王愛(ài)民，王 穎，趙 林

（1.中海油能源物流有限公司，天津 300450；2.中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司，天津 300450）

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)（IoT）是新一代信息技術(shù)的重要組成部分，使信息化時(shí)代進(jìn)入重要發(fā)展階段，近幾年在各行各業(yè)發(fā)展迅速。隨著低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)的成熟與發(fā)展，LoRa、NB-IoT等有源通信技術(shù)在工業(yè)級(jí)物流行業(yè)的應(yīng)用場(chǎng)景不斷拓展。LoRa技術(shù)聚焦于低功耗覆蓋廣的應(yīng)用場(chǎng)景，具有覆蓋廣、連接多、成本相對(duì)低、功耗少、架構(gòu)優(yōu)等特點(diǎn)。低功耗、低成本的特點(diǎn)使得其終端側(cè)的5Wh 電池壽命能夠達(dá)到10年，低帶寬、低功耗和低速率的特點(diǎn)為L(zhǎng)oRa網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)低成本優(yōu)勢(shì)。LoRa工作在1 GHz以下的頻段（中國(guó)主要使用470～518 MHz），無(wú)須申請(qǐng)即可進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，故在應(yīng)用時(shí)不需要額外支付通信費(fèi)用。本文結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)LoRa技術(shù)的特點(diǎn)，將其部署應(yīng)用在出海物資承載具、海上平臺(tái)及基地碼頭等物流運(yùn)輸節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)LoRa網(wǎng)絡(luò)下出海物資承載具的平臺(tái)區(qū)域定位。

1 業(yè)務(wù)現(xiàn)狀及問(wèn)題的提出

在海洋石油勘探開(kāi)發(fā)生產(chǎn)過(guò)程中，海上物資的保障是為生產(chǎn)服務(wù)的關(guān)鍵，大量不同種類(lèi)的生產(chǎn)、生活物資需要出海，物資承載具的調(diào)配和管理是油氣服務(wù)供應(yīng)商需要面臨和解決的問(wèn)題之一。物資承載具主要有托盤(pán)、吊籠、料箱及綁扎吊鎖具等。由于行業(yè)的特殊性，海上油氣生產(chǎn)由多家服務(wù)商共同服務(wù)，承載具沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，分別屬于不同服務(wù)商進(jìn)行管理，存在滯留、周轉(zhuǎn)效率低、無(wú)效運(yùn)轉(zhuǎn)等問(wèn)題，造成了作業(yè)船舶及基地作業(yè)資源的浪費(fèi)。由于海上區(qū)域廣，平臺(tái)在海上相對(duì)分散，對(duì)于承載具的跟蹤管理的需求主要是跟蹤到某海上平臺(tái)或某作業(yè)區(qū)域即可，無(wú)須精確定位在海上平臺(tái)的具體位置；通過(guò)對(duì)當(dāng)前管理需求的系統(tǒng)性分析，結(jié)合行業(yè)業(yè)務(wù)痛點(diǎn)，利用低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)LoRa實(shí)現(xiàn)承載具的跟蹤管理與目前業(yè)務(wù)相吻合，可以有效實(shí)現(xiàn)承載具供應(yīng)鏈的管理。

2 系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計(jì)

通過(guò)架設(shè)低功耗窄帶物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，集中部署核心網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)覆蓋主要海上石油平臺(tái)區(qū)域和基地，在承載工具上安裝基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的定位終端，建設(shè)一套基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的定位管理系統(tǒng)。由于帶寬較窄、多徑的影響較大，且信號(hào)強(qiáng)度低，在深度覆蓋的場(chǎng)景下信號(hào)的測(cè)量精度必然不佳，限制了定位精度的提升。系統(tǒng)應(yīng)用解決方案的構(gòu)架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)應(yīng)用解決方案的構(gòu)架

2.1 終端監(jiān)控環(huán)節(jié)

承載具經(jīng)常需要進(jìn)行周轉(zhuǎn)和重復(fù)利用，裝卸船、吊裝至平臺(tái)的操作頻率較高，這對(duì)監(jiān)控設(shè)備的大小、防潮濕和防爆性能要求較高。在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮設(shè)備及電池的壽命，以及影響信號(hào)的天線(xiàn)等因素，外觀(guān)設(shè)計(jì)同樣需要考慮防碰撞、防潮、防鹽霧以及防爆的要求；在安裝時(shí)需要考慮安裝的位置及對(duì)信號(hào)屏蔽的影響等因素。由于承載具的出海周期較長(zhǎng)，對(duì)于維護(hù)的便利性受到影響，本次設(shè)計(jì)的終端設(shè)備體積小，但電池容量可連續(xù)供電12個(gè)月，減少了維護(hù)成本；在設(shè)備傳輸和定位機(jī)制方面，采用“喚醒握手”機(jī)制來(lái)確定終端的位置，即網(wǎng)關(guān)收到本終端的ID后就認(rèn)為此設(shè)備在網(wǎng)關(guān)區(qū)域內(nèi)，由此來(lái)判斷設(shè)備的區(qū)域位置信息，這樣既節(jié)省了耗電，也能滿(mǎn)足區(qū)域定位的要求。

2.2 網(wǎng)關(guān)基站部署環(huán)節(jié)

由于海上區(qū)域廣闊，海上平臺(tái)分布又比較分散，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)在海上平臺(tái)部署網(wǎng)關(guān)基站用以收集附近終端數(shù)據(jù)，實(shí)際測(cè)得網(wǎng)關(guān)覆蓋的范圍是在海上空曠條件下覆蓋約8 km。根據(jù)這一數(shù)據(jù)，對(duì)海上平臺(tái)的點(diǎn)位進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)和部署，滿(mǎn)足每個(gè)區(qū)域均有所覆蓋、無(wú)盲區(qū)；同時(shí)，在陸地碼頭出海及倉(cāng)儲(chǔ)范圍內(nèi)同樣部署網(wǎng)關(guān)設(shè)備，可以監(jiān)控設(shè)備在陸地上的分布情況。設(shè)備識(shí)別原理示意圖如圖2所示。

圖2 設(shè)備識(shí)別原理示意圖

3 系統(tǒng)的應(yīng)用功能

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的承載具定位管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了承載具跟蹤管理，主要包括工具統(tǒng)計(jì)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、歷史追溯、報(bào)表分析等功能模塊。

工具統(tǒng)計(jì)：在系統(tǒng)中錄入周轉(zhuǎn)工具信息，如工具類(lèi)型、工具名稱(chēng)、工具編碼、檢驗(yàn)檢測(cè)信息等。實(shí)現(xiàn)可按照工具類(lèi)型、工具編碼進(jìn)行查詢(xún)，如查詢(xún)編碼以01、02、L開(kāi)頭的工具；實(shí)現(xiàn)可按照工具資產(chǎn)所屬查詢(xún)，如查詢(xún)某基地資產(chǎn)的所有工具。

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)：通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)核心服務(wù)平臺(tái)提供終端設(shè)備位置信息數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)設(shè)備位置，設(shè)備可在GIS地圖上顯示；可查詢(xún)各個(gè)碼頭、廠(chǎng)區(qū)、平臺(tái)等地各類(lèi)工具數(shù)量。在GIS地圖上框選范圍，如平臺(tái)或碼頭，可顯示框選范圍內(nèi)相關(guān)工具的位置。用戶(hù)可設(shè)置丟失時(shí)長(zhǎng)，為超出丟失時(shí)長(zhǎng)的設(shè)備發(fā)出丟失預(yù)警提示，為承載具追蹤提供便利。在平臺(tái)區(qū)域，某一設(shè)備滯留時(shí)間超過(guò)15天，會(huì)發(fā)出滯留預(yù)警提示，其中滯留時(shí)間可由用戶(hù)自行選擇。

歷史追溯：車(chē)輛當(dāng)天或一周內(nèi)的歷史運(yùn)動(dòng)軌跡可查詢(xún)，可查詢(xún)90天的歷史軌跡。

報(bào)表分析：以報(bào)表、圖形等形式展現(xiàn)數(shù)據(jù)信息，可按時(shí)間對(duì)碼頭、平臺(tái)分別進(jìn)行貨物工具往來(lái)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，還可統(tǒng)計(jì)設(shè)備滯留時(shí)間、丟失位置。

4 實(shí)際應(yīng)用效果

系統(tǒng)建設(shè)完成后，在海上建設(shè)了100多個(gè)網(wǎng)關(guān)基站，應(yīng)用于某公司全部承載具的跟蹤定位，實(shí)現(xiàn)了渤海區(qū)域的全程跟蹤。系統(tǒng)可對(duì)某型號(hào)承載具進(jìn)行詳細(xì)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析以及有效管理；同時(shí)，通過(guò)系統(tǒng)獲取的位置數(shù)據(jù)與實(shí)際設(shè)備位置數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率達(dá)到90%以上，通過(guò)每20個(gè)終端的測(cè)試共測(cè)得準(zhǔn)確率數(shù)據(jù)20組，實(shí)驗(yàn)周期為3個(gè)月，見(jiàn)表1所列。

表1 準(zhǔn)確率分析

為滿(mǎn)足更精確的定位需求，可以通過(guò)藍(lán)牙信標(biāo)的方案實(shí)現(xiàn)在小范圍區(qū)域的準(zhǔn)確定位的計(jì)算和位置信息獲取，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集了20個(gè)信標(biāo)、20個(gè)定位終端的數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)了30萬(wàn)次定位記錄，與真正的GPS定位結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果見(jiàn)表2所列，其中A10、A20分別代表實(shí)際距離與北斗定位的誤差小于10 m、20 m的比例。

表2 真實(shí)精確位置信息對(duì)比分析

5 結(jié) 語(yǔ)

本文主要以L(fǎng)oRa物聯(lián)網(wǎng)在承載具區(qū)域定位技術(shù)的應(yīng)用研究為基礎(chǔ)，結(jié)合實(shí)際現(xiàn)有管理模式，在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)相應(yīng)的終端設(shè)備、軟件應(yīng)用框架，通過(guò)構(gòu)建系統(tǒng)，解決實(shí)際供應(yīng)鏈上物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的相關(guān)痛點(diǎn)問(wèn)題。根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)和實(shí)際應(yīng)用情況，發(fā)現(xiàn)利用LoRa網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的低維護(hù)成本、低功耗的終端定位設(shè)備解決了長(zhǎng)期需要供電或頻繁維護(hù)的定位終端問(wèn)題，一定程度上提高了對(duì)承載具的管理和統(tǒng)計(jì)。對(duì)于定位精度高的需求，通過(guò)設(shè)計(jì)藍(lán)牙信標(biāo)方式提供了較好的解決方案，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。