面向海工裝備智能化的海洋異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

付振華，李杰，季飛，余華

（1. 廣東省國(guó)土資源測(cè)繪院，廣東 廣州 510500；2. 華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院，廣東 廣州 510641）

1 引言

隨著人類海洋活動(dòng)的加強(qiáng)，海洋工程正從淺水裝備和海洋工程輔助船建造向深海裝備進(jìn)軍。例如在海洋油氣資源開采工程方面，淺海所發(fā)現(xiàn)的油田往往比較小，油氣資源容易枯竭，而深海和超深海的油氣資源可以進(jìn)行長(zhǎng)期可持續(xù)開采。而據(jù)中國(guó)海洋工程裝備網(wǎng)統(tǒng)計(jì)，未來十年全球海上鉆井平臺(tái)總需求量為702座，其中深海鉆井平臺(tái)450座，占比64.1%。同時(shí)，全球有超過110座淺海半潛式鉆井平臺(tái)即將退役。深海資源開采工程平臺(tái)的快速發(fā)展，對(duì)海上及水下平臺(tái)作業(yè)安全監(jiān)控及環(huán)境監(jiān)測(cè)裝備技術(shù)提出了更高的要求，深海海洋工程裝備施工和作業(yè)的復(fù)雜性、危險(xiǎn)性，都急切地需要海洋工程裝備向智能化發(fā)展，即利用海洋信息化手段，實(shí)現(xiàn)裝備與平臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、分析成像以及智能管控[1-2]。

隨著海洋戰(zhàn)略的發(fā)展，近期國(guó)際局勢(shì)緊張，我國(guó)海上重要工程設(shè)施（如海洋油氣、鉆井平臺(tái)、跨海大橋、沿海核電、遠(yuǎn)海島礁、港口碼頭、水電大壩等），面臨的安全防護(hù)與警戒問題也越來越突出，特別是來自水下的安全威脅。這些安全威脅既包括海洋生物或異物的入侵，也包括有目的的軍事打擊。尤其是南海西沙群島附近的981座鉆井平臺(tái)，經(jīng)常無端受到周邊國(guó)家政府、民間極端組織的騷擾和破壞[3]，手段包括武裝船只、蛙人、小型航行器等。針對(duì)海上重要基礎(chǔ)設(shè)施的安全防護(hù)，迫切需要海洋信息化手段，實(shí)現(xiàn)海上重要基礎(chǔ)設(shè)施的實(shí)時(shí)探測(cè)、監(jiān)測(cè)與安全預(yù)警分析。

在“工業(yè)4.0”發(fā)展大背景下，發(fā)展海洋物聯(lián)網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)海洋工程裝備向智能化發(fā)展的基礎(chǔ)，發(fā)展海洋物聯(lián)網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)船舶與海洋工程裝備向智能化發(fā)展的基礎(chǔ)，也是實(shí)現(xiàn)海上重要基礎(chǔ)設(shè)施安全防護(hù)的重要手段，但目前海洋物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展主要存在以下3個(gè)挑戰(zhàn)[1-2]。

? 海洋信息傳輸必須通過非常特殊的海水介質(zhì)。海水介質(zhì)的隨機(jī)時(shí)—空變特性，尤其在特殊的海洋環(huán)境條件（海流、內(nèi)波、海浪、潮汐、海冰、臺(tái)風(fēng)等），給海洋信息傳輸提出了很高的技術(shù)要求。

? 海洋物聯(lián)網(wǎng)涵蓋海洋通信系統(tǒng)（基于無線電）和水下聲學(xué)網(wǎng)絡(luò)。但目前廣泛應(yīng)用的海洋通信系統(tǒng)（包括海上無線電通信、海洋衛(wèi)星通信和岸基移動(dòng)通信），只能基本滿足海事活動(dòng)的常規(guī)通信需求，并且通信系統(tǒng)各有特點(diǎn)，適應(yīng)于不同的場(chǎng)景，缺乏協(xié)同通信與異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)管理機(jī)制，并不能很好地支持海洋物聯(lián)網(wǎng)的需求。

? 水下聲學(xué)通信系統(tǒng)未得到廣泛商用，而且價(jià)格昂貴，水下監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的回傳與上傳，大部分仍依賴于有線（電纜或光纜）或定期回收。這些都嚴(yán)重制約了船舶與海洋工程裝備智能化發(fā)展的進(jìn)程。

針對(duì)海工裝備發(fā)展的需求和挑戰(zhàn)，本文提出了一種面向海工裝備智能化的海洋異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，并介紹了該架構(gòu)各主要組成模塊可實(shí)現(xiàn)的功能、關(guān)鍵技術(shù)和主要挑戰(zhàn)。

2 面向海工裝備智能化的海洋異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)

2.1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

面向海工裝備智能化的海洋異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)如圖1所示。海工裝備傳感器包括水上傳感器與水下傳感器。水下傳感器節(jié)點(diǎn)通過聲通信將信息傳送至海上中繼節(jié)點(diǎn)（如浮標(biāo)中繼節(jié)點(diǎn)、無人船中繼節(jié)點(diǎn)等），水上傳感器與海上中繼節(jié)點(diǎn)通過無線網(wǎng)橋、ZigBee、海上電臺(tái)等組成傳感子網(wǎng)，數(shù)據(jù)匯聚至作業(yè)母船（或海上作業(yè)平臺(tái)、島基等）上的傳感子網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。這類傳感子網(wǎng)可能有多個(gè)，如視頻監(jiān)控子網(wǎng)、環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)子網(wǎng)、設(shè)備狀態(tài)傳感子網(wǎng)等。一部分傳感數(shù)據(jù)會(huì)在本地進(jìn)行處理，另一部分傳感數(shù)據(jù)則需要通過互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)中的衛(wèi)星與岸基蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通道接入互聯(lián)網(wǎng)。

圖1 面向海工裝備智能化的海洋異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

海洋物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)接入的安全認(rèn)證、設(shè)備在線監(jiān)測(cè)的可視化、傳感數(shù)據(jù)分析、預(yù)警告警與故障診斷等。

2.2 主要功能模塊

2.2.1 水下傳感與通信模塊

水下傳感與通信模塊架構(gòu)如圖2所示，為了實(shí)現(xiàn)海工裝備水下監(jiān)測(cè)信息的匯聚與傳輸，網(wǎng)絡(luò)通過水面中繼節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)水下數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。水面中繼節(jié)點(diǎn)具備水聲通信和無線電通信的雙模式，并帶有GPS定位模塊，承擔(dān)跨介質(zhì)信息傳輸?shù)墓δ?。該中繼節(jié)點(diǎn)可以依附于海上浮標(biāo)、水上無人艇或作業(yè)母船等，面向水下，通過水聲通信信道收集水下傳感器的數(shù)據(jù)，面向水上無線電，通過ZigBee、Wi-Fi、無線網(wǎng)橋、海上電臺(tái)等方式接入船基傳感子網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)，然后再通過船基互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)接入海洋物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。

圖2 水下傳感與通信模塊架構(gòu)

水下信息傳輸與組網(wǎng)技術(shù)是該模塊的關(guān)鍵。由于電磁波在海水中衰減很快，聲波是目前唯一能在水下實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離無線傳輸?shù)妮d體，聲學(xué)通信在軍事領(lǐng)域已得到了廣泛應(yīng)用，在民用領(lǐng)域的應(yīng)用正逐年增加。但深海和淺海海洋聲信道的復(fù)雜性和時(shí)變性、水下操作困難等，使得水下節(jié)點(diǎn)的通信能力嚴(yán)重受限，主要的技術(shù)挑戰(zhàn)包括以下3種。

（1）區(qū)別于陸地?zé)o線通信，水聲信道的可用帶寬極其有限，因此傳輸速率也比較小，且隨著傳輸距離而變化。目前業(yè)界典型的商用水聲通信機(jī)的帶寬只能達(dá)到幾千赫茲，通信速率的量級(jí)僅為幾千比特每秒，而且可靠性難以保證[4]。

（2）水聲傳播速率慢，因此水聲鏈路時(shí)延大；水聲節(jié)點(diǎn)因海洋環(huán)境作用具有高動(dòng)態(tài)且容易出現(xiàn)故障或短暫失效，導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不穩(wěn)定，使得水聲網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚哂懈邉?dòng)態(tài)性；水下節(jié)點(diǎn)使用電池供電，能量資源嚴(yán)重受限，這些特點(diǎn)均對(duì)水聲網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計(jì)帶來了挑戰(zhàn)[5-6]。目前商用產(chǎn)品的水聲通信機(jī)最多提供網(wǎng)絡(luò)接口，需要第三方自行開發(fā)網(wǎng)絡(luò)功能。

（3）水聲通信還存在某些不能連通的區(qū)域，雖然水下的接收端處于通信范圍內(nèi)，聲線也有很大的可能不能到達(dá)，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)間通信失敗。

2.2.2 海上多源異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)通信模塊

海上多源異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)通信模塊架構(gòu)如圖3所示，為了實(shí)現(xiàn)海上通信的廣域覆蓋，目前廣泛應(yīng)用的海洋通信系統(tǒng)包括海洋衛(wèi)星通信以及岸基移動(dòng)通信[7-8]，其中岸基移動(dòng)通信覆蓋近海約30 km，中遠(yuǎn)海則采用衛(wèi)星通信。因此船級(jí)網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，這對(duì)網(wǎng)關(guān)功能提出較高要求：船基互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)需自動(dòng)根據(jù)當(dāng)前的具備通信網(wǎng)絡(luò)條件和設(shè)定的策略，選擇移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)或衛(wèi)星通信作為鏈路。由于不同的衛(wèi)星鏈路費(fèi)用會(huì)有較大的差異，網(wǎng)關(guān)需根據(jù)業(yè)務(wù)內(nèi)容和優(yōu)先級(jí)別，采用相應(yīng)的流量限制方式進(jìn)行通信成本控制，以性價(jià)比最高的方式將船上的數(shù)據(jù)接入海洋物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。該模塊還配備傳感子網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)，為本地傳感器網(wǎng)絡(luò)提供多模（支持ZigBee、Wi-Fi、3G/4G）無線通信組網(wǎng)方式。

圖3 海上多源異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)通信模塊架構(gòu)

智能網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)為該模塊的關(guān)鍵技術(shù)之一。智能網(wǎng)關(guān)為海洋傳感子網(wǎng)連接提供網(wǎng)絡(luò)通信、協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、邊緣計(jì)算、完整的RF和安全認(rèn)證，其主要的技術(shù)挑戰(zhàn)包括以下2種。

（1）由于海洋環(huán)境條件多變，無線通信手段會(huì)根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景采用不同的物理層協(xié)議，同時(shí)采集的信息量多樣，包括開關(guān)量信號(hào)、模擬量信號(hào)、連續(xù)波形、視頻信息等，造成采用的應(yīng)用層協(xié)議也有所不同。因此智能網(wǎng)關(guān)必須支持多種異構(gòu)物理鏈路（如Wi-Fi、ZigBee、Sub-1G等）互聯(lián)互通，同時(shí)也應(yīng)支持多種應(yīng)用層協(xié)議（如Modbus、ProFibus[9]、MQTT[10]、視頻協(xié)議等）的解析和信息轉(zhuǎn)換，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通。

（2）由于海洋物聯(lián)網(wǎng)連接的設(shè)備較多，而且通信網(wǎng)絡(luò)具有一定的不穩(wěn)定性，如果所有信息處理都交由云端后臺(tái)進(jìn)行處理，會(huì)加大云端資源的耗費(fèi)，且響應(yīng)不及時(shí)，不能滿足用戶某些特定要求快速處理的需求場(chǎng)景，因此智能網(wǎng)關(guān)必須具備邊緣計(jì)算能力以及部分?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)能力[11]，通過邊緣計(jì)算，許多控制將通過本地設(shè)備實(shí)現(xiàn)而無須交由云端，處理過程將在本地邊緣計(jì)算層完成。這無疑將大大提升處理效率，減輕云端的負(fù)荷。由于更加靠近用戶，還可為用戶提供更快的響應(yīng)，將需求在邊緣端解決。

2.2.3 海洋物聯(lián)網(wǎng)認(rèn)證與管理云平臺(tái)模塊

海工裝備監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)需通過互聯(lián)網(wǎng)接入海洋物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，處理滿足用戶各類需求。為了實(shí)現(xiàn)認(rèn)證計(jì)費(fèi)與安全接入，需部署寬帶認(rèn)證計(jì)費(fèi)接入網(wǎng)關(guān)，與船端衛(wèi)星網(wǎng)關(guān)配合，用于船端、人員、設(shè)備的安全認(rèn)證和接入控制，該模塊的架構(gòu)如圖4所示。平臺(tái)為海洋設(shè)備提供數(shù)據(jù)采集功能及終端設(shè)備安全接入功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)服務(wù)于海工裝備旋轉(zhuǎn)類機(jī)械的數(shù)據(jù)分析、故障診斷及可視化展示。平臺(tái)基本功能的實(shí)現(xiàn)需要可靠的海洋網(wǎng)絡(luò)通信支持，包括水面上的衛(wèi)星、移動(dòng)通信以及水下的水聲通信。但平臺(tái)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析能力將為選擇性價(jià)比更高的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和協(xié)議提供數(shù)據(jù)支撐。

圖4 海洋物聯(lián)網(wǎng)管理云平臺(tái)技術(shù)架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)管理云平臺(tái)在技術(shù)設(shè)計(jì)上，可基于當(dāng)前成熟可靠的云架構(gòu)（Spring Cloud）+后臺(tái)框架（Spring Boot）+前端框架（Angular/React）技術(shù)體系，打造一個(gè)完整和現(xiàn)代的Web應(yīng)用程序或微服務(wù)架構(gòu)。在該技術(shù)體系架構(gòu)下，基于Spring Boot框架的服務(wù)端，具備高性能和高可用的Java技術(shù)棧；基于Angular、React和Bootstrap的時(shí)尚、現(xiàn)代、移動(dòng)優(yōu)先的前端；基于SAAF Registry、Netflix OSS、ELK堆棧和Docker的強(qiáng)大的微服務(wù)架構(gòu)；使用Yeoman、Webpack和Maven/Gradle構(gòu)建應(yīng)用程序的強(qiáng)大工作流程。

2.3 應(yīng)用實(shí)踐

基于所述物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的應(yīng)用實(shí)踐如圖5所示。在調(diào)查船只的發(fā)動(dòng)機(jī)及淡水泵安裝了震動(dòng)傳感器（如圖5（b）、（c）所示），用來檢測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀況。傳感器配備無線通信功能，與船載傳感子網(wǎng)網(wǎng)關(guān)相連，然后通過海事衛(wèi)星將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳回陸地基站；陸地基站通過物聯(lián)網(wǎng)管理云平臺(tái)對(duì)遠(yuǎn)程的傳感器進(jìn)行管理和監(jiān)控（管理頁面如圖5（d）所示），包括設(shè)備連接情況、監(jiān)測(cè)預(yù)警情況等信息。該系統(tǒng)已平穩(wěn)運(yùn)行約半年時(shí)間，初步驗(yàn)證了所提出網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的有效性。

3 結(jié)束語

海工裝備環(huán)境與狀態(tài)監(jiān)控的研發(fā)是促進(jìn)海工裝備與平臺(tái)制造與使用自動(dòng)化智能化的重要支撐，未來海洋工程裝備將呈現(xiàn)水下裝備廣泛應(yīng)用的趨勢(shì)。本文提出的服務(wù)于海工平臺(tái)智能監(jiān)控的海洋物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)架構(gòu)，融合水聲、衛(wèi)星及其他海洋通信方式，可實(shí)現(xiàn)水下、水上裝備與平臺(tái)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的傳輸、數(shù)據(jù)接入的安全認(rèn)證、設(shè)備在線監(jiān)測(cè)的可視化、傳感數(shù)據(jù)分析、預(yù)警告警與故障診斷等。本文還討論了網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)所涉及模塊的關(guān)鍵技術(shù)，為未來基于該架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提供參考。