基于物联网技术的港口物理海洋环境要素实时监

摘　要：摘要：为满足港口水文环境及气象环境的监测，本文提出基于物联网技术的港口物理海洋环境要素实时监测与预报系统。该系统可提供实时、远程和自动监测海洋环境要素并进行预报的功能。本文详细介绍了物联网技术中的无线传感网络系统，重点介绍节点构成及网络构成，还介绍了通过QUODDY有限元数学模型给出潮汐实报和预报。本系统实现得到的实时和精确的港口环境的采样数据将对于港口的航行效率和航行安全，在海洋环境保护及其它公益事业上均有重大的意义。

关键词：关键词：港口海洋环境要素、物联网技术（IOT）、无线传感网络 （WSN）

中图分类号：TP39    文献标识码：A    文章编号：
1．序言
   作为现代化的港口，港区和航道水深是衡量一个港口通过能力的一个重要指标。目前港区和航道水位的确定和预报，还停留在潮汐表为基础，凭借经验估算的水平上。实际上,港口水域的潮汐状况由天文、气象、径流等因素决定。传统使用的潮汐表只能给出验潮站的天文潮位，并没有给出港口区域潮汐与数据预报，更不包括由风，河流和其它气象因素引起的水位和水流变化。鉴于此，美国于1991年在福罗里达州西部港口城市坦帕建成全球第一个港口物理海洋环境要素实时监测与预报系统（Physical Oceanographic Real-Time System）,获得成功。我国交通也已于今年PORTS研究纳入水路交通科技发展规划,以提高我国港口的航行效率和航行安全。本文基于物联网技术的港口物理环境监测与预报系统将为海洋环境要素的实时监测提供更好的技术支持。这项技术的应用不仅提高港口的航行效率和航行安全，在海洋环境保护及其它公益事业的发展均有重大意义。建立港口物理海洋环境要素实时监测与预报系统势在必行。
2.港口物理海洋环境要素实时监测
2.1  基于物联网技术的传感器网络
  传感器网络在海洋监测中的应用首先来自美国海军声学监视系统SOSUS的民用。其后，加拿大在Saanich Inlet海域建立了实验观测VENUS，这是一个由CTD、一个ADCP、一个ZAP、一个数码相机和一个水听器阵列组成的小型传感器网络，通过节点和电缆实现海底前端仪器与岸站间电能和信息的双向通信。目前该系统已运行，通过Internet就可访问到实时发布的监测数据和图形图像产品。
　 无线传感器网络进行数据采集、通过低功耗的无线传感网络传输回数据处理站，再由数据处理站对处理参数进行预报。无线传感器网络由一组传感器以移动主机自由组网（Ad Hoc）通信方式构成的有线或无线网络，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域感知对象信息，并发布给观察者。一般，传感器网络是由几十、几百甚至几千个微型智能传感器节点通过无线或有线方式构成的以数据为中心的网络。
 
　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 图1：无线传感网络
2.2  传感器网络在港口海洋数据的监测
　 基于物联网技术的港口物理海洋环境要素实时监测与预报系统在海湾或港口的一些特定位置，布设各数据微传感器以实时测定水位、水流等环境要素。现代水文观测技术的发展以为数据的实时观测和传输提供可能。通过提供港口特定地点的实际水位，船舶引水员可以充分利用航道的水深，增加安全性，减少不必要的航道疏浚。海湾和港口其他位置的参数由数值模型提供。在船舶进入港口之前，也可以得到系统所提供的信息，对未来的航程作出计划和安排。系统由无线传感器网络数据采样系统，无线通讯系统和数据处理系统构成。WSN在港口环境采样点处安置传感器，然后通过无线通信网络给数据处理系统，数据处理系统将自动处理数据。数据处理系统将通过互联网或其他终端给用户端演示。如图二。
 
　 　 　 　 　 　 图二：海洋传感器网络示意图
2.3  具体实现案例
　 以青岛港为例子
　 青岛港位于山东半岛南岸的胶州湾内，是太平洋西海岸重要的国际贸易口岸和海上运输枢纽。港内水域宽深，四季通航，港湾口小腹大，是我国著名的优良港口。它主要由大港、中港和黄岛港组成。我们通过在青岛港海湾附近布设无线传感器网络，进行实时数据的监测再通过无线数据传输方式传回数据接收站，再传回数据处理中心。
3．对监测数据的预报
　 QUODDY 系列模式是由美国Dartmouth 大学的数值模拟试验室开发研制的, 是1个三维有限元浅海环流模式。它的突出特点:(1)时间域上的完全非线性动力学; (2)融合了先进的湍封闭模型。     
 　 QUODDY 是1个自由表面的模式, 建立在传统的三维浅水方程组基础上, 即不可压缩、流体静力学近似、Boussinesq近似下的Reynolds平均的Navier�stokes方程组。通过QUODDY有限元数学模型在已测得数据的基础上对潮汐情况进行及时预测与发布，航道上的船只将通过获得的信息安排船只活动。
4.结论
　 基于物联网技术的港口物理海洋环境要素实时监测与预报系统是建设现代化港口的重要组成部分。而目前，我国港口实时监测与预报系统还是空白通过港口海洋环境要素实时的监测与预报系统建设将对于港口的航行效率和航行安全，在海洋环境保护及其它公益事业上均有重大的意义。
参考文献：
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