基于COFDM技術(shù)的海洋平臺(tái)遠(yuǎn)程維修系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

鄧忠彬 唐明軍 關(guān)雙會(huì)

(中海油能源發(fā)展股份有限公司油建渤海裝備分公司 天津)

基于COFDM技術(shù)的海洋平臺(tái)遠(yuǎn)程維修系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

鄧忠彬 唐明軍 關(guān)雙會(huì)

(中海油能源發(fā)展股份有限公司油建渤海裝備分公司 天津)

文章介紹了基于COFDM技術(shù)的海洋平臺(tái)遠(yuǎn)程維修系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理。海洋平臺(tái)遠(yuǎn)程維修系統(tǒng)是從實(shí)際維修出發(fā),綜合考慮海洋石油行業(yè)特點(diǎn)開發(fā)出的全新的無線高清晰度數(shù)字圖像網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)。當(dāng)海上平臺(tái)設(shè)備發(fā)生故障時(shí),現(xiàn)場(chǎng)人員能在短時(shí)間內(nèi)架設(shè)一套系統(tǒng),并攜帶便攜式音視頻設(shè)備到設(shè)備現(xiàn)場(chǎng),將設(shè)備情況發(fā)送到網(wǎng)絡(luò),通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)專家與現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程視頻和對(duì)講,指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)和設(shè)備維修。海洋平臺(tái)遠(yuǎn)程維修系統(tǒng)的研發(fā)成功為渤海地區(qū)油田海上平臺(tái)設(shè)備遠(yuǎn)程維修提供了較好的范例。

遠(yuǎn)程維修;防爆便攜式攝像儀;音視頻接收主機(jī);遠(yuǎn)程指揮終端;COFDM

0 引 言

在海洋平臺(tái)上,當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時(shí),現(xiàn)場(chǎng)工作人員需要立即找出故障位置,制定維修方案,進(jìn)行設(shè)備搶修。復(fù)雜的故障僅靠現(xiàn)場(chǎng)人員往往難以解決,需要有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)專家趕赴現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行故障診斷維修,有時(shí)還需要多個(gè)領(lǐng)域的專家協(xié)同工作。由于井場(chǎng)位置偏僻,特別是海洋平臺(tái),等待專家趕到現(xiàn)場(chǎng)往往費(fèi)時(shí)費(fèi)力、耽誤生產(chǎn)。

為了滿足海上平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)維修的需要,急需研制一套能指導(dǎo)海上設(shè)備維修的輔助維修系統(tǒng)用于平臺(tái)設(shè)備輔助維修。

海洋平臺(tái)遠(yuǎn)程維修系統(tǒng)就是專門為海上石油平臺(tái)設(shè)備遠(yuǎn)程維修設(shè)計(jì)的一套無線移動(dòng)高清數(shù)字聲像傳輸系統(tǒng)。能通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)專家與現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程視頻和對(duì)講,指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)和設(shè)備維修。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,操作方便,采用無線連接,便攜式設(shè)計(jì),特別適合海上油田現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)程維修使用。

海洋平臺(tái)遠(yuǎn)程維修系統(tǒng)主要由四個(gè)部分組成:便攜式防爆攝像儀、無線音視頻發(fā)射主機(jī)、音視頻接收主機(jī)、遠(yuǎn)程專家指揮終端。

1 理論基礎(chǔ)

海上平臺(tái)遠(yuǎn)程維修系統(tǒng)的核心技術(shù)是COFDM調(diào)制技術(shù)和MPEG2圖像編解碼技術(shù)。其中COFDM技術(shù)又是核心中的關(guān)鍵技術(shù)。

1.1 COFDM調(diào)制技術(shù)基本原理

COFDM(codedorthogonalfrequencydivision multiplexing)即編碼正交頻分復(fù)用的簡(jiǎn)稱,是一種多載波數(shù)字通信發(fā)射技術(shù),是目前世界最先進(jìn)和最具發(fā)展?jié)摿Φ男盘?hào)調(diào)制技術(shù)[1]。

COFDM調(diào)制技術(shù)(編碼正交頻分復(fù)用技術(shù))的基本原理就是將高速數(shù)據(jù)流通過串并轉(zhuǎn)換,分配到傳輸速率較低的若干子信道中進(jìn)行傳輸。編碼是指信道編碼采用編碼率可變的卷積編碼方式,以適應(yīng)不同重要性數(shù)據(jù)的保護(hù)要求。

COFDM是在無線環(huán)境下的高速傳輸技術(shù)。無線信道的頻譜響應(yīng)曲線大多是非平坦的,而COFDM技術(shù)的主要思想就是在頻域內(nèi)將給定信道分成許多正交子信道,在每個(gè)子信道上使用一個(gè)子載波進(jìn)行調(diào)制,并且各子載波并行傳輸。這樣,盡管總的信道是非平坦的,具有頻率選擇性,但是每個(gè)子信道是相對(duì)平坦的,在每個(gè)子信道上進(jìn)行的是窄帶傳輸,信號(hào)帶寬小于信道的相應(yīng)帶寬,因此就可以大大消除信號(hào)波形間的干擾。由于在COFDM系統(tǒng)中各個(gè)子信道的載波相互正交,它們的頻譜是相互重疊的,這樣不但減小了子載波間的相互干擾,同時(shí)又提高了頻譜利用率。

1.2 COFDM技術(shù)應(yīng)用于無線移動(dòng)圖像傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)

COFDM技術(shù)增強(qiáng)了抗頻率選擇性衰落和抗窄帶干擾的能力。在單載波系統(tǒng)中,單個(gè)衰落或者干擾可能導(dǎo)致整個(gè)鏈路不可用,但在多載波的COFDM系統(tǒng)中,只會(huì)有一小部分載波受影響。此外,糾錯(cuò)碼的使用還可以幫助其恢復(fù)一些載波上的信息。通過合理地挑選子載波位置,可以使COFDM的頻譜波形保持平坦,同時(shí)保證了各載波之間的正交。因此,COFDM系統(tǒng)具有良好的抗多徑干擾能力.在多載波的OFDM系統(tǒng)中,通過子載波的聯(lián)合編碼,達(dá)到了子信道間的頻率分集的作用,解決了常規(guī)系統(tǒng)中的多徑干擾問題,由于具有良好的抗多徑干擾能力,可支持非視距傳輸(NLOS),系統(tǒng)可以在城市、海洋平臺(tái)等地形復(fù)雜的環(huán)境下正常工作[2]。

1.3 基本結(jié)構(gòu)

為了滿足海上設(shè)備維修使用要求,我們?cè)谶h(yuǎn)程維修系統(tǒng)的音視頻編碼和無線傳輸設(shè)計(jì)上采用了無線數(shù)字聲音、圖像傳輸COFDM技術(shù)。利用COFDM技術(shù)真正實(shí)現(xiàn)了高速數(shù)據(jù)流“有阻擋非通視和高速移動(dòng)條件下”的寬帶高速傳輸。其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 音視頻發(fā)射、接收的基本結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 便攜式防爆攝像機(jī)設(shè)計(jì)

便攜式防爆攝像機(jī)要滿足海上平臺(tái)的使用要求。必須具備可變焦控制功能、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)視功能,具有防爆能力。攝像機(jī)和無線傳輸模塊封裝在防爆外殼內(nèi),外部具備變焦按鈕便于控制攝像機(jī)變焦操作,以便更加仔細(xì)地觀察設(shè)備情況。技術(shù)特點(diǎn)如下:

1)防爆等級(jí):ExdⅡCT4;

2)防護(hù)等級(jí):IP68;

3)10倍光學(xué)變焦

2.2 音視頻發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)

2.2.1 硬件設(shè)計(jì)原理

系統(tǒng)硬件采用先進(jìn)的MPEG-2音視頻編解碼技術(shù)和COFDM編碼正交頻分復(fù)用技術(shù),加強(qiáng)了抗動(dòng)態(tài)多徑干擾能力,同時(shí)由于采用了UHF頻段,使得系統(tǒng)具有了很好的繞射能力,在海洋平臺(tái)上即使有房屋的阻擋,也可以經(jīng)過繞射,將聲音、圖像傳回到平臺(tái)辦公室,通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街笓]中心。音視頻發(fā)射機(jī)硬件設(shè)計(jì)原理如圖2所示。

2.2.2 技術(shù)特點(diǎn)

1)多頻段直接變頻技術(shù):150 MHz～900 MHz;

2)多帶寬COFDM調(diào)制技術(shù):8 MHz、4 MHz、2 MHz;

3)多模式視頻壓縮:MPGE4兼容MPEG2;

4)高接收門限電平:靈敏度-103 dBm;

5)高質(zhì)量視頻質(zhì)量:無馬賽克,保存最后一幀好圖;支持高速移動(dòng)傳輸。

圖2 音視頻發(fā)射機(jī)硬件設(shè)計(jì)原理

2.3 音視頻接收主機(jī)設(shè)計(jì)

2.3.1 硬件設(shè)計(jì)原理

音視頻接收主機(jī)由音視頻接收部分和網(wǎng)絡(luò)編碼器部分組成。主要完成音視頻接收任務(wù)并進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編碼。無線音視頻接收機(jī)設(shè)計(jì)原理如圖3所示。

2.3.2 音視頻接收主機(jī)的特點(diǎn)

1)圖像高解析度,352×288(MPEG4),25幀/s;2)圖像語音傳輸所需總帶寬64 kbps～1 200 kbps可調(diào);

圖3 無線音視頻接收機(jī)設(shè)計(jì)原理

3)音頻傳輸可實(shí)現(xiàn)平臺(tái)與總公司中心控制室語音通訊;

4)可全程錄像,隨時(shí)查詢錄像資料;

5)視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn):MPEG-2;

6)視頻速率:25幀/s;

7)接收靈敏度:-106 dBm。

2.3.3 音視頻編解碼設(shè)計(jì)

海上平臺(tái)遠(yuǎn)程維修系統(tǒng)音視頻部分以MSP430F149單片機(jī)為核心處理器,采用TI公司TMS320DM642專用圖像處理芯片進(jìn)行音視頻編解碼[3]。

OFDM調(diào)制解調(diào)過程可用IFFT和FFT來實(shí)現(xiàn),而在傅氏運(yùn)算方面DSP的優(yōu)勢(shì)遠(yuǎn)超MCU,故選擇TMS320DM642作為數(shù)據(jù)泵實(shí)現(xiàn)各種算法,并充分利用它提供的硬件資源來實(shí)現(xiàn)高性價(jià)比的數(shù)字PLC通信模塊。

圖像采集單元結(jié)構(gòu)圖如圖4所示,采用PHILIPS公司的第二代實(shí)時(shí)MPEG-2編碼芯片SAA6752將模擬音視頻信號(hào)數(shù)字化并以MPEG2格式進(jìn)行壓縮,以TMS320DM642為核心處理器進(jìn)行COFDM調(diào)制,調(diào)制后的數(shù)字信號(hào)在無線編碼調(diào)制后經(jīng)天線發(fā)射到空中。

圖4 音視頻編碼調(diào)制

視頻解碼部分結(jié)構(gòu)如圖5所示。由全向天線接收空中無線信號(hào),經(jīng)無線編碼解調(diào),數(shù)字信號(hào)經(jīng)過TMS320DM642進(jìn)行COFDM解碼,然后由LSI Logic公司的MPEG-2單片AV解碼器L64021將壓縮的MPEG2音視頻流變換成模擬信號(hào),由視頻輸出和音頻輸出口輸出高清晰音視頻。

圖5 音視頻解調(diào)與解碼

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 指揮終端軟件設(shè)計(jì)要求

遠(yuǎn)程指揮終端是遠(yuǎn)在陸地的與平臺(tái)能聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)控計(jì)算機(jī)。打開瀏覽器,輸入多功能接收機(jī)的IP地址,等待下載安裝控件后,即可進(jìn)入登錄窗口。在瀏覽器中出現(xiàn)的登錄窗口輸入合法的用戶名、密碼,即可進(jìn)入遠(yuǎn)程指揮終端軟件界面。

3.2 軟件平臺(tái)具備功能

1)具備WEB SERVER功能,可通過瀏覽器訪問。2)支持語音雙向?qū)χv。

3)支持多區(qū)域移動(dòng)偵測(cè)。

4)支持TCP/IP協(xié)議。

5)可通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)置參數(shù)、實(shí)時(shí)瀏覽任何一路或多路的視頻和音頻信號(hào)。

6)可通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)記錄壓縮碼流。

3.3 軟件傳輸模塊實(shí)現(xiàn)

軟件傳輸模塊由三個(gè)部分組成:1)DSP的主體控制程序設(shè)計(jì)包括TCM編譯碼程序編寫等;2)RS編譯碼的IP核實(shí)現(xiàn);3)CPLD的控制程序編寫。而整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵是DSP程序的編寫。因?yàn)槌薘S編碼以外,幾乎其他所有的算法都是在DSP內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的。因此,結(jié)合DSP本身的性能,周密計(jì)劃代碼的執(zhí)行效率和執(zhí)行時(shí)間,將直接關(guān)系到系統(tǒng)是否穩(wěn)定以及是否可以實(shí)現(xiàn)。

在集成開發(fā)環(huán)境CCS(Code Composer Studio)下,選擇了C語言和匯編語言的混合編程模式。一般的判斷、控制程序方向的部分用C編寫,而把計(jì)算量很大的算法實(shí)現(xiàn),用匯編語言做成函數(shù),在需要執(zhí)行時(shí),用C語言去調(diào)用完成。這樣處理的好處是計(jì)算量大的算法部分可以做到免維護(hù),需要維護(hù)的部分都是用C語言完成的。傳輸調(diào)制部分的程序流程如圖6所示。

圖6 傳輸調(diào)制部分軟件流程圖

4 結(jié)束語

海洋平臺(tái)遠(yuǎn)程視頻輔助維修系統(tǒng)現(xiàn)已投入現(xiàn)場(chǎng)使用。實(shí)際使用效果非常好。通過遠(yuǎn)程視頻和對(duì)講專家能實(shí)時(shí)參與和指導(dǎo)設(shè)備維修,節(jié)約了大量的人力和物力。該系統(tǒng)的研制成功,標(biāo)志著中海油海洋平臺(tái)的設(shè)備維修工作從簡(jiǎn)單的現(xiàn)場(chǎng)維修正向遠(yuǎn)程維修服務(wù)過渡。為今后海上設(shè)備維修建立了新的維保模式。

[1] Zou William,Wu Yiyan.COFDM:an overview[J].IEEE Transaction on Broadcasting,1995,41(1)

[2] 姜 昊,凌志浩.基于音/視頻信息的無線通信裝置設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[A].上海市化學(xué)化工學(xué)會(huì)2006年度學(xué)術(shù)年會(huì)論文摘要集[C].2006

[3] 鄭仁富,劉 杰,黃碧麗.基于DM642的SAA7113H視頻采集模塊的設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2009,43(2)

PI,2011,25(1):57～59

This article introduces the design principle of the offshore platform remote supporting maintenance system based on COFDM.Staring from the actual maintenance,and based on the characteristics of the marine petroleum industry the new wireless and high-resolution digital image transmission network system is developed.When the equipment of the offshore platform breaks downs,the field staff can set up the system in a short time,and bring the portable audio and video equipment to the working site.The situation will be sent to the network device.Through the network for live remote video and intercom,experts are able to guide the field operations and equipment maintenance.The offshore platform remote video supporting maintenance system for the Bohai oilfield,provides a very good example for the remote maintenance.

Key words:remote maintenance,the portable explosion camera,audio and video receiving host,remote Command Terminal,COFDM

Design of offshore platform remote maintenance system based on COFDM.

Deng Zhongbin,Tang Mingjun and Guan Shuanghui.

TE5

B

1004-9134(2011)01-0057-03

鄧忠彬,男,1968年生,中海油能源發(fā)展油建渤海裝備分公司儀表首席工程師,1989年畢業(yè)于河北承德石油高等技術(shù)專科學(xué)校計(jì)算機(jī)及應(yīng)用專業(yè),現(xiàn)從事海洋鉆修機(jī)設(shè)備的設(shè)計(jì)及管理工作。郵編:300452

2010-08-28編輯:高紅霞)