一种海洋浮标系统、辅助任务规划方法、设备及介质与流程

本发明涉及海洋浮标领域，特别是涉及一种海洋浮标系统、辅助任务规划方法、设备及介质。

背景技术：

1、海洋浮标作为海洋水文、水质、气象的观测站，通常在标体上搭载供电、定位、通讯、水文观测、气象观测等模块，可在无人值守的情况下，长期自动地收集海洋水文、水质、气象等数据，并能实现数据的自动采集、自动标示和自动发送。可检测海洋环境变化，实现海洋监测，为海洋灾害预防、海洋气候预警、海洋资源开发以及海洋科学研究等方面提供数据基础。

2、在现有的技术方案中主要在标体本体上搭载相应的观测或检测模块，主要包括水质检测仪器、水文监测仪器、以及气象监测仪器等，监测及检测范围限于浮标标体附近，以一定周期连续不断地收集相关水文、水质、气象等数据。对于部署在远海区域的海洋浮标，由于没有4g/5g网络覆盖，通常采用卫星通信对采集的数据进行回传，如argos卫星系统、北斗卫星系统等。

3、现有技术方案中主要存在以下问题：

4、1）单个海洋浮标监测范围受限，难以满足大范围及立体化监测的需求。

5、在现有的技术方案中主要在标体本体上搭载相应的监测或检测模块，主要包括水质检测仪器、水文监测仪器、以及气象监测仪器等，监测及检测范围也只限于浮标标体附近，单个浮标的监测检测范围难以覆盖浮标锚定点周围海域以及海下的一定深度。

6、2）浮标监测数据回传能力受限，难以满足大量数据传输的需求。

7、海洋浮标大多数距离陆地区域较远，陆地的4g/5g基站网络覆盖距离有限，对于远离陆地的海洋浮标无法依靠现有4g/5g网络进行数据传输；而自组网网络要达到远距离通信的目的，需要布设多个中继节点，通过多跳中继方式将数据回传至陆地节点，对于较远的海洋浮标中间建设多个中继节点代价较大，且端到端的数据传输对中继节点有较大的依赖性。当前也采用了北斗卫星通信系统的短报文服务，但短报文服务通信速率过低，不具备图片、视频等数据的大量传输能力。

8、3）海洋浮标系统的供电能力受限，缺少基于能耗的任务规划方法。

9、海洋浮标系统一般采用太阳能、海浪发电，配备蓄电池储能，供电能力受限。在不考虑能耗的情况下进行任务规划，可能导致在有限的供电能力下不能完成规划的任务，从而达不到预期的监测目的。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种海洋浮标系统、辅助任务规划方法、设备及介质，以解决现有技术单个海洋浮标监测范围受限、浮标监测数据回传能力受限以及海洋浮标系统的供电能力受限的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、一种海洋浮标系统，包括：监测感知模块、通信传输模块以及供电模块；所述监测感知模块包括水质检测单元、水文监测单元、气象监测单元、视频采集单元、无人值守无人机单元以及无人值守潜航器单元；所述通信传输模块包括北斗卫星通信单元、高通量卫星通信单元以及天通卫星通信单元；所述供电模块包括存储及控制单元以及供电单元；

4、所述监测感知模块，用于在水质、水文以及气象监测能力的基础上，融合视频采集、无人值守无人机以及无人值守潜航器的监测感知技术，立体感知监测数据；

5、所述通信传输模块，用于融合北斗卫星通信技术以及高通量卫星通信技术，并采用天通卫星通信的短消息功能作为辅助控制命令传输方式，回传立体感知的监测数据；

6、所述供电模块，用于根据当前任务规划估算所述监测感知模块以及所述通信传输模块的能耗情况，基于所述能耗情况辅助使用人员调整所述当前任务规划，以保证所述当前任务规划能够正常执行，并持续立体感知监测数据。

7、可选的，所述高通量卫星通信单元以及所述天通卫星通信单元在无感知数据需要发送时处于静默状态；当需要发送感知数据时，所述高通量卫星通信单元以及所述天通卫星通信单元由所述存储及控制单元唤醒，转移至入网在线状态进行感知数据发送。

8、可选的，所述监测感知模块的状态转移过程为：

9、所述水文检测单元、气象监测单元以及水质监测单元包括数据采集状态以及空闲状态，当各个单元对应的定时器时间大于等于各个单元对应的检测周期时，从空闲状态转移至数据采集状态；当各个单元对应的定时器时间小于各个单元对应的检测周期时，从数据采集状态转移至空闲状态；

10、所述无人值守无人机单元及无人值守潜航器单元包括空闲状态、常规任务状态以及应急任务状态；当所述无人值守无人机单元对应的定时器时间大于等于所述无人值守无人机单元或所述无人值守潜航器单元对应的定时器时间大于等于无人值守潜航器单元对应的检测周期时，从空闲状态转移至常规任务状态；当所述无人值守无人机单元对应的定时器时间小于所述无人值守无人机单元或所述无人值守潜航器单元对应的定时器时间小于所述无人值守潜航器单元对应的检测周期时，从常规任务状态转移至空闲状态；当应急任务触发时，从常规任务状态转移至应急任务状态，或者，从空闲状态转移至应急任务状态；当应急任务执行完成后，从应急任务状态转移至空闲状态；

11、所述视频采集单元包括空闲状态以及视频采集状态；在常规模式下，所述视频采集单元通过红外触发进行视频采集；在应急监测模式下，所述视频采集单元通过应急任务触发，从空闲状态转移至视频采集状态；当红外触发接收或应急任务结束后，从视频采集状态转移至空闲状态；若所述视频采集单元当前处于常规模式下的视频采集，所述视频采集单元接收到应急任务后，直接按照应急任务执行。

12、可选的，所述存储及控制单元，用于周期检查存储队列内是否有待发送数据，并根据存储队列的类型采用对应的通信传输方式将监测数据发送至监测中心；所述待发送数据的类型包括字符类型逻辑存储队列、图片类型逻辑存储队列以及视频类型逻辑存储队列；所述通信传输方式是通过所述北斗卫星通信单元、高通量卫星通信单元以及天通卫星通信单元确定的。

13、一种基于能耗估算的辅助任务规划方法，包括：

14、获取供电单元的电池容量；

15、获取通过太阳能或海浪对所述供电单元进行充电的充电速率；

16、根据监测感知模块以及通信传输模块的监测和传输参数估算常规模式总耗电量以及应急监测模式总耗电量；所述常规模式总耗电量包括常规监测耗电量以及发送数据耗电量；所述监测和传输参数包括水质检测单元的检测周期耗电量和平均每周期获取的数据量、水文监测单元的监测周期耗电量和平均每周期获取的数据量、气象监测单元的监测周期耗电量和平均每周期获取的数据量、视频采集单元的耗电速率、视频采集单元的平均使用时间和平均每周期获取的数据量、无人值守无人机单元充电时间、无人值守无人机单元的充满电量和平均每周期获取的数据量、无人值守潜航器单元的充电时间、无人值守潜航器单元的充满电量和平均每周期获取的数据量、北斗卫星通信单元平均耗电速率、天通卫星通信单元平均耗电速率、高通量卫星通信单元平均耗电速率、监测周期、字符类型逻辑存储队列的存储数量超过阈值的概率、出现应急情况的概率、天通卫星通信单元的应急语音通信统计平均时间；

17、根据所述常规模式总耗电量以及所述应急监测模式总耗电量确定总需电量；

18、根据所述充电速率、所述电池容量、所述总需电量以及所述监测周期估算执行任务时间；

19、根据所述执行任务时间调整当前任务规划。

20、可选的，根据所述充电速率、所述电池容量、所述总需电量以及所述监测周期估算执行任务的时间，之前还包括：

21、根据所述充电速率、所述总需电量以及所述监测周期判断所述电池容量是否满足所述监测周期内的各项任务的电量需求；

22、若满足，确定当前规划任务无需进行调整；

23、若不满足，确定当前规划任务需要进行调整。

24、可选的，所述常规模式总耗电量con常规模式为：

25、利用公式；其中，con常规监测为常规监测耗电量，，con水质为水质检测消耗电量，con水文为水文监测消耗电量，con气象为气象监测消耗电量，con视频为视频采集消耗电量，con无人机为无人值守无人机消耗电量，con潜航器为无人值守潜航器消耗电量；con发送数据为所述发送数据耗电量，，，，con1为发送水质检测数据、水文监测数据和气象监测数据所消耗电量，为水质检测单元的平均每周期获取的数据量、为水文监测单元的平均每周期获取的数据量、为气象监测单元的平均每周期获取的数据量，t为监测周期，为水质检测周期、为水文监测周期、为气象监测周期，为字符类型逻辑存储队列的存储数量超过阈值的概率，为北斗卫星通信单元平均耗电速率，为高通量卫星通信单元平均耗电速率，con2为发送视频采集数据、无人值守无人机数据和无人值守潜航器数据所消耗电量，为视频采集单元的平均每周期获取的数据量，为无人值守无人机单元的平均每周期获取的数据量，为无人值守潜航器单元的平均每周期获取的数据量。

26、可选的，所述应急监测模式总耗电量con应急模式为：

27、；其中，为出现应急情况的概率，为天通卫星通信单元平均耗电速率，为天通卫星通信单元的应急语音通信统计平均时间。

28、一种电子设备，包括存储器及处理器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序以使所述电子设备执行上述基于能耗估算的辅助任务规划方法。

29、一种计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述基于能耗估算的辅助任务规划方法。

30、根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

31、本发明从3个方面解决现有技术中所存在的问题。

32、1）本发明实施例将海洋浮标充分作为无人值守观测站进行利用，除在浮标标体本体上搭载各种水质检测仪器、水文监测仪器、以及气象监测仪器等外，为了可进一步观测海洋浮标附近的海域情况，在浮标标体本体上搭载视频采集单元，可实时采集可见光/红外视频数据；另外在浮标上增加无人值守无人机单元，无人值守无人机可按照设置的航线任务及远程操控方式，通过搭载的高光谱水质检测载荷、水文监测载荷、可见光载荷等对海洋浮标周围海域实现低空水质检测、水文监测以及可见光数据采集；另外在浮标上增加无人值守潜航器单元，无人值守潜航器可按照设置的航线任务及远程操控方式，通过搭载水质检测载荷、低光摄像载荷等对海洋浮标周围海域水下一定深度范围实现水下水质检测、视频数据采集。通过扩展增加视频采集单元、无人值守无人机单元、无人值守潜航器单元，扩展了海洋浮标的监测范围及监测能力，单个海洋浮标具备大范围的水上、水下立体化监测能力，充分发挥了海洋浮标作为无人值守观测站的价值。

33、2）本发明实施例充分考虑到海洋浮标监测采集所获取的传感器数据、光谱数据、以及视频流数据等多元数据通信传输要求，以及海洋浮标实际的传输环境及传输条件的限制，融合多种卫星通信技术形成综合卫星传输机制。海洋浮标上的各卫星通信单元通过地球轨道卫星转发器与远端的地面节点（如信息中心）进行通信，无需依赖其它的中继节点，同时不受通信距离的限制。所发明的综合卫星传输机制中采用北斗卫星通信技术、天通卫星通信技术、高通量卫星通信技术，可满足终端定位、短报文通信、语音通信、低速数据通信、高速数据通信等通信需求，根据不同的数据类型综合调度不同通信传输通道，达到高效数据传输的目的，从而保障海洋浮标大量数据传输的需求。

34、3）本发明实施例综合考虑常规模式和应急监测模式下感知监测和数据传输的能耗估算，提供了一种基于能耗估算的辅助任务规划方法，能够根据规划的任务对所需能耗进行估算，并与系统的供电能力进行对比分析，从而从能耗角度给出当前任务规划是否合理的建议，辅助使用人员对任务规划进行合理的调整，进而尽可能地保证所规划的任务可以执行，从而可持续地获取监测感知数据，并尽力可保证数据的回传。