分布式海洋监测与信息发布系统实时性的研究课件.ppt

气有浩然，学无止境分布式海洋监测与信息发布系统实时性的研究报告人：李秀桥专业：计算机系统结构气有浩然，学无止境一.绪论二.监测子系统实时架构与研究三.分布式信息发布子系统实时架构与研究四.实时嵌入式GIS平台设计与研究五.实时分布式聚类算法设计与研究六.实时增量式聚类算法设计与研究七.总结与展望论文结构安排气有浩然，学无止境内容安排1.1 课题选题背景1.1 课题研究现状1.3 课题研究方向与意义1.4 论文结构组织第一章 绪论气有浩然，学无止境课题来源背景资源和环境方面随着全球陆地资源日趋紧张和环境不断恶化，世界各国将目光转向海洋，开发海洋资源，发展海洋经济成为国民经济的重要支柱我国海洋面积约为陆地国土面积的1/3海洋对我国经济、政治、国防和文化都有极其重要的意义但随着工农业生产的发展，沿海地区人口的增多，大量工农业废水和生活污水排入海洋，引起赤潮等海洋灾害的发生政府支持方面海洋监测技术被确立为国家“十五”攻关计划，同时也是国家863计划资源环境领域的四个主题之一山东省科学技术发展计划重点项目“海洋环境监测及灾害智能预警系统的研制第一章 绪论气有浩然，学无止境课题研究现状美国HABSOS（Harmful Algal Blooms Observing System）：该系统依赖由卫星、海岸基自动观测站、浮标等现场监测系统组成的立体监测网络，获取全方位、高频率的监测数据。

欧洲ROSES（Real-Time Ocean Services for Environment and Security）：是一个综合的海洋环境资源信息平台，通过现场监测系统获取实时的海洋监测数据全球海洋观测系统GOOS（Global Ocean Observing System）：GOOS是联合国教科文组织政府间海洋学委员会（简称海委会）迄今发起的全球性最大、综合性最强的海洋观测系统 国内海洋监测技术水平落后于先进海洋国家10-15年，大部分海洋监测站以人工监测为主，自动化水平较低国内自主研发的监测设备很少，国内高档海洋仪器市场的95为国外产品所占据九五”、“十五”期间，依托863计划等科技攻关项目的支持，我国逐步建立起海洋监测台站、浮标、调查船、卫星遥感及航空遥感等组成的海洋环境立体监测网络第一章 绪论气有浩然，学无止境论文主要研究方向1）基于GPRS技术的监控架构2）基于嵌入式GIS的实时分布式发布架构3）适用于不同灾害信息挖掘需求的实时聚类算法第一章 绪论气有浩然，学无止境论文内容组织1. 介绍了本论文的选题背景以及海洋监测发布技术的研究现状，并就本文在课题中的研究方向及其意义进行了阐述。

2. 主要描述了海洋监测子系统的架构，并就数据采集、集成中提高实时性的技术和理论进行探讨3. 重点介绍了所提出的台站级分布式信息发布子系统的架构，并对架构中所应用的嵌入式GIS、信息聚类、实时交互协议等针对实时性的提高进行了探讨和论证4. 提出台站信息发布中的嵌入式GIS模块的设计架构，并就GIS的显示、漫游及查询等方面详细的探讨了提高发布实时性的性能提高策略以及论证分析5. 对分布式聚类算法的研究进行分析，探讨提出一种基于抽样核心集的聚类算法，应用于海洋分布式监测环境6. 探讨提出一种实时增量式聚类算法及其在数据中心实时监控和历史数据库更新聚类中的应用7. 对全文进行总结分析，并对课题的研究不足与进一步的工作进行展望第一章 绪论气有浩然，学无止境海洋立体监测集成系统集空中、海面、水下、海岸多平台监测设备为一体，和数据中心、数据通信网络共同构成海洋环境立体监测网络体系海洋监测信息系统，通过由各种先进监测设备和手段组成的立体监测网络体系，获取海洋监测要素信息先进的监测手段已经可以提供包括气象、水文、化学、生物要素的近实时的全方位信息，尤其是气象和水文目前的技术已经足以提供实时的监测数据监测子系统包括采集子系统和集成子系统，采集子系统负责采集封装各类监测传感器的实时数据，并将其发送到所属台站集成系统，分布式台站集成子系统将对这些初始采集数据进行分组管理和分组数据预处理，并且组织成数据报文汇总至数据管理子系统。

第二章 监测子系统气有浩然，学无止境内容安排2.1 子系统架构2.2 关键技术与实时性分析2.2.1 无线GPRS通讯技术2.2.2 GPS定位技术2.2.3 XML技术第二章 监测子系统气有浩然，学无止境子系统空间架构第二章 监测子系统气有浩然，学无止境子系统数据流程海洋环境监测子系统位于系统架构的最底层，是整个系统的基础，为数据集成、数据管理、模型分析以及数据产品子系统提供实时监测数据数据监测子系统工作于现场监测平台上，通过和各类基本传感器的交互，自动完成海洋环境要素现场监测、采集，并实现数据传输的功能其基本工作过程如下图：第二章 监测子系统气有浩然，学无止境无线GPRS通讯技术海洋监测系统中的各类监测子站分布于监测海域中，无法通过有线方式接入Internet网络，因此子站必须借助无线网络连接所属的监测台站，传输所采集的实时传感器数据系统采用移动通讯提供的数据传输技术GPRS为子站与台站之间的数据传送提供网络支持它是一种基于GSM系统的分组交换技术，提供端到端的广域的无线IP连接通俗地讲，GPRS是一种高速数据处理的技术，方法是以“分组的形式传送资料到用户手上虽然GPRS是作为现有GSM网络向第三代移动通信演变的过渡技术，但是它在许多方面都具有显著的优势：（1）网络覆盖范围广，能够在较恶劣的海洋环境中传输数据（2）传输速度高，GPRS数据传输速度可达到57.6Kbps，最高可达到115Kbps170Kbps（3）接入时间短，GPRS接入等待时间短，可快速建立连接，平均为两秒（4）提供实时功能“alwaysonline”，用户将始终处于连线和状态，这将使访问服务变得非常简单、快速（5）按流量计费，GPRS用户只有在发送或接收数据期间才占用资源第二章 监测子系统气有浩然，学无止境GPS地理定位技术 在海洋监测采集系统中，由于采集站点的位置并不固定，而是根据监控的需要分布式在整个监控区域内，因此系统采用GPS定位技术来确定各采集站的位置，并将此定位信息作为采集数据的一部分传送给上层的数据接收端。

GPS的通讯协议全部输出信息相当复杂，但本文系统仅需要获取模块的经纬度定位信息即可，因此系统实现时5秒钟更新一次经纬度和时间数据，如果过于频繁的数据更新，将会增加网络通讯量和浪费设备的电池GPS模块每秒钟发送6条数据，则每5秒钟就是30条，仅需从中挑选$GPRMC语句信息，其余信息可忽略掉 第二章 监测子系统气有浩然，学无止境XML技术的应用过去十年内XML语言的应用日渐广泛，各种以XML文档为基础的应用标准和软件系统层出不穷，如用于封装对象访问的SOAP协议、Web Services服务等等 在海洋监测子系统的实现中，充分利用了XML在数据表示、封装、传递方面的灵活优势子系统主要在以下几个方面应用了XML技术来提高监测系统的性能：封装监测子站采集数据描述赤潮实时交换协议描述监测数据访问接口第二章 监测子系统气有浩然，学无止境XML技术的应用（续）在监测子系统中，定时将采集到的基本监测要素以XML格式封装成数据包，然后通过GPRS数据传输模块将数据包以无线的方式发送到集成子系统中的数据接收服务器采用XML封装的优势在于：为了便于数据的解析通过成对的标签匹配，可以发现并纠正部分无线传输错误 第二章 监测子系统气有浩然，学无止境XML技术的应用（续）海洋数据种类繁多、获取手段多样化，不同海洋学科之间、不同调查项目之间存在许多不同的海洋数据处理分析系统。

需要标准的数据接口实现跨平台、跨系统的数据信息交互系统根据赤潮监测与预报系统的需要，只针对与赤潮预报有关的海洋数据进行分析研究，所设计的实时XML协议实现以下目标：(1) 提供一种封装所有有害藻华现象相关的海洋监测数据的方法， 便于数据存储和在系统内部传输、交换2) 建立易理解、自描述的赤潮等灾害相关的海洋数据的编码体系3) 提供在同一数据文件中跟踪数据质量控制过程的手段 第二章 监测子系统气有浩然，学无止境XML技术的应用（续）为了使监测子系统能与数据管理子系统之间实现无缝融合，必须为其设计实现标准的数据访问接口，使得数据监测子系统具有良好的开放性 在海洋环境监测系统中引入OPC标准数据访问接口，可以提升数据监测子系统和上层数据管理子系统之间的互操作性，使得整个海洋环境监测与灾害智能预警系统更具开放性和灵活性采用OPC XML标准实现海洋监测系统的数据访问接口具有以下三个方面的优势：（1）OPC XML采用HTTP协议中内嵌SOAP消息的方法，通讯机制可以跨越Internet网络，不受防火墙的限制2）OPC XML基于XML技术，XML的跨平台特性使得OPC XML接口可以应用于任何系统平台上，其中包括本课题中监测系统所使用的嵌入式Linux操作系统。

3）监测台站具备的QT/Embedded开发环境提供了丰富完善的XML解析类库，为实现OPC XML DA Server提供了必备的基础条件 第二章 监测子系统气有浩然，学无止境海洋信息发布子系统是海洋监测与信息发布系统的重要组成部分，在整个监测与信息发布系统中，它位于监测子系统之上，负责对监测子系统所初步处理的海洋监测采集数据进行挖掘分析，然后再以可视化的方式将当前监控海域的灾害情况实时可靠显示出来，从而尽早的对可能出现的赤潮等海洋灾害进行治理和预防此外，由于各级别海洋监控系统在地理空间上广泛分布，因此信息发布系统必须能够尽可能的实现各分布节点能够协作计算，资源共享，以提高灾害信息在各监控站发布的效率第三章 信息发布子系统气有浩然，学无止境内容安排3.1 发布子系统架构3.2 关键技术与实时性分析3.2.1 嵌入式GIS服务器3.2.2 信息交互机制3.2.3 分布式聚类3.2.4 嵌入式WebGis发布技术3.2.5 彩信发布技术第三章 信息发布子系统气有浩然，学无止境发布子系统架构从数据流动处理上来看，子系统横跨整个海洋监测空间，需要分布式海洋环境中的各级监测节点协同工作，实现操作上的无缝结合，降低数据计算的规模和复杂性，提高数据、信息的共享程度，进一步提高信息发布的实时性与可靠性 。

第三章 信息发布子系统气有浩然，学无止境发布子系统数据流程在信息发布系统架构中，数据与挖掘后的信息在系统中是一个往返流动的过程第三章 信息发布子系统气有浩然，学无止境发布子系统模块划分根据系统的空间分布，子系统可以划分成台站发布模块和监测子站终端模块两部分前者为发布子系统的主模块，负责与上层数据中心进行协同分布式聚类，对上对下发布灾害挖掘信息；后者负责在处理能力较差的监测子站设备上的所监测海域灾害信息的可视化显示，提供与所属台站的服务模块进行交互的功能关于系统实时性的几点考虑：子站位置不确定，并且处理能力差，因此海域地图存放于台站之上，子站必须具备动态请求的能力，而且可视化系统要简单、耗费资源小子站请求的可视化地理信息应具备渐进式传输的特点，以降低移动网络较慢造成的视觉延迟，提高实时性(采用png图像格式+数据渲染)第三章 信息发布子系统气有浩然，学无止境嵌入式GIS服务器GIS服务器不仅在其宿主的台站集成系统之上提供单机的实时地理环境的数据监控、采集信息，而且具有向分布式环境中的多种平台提供多种形式的地理信息发布的功能，即实现了一种嵌入式平台上面向海洋分布式领域的GIS发布服务器平台。

第三章 信息发布子系统气有浩然，学无止境嵌入式GIS服务器(续)在GIS服务器平台的层次架构中，整个平台建立在台站系统的支撑软件之上，共分为GIS基础设施模块、GIS服务与信息交互模块和GIS服务的图形界面模块三个部分 GIS服务器平台是整个信息发布系统的核心，它的性能直接影响到从分布式聚类到终端信息发布的各个方面，因此需要对其的设计与实现方法进行研究，以降低信息处理和图。