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. 廣東省國土資源測繪院，廣東 廣州 510500；2. 華南理工大學電子與信息學院，廣東 廣州 510641）

1 引言

隨著人類海洋活動的加強，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行長期可持續(xù)開采。而據(jù)中國海洋工程裝備網(wǎng)統(tǒng)計，未來十年全球海上鉆井平臺總需求量為702座，其中深海鉆井平臺450座，占比64.1%。同時，全球有超過110座淺海半潛式鉆井平臺即將退役。深海資源開采工程平臺的快速發(fā)展，對海上及水下平臺作業(yè)安全監(jiān)控及環(huán)境監(jiān)測裝備技術提出了更高的要求，深海海洋工程裝備施工和作業(yè)的復雜性、危險性，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，實現(xiàn)裝備與平臺實時監(jiān)測、分析成像以及智能管控[1-2]。

隨著海洋戰(zhàn)略的發(fā)展，近期國際局勢緊張，我國海上重要工程設施（如海洋油氣、鉆井平臺、跨海大橋、沿海核電、遠海島礁、港口碼頭、水電大壩等），面臨的安全防護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，經(jīng)常無端受到周邊國家政府、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。針對海上重要基礎設施的安全防護，迫切需要海洋信息化手段，實現(xiàn)海上重要基礎設施的實時探測、監(jiān)測與安全預警分析。

在“工業(yè)4.0”發(fā)展大背景下，發(fā)展海洋物聯(lián)網(wǎng)是實現(xiàn)海洋工程裝備向智能化發(fā)展的基礎，發(fā)展海洋物聯(lián)網(wǎng)是實現(xiàn)船舶與海洋工程裝備向智能化發(fā)展的基礎，也是實現(xiàn)海上重要基礎設施安全防護的重要手段，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)的隨機時—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、臺風等），給海洋信息傳輸提出了很高的技術要求。

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

? 水下聲學通信系統(tǒng)未得到廣泛商用，而且價格昂貴，水下監(jiān)測數(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。這些都嚴重制約了船舶與海洋工程裝備智能化發(fā)展的進程。

針對海工裝備發(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現(xiàn)的功能、關鍵技術和主要挑戰(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)點通過聲通信將信息傳送至海上中繼節(jié)點（如浮標中繼節(jié)點、無人船中繼節(jié)點等），水上傳感器與海上中繼節(jié)點通過無線網(wǎng)橋、ZigBee、海上電臺等組成傳感子網(wǎng)，數(shù)據(jù)匯聚至作業(yè)母船（或海上作業(yè)平臺、島基等）上的傳感子網(wǎng)網(wǎng)關。這類傳感子網(wǎng)可能有多個，如視頻監(jiān)控子網(wǎng)、環(huán)境參數(shù)監(jiān)測子網(wǎng)、設備狀態(tài)傳感子網(wǎng)等。一部分傳感數(shù)據(jù)會在本地進行處理，另一部分傳感數(shù)據(jù)則需要通過互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關中的衛(wèi)星與岸基蜂窩移動網(wǎng)絡通道接入互聯(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)云平臺負責實現(xiàn)對物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)接入的安全認證、設備在線監(jiān)測的可視化、傳感數(shù)據(jù)分析、預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，為了實現(xiàn)海工裝備水下監(jiān)測信息的匯聚與傳輸，網(wǎng)絡通過水面中繼節(jié)點實現(xiàn)水下數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。水面中繼節(jié)點具備水聲通信和無線電通信的雙模式，并帶有GPS定位模塊，承擔跨介質(zhì)信息傳輸?shù)墓δ堋Ｔ撝欣^節(jié)點可以依附于海上浮標、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、海上電臺等方式接入船基傳感子網(wǎng)智能網(wǎng)關，然后再通過船基互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關接入海洋物聯(lián)網(wǎng)平臺。

圖2 水下傳感與通信模塊架構(gòu)

水下信息傳輸與組網(wǎng)技術是該模塊的關鍵。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現(xiàn)遠距離無線傳輸?shù)妮d體，聲學通信在軍事領域已得到了廣泛應用，在民用領域的應用正逐年增加。但深海和淺海海洋聲信道的復雜性和時變性、水下操作困難等，使得水下節(jié)點的通信能力嚴重受限，主要的技術挑戰(zhàn)包括以下3種。

（1）區(qū)別于陸地無線通信，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的帶寬只能達到幾千赫茲，通信速率的量級僅為幾千比特每秒，而且可靠性難以保證[4]。

（2）水聲傳播速率慢，因此水聲鏈路時延大；水聲節(jié)點因海洋環(huán)境作用具有高動態(tài)且容易出現(xiàn)故障或短暫失效，導致了網(wǎng)絡節(jié)點不穩(wěn)定，使得水聲網(wǎng)絡拓撲具有高動態(tài)性；水下節(jié)點使用電池供電，能量資源嚴重受限，這些特點均對水聲網(wǎng)絡協(xié)議設計帶來了挑戰(zhàn)[5-6]。目前商用產(chǎn)品的水聲通信機最多提供網(wǎng)絡接口，需要第三方自行開發(fā)網(wǎng)絡功能。

（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，導致節(jié)點間通信失敗。

2.2.2 海上多源異構(gòu)網(wǎng)絡通信模塊

海上多源異構(gòu)網(wǎng)絡通信模塊架構(gòu)如圖3所示，為了實現(xiàn)海上通信的廣域覆蓋，目前廣泛應用的海洋通信系統(tǒng)包括海洋衛(wèi)星通信以及岸基移動通信[7-8]，其中岸基移動通信覆蓋近海約30 km，中遠海則采用衛(wèi)星通信。因此船級網(wǎng)絡是一個異構(gòu)網(wǎng)絡，這對網(wǎng)關功能提出較高要求：船基互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關需自動根據(jù)當前的具備通信網(wǎng)絡條件和設定的策略，選擇移動通信網(wǎng)絡或衛(wèi)星通信作為鏈路。由于不同的衛(wèi)星鏈路費用會有較大的差異，網(wǎng)關需根據(jù)業(yè)務內(nèi)容和優(yōu)先級別，采用相應的流量限制方式進行通信成本控制，以性價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。該模塊還配備傳感子網(wǎng)智能網(wǎng)關，為本地傳感器網(wǎng)絡提供多模（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)絡通信模塊架構(gòu)

智能網(wǎng)關的設計為該模塊的關鍵技術之一。智能網(wǎng)關為海洋傳感子網(wǎng)連接提供網(wǎng)絡通信、協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲、邊緣計算、完整的RF和安全認證，其主要的技術挑戰(zhàn)包括以下2種。

（1）由于海洋環(huán)境條件多變，無線通信手段會根據(jù)不同應用場景采用不同的物理層協(xié)議，同時采集的信息量多樣，包括開關量信號、模擬量信號、連續(xù)波形、視頻信息等，造成采用的應用層協(xié)議也有所不同。因此智能網(wǎng)關必須支持多種異構(gòu)物理鏈路（如Wi-Fi、ZigBee、Sub-1G等）互聯(lián)互通，同時也應支持多種應用層協(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)連接的設備較多，而且通信網(wǎng)絡具有一定的不穩(wěn)定性，如果所有信息處理都交由云端后臺進行處理，會加大云端資源的耗費，且響應不及時，不能滿足用戶某些特定要求快速處理的需求場景，因此智能網(wǎng)關必須具備邊緣計算能力以及部分數(shù)據(jù)存儲能力[11]，通過邊緣計算，許多控制將通過本地設備實現(xiàn)而無須交由云端，處理過程將在本地邊緣計算層完成。這無疑將大大提升處理效率，減輕云端的負荷。由于更加靠近用戶，還可為用戶提供更快的響應，將需求在邊緣端解決。

2.2.3 海洋物聯(lián)網(wǎng)認證與管理云平臺模塊

海工裝備監(jiān)測數(shù)據(jù)需通過互聯(lián)網(wǎng)接入海洋物聯(lián)網(wǎng)平臺，處理滿足用戶各類需求。為了實現(xiàn)認證計費與安全接入，需部署寬帶認證計費接入網(wǎng)關，與船端衛(wèi)星網(wǎng)關配合，用于船端、人員、設備的安全認證和接入控制，該模塊的架構(gòu)如圖4所示。平臺為海洋設備提供數(shù)據(jù)采集功能及終端設備安全接入功能，實現(xiàn)對服務于海工裝備旋轉(zhuǎn)類機械的數(shù)據(jù)分析、故障診斷及可視化展示。平臺基本功能的實現(xiàn)需要可靠的海洋網(wǎng)絡通信支持，包括水面上的衛(wèi)星、移動通信以及水下的水聲通信。但平臺的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析能力將為選擇性價比更高的網(wǎng)絡架構(gòu)和協(xié)議提供數(shù)據(jù)支撐。

圖4 海洋物聯(lián)網(wǎng)管理云平臺技術架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)管理云平臺在技術設計上，可基于當前成熟可靠的云架構(gòu)（Spring Cloud）+后臺框架（Spring Boot）+前端框架（Angular/React）技術體系，打造一個完整和現(xiàn)代的Web應用程序或微服務架構(gòu)。在該技術體系架構(gòu)下，基于Spring Boot框架的服務端，具備高性能和高可用的Java技術棧；基于Angular、React和Bootstrap的時尚、現(xiàn)代、移動優(yōu)先的前端；基于SAAF Registry、Netflix OSS、ELK堆棧和Docker的強大的微服務架構(gòu)；使用Yeoman、Webpack和Maven/Gradle構(gòu)建應用程序的強大工作流程。

2.3 應用實踐

基于所述物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的應用實踐如圖5所示。在調(diào)查船只的發(fā)動機及淡水泵安裝了震動傳感器（如圖5（b）、（c）所示），用來檢測設備的運行狀況。傳感器配備無線通信功能，與船載傳感子網(wǎng)網(wǎng)關相連，然后通過海事衛(wèi)星將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳回陸地基站；陸地基站通過物聯(lián)網(wǎng)管理云平臺對遠程的傳感器進行管理和監(jiān)控（管理頁面如圖5（d）所示），包括設備連接情況、監(jiān)測預警情況等信息。該系統(tǒng)已平穩(wěn)運行約半年時間，初步驗證了所提出網(wǎng)絡架構(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)是促進海工裝備與平臺制造與使用自動化智能化的重要支撐，未來海洋工程裝備將呈現(xiàn)水下裝備廣泛應用的趨勢。本文提出的服務于海工平臺智能監(jiān)控的海洋物聯(lián)網(wǎng)平臺架構(gòu)，融合水聲、衛(wèi)星及其他海洋通信方式，可實現(xiàn)水下、水上裝備與平臺監(jiān)控數(shù)據(jù)的傳輸、數(shù)據(jù)接入的安全認證、設備在線監(jiān)測的可視化、傳感數(shù)據(jù)分析、預警告警與故障診斷等。本文還討論了網(wǎng)絡架構(gòu)所涉及模塊的關鍵技術，為未來基于該架構(gòu)的網(wǎng)絡應用提供參考。