面向海洋平臺的無線低功耗冰激振動監測系統

慕昆+馬小雨+彭金柱

摘 要： 冰激振動對海洋平臺帶來了潛在的危害，對其進行實時監測對于海洋油氣的安全生產至關重要。振動加速度的值可以反映冰激振動的狀態。以海洋平臺的振動加速度為監測對象，基于MEMS加速度傳感器ADXL202、超低功耗單片機Atmega128L和無線射頻CC1000開發了低功耗無線冰激振動監測節點，使用最大最小值法對加速度傳感器進行標定，對加速度數據進行后臺存儲和三維可視化展示。在振動試驗平臺上進行實際振動監測實驗，從頻域角度證明了時域實驗數據的正確性。對節點的工作及休眠功耗進行測量，節點可以在2 A[?]h電池下工作兩年左右。

關鍵詞： 冰激振動； 加速度； 傳感器網絡； 無線射頻； 三維可視化； 實際振動監測

中圖分類號： TN876?34； TP3 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）01?0112?05

Abstract： The ice?induced vibration brings the potential hazards for offshore platform， so its real?time monitoring is vital to production safety of offshore oil and gas. The vibration acceleration can reflect the state of ice?induced vibration. Taking vibration acceleration of offshore platform as the monitoring object， a low?power consumption wireless monitoring node for ice?induced vibration was developed on the basis of MEMS acceleration sensor ADXL202， ultra?low power consumption microcontroller Atmega128L and radio frequency chip CC1000. The maximum?minimum value method is used to calibrate the acceleration sensor， and realize the background storage and 3D visualization display for the acceleration data. The practical vibration monitoring experiments were carried out on vibration test platform， which can verify the correctness of time?domain experiment data in the aspect of frequency domain. The working and sleeping power consumptions were measured. The node can work about two years by using the 2 A[?]h battery.

Keywords： ice?induced vibration； acceleration； sensor network； radio frequency； 3D visualization； practical vibration monitoring

0 引 言

渤海灣處于高緯度地區，導管架式鋼質海洋平臺是其目前油氣開發的主力平臺。由于冬季時海面結冰，海冰對海洋平臺存在著嚴重的破壞作用，嚴重阻礙了油氣生產安全。研究表明，海冰對海洋平臺影響最大的是海冰靜力推壓作用下的擠壓和冰激振動，其中冰激振動更是主要的焦點問題。

當海冰持續作用于柔性的鋼結構導管架平臺時，可引起平臺的振動，這就是所謂的冰激振動。當振動強烈時，將對平臺設施直接帶來危害。1977年的冰激振動就曾將四號油田的烽火臺導管架推倒。冰激振動不僅對海洋平臺有很大的影響，而且對管線安全也極其重要。由于海洋石油平臺的上部有傳輸管道，其內部流動著易燃易爆的原油和天然氣，持續不斷的冰激振動會使管道螺栓發生松動，將會導致高壓油氣泄露，容易發生爆炸和大火，對安全生產帶來了極大的挑戰。

對于冰激振動的物理根源[1]，Peyton等人認為振動來自于海冰本身的頻率特性，不受到受迫體結構的影響，這稱為受迫振動模型。而Blenkarn等人認為冰激振動屬于自激振動，振動依賴于冰與受迫體相對速度的函數，這稱為自激振動模型。Xu等人則認為這兩種模型各有一定的適用場景，在非“頻率鎖定”區，冰激振動以周期性激勵為主，此時可用受迫振動理論進行描述；而在“頻率鎖定”區，冰激振動以自激性為主，此時可用自激振動理論描述[2]。

無論冰激振動的根源是什么，對于冰激振動監測系統來說，只需要監測冰激振動的外在表象——加速度信息即可。了解了加速度信息，就可以對當前的冰激振動信息有一定的掌握，進而根據人的經驗進行人工維護，如進行人工破冰來消除振動。

圖1是Tsuchiya等人對冰激振動的頻率觀測結果。在冰速小于2 cm/s時，振動頻率并不大，而當冰速在2～6 cm/s時，此時結構的振動加速度基本保持在3～5 Hz之間。實際觀測發現：這種頻率鎖定現象是目前對海洋平臺最主要的挑戰，因為它可以連續保持10 min以上的時間，給結構帶來了很大的破壞力。因此，對冰激振動現象的監測重點是要預警頻率鎖定現象，重點監控5 Hz以下的振動信息。

要達到預警的效果，首先必須要大量地記錄數據，根據這些記錄數據挖掘出有意義的發生頻率鎖定現象的先兆。這顯然必須通過自動記錄系統來完成。endprint

對冰激振動加速度信息進行自動記錄已經很常見，他們基本都采用測量低頻的力平衡加速度傳感器來進行測量，但它們并沒有得到廣泛的使用。究其根源，主要原因如下：

1） 由于功耗較大，因此系統的取電存在著一定的困難。

2） 由于防爆的需要，傳感器及監控設備都需要進行隔爆，因此設備較為沉重。

3） 由于存在著布線的要求，因此給安裝固定也帶來了較大的麻煩。當然，目前軟件對冰激振動信息的顯示也不夠直觀，用戶界面不夠友好，這也影響了系統的推廣。

設計完全依靠電池供電的、本安輕便的、超低功耗的、信息顯示直觀的無線冰激振動監測系統，成為我國目前渤海灣的海上平臺的急迫需求。

1 硬件設計

1.1 節點硬件設計

硬件部分主要為設計加速度感知節點。節點的結構圖如圖2所示。

加速度感知節點由加速度感知、射頻傳輸、主處理器以及電源四部分組成。目前，常用的加速度傳感器主要有機械傳感器、MEMS加速度傳感器、壓電加速度傳感器、力平衡加速度傳感器、應變式加速度傳感器等，對于加速度傳感器的選擇方法，由于冰激振動加速度范圍為0～10 Hz，而這種低頻振動檢測一般都屬于弱信號檢測范疇，因此對加速度傳感器的低頻特性和靈敏度要求都比較高。

MEMS加速度傳感器具有較高的靈敏度、線性動態范圍和穩定性。此外，MEMS加速度傳感器體積小、功耗低，因此本系統采用MEMS傳感器作為低頻振動信號的傳感器。

ADXL202加速度傳感器可以測量兩軸加速度，正常工作時最大只有600 μA的電流，加速度測量范圍為[-19，19] m/s2，輸出非線性度只有滿量程的0.2%，感知敏感度為312 mV/g，這些技術指標完全可以滿足冰激振動測量的需要[3]。由于其優異的低功耗特性，非常適合于設計本安型加速度傳感器。

對于無線傳輸頻點的選擇需要仔細斟酌。由于海洋平臺是鋼架結構，對無線信號傳輸的不利影響很明顯，并且信號頻率越高，影響越顯著。相對于2.4 GHz無線信號，433 MHz無線信號繞射能力強，鋼架結構對其傳輸的影響并不明顯，非常適合海洋平臺的特點。但是2.4 GHz頻率的調制方式往往采用擴頻通信與QAM數字調制方式，而433 MHz往往采用BPSK或FSK調制方式，因此，2.4 GHz在抗干擾和數據傳輸率上的性能相對更好[4]。結合已有的技術積累、海洋平臺鋼架結構的特點，以及實際監測頻率的需要，最終選擇TI公司的CC1000芯片，并設置其工作頻率為433 MHz。

顯然，加速度感知節點必須要有一個處理器來控制加速度信息的采集與無線收發。由于整體低功耗的設計要求，因此，對于處理器的選擇異常重要。首先，由于對冰激振動信息的采集是間歇性的，因此處理器絕大部分時間都處于空閑狀態。低功耗、具有合適休眠模式的處理器將會極大降低節點的功耗，降低對電池供電能力的要求；其次，針對冰激振動監測系統，并不要求系統有強的計算能力和存儲容量，因此，一般的8位單片機即可滿足要求。通過比較，選擇Atmega128L單片機。

對電池的選擇也是需要仔細考慮的因素：一方面，大容量的電池可以直接提高節點的壽命；另一方面也要保證節點在高溫和振動環境下的安全性，考慮到海洋平臺的溫度和振動特點，最終選擇了卷繞式鉛酸電池。卷繞式鉛酸電池最早應用于坦克之類的軍事設施中，抗震動和沖擊力強是其最突出的特性，此外，它還具有非常好的高低溫性能，可在-55～75 ℃溫度范圍內穩定工作，非常適合本文的應用場合。

對于防爆殼的設計，雖然節點本身是本安的，但由于存在著電池，以及海洋平臺的鹽霧腐蝕問題，因此，采用了隔爆方式。

1.2 通信協議

為增強傳輸可靠性，降低報文的丟失率，采用單跳傳輸方式。由于無線之間傳輸的干擾，必須要采用一定的通信協議，MAC層采用CSMA/CA協議，即節點在準備發送傳感報文前，首先對信道進行監聽，當發現信道空閑時即進行發送，否則，隨機后退后再行偵聽[5]。由于應用拓撲非常簡單，無需進行任何路由，因此無需路由協議[6]。

接收節點需要將接收到的無線數據發送給PC機端，由于接收節點靠近PC機端，因此，采用以太網方式進行通信，并采用Socket標準接口以簡化PC端軟件的編程。

1.3 系統結構

根據應用需求，在海洋平臺的四個角分別安裝一個加速度監測節點，節點以固定的間隔進行加速度信息采樣，并將采樣信息發送給位于平臺中心的接收節點，接收節點具有網絡接口，最終連接到一臺PC機上，PC機上運行的軟件將這些數據記錄到后臺數據庫中，以三維可視化方式展示這些加速度數據，并且根據設計的報警閾值進行聲音報警。

2 可視化軟件設計

軟件系統采用Socket方式從網口獲取四個節點發送來的加速度傳感信息。首先將這些數據存儲到后臺數據庫中，以備今后查驗。隨后以可視化方式顯示加速度信息。

2.1 軟件開發環境

為了增強上位機軟件顯示效果的直觀性，基于VS2010，OpenScence?Graph（簡稱OSG）設計了三維振動效果的立體顯示。OSG使用OpenGL技術開發，其本質是一套基于C++平臺的應用程序接口（API），它使得程序員能夠快速、便捷地創建高性能、跨平臺的交互式圖形程序。

2.2 軟件設計

軟件的設計非常簡單，當接收到傳感器數據報文時，將根據報文中的傳感器節點編號，首先將其傳感數據保存到后臺數據庫中，其次，根據傳感數值的大小，變換成節點的振動振幅，在界面上實時直觀展示，數據通信流程如圖3所示。

3 實 驗

3.1 加速度傳感器的校準

由于器件參數的差異，ADXL202芯片在相同環境下所測得的加速度值有比較大的差異，此外，在實際生產過程中多種因素均會導致傳感器初始位置的差異，因此，必須要對加速度傳感器進行標定。文獻[7]介紹了一種較為簡單而且實用的標定方法，稱為最大最小值法。具體方法如下：endprint

1） 將PCB板懸掛起來，使得其[X]軸正向與重力加速度方向重合，測量[X]軸輸出值，然后緩慢調節PCB板的位置，當測量值達到最大值[Xmax]時，此時[X]軸正向與重力加速度方向相同，此時，[X]軸的加速度對應[1g]的輸出；

2） 同樣方法可以測量出[-1g]對應的輸出值，記為[Xmin。]

由于ADXL202具有較好的線性度，當加速度為0時，對應的測量值應為[Xmax+Xmin2，]而加速度為[g]時對應的測量值為[Xmax-Xmin2]。即得到了兩個點[0，Xmax+Xmin2，][g，Xmax-Xmin2]。由這兩點擬合出一條校準直線，以后每得到一個測量值代入該直線方程中，就可以獲得實際的加速度值。

基于同樣的原理，對[Y]軸也可以進行標定。標定后的參數可直接保存在Atmega128L芯片的內部E2PROM中。

3.2 振動測量實驗

在WS?Z30?50小型精密振動臺系統對節點進行實驗[8]。WS?Z30?50小型精密振動臺系統可以工作在水平工作方式下，并且可以產生加速度范圍為[0～2g，]振幅為8 mm的穩定的水平簡諧振動，這足以滿足加速度校準信息。

把節點綁定在水平振動臺上，節點采樣加速度信息，并將該數據無線發送出去，在振動平臺外有一個接收節點，接收該無線數據，并將數據發送到PC機上保存起來進行事后處理。

選取0.1 Hz，0.2 Hz，0.5 Hz，振幅為3 mm的水平振動來模擬冰激振動對平臺的影響[9]。節點以100 Hz的采樣率進行振動加速度采樣。每次實驗重復1 min。事后對實驗數據進行Matlab處理，圖4～圖6分別為0.1 Hz，0.2 Hz和0.5 Hz的時域和頻域比較圖。

從圖中可以看出，根據時域的加速度采樣信息，經過FFT變換以后得到的頻域信息與振動系統的振動頻率完全吻合。這充分說明了系統的準確性。

3.3 低功耗性能

對節點在不同狀態下的功耗進行測量，節點在工作狀態下，消耗電流為14.2 mA，而在完全休眠狀態下，消耗電流為0.1 mA。由于在硬件上，ADXL202的采樣時間非常長，達到5 ms，再加上處理器要進行采樣值判斷、無線收發等，如果采用100 Hz的采樣率，則基本上節點一直處于工作狀態，如果電池為2 000 mA[?]h，則大概只能保證10天的工作時間，這使得系統根本不具有實用性。

然而，根據實際工作的特點，只有在發現加速度數值超標時，才需要提高采樣速率到100 Hz。而對于平時絕大多數時間，只需要1 Hz的采樣速率即可，即大約可以具有[1100]的工作時間，由此推算，可以工作兩年左右的時間。完全能夠達到1年持續運行期的要求。

4 結 論

本文針對海洋油氣生產中的實際應用需求，基于無線傳感器網絡技術，設計了低功耗的冰激振動監測系統。實驗驗證了該監測系統應用于海洋平臺結構檢測中的可行性，所開發的冰激振動加速度監測節點具有低功耗、無需布線、本安防爆等優點，為保障海洋平臺的安全生產提供了新的技術保障。

在下一步的工作中，將把系統安裝到渤海灣海洋平臺上實際運行，通過分析其整年的加速度采樣數據，為其建立冰激振動預警的準確模型，為合理科學預警和系統的進一步深入推廣奠定理論和技術基礎。

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