隨著海洋事業(yè)的不斷向前發(fā)展，海上臺風預警和搜救問題已越來越成為急需解決的問題，目前最常用的無線數(shù)據網絡有GPRS或CDMA11x。無論是CDMA11x還是GPRS網絡，其上行帶寬均在100kbps以下，監(jiān)控畫面的圖像格式要求在320×240以上。通常情況下傳輸?shù)氖且环杉瘯r間間隔為幾秒的圖像，圖像連續(xù)性差，還無法傳輸實時連貫的畫面。即使傳輸QCIF格式的連續(xù)視頻畫面也要通過多路捆綁才能實現(xiàn)。因此系統(tǒng)終端和后臺監(jiān)控系統(tǒng)只通過短消息等方式實現(xiàn)通信聯(lián)系，有限的數(shù)據傳輸制約了終端功能的擴展，無法解決無線視頻傳輸所需移動通信網絡的帶寬瓶頸問題，從而導致對海上臺風預警和搜救始終不能普及。為此，本文設計了一種基于GPS/3G/GIS的多功能臺風預警和搜救系統(tǒng)。
1 系統(tǒng)總體設計
系統(tǒng)整體結構如圖1所示。
1.1 終端適配層
包括高速攝像頭、打印機和傳感器等可擴展的外部設備。
1.2 終端執(zhí)行層
即船舶移動終端，是系統(tǒng)的基礎，主要完成視頻監(jiān)控功能及GPS定位數(shù)據、報警信息和服務請求信息的采集、傳送及監(jiān)控中心控制、配置命令的接收和執(zhí)行等。
1.3 通信層
通信層是整個系統(tǒng)的溝通核心，實現(xiàn)每個移動船舶的位置信息、狀態(tài)信息、報警信息向中心的發(fā)送以及中心向移動船舶發(fā)送指示、控制命令的發(fā)送。
1.4 管理監(jiān)控層
管理監(jiān)控層是系統(tǒng)的門戶，其內部通過千兆局域網將通信服務器、數(shù)據庫服務器和監(jiān)控臺互連，實時接收處理來自受控船舶的各種信息，并提供友好的人機界面。監(jiān)管中心系統(tǒng)包括通信接口、GIS地理信息模塊、中心數(shù)據庫服務、電子地圖數(shù)據等多個子系統(tǒng)。監(jiān)控層的功能主要有電子地圖的顯示和操作、船舶跟蹤顯示、船舶數(shù)據查詢、船舶數(shù)據管理等。
2 系統(tǒng)軟硬件方案設計
2.1 硬件設計
系統(tǒng)終端硬件采用嵌入式開發(fā)平臺，主要模塊有處理器，3G通信模塊，GPS信號接受模塊，手柄控制模塊，液晶顯示模塊，攝像頭，電源模塊，存儲模塊等組成。在處理器的選擇上，采用ARM芯片，它強大的運算速度和數(shù)據處理能力以及便于進行嵌入式系統(tǒng)開發(fā)，能夠對視頻等信息進行處理。
同時，支持同步錄音功能。視頻編碼模塊采用基于H1264標準的編碼設備，為嵌入式結構，具備延時少、體積小、可靠性高等特點。傳輸模塊負責將經過編碼的數(shù)據發(fā)送出去。一張3G卡對應一路通道，根據數(shù)據量大小，可分別采用單路或多路捆綁方式發(fā)送。數(shù)據以無線方式發(fā)出后，經移動通信基站進入3G網絡，并進一步通過公網傳輸至該系統(tǒng)監(jiān)控中心局域網內。其結構如圖2所示。
2.2 軟件設計
由于嵌入式系統(tǒng)的硬件資源有限，因此嵌入式Linux操作系統(tǒng)都是針對具體的應用通過配置linux內核和嵌入式C庫定制的，使得整個系統(tǒng)能夠存放到容量較小的Flash中。事實上，Linux的動態(tài)模塊加載，使Linux的裁減極為方便，高度模塊化的部件使添加也非常容易。基于此，在筆者實現(xiàn)的平臺上，使用的操作系統(tǒng)是對Linux進行了定制的RTlinux。
上行數(shù)據主要是系統(tǒng)終端向管理監(jiān)控中心傳輸數(shù)據，主要信息有船舶的實時位置、速度、狀態(tài)、周圍環(huán)境數(shù)據和報警數(shù)據等；下行數(shù)據是由監(jiān)控中心向船舶終端傳輸?shù)臄?shù)據，主要為指揮信息、指令信息等。因為上下行數(shù)據內容及數(shù)據量有很大的不同，因此采用不同封裝格式以迅速地區(qū)分出信息類型，從而提高系統(tǒng)通信效率。按通信協(xié)議封裝的數(shù)據利用3G網絡發(fā)給通信服務器，通信服務器軟件，通過接口獲取數(shù)據包，判斷數(shù)據的合法性，若是合法數(shù)據則進行協(xié)議解析，提取船舶的GPS定位數(shù)據或報警數(shù)據等，如若不合法則丟棄。合法數(shù)據中的屬于報警信息和緊急故障信息需要優(yōu)先處理，給出警報信號，其他的狀態(tài)和回復信息通過數(shù)據庫操作提交到后臺數(shù)據庫中，GIS地理信息模塊定時地從數(shù)據庫讀取經緯度數(shù)據進行坐標轉換和投影變換后，將其轉換到電子地圖所采用的平面坐標系統(tǒng)中的坐標，然后在電子地圖上實時顯示船舶狀態(tài)。客戶端應用軟件將獲得的命令信息和調度信息發(fā)送給通信服務器，通信服務器遵循統(tǒng)客戶端各模塊通信協(xié)議進行協(xié)議解析，判斷數(shù)據合法性之后，合法數(shù)據按下行數(shù)據格式組幀打包后經3G網絡發(fā)往移動終端，終端接收并解析數(shù)據包，做出響應。監(jiān)控終端和監(jiān)控中心服務通信實現(xiàn)后，監(jiān)控中心的監(jiān)控軟件即可在此基礎上利用GIS地理信息模塊實現(xiàn)船舶的動態(tài)跟蹤及其他應用如軌跡回放、地圖操作等。
船舶的動態(tài)顯示需要用到ARCMAP的動態(tài)圖層來實現(xiàn)，這樣可以加快繪圖顯示速度。船舶用點圖元來表示，點圖元在地圖中的位置就是GPS定位的經緯度數(shù)據，根據GPS接收數(shù)據的頻率來實時刷新該圖層，就達到了船舶的實時定位了。移動終端每隔幾秒獲取船舶的經緯度數(shù)據，刷新動態(tài)圖層即可在屏幕上可以看到船舶實時顯示。
3 后臺監(jiān)控設計
根據系統(tǒng)設計要求和目前GIS系統(tǒng)開發(fā)的趨勢，該系統(tǒng)采用的是組件式GIS和萬維網GIS（Web2GIS）結合的開發(fā)模式，因為組件式GIS基于標準的組件式平臺，各個組件之間不僅可以進行自由、靈活的重組，而且具有可視化的界面和使用方便的標準接口，支持ActiveX規(guī)范；具有高效無縫的系統(tǒng)集成、無須專門GIS開發(fā)語言、大眾化的GIS、成本低等特點；對于WebGIS來講，從WWW的任意一個節(jié)點，Internet用戶可以瀏覽萬維網GIS站點中的空間數(shù)據、制作專題圖，以及進行各種空間檢索和空間分析等。采用目前成熟的C/S和B/S結合的網絡計算機模式，利用C#開發(fā)語言、使用GIS組件在WindowsXP的網絡操作系統(tǒng)中完成該系統(tǒng)的開發(fā)。
4 差分GPS定位技術
為了提高GPS定位精確度，采用GPSRTK（Real2Time2Kinematic）技術，RTK技術是GPS實時載波相位差分的簡稱，是實時處理2個測站載波相位觀測量的差分方法。這是一種將GPS與數(shù)傳技術相結合，實時解算并進行數(shù)據處理，在短時間內得到高精度位置信息的技術。載波相位差分可使定位精度達到厘米級。它的工作原理是將一臺接收機置于基準站上，另一臺或幾臺接收機置于載體（稱為流動站）上，基準站和流動站同時接收同一時間、同一GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號，基準站所獲得的觀測值與己知位置信息進行比較，得到GPS差分改正值。然后將這個改正值通過無線電數(shù)據鏈電臺及時傳遞給衛(wèi)星的流動站精化其GPS觀測值，從而得到經差分改正后流動站較準確的實時位置。
GPS海上定位時，可能會出現(xiàn)GPS信號中斷的情況，根據船舶的航道和方向進行線性插值數(shù)據補償，在當前行使方向上用線性插值預測的方法，直到接收到正確的GPS數(shù)據點為止。同時，在終端安裝軟件Agent,利用Agent的自治性、社會性、反應性和主動性，通過傳感器感知環(huán)境并通過效應器作用于環(huán)境，對中斷的信號進行學習推理，作出合理準確的推斷。
5 結語
本文結合監(jiān)控系統(tǒng)通信方式的現(xiàn)狀設計了一種基于3G的臺風預警和搜救系統(tǒng)。系統(tǒng)采用3G無線通信，解決了傳統(tǒng)通信方式監(jiān)控系統(tǒng)的傳輸速度慢、可靠性低等問題。其終端的視頻監(jiān)控功能更加適應現(xiàn)代化交通管理中多變的信息采集環(huán)境，在監(jiān)控領域有很強的推廣性。隨著315G、3175G甚至4G網絡技術逐步深入研究與試用，系統(tǒng)不斷向著實時視頻通信方向發(fā)展，其應用前景將更為廣闊。