基于LoRa無線物聯網通信的海上作業人員定位系統研究

郭建新 李智 黃祥聲 李達

我國海上風能資源豐富，依托于技術進步及政策扶持，目前，海上風電場建設已經進入加速發展階段。與此同時，海上風電工程建設中存在的施工人員對于海上求生和安全技能掌握水平參差不齊、海上信息孤島、海上氣象條件復雜等問題愈加凸顯。因此，對海上風電施工及維護人員的安全監控管理和應急救援管理方式進行優化是一項極其重要的工作。

目前，涉海工程項目救援定位工作主要依靠北斗定位通信鏈路技術和AIS-MOB（AIS便攜式應急示位標）技術來實現。海上作業人員日常定位管理主要通過使用射頻RFID或者二維碼主動打卡方式實現，但因作業人員經常存在漏打卡情況，而導致日常作業統計不準確。AIS-MOB作為AIS-SART技術的應用延伸，主要安裝于個人救生衣或隨身攜帶，在遇險時發出個人報警信號和位置信息等，附近船舶通過船舶上配置的AIS系統開展搜救工作。根據國際海事組織（IMO）的相關規定，AIS-MOB設備需要配置唯一的9位標識進行統一管理，受到標識數量的限制，AISMOB主要作為遇險搜救定位終端。基于北斗系統全球定位覆蓋、精確授時和短報文遠距離傳輸的特點，其在海洋工程項目人員管理和人員定位搜救等方面已經開展應用，但由于北斗短報文通信費用較高和高精度定位需要收費等原因，出于成本考慮，其并不適于大規模部署應用。

隨著物聯網技術的興起，LoRa無線物聯通信技術受到越來越多的關注。LoRa網絡在城市路燈管理、城市資產定位、共享單車追蹤定位、社區門禁和遠程抄表等場景中得到廣泛應用。由于人員定位對于數據傳輸量要求并不大，定位工卡接收到的定位信息可以通過LoRa無線物聯網技術進行數據傳輸，因此，本文提出基于北斗衛星定位技術+藍牙定位+LoRa無線物聯網通信的海上人員定位系統，該系統可以實現海上人員日常自動定位，消除漏打卡現象，降低通信成本，且不需要占用公共資源。

項目概況及需求分析

興化灣海上風電場中心離岸距離為5km，風電場海域覆蓋面積約40km2，海上施工期涉及船舶數量最多可達20艘，涉及人員數量最多可達100人。由于海上通信信號不穩定，部分作業人員海上求生和安全技能掌握水平不高，海上應急救援力量不足。通過物聯網技術推進人與人、人與物、物與物全面聯系的智慧海上風電場的建設，可對海上作業人員進行實時定位，及時掌握人員狀態信息，進而實現對人員的安全行為管理、精準定位管理和應急救援管理，為海上風電工程安全施工提供技術支持和保障。在人員定位管理系統開發的過程中存在以下幾個技術難點：

（1）離岸較遠，4G網絡無法覆蓋，需要自組網。

（2）海上風電場施工海域廣闊，在選擇網絡的時候需要考慮覆蓋范圍廣的單基站。

（3）海上施工環境惡劣，不便于布網布電，需要減少部署基站數量，減少布網布電工程。

（4）海上施工期船舶數量和人員數量眾多，需要采用能夠支持多終端接入的系統網絡。

（5）海上人員主要依托船舶完成各作業平臺直接的運輸，需要在高速移動過程中保證通信的穩定性。

（6）海上作業人員出海作業隨身攜帶工具較多且作業時間長，定位終端設備需要具備便攜性和低功耗、長待機的特點。

（7）需要以低成本的組網方式開展人員定位管理。

LoRa無線物聯網通信的適用性分析

LoRa是LPWAN通信技術中的一種，是美國Semtech公司采用和推廣的一種基于擴頻技術的超遠距離無線傳輸方案。LoRa基站之間組網符合LoRaWAN協議，LoRaWAN是LoRa聯盟推出的一個基于開源MAC層協議的低功耗廣域網（Low Power Wide Area Network，LPWAN）標準。LoRaWAN網絡架構是一個典型的星型拓撲結構，在這個網絡架構中，LoRa網關是一個透明傳輸的中繼，連接終端設備和后端中央服務器。網關與服務器間通過標準IP連接，終端設備采用單跳與一個或多個網關通信，所有的節點與網關間均是雙向通信。

LoRa通信系統包括數據采集節點（定位標簽）、傳送網關（基站）、網絡服務、用戶業務應用服務四個部分：系統首先完成對用戶傳感設備的數據采集，并將數據通過LoRa無線網絡傳送到LoRa網絡服務器，然后由用戶業務應用服務器與用戶應用系統對接，完成數據上報。

LoRa技術可滿足海上人員定位管理對于遠距離、少布網、多終端接入、低功耗、高穩定性和低成本組網等技術的需要，其具備的技術特點如下：

（1）單基站覆蓋范圍廣。在城市環境中可以達到2～3km的通信距離，在郊區環境中可以達到5～10km。在良好天氣情況下，實測海上LoRa單基站（安裝高度60m以上）覆蓋半徑可達15km。

（2）支持多信道多數據速率的并行處理，系統容量大。理論上，每個網關每天可以處理500萬次各節點之間的通信（假設每次發送10Bytes，網絡占用率10%），只需要少量的網關基站即可支持終端之間的遠距離傳輸。

（3）LoRa物聯網通信網絡弱電施工成本非常低，只有少數LoRa基站網關需要供網供電，特別適用于海上不適合布網布電的環境。

（4）通過LoRa物聯網通信網絡進行數據回傳，無線數據采集不依托運營商2G/3G/4G網絡或者WiFi網絡。

（5）數據采集穩定、可靠。通過間歇工作模式控制，支持將海量終端連接到中心平臺，實現平臺和設備之間數據采集和命令下發的雙向通信。

（6）高接收靈敏度、低功耗。LoRa使用線性調頻擴頻調制技術，接收靈敏度最高可達-148dBm，在20dBm的發射功率下，鏈路預算高達168dB；其接收電流僅10mA，待機電流20μA，大大延長了電池的使用壽命。

（7）相比于GSM/GPRS數據采集系統，LoRa主要在全球免費頻段運行，包括433、868、915MHz等，因此，不會產生運營商通信費用，可實現低成本自組網絡。

海上作業人員定位系統網絡架構

本項目LoRa組網技術采用星型組網方式，終端節點和網關可以直接進行數據信息交互。每個基站同時接收16路數據，減小了大量節點上行時數據沖突的概率。遵循LoRaWAN協議規范，可交叉組網，使用CN470-510MHz頻段。基于LoRa線性擴頻調制技術實現點對點的遠距離傳輸，適合在需要部署少量基站且滿足大范圍海域覆蓋的情況下應用。

本系統主要由人員定位工牌、船用網關、藍牙（iBeacon）信標、LoRa通信基站、物聯網云服務器和應用服務器等組成。

一、定位工牌和藍牙信標

本系統通過海上工作人員佩戴基于北斗/GPS衛星定位和藍牙定位技術的定位工牌，進行實時定位。定位工牌在海上風電海域及碼頭空曠區域接收衛星信號進行定位，在無北斗/GPS衛星信號的密閉區域內，接收部署的藍牙信標信號進行定位標定，系統根據藍牙信標的位置自動綁定人員所屬區域。

1. 室外衛星定位技術

二、LoRa通信基站和船用網關

采用LoRa無線物聯網通信技術，通過布設在產業園樓頂、海上風電機組和船舶等區域的基站和船用網關，與每個海上工作人員佩戴的電子定位標簽進行實時通信，接收定位信息，并發送控制命令。

在船舶區域，工卡與船用定位網關的通信采用點對點LoRa通信模式，在接收到船用藍牙信標的激活信號后，工卡借助船用定位網關跟基站通信，平臺根據此信息獲取船艙內工卡的實時定位信息。

三、物聯網云服務器和應用服務器

LoRa基站可以通過移動運營商網絡連接到云平臺服務器，經云平臺服務器計算和處理后，在PC端顯示人員定位信息，實現監控人員對海上風電場現場人員定位信息的實時監控。

海上作業人員定位系統功能設定

本系統集成了室外北斗/GPS定位，室內藍牙低功耗定位技術，通過將其與LoRa低功耗物聯網通信相結合，實現對各種場所人員及資產的定位追蹤。符合LoRaWAN標準的LoRa通信網關可以接入5～10km內上萬個無線傳感器節點，其效率遠遠高于傳統的點對點輪詢的通信模式，也能大幅度降低節點通信功耗。船用LoRa網關每秒可以采集20組iBeacon信息，30秒上傳一次船上標簽信息，所以，每艘船可以保證上百人的iBeacon標簽信息采集。

海上人員定位系統功能設定如圖3所示：通過部署LoRa基站自組網絡，實現從碼頭到海上風電場的信號覆蓋，對現場作業人員攜帶定位工卡乘船從碼頭出發到達風電機組平臺、完成作業后再回到施工碼頭的全過程進行跟蹤，定位軌跡應用效果如圖4所示；通過設置電子圍欄，可實現對特定區域人員安全行為的管理；當發生應急事件時，通過對人員的數量統計，查看人員集結情況，并通知船舶開展應急救援，實現人員應急救援管理。

結論與探討

本文在充分了解海上人員定位管理需求的基礎上，探討了 LoRa 無線物聯網通信技術在海上人員定位系統中的應用，通過該定位系統可提升對海上人員信息的管理效率、降低管理成本。隨著海上風電項目的規模、水深及離岸距離的增加，應對系統進行不斷的優化及提升。結合當前的研究成果，今后研究的重點方向包括：

（1） 本文僅針對離岸20km海域項目開展研究，今后可以對系統的環境適應性予以重點研究，讓系統能夠適應不同的環境，實現其在離岸40～80km項目上的應用。

（2） 本文并沒有將系統中基站及網關的數量與最佳部署位置作為重點進行研究，后續可以對定位數據的穩定性和系統節點的部署成本開展深入研究。

（3） 可以對LoRa通信技術進行功能拓展的研究，實現其在海洋資產管理、海洋信息傳輸方面的應用。

（作者單位：郭建新，李智：長江三峽集團福建能源投資有限公司；黃祥聲，李達：福建省新能海上風電研發中心有限公司）