基于工业互联网的海洋平台设备定位和实时监控

文｜张乃天

海上平台设备对于海上作业起着重要的作用，为确保海上平台设备的平稳运行和安全生产，本文重点对工业物联网技术在海上平台中的应用展开了分析，并以海上设备定位系统和实时监测系统为例，对工业物联网技术在其中的具体应用展开了探索。目前通过布局物联网系统、设备定位系统、泵诊断系统对设备进行定位和设备运行参数的实时监控。

一、前言

对于海上平台而言，不仅所处的海洋环境十分复杂，而且大多是距离海岸线较远的地方。 在海洋平台上，其涉及诸多设备，如电力设备、压力设备等等。海上作业撬装设备存在流动性大，设备运行状态、设备参数检测难度大等特点，设备正常运转与否决定着海上平台是否能够高效、稳定地运行。其中，海上平台重要设备定位系统和实时监测系统起到了非常关键的作用。在海上平台日益发展的今天，对海上平台定位和检测系统提出了更高的要求。海上平台定位系统和实时监测系统应用水平的提升，不仅有助于降低劳动力的强度，而且有助于在最大限度内提升海洋平台的经济和社会效益。以工业物联网为基础的海上平台定位和检测预警系统，可以在海上平台、卫星和地面操作台之间构建通信，能够对出现的问题即使进行处理，从而确保海上平台的安全。

二、功能

选用高性能MCU，以LoRa+北斗短报文技术为主要方式，通过多模式导航芯片的使用实现海上平台定位。并将其反馈的位置信息经过通信让地面监控平台能实时监控海上平台设备的位置，了解设备的存储信息。数据中心可通过访问检测系统，请求获取设备所在位置。服务器访问对应终端节点，调用其LoRa通信模块同多个网关进行无线通信，将数据传回服务器，服务器依据信号强度、到达时间、信噪比等参数分析出终端节点的位置信息以及设备状态信息，并将其反馈给数据中心完成此过程。系统流程图如图1所示。

图1 系统流程图

（一）北斗/GPS双模定位功能

依据位置、安全信息、设备轨迹信息，通过北斗/GPS双模定位，获得海上平台设备监控目标的位置；通过传感器获得目标动态信息；通过无线传输对物流监控目标动态信息和静态信息的实现收集。并结合北斗/GPS双模定位、无线传输、传感器和互联网技术，对海上平台设备监控目标进行实时监控。

（二）设备监控系统

随着传感器技术的日益进步，其逐步应用到海上平台诸多设备的各个系统中，如诊断系统、设备管理系统。通过传感器技术的检测能够稳定、安全地对海上平台设备的运行工作进行监控。

布置诊断系统，可做到远程监控设备运行状态，根据设备运行状态做到维护保养警示，设备故障预警。结合作业工况，提前进行故障的智能预判，实现设备按“需”维修而不是按“时”维修，降低作业停机时间以及维修费用。智能诊断系统能够实时掌握设备运行状态，监测设备异常情况，准确评估设备的各项状态指标，及时、准确地发现设备故障，且能够量化故障趋势，降低非故障维修保养频次，减少维修时间及维修费用，避免、减缓、减少重大事故的发生。实现设备管理的降本增效。通过设备定位系统实现设备定位跟踪，实现设备高效率调配和监控。同时通过物联系统获取海量设备运转参数，能够对设备预防性维保和设备定期维修做成指导依据，实现科学化维护保养。对海上设备的整体完好率和利用率提升有着显著作用。

设备管理系统通过大数据分析，研究应用多个模型算法，实现设备设施的运行状态在线监测、故障智能预警、综合诊断分析、维修策略主动推荐，辅助制定科学维修计划，优化资源管理，缩短设备故障停机时间、降低设备故障率和维修成本，提高设备可靠性。通过模型算法的研究应用，将传统的故障性运维模式升级为预防性运维模式，避免了因故障性停机带来的产量损失。

（三）LoRa通信系统

LoRa是一种基于扩频技术的超远距离无线传输方案，是物联网中的通信技术之一，它的名字来源于“Long Range”的缩写，从名字可以看出，它的特点就是低功耗和远距离传输。LoRa的网络，主要由内置了LoRa模块的终端、基站(即网关DTU)、云端以及客户端组合而成，应用的数据可以双向传输。LoRa模块的自组网功能选用较多的是星形网络拓扑结构，这种组网方式比较方便，开发简单而且稳定性比较好（见图2）。组网时首先中心节点和终端节点都要支持Lora通信，而且通信的参数必须一致，包括频率，数据速率、射频因子等；其次，操作中心节点（网关），让其进入配对模式。在触发终端节点发送Lora无线数据，网关收到无线通信的数据，解析获取终端节点的设备地址，并存储在中心节点的内存中；最后，在第二步操作成功的基础上，表示终端节点的设备地址已被中心节点保存，再次触发终端节点发送Lora无线数据，网关就可以识别，并解析终端数据。

图2 星状LoRa组网方式

通过LoRa通信系统可以实时监测海上平台设备的位置是否准时到达预定位置、按照预定位置进行布置海上设备、设备是否有损、当前设备状态，利于及时基于突发变化调整设备运转情况，让各方信息及时得到沟通交流并进行整合，来共同应对突发状况。

（四）北斗短报文通信

此外我们还使用了北斗卫星导航系统附带的一项功能特性-北斗短报文通信，是指北斗地面终端和北斗卫星、北斗地面监控总站之间能够直接通过卫星信号进行双向的信息传递，通信以短报文（类似手机短信）为传输基本单位。北斗短报文通信在移动通信信号不能覆盖的情况下（地震灾后通信基站遭到破坏、野外无人区或者海洋平台等没有移动信号覆盖的区域），装有北斗短报文模块的北斗终端可以通过短报文进行紧急通信。

北斗短报文通信有着如下通信有点：1）快速响应能力，短消息通信时延约为0.5s，点对点通信时延为1~5 s；2）通信抗干扰强，同时采用S/L波段卫星传输，可穿透平流层和对流层，可保证极端天气条件下的通信；3）设备要求低、设备价格低、性价比高；4）组网方便，以指挥型用户机为核心，可以快速组成一对多的通讯网络。

三、技术特色

（一）提高海上平台设备竞争力

提供盯控技术手段，保证海上设备正常运转，提前安排装卸及生产，提高客户满意度。

（二）提升海上平台设备资产管理水平

提供位置查询、轨迹回放、区域分布、监控报警、流量流向分析等功能，防止海上平台设备丢失。

（三）掌握场站海上平台设备保有量，提高调拨效率

实现位置信息自动采集，可根据需要及时将海上平台设备调拨到有需要的最近场站。

（四）准确掌握海上平台设备路外停留时间，加速站外周转效率

通过定位信息，自动判断海上平台设备路外滞留时间，有效督监督设备位置信息。

（五）北斗短报文系统可以应对海洋平台没有移动信号覆盖的情况进行紧急通信

四、结语

随着无线传感网络的快速发展，工业物联网技术被应用到海上平台设备定位和实时监测领域。本文基于工业互联网技术设计了对海洋平台重要设备进行定位和运行状态参数的实时监控系统，达到了实时监测设备的运载信息的目的，具有网络化、可视化、实时化等优点。本文所做工作包括以下部分：

（1）分析了影响海上平台设备定位和监测的关键因素，总结了对设备进行定位和实时监测的重要性。

（2）提出了基于工业互联网技术的海洋平台重要设备定位和运行状态参数实时监控的整体架构。研究了LoRa通信技术、GPS/北斗定位技术以及二者相互组合的基本结构、工作原理和技术特点。

（3）基于LoRa通信协议设计了LoRa网络的周期采集方案和地面接收端的周期发送方案。