基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的海洋平臺(tái)設(shè)備定位和實(shí)時(shí)監(jiān)控

文｜張乃天

海上平臺(tái)設(shè)備對于海上作業(yè)起著重要的作用，為確保海上平臺(tái)設(shè)備的平穩(wěn)運(yùn)行和安全生產(chǎn)，本文重點(diǎn)對工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在海上平臺(tái)中的應(yīng)用展開了分析，并以海上設(shè)備定位系統(tǒng)和實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)為例，對工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在其中的具體應(yīng)用展開了探索。目前通過布局物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)、設(shè)備定位系統(tǒng)、泵診斷系統(tǒng)對設(shè)備進(jìn)行定位和設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

一、前言

對于海上平臺(tái)而言，不僅所處的海洋環(huán)境十分復(fù)雜，而且大多是距離海岸線較遠(yuǎn)的地方。 在海洋平臺(tái)上，其涉及諸多設(shè)備，如電力設(shè)備、壓力設(shè)備等等。海上作業(yè)撬裝設(shè)備存在流動(dòng)性大，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)備參數(shù)檢測難度大等特點(diǎn)，設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)與否決定著海上平臺(tái)是否能夠高效、穩(wěn)定地運(yùn)行。其中，海上平臺(tái)重要設(shè)備定位系統(tǒng)和實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)起到了非常關(guān)鍵的作用。在海上平臺(tái)日益發(fā)展的今天，對海上平臺(tái)定位和檢測系統(tǒng)提出了更高的要求。海上平臺(tái)定位系統(tǒng)和實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用水平的提升，不僅有助于降低勞動(dòng)力的強(qiáng)度，而且有助于在最大限度內(nèi)提升海洋平臺(tái)的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。以工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的海上平臺(tái)定位和檢測預(yù)警系統(tǒng)，可以在海上平臺(tái)、衛(wèi)星和地面操作臺(tái)之間構(gòu)建通信，能夠?qū)Τ霈F(xiàn)的問題即使進(jìn)行處理，從而確保海上平臺(tái)的安全。

二、功能

選用高性能MCU，以LoRa+北斗短報(bào)文技術(shù)為主要方式，通過多模式導(dǎo)航芯片的使用實(shí)現(xiàn)海上平臺(tái)定位。并將其反饋的位置信息經(jīng)過通信讓地面監(jiān)控平臺(tái)能實(shí)時(shí)監(jiān)控海上平臺(tái)設(shè)備的位置，了解設(shè)備的存儲(chǔ)信息。數(shù)據(jù)中心可通過訪問檢測系統(tǒng)，請求獲取設(shè)備所在位置。服務(wù)器訪問對應(yīng)終端節(jié)點(diǎn)，調(diào)用其LoRa通信模塊同多個(gè)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行無線通信，將數(shù)據(jù)傳回服務(wù)器，服務(wù)器依據(jù)信號強(qiáng)度、到達(dá)時(shí)間、信噪比等參數(shù)分析出終端節(jié)點(diǎn)的位置信息以及設(shè)備狀態(tài)信息，并將其反饋給數(shù)據(jù)中心完成此過程。系統(tǒng)流程圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)流程圖

（一）北斗/GPS雙模定位功能

依據(jù)位置、安全信息、設(shè)備軌跡信息，通過北斗/GPS雙模定位，獲得海上平臺(tái)設(shè)備監(jiān)控目標(biāo)的位置；通過傳感器獲得目標(biāo)動(dòng)態(tài)信息；通過無線傳輸對物流監(jiān)控目標(biāo)動(dòng)態(tài)信息和靜態(tài)信息的實(shí)現(xiàn)收集。并結(jié)合北斗/GPS雙模定位、無線傳輸、傳感器和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對海上平臺(tái)設(shè)備監(jiān)控目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

（二）設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)

隨著傳感器技術(shù)的日益進(jìn)步，其逐步應(yīng)用到海上平臺(tái)諸多設(shè)備的各個(gè)系統(tǒng)中，如診斷系統(tǒng)、設(shè)備管理系統(tǒng)。通過傳感器技術(shù)的檢測能夠穩(wěn)定、安全地對海上平臺(tái)設(shè)備的運(yùn)行工作進(jìn)行監(jiān)控。

布置診斷系統(tǒng)，可做到遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)做到維護(hù)保養(yǎng)警示，設(shè)備故障預(yù)警。結(jié)合作業(yè)工況，提前進(jìn)行故障的智能預(yù)判，實(shí)現(xiàn)設(shè)備按“需”維修而不是按“時(shí)”維修，降低作業(yè)停機(jī)時(shí)間以及維修費(fèi)用。智能診斷系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)掌握設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，監(jiān)測設(shè)備異常情況，準(zhǔn)確評估設(shè)備的各項(xiàng)狀態(tài)指標(biāo)，及時(shí)、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障，且能夠量化故障趨勢，降低非故障維修保養(yǎng)頻次，減少維修時(shí)間及維修費(fèi)用，避免、減緩、減少重大事故的發(fā)生。實(shí)現(xiàn)設(shè)備管理的降本增效。通過設(shè)備定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)設(shè)備定位跟蹤，實(shí)現(xiàn)設(shè)備高效率調(diào)配和監(jiān)控。同時(shí)通過物聯(lián)系統(tǒng)獲取海量設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)，能夠?qū)υO(shè)備預(yù)防性維保和設(shè)備定期維修做成指導(dǎo)依據(jù)，實(shí)現(xiàn)科學(xué)化維護(hù)保養(yǎng)。對海上設(shè)備的整體完好率和利用率提升有著顯著作用。

設(shè)備管理系統(tǒng)通過大數(shù)據(jù)分析，研究應(yīng)用多個(gè)模型算法，實(shí)現(xiàn)設(shè)備設(shè)施的運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)測、故障智能預(yù)警、綜合診斷分析、維修策略主動(dòng)推薦，輔助制定科學(xué)維修計(jì)劃，優(yōu)化資源管理，縮短設(shè)備故障停機(jī)時(shí)間、降低設(shè)備故障率和維修成本，提高設(shè)備可靠性。通過模型算法的研究應(yīng)用，將傳統(tǒng)的故障性運(yùn)維模式升級為預(yù)防性運(yùn)維模式，避免了因故障性停機(jī)帶來的產(chǎn)量損失。

（三）LoRa通信系統(tǒng)

LoRa是一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的超遠(yuǎn)距離無線傳輸方案，是物聯(lián)網(wǎng)中的通信技術(shù)之一，它的名字來源于“Long Range”的縮寫，從名字可以看出，它的特點(diǎn)就是低功耗和遠(yuǎn)距離傳輸。LoRa的網(wǎng)絡(luò)，主要由內(nèi)置了LoRa模塊的終端、基站(即網(wǎng)關(guān)DTU)、云端以及客戶端組合而成，應(yīng)用的數(shù)據(jù)可以雙向傳輸。LoRa模塊的自組網(wǎng)功能選用較多的是星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這種組網(wǎng)方式比較方便，開發(fā)簡單而且穩(wěn)定性比較好（見圖2）。組網(wǎng)時(shí)首先中心節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)都要支持Lora通信，而且通信的參數(shù)必須一致，包括頻率，數(shù)據(jù)速率、射頻因子等；其次，操作中心節(jié)點(diǎn)（網(wǎng)關(guān)），讓其進(jìn)入配對模式。在觸發(fā)終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送Lora無線數(shù)據(jù)，網(wǎng)關(guān)收到無線通信的數(shù)據(jù)，解析獲取終端節(jié)點(diǎn)的設(shè)備地址，并存儲(chǔ)在中心節(jié)點(diǎn)的內(nèi)存中；最后，在第二步操作成功的基礎(chǔ)上，表示終端節(jié)點(diǎn)的設(shè)備地址已被中心節(jié)點(diǎn)保存，再次觸發(fā)終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送Lora無線數(shù)據(jù)，網(wǎng)關(guān)就可以識(shí)別，并解析終端數(shù)據(jù)。

圖2 星狀LoRa組網(wǎng)方式

通過LoRa通信系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測海上平臺(tái)設(shè)備的位置是否準(zhǔn)時(shí)到達(dá)預(yù)定位置、按照預(yù)定位置進(jìn)行布置海上設(shè)備、設(shè)備是否有損、當(dāng)前設(shè)備狀態(tài)，利于及時(shí)基于突發(fā)變化調(diào)整設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)情況，讓各方信息及時(shí)得到溝通交流并進(jìn)行整合，來共同應(yīng)對突發(fā)狀況。

（四）北斗短報(bào)文通信

此外我們還使用了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)附帶的一項(xiàng)功能特性-北斗短報(bào)文通信，是指北斗地面終端和北斗衛(wèi)星、北斗地面監(jiān)控總站之間能夠直接通過衛(wèi)星信號進(jìn)行雙向的信息傳遞，通信以短報(bào)文（類似手機(jī)短信）為傳輸基本單位。北斗短報(bào)文通信在移動(dòng)通信信號不能覆蓋的情況下（地震災(zāi)后通信基站遭到破壞、野外無人區(qū)或者海洋平臺(tái)等沒有移動(dòng)信號覆蓋的區(qū)域），裝有北斗短報(bào)文模塊的北斗終端可以通過短報(bào)文進(jìn)行緊急通信。

北斗短報(bào)文通信有著如下通信有點(diǎn)：1）快速響應(yīng)能力，短消息通信時(shí)延約為0.5s，點(diǎn)對點(diǎn)通信時(shí)延為1~5 s；2）通信抗干擾強(qiáng)，同時(shí)采用S/L波段衛(wèi)星傳輸，可穿透平流層和對流層，可保證極端天氣條件下的通信；3）設(shè)備要求低、設(shè)備價(jià)格低、性價(jià)比高；4）組網(wǎng)方便，以指揮型用戶機(jī)為核心，可以快速組成一對多的通訊網(wǎng)絡(luò)。

三、技術(shù)特色

（一）提高海上平臺(tái)設(shè)備競爭力

提供盯控技術(shù)手段，保證海上設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)，提前安排裝卸及生產(chǎn)，提高客戶滿意度。

（二）提升海上平臺(tái)設(shè)備資產(chǎn)管理水平

提供位置查詢、軌跡回放、區(qū)域分布、監(jiān)控報(bào)警、流量流向分析等功能，防止海上平臺(tái)設(shè)備丟失。

（三）掌握場站海上平臺(tái)設(shè)備保有量，提高調(diào)撥效率

實(shí)現(xiàn)位置信息自動(dòng)采集，可根據(jù)需要及時(shí)將海上平臺(tái)設(shè)備調(diào)撥到有需要的最近場站。

（四）準(zhǔn)確掌握海上平臺(tái)設(shè)備路外停留時(shí)間，加速站外周轉(zhuǎn)效率

通過定位信息，自動(dòng)判斷海上平臺(tái)設(shè)備路外滯留時(shí)間，有效督監(jiān)督設(shè)備位置信息。

（五）北斗短報(bào)文系統(tǒng)可以應(yīng)對海洋平臺(tái)沒有移動(dòng)信號覆蓋的情況進(jìn)行緊急通信

四、結(jié)語

隨著無線傳感網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)被應(yīng)用到海上平臺(tái)設(shè)備定位和實(shí)時(shí)監(jiān)測領(lǐng)域。本文基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)了對海洋平臺(tái)重要設(shè)備進(jìn)行定位和運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，達(dá)到了實(shí)時(shí)監(jiān)測設(shè)備的運(yùn)載信息的目的，具有網(wǎng)絡(luò)化、可視化、實(shí)時(shí)化等優(yōu)點(diǎn)。本文所做工作包括以下部分：

（1）分析了影響海上平臺(tái)設(shè)備定位和監(jiān)測的關(guān)鍵因素，總結(jié)了對設(shè)備進(jìn)行定位和實(shí)時(shí)監(jiān)測的重要性。

（2）提出了基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的海洋平臺(tái)重要設(shè)備定位和運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控的整體架構(gòu)。研究了LoRa通信技術(shù)、GPS/北斗定位技術(shù)以及二者相互組合的基本結(jié)構(gòu)、工作原理和技術(shù)特點(diǎn)。

（3）基于LoRa通信協(xié)議設(shè)計(jì)了LoRa網(wǎng)絡(luò)的周期采集方案和地面接收端的周期發(fā)送方案。