基于BDS的可燃冰開采環(huán)境監(jiān)測與評估系統(tǒng)設(shè)計

曹宇，方會凌，趙永旗，崔海朋

(1.上海海洋大學工程學院，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，在標準情況下，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、儲藏量大等優(yōu)點，成為國家能源戰(zhàn)略計劃發(fā)展的重要目標[2].由于貯藏條件和環(huán)境因素的制約，NGH的開采尚未能進入商業(yè)化階段，而且在開采過程中，有諸多不確定的風險因素，容易造成甲烷氣體的滲漏，或產(chǎn)生嚴重的地質(zhì)災(zāi)害如海底滑坡，因此，需要對水合物的開采過程建立穩(wěn)定的監(jiān)測機制，包括開采前的環(huán)境基準監(jiān)測、開采過程中環(huán)境變化監(jiān)測、開采后環(huán)境恢復監(jiān)測，及時規(guī)避風險并且將對環(huán)境的影響降到最低.

目前，對海底水合物開采主要采用現(xiàn)場原位監(jiān)測技術(shù)，這是由現(xiàn)代傳感器和深水鉆探技術(shù)的進步發(fā)展起來的，但尚未能結(jié)合海底監(jiān)測網(wǎng)和通信技術(shù)的發(fā)展，開展深海的大范圍、長時間實時監(jiān)測.未來的發(fā)展趨勢是監(jiān)測和評估NGH對海洋環(huán)境和海底工程的影響，預測災(zāi)害趨勢[3].由于開采過程中甲烷泄露引起的環(huán)境風險識別，監(jiān)測與評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)測與評估可視化系統(tǒng)，對安全生產(chǎn)、風險識別與防控具有非常重要的意義.

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（BDS）以其獨有的短報文通信功能，成為全球首個通信一體化的導航定位系統(tǒng)，在電力行業(yè)、海上作業(yè)、航空安全、燃氣等領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛[4].張麗珍等[5]設(shè)計了一套基于BDS的蝦塘投餌管控系統(tǒng)，本文以BDS短報文通訊方式為基礎(chǔ)，設(shè)計了基于BDS的海底NGH開采環(huán)境監(jiān)測與評估可視化系統(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BDS短報文功能傳輸?shù)接脩艚K端，并根據(jù)轉(zhuǎn)化的信息參數(shù)形成監(jiān)測曲線與報警機制，對水下開采環(huán)境進行實時監(jiān)測與風險評估.

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

NGH開采環(huán)境監(jiān)測與評估系統(tǒng)基于Unity3D技術(shù)開發(fā)方式，采用跨平臺的Unity場景展示引擎，設(shè)計友好操作界面，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.其中，服務(wù)器端主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)計算、數(shù)據(jù)通信等功能；客戶端負責數(shù)據(jù)庫通信并利用Unity3D技術(shù)展現(xiàn)由服務(wù)器計算匯總后的傳感器數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)庫采用M ySQL關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，方便用戶進行二次開發(fā)及維護.

海底可燃冰開采可視化監(jiān)測仿真系統(tǒng)主要以大氣、海水、海床、可燃冰開采平臺及立管為背景模擬可燃冰開采過程中甲烷泄露對環(huán)境的全面影響效果，通過展現(xiàn)大氣、海水、海床、井下的各時間點傳感器采集數(shù)值的變化，并根據(jù)預警級別標注顯示，點擊任意場景可顯示對應(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)計圖如圖1所示.

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

1）數(shù)據(jù)采集層

主要包括數(shù)據(jù)導入、實時監(jiān)測數(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)導入：數(shù)據(jù)導入功能是系統(tǒng)與其它系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換的接口，具有開放性的特點.

實時監(jiān)測數(shù)據(jù)采集：主要包括環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)和傳感器設(shè)備信息等，對這些數(shù)據(jù)進行采集是系統(tǒng)實現(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、再現(xiàn)和趨勢分析等數(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)過程中產(chǎn)生的實時信息（包括安全信息、設(shè)備狀態(tài)等）的查詢、統(tǒng)計和分析，輸出各種統(tǒng)計分析報表，實時查詢各種設(shè)備的狀態(tài)，發(fā)布報警信息等.

2）數(shù)據(jù)存儲和管理層

數(shù)據(jù)存儲層向數(shù)據(jù)存取層提供的接口是由定長頁面組成的系統(tǒng)緩沖區(qū).關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)利用系統(tǒng)緩沖區(qū)緩存數(shù)據(jù)，當數(shù)據(jù)存取層需要讀取數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)存儲子系統(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先出算法（FIFO）、LRU等，查找算法用來確定所請求的頁面是否在內(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)用和信息資源進行整合，通過統(tǒng)一的訪問入口，實現(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、跨系統(tǒng)平臺的無縫接入和集成；提供一個支持信息訪問、傳遞、以及協(xié)作的集成化環(huán)境，實現(xiàn)個性化業(yè)務(wù)應(yīng)用的高效開發(fā)、集成、部署與管理；并根據(jù)每個用戶的特點、喜好和角色的不同，為特定用戶提供量身定做的訪問關(guān)鍵業(yè)務(wù)信息的安全通道和個性化應(yīng)用界面，使用戶可以瀏覽到相互關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)，進行相關(guān)的事務(wù)處理.

4）三維可視化與仿真監(jiān)測模塊

①虛擬海洋環(huán)境場景

利用虛擬現(xiàn)實、并行計算和可視化等相關(guān)技術(shù)來仿真和模擬海洋現(xiàn)象的時空分布與運動.主要包含?？战！⒑１斫?、海洋目標物實現(xiàn)、海洋水體建模和海底地形實時繪制等.

②海水環(huán)境狀態(tài)可視化

海洋環(huán)境場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)境場景的分布情況，目的是為專業(yè)人員進行相關(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甲烷氣體泄漏過程的水下可視化

甲烷氣體泄漏過程的可視化表達需要以海洋水體為載體，同時要將海床、海底地形、各類實體模型等融合在同一場景中.海底地形以水深為基準，考慮到漫游和瀏覽的需要，可不考慮真光層深度.為了強調(diào)甲烷氣體泄漏過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動軌跡及其與海水的動態(tài)交互過程，以此表達甲烷氣體泄漏過程的分布特征.

④甲烷氣體泄漏的水上可視化

為了增強演示效果來取得最佳的可視化場景展示，采用超現(xiàn)實的方法，利用虛擬手段來模擬甲烷氣體泄漏過程.

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，將水合物儲存區(qū)及海底地層視為一個系統(tǒng)，針對其平面失穩(wěn)問題建立力學模型，運用勢函數(shù)突變模型建立海底塌方、海底滑坡模擬算法，并進行海底塌方、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是由中國自主建設(shè)、獨立運行，并與世界其它衛(wèi)星導航系統(tǒng)兼容共用的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng).BDS的主要功能有：定位、測速、單雙向授時、短報文通信；服務(wù)區(qū)域：中國及部分亞太地區(qū)；定位精度：優(yōu)于10m；測速精度：優(yōu)于0.2m/s；授時精度：50 ns（雙向10 ns）；短報文通信容量：120個漢字/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)星無線電測定業(yè)務(wù)（RDSS）和衛(wèi)星無線電導航業(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，還具有短報文通信和位置報告服務(wù)的RDSS功能[6].所謂RNSS與RDSS集成概念，是在衛(wèi)星導航系統(tǒng)的衛(wèi)星和運控系統(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，自主完成連續(xù)定位、測定任務(wù)，又可根據(jù)需要進行RDSS方式的位置報告，以及用戶跟蹤識別和短報文通信，在用戶終端實現(xiàn)RNSS和RDSS的雙模集成和國外GPS、GLONASS的應(yīng)用集成.

BDS對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）上同時安排RDSS載荷和RNSS載荷，地面控制系統(tǒng)具有RNSS與RDSS信號及信息處理和運行控制能力；2）RNSS與RDSS的導航體制和信號格式統(tǒng)一在同一時間系統(tǒng)內(nèi)；3）GEO衛(wèi)星的RDSS出站信號和RNSS導航信號既可用于用戶自主導航，又可用于位置報告和通信服務(wù)，即S頻段信號可用于RNSS（所謂無源）定位，RNSS的L頻段信號可用于通信服務(wù)；4）地面運控系統(tǒng)RDSS業(yè)務(wù)具有用戶通信隨機接入能力，可以處理短促突發(fā)信號，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現(xiàn)位置報告，又可以不攜帶用戶位置進行信息交換，由RDSS直接從應(yīng)答信號中處理出用戶位置坐標，實現(xiàn)“無信息”傳輸?shù)奈恢脠蟾?

在NGH開采環(huán)境監(jiān)測與評估系統(tǒng)中，利用BDS通信的大致流程為：通過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、單點海流計、多普勒流速剖面儀等傳感器；以及海面上浮標搭載的甲烷傳感器、二氧化碳傳感器等裝置在各時間點監(jiān)測的數(shù)值變化，通過信號采集模塊集中傳輸?shù)介_采平臺控制端，開采平臺控制端利用BDS的短報文通信功能，將信號傳輸?shù)降孛婵刂贫?，地面控制端進而把信號發(fā)送給用戶終端并對信號進行解碼，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)中的功能實現(xiàn)

3.1 客戶端功能實現(xiàn)

1）開采區(qū)多維空間可視化展示

以動態(tài)實時仿真模擬的方式構(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景，實現(xiàn)對多維空間的可視化展示.對可燃冰開采相關(guān)環(huán)境監(jiān)測和安全應(yīng)急輔助設(shè)備等進行高精度建模，并將其置于動態(tài)的多維空間場景中，支持全局光照、精細化的物理著色渲染以及超高面數(shù)的仿真模型渲染，實現(xiàn)細膩逼真的高精度畫質(zhì)渲染，對可燃冰開采區(qū)多維空間實現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)可視化仿真展示，具有空間瀏覽切換和場景漫游等功能.

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

整合多種海洋信息資源，通過布設(shè)的海底地形監(jiān)測設(shè)備、氣體滲漏監(jiān)測設(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，綜合運用大數(shù)據(jù)處理、智能化分析和信息化等技術(shù)，實現(xiàn)對可燃冰工作區(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)的立體感知和實時動態(tài)監(jiān)測，重點對海流速度、海溫、鹽度、壓力（海床和井下）、甲烷含量（海水和大氣）等環(huán)境要素進行三維直觀展示和交互式表達、再現(xiàn)和趨勢分析，實現(xiàn)多源環(huán)境數(shù)據(jù)接入動態(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)安全預警與評估

基于布設(shè)相關(guān)傳感器對開采區(qū)溫度、壓力、甲烷濃度及海底穩(wěn)定性參數(shù)的實時監(jiān)測數(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)實仿真技術(shù)，綜合利用傳感器現(xiàn)場實時采集數(shù)據(jù)、海洋地理信息、三維空間分析信息等，通過現(xiàn)場全景再現(xiàn)、現(xiàn)場三維重現(xiàn)等方式，對可燃冰開采過程中可能出現(xiàn)的甲烷泄漏事故、海底滑坡事故等實時災(zāi)害快速模擬展示，為實現(xiàn)快速科學應(yīng)急指揮、災(zāi)害救援和預案快速實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

利用BDS的短報文功能，BDS的RDSS模式下的短報文功能單次報文容量最大為300 B，報文頻度為1m in/次，RDSS模式具備的定位加雙向短報文的特點以及性價比高、安全可靠等優(yōu)點是本設(shè)計選擇BDS的原因，但RDSS模式下報文容量有限，所以需要合理地設(shè)計通信協(xié)議，在不超出容量的同時，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，制定了一套簡易的短報文傳輸協(xié)議，如表1所示.

4 BDS在系統(tǒng)中的實際應(yīng)用

NGH開采環(huán)境監(jiān)測與評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#語言編寫的能與BDS地面控制部分進行直接通信的三維可視化軟件.

通過BDS傳輸?shù)膫鞲衅鞅O(jiān)測數(shù)據(jù)可以展示在用戶界面上，在用戶端中，各時間點傳感器數(shù)據(jù)可以實現(xiàn)對大氣、海水、海床、井下四個層面的實時監(jiān)控.通過對甲烷和二氧化碳含量的實時監(jiān)測，如圖7所示，對甲烷和二氧化碳的監(jiān)測狀態(tài)進行預警分析，及時監(jiān)測異常狀態(tài)，以防氣體滲漏造成環(huán)境污染，這說明BDS在NGH開采環(huán)境監(jiān)測與評估系統(tǒng)設(shè)計中的應(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)測曲線圖

5 結(jié)束語

本文基于BDS通信設(shè)計的NGH開采環(huán)境監(jiān)測與評估系統(tǒng)實現(xiàn)了對可燃冰開采環(huán)境風險的監(jiān)測與評估，利用BDS的短報文通信功能，實時監(jiān)測各時間點的傳感器數(shù)值變化，對開采環(huán)境進行了風險評估和分析，提高了水下NGH開采的安全性.通過布置傳感器，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，分析開采可燃冰對環(huán)境的影響，建立開采環(huán)境監(jiān)測與評估可視化系統(tǒng)，對可燃冰開采過程的安全評價具有重要的理論和現(xiàn)實意義.