無線傳感器網絡在水下防噴器控制系統中的應用

高肇凌，郭雪，陳艷東，劉立兵，蘇尚文，許宏奇

(河北華北石油榮盛機械制造有限公司，河北 任丘 062552)

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無線傳感器網絡在水下防噴器控制系統中的應用

高肇凌，郭雪，陳艷東，劉立兵，蘇尚文，許宏奇

(河北華北石油榮盛機械制造有限公司，河北 任丘 062552)

摘要：針對海洋上逃生、救援、作業及其困難的問題，水下防噴器及控制系統的可靠性、安全性尤為重要。把無線傳感器網絡應用到水下防噴器控制系統，提出了一種能量有效無線傳感器網絡通信算法，使各控制終端之間采用一種自組網、多路徑傳輸的形式，在原通信組網方式的基礎上進一步增加系統的可靠性和安全性。

關鍵詞：水下防噴器無線傳感器網絡控制系統

隨著陸地石油資源不斷開發后的日漸枯竭，石油開發已經逐漸從陸地轉向海洋，國家在“十二五”計劃中已經把南海石油開發確定為國家戰略，海洋鉆井裝備技術水平直接影響著油氣勘探開發的步伐[1]，而在深水中的作業、救援、逃生又極其困難，海洋鉆井裝備的可靠性與安全性面臨著極大的挑戰[2-6]。筆者將無線傳感器網絡技術應用到水下防噴器控制系統中，并提出了一種多能量有效多跳路由算法，提高了整個控制系統的可靠性和安全性。

1水下防噴器控制系統

水下防噴器控制系統是保障海洋鉆井安全的重要設備，一般由司鉆面板、隊長面板、中央控制單元、分流器控制面板、數據服務器、通信配電盤等部件組成[7 ]，如圖1所示。通信系統有基于Profibus現場總線形式的，也有基于工業以太網形式的，而工業以太網又分為環形、星形、雙冗余環形或星形組網結構。盡管這些組網方式考慮了一定的網絡通信的安全性，但是仍然存在網絡斷路、核心網絡節點失效的問題，可能造成整個水下防噴器控制系統的失控。

2無線傳感器網絡

現代信息技術的三大基礎是傳感器技術、通信技術、計算機技術，分別完成對信息的采集、傳輸和處理[8-9 ]。傳感器網絡將三種技術結合在一起，從而實現信息的采集、傳輸和處理的真正統一。無線傳感器網絡獨特的多跳組網形式，網絡系統的健壯性、可靠性恰好能夠解決有線網絡通信的不足[10]。

無線傳感器網絡由多個傳感器節點組成，采用無線、多跳的形式在網絡節點之間傳輸信息。然而由于傳感器網絡的一些特性，例如傳感器節點能量有限、節點容易死亡等，在設計無線傳感器網絡的時候也遇到很多困難和挑戰，路由協議的設計就是其中很重要的一部分[11-14]。

圖1　水下防噴器控制系統組成示意

筆者針對水下防噴器控制系統有線通信方式存在的風險，考慮在有線通信的基礎上應用無線傳感器網絡系統增加系統通信的安全性，延長系統的可靠運行時間，并且設計了一種能量有效路由算法應用在無線傳感器網絡中。能量有效路由算法能夠在源節點與目標節點之間建立多條信息傳輸路徑，并且能夠計算每條路徑的剩余能量，當被選擇作為傳輸信息路徑中的任意1個節點能量消耗過多時，算法將自動選擇其他路徑進行信息傳輸。能量有效路由算法的目標是在保持多路徑路由算法的優點下延長無線傳感器網絡的生存時間[15]。

2.1多路徑路由算法

無線傳感器網絡中采用多路徑路由主要有三方面原因[16 ]： 增加網絡的彈性，平衡網絡負擔；提高網絡的吞吐量(原因是移動的網關節點會導致網絡拓撲結構的頻繁改變，單路徑路由很容易失敗，大量包的丟失將會降低吞吐量)；網絡負擔額的平均分配。筆者提出了一種啟發性的路由算法，可以提高網絡的吞吐量，并且最大可能地延長網絡的生存時間。

筆者提出的路由協議屬于一個初始于目的端的路由協議，即由移動的網關節點來分別初始路由請求和保持路由。由網關節點以泛宏的方式把“興趣”直接發送到源端。在發送興趣之前，需要把路徑代價和網絡負擔的值設為零。每個中繼節點只把他們接收到的興趣發送給自己的鄰居節點(當多條路徑建立以后，可選擇一些互不相連的路徑)，那么這個興趣被計算并且被加到整個路徑的代價中去。因此，如果把興趣從點i發送到點j，那么點j就通過以下公式計算代價：

(1)

(2)

如果在每個包被路由之后則信息被更新，那么這個值就是描述包的尺寸。因此，每個節點的剩余能量就在每個路由信息更新前更新，從而更新鏈路代價。伴隨鏈路代價的更新，最短代價路徑被計算，包被這條路徑傳輸。

2) 如果選擇的最短代價路徑上的任何1個節點的剩余能量小于該節點上1個階段能量的50%的時候，就刪除這條路徑，并且標記這個點，那么其他的路徑就被選擇繼續傳輸能量，如此重復選擇，一直到再沒有到目的端的路徑被找到。

3) 更新各節點路由信息和剩余能量。

4) 返回到第一步。

2.2網絡生存時間的定義

對于無線傳感器網絡，最大化網絡生存時間是個很重要的問題，在單路徑路由中，網絡生存時間的定義一般以第1個節點的死亡為標準，然而這種定義方式并不適合多路徑路由。路由的目的是數據包的傳輸，但在多路徑理論中，由于存在多條路徑，1個節點的死亡可能并不影響數據包的傳輸。考慮到該因素，將網絡生存時間定義為首次不成功投遞數據包即網絡的最大生存時間，也就是說首次網絡拓撲結構的失敗定義為網絡的生存時間。

節點i生存時間的定義為

(3)

整個網絡的生存時間為

(4)

式中： clj——多路徑的分支路徑，那么網絡的存活時間就是最后1條路徑中生存時間最短的傳感器節點的生存時間，所以最大化整個網絡生存時間可表示為

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網絡生存時間最優值的過程中，考慮到包丟失的問題，簡單假設傳輸能量可以使所有連接在接收器上都有同樣的信噪比(SNR)。在這樣給定的SNR下，設定p為信息包接收錯誤的可能性，則傳輸的平均值n必須大于傳輸數據包每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

對于給出的ν， γ，通過以下公式來解決該對偶問題：

(9)

源迭代公式為

(10)

(11)

用迭代算法解為

(12)

式中：α——步長，α>0。

速率和生存時間為

(13)

3仿真實現

在仿真環境中，設定25個節點和1個移動接收器。節點的初始能量為100，源節點每秒都發出能量。每發出1個信息包相當于5個能量單元。所有的節點和1個移動接收器在300×300單位距離的區域中自由分布，節點在接收到有用的數據時發出數據。因此，每個傳感器也就相當于1個源節點。

500s的時間內通過Matlab仿真對比了本文提出的無線傳感器網絡能量有效路由算法(HMR)和能量平衡路由算法(PBMR)[18]。仿真結果顯示PBMR算法使網絡拓撲過早失敗造成大量的網絡信息包丟失，大幅縮短了網絡壽命。如圖2所示，與PBMR算法相比，本文算法能夠更平均地消耗網絡各節點的能量，彌補能量平衡路由算法的不足，從而改善傳感器網絡性能，延長了網絡壽命。

圖2　網絡生存時間

4結束語

在海上平臺環境，當水上平臺有線通信網絡在通信設備損壞、通信鏈路斷路、關鍵節點設備故障死機失效的情況下，整個控制系統失去了對水下防噴器的控制，一旦出現失控情況，恢復時間會非常慢，給水下防噴器控制系統帶來極大的風險。

通過無線傳感器網絡組網方式在有線通信失效的情況下，仍然能保證對控制系統的實時控制，同時通過本文提出的能量有效路由算法，可以使布置的傳感器節點能夠較為平均地分配網絡負擔，避免了個別關鍵節點網絡負擔過大產生的設備損壞，從而大幅提高了整個控制系統的可靠性和安全性。

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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

基金項目：國家863計劃項目“深水防噴器組及控制系統工程化研制”(2013AA09A220)；國家科技重大專項“深水鉆井防噴器及控制系統研制”(2011ZX05027-001-05)。

作者簡介：高肇凌(1981—)，2008年畢業于燕山大學模式識別與智能系統專業，獲碩士學位，現就職于河北華北石油榮盛機械制造有限公司，主要從事石油裝備自動化、控制產品的研制工作，任工程師。

中圖分類號：TP273

文獻標志碼：B

文章編號：1007-7324(2016)02-0025-04

稿件收到日期： 2015-12-08。