，实况方面船舶自动气象站采集气象信息(风速、风向、阵风、气温、水温、能见度等)，数据在集成工程机上显示。台风预警信息依靠船舶接收气象传真广播，人工翻译报文，预警方法比较落后，存在预警资料匮乏，预警不及时，不能进行多用户实时预警等问题。

航次任务中，载人潜水器(蛟龙号、奋斗者号、深海勇士)、水下滑翔机、深钻、ROV等科考设备极其昂贵，对海洋环境需求非常高，要求实时监控海洋环境的变化。领队、首席、船长、作业组长、调查部、甲板部、轮机部等各管理岗位均需要实时了解天气的变化。比如说考察作业中，设备已经下放到几千米甚至上万米的深海，天气突然变化如不及时做出任务调整，会引起安全隐患。因此，需要对气象进行智能预警，以让领导组根据气象变化，及时做出任务调整，为科考人员、船舶、设备的安全保驾护航。

目前，落后的气象预警技术已经成为作业中的短板，仅靠现有的手段远远不能满足气象预警的需求。总结来看，现有气象预警的缺点表现在以下方面：目前船舶气象缺乏实况、台风、预测全面的联动预警；自动气象站系统缺乏多平台，多应用场景扩展；自动气象站缺乏阈值设定、自动预警体系；自动气象站只有数值显示，可视化方法落后；台风信息接收系统落后，报文可读性差，缺乏现代可视化表达；缺乏大风距离推算等现代化技术手段。

发明内容

基于上述技术问题，本发明提出一种科考船气象智能预警系统，以及采用该科考船气象智能预警系统的预警方法。

本发明所采用的技术解决方案是：

一种科考船气象智能预警系统，包括实况模块，用于提供传感器数据流解析，为预警提供实时现场数据；

台风模块，用于接收并解析台风实况、台风路径、台风预测数据，为预警提供动态台风信息；

预测模块，用于数值预报的文件接收、解压、解密、解析，为智能预警提供预报支撑；

网络模块，用于接收海事卫星数据，建立船舶局域网，将实况、预测、台风数据传送至局域网中，为不同应用场景提供网络数据；

存储模块，用于存储秒级实况数据、7天预测数据、台风信息数据；

可视化模块，用于将数据转化为图形显示、报表显示，基于WEBGIS平台，搭建集预报、实况、预警的可视化平台；

记录模块，用于记录强天气过程，为航次总结分析提供参考；

所述实况模块、台风模块和预测模块均通过网络模块与存储模块连接，存储模块分别连接可视化模块和记录模块。

优选的，该预警系统还包括用于对存储模块中存储数据进行分析的智能分析模块，智能分析模块与存储模块连接。

优选的，所述实况模块能够接收风速传感器、气压传感器、相对湿度传感器和温度传感器的测量数据。

优选的，所述可视化模块包括显示屏、电脑和手机端。

一种科考船气象智能预警方法，采用如上所述的预警系统，包括以下步骤：

实况模块的实时现场数据、台风模块的台风数据和预测模块的预测数据均通过网络模块传送至存储模块进行储存；

存储模块储存的数据通过服务器进行汇总、解析、分析，再通过可视化模块进行显示，实现分钟级船舶实时预警。

优选的，该预警方法还包括通过即时通信技术在局域网内进行数据广播的步骤。

优选的，通过船载自动气象站串口接收风速传感器、气压传感器、相对湿度传感器和温度传感器测量的瞬时数据；通过船载GPS串口接收船舶状态数据，包括经度、纬度、航速、航向、艏向；将数据通过串口转网口数据线连接至船舶局域网，通过船舶内网，并行至船舶串口服务器。

优选的，所述船舶串口服务器使用IP组播技术手段，将毫秒级数据流广播至局域网。

优选的，该预警方法还包括以下步骤：解析台风报文数据，将台风位置信息以及台风预测信息存至船舶服务器数据库；根据风力等级表和需求设置蓝、黄、橙、红四色警戒预警等级，根据风速阈值不同，风速显示窗口背景、数值自动变色、并弹出警报窗口，伴随警报音提醒。

一种科考船气象智能预警方法，具体步骤如下：

(1)风速传感器、气压传感器、相对湿度传感器和温度传感器的测量数据通过串口并网传送至交换机，并经组播后传送至串口服务器，然后进行数据解析、数据计算，并将结果数据传送至船载服务器；

(2)通过海事卫星接收的台风数据，通过报文解析、距离强度计算，并将计算数据传送至船载服务器；

(3)通过海事卫星接收的预测数据，经数据解析，风速、浪高计算，并将计算数据以及警戒范围传送至船载服务器；

(4)通过船载服务器判断是否超过设定阈值，如果是则启动预警，并通过交换机进行数据可视化。

本发明的有益技术效果是：

本发明解决了船舶气象缺乏实况、台风、预测全面联动预警的问题，实现了自动气象站系统多平台，多应用场景扩展；并通过自动气象站阈值设定，建立了自动预警体系。

本发明智能预警系统及方法，可进行气象实况毫秒级接收，并结合数值预测和台风信息，通过手机、电脑、大屏、电视等多平台同步展示预警信息，全面弥补了自动气象站的不足，解决了预警资料匮乏和预警不及时的问题。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明：

图1为本发明科考船气象智能预警系统的结构框图；

图2为本发明系统中组播原理示意图；

图3为本发明具体应用时合成风一种情况下的计算公式；

图4为本发明具体应用时合成风另一种情况下的计算公式；

图5为本发明具体应用时，计算半径为100海里的大风值示意图；

图6为本发明方法的流程示意图。

具体实施方式

结合附图，一种科考船气象智能预警系统，包括实况模块，被配置为用于提供传感器数据流解析，为预警提供实时现场数据；台风模块，被配置为用于接收并解析台风实况、台风路径、台风预测数据，为预警提供动态台风信息；预测模块，被配置为用于数值预报的文件接收、解压、解密、解析，为智能预警提供预报支撑；网络模块，被配置为用于接收海事卫星数据，建立船舶局域网，将实况、预测、台风数据传送至局域网中，为不同应用场景提供网络数据；存储模块，被配置为用于存储秒级实况数据、7天预测数据、台风信息数据；可视化模块，被配置为用于将数据转化为图形显示、报表显示，基于WEBGIS平台，搭建集预报、实况、预警的可视化平台；日志记录模块，被配置为用于记录强天气过程，为航次总结分析提供参考；以及智能分析模块，被配置为用于对存储模块中存储数据进行分析。所述实况模块、台风模块和预测模块均通过网络模块与存储模块连接，存储模块分别连接可视化模块、智能分析模块和日志记录模块。

上述实况模块能够接收风速传感器、气压传感器、相对湿度传感器和温度传感器的测量数据。

上述可视化模块包括显示屏、电脑和手机端。显示屏可为大屏中心等。

本发明还提供一种科考船气象智能预警方法，采用如上所述的预警系统，包括以下步骤：

实况模块的实时现场数据、台风模块的台风数据和预测模块的预测数据均通过网络模块传送至存储模块进行储存；存储模块储存的数据通过服务器进行汇总、解析、分析，再通过可视化模块进行显示，实现分钟级船舶实时预警。

本发明经过服务器汇总、解析、分析实现分钟级船舶实时预警，通过即时通信技术在局域网内进行数据广播，各岗位可以通过大屏中心、电脑、手机等多用户端进行访问。本发明已在大洋一号、深海一号等科考船上进行了多个航次的应用，得到一致的好评。

作为对本发明的进一步设计，该方法还包括通过即时通信技术在局域网内进行数据广播的步骤。

更进一步的，通过船载自动气象站串口接收传感器(风速、风向、气温、水温、相对湿度、气压)测量的瞬时数据；通过船载GPS串口接收船舶状态数据(经度、纬度、航速、航向、艏向)；将数据通过串口转网口数据线连接至船舶局域网，通过船舶内网，并行至船舶串口服务器。

进一步的，如图2所示，所述船舶串口服务器使用IP组播技术手段，将毫秒级数据流广播至局域网。具体是传感器和GPS分别通过串口与交换机相连，然后连接串口服务器，通过组播穿过防火墙后，再分别通过交换机连接电脑、手机、平板和大屏等终端。

更进一步的，该方法还包括以下步骤：解析台风报文数据，将台风位置信息以及台风预测信息存至船舶服务器数据库；根据风力等级表和需求设置蓝、黄、橙、红四色警戒预警等级，根据风速阈值不同，风速显示窗口背景、数值自动变色、并弹出警报窗口，伴随警报音提醒。

具体地，使用C#解析数据流得到时间，船舶状态数据组，气象传感器数据组，将数组存放至临时txt文件中。根据数据组头部标识及规则解析报文数据，通过字段长度提取具体要素数据，例如风速7.8，气温23.7等。统计1分钟内根据要素瞬时值，累加计算1分钟要素平均值(不同广播时间段要素个数不同)，计算要素有：风速、风向、气温、水温、气压、能见度。计算公式为：其中∑X_i为循环60秒内，有效数据的总和，n为有效数据个数，i为数据个数步长，取值范围为(i，i+60)。根据船舶艏向、航速、航向、风速、风向矢量叠加，计算对地风速、对地风向即真风速、真风向。

如果合成风处于第1或者第2象限，合成风与航向夹角小于180°，∠DAC为相对于航向的合成风风向，范围为[0,180)，b为合成风风速；∠ABC相对于航向的真风风向，范围为[0，180)，a为真风风速；∠α为航向，范围为[0,360)，c为船风风速。如图3所示。

如果合成风处于第3或者第4象限，合成风与航向夹角大于180°相对于航向的合成风风向为360°-∠DAC，范围为[180，360)，b为合成风风速；相对于航向的真风风向为360°-∠B，范围为[180，360)，a为真风风速；∠α为航向，范围为[0，360)，c为船风风速。合成风(测量风)与航向的夹角为180°+∠CAB，计算公式如图4所示。

根据1分钟真风速、真风向平均计算10分钟平均风速。将解析后的数据写入数据库，使用基于Chrome V8引擎的Nodejs，通过websocket即时通信技术，建立客户端与数据库的实时交互，建立浏览器和服务器只需要完成握手，创建持久性的连接，并进行双向数据传输，允许服务端主动向客户端实时推送数据。基于VUE轻量级框架，实现数据前台可视化，显示瞬时数据、1分钟平均数据，10分钟平均数据，气温、气压、相对湿度、水温、航速、航向、经度、纬度、艏向等；滚动记录24小时内气象实况，绘制风速、气温、水温、气压、能见度曲线，并记录24小时内的最高与最低值。使用Python工具抓取中央气象台、美国、日本等国家发布的台风路径与预测信息。解析台风报文数据，将台风位置信息(中心位置、最大风速、大风半径、移动速度、移动方向)，台风预测信息(24、48，72，96小时预测)存至船舶服务器数据库。通过海事卫星接收工作海域风速、风向等气象网格点数据。

根据船舶GPS信息，计算半径为100海里的大风值，如图5所示。假设地球是一个完美的球体，地球的平均半径记为R。如果以0度经线为基准，那么根据地球表面任意两点的经纬度就可以计算出这两点间的地表距离(这里忽略地球表面地形对计算带来的误差，仅仅是理论上的估算值)。设第一点A的经纬度为(LonA,LatA)，第二点B的经纬度为(LonB,LatB)，按照0度经线的基准，东经取经度的正值(Longitude)，西经取经度负值(-Longitude)，北纬取90-纬度值(90-Latitude)，南纬取90+纬度值(90+Latitude)，则经过上述处理过后的两点被计为(MlonA，MLatA)和(MlonB，MLatB)。那么根据三角推导，可以得到计算两点距离的如下公式：C＝sin(MLatA)*sin(MLatB)*cos(MLonA-MLonB)+cos(MLatA)*cos(MLatB)

Distance＝R*Arccos(C)*Pi/180这里，R和Distance单位是相同，采用6371.004千米作为半径，1千米＝0.621371192mile。

根据风力等级表和需求设置蓝、黄、橙、红四色警戒预警等级，根据风速阈值不同，风速显示窗口背景、数值自动变色、并弹出警报窗口，伴随警报音提醒。本发明根据科学考察船的船况及设备需求，并参考气象局预警体系，定义了船舶四色大风预警。此预警仅供科学考察船参考使用。大风是船舶安全最重要的参数之一，大浪可通过大风进行推算。因此本发明仅对大风进行等级预警。

预警等级划分下表1所示。

表1

预警等级	风力(级)	名称	风速(m/s)	海面现象	浪级
						蓝色	6	强风	10.8-13.8	大浪到个飞沫	大浪
黄色	7	疾风	13.9-17.1	破峰白沫成条	巨浪
						橙色	8	大风	17.2-20.7	浪长高有浪花	狂狼
红色	9	烈风	20.8-24.4	浪峰倒卷	狂涛

通过船舶服务器，将数据服务发布至船舶无线WIFI网络；实现船舶控制中心大屏、驾驶台、机控中心、作业指挥中心、电脑、手机等多场景应用，展示船舶实时状态、气象实时状态、台风路径、台风预报、大风预测，实现集台风、预测、实况一体化的智能气象报警。

如图6所示，本发明一种科考船气象智能预警方法，更为具体步骤如下：

(1)风速传感器、气压传感器、相对湿度传感器和温度传感器的测量数据通过串口并网传送至交换机，并经组播后传送至串口服务器，然后进行数据解析、数据计算，并将结果数据传送至船载服务器。

(2)通过海事卫星接收的台风数据，通过报文解析、距离强度计算，并将计算数据传送至船载服务器。

(3)通过海事卫星接收的预测数据，经数据解析，风速、浪高计算，并将计算数据以及警戒范围传送至船载服务器。

(4)通过船载服务器判断是否超过设定阈值，如果是则启动预警，并通过交换机进行数据可视化。

综合以上表述，本申请主要有以下几方面创新点，第一方面是，将实况模块、台风模块、预测模块联动起来进行预警；并且可对台风风速设定阈值，进行智能预警。第二方面是，将传统的台风报文进行解析并可视化，并实现安全距离大风推算与预警，结合全船网络组播，实现多平台(手机、电脑、电视、大屏等)多用户的实时预警提醒。

上述方式中未述及的部分采取或借鉴已有技术即可实现。

以上对本发明的实施方式进行了详细说明，但对本发明保护范围不构成任何限制。凡采用同等变换或者替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (7)

1.一种科考船气象智能预警系统，其特征在于：

包括实况模块，用于提供传感器数据流解析，为预警提供实时现场数据；所述实况模块能够接收风速传感器、气压传感器、相对湿度传感器和温度传感器的测量数据；

台风模块，用于接收并解析台风实况、台风路径、台风预测数据，为预警提供动态台风信息；

预测模块，用于数值预报的文件接收、解压、解密、解析，为智能预警提供预报支撑；

网络模块，用于接收海事卫星数据，建立船舶局域网，将实况、预测、台风数据传送至局域网中，为不同应用场景提供网络数据；

存储模块，用于存储秒级实况数据、7天预测数据、台风信息数据；

可视化模块，用于将数据转化为图形显示、报表显示，基于WEBGIS平台，搭建集预报、实况、预警的可视化平台；

记录模块，用于记录强天气过程，为航次总结分析提供参考；

所述实况模块、台风模块和预测模块均通过网络模块与存储模块连接，存储模块分别连接可视化模块和记录模块；

通过船载自动气象站串口接收风速传感器、气压传感器、相对湿度传感器和温度传感器测量的瞬时数据；通过船载GPS串口接收船舶状态数据，包括经度、纬度、航速、航向、艏向；将数据通过串口转网口数据线连接至船舶局域网，通过船舶内网，并行至船舶串口服务器；

具体步骤如下：

（1）风速传感器、气压传感器、相对湿度传感器和温度传感器的测量数据通过串口并网传送至交换机，并经组播后传送至串口服务器，然后进行数据解析、数据计算，并将结果数据传送至船载服务器；

（2）通过海事卫星接收的台风数据，通过报文解析、距离强度计算，并将计算数据传送至船载服务器；

（3）通过海事卫星接收的预测数据，经数据解析，风速、浪高计算，并将计算数据以及警戒范围传送至船载服务器；

（4）通过船载服务器判断是否超过设定阈值，如果是则启动预警，并通过交换机进行数据可视化。

2.根据权利要求1所述的一种科考船气象智能预警系统，其特征在于：该预警系统还包括用于对存储模块中存储数据进行分析的智能分析模块，智能分析模块与存储模块连接。

3.根据权利要求1所述的一种科考船气象智能预警系统，其特征在于：所述可视化模块包括显示屏、电脑和手机端。

4.一种科考船气象智能预警方法，采用如权利要求1-3中任一权利要求所述的预警系统，其特征在于包括以下步骤：

实况模块的实时现场数据、台风模块的台风数据和预测模块的预测数据均通过网络模块传送至存储模块进行储存；

存储模块储存的数据通过服务器进行汇总、解析、分析，再通过可视化模块进行显示，实现分钟级船舶实时预警。

5.根据权利要求4所述的一种科考船气象智能预警方法，其特征在于：还包括通过即时通信技术在局域网内进行数据广播的步骤。

6.根据权利要求4所述的一种科考船气象智能预警方法，其特征在于：所述船舶串口服务器使用IP组播技术手段，将毫秒级数据流广播至局域网。

7.根据权利要求4所述的一种科考船气象智能预警方法，其特征在于，还包括以下步骤：解析台风报文数据，将台风位置信息以及台风预测信息存至船舶服务器数据库；根据风力等级表和需求设置蓝、黄、橙、红四色警戒预警等级，根据风速阈值不同，风速显示窗口背景、数值自动变色、并弹出警报窗口，伴随警报音提醒。