曹宇，方會(huì)凌，趙永旗，崔海朋

(1.上海海洋大學(xué)工程學(xué)院，上海 201306；2.上海海洋可再生能源工程技術(shù)研究中心，上海 201306；3.中油管道物資裝備有限公司，河北廊坊 065000；4.青島杰瑞工控技術(shù)有限公司，山東青島 266061)

0 引言

天然氣水合物（NGH），俗稱可燃冰，在標(biāo)準(zhǔn)情況下，1 m3的NGH能夠釋放出164m3的甲烷氣體[1]，是一種新型清潔替代能源.隨著傳統(tǒng)化石能源的緊缺，NGH以污染少、能量密度高、儲(chǔ)藏量大等優(yōu)點(diǎn)，成為國(guó)家能源戰(zhàn)略計(jì)劃發(fā)展的重要目標(biāo)[2].由于貯藏條件和環(huán)境因素的制約，NGH的開采尚未能進(jìn)入商業(yè)化階段，而且在開采過(guò)程中，有諸多不確定的風(fēng)險(xiǎn)因素，容易造成甲烷氣體的滲漏，或產(chǎn)生嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害如海底滑坡，因此，需要對(duì)水合物的開采過(guò)程建立穩(wěn)定的監(jiān)測(cè)機(jī)制，包括開采前的環(huán)境基準(zhǔn)監(jiān)測(cè)、開采過(guò)程中環(huán)境變化監(jiān)測(cè)、開采后環(huán)境恢復(fù)監(jiān)測(cè)，及時(shí)規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)并且將對(duì)環(huán)境的影響降到最低.

目前，對(duì)海底水合物開采主要采用現(xiàn)場(chǎng)原位監(jiān)測(cè)技術(shù)，這是由現(xiàn)代傳感器和深水鉆探技術(shù)的進(jìn)步發(fā)展起來(lái)的，但尚未能結(jié)合海底監(jiān)測(cè)網(wǎng)和通信技術(shù)的發(fā)展，開展深海的大范圍、長(zhǎng)時(shí)間實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè).未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)是監(jiān)測(cè)和評(píng)估NGH對(duì)海洋環(huán)境和海底工程的影響，預(yù)測(cè)災(zāi)害趨勢(shì)[3].由于開采過(guò)程中甲烷泄露引起的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別，監(jiān)測(cè)與評(píng)估目前尚處于前期階段，因此建立穩(wěn)定的開采環(huán)境監(jiān)測(cè)與評(píng)估可視化系統(tǒng)，對(duì)安全生產(chǎn)、風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與防控具有非常重要的意義.

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）以其獨(dú)有的短報(bào)文通信功能，成為全球首個(gè)通信一體化的導(dǎo)航定位系統(tǒng)，在電力行業(yè)、海上作業(yè)、航空安全、燃?xì)獾阮I(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛[4].張麗珍等[5]設(shè)計(jì)了一套基于BDS的蝦塘投餌管控系統(tǒng)，本文以BDS短報(bào)文通訊方式為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了基于BDS的海底NGH開采環(huán)境監(jiān)測(cè)與評(píng)估可視化系統(tǒng)，利用海下布置的各類傳感器，將甲烷、二氧化碳、壓力、溫度、海流速度等參數(shù)通過(guò)BDS短報(bào)文功能傳輸?shù)接脩艚K端，并根據(jù)轉(zhuǎn)化的信息參數(shù)形成監(jiān)測(cè)曲線與報(bào)警機(jī)制，對(duì)水下開采環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估.

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

NGH開采環(huán)境監(jiān)測(cè)與評(píng)估系統(tǒng)基于Unity3D技術(shù)開發(fā)方式，采用跨平臺(tái)的Unity場(chǎng)景展示引擎，設(shè)計(jì)友好操作界面，內(nèi)建NVIDIA PhysX物理引擎、粒子系統(tǒng)，并提供網(wǎng)絡(luò)多線的共用功能.本系統(tǒng)主要分為三部分：服務(wù)器端、客戶端和數(shù)據(jù)庫(kù).其中，服務(wù)器端主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)計(jì)算、數(shù)據(jù)通信等功能；客戶端負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)庫(kù)通信并利用Unity3D技術(shù)展現(xiàn)由服務(wù)器計(jì)算匯總后的傳感器數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)庫(kù)采用M ySQL關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，方便用戶進(jìn)行二次開發(fā)及維護(hù).

海底可燃冰開采可視化監(jiān)測(cè)仿真系統(tǒng)主要以大氣、海水、海床、可燃冰開采平臺(tái)及立管為背景模擬可燃冰開采過(guò)程中甲烷泄露對(duì)環(huán)境的全面影響效果，通過(guò)展現(xiàn)大氣、海水、海床、井下的各時(shí)間點(diǎn)傳感器采集數(shù)值的變化，并根據(jù)預(yù)警級(jí)別標(biāo)注顯示，點(diǎn)擊任意場(chǎng)景可顯示對(duì)應(yīng)的傳感器數(shù)據(jù)分析曲線及受影響的災(zāi)害情況.系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖1所示.

圖1 海底可燃冰開采可視化監(jiān)測(cè)仿真系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

1）數(shù)據(jù)采集層

主要包括數(shù)據(jù)導(dǎo)入、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)組織與管理、生產(chǎn)管理等功能.

數(shù)據(jù)導(dǎo)入：數(shù)據(jù)導(dǎo)入功能是系統(tǒng)與其它系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換的接口，具有開放性的特點(diǎn).

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集：主要包括環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)和傳感器設(shè)備信息等，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行采集是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)可視化環(huán)境監(jiān)控的基礎(chǔ).

數(shù)據(jù)組織與管理：系統(tǒng)的三維可視化和環(huán)境要素的三維直觀展示、交互式表達(dá)、再現(xiàn)和趨勢(shì)分析等數(shù)據(jù)服務(wù)功能都取決于數(shù)據(jù)模型和組織方式.

生產(chǎn)管理：提供生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的實(shí)時(shí)信息（包括安全信息、設(shè)備狀態(tài)等）的查詢、統(tǒng)計(jì)和分析，輸出各種統(tǒng)計(jì)分析報(bào)表，實(shí)時(shí)查詢各種設(shè)備的狀態(tài)，發(fā)布報(bào)警信息等.

2）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理層

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層向數(shù)據(jù)存取層提供的接口是由定長(zhǎng)頁(yè)面組成的系統(tǒng)緩沖區(qū).關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)利用系統(tǒng)緩沖區(qū)緩存數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)存取層需要讀取數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)子系統(tǒng)首先到系統(tǒng)緩沖區(qū)中查找.其中緩沖區(qū)管理中主要算法是淘汰算法和查找算法，操作系統(tǒng)中的淘汰算法有先進(jìn)先出算法（FIFO）、LRU等，查找算法用來(lái)確定所請(qǐng)求的頁(yè)面是否在內(nèi)存，可采用順序掃描、折半查找、hash查找算法等.

3）應(yīng)用支撐與服務(wù)層

該層是將分散、異構(gòu)的應(yīng)用和信息資源進(jìn)行整合，通過(guò)統(tǒng)一的訪問(wèn)入口，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)資源、非結(jié)構(gòu)化文檔和互聯(lián)網(wǎng)資源、各種應(yīng)用系統(tǒng)跨數(shù)據(jù)庫(kù)、跨系統(tǒng)平臺(tái)的無(wú)縫接入和集成；提供一個(gè)支持信息訪問(wèn)、傳遞、以及協(xié)作的集成化環(huán)境，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化業(yè)務(wù)應(yīng)用的高效開發(fā)、集成、部署與管理；并根據(jù)每個(gè)用戶的特點(diǎn)、喜好和角色的不同，為特定用戶提供量身定做的訪問(wèn)關(guān)鍵業(yè)務(wù)信息的安全通道和個(gè)性化應(yīng)用界面，使用戶可以瀏覽到相互關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行相關(guān)的事務(wù)處理.

4）三維可視化與仿真監(jiān)測(cè)模塊

①虛擬海洋環(huán)境場(chǎng)景

利用虛擬現(xiàn)實(shí)、并行計(jì)算和可視化等相關(guān)技術(shù)來(lái)仿真和模擬海洋現(xiàn)象的時(shí)空分布與運(yùn)動(dòng).主要包含海空建模、海表建模、海洋目標(biāo)物實(shí)現(xiàn)、海洋水體建模和海底地形實(shí)時(shí)繪制等.

②海水環(huán)境狀態(tài)可視化

海洋環(huán)境場(chǎng)可視化一般是利用離散的、數(shù)量較少的環(huán)境采樣數(shù)據(jù)以三維的形式直觀表現(xiàn)出海洋水體環(huán)境場(chǎng)景的分布情況，目的是為專業(yè)人員進(jìn)行相關(guān)分析提供可靠的依據(jù)和直觀的分析手段.海洋環(huán)境要素（海流速度、海溫、鹽度、壓力、甲烷含量等）可視化以海洋環(huán)境場(chǎng)景作為載體，可以根據(jù)需求加載不同的海洋環(huán)境信息服務(wù)并集成.

③甲烷氣體泄漏過(guò)程的水下可視化

甲烷氣體泄漏過(guò)程的可視化表達(dá)需要以海洋水體為載體，同時(shí)要將海床、海底地形、各類實(shí)體模型等融合在同一場(chǎng)景中.海底地形以水深為基準(zhǔn)，考慮到漫游和瀏覽的需要，可不考慮真光層深度.為了強(qiáng)調(diào)甲烷氣體泄漏過(guò)程中空間分布的變化，用氣泡升降與形狀變化模擬甲烷氣體運(yùn)動(dòng)軌跡及其與海水的動(dòng)態(tài)交互過(guò)程，以此表達(dá)甲烷氣體泄漏過(guò)程的分布特征.

④甲烷氣體泄漏的水上可視化

為了增強(qiáng)演示效果來(lái)取得最佳的可視化場(chǎng)景展示，采用超現(xiàn)實(shí)的方法，利用虛擬手段來(lái)模擬甲烷氣體泄漏過(guò)程.

⑤海底滑坡災(zāi)害模擬

構(gòu)建典型海域海底地形地貌特征模型，將水合物儲(chǔ)存區(qū)及海底地層視為一個(gè)系統(tǒng)，針對(duì)其平面失穩(wěn)問(wèn)題建立力學(xué)模型，運(yùn)用勢(shì)函數(shù)突變模型建立海底塌方、海底滑坡模擬算法，并進(jìn)行海底塌方、滑坡和地層沉降情況的可視化模擬演示.

2 BDS在系統(tǒng)中的通信構(gòu)成

BDS是由中國(guó)自主建設(shè)、獨(dú)立運(yùn)行，并與世界其它衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容共用的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng).BDS的主要功能有：定位、測(cè)速、單雙向授時(shí)、短報(bào)文通信；服務(wù)區(qū)域：中國(guó)及部分亞太地區(qū)；定位精度：優(yōu)于10m；測(cè)速精度：優(yōu)于0.2m/s；授時(shí)精度：50 ns（雙向10 ns）；短報(bào)文通信容量：120個(gè)漢字/次.

BDS由空間星座、地面控制和用戶終端三大部分組成，BDS集成了衛(wèi)星無(wú)線電測(cè)定業(yè)務(wù)（RDSS）和衛(wèi)星無(wú)線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)（RNSS）兩種業(yè)務(wù)體制，不但具有GPS等系統(tǒng)的RNSS功能，還具有短報(bào)文通信和位置報(bào)告服務(wù)的RDSS功能[6].所謂RNSS與RDSS集成概念，是在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的衛(wèi)星和運(yùn)控系統(tǒng)中集成RNSS與RDSS兩種業(yè)務(wù)，使用戶既可以不發(fā)射相應(yīng)信號(hào)，自主完成連續(xù)定位、測(cè)定任務(wù)，又可根據(jù)需要進(jìn)行RDSS方式的位置報(bào)告，以及用戶跟蹤識(shí)別和短報(bào)文通信，在用戶終端實(shí)現(xiàn)RNSS和RDSS的雙模集成和國(guó)外GPS、GLONASS的應(yīng)用集成.

BDS對(duì)RNSS和RDSS集成功能應(yīng)用方式為：1）在地球同步軌道衛(wèi)星（GEO）、傾斜地球同步軌道衛(wèi)星（IGSO）上同時(shí)安排RDSS載荷和RNSS載荷，地面控制系統(tǒng)具有RNSS與RDSS信號(hào)及信息處理和運(yùn)行控制能力；2）RNSS與RDSS的導(dǎo)航體制和信號(hào)格式統(tǒng)一在同一時(shí)間系統(tǒng)內(nèi)；3）GEO衛(wèi)星的RDSS出站信號(hào)和RNSS導(dǎo)航信號(hào)既可用于用戶自主導(dǎo)航，又可用于位置報(bào)告和通信服務(wù)，即S頻段信號(hào)可用于RNSS（所謂無(wú)源）定位，RNSS的L頻段信號(hào)可用于通信服務(wù)；4）地面運(yùn)控系統(tǒng)RDSS業(yè)務(wù)具有用戶通信隨機(jī)接入能力，可以處理短促突發(fā)信號(hào)，完成用戶至中心控制系統(tǒng)的信息交換；5）用戶入站信息可以攜帶用戶位置實(shí)現(xiàn)位置報(bào)告，又可以不攜帶用戶位置進(jìn)行信息交換，由RDSS直接從應(yīng)答信號(hào)中處理出用戶位置坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)“無(wú)信息”傳輸?shù)奈恢脠?bào)告.

在NGH開采環(huán)境監(jiān)測(cè)與評(píng)估系統(tǒng)中，利用BDS通信的大致流程為：通過(guò)海床上布置的水下甲烷傳感器、水下二氧化碳傳感器、ROV、側(cè)掃聲吶等裝置；海水中布置的纜式剖面儀上搭載的多參數(shù)水質(zhì)分析儀、單點(diǎn)海流計(jì)、多普勒流速剖面儀等傳感器；以及海面上浮標(biāo)搭載的甲烷傳感器、二氧化碳傳感器等裝置在各時(shí)間點(diǎn)監(jiān)測(cè)的數(shù)值變化，通過(guò)信號(hào)采集模塊集中傳輸?shù)介_采平臺(tái)控制端，開采平臺(tái)控制端利用BDS的短報(bào)文通信功能，將信號(hào)傳輸?shù)降孛婵刂贫?，地面控制端進(jìn)而把信號(hào)發(fā)送給用戶終端并對(duì)信號(hào)進(jìn)行解碼，從而完成數(shù)據(jù)的傳輸與收集[7-12].通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示.

圖2 通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 BDS在系統(tǒng)中的功能實(shí)現(xiàn)

3.1 客戶端功能實(shí)現(xiàn)

1）開采區(qū)多維空間可視化展示

以動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)仿真模擬的方式構(gòu)建可燃冰開采區(qū)內(nèi)大氣、海水、海床、井下“四位一體”的多維立體海洋空間場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)對(duì)多維空間的可視化展示.對(duì)可燃冰開采相關(guān)環(huán)境監(jiān)測(cè)和安全應(yīng)急輔助設(shè)備等進(jìn)行高精度建模，并將其置于動(dòng)態(tài)的多維空間場(chǎng)景中，支持全局光照、精細(xì)化的物理著色渲染以及超高面數(shù)的仿真模型渲染，實(shí)現(xiàn)細(xì)膩逼真的高精度畫質(zhì)渲染，對(duì)可燃冰開采區(qū)多維空間實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可視化仿真展示，具有空間瀏覽切換和場(chǎng)景漫游等功能.

2）開采區(qū)環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)展示

整合多種海洋信息資源，通過(guò)布設(shè)的海底地形監(jiān)測(cè)設(shè)備、氣體滲漏監(jiān)測(cè)設(shè)備、各種不同類別環(huán)境傳感器等采集的環(huán)境數(shù)據(jù)為支撐，綜合運(yùn)用大數(shù)據(jù)處理、智能化分析和信息化等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)可燃冰工作區(qū)內(nèi)溫度、壓力、甲烷濃度及海底穩(wěn)定性等環(huán)境狀態(tài)的立體感知和實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，重點(diǎn)對(duì)海流速度、海溫、鹽度、壓力（海床和井下）、甲烷含量（海水和大氣）等環(huán)境要素進(jìn)行三維直觀展示和交互式表達(dá)、再現(xiàn)和趨勢(shì)分析，實(shí)現(xiàn)多源環(huán)境數(shù)據(jù)接入動(dòng)態(tài)可視化、交互式圖表分析與空間分析，洞察工作區(qū)內(nèi)環(huán)境信息價(jià)值，為可燃冰開采區(qū)范圍內(nèi)環(huán)境變化情況分析提供底層基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和不同專題的應(yīng)用提供開放式軟件支持.

3）開采區(qū)安全預(yù)警與評(píng)估

基于布設(shè)相關(guān)傳感器對(duì)開采區(qū)溫度、壓力、甲烷濃度及海底穩(wěn)定性參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，構(gòu)建大氣-海水-海床-井下一體化環(huán)境安全監(jiān)測(cè)體系可視化視景和應(yīng)急防控演示視景.

采用最新的虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)，綜合利用傳感器現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)、海洋地理信息、三維空間分析信息等，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)全景再現(xiàn)、現(xiàn)場(chǎng)三維重現(xiàn)等方式，對(duì)可燃冰開采過(guò)程中可能出現(xiàn)的甲烷泄漏事故、海底滑坡事故等實(shí)時(shí)災(zāi)害快速模擬展示，為實(shí)現(xiàn)快速科學(xué)應(yīng)急指揮、災(zāi)害救援和預(yù)案快速實(shí)施以及裝備保障模擬等突發(fā)狀況處理提供依據(jù).圖3為客戶端架構(gòu)圖，圖4為客戶端功能圖，圖5為客戶端體系結(jié)構(gòu)圖.

圖3 客戶端架構(gòu)圖

圖4 客戶端功能圖

3.2 通信協(xié)議設(shè)計(jì)

利用BDS的短報(bào)文功能，BDS的RDSS模式下的短報(bào)文功能單次報(bào)文容量最大為300 B，報(bào)文頻度為1m in/次，RDSS模式具備的定位加雙向短報(bào)文的特點(diǎn)以及性價(jià)比高、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)是本設(shè)計(jì)選擇BDS的原因，但RDSS模式下報(bào)文容量有限，所以需要合理地設(shè)計(jì)通信協(xié)議，在不超出容量的同時(shí)，盡可能地保證通信質(zhì)量，得到最優(yōu)的通信數(shù)據(jù)[13].根據(jù)上述限制與要求，制定了一套簡(jiǎn)易的短報(bào)文傳輸協(xié)議，如表1所示.

4 BDS在系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用

NGH開采環(huán)境監(jiān)測(cè)與評(píng)估可視化軟件主界面如圖6所示，此軟件是基于Unity3D虛擬融合技術(shù)，借助C#語(yǔ)言編寫的能與BDS地面控制部分進(jìn)行直接通信的三維可視化軟件.

通過(guò)BDS傳輸?shù)膫鞲衅鞅O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以展示在用戶界面上，在用戶端中，各時(shí)間點(diǎn)傳感器數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣、海水、海床、井下四個(gè)層面的實(shí)時(shí)監(jiān)控.通過(guò)對(duì)甲烷和二氧化碳含量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，如圖7所示，對(duì)甲烷和二氧化碳的監(jiān)測(cè)狀態(tài)進(jìn)行預(yù)警分析，及時(shí)監(jiān)測(cè)異常狀態(tài)，以防氣體滲漏造成環(huán)境污染，這說(shuō)明BDS在NGH開采環(huán)境監(jiān)測(cè)與評(píng)估系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用是有效的.

圖5 客戶端體系結(jié)構(gòu)圖

表1 BDS衛(wèi)星RDSS短報(bào)文數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議

圖6 系統(tǒng)主界面

圖7 甲烷二氧化碳監(jiān)測(cè)曲線圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本文基于BDS通信設(shè)計(jì)的NGH開采環(huán)境監(jiān)測(cè)與評(píng)估系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)可燃冰開采環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的監(jiān)測(cè)與評(píng)估，利用BDS的短報(bào)文通信功能，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各時(shí)間點(diǎn)的傳感器數(shù)值變化，對(duì)開采環(huán)境進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和分析，提高了水下NGH開采的安全性.通過(guò)布置傳感器，開展大氣環(huán)境、海水環(huán)境、海床環(huán)境、井下環(huán)境參數(shù)的有效監(jiān)測(cè)，分析開采可燃冰對(duì)環(huán)境的影響，建立開采環(huán)境監(jiān)測(cè)與評(píng)估可視化系統(tǒng)，對(duì)可燃冰開采過(guò)程的安全評(píng)價(jià)具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義.