慕昆+馬小雨+彭金柱

摘 要： 冰激振動對海洋平臺帶來了潛在的危害，對其進行實時監(jiān)測對于海洋油氣的安全生產(chǎn)至關(guān)重要。振動加速度的值可以反映冰激振動的狀態(tài)。以海洋平臺的振動加速度為監(jiān)測對象，基于MEMS加速度傳感器ADXL202、超低功耗單片機Atmega128L和無線射頻CC1000開發(fā)了低功耗無線冰激振動監(jiān)測節(jié)點，使用最大最小值法對加速度傳感器進行標(biāo)定，對加速度數(shù)據(jù)進行后臺存儲和三維可視化展示。在振動試驗平臺上進行實際振動監(jiān)測實驗，從頻域角度證明了時域?qū)嶒灁?shù)據(jù)的正確性。對節(jié)點的工作及休眠功耗進行測量，節(jié)點可以在2 A[?]h電池下工作兩年左右。

關(guān)鍵詞： 冰激振動； 加速度； 傳感器網(wǎng)絡(luò)； 無線射頻； 三維可視化； 實際振動監(jiān)測

中圖分類號： TN876?34； TP3 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）01?0112?05

Abstract： The ice?induced vibration brings the potential hazards for offshore platform， so its real?time monitoring is vital to production safety of offshore oil and gas. The vibration acceleration can reflect the state of ice?induced vibration. Taking vibration acceleration of offshore platform as the monitoring object， a low?power consumption wireless monitoring node for ice?induced vibration was developed on the basis of MEMS acceleration sensor ADXL202， ultra?low power consumption microcontroller Atmega128L and radio frequency chip CC1000. The maximum?minimum value method is used to calibrate the acceleration sensor， and realize the background storage and 3D visualization display for the acceleration data. The practical vibration monitoring experiments were carried out on vibration test platform， which can verify the correctness of time?domain experiment data in the aspect of frequency domain. The working and sleeping power consumptions were measured. The node can work about two years by using the 2 A[?]h battery.

Keywords： ice?induced vibration； acceleration； sensor network； radio frequency； 3D visualization； practical vibration monitoring

0 引 言

渤海灣處于高緯度地區(qū)，導(dǎo)管架式鋼質(zhì)海洋平臺是其目前油氣開發(fā)的主力平臺。由于冬季時海面結(jié)冰，海冰對海洋平臺存在著嚴重的破壞作用，嚴重阻礙了油氣生產(chǎn)安全。研究表明，海冰對海洋平臺影響最大的是海冰靜力推壓作用下的擠壓和冰激振動，其中冰激振動更是主要的焦點問題。

當(dāng)海冰持續(xù)作用于柔性的鋼結(jié)構(gòu)導(dǎo)管架平臺時，可引起平臺的振動，這就是所謂的冰激振動。當(dāng)振動強烈時，將對平臺設(shè)施直接帶來危害。1977年的冰激振動就曾將四號油田的烽火臺導(dǎo)管架推倒。冰激振動不僅對海洋平臺有很大的影響，而且對管線安全也極其重要。由于海洋石油平臺的上部有傳輸管道，其內(nèi)部流動著易燃易爆的原油和天然氣，持續(xù)不斷的冰激振動會使管道螺栓發(fā)生松動，將會導(dǎo)致高壓油氣泄露，容易發(fā)生爆炸和大火，對安全生產(chǎn)帶來了極大的挑戰(zhàn)。

對于冰激振動的物理根源[1]，Peyton等人認為振動來自于海冰本身的頻率特性，不受到受迫體結(jié)構(gòu)的影響，這稱為受迫振動模型。而Blenkarn等人認為冰激振動屬于自激振動，振動依賴于冰與受迫體相對速度的函數(shù)，這稱為自激振動模型。Xu等人則認為這兩種模型各有一定的適用場景，在非“頻率鎖定”區(qū)，冰激振動以周期性激勵為主，此時可用受迫振動理論進行描述；而在“頻率鎖定”區(qū)，冰激振動以自激性為主，此時可用自激振動理論描述[2]。

無論冰激振動的根源是什么，對于冰激振動監(jiān)測系統(tǒng)來說，只需要監(jiān)測冰激振動的外在表象——加速度信息即可。了解了加速度信息，就可以對當(dāng)前的冰激振動信息有一定的掌握，進而根據(jù)人的經(jīng)驗進行人工維護，如進行人工破冰來消除振動。

圖1是Tsuchiya等人對冰激振動的頻率觀測結(jié)果。在冰速小于2 cm/s時，振動頻率并不大，而當(dāng)冰速在2～6 cm/s時，此時結(jié)構(gòu)的振動加速度基本保持在3～5 Hz之間。實際觀測發(fā)現(xiàn)：這種頻率鎖定現(xiàn)象是目前對海洋平臺最主要的挑戰(zhàn)，因為它可以連續(xù)保持10 min以上的時間，給結(jié)構(gòu)帶來了很大的破壞力。因此，對冰激振動現(xiàn)象的監(jiān)測重點是要預(yù)警頻率鎖定現(xiàn)象，重點監(jiān)控5 Hz以下的振動信息。

要達到預(yù)警的效果，首先必須要大量地記錄數(shù)據(jù)，根據(jù)這些記錄數(shù)據(jù)挖掘出有意義的發(fā)生頻率鎖定現(xiàn)象的先兆。這顯然必須通過自動記錄系統(tǒng)來完成。endprint

對冰激振動加速度信息進行自動記錄已經(jīng)很常見，他們基本都采用測量低頻的力平衡加速度傳感器來進行測量，但它們并沒有得到廣泛的使用。究其根源，主要原因如下：

1） 由于功耗較大，因此系統(tǒng)的取電存在著一定的困難。

2） 由于防爆的需要，傳感器及監(jiān)控設(shè)備都需要進行隔爆，因此設(shè)備較為沉重。

3） 由于存在著布線的要求，因此給安裝固定也帶來了較大的麻煩。當(dāng)然，目前軟件對冰激振動信息的顯示也不夠直觀，用戶界面不夠友好，這也影響了系統(tǒng)的推廣。

設(shè)計完全依靠電池供電的、本安輕便的、超低功耗的、信息顯示直觀的無線冰激振動監(jiān)測系統(tǒng)，成為我國目前渤海灣的海上平臺的急迫需求。

1 硬件設(shè)計

1.1 節(jié)點硬件設(shè)計

硬件部分主要為設(shè)計加速度感知節(jié)點。節(jié)點的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

加速度感知節(jié)點由加速度感知、射頻傳輸、主處理器以及電源四部分組成。目前，常用的加速度傳感器主要有機械傳感器、MEMS加速度傳感器、壓電加速度傳感器、力平衡加速度傳感器、應(yīng)變式加速度傳感器等，對于加速度傳感器的選擇方法，由于冰激振動加速度范圍為0～10 Hz，而這種低頻振動檢測一般都屬于弱信號檢測范疇，因此對加速度傳感器的低頻特性和靈敏度要求都比較高。

MEMS加速度傳感器具有較高的靈敏度、線性動態(tài)范圍和穩(wěn)定性。此外，MEMS加速度傳感器體積小、功耗低，因此本系統(tǒng)采用MEMS傳感器作為低頻振動信號的傳感器。

ADXL202加速度傳感器可以測量兩軸加速度，正常工作時最大只有600 μA的電流，加速度測量范圍為[-19，19] m/s2，輸出非線性度只有滿量程的0.2%，感知敏感度為312 mV/g，這些技術(shù)指標(biāo)完全可以滿足冰激振動測量的需要[3]。由于其優(yōu)異的低功耗特性，非常適合于設(shè)計本安型加速度傳感器。

對于無線傳輸頻點的選擇需要仔細斟酌。由于海洋平臺是鋼架結(jié)構(gòu)，對無線信號傳輸?shù)牟焕绊懞苊黠@，并且信號頻率越高，影響越顯著。相對于2.4 GHz無線信號，433 MHz無線信號繞射能力強，鋼架結(jié)構(gòu)對其傳輸?shù)挠绊懖⒉幻黠@，非常適合海洋平臺的特點。但是2.4 GHz頻率的調(diào)制方式往往采用擴頻通信與QAM數(shù)字調(diào)制方式，而433 MHz往往采用BPSK或FSK調(diào)制方式，因此，2.4 GHz在抗干擾和數(shù)據(jù)傳輸率上的性能相對更好[4]。結(jié)合已有的技術(shù)積累、海洋平臺鋼架結(jié)構(gòu)的特點，以及實際監(jiān)測頻率的需要，最終選擇TI公司的CC1000芯片，并設(shè)置其工作頻率為433 MHz。

顯然，加速度感知節(jié)點必須要有一個處理器來控制加速度信息的采集與無線收發(fā)。由于整體低功耗的設(shè)計要求，因此，對于處理器的選擇異常重要。首先，由于對冰激振動信息的采集是間歇性的，因此處理器絕大部分時間都處于空閑狀態(tài)。低功耗、具有合適休眠模式的處理器將會極大降低節(jié)點的功耗，降低對電池供電能力的要求；其次，針對冰激振動監(jiān)測系統(tǒng)，并不要求系統(tǒng)有強的計算能力和存儲容量，因此，一般的8位單片機即可滿足要求。通過比較，選擇Atmega128L單片機。

對電池的選擇也是需要仔細考慮的因素：一方面，大容量的電池可以直接提高節(jié)點的壽命；另一方面也要保證節(jié)點在高溫和振動環(huán)境下的安全性，考慮到海洋平臺的溫度和振動特點，最終選擇了卷繞式鉛酸電池。卷繞式鉛酸電池最早應(yīng)用于坦克之類的軍事設(shè)施中，抗震動和沖擊力強是其最突出的特性，此外，它還具有非常好的高低溫性能，可在-55～75 ℃溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，非常適合本文的應(yīng)用場合。

對于防爆殼的設(shè)計，雖然節(jié)點本身是本安的，但由于存在著電池，以及海洋平臺的鹽霧腐蝕問題，因此，采用了隔爆方式。

1.2 通信協(xié)議

為增強傳輸可靠性，降低報文的丟失率，采用單跳傳輸方式。由于無線之間傳輸?shù)母蓴_，必須要采用一定的通信協(xié)議，MAC層采用CSMA/CA協(xié)議，即節(jié)點在準備發(fā)送傳感報文前，首先對信道進行監(jiān)聽，當(dāng)發(fā)現(xiàn)信道空閑時即進行發(fā)送，否則，隨機后退后再行偵聽[5]。由于應(yīng)用拓撲非常簡單，無需進行任何路由，因此無需路由協(xié)議[6]。

接收節(jié)點需要將接收到的無線數(shù)據(jù)發(fā)送給PC機端，由于接收節(jié)點靠近PC機端，因此，采用以太網(wǎng)方式進行通信，并采用Socket標(biāo)準接口以簡化PC端軟件的編程。

1.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)應(yīng)用需求，在海洋平臺的四個角分別安裝一個加速度監(jiān)測節(jié)點，節(jié)點以固定的間隔進行加速度信息采樣，并將采樣信息發(fā)送給位于平臺中心的接收節(jié)點，接收節(jié)點具有網(wǎng)絡(luò)接口，最終連接到一臺PC機上，PC機上運行的軟件將這些數(shù)據(jù)記錄到后臺數(shù)據(jù)庫中，以三維可視化方式展示這些加速度數(shù)據(jù)，并且根據(jù)設(shè)計的報警閾值進行聲音報警。

2 可視化軟件設(shè)計

軟件系統(tǒng)采用Socket方式從網(wǎng)口獲取四個節(jié)點發(fā)送來的加速度傳感信息。首先將這些數(shù)據(jù)存儲到后臺數(shù)據(jù)庫中，以備今后查驗。隨后以可視化方式顯示加速度信息。

2.1 軟件開發(fā)環(huán)境

為了增強上位機軟件顯示效果的直觀性，基于VS2010，OpenScence?Graph（簡稱OSG）設(shè)計了三維振動效果的立體顯示。OSG使用OpenGL技術(shù)開發(fā)，其本質(zhì)是一套基于C++平臺的應(yīng)用程序接口（API），它使得程序員能夠快速、便捷地創(chuàng)建高性能、跨平臺的交互式圖形程序。

2.2 軟件設(shè)計

軟件的設(shè)計非常簡單，當(dāng)接收到傳感器數(shù)據(jù)報文時，將根據(jù)報文中的傳感器節(jié)點編號，首先將其傳感數(shù)據(jù)保存到后臺數(shù)據(jù)庫中，其次，根據(jù)傳感數(shù)值的大小，變換成節(jié)點的振動振幅，在界面上實時直觀展示，數(shù)據(jù)通信流程如圖3所示。

3 實 驗

3.1 加速度傳感器的校準

由于器件參數(shù)的差異，ADXL202芯片在相同環(huán)境下所測得的加速度值有比較大的差異，此外，在實際生產(chǎn)過程中多種因素均會導(dǎo)致傳感器初始位置的差異，因此，必須要對加速度傳感器進行標(biāo)定。文獻[7]介紹了一種較為簡單而且實用的標(biāo)定方法，稱為最大最小值法。具體方法如下：endprint

1） 將PCB板懸掛起來，使得其[X]軸正向與重力加速度方向重合，測量[X]軸輸出值，然后緩慢調(diào)節(jié)PCB板的位置，當(dāng)測量值達到最大值[Xmax]時，此時[X]軸正向與重力加速度方向相同，此時，[X]軸的加速度對應(yīng)[1g]的輸出；

2） 同樣方法可以測量出[-1g]對應(yīng)的輸出值，記為[Xmin。]

由于ADXL202具有較好的線性度，當(dāng)加速度為0時，對應(yīng)的測量值應(yīng)為[Xmax+Xmin2，]而加速度為[g]時對應(yīng)的測量值為[Xmax-Xmin2]。即得到了兩個點[0，Xmax+Xmin2，][g，Xmax-Xmin2]。由這兩點擬合出一條校準直線，以后每得到一個測量值代入該直線方程中，就可以獲得實際的加速度值。

基于同樣的原理，對[Y]軸也可以進行標(biāo)定。標(biāo)定后的參數(shù)可直接保存在Atmega128L芯片的內(nèi)部E2PROM中。

3.2 振動測量實驗

在WS?Z30?50小型精密振動臺系統(tǒng)對節(jié)點進行實驗[8]。WS?Z30?50小型精密振動臺系統(tǒng)可以工作在水平工作方式下，并且可以產(chǎn)生加速度范圍為[0～2g，]振幅為8 mm的穩(wěn)定的水平簡諧振動，這足以滿足加速度校準信息。

把節(jié)點綁定在水平振動臺上，節(jié)點采樣加速度信息，并將該數(shù)據(jù)無線發(fā)送出去，在振動平臺外有一個接收節(jié)點，接收該無線數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到PC機上保存起來進行事后處理。

選取0.1 Hz，0.2 Hz，0.5 Hz，振幅為3 mm的水平振動來模擬冰激振動對平臺的影響[9]。節(jié)點以100 Hz的采樣率進行振動加速度采樣。每次實驗重復(fù)1 min。事后對實驗數(shù)據(jù)進行Matlab處理，圖4～圖6分別為0.1 Hz，0.2 Hz和0.5 Hz的時域和頻域比較圖。

從圖中可以看出，根據(jù)時域的加速度采樣信息，經(jīng)過FFT變換以后得到的頻域信息與振動系統(tǒng)的振動頻率完全吻合。這充分說明了系統(tǒng)的準確性。

3.3 低功耗性能

對節(jié)點在不同狀態(tài)下的功耗進行測量，節(jié)點在工作狀態(tài)下，消耗電流為14.2 mA，而在完全休眠狀態(tài)下，消耗電流為0.1 mA。由于在硬件上，ADXL202的采樣時間非常長，達到5 ms，再加上處理器要進行采樣值判斷、無線收發(fā)等，如果采用100 Hz的采樣率，則基本上節(jié)點一直處于工作狀態(tài)，如果電池為2 000 mA[?]h，則大概只能保證10天的工作時間，這使得系統(tǒng)根本不具有實用性。

然而，根據(jù)實際工作的特點，只有在發(fā)現(xiàn)加速度數(shù)值超標(biāo)時，才需要提高采樣速率到100 Hz。而對于平時絕大多數(shù)時間，只需要1 Hz的采樣速率即可，即大約可以具有[1100]的工作時間，由此推算，可以工作兩年左右的時間。完全能夠達到1年持續(xù)運行期的要求。

4 結(jié) 論

本文針對海洋油氣生產(chǎn)中的實際應(yīng)用需求，基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，設(shè)計了低功耗的冰激振動監(jiān)測系統(tǒng)。實驗驗證了該監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用于海洋平臺結(jié)構(gòu)檢測中的可行性，所開發(fā)的冰激振動加速度監(jiān)測節(jié)點具有低功耗、無需布線、本安防爆等優(yōu)點，為保障海洋平臺的安全生產(chǎn)提供了新的技術(shù)保障。

在下一步的工作中，將把系統(tǒng)安裝到渤海灣海洋平臺上實際運行，通過分析其整年的加速度采樣數(shù)據(jù)，為其建立冰激振動預(yù)警的準確模型，為合理科學(xué)預(yù)警和系統(tǒng)的進一步深入推廣奠定理論和技術(shù)基礎(chǔ)。

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