无线传感器网络在水下防喷器控制系统中的应用

高肇凌，郭雪，陈艳东，刘立兵，苏尚文，许宏奇

(河北华北石油荣盛机械制造有限公司，河北 任丘 062552)



无线传感器网络在水下防喷器控制系统中的应用

高肇凌，郭雪，陈艳东，刘立兵，苏尚文，许宏奇

(河北华北石油荣盛机械制造有限公司，河北 任丘 062552)

摘要：针对海洋上逃生、救援、作业及其困难的问题，水下防喷器及控制系统的可靠性、安全性尤为重要。把无线传感器网络应用到水下防喷器控制系统，提出了一种能量有效无线传感器网络通信算法，使各控制终端之间采用一种自组网、多路径传输的形式，在原通信组网方式的基础上进一步增加系统的可靠性和安全性。

关键词：水下防喷器无线传感器网络控制系统

随着陆地石油资源不断开发后的日渐枯竭，石油开发已经逐渐从陆地转向海洋，国家在“十二五”计划中已经把南海石油开发确定为国家战略，海洋钻井装备技术水平直接影响着油气勘探开发的步伐[1]，而在深水中的作业、救援、逃生又极其困难，海洋钻井装备的可靠性与安全性面临着极大的挑战[2-6]。笔者将无线传感器网络技术应用到水下防喷器控制系统中，并提出了一种多能量有效多跳路由算法，提高了整个控制系统的可靠性和安全性。

1水下防喷器控制系统

水下防喷器控制系统是保障海洋钻井安全的重要设备，一般由司钻面板、队长面板、中央控制单元、分流器控制面板、数据服务器、通信配电盘等部件组成[7 ]，如图1所示。通信系统有基于Profibus现场总线形式的，也有基于工业以太网形式的，而工业以太网又分为环形、星形、双冗余环形或星形组网结构。尽管这些组网方式考虑了一定的网络通信的安全性，但是仍然存在网络断路、核心网络节点失效的问题，可能造成整个水下防喷器控制系统的失控。

2无线传感器网络

现代信息技术的三大基础是传感器技术、通信技术、计算机技术，分别完成对信息的采集、传输和处理[8-9 ]。传感器网络将三种技术结合在一起，从而实现信息的采集、传输和处理的真正统一。无线传感器网络独特的多跳组网形式，网络系统的健壮性、可靠性恰好能够解决有线网络通信的不足[10]。

无线传感器网络由多个传感器节点组成，采用无线、多跳的形式在网络节点之间传输信息。然而由于传感器网络的一些特性，例如传感器节点能量有限、节点容易死亡等，在设计无线传感器网络的时候也遇到很多困难和挑战，路由协议的设计就是其中很重要的一部分[11-14]。

图1　水下防喷器控制系统组成示意

笔者针对水下防喷器控制系统有线通信方式存在的风险，考虑在有线通信的基础上应用无线传感器网络系统增加系统通信的安全性，延长系统的可靠运行时间，并且设计了一种能量有效路由算法应用在无线传感器网络中。能量有效路由算法能够在源节点与目标节点之间建立多条信息传输路径，并且能够计算每条路径的剩余能量，当被选择作为传输信息路径中的任意1个节点能量消耗过多时，算法将自动选择其他路径进行信息传输。能量有效路由算法的目标是在保持多路径路由算法的优点下延长无线传感器网络的生存时间[15]。

2.1多路径路由算法

无线传感器网络中采用多路径路由主要有三方面原因[16 ]： 增加网络的弹性，平衡网络负担；提高网络的吞吐量(原因是移动的网关节点会导致网络拓扑结构的频繁改变，单路径路由很容易失败，大量包的丢失将会降低吞吐量)；网络负担额的平均分配。笔者提出了一种启发性的路由算法，可以提高网络的吞吐量，并且最大可能地延长网络的生存时间。

笔者提出的路由协议属于一个初始于目的端的路由协议，即由移动的网关节点来分别初始路由请求和保持路由。由网关节点以泛宏的方式把“兴趣”直接发送到源端。在发送兴趣之前，需要把路径代价和网络负担的值设为零。每个中继节点只把他们接收到的兴趣发送给自己的邻居节点(当多条路径建立以后，可选择一些互不相连的路径)，那么这个兴趣被计算并且被加到整个路径的代价中去。因此，如果把兴趣从点i发送到点j，那么点j就通过以下公式计算代价：

(1)

(2)

如果在每个包被路由之后则信息被更新，那么这个值就是描述包的尺寸。因此，每个节点的剩余能量就在每个路由信息更新前更新，从而更新链路代价。伴随链路代价的更新，最短代价路径被计算，包被这条路径传输。

2) 如果选择的最短代价路径上的任何1个节点的剩余能量小于该节点上1个阶段能量的50%的时候，就删除这条路径，并且标记这个点，那么其他的路径就被选择继续传输能量，如此重复选择，一直到再没有到目的端的路径被找到。

3) 更新各节点路由信息和剩余能量。

4) 返回到第一步。

2.2网络生存时间的定义

对于无线传感器网络，最大化网络生存时间是个很重要的问题，在单路径路由中，网络生存时间的定义一般以第1个节点的死亡为标准，然而这种定义方式并不适合多路径路由。路由的目的是数据包的传输，但在多路径理论中，由于存在多条路径，1个节点的死亡可能并不影响数据包的传输。考虑到该因素，将网络生存时间定义为首次不成功投递数据包即网络的最大生存时间，也就是说首次网络拓扑结构的失败定义为网络的生存时间。

节点i生存时间的定义为

(3)

整个网络的生存时间为

(4)

式中： clj——多路径的分支路径，那么网络的存活时间就是最后1条路径中生存时间最短的传感器节点的生存时间，所以最大化整个网络生存时间可表示为

MaximizeTsys(f)

s.t.fi j≥0∀i∈N， ∀j∈Si， ∀c∈C

(5)

2.3分布式算法

采用分布式算法求解网络生存时间最优值的过程中，考虑到包丢失的问题，简单假设传输能量可以使所有连接在接收器上都有同样的信噪比(SNR)。在这样给定的SNR下，设定p为信息包接收错误的可能性，则传输的平均值n必须大于传输数据包每1跳的值。因此，

(6)

MaximizeT

s.t.fi j≥0∀i∈N， ∀j∈Si， ∀c∈C

(7)

s.t.fi j≥0∀i∈N， ∀j∈Si， ∀c∈C

(8)

Hi=Hj， ∀i∈N， ∀j∈Si

对于给出的ν， γ，通过以下公式来解决该对偶问题：

(9)

源迭代公式为

(10)

(11)

用迭代算法解为

(12)

式中：α——步长，α>0。

速率和生存时间为

(13)

3仿真实现

在仿真环境中，设定25个节点和1个移动接收器。节点的初始能量为100，源节点每秒都发出能量。每发出1个信息包相当于5个能量单元。所有的节点和1个移动接收器在300×300单位距离的区域中自由分布，节点在接收到有用的数据时发出数据。因此，每个传感器也就相当于1个源节点。

500s的时间内通过Matlab仿真对比了本文提出的无线传感器网络能量有效路由算法(HMR)和能量平衡路由算法(PBMR)[18]。仿真结果显示PBMR算法使网络拓扑过早失败造成大量的网络信息包丢失，大幅缩短了网络寿命。如图2所示，与PBMR算法相比，本文算法能够更平均地消耗网络各节点的能量，弥补能量平衡路由算法的不足，从而改善传感器网络性能，延长了网络寿命。

图2　网络生存时间

4结束语

在海上平台环境，当水上平台有线通信网络在通信设备损坏、通信链路断路、关键节点设备故障死机失效的情况下，整个控制系统失去了对水下防喷器的控制，一旦出现失控情况，恢复时间会非常慢，给水下防喷器控制系统带来极大的风险。

通过无线传感器网络组网方式在有线通信失效的情况下，仍然能保证对控制系统的实时控制，同时通过本文提出的能量有效路由算法，可以使布置的传感器节点能够较为平均地分配网络负担，避免了个别关键节点网络负担过大产生的设备损坏，从而大幅提高了整个控制系统的可靠性和安全性。

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Application of Wireless Sensor Network in Subsea BOP Control System

Gao Zhaoling, Guo Xue, Chen Yandong, Liu Libing, Su Shangwen, Xu Hongqi

(Rongsheng Machinery Manufacture Ltd., Huabei Oilfield, Renqiu, 062552, China)

Abstract:The reliability and safety of subsea BOP and its control system are of great importance concerning about the problem of work difficulty, succor, operation and escape from offshore. Wireless sensor network technology is used in subsea BOP control system. An energy-efficient route algorithm is put forward, which makes every control unit communicate with each other in the way of self-network configuration and multi-path. The reliability and safety are improved on the basis of the original communication network configuration.

Key words:subsea BOP; wireless; sensor network; control system

基金项目：国家863计划项目“深水防喷器组及控制系统工程化研制”(2013AA09A220)；国家科技重大专项“深水钻井防喷器及控制系统研制”(2011ZX05027-001-05)。

作者简介：高肇凌(1981—)，2008年毕业于燕山大学模式识别与智能系统专业，获硕士学位，现就职于河北华北石油荣盛机械制造有限公司，主要从事石油装备自动化、控制产品的研制工作，任工程师。

中图分类号：TP273

文献标志码：B

文章编号：1007-7324(2016)02-0025-04

稿件收到日期： 2015-12-08。