文｜張乃天

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

一、前言

對于海上平臺而言，不僅所處的海洋環(huán)境十分復雜，而且大多是距離海岸線較遠的地方。 在海洋平臺上，其涉及諸多設備，如電力設備、壓力設備等等。海上作業(yè)撬裝設備存在流動性大，設備運行狀態(tài)、設備參數(shù)檢測難度大等特點，設備正常運轉與否決定著海上平臺是否能夠高效、穩(wěn)定地運行。其中，海上平臺重要設備定位系統(tǒng)和實時監(jiān)測系統(tǒng)起到了非常關鍵的作用。在海上平臺日益發(fā)展的今天，對海上平臺定位和檢測系統(tǒng)提出了更高的要求。海上平臺定位系統(tǒng)和實時監(jiān)測系統(tǒng)應用水平的提升，不僅有助于降低勞動力的強度，而且有助于在最大限度內提升海洋平臺的經(jīng)濟和社會效益。以工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)為基礎的海上平臺定位和檢測預警系統(tǒng)，可以在海上平臺、衛(wèi)星和地面操作臺之間構建通信，能夠對出現(xiàn)的問題即使進行處理，從而確保海上平臺的安全。

二、功能

選用高性能MCU，以LoRa+北斗短報文技術為主要方式，通過多模式導航芯片的使用實現(xiàn)海上平臺定位。并將其反饋的位置信息經(jīng)過通信讓地面監(jiān)控平臺能實時監(jiān)控海上平臺設備的位置，了解設備的存儲信息。數(shù)據(jù)中心可通過訪問檢測系統(tǒng)，請求獲取設備所在位置。服務器訪問對應終端節(jié)點，調用其LoRa通信模塊同多個網(wǎng)關進行無線通信，將數(shù)據(jù)傳回服務器，服務器依據(jù)信號強度、到達時間、信噪比等參數(shù)分析出終端節(jié)點的位置信息以及設備狀態(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、設備軌跡信息，通過北斗/GPS雙模定位，獲得海上平臺設備監(jiān)控目標的位置；通過傳感器獲得目標動態(tài)信息；通過無線傳輸對物流監(jiān)控目標動態(tài)信息和靜態(tài)信息的實現(xiàn)收集。并結合北斗/GPS雙模定位、無線傳輸、傳感器和互聯(lián)網(wǎng)技術，對海上平臺設備監(jiān)控目標進行實時監(jiān)控。

（二）設備監(jiān)控系統(tǒng)

隨著傳感器技術的日益進步，其逐步應用到海上平臺諸多設備的各個系統(tǒng)中，如診斷系統(tǒng)、設備管理系統(tǒng)。通過傳感器技術的檢測能夠穩(wěn)定、安全地對海上平臺設備的運行工作進行監(jiān)控。

布置診斷系統(tǒng)，可做到遠程監(jiān)控設備運行狀態(tài)，根據(jù)設備運行狀態(tài)做到維護保養(yǎng)警示，設備故障預警。結合作業(yè)工況，提前進行故障的智能預判，實現(xiàn)設備按“需”維修而不是按“時”維修，降低作業(yè)停機時間以及維修費用。智能診斷系統(tǒng)能夠實時掌握設備運行狀態(tài)，監(jiān)測設備異常情況，準確評估設備的各項狀態(tài)指標，及時、準確地發(fā)現(xiàn)設備故障，且能夠量化故障趨勢，降低非故障維修保養(yǎng)頻次，減少維修時間及維修費用，避免、減緩、減少重大事故的發(fā)生。實現(xiàn)設備管理的降本增效。通過設備定位系統(tǒng)實現(xiàn)設備定位跟蹤，實現(xiàn)設備高效率調配和監(jiān)控。同時通過物聯(lián)系統(tǒng)獲取海量設備運轉參數(shù)，能夠對設備預防性維保和設備定期維修做成指導依據(jù)，實現(xiàn)科學化維護保養(yǎng)。對海上設備的整體完好率和利用率提升有著顯著作用。

設備管理系統(tǒng)通過大數(shù)據(jù)分析，研究應用多個模型算法，實現(xiàn)設備設施的運行狀態(tài)在線監(jiān)測、故障智能預警、綜合診斷分析、維修策略主動推薦，輔助制定科學維修計劃，優(yōu)化資源管理，縮短設備故障停機時間、降低設備故障率和維修成本，提高設備可靠性。通過模型算法的研究應用，將傳統(tǒng)的故障性運維模式升級為預防性運維模式，避免了因故障性停機帶來的產量損失。

（三）LoRa通信系統(tǒng)

LoRa是一種基于擴頻技術的超遠距離無線傳輸方案，是物聯(lián)網(wǎng)中的通信技術之一，它的名字來源于“Long Range”的縮寫，從名字可以看出，它的特點就是低功耗和遠距離傳輸。LoRa的網(wǎng)絡，主要由內置了LoRa模塊的終端、基站(即網(wǎng)關DTU)、云端以及客戶端組合而成，應用的數(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)絡拓撲結構，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)時首先中心節(jié)點和終端節(jié)點都要支持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（網(wǎng)關），讓其進入配對模式。在觸發(fā)終端節(jié)點發(fā)送Lora無線數(shù)據(jù)，網(wǎng)關收到無線通信的數(shù)據(jù)，解析獲取終端節(jié)點的設備地址，并存儲在中心節(jié)點的內存中；最后，在第二步操作成功的基礎上，表示終端節(jié)點的設備地址已被中心節(jié)點保存，再次觸發(fā)終端節(jié)點發(fā)送Lora無線數(shù)據(jù)，網(wǎng)關就可以識別，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)可以實時監(jiān)測海上平臺設備的位置是否準時到達預定位置、按照預定位置進行布置海上設備、設備是否有損、當前設備狀態(tài)，利于及時基于突發(fā)變化調整設備運轉情況，讓各方信息及時得到溝通交流并進行整合，來共同應對突發(fā)狀況。

（四）北斗短報文通信

此外我們還使用了北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)附帶的一項功能特性-北斗短報文通信，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)星信號進行雙向的信息傳遞，通信以短報文（類似手機短信）為傳輸基本單位。北斗短報文通信在移動通信信號不能覆蓋的情況下（地震災后通信基站遭到破壞、野外無人區(qū)或者海洋平臺等沒有移動信號覆蓋的區(qū)域），裝有北斗短報文模塊的北斗終端可以通過短報文進行緊急通信。

北斗短報文通信有著如下通信有點：1）快速響應能力，短消息通信時延約為0.5s，點對點通信時延為1~5 s；2）通信抗干擾強，同時采用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）設備要求低、設備價格低、性價比高；4）組網(wǎng)方便，以指揮型用戶機為核心，可以快速組成一對多的通訊網(wǎng)絡。

三、技術特色

（一）提高海上平臺設備競爭力

提供盯控技術手段，保證海上設備正常運轉，提前安排裝卸及生產，提高客戶滿意度。

（二）提升海上平臺設備資產管理水平

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

（三）掌握場站海上平臺設備保有量，提高調撥效率

實現(xiàn)位置信息自動采集，可根據(jù)需要及時將海上平臺設備調撥到有需要的最近場站。

（四）準確掌握海上平臺設備路外停留時間，加速站外周轉效率

通過定位信息，自動判斷海上平臺設備路外滯留時間，有效督監(jiān)督設備位置信息。

（五）北斗短報文系統(tǒng)可以應對海洋平臺沒有移動信號覆蓋的情況進行緊急通信

四、結語

隨著無線傳感網(wǎng)絡的快速發(fā)展，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術被應用到海上平臺設備定位和實時監(jiān)測領域。本文基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術設計了對海洋平臺重要設備進行定位和運行狀態(tài)參數(shù)的實時監(jiān)控系統(tǒng)，達到了實時監(jiān)測設備的運載信息的目的，具有網(wǎng)絡化、可視化、實時化等優(yōu)點。本文所做工作包括以下部分：

（1）分析了影響海上平臺設備定位和監(jiān)測的關鍵因素，總結了對設備進行定位和實時監(jiān)測的重要性。

（2）提出了基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術的海洋平臺重要設備定位和運行狀態(tài)參數(shù)實時監(jiān)控的整體架構。研究了LoRa通信技術、GPS/北斗定位技術以及二者相互組合的基本結構、工作原理和技術特點。

（3）基于LoRa通信協(xié)議設計了LoRa網(wǎng)絡的周期采集方案和地面接收端的周期發(fā)送方案。